Biologia vegetale e botanica farmaceutica

BIOLOGIA VEGETALE E BOTANICA FARMACEUTICA

Cos’è la biologia vegetale?

E’ la branca della biologia che si occupa dello studio delle piante

Tutti gli organismi viventi sono costituiti da molecole organiche, 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: trasformano le sostanze inorganiche in sostanze organiche FOTOSINTESI

CO2+ H2O sostanze organiche + O2 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)

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, funzionali, che

le contraddistingue 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

1) Per la produzione di sostanze

organiche 1

2) 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…

Attraverso le radici le piante assorbono una grande quantità di H2O dal terreno,

utilizzandone per le attività metaboliche solo una parte. La quasi totalità dell’H2O

assorbita viene riemessa nell’ambiente sotto forma di vapore e contribuisce al

mantenimento dell’umidità atmosferica e alla formazione delle nuvole, influenzando la

piovosità e quindi il clima.

3) Perché fonte alimentare

Fino agli inizi del ‘900 i materiali combustibili erano costituiti quasi esclusivamente da

legname e dal carbone. Oggi il petrolio è sostanza organica prevalentemente di origine

vegetale

4) Per la produzione di energia

5) Per la cura della salute umana

Piante medicinali: piante che contengano 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.

6) Per la preparazione di prodotti cosmetici, come integratori alimentari

7) Per tenere lontani, distruggere o rendere inoffensivi parassiti e agenti nocivi all’uomo e

agli animali

8) Possiamo in ultimo ricordare le piante per il loro effetto ricreativo, riposante e

rilassante che ha portato l’uomo a costruire parchi e giardini

E’ importante rammentare in ogni caso che esistono problemi legati all’uso delle

piante medicinali

a. Rischio di estinzione delle piante spontanee

b. Problemi legati alle possibili interazioni con l’uso di altri farmaci

c. Tossicità

Componenti chimiche dei viventi

1. Acqua

2. Sostanze inorganiche

3. Sostanze organiche

1) 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%)

2) Sostanze inorganiche: presenti come ioni in soluzione nell’acqua

+ ++ ++ ++/+++ ++ 4+ 4- 4-- - 3- 3-

Cationi = K , Mg , Ca , Fe , Mn , NH Anioni = H PO , SO , Cl , HCO , NO

2

3) Sostanze organiche

• Proteine

• Carboidrati

• Lipidi 2

• 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) Prof. ssa Gelsomina Fico - Componenti chimiche dei

viventi

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:

zuccheri semplici: combustibili della cellula

polisaccaridi: 1- materiali di riserva (amido nelle piante, glicogeno in animali e funghi)

2 - elementi strutturali

3 - 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.

Comprendono:

· 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 1. FOSFOLIPIDI (più abbondanti e funzione strutturale) 2. STEROLI 3.

GLICOLIPIDI (interazione cellulare) 3

2. 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:

1. Parete cellulare (rivestimento esterno, 100

volte più spesso rispetto ad una membrana,

costituita in prevalenza da polisaccaridi)

2. Plastidi: cloroplasti (funzione fotosintetica)

leucoplasti (accumulo di riserve) cromoplasti

(conferiscono colore)

3. Vacuolo

I plastidi hanno dimensioni inferiori a 5 μm,

inizialmente assumevano forme varie (es. alghe), dai muschi in poi i cloroplasti

divennero piccoli e numerosi. 4

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

massaggeri, t-RNA, ribosomi). E’ 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? 1. Possono derivare per esempio da leucoplasti, come per esempio

nella radice della carota. 2. 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

5

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: 1. Aumento della

superficie relativa della cellula: garantisce

l’aumento di superficie, senza il

proporzionale aumento di citoplasma. 2. In

cellule fotosintetiche: garantisce una

disposizione dei cloroplasti a ridosso della

parete, posizione favorevole per l’attività

fotosintetica. 3. Conferisce alla cellula la

possibilità di assorbire H2O dall’esterno. 4.

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) 5. Funzione di riserva: v. che contengono zuccheri, grassi o

proteine. 6. 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….). 7. Funzione digestiva o

lisosomica: all’interno del v. vengono accumulati enzimi litici. 8. Sito di accumulo di

prodotti del metabolismo secondario, coinvolti nei processi di interazione pianta-pianta

6

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

+ + ++ ++ - 3- 4-- 3- 4–

parlare di ioni inorganici: K , Na , Mg , Ca , Cl , NO , SO , HCO , H PO

2

+

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.

4-- 4-

SO , H PO Gli anioni solfato e fosfato sono presenti in piccole e variabili quantità; in

2 - 3-

tracce sono anche presenti gli anioni nitrato e cloruro (Cl , NO )

3-

NO 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

1. 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.

2. RAFIDI: i cristalli si presentano sotto forma di prismi estremamente allungati, al

punto da rassomigliare a lunghi aghi appuntiti, riuniti in fascetti regolari.

3. STILOIDI: cristalli prismatici presenti per es. nei catafilli del bulbo di Allium cepa

(cipolla).

4. SABBIA CRISTALLINA: l’ossalato di calcio precipita in forma di minutissimi cristalli, al

limite