Biologia vegetale e botanica farmaceutica

• Cecità delle piante

• Numero di geni maggiore rispetto agli uomini

• 260000 specie di piante -> fotosintesi

• Biologia -> studio della vita

• Differenze fra vegetale ed oggetto:

◦ Riproduzione

◦ Crescita e sviluppo

◦ Trasformazione dell’energia (sistemi aperti termodinamicamente)

◦ Codificare le informazioni (genoma che ha come unità di base il gene)

◦ Costituzione cellulare (cellule)

◦ Organizzazione (cooperazione di cellule, tessuti, organi e sistemi)

◦ Reazione agli stimoli

◦ Autoregolazione

◦ Adattamento

popolazione formata da individui diversi fra di loro

‣ Variabilità genetica -> sopravvivenza ai cambiamenti ambientali (esempio delle falene che

‣ con l’inquinamento hanno cambiato il colore delle loro ali da bianche a nere per

mimetizzarsi nelle cortecce di

alberi scuri)

Modi di vivere, procurarsi ed usare

‣ l’energia adatti al nuovo ambiente

◦ Evoluzione -> esprime che tutti gli

esseri viventi siano discesi da un unico

antenato (Darwin, selezione naturale)

• Classificazione degli organismi viventi:

◦ Regno delle piante:

Procarioti (0,1 - 10 µm)

‣ Fotosintesi (cianobatteri/eubatteri) -> assorbono CO2 e rilasciano O2 e O3

‣ Eucarioti (10 - 100 µm) -> origine degli organismi fotosintetici eucariotici:

‣ • Endosimbiosi primaria Origine ai plastidi -> molti gruppi di organismi fotosintetici:

• Alghe brune (endosimbiosi 2ª con alga rossa)

• Euglenoidi/euglenofite (endosimbiosi 2ª con alga verde)

• Endosimbiosi secondaria

Eucarioti pluricellulari -> pluricellularità evoluta nel regno dei protisti (evoluzione degli

‣ unicellulari, legati da libere aggregazioni coloniali di cellule interconnesse) -> differiscono

dalle colonie perchè hanno autonomia funzionale.

• Unicellulari: attività all’interno della singola cellula

• Pluricellulari: cellule specializzate che svolgono funzioni diverse e dipendenti l’una

dall’altra (bioeventi fondamentali della storia della vita) -> vantaggi:

◦ Sostituzione delle cellule (maggiore stabilità)

◦ Differenziazione e specializzazione delle cellule

Alghe

‣ • Rapido scambio gassoso

Emersione dall’acqua

‣ • Maggiore disponibilità CO2

• Possibile usare l’intero spettro solare senza azione schermante dell’acqua

briofite:

• Maggiore produttività e resa della fotosintesi -> cianobatteri e alghe con la loro

fotosintesi saturarono le acque di O2 -> si sposta nell’atmosfera -> azione dei raggi

solari e dell’O3 (schermante di UV) -> emersione dall’acqua delle piante

• Migliori meccanismi riproduttivi (più è efficace e più ho nuove combinazioni):

◦ vince l’individuo con più proli

◦ più caratteri (forma e funzioni) adatti a un ambiente -> espressioni di

combinazioni geniche -> processi di ricombinazione genetica (meiosi e gamia ->

riproduzione sessuale)

Piante vascolari

‣ Pteridofite

‣ Gimnosperme

‣ Angiosperme

‣

• Organismi adattati all’ambiente terrestre tramite:

◦ Cutina

◦ Produzione lignina

◦ Formazione stomi

◦ Evoluzioni di radice, fusto e foglie

• Organizzazione cellulare degli organismi pluricellulari:

◦ A tallo: cellule uguali con le stesse funzioni -> non distinguibili radici, fusti e foglie

◦ A cromoide: transizione tra tallo e cromo, differenziazione dei tessuti -> si mettono in evidenza

gli organi specializzati (filloidi, cauloidi e rizoidi)

◦ A cromo: cellule differenziate per svolgere le funzioni -> piante superiori in cui sono

distinguibili radici, fusti e foglie

• Piante a cromoide: (muschio) piccole e prive di sistema vascolare

• Talofite: (funghi, licheni) prive di radici, fusti e foglie

• Cromofite: (felci, gimnosperme) hanno il cromo -> struttura composta da radici, fusto e foglie

• Speciazione: formazione di una o più specie discendenti da una ancestrale (teoria evoluzionistica:

continui cambiamenti dall’ambiente biotico e abiotico)

• Evoluzione filetica (anagenesi): di origine darwiniana

• Evoluzione ramificata (cladogenesi): modalità di speciativa

più importante -> 3 cladi (organismi discesi da un singolo

progenitore):

◦ Cellula eucariotica fotosintetica:

Glaucofite: organismi di acqua dolce intermedie tra plastidi di cianobatteri e un’alga

‣ verde/rossa

Alghe rosse: micro e macro, diffuse in ambienti marini e dolci

‣ Alghe verdi: micro e macro, diffuse in ambienti marini e dolci

‣

• Tassonomia: scienza che studia gli organismi viventi per evidenziare le somiglianze e diversità ->

riconoscimento per dare classificazione: (nomenclatura botanica)

◦ Distinguere per le differenze

◦ Unire per le somiglianze

• Carl Linnaeus -> nomenclatura binomia

(binomio latino), formalizzò la Species

plantarum: Hibiscus palustris L.

◦ Genere: unico, ad ogni nome Autore

corrisponde un solo genere (lettera

maiuscola)

◦ Specie: utilizzato per piante diverse (lettera minuscola)

◦ Non sempre è sufficiente il solo binomio, var. = varietà (amara, dulce), ssp. = sottospecie

(perforatum, angustifolium), -> x = ibrido, spp. = specie plurime

Mentha x piperita Origano:

• La cellula vegetale -> apparente staticità ma • Greco: ssp. (Boiss.) Hayak

Origanum vulgare L. viride

• Spagnolo: (L.) Hoff. E Link.

Coridothymus capitatus

invece sono unità dinamiche: • Messicano: HBK

Lippia graveolens

• Turco: Origanum onites L.

◦ Seguono i raggi solari ed espongono i

cloroplasti per la fotosintesi

◦ Rispondono alla gravità crescendo sempre verso l’alto

◦ Tigmotropismo -> rispondono ad un oggetto solido arrampicandosi

• Uguaglianze tra vegetali ed animali:

◦ Il fatto che si riproducano

◦ Organizzazione cellulare complessa, organizzata ed integrata

◦ Necessitano di energia dall’esterno e la trasformano

Nell’animale è associato alla proliferazione di cellule

• Differenze tra cellula vegetale ed animale:

◦ Dimensioni: di media 100 µm -> aumento di dimensioni di un organo (accrescimento delle singole

cellule)

◦ Metabolismo: attività nell’organismo a seguito di reazioni chimiche -> trasformazioni della

• Catabolismo: reazioni di demolizione di sostanze

materia -> vie metaboliche catalizzate da organiche

• Anabolismo: reazioni di sintesi di nuove sostanze

enzimi -> organiche

metabolismo Animali -> eterotrofi

‣ Vegetali -> autotrofi -> immobilità:

‣

di

livelli • Maggiore capacità di adattamento

2 • Minore complessità anatomica

• Sviluppo vegetativo per meritismo

• Sviluppo di armi da difesa

◦ Metaboliti 1º: indispensabili al funzionamento del metabolismo e ci sono in tutte le cellule

◦ Metaboliti 2ª/speciali: derivati dai metaboliti intermedi tramite vie enzimatiche; specifiche per

◦ Inizialmente si pensava fossero prodotti di scarto, oggi importanti

famiglia, genere o specie a cui ◦ No funzione diretta crescita e sviluppo

◦ Distribuzione limitata in una famiglia, genere o specie

appartiene la pianta; necessari ◦ Sintetizzati dai metaboliti 1º

◦ Presenti in basse concentrazioni o in alcuni momenti del ciclo

per lo sviluppo dell’organismo vegetativo

• Funzioni:

◦

ma non per la cellula Protegge dagli erbivori

◦ Inibisce i patogeni (funghi e batteri)

◦ Inibisce la crescita di altre piante

• Sostanze organiche: C, H, O, N, S e ◦ Attrae impollinatori

◦ Attrae animali che disperdono i semi

P ◦ Gruppi funzionali: numero e disposizione determinano le proprietà della molecola

• Finalità del metabolismo 2ª:

◦ Auto regolazione -> ormonale e protezione da stress

◦ Comunicazione -> con stesse specie tramite feromoni, con specie diverse tramite allomoni

3 strategie di difesa contro i patogeni ed erbivori: (citronella)

‣ 1. Accumulo costitutivo composti di difesa

2. Accumulo costitutivo composti preformati ed enzimi di accensione separati tramite

compartimentazione spaziale

3. Formazione indotta dai composti di difesa in risposta ad un fattore abiotico o biotico

Oligosaccarine (OLS) -> catene corte zuccherine che a basse concentrazioni promuovono

‣ risposte specifiche nei vegetali, alcune stimolano crescita e sviluppo, ma anche risposte

all’attacco dei patogeni (molecole segnale)

Metaboliti 2ª -> sostanze di difesa -> influenzano l’erbivoro o microrganismo in modo

‣ negativo:

• Mimano un ormone e neurotrasmettitore

• Inibiscono sintesi proteine, alterano le membrane o sintesi DNA/RNA

• Evoluzione strutturale -> metaboliti 2ª agenti terapeutici -> chemotassonomia:

v

◦ Profilo chimico di una pianta -> mezzo di classificazione Utilizzata come approccio complementare

agli studi del DNA

◦ Molecole utili per risolvere problemi di ordine

tassonomico per classificare specie vegetali, poichè solitamente sono classificate tramite dati

morfologici (classificazione dell’uva in Veneto in base al contenuto di polifenoli)

• Macromolecole (polimeri):

◦ Carboidrati/glucidi: (carragenina -> addensante ad uso alimentare E407 e farmaceutico -> per

gastrite e problemi intestinali)

Energia -> polisaccaridi di riserva

‣ Riconoscimento cellulare -> polisaccaridi di struttura

‣ Usato per la sintesi di aminoacidi ed acidi grassi

‣

◦ Lipidi (scarsa solubilità nei solventi polari)

Energia

‣ Componenti di membrane

‣ Segnalazione cellulare

‣ • Gliceridi:

◦ Trigliceridi/triacilgliceroli -> formati da:

Glicerolo (3 atomi di C)

‣ Acidi grassi:

‣ • Lunghezza : corta, media, lunga,

molto lunga

• Saturi (no doppi legami) e insaturi

(doppi legami) -> omega nella

posizione dell’ultimo doppio legame a

partire dalla fine

• Fosfolipidi (2 comportamenti in acqua)

◦ Glicerofosfolipidi

• Steroidi (lipidi con scheletro C di 4 anelli fusi)

◦ Proteine (costituite da polipeptidi formati da singoli Enzimi: proteina con attività catalitica ->

catalizzatore (accelera la velocità di

aminoacidi), ha 4 livelli di strutture: reazione senza consumarsi), non

interviene nella reazione ma la velocizza

solo (abbassa energia di attivazione) e la

Primaria -> sequenza aminoacidi, peculiare per ogni

‣ facilita con l’interazione tra substrato e

sito attivo = complesso, sono specifici per

proteina ogni reazione

Secondaria -> ripiegamento catena dovuto a legami H

‣ tra -NH e -CO

Terziaria -> ripiegamenti dovuto a legami covalenti e deboli dei gruppi laterali

‣ Quaternaria -> interazione fra più catene polipeptidiche

‣

◦ Acidi nucleici

• Fitoequivalenza: prodotto medicinale che è simile a un prodotto originale, stessa composizione quali-

e quantitativa di componenti attivi, stessa formula farmaceutica e ha bioequivalenza (tachipirina/

paracetamolo coop)

• Membrana: spessore < di 0,001 µm, fosfolipidi e proteine, poca resistenza meccanica e barriera

chimica selettiva

• Parete: spessore 0,1 - 10 µm, polisaccaridi, proteine, composti fenolici, molta resistenza meccanica,

barriera chimica poco selettiva

◦ Tipica della cellula vegetale -> rigidità

◦ Complessa struttura polimerica, continua e dinamica esternamente al plasmalemma

◦ Composizione chimica, organizzazione e proprietà variano con crescita, differenziamento e

sviluppo

◦ Cellule dei tessuti hanno pareti caratteristiche che ne determinano le funzioni

◦ Tra parete e citoplasma c’è scambio continuo di informazioni che determinano una corretta

crescita e differenziazione della cellula (risposta condizioni ambientali)

• Funzioni della parete:

◦ Mantiene la forma e grandezza

◦ Forza meccanica -> sopporta pressioni e trazioni

◦ Controllo velocità e direzione di accrescimento

◦ Architettura della pianta -> struttura organi (protoplasti)

◦ Controllo espansione -> bilancio idrico e pressione di turgore (sostiene)

◦ Ruolo metabolico -> siti di attività enzimatica

◦ Assorbimento, trasporto e secrezione di sostanze

◦ Protezione da patogeni -> produzione molecole segnale -> riconoscimento del non self

◦ Riduce perdita di acqua con modificazioni secondarie

◦ Immagazzinamento sostanze di riserva

• Struttura generale della parete

◦ Lamella mediana: (l’idrolisi parziale determina gli spazi intercellulari)

Strato più esterno

‣ Cementa le pareti di cellule contigue

‣ Costituita da sostanze pectiche e acqua

‣ Spessore 0,1 µm

‣

◦ Parete primaria:

Formata da cellule di accrescimento

‣ Cellulosa 25%, emicellulose 25%, sostanze pectiche 35%, proteine 1 - 8%

‣ Spessore 0,1 - 1 µm

‣ Nomenclatura polimeri di parete:

◦ Parete secondaria: • Glicano: polimero di qualsiasi zucchero

• Polimeri lineari:

Fra la primaria e la membrana plasmatica

‣ ◦ Omopolimeri -> glucano (glucosio),

xilano (xilosio), galattano (galattosio)

Depositata dopo il completamento dell’espansione ◦

‣ Eteropolimeri -> glucamannano

(glucosio-mannosio),

Costituita da strati distinti ramnogalatturonano (ramnosio-acido

‣ galatturonico)

• Polimeri ramificati: parte terminale del

Funge da supporto

‣ nome = catena principale, parte iniziale =

catena laterale

Molta cellulosa e lignina

‣ ◦ Xiloglucani (glucosio-xilosio),

arabinoxilani (xilosio-arabinosio),

Contiene cutina, suberina e cere…

‣ glucuronoarabinoxilani (xilosio-acido

glucoronico-arabinosio)

• Parete organizzata in:

◦ Componente fibrillare (resistenza meccanica):

cellulosa -> omopolimero lineare di residui di D-glucosio -> microfibrille di cellulosa:

‣ • Regioni cristalline: disposizione catene polimeri regolare, anidra e insolubile ->

resistente ad enzimi e difficile da degradare

• Regioni amorfe: disposizione catene polimeri irregolare

◦ Componente matriciale:

Emicellulosa: diverse per stadio di sviluppo, tipo di cellula, specie o condizioni crescita

‣ • Xiloglucani: portano catene laterali, formati da 4 residui di

Si associano alla

cellulosa tramite legami glucosio

H tra xilosio e glucosio,

residui laterali

impediscono questo (più • Xilani: formati da residui di xilosio, possono essere sostituiti

residui e meno

aggregazioni) senza struttura ripetitiva di base, classificabili in base alla

presenza di residui glicosidici laterali:

◦ Arabinoxilano

◦ Glucoronoarabinoxilano -> arabinosio può esterificarsi con un derivato dell’acido

cinnamico -> facilita trasformazione di legami crociati tra polimeri di parete

◦ 4 - o - metilglucoronoxilano

• β - glucani: residui di glucosio con legami β - (1 - 4) e β - (1 - 3) -> conferisce

struttura a zig zag impedendo strutture regolari di tipo fibrillare

• A base di mannosio mannani:

◦ Galattomannani -> catena costituita da mannosio

◦ Glucomannani e galattoglucomannani -> catena costituita da mannosio e glucosio

alternati (non ripetuti)

• Callosio: glucano β (1 - 3), il legame conferisce struttura elicoidale

◦ Funzioni strutturali nei plasmodesmi

◦ Meccanismo di difesa

Pectine: polisaccaridi (complessi) con acido galattutorico (circa 70%), ramnosio, galattosio e

‣ arabinosio; presenti soprattutto nella lamella mediana (zone di adesione fra cellule),

polimeri pectici:

• Omogalatturonano: formato da acido pectico, polimerizzazione diversa in base al tipo

di pianta, sintetizzati nel Golgi (forma metilata) e secreti dalla parete come pectine;

poi demetilati per esterasi di parete in regioni specifiche e legate fra loro con ioni Ca

= gel insolubile a struttura rigida. (Altri polimeri formati dallo stesso acido sono i

xilogalatturonani e apigalatturonani):

◦ Pectine non metilate: vengono salificate da ioni bivalenti Ca e Mg = ponti ionici

che uniscono le catene polisaccaridiche e determinano l’insolubilità in acqua e

formazione di gelatina

◦ Pectine metilate: non formano ponti ionici -> solubilità in acqua

• Ramnogalatturonano I (RGI): formato dalla ripetizione di un disaccaride, ai residui di

Rha si legano diverse catene glicaniche (arabinano, galattano e arabinogalattano)

• Ramnogalatturonano II (RGII): formato dallo scheletro di base di omogalatturano con

legato 4 catene laterali complesse ai residui di acido galatturonico

Proteine strutturali: solitamente è presente il 5% di proteina (rispetto alla molecola) con

‣ catene laterali di polisaccaridi, alto grado di glicosilazione -> formazione legami covalenti

con parte polisaccaridica (struttura), natura glicoproteine e distribuzione dipende dalla

specie, tipologia e stadio di sviluppo:

• Glicoproteine ricche di idrossiprolina (HRGP) Sintetizzate nelle endomembrane

• Proteine ricche in prolina (PRP) e trasportate nella parete

attraverso vescicole

• Proteine ricche in glicina (GRP)

• Arabinogalattanoproteine (AGP)

• HRGP estensina: solubile in acqua (appena secreta), poi diventa insolubile (maturazione o a seguito

di ferite/attcchi patogeni -> resistente alle proteasi -> difficile da idrolizzare) interagendo con

altre componenti parietali:

◦ Formazione ponte ditirosinico a livello intermolecolare e intramolecolare

◦ Formazione rete glicoproteica: all’interno dei pori scorrono le microfibrille di cellulosa

• AGP: proteine con catene laterali di arabinogalattani (90% glicoproteina costituita da zuccheri) su

parete e faccia esterna della membrana plasmatica -> molecole segnale nello sviluppo

Fenoli

‣ Lignine: polimeri di natura fenolica, idrof