Biologia vegetale con elementi di botanica farmaceutica

BIOLOGIA

VEGETALE

Fonti:

biologia e botanica farmaceutica, Felice Senatore.

Lezioni in aula

Appunti di:

Paola Szynal, 1º anno CTF, UNIPI Paola Szynal 1

1º anno CTF

UNIPI

INTRODUZIONE ALLA BOTANICA E ALLA BOTANICA FARMACEUTICA

La botanica, dal greco botané (“erba”), è la scienza che studia le piante in tutti i loro aspetti:

morfologici, anatomici, fisiologici, sistematici ed ecologici. La botanica farmaceutica è il ramo della

botanica che si occupa specificamente delle piante medicinali, cioè di quelle utilizzate a scopo

terapeutico, preventivo o come fonte di sostanze utili alla produzione di farmaci. È una disciplina

antichissima: le piante hanno rappresentato il primo rimedio terapeutico già a partire dall’uomo di

Neanderthal. Tra gli esempi più noti si possono ricordare l’aspirina, derivata dalla salicina presente

nel salice, e il tassolo, ottenuto dalla corteccia del tasso, impiegato in ambito oncologico.

DEFINIZIONI FONDAMENTALI

Droga

In botanica farmaceutica, per droga si intende la parte della pianta più ricca in principi attivi e

utilizzata in terapia. La droga può corrispondere a diversi organi vegetali: radici, foglie, fiori, frutti,

semi, cortecce o altre parti specifiche.

Principio attivo

Il principio attivo è la sostanza chimica (o l’insieme di più sostanze) contenuta nella droga e

responsabile della sua azione farmacologica. Può essere presente in quantità variabile a seconda

della specie, delle condizioni ambientali e del momento della raccolta.

Fitocomplesso

Il fitocomplesso è l’insieme di tutti i principi attivi e delle sostanze più o meno inerti presenti nella

pianta. L’azione del fitocomplesso può risultare diversa rispetto a quella del singolo principio attivo

isolato: talvolta può essere più potente per effetto sinergico, ma più spesso risulta meno potente

rispetto alla molecola purificata.

Pianta medicinale

Una pianta medicinale è un vegetale che contiene, in uno o più dei suoi organi, sostanze utilizzabili

a fini terapeutici e/o preventivi oppure impiegabili come precursori per semisintesi farmaceutiche.

Pianta officinale

La pianta officinale è un vegetale impiegato nelle officine farmaceutiche (laboratori o industrie) per

la produzione di specialità medicinali. In questa categoria rientrano non solo le piante medicinali,

ma anche quelle aromatiche e da profumo. Paola Szynal 2

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RACCOLTA E QUALITÀ DELLA DROGA

Tempo balsamico

Il tempo balsamico è il periodo migliore per la raccolta di una droga, cioè il momento in cui il

contenuto in principi attivi è massimo. Questo dipende da diversi fattori:

• età della pianta

• periodo dell’anno

• ora del giorno

La scelta corretta del tempo balsamico è fondamentale per garantire la qualità e l’efficacia della

droga vegetale.

Titolo

Il titolo rappresenta la determinazione esatta della concentrazione del principio attivo presente

nella droga, nel fitocomplesso, nell’estratto o nella preparazione commerciale. È un parametro

essenziale per assicurare standardizzazione, sicurezza ed efficacia terapeutica.

PREPARAZIONI ESTRATTIVE

Estratto

Un estratto è una preparazione ottenuta per evaporazione di soluzioni ricavate esaurendo droghe

fresche o essiccate mediante solventi idonei, come acqua, alcol o glicerina.

Decotto

Il decotto è una soluzione ottenuta facendo bollire la droga in acqua per circa 10–15 minuti. È una

tecnica utilizzata soprattutto per droghe costituite da parti dure, come radici o cortecce.

Infuso

L’infuso si ottiene versando acqua bollente sulla droga e lasciandola in estrazione per 10–15 minuti.

È generalmente impiegato per parti più delicate, come foglie e fiori. In modo semplice si può

affermare che decotto e infuso sono, di fatto, delle forme di estratto.

SITUAZIONE ATTUALE DELLA BOTANICA FARMACEUTICA

Oggi la botanica farmaceutica si avvale di importanti progressi scientifici:

• sviluppo di tecniche separative e analitiche sempre più sofisticate

• possibilità di sintesi in laboratorio dei principi attivi

Nonostante ciò, le piante medicinali mantengono un ruolo fondamentale perché: Paola Szynal 3

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• alcune sintesi chimiche risultano troppo complesse, lunghe o poco vantaggiose dal punto di

vista economico

• l’azione della pianta “in toto” può essere diversa rispetto a quella del principio attivo

purificato, a causa dell’interazione tra i componenti del fitocomplesso

COLTIVAZIONE DELLE PIANTE MEDICINALI

La coltivazione delle piante medicinali riveste un’importanza crescente e si basa su diversi obiettivi:

• selezione di varietà con maggiore resa in principi attivi

• riduzione della dipendenza dalle condizioni ambientali

• preservazione delle specie dal rischio di estinzione

In questo modo si garantiscono qualità, standardizzazione e sostenibilità nell’utilizzo delle risorse

vegetali a fini terapeutici.

CITOLOGIA

STRUTTURA E PROPRIETÀ DELLE MEMBRANE STRUTTURA DEL CLOROPLASTO

Le membrane biologiche costituiscono strutture fondamentali per la vita della cellula. Il

plasmalemma (membrana plasmatica) e le membrane che delimitano il nucleo e gli organuli nelle

cellule eucariote presentano tutte la stessa organizzazione di base. Secondo il modello a mosaico

fluido, la membrana è formata da un doppio strato di fosfolipidi nel quale sono immerse proteine

che possono muoversi lateralmente, conferendo alla struttura un aspetto “a mosaico” e una certa

fluidità. Osservata in sezione trasversale al microscopio elettronico, la membrana appare come una

struttura trilaminare: due linee scure esterne, corrispondenti alle teste idrofile dei fosfolipidi, e una

zona chiara centrale, formata dalle code idrofobe. Questa organizzazione rende la membrana

selettivamente permeabile, cioè capace di regolare il passaggio delle sostanze tra l’interno e

l’esterno della cellula. Le sostanze attraversano la membrana plasmatica attraverso due principali

meccanismi: il trasporto passivo e il trasporto attivo. Il trasporto passivo avviene senza consumo di

energia e segue il gradiente di concentrazione, come nel caso della diffusione semplice, della

diffusione facilitata e dell’osmosi. Il trasporto attivo, invece, richiede energia sotto forma di ATP e

permette il movimento di sostanze contro gradiente di concentrazione, grazie a specifiche proteine

di membrana che funzionano come pompe.

OSMOSI

Quando una soluzione è separata dal solvente puro da una membrana semipermeabile, che

permette il passaggio delle molecole del solvente ma non di quelle del soluto, si verifica un

fenomeno chiamato osmosi. In questa situazione, le molecole del solvente tendono a muoversi più

facilmente dalla zona in cui si trova il solvente puro verso la soluzione, dove la concentrazione di

soluto è maggiore, piuttosto che nella direzione opposta. Questo flusso avviene perché il sistema

tende a raggiungere un equilibrio di concentrazione tra i due compartimenti. Il passaggio del

solvente verso la soluzione attraverso la membrana semipermeabile può però essere impedito

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applicando una pressione esterna sulla soluzione. La pressione necessaria per arrestare il flusso

osmotico prende il nome di pressione osmotica (π).

TRASPORTO PASSIVO

Il trasporto passivo è il processo mediante il quale le sostanze attraversano la membrana cellulare

senza consumo di energia da parte della cellula. Esso può avvenire per diffusione semplice oppure

per diffusione facilitata. Nella diffusione semplice, le molecole si muovono spontaneamente dalla

zona in cui la loro concentrazione è maggiore verso la zona in cui è minore, seguendo il gradiente di

concentrazione, fino al raggiungimento dell’equilibrio. Questo tipo di trasporto riguarda soprattutto

molecole piccole e apolari, come i gas. Nella diffusione facilitata, invece, le sostanze attraversano la

membrana con l’aiuto di specifiche proteine di membrana. In particolare, possono utilizzare

proteine canale, strutture di natura proteica che formano veri e propri “canali” attraverso il doppio

strato lipidico. Il passaggio attraverso le proteine canale avviene senza che si verifichino variazioni

strutturali della proteina stessa e, come nella diffusione semplice, non richiede energia, poiché

avviene sempre secondo gradiente di concentrazione.

TRASPORTO ATTIVO

Nel trasporto attivo le sostanze vengono trasferite attraverso la membrana cellulare da una zona in

cui la loro concentrazione è minore a una zona in cui è maggiore, quindi contro il gradiente di

concentrazione. Poiché questo movimento non avviene spontaneamente, la cellula deve fornire

energia, generalmente sotto forma di ATP. Il processo è mediato da specifiche proteine di

membrana, come pompe o trasportatori, che permettono il passaggio selettivo delle sostanze e

garantiscono il mantenimento degli equilibri ionici e delle condizioni interne della cellula.

LA CELLULA VEGETALE: FORMA E ORGANIZZAZIONE GENERALE

La cellula vegetale si presenta come un corpicciolo di forma variabile. Quando è isolata tende ad

assumere una forma sferica; quando invece si trova inserita in un tessuto, dove è a stretto contatto

con altre cellule, assume un aspetto poligonale o prismatico. Questa differenza è dovuta alla

presenza della parete cellulare e alla pressione reciproca esercitata dalle cellule adiacenti. La cellula

vegetale possiede una struttura complessa e altamente organizzata. Una caratteristica

fondamentale è la presenza del protoplasto, termine con cui si indica l’insieme di citoplasma e

nucleo, delimitati dalla membrana plasmatica ma privi della parete cellulare. Il protoplasto

rappresenta quindi la parte viva della cellula, mentre la parete costituisce un rivestimento esterno

rigido.

Differenze tra cellula vegetale e cellula animale

La cellula vegetale presenta alcune differenze sostanziali rispetto alla cellula animale. Una prima

differenza riguarda il citoplasma, che nella cellula vegetale è in continuo movimento. Questo

fenomeno, noto come ciclosi, consiste in correnti citoplasmatiche che favoriscono la distribuzione

di sostanze e organelli all’interno della cellula. Un’altra differenza è la presenza di vacuoli, che nella

cellula vegetale sono generalmente molto sviluppati e possono occupare gran parte del volume

cellulare. Nella cellula animale, invece, i vacuoli sono assenti o poco sviluppati. Sono tipici della

cellula vegetale anche i plastidi, organuli specializzati che comprendono cloroplasti, cromoplasti e

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leucoplasti, assenti nella cellula animale. Un elemento distintivo fondamentale è la parete cellulare,

una struttura rigida esterna alla membrana plasmatica che conferisce forma, sostegno e protezione

alla cellula vegetale. La cellula animale ne è priva. Nelle cellule vegetali sono presenti, inoltre,

connessioni particolari tra cellule adiacenti, che permettono comunicazione e scambio di sostanze

tra protoplasti contigui. Queste connessioni garantiscono un’integrazione funzionale del tessuto

vegetale. Esistono infine piccole differenze a livello dell’apparato di Golgi e del reticolo

endoplasmatico rispetto alla cellula animale, legate soprattutto alla sintesi e al trasporto dei

componenti della parete cellulare e di altre sostanze specifiche del metabolismo vegetale.

LA TEORIA CELLULARE

La teoria cellulare costituisce uno dei principi fondamentali della biologia e si basa su alcuni

enunciati essenziali. Tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule. La cellula rappresenta l’unità

strutturale e funzionale fondamentale di ogni organismo vivente. Le cellule possono originarsi solo

da altre cellule preesistenti. Questo principio esclude la generazione spontanea e afferma la

continuità della vita attraverso la divisione cellulare. Le reazioni chimiche di un organismo vivente,

inclusi i processi metabolici fondamentali, avvengono all’interno delle cellule. La cellula è quindi

l’unità fisiologica di base, sede di tutte le attività vitali.

Caratteristiche comuni a tutte le cellule

Nonostante le differenze tra cellula vegetale e animale, esistono caratteristiche comuni a tutte le

cellule. Ogni cellula è delimitata da una membrana plasmatica, detta anche plasmalemma o

membrana cellulare. Questa struttura separa e isola il contenuto cellulare dall’ambiente esterno,

regolando selettivamente gli scambi di sostanze. Tutte le cellule possiedono materiale genetico, che

dirige le attività cellulari e consente la trasmissione dei caratteri ereditari alla discendenza. Il

materiale genetico contiene le informazioni necessarie per la sintesi delle proteine e per il controllo

delle funzioni cellulari. La presenza della membrana plasmatica e del materiale genetico

rappresenta quindi un requisito universale della vita cellulare, sia negli organismi procarioti sia in

quelli eucarioti.

GLI ORGANULI CELLULARI

STRUTTURE PECULIARI DELLA CELLULA VEGETALE

I plastidi

I plastidi sono organuli cellulari esclusivi delle cellule vegetali e tipici degli organismi autotrofi. Ogni

cellula vegetale ne contiene generalmente un numero compreso tra 10 e 100, ma in 1 mm² di

tessuto fogliare se ne possono osservare fino a 500.000. Non sono presenti nei batteri né nei funghi

e, pur svolgendo funzioni fondamentali, non sono indispensabili alla sopravvivenza cellulare come il

nucleo o i ribosomi. Dal punto di vista morfologico presentano in genere una forma ovoidale e sono

delimitati da una doppia membrana lipoproteica. L’origine dei plastidi è spiegata dalla teoria

dell’endosimbiosi. Secondo questa teoria, tutti gli organuli delimitati da una doppia membrana

derivano dall’inglobamento, tramite fagocitosi, di una cellula procariota da parte di un’altra cellula

procariota ancestrale. A partire da una cellula eucariotica primitiva che ha incorporato tali strutture

si sarebbero quindi formati i plastidi. A sostegno di questa ipotesi, sia i plastidi sia i mitocondri

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possiedono un proprio DNA, simile a quello batterico, e sono in grado di duplicarsi in modo

parzialmente autonomo. I plastidi derivano da uno stadio giovanile indifferenziato chiamato

proplastide e possono differenziarsi in diverse tipologie in base alla struttura e alla funzione. Si

distinguono in plastidi pigmentati (colorati) e plastidi privi di pigmento (incolori). Il proplastide

rappresenta lo stadio giovanile del plastidio; il cloroplasto e il leucoplasto rappresentano stadi

maturi, mentre il cromoplasto è considerato uno stadio senile, non reversibile.

Il proplastide e la differenziazione plastidiale

Il proplastide è lo stadio giovanile indifferenziato del plastidio. Presenta sottili lamelle interne e

contiene il precursore della clorofilla, la protoclorofilla. La trasformazione del proplastide in

plastidio adulto dipende fortemente dai fattori ambientali, in particolare dalla luce, e dall’azione dei

fitormoni, che possono indirizzare la cellula anche verso processi di senescenza. In assenza di luce

può formarsi l’ezioplasto, che si sviluppa soprattutto nelle foglie o in altre parti verdi quando la

pianta cresce al buio. L’ezioplasto non presenta clorofilla perché questa rimane allo stato di

protoclorofilla; se la pianta viene successivamente esposta alla luce, si avvia la sintesi di clorofilla e

l’ezioplasto può trasformarsi in cloroplasto. Questo dimostra come i plastidi costituiscano un

sistema dinamico e interconvertibile, la cui differenziazione è regolata dall’ambiente.

I cloroplasti

I cloroplasti sono plastidi fotosinteticamente attivi, ricchi di clorofilla, responsabili della fotosintesi e

localizzati soprattutto nelle foglie e nelle parti verdi della pianta. Nelle piante superiori presentano

generalmente forma ovoidale e, osservati al microscopio, mostrano regioni caratterizzate da

diversa densità. Sono delimitati da due membrane: la membrana esterna è permeabile a molti

metaboliti a basso peso molecolare, mentre la membrana interna è più selettiva e meno

permeabile. All’interno si trova una matrice amorfa detta stroma, nella quale sono immerse le

strutture deputate alla fase luminosa della fotosintesi: i tilacoidi. I tilacoidi sono strutture appiattite,

le cui superfici opposte risultano molto ravvicinate. Essi possono sovrapporsi formando pile

cilindriche denominate grana. Ciascun granum è costituito da un numero variabile di tilacoidi,

generalmente compreso tra 10 e 100, mentre ogni cloroplasto contiene complessivamente da 30 a

70 grana. I grana risultano leggermente distanziati tra loro e sono interconnessi mediante tilacoidi

stromatici. La porzione di membrana tilacoidale interna ai grana e non a contatto con lo stroma è

detta lamella granale, mentre la parte a contatto con lo stroma è detta lamella stromale. Nelle

membrane dei tilacoidi è localizzata la clorofilla, mentre nello stroma si trovano gli enzimi necessari

alla sintesi del glucosio. Nello stroma avvengono infatti le reazioni della fase oscura, o ciclo di

fissazione del carbonio, cioè la riduzione della CO₂, oltre ai processi di duplicazione, trascrizione e

traduzione del DNA plastidiale. All’interno dello stroma sono inoltre presenti granuli di amido

primario, detto amido di assimilazione, che rappresenta il primo prodotto della fotosintesi. La sua

funzione è quella di evitare un eccessivo accumulo di glucosio libero nella cellula. Dal punto di vista

chimico, la clorofilla è costituita da un anello porfirinico simile a quello dell’eme, caratterizzato da

doppi legami coniugati in grado di assorbire energia luminosa. Al centro dell’anello è presente uno

ione Mg²⁺ coordinato ai quattro atomi di azoto degli anelli pi