Biologia farmaceutica vegetale

TERPENOIDI E STEROIDI

È una classe molto ampia di composti divisa in ulteriori sottoclassi: monoterpeni, sesquiterpeni, iridoidi,

diterpeni, triterpeni e steroidi, glicosidi cardioattivi, caroteonoidi.

Le piante sono gli organismi che producono la maggior parte dei terpenoidi fino ad ora isolati (circa 30000).

Sono una classe di composti chimici ampiamente distribuiti in natura e che giocano un ruolo fondamentale nella

crescita e nello sviluppo degli organismi viventi. 59

Ci sono terpenoidi che hanno un ruolo importante nel mantenere la fluidità delle membrane (steroli), nel

trasporto di elettroni (ubichinone, menachinone e plastochinone) e nella regolazione dello sviluppo cellulare

(fitormoni).

Oltre a questi ruoli essenziali nella crescita e nello sviluppo cellulari, le piante producono una vasta gamma di

terpenoidi che svolgono funzioni specifiche come tossine difensive (fitoalessine sesquiterpeniche e

diterpeniche), segnali difensivi volatili (monoterpeni e sesquiterpeni, composti di natura terpenica a basso peso

molecolare molto volatili e la pianta li sfrutta per comunicare un pericolo imminente), ruoli vessillari grazie alla

sensazione olfattiva che possono suscitare e che permette il richiamo di insetti impollinatori o altri animali per

promuovere la disseminazione (monoterpeni) e fotoprotettori capaci, per esempio, di aumentare la

termotolleranza (carotenoidi).

Questi composti derivano da unità isopreniche a 5 atomi di carbonio;

L’unità può provenire sia dalla via sintetica del mevalonato oppure dalla via del metileritritolfosfato.

L’acido mevalonico deriva dall’acetato e il percorso è simile a quello della formazione del colesterolo in cui due

unità di acetil-CoA condensano attraverso una condensazione di Claisen formando un acetoacetato a 4 termini;

successivamente l’enzima idrossimetilglutaril-CoA sintasi forma l’acido idrossimetilglutarico (HMG) dal quale

deriva l’acido mevalonico ad opera dell’enzima idrossimetilglutaril-CoA reduttasi, importante perché ha

consentito di trovare farmaci che inibiscano selettivamente l’attività di questi enzimi bloccando la sintesi delle

unità isopreniche inibendo la sintesi del colesterolo (es. statine).

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Dal mevalonato derivano poi due molecole strettamente correlate l’una all’altra che sono IPP

(isopentenilpirofosfato) e DMAPP (dimetilallilpirofosfato).

Via del metileritritolfosfato (detta anche via del non-mevalonato), dove si parte da piruvato, gliceraldeide e

gliceraldeide fosfato arrivando alla sintesi di unità isopreniche attraverso varie tappe.

Mentre la via del mevalonato opera nel citoplasma ed indirettamente nei mitocondri e sintetizza prevalentemente

steroli ed in misura minore sesquiterpeni e ubichinoni, la via del non-mevalonato, invece, opera nei plastidi e

sintetizza soprattutto emi-, mono-, sesqui- e diterpeni, accanto a molecole quali carotenoidi (β-carotene e

licopene) e fitolo (la catena laterale della clorofilla). C’è quindi uno scambio di metaboliti, in entrambe le direzioni,

attraverso la membrana plastidiale.

Dal punto di vista strutturale, dimetilallilpirofosfato (DMAPP) e isopentenilpirofosfato (IPP) rappresentano i due

mattoni biosintetici fondamentali da cui prende avvio la formazione di tutti i terpeni. La biosintesi procede

inizialmente con la condensazione di queste due unità, che porta alla formazione del geranilpirofosfato (GPP),

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una molecola composta da 10 atomi di carbonio che costituisce il punto di partenza per la sintesi dei

monoterpeni.

La catena biosintetica continua con l’aggiunta di un’altra unità di IPP al geranilpirofosfato, dando origine al

farnesilpirofosfato (FPP), una struttura a quindici atomi di carbonio dalla quale si sviluppano i sesquiterpeni.

Successivamente, la condensazione del farnesilpirofosfato con un’ulteriore unità di IPP produce il

geranilgeranilpirofosfato (GGPP), formato da venti atomi di carbonio e precursore dei diterpeni.

A questo punto la via biosintetica procede attraverso condensazioni tra molecole sempre più voluminose: due

unità di farnesilpirofosfato si uniscono per formare lo squalene, una molecola a trenta atomi di carbonio da cui

derivano i triterpeni. Infine, l’unione di due molecole di geranilgeranilpirofosfato porta alla formazione del fitoene,

composto da quaranta atomi di carbonio e precursore dei carotenoidi.

Nelle rappresentazioni schematiche, i diversi tipi di condensazione vengono spesso evidenziati con colori distinti:

in rosso si indicano i legami testa-coda, mentre in verde i legami coda-coda, utili per visualizzare

l’organizzazione modulare delle unità isopreniche lungo la catena terpenica.

I terpeni possono avere strutture più o meno complesse, ad esempio il geraniolo è lineare mentre il mentolo è

ciclizzato per cui bisogna contare gli atomi di carbonio per identificare la classe dei terpeni.

Ne esistono varie classi:

• Monoterpeni:

I monoterpeni, che sono i più semplici terpeni, hanno 10 atomi

di carbonio e sono i composti dotati della più spiccata volatilità.

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Hanno strutture abbastanza differenti tra loro, infatti, possono essere composti idrocarburi aciclici o

presentanti uno o più anelli (ad esempio i pineni sono molto utilizzati in chimica organica per la loro

reattività).

I monoterpeni possono essere funzionalizzati con vari gruppi come aldeidi o gruppi carbossilici ma

possono presentare anche eterocicli (anelli accessori).

La fuoriuscita del protone avviene sempre con la formazione di un composto trans.

• Emiterpeni

Gli emiterpeni costituiscono la classe terpenica più semplice e sono formati da molecole che contengono

cinque atomi di carbonio, cioè la metà di un monoterpene. Dal punto di vista terapeutico non rivestono

particolare interesse, ma assumono invece un ruolo significativo dal punto di vista biologico, soprattutto

nelle piante.

L’esempio più importante di emiterpene è l’isoprene, prodotto in grande quantità da numerose specie

vegetali. Tradizionalmente è stato considerato un possibile “mattone” per la biosintesi dei terpenoidi.

L’isoprene deriva dal DMAPP, dal quale si forma attraverso l’azione dell’enzima isoprene sintasi, che

catalizza la rimozione del gruppo difosfato.

Nonostante la sua struttura estremamente semplice, l’isoprene svolge funzioni fondamentali nella

fisiologia vegetale. Innanzitutto, ha un importante ruolo fotoprotettore, contribuendo a proteggere i

tessuti vegetali dagli effetti dannosi dell’energia luminosa in eccesso. Inoltre, è coinvolto nei processi di

termotolleranza, aiutando la pianta a resistere a variazioni improvvise o elevate della temperatura.

Le ricerche scientifiche più recenti hanno messo in evidenza anche un altro aspetto interessante:

l’isoprene contribuisce a stabilizzare le membrane cellulari, rendendole più resistenti allo stress termico

e, di conseguenza, anche allo stress ossidativo. Questo perché la molecola è in grado di neutralizzare

specie reattive dell’ossigeno e dell’azoto, svolgendo così un’azione protettiva nei confronti dei danni

ossidativi.

• Sesquiterpeni

I sesquiterpeni, composti da 15 atomi di carbonio, presentano una complessità strutturale maggiore

rispetto ai monoterpeni, proprio perché derivano da un numero superiore di unità isopreniche. L’aumento

della lunghezza della catena carboniosa permette infatti una più ampia varietà di cicli, ramificazioni e

riorganizzazioni interne, rendendo questa classe di terpenoidi estremamente diversificata.

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Un aspetto fondamentale della loro biosintesi è la perdita stereospecifica di atomi di idrogeno, un

processo che avviene sotto il controllo di enzimi altamente specializzati. Questi enzimi guidano la

reazione in modo preciso, determinando la formazione di intermedi carbocationici che possono poi

evolvere in un’ampia gamma di sistemi carbociclici. La stereospecificità con cui avvengono queste

trasformazioni è ciò che permette ai sesquiterpeni di assumere strutture anche molto diverse tra loro,

dalle catene lineari ai composti policiclici più complessi. Questi

composti

sono i

principali

costituenti

degli oli

essenziali,

cioè

miscele

estremamente complesse ricavate da una fonte naturale, non per forza vegetale perché ci sono oli essenziali

ricavati anche da animali (castoro, zibetto), di composti organici di varia natura chimica appartenenti in

prevalenza alla classe dei terpeni (terpeni idrocarburi, mentre I terpenoidi i corrispondenti derivati ossigenati).

Negli oli essenziali possono esserci anche derivati della via dell’acido shikimico, composti azotati (oli essenziali

che producon glicosidi) o solforati (olio essenziale di aglio/cipolla), quindi non solo terpenoidi. Si trovano negli

organismi vegetali superiori prevalentemente, soprattutto in 50 famiglie particolarmente ricche in oli essenziali.

Gli oli essenziali si trovano a livello di tutti gli organi della pianta come le foglie (rosmarino, salvia), fiori (rosacee),

semi (noce moscata), corteccia (cannella), legno (sandalo) e vengono prodotti in strutture specializzate.

La sua composizione può cambiare in base a dove si trova nella pianta (arancio amaro).

La quantità di olio essenziale in una pianta è molto bassa, come 0,01%-1% della pianta (quelli meno concentrati

sono i più costosi). Mentre i chiodi di garofano (boccioli) hanno anche il 15-20% di oli essenziali.

Per quanto riguarda la metodica estrattiva, gli oli essenziali contengono principi volatili dei vegetali che vengono

estratti per distillazione o tramite spremitura; successivamente i principi volatili vengono più o meno modificati

nel corso della preparazione.

Liquidi a temperatura ambiente, sono volatili e incolori ma alle volte sono colorati (olio essenziale di camomilla)

In base alla famiglia chimica da cui derivano, si può prevedere l’azione terapeutica ed informazioni riguardati la

tossicità.

Gli oli essenziali hanno le seguenti proprietà fisiche:

• Liquidi a temperatura ambiente, volatili

• Raramente colorati, ma alcuni colorati come la camomilla

• Densità generalmente inferiore a quella dell’acqua

• Indice di rifrazione elevato (molti oli essenziali deviano la luce polarizzata)

• Solubili nei solventi organici comuni come il metanolo e sono liposolubili.

• Estraibili in corrente di vapore

Negli ultimi anni sono stati messi in commercio oli essenziali estratti attraverso CO2 supercritica ma non possono

essere definiti oli essenziali. Attenzione: con il termine essenza si fa riferimento al prodotto contenuto nella

pianta, come si presenta nella pianta (in termini pratici si può prendere una ghiandola di menta e estrarre il

secreto con una microsiringa, in questo