Biologia Vegetale

Biologia vegetale e botanica farmaceutica

Cos'è la biologia vegetale?

È la branca della biologia che si occupa dello studio delle piante. Tutti gli organismi viventi sono costituiti da molecole organiche, e per poter costruire tali molecole assumono dall'esterno altre molecole, in genere piuttosto semplici. Solo le piante sono in grado di sintetizzare le molecole organiche di cui hanno bisogno, a partire da composti inorganici.

Autotrofi e fotosintesi

Autotrofi: trasformano le sostanze inorganiche in sostanze organiche. Fotosintesi: CO₂ + H₂O → sostanze organiche + O₂, con luce. In tutte le comunità di viventi gli organismi autotrofi svolgono il ruolo di produttori, essi producono infatti le molecole organiche delle quali si nutrono gli organismi eterotrofi, che svolgono il ruolo di consumatori.

Le piante, pur avendo evidenti diversità, hanno in ogni caso sostanziali somiglianze con gli altri organismi viventi:

• Hanno in comune un gran numero di molecole (acidi nucleici, proteine, lipidi ecc...)
• Hanno in comune molti processi metabolici (es. respirazione, sintesi proteica)

La fotosintesi

Peculiarità di una pianta è dunque il processo fotosintetico: via di sintesi di molecole organiche, rappresentate da carboidrati, a partire da acqua e anidride carbonica, utilizzando l'energia luminosa proveniente dal sole (Robert Mayer, 1850). Questa particolare strategia di vita delle piante è alla base di una serie di caratteristiche morfologiche e funzionali, che le contraddistinguono dagli animali, in generale dagli organismi eterotrofi.

Differenze animali - piante

Per procurarsi il maggior quantitativo di H₂O e CO₂, la pianta ha sviluppato ampie superfici, in particolare ampio apparato radicale per l'assorbimento di H₂O e ampia superficie fogliare per l'assorbimento di CO₂. L'esposizione di ampie superfici permette anche un efficiente assorbimento della radiazione solare. H₂O, sali minerali in essa disciolti, CO₂, sono ingredienti praticamente ubiquitari, facilmente disponibili: le piante sono dunque immobili, non hanno sviluppato strutture atte al loro spostamento.

Necessitano dunque di rinnovo e ampliamento delle loro superfici assorbenti, pertanto crescono formando sempre nuove foglie e nuove radici per tutta la durata della loro vita. Le parti verdi della pianta in grado di assorbire luce, H₂O e CO₂ sono dotate di larga autonomia, parti anche cospicue della pianta possono essere perse, per tagli o danneggiamenti, senza che l'individuo ne soffra.

Impatto delle piante sull'ambiente

• Per la produzione di sostanze organiche
• Per la produzione di ossigeno
  L'ossigeno, prodotto dagli organismi fotosintetici come sostanza di rifiuto è quello accumulato nell'atmosfera nel corso delle ere geologiche. 2.3 miliardi di anni fa compaiono i primi organismi fotosintetici produttori di ossigeno, il cui aumento provoca un incremento della concentrazione di ossigeno nell'atmosfera. Quando la quantità di O₂ supera quella consumata per i processi ossidativi (in primis la respirazione), compare per effetto delle radiazioni ionizzanti, uno strato di ozono, in grado di trattenere gran parte delle radiazioni ultraviolette solari. Diviene dunque possibile la vita in ambiente subaereo.
• Perché fonte alimentare
• Per la produzione di energia
• Per la cura della salute umana
  Piante medicinali: piante che contengono sostanze utilizzabili a fini terapeutici o precursori che consentano di ottenere per emisintesi (modificazione chimica) composti terapeuticamente attivi. Ma anche piante che se assunte direttamente, possono provocare nell'organismo vivente modificazioni funzionali, prevenire o curare stati di malattie, ristabilire o correggere funzioni organiche.
• Per la preparazione di prodotti cosmetici, come integratori alimentari
• Per tenere lontani, distruggere o rendere inoffensivi parassiti e agenti nocivi all'uomo e agli animali
• Piante per il loro effetto ricreativo
  Effetto riposante e rilassante che ha portato l'uomo a costruire parchi e giardini.

È importante rammentare in ogni caso che esistono problemi legati all'uso delle piante medicinali:

• Rischio di estinzione delle piante spontanee
• Problemi legati alle possibili interazioni con l'uso di altri farmaci
• Tossicità

Componenti chimiche dei viventi

• Acqua
• Sostanze inorganiche
• Sostanze organiche

Acqua

Sostanza inorganica. Le reazioni metaboliche avvengono in soluzione acquosa. È il reagente di molte reazioni chimiche (fotosintesi, scissione polimeri). (Contenuto in acqua nelle piante: Frutti carnosi – foglie > 90%; Frutti secchi – semi 1 – 5%)

Sostanze inorganiche

Presenti come ioni in soluzione nell'acqua.

• Cationi: K⁺, Mg⁺⁺, Ca⁺⁺, Fe^+++/+++, Mn⁺⁺, NH₄⁺
• Anioni: H₂PO₄^-, SO₄^--, Cl^-, HCO₃^-, NO₃^-

Sostanze organiche

• Proteine
• Carboidrati
• Lipidi
• Acidi nucleici

Proteine

Sono polimeri costituiti da aminoacidi: R = catena laterale - NH₂ gruppo aminico - COOH gruppo carbossilico. Proteine ad attività enzimatica come quelle di papaia, ananas e fico. Carica papaya papaina, Bromelia ananas bromelina, Ficus carica ficina. La droga è la parte della pianta con più alto tenore di principi attivi.

Carboidrati

I polisaccaridi sono gigantesche catene di monosaccaridi, uguali o diversi, uniti da legami glicosidici, possono essere ramificate o lineari e sono insolubili in acqua.

• Polisaccaridi più importanti: animali e funghi: glicogeno; piante: amido e cellulosa

Amido: amilosio - catena lineare (200-2000 unità) di α-glucosio - legami α 1 – 4 glicosidici - catena ripiegata regolarmente su se stessa a formare un’elica. Amilopectina - catena ramificata (centinaia di migliaia) di α-glucosio - legami α 1 – 4 (legami 1-6 in ogni diramazione).

Cellulosa: catene lineari di β-glucosio (da 300 a 15000 unità) - legami β 1-4 glicosidici - legami idrogeno tra le molecole formano robuste microfibrille.

Funzioni dei carboidrati

• Zuccheri semplici: combustibili della cellula
• Polisaccaridi: materiali di riserva (amido nelle piante, glicogeno in animali e funghi)
• Elementi strutturali
• Riconoscimento tra cellule (associati a proteine e lipidi)

Lipidi

I lipidi sono un gruppo di sostanze che, pur avendo strutture molto diverse, hanno in comune la caratteristica di derivare da acidi grassi, solubili in solventi organici come cloroformio, acetone, etere, certi alcoli e benzene, ma non in acqua. Gli acidi grassi sono formati da lunghe catene di atomi di C con un unico gruppo carbossilico.

• Trigliceridi: grassi di riserva (se ossidati, a parità di peso, danno il doppio di energia dei carboidrati) ed altre sostanze con struttura chimica e funzioni diverse (mai di riserva): cere, cutina, suberina, lipidi complessi.

Si parla di oli, liquidi, quando siamo di fronte a trigliceridi costituiti da acidi grassi insaturi (acido oleico, linoleico, linolenico). Si parla di grassi, solidi in riferimento a trigliceridi in cui sono presenti acidi grassi saturi (acido palmitico, stearico). In senso generale gli acidi grassi insaturi sono più frequenti nei vegetali, mentre quelli saturi negli animali. Inoltre, negli animali tendono a predominare acidi grassi a catena lunga e saturi (quindi solidi a temperatura ambiente), mentre nei vegetali troviamo acidi grassi a catena breve o insaturi (quindi sono liquidi oleosi).

Oli e grassi sono importanti componenti per l'alimentazione: l'80% degli oli prodotti in commercio sono utilizzati in campo alimentare, un ulteriore 6% per l'alimentazione degli animali. Il resto è impiegato per la produzione di saponi, detergenti e creme, sia per uso cosmetico che terapeutico.

Lipidi complessi

• Fosfolipidi (più abbondanti e funzione strutturale)
• Steroli
• Glicolipidi (interazione cellulare)

Steroli

Costituiti da 4 anelli carboniosi o più precisamente hanno una tipica struttura derivata dal ciclopentanoperidrofenantrene. Funzione strutturale (colesterolo), regolatori metabolici (ormoni).

Altri lipidi

Cutina, suberina, cere: prevalente funzione strutturale e di protezione contro la perdita di acqua, ma anche per la difesa contro agenti patogeni e agenti nocivi (piogge acide, gas inquinanti). Cutina e suberina: miscugli di polimeri di acidi grassi esterificati, nella suberina compare anche una componente polifenolica.

La cutinizzazione è l’impregnazione delle pareti esterne delle cellule epidermiche con cutina. Lo strato che si forma è detto cuticola. Suberina: pareti cellulari suberificate (sughero).

Cere

Sono esteri di acidi grassi con alcoli alifatici saturi, a catena lunga. Per la loro struttura alifatica satura sono insolubili in H₂O e chimicamente inerti. Tali proprietà conferiscono alle cere funzioni protettive, che esplicano sulle epidermidi di molte piante, in particolare su quelle delle foglie e di molti frutti.

Teoria cellulare (1839)

"Tutti gli esseri viventi sono formati interamente da cellule" ...considerate le più piccole unità indipendenti della vita. Superficie relativa: rapporto tra superficie e volume. La cellula vegetale ha la stessa struttura di base della cellula animale, ma possiede alcuni elementi del tutto distintivi:

• Parete cellulare (rivestimento esterno, 100 volte più spesso rispetto ad una membrana, costituita in prevalenza da polisaccaridi)
• Plastidi: cloroplasti (funzione fotosintetica), leucoplasti (accumulo di riserve), cromoplasti (conferiscono colore)
• Vacuolo

Plastidi

I plastidi hanno dimensioni inferiori a 5 µm, inizialmente assumevano forme varie (es. alghe), dai muschi in poi i cloroplasti divennero piccoli e numerosi.

Cloroplasti

Tilacoidi: unità fotosintetiche costituite da pigmenti (clorofilla a - 75% - clorofilla b - 25% - carotenoidi).

Fotosintesi

Fase luminosa (cattura della luce e sua trasformazione in energia chimica).

Stroma

• DNA e tutto il complesso macchinario biochimico per la sintesi delle proteine (RNA messaggeri, t-RNA, ribosomi). È circolare e codifica per circa 120 proteine.
• Enzimi della fase oscura (fissazione CO₂)

Ribulosio difosfato carbossilasi (RUBISCO) Enzima chiave per l’organicazione del carbonio. Proteina più abbondante al mondo, costituita da 16 subunità, 8 grandi e 8 piccole. La subunità grande è codificata dal cloroplasto, quella piccola dal DNA nucleare. I cloroplasti sono anche coinvolti nella sintesi di aminoacidi e di acidi grassi. Inoltre, accumulano temporaneamente amido.

Cromoplasti

Sono plastidi contenenti carotenoidi responsabili del colore rosso/arancione di alcuni fiori e radici. Come si originano?

• Possono derivare per esempio da leucoplasti, come per esempio nella radice della carota.
• Si possono differenziare da cloroplasti già esistenti in seguito a degradazione della clorofilla e la degradazione dei tilacoidi, e si accumulano in grande quantità pigmenti di colore giallo-arancione (sempre presenti nei cloroplasti, il cui colore è però nascosto dalla clorofilla).

Nella stessa pianta si possono accumulare carotenoidi di tipo diverso a seconda del tipo di tessuto. Es: nel pomodoro i carotenoidi del frutto sono per il 90% costituiti da licopene, nei petali del fiore invece i carotenoidi accumulati sono essenzialmente XANTOFILLE. Tutte le vie metaboliche dei cromoplasti dipendono da proteine codificate da geni nucleari e sintetizzate nel citoplasma.

Leucoplasti e amiloplasti

(Dal greco leukòs = bianco): sono plastidi che mancano di pigmenti e di un elaborato sistema di membrane interne. I leucoplasti contengono riserve di diverso tipo: amido, proteine, grassi. Tra queste l’amido (amido secondario, il primario è quello prodotto nei cloroplasti) è di gran lunga la più comune. I granuli d’amido secondario presentano caratteristiche morfologiche peculiari che vengono utilizzate come elemento diagnostico. Si trovano in tutte le parti non verdi della pianta: particolarmente abbondanti nei tessuti di riserva degli organi sotterranei (es. radici, tuberi), semi o componente centrale dei fusti.

Proplastidi

Plastidi embrionali, si trovano nelle cellule meristematiche (in attiva divisione) delle radici e del germoglio. Nelle cellule meristematiche il numero di proplastidi si mantiene costante attorno alle 10-20 unità. Prima di ogni divisione cellulare deve avvenire una duplicazione dei proplastidi. La divisione dei proplastidi avviene attraverso un meccanismo di scissione binaria simile a quello delle cellule batteriche.

Fattori che influenzano la differenziazione in cloroplasto o leucoplasto

• Fattori esogeni (es. luce)
• Fattori endogeni. Nelle radici, alla luce si differenziano solo leucoplasti.

I proplastidi che si sviluppano in assenza di luce presentano dei corpi prolamellari costituiti da membrane tubulari. Questi plastidi vengono chiamati ezioplasti. Successivamente, in presenza di luce si trasformano in cloroplasti.

Vacuolo

Struttura citoplasmatica costituita da una cavità piena di H₂O in cui sono disciolti vari soluti, separata dal citoplasma da una membrana semplice detta tonoplasto. Arriva anche ad occupare il 90% del volume cellulare. Le cellule embrionali sono prive di vacuoli che compaiono quando la cellula comincia a differenziarsi e ad accrescersi per distensione.

Funzioni del vacuolo

• Aumento della superficie relativa della cellula: garantisce l’aumento di superficie, senza il proporzionale aumento di citoplasma.
• In cellule fotosintetiche: garantisce una disposizione dei cloroplasti a ridosso della parete, posizione favorevole per l’attività fotosintetica.
• Conferisce alla cellula la possibilità di assorbire H₂O dall’esterno.
• Interazione vacuolo-parete conferisce resistenza meccanica alle piante erbacee, scarsamente dotate di tessuto di sostegno.

Funzioni correlate al tipo di soluti contenuti

La composizione del succo cellulare è variabile a seconda della specie, dell’organo, del tessuto, della cellula e dello stato di questa:

• Funzione di riserva: vacuoli che contengono zuccheri, grassi o proteine.
• Funzione di accumulo di sostanze superflue o dannose: le piante non posseggono un apparato escretore come gli animali (accumulo in parti della pianta destinate a staccarsi dall’organismo: foglie, cortecce…).
• Funzione digestiva o lisosomica: all’interno del vacuolo vengono accumulati enzimi litici.
• Sito di accumulo di prodotti del metabolismo secondario, coinvolti nei processi di interazione pianta-pianta e pianta-animale, pianta-ambiente, che svolgono quindi un ruolo importante nei processi di difesa.

Succo cellulare

• Sali inorganici
• Acidi organici
• Zuccheri
• Aminoacidi, proteine
• Lipidi
• Metaboliti secondari

Sali inorganici: si trovano in soluzione, dunque essendo dissociati è più corretto parlare di ioni inorganici: K⁺, Na⁺, Mg⁺⁺, Ca⁺⁺, Cl^-, NO₃^-, SO₄^--, HCO₃^-, H₂PO₄^-

K⁺: Il potassio è assorbito e accumulato in concentrazioni elevate specialmente in vacuoli di giovani foglie.

Ca⁺⁺: Solo poche piante contengono elevate quantità di calcio; la quantità aumenta con la quantità di calcare nel suolo.

Mg⁺⁺: Il magnesio è quasi sempre presente, anche se in piccole quantità.

Na⁺: Il sodio in tracce, solo in piante di terreni salati o lagune salmastre è accumulato in forti quantità sotto forma di cloruro.

SO₄^--, H₂PO₄^-: Gli anioni solfato e fosfato sono presenti in piccole e variabili quantità; in tracce sono anche presenti gli anioni nitrato e cloruro (Cl^-, NO₃^-)

NO₃^-: Lo ione nitrato viene introdotto dalle piante con grande avidità e talora accumulato in considerevoli concentrazioni nei vacuoli (piante artificialmente concimate e piante ruderali - flora nitrofila - come per esempio l’ortica).

Acidi organici

La loro presenza è causa del sapore acido di molte piante, i più diffusi sono gli acidi ossalico, malico, tartarico e citrico. Oltre al succo dei frutti (mela, uva, limone) da cui prendono spesso il nome essi sono diffusi anche in altri frutti e organi come fusti, foglie e organi di riserva.

Gli acidi si trovano anche sotto forma di sali, come in particolare l’acido ossalico sotto forma di ossalato di calcio, che, insolubile, precipita sotto forma cristallina originando: druse, rafidi, stiloidi, sabbia cristallina.

• Druse: cristalli bipiramidali, nei quali su ogni faccia della piramide si depositano altri numerosi cristalli piramidali e l’insieme presenta un aspetto irregolare, irto di punte.
• Rafidi: i cristalli si presentano sotto forma di prismi estremamente allungati, al punto da rassomigliare a lunghi aghi appuntiti, riuniti in fascetti regolari.
• Stiloidi: cristalli prismatici presenti per es. nei catafilli del bulbo di Allium cepa (cipolla).
• Sabbia cristallina: l’ossalato di calcio precipita in forma di minutissimi cristalli, al limite della visibilità al microscopio (es. Atropa belladonna).

La forma dei cristalli di ossalato di calcio è spesso così cara...