Biologia vegetale applicata - Appunti

Biologia vegetale applicata

Corso di scienze ambientali di Catania

2^o anno, 1^o semestre

Prof. Lo Giudice

Piante alimentari e piante medicinali

Caratteristiche delle piante che hanno dato origine all'agricoltura

Le piante progenitrici di quelle coltivate erano piante che si adattavano ad ambienti aperti, disturbati e instabili, con terreni spogli e scarsa concorrenza con altre specie. Le aree dove si diede inizio all'agricoltura avevano determinate caratteristiche: pressione demografica, clima piuttosto caldo e piovoso, periodiche inondazioni dei fiumi con deposizione di limo fertilizzante. Questi aspetti si trovano in Egitto, Mesopotamia, India settentrionale, e lungo alcuni fiumi della Cina. In queste aree l'inizio dell'agricoltura determinò profondi cambiamenti nelle strutture socio-politiche che portarono alla formazione delle grandi civiltà del mondo antico. Le prime colture furono quelle dei cerali e dei legumi. Le piante agricole furono per l'elevato contenuto inutilizzate per la facilità di raccolta e conservazione dei semi, amido (cereali) e in proteine (legumi).

Autotrofi ed eterotrofi

Gli organismi in rapporto all'apporto di alimenti e alla loro utilizzazione, si suddividono in autotrofi ed eterotrofi. I primi, rappresentati dai vegetali, richiedono solo l'apporto di materiali inorganici come anidride carbonica, acqua, azoto, sali minerali, dai quali essi, sfruttando l'energia luminosa, possono sintetizzare i costituenti dei loro tessuti. Gli eterotrofi devono rifornirsi di materiali organici, ricchi di energia, definiti genericamente cibi o alimenti.

Classificazione degli alimenti

Gli alimenti sono di origine animale o vegetale, possono essere liquidi o solidi. Gli alimenti plastici sono tutte quelle sostanze che partecipano alla sintesi della materia cellulare (proteine, grassi, zuccheri, acqua, sali minerali). Gli alimenti calorifici sono solo le proteine, i grassi, gli zuccheri. Indispensabili nella dieta sono le vitamine che non sono considerate né plastiche né calorifiche. Gli alimenti vengono divisi, in base alla natura chimica, in tre grandi classi:

• Carboidrati
• Lipidi
• Protidi

Carboidrati

Possono essere solubili (zuccheri) o insolubili (amidi). Sono presenti nei cereali, nella frutta, nella canna da zucchero, nelle barbabietole, nei tuberi di patate, ecc. Liberano 4,1kcal/g e forniscono da 1/3 a 2/3 dell'energia richiesta da un individuo in condizioni normali.

Lipidi

Comprendono i grassi. La loro combustione libera 9,3 kcal/g. Gli alimenti più ricchi di grasso sono: burro, olio, strutto, tuorlo d'uovo, molti formaggi, frutta secca, ecc. Tra gli acidi grassi gli acidi linoleico (Vit. F), linolenico e arachidonico sono considerati alimenti essenziali perché l'organismo non è in grado di sintetizzarli. Tra i grassi vegetali naturali: olio di oliva e di semi. Tra i grassi sintetici: margarina.

Protidi

Differiscono dai carboidrati e dai grassi per la presenza, nella loro molecola, oltre a C, H, O, di azoto, zolfo e fosforo. Le proteine forniscono il materiale per lo sviluppo dei tessuti. Entrano nella formazione delle molecole degli enzimi e di alcuni ormoni. Hanno lo stesso potere calorico dei carboidrati. Tutti gli alimenti naturali contengono proteine, in proporzione variabile: dall'1% di certi frutti al 35-40% di semi di soia e di arachide.

Alimenti di origine vegetale

Possono essere così classificati:

• Cereali e prodotti della loro lavorazione
• Ortaggi e frutta
• Zuccheri e loro derivati
• Oli e grassi vegetali
• Droghe e spezie
• Bevande alcoliche ed analcoliche

Piante alimentari

• Cereali (frumento, mais, riso, orzo, segale, avena)
• Piante saccarifere (canna da zucchero, barbabietola da zucchero)
• Piante oleaginose (frutti dell'olivo e palma; semi del cocco, cacao, arachide, mais, girasole, soia, colza, ecc.)
• Piante da bevanda che possono essere suddivise in:
  1. Nutritive, succhi e spremute (arance, limoni, pomodori, ecc.) forniscono vitamine, minerali e zuccheri.
  2. Fermentate, ottenute per fermentazione di qualsiasi sostanza che contiene zuccheri: vino, birra, sidro, ecc.
  3. Stimolanti, caffè, tè, cacao che agiscono sul sistema nervoso in vario grado. Le sostanze più comuni che svolgono questa azione sono degli alcaloidi, molecole cicliche azotate (caffeina, teobromina, ecc.).
• Le spezie sono costituite da parti diverse di vegetali (radici, rizomi, cortecce, semi, frutti, gemme, fiori, ecc.) che per il loro contenuto in oli essenziali, in principi aromatici o in sostanze resinose acri, si usano come condimento. Le spezie più importanti sono una cinquantina. Secondo alcuni ricercatori, anche le erbe aromatiche sono da considerare delle spezie; la sola differenza riguarda la loro provenienza: le spezie sono di origine tropicale; le erbe sono proprie delle regioni temperate.

Piante officinali

Sin dall'antichità gli uomini ricorrevano alle piante; già nel 4000-5000 a.C. i Cinesi usavano i vegetali come farmaci e tutta la medicina dell'antichità si basa sull'uso delle piante. Oggi è possibile conoscere l'esatta composizione chimica delle piante ed isolare i loro principi attivi, e si è stabilita la correlazione esistente fra la struttura chimica e l'azione fisiologica. Oggi, nonostante si siano sintetizzate numerose sostanze artificiali, il medicamento vegetale è molto utilizzato. Il termine droga indica la parte della pianta (radice, fusto, corteccia, foglia, semi, ecc.) contenente uno o più principi biologicamente attivi.

Tipologie di droghe

• Le gomme come la gomma arabica che si ottiene incidendo il fusto di una Acacia ed ha proprietà antidiarroiche.
• I latici, come l'oppio, ottenuto dalle capsule del Papaver somniferum.
• I tannini, quali quelli della china, del rabarbaro, con proprietà astringenti.
• Gli oli essenziali, estratti da specie della famiglia delle labiatae, da agrumi, ecc., usati in farmacia come stimolanti e antisettici.
• Gli alcaloidi che sono tra le sostanze più attive farmacologicamente (morfina, stricnina, ecc.).
• I glucosidi sostanze di varia natura che per scissione liberano zuccheri (digitalina, amigdalina, ecc.).

Oggi vengono riconosciute ufficialmente solo un centinaio di specie; esse sono elencate nella Farmacopea Ufficiale di ogni nazione.

Metaboliti secondari

Storicamente i composti prodotti dalle piante sono stati indicati come metaboliti primari e secondari. I metaboliti primari, per definizione, sono molecole che si ritrovano in tutte le cellule vegetali. Esempi di metaboliti primari: zuccheri semplici, gli amminoacidi, le proteine e gli acidi nucleici. I metaboliti secondari hanno una localizzazione limitata ad alcune parti della pianta. I metaboliti secondari, una volta, creduti prodotti di rifiuto, sono ora considerati importanti per la sopravvivenza e la propagazione della pianta che li produce. Molti metaboliti secondari agiscono come un segnale chimico che permette alla pianta di rispondere agli attacchi dell'ambiente, altri agiscono come sostanze di difesa contro gli erbivori, i patogeni e i competitori. La sintesi dei metaboliti secondari avviene in uno specifico organo, tessuto o cellula e in un determinato stadio dello sviluppo della pianta. Alcuni di essi, come le fitoalessine, sono composti antimicrobici prodotti solo in seguito a una ferita. Talora sono sintetizzati in una parte della pianta e conservati in un'altra.

Tre classi principali di composti secondari

Alcaloidi, terpenoidi, composti fenolici.

Alcaloidi

(Morfina, cocaina, caffeina, nicotina e atropina). Sono composti che contengono azoto e tra le altre proprietà sono basici (alcalini). Il primo alcaloide identificato nel 1806 è la morfina, presente nel papavero da oppio. La morfina viene usata come analgesico, un uso eccessivo porta tossicodipendenza. Sino ad oggi sono stati isolati quasi 10.000 alcaloidi (cocaina, nicotina, caffeina, atropina, ecc.).

Cocaina

Viene estratta da coca (Erythroxylum coca), un arbusto che cresce sulle pendici Est delle Ande della Bolivia e del Perù. L'uso abituale della cocaina e del "crack" suo derivato può anche portare alla morte. Viene usato come anestetico per interventi agli occhi o come anestetico locale da dentisti.

Caffeina

(Coffea arabica- caffè; Cammelia sinensis tè; Theobroma cacao- cacao) agisce come eccitante. Le alte concentrazioni di caffeina presenti nelle plantule del caffè sono altamente tossiche e letali sia per gli insetti che per i funghi. La caffeina rilasciata dalla plantula sembra che inibisca la germinazione di altri semi posti vicini. Questo processo è chiamato allelopatia.

Nicotina

Si ricava dalle foglie della pianta del tabacco (Nicotiana tabacum). È un alcaloide altamente tossico. È sintetizzato nelle radici e successivamente trasportato nelle foglie ove viene accumulato nei vacuoli. La nicotina è un efficace deterrente contro l'attacco degli erbivori e degli insetti.

Atropina

Estratta dall'Hyoscyamus muticus e dall'Atropa belladonna, è usata come stimolante cardiaco, dilatante della pupilla, e come efficace antidoto contro l'avvelenamento da alcuni gas nervini.

Terpenoidi

(Oli essenziali, tassolo, gomma, glicosidi cardiaci, ecc.). Terpenoidi, detti anche terpeni, sono la classe più abbondante di metaboliti secondari (22.000 composti). L'idrocarburo isoprene (C₅H₈) è il terpene più semplice. Tutti i terpenoidi possono essere classificati in base al numero di unità isopreniche.

Olio essenziale

Una pianta può sintetizzare differenti terpenoidi. L'Isoprene, viene rilasciato dalle foglie ed è responsabile in gran parte della foschia azzurrognola che in estate ricopre le aree ricche di alberi. Non è chiaro perché le piante producano grandi quantità di isoprene. Le emissioni sono maggiori nei giorni più caldi, probabilmente si tratta di una forma di protezione. Oli essenziali: si tratta di monoterpeni e sesquiterpeni altamente volatili. Nella menta grandi quantità di monoterpeni volatili (mentolo e mentone) sono sintetizzati nei peli ghiandolari (tricomi). Nella lavanda in cellule epidermiche con funzioni ghiandolari. Gli oli essenziali prodotti nelle foglie proteggono le piante dagli erbivori, funghi e batteri.

Tassolo

Merita una particolare attenzione per le sue proprietà antitumorali, riduce il cancro alle ovaie e al seno. Una volta si ricavava dalla corteccia del tasso del Pacifico (Taxus brevifolia). Da un albero vecchio di cento anni se ne possono ricavare solo 300 mg. Per il trattamento dei pazienti affetti da cancro, sarebbero necessari 250 kg di tassolo ogni anno, cioè bisognerebbe decorticare 360.000 alberi. È stata, negli ultimi anni, brevettata una emisintesi a partire dalle foglie del Taxus baccata (tasso europeo) che consentono una produzione costante. Il tassolo arresta la divisione cellulare e previene la migrazione delle cellule, impedendo il diffondersi di metastasi cancerose.

Gomma

Il più grande terpenoide conosciuto è la gomma, costituita da molecole contenenti da 400 a più di 100.000 unità isopreniche. La gomma è ottenuta dal latice di una pianta tropicale (Hevea brasiliensis) della famiglia Euforbiacee. Da 1800 specie di dicotiledoni si può ricavare gomma ma in quantitativo ridotto. Dal latice di Hevea la gomma può costituire il 40/50%. Il latice si ottiene tramite un'incisione a V nella corteccia. Ogni pianta produce in media 2,7 kg di gomma l'anno. Il comportamento elastico è dovuto al fatto che le lunghe catene polimeriche, raggomitolate e distribuite a caso, vengono distorte durante la fase di estensione e riassumono poi la loro forma come una molla non appena la trazione cessa.

Glicosidi cardiaci

Derivano dagli steroli, vengono usati in medicina per rallentare i battiti cardiaci. Le piante di Digitale sono la fonte principale di glicosidi. In specie della famiglia Apocynaceae i glicosidi rappresentano una difesa contro gli erbivori. Alcuni insetti si sono adattati a queste tossine. Es. bruco della farfalla monarca e la farfalla adulta si nutrono di Asclepias che contiene glicosidi. Questi li proteggeranno dagli attacchi degli uccelli.

I terpenoidi svolgono una molteplicità di ruoli nelle piante: es. pigmenti fotosintetici (carotenoidi), ormoni (gibberelline, acido abscissico).

Composti fenolici

(Flavonoidi, tannini, lignine, acido salicilico). Fenoli: composti di vario tipo ma tutti con un gruppo ossidrilico (-OH) legato ad un anello aromatico (anello a 6 atomi di C contenente tre doppi legami). Si possono accumulare in varie parti delle piante.

Flavonoidi

Pigmenti presenti nei vacuoli delle cellule. Meritano attenzione i flavonoidi del vino rosso in quanto dovrebbero abbassare i livelli di colesterolo nel sangue. Studiati circa 3000 flavonoidi che vengono divisi in classi, tra cui, le antocianine, che causano la colorazione nelle piante. I pigmenti dei fiori possono agire come segnali visivi per insetti ed uccelli impollinatori.

Tannini

Sono presenti nelle foglie di molte piante legnose, il loro sapore astringente li rende repellenti a insetti, uccelli, animali superiori, ecc. Sono utilizzati nella concia delle pelli perché provocano la denaturazione delle proteine della pelle e quindi la proteggono dall'attacco batterico.

Lignine

Sono depositati sulla parete cellulare. Dopo la cellulosa, è il composto più abbondante sulla terra. La principale funzione della lignina è quella di conferire forza di compressione e durezza alla parete cellulare. Un ulteriore ruolo della lignina è quello della sua deposizione in risposta agli attacchi da parte di funghi o comparsa di ferite.

Acido salicilico

È il principio attivo dell'aspirina, è noto da tempo per le sue proprietà analgesiche. È stato scoperto dagli antichi Greci e dagli indigeni americani che lo ottenevano dalla corteccia di salice.

Alghe e loro utilizzazione

Alghe azzurre (cyanobacteriophyta) e loro utilizzazione

Sono alghe unicellulari o coloniali, avvolte di mucillagini prive di flagelli. Sono procarioti (sprovvisti di un vero nucleo, di plastidi, e di mitocondri). Pigmenti = clorofilla a, carotenoidi, xantofille, ficobiline. Le alghe azzurre sono autotrofe nei confronti del carbonio. Fissano l'azoto atmosferico N₂ diventa NH₄. Sono organismi pionieri. Sono diffuse nelle acque dolci, salate e salmastre, sui terreni umidi o periodicamente bagnati. Alcune specie vivono a temperature molto basse (acque e suoli antartici). Altre vivono nelle sorgenti termali (tollerano anche una T di 85°C).

Utilizzazione delle alghe azzurre

Per la capacità di organicare l'azoto atmosferico sono state utilizzate come fertilizzanti in colture di riso (50 kg ca. l'anno). La specie più utilizzata è Anabaena. Si fa largo uso della Cyanophytha Spirulina come nutrimento in Asia, in Africa e nel Messico. La Spirulina platensis nei laghi salati (es. Ciad), viene essiccata e consumata mista ad altri vegetali. Anche utilizzata dai fenicotteri.

Spirulina

Composizione biochimica di Spirulina

Generalità sulle alghe

Organismi eucarioti, fotosintetici. Organismi molto diversi di struttura e dimensioni. Alghe unicellulari o di struttura complessa (da 2-3 micron a 60-70 m). Habitat: ambienti acquatici, ma possono vivere anche in condizioni ambientali diverse (ambiente subaereo, sulle foglie, nel terreno, ecc.). Si differenziano dai vegetali superiori soprattutto per la natura degli organi riproduttori (sporocisti e gametocisti). È difficile valutare l'importanza delle alghe nell'economia della natura. Negli ambienti acquatici esse sono alla base della catena alimentare, nei terreni sono costituenti della flora del suolo. Talora la loro crescita può diventare dannosa, ad es. per la produzione di tossine velenose per i pesci o per una moltiplicazione eccessiva.

Classe: Rhodophyceae, alghe rosse

Sono prevalentemente marine, a morfologia variabile. Sono caratterizzate dalla presenza di plastidi (con clorofilla a e d e carotenoidi) colorati in rosso da ficobiline: r-ficoeritrina, r-ficocianina, alloficocianina. Il prodotto del metabolismo è l' "amido delle Floridee". Nella riproduzione, le spore e i gameti sono privi di flagelli.

Classe: Phaeophyceae, alghe brune

Comprendono alghe quasi esclusivamente marine, morfologia variabile. I plastidi contengono clorofilla a e c, carotenoidi e xantofille (soprattutto la fucoxantina che dà il colore bruno a queste alghe). Prodotti del metabolismo: mannitolo, laminarina. In alcune famiglie la parete cellulare è costituita da alginati e fucoidina. Presenza di spore e gameti con o senza flagelli.

Classe: Chlorophyceae, alghe verdi

Sono prevalentemente di acqua dolce (bentoniche o planctoniche), a morfologia variabile (alghe cellulari, filamentose, ramificate, fogliacee). Plastidi di colore verde (clorofilla a e b), caroteni e xantofille. Prodotto di assimilazione: amido. Presenza di spore e gameti con flagelli o senza.

Distribuzione delle alghe

Sono presenti in quasi tutti i biotopi anche se la maggior parte delle specie è legata all'acqua. Fanno parte del Benthos se vivono ancorate sul fondo oppure del Plancton se sono natanti. Il fitobentos marino comprende quasi esclusivamente alghe che appartengono in prevalenza alle Phaeophyceae e Rhodophyceae. Le alghe bentoniche si estendono dalla zona costiera raggiunta dagli spruzzi di acqua marina sino al massimo di profondità dove è ancora possibile la fotosintesi (200 m). Il fitoplancton è formato prevalentemente da Diatomee e Dinoflagellate. Vivono prevalentemente negli strati superiori più illuminati. In un litro d'acqua marina circa 100.000 organismi planctonici. Nel Benthos di acqua dolce prevalgono generalmente le Fanerogame. La composizione specifica del Plancton di acqua dolce è molto variegata.