Laboratorio biologia vegetale applicata - parte Cinzia Maria Bertea

Laboratorio biologia vegetale applicata (Bertea)

Metaboliti secondari delle piante

Sono composti organici che generalmente non svolgono una funzione diretta nella crescita e nello sviluppo delle piante. I metaboliti primari sono fondamentali e una loro assenza può provocare la morte della pianta, mentre l’assenza dei metaboliti secondari non ne influenza a tal punto l’esistenza.

Le piante essenziere (laminacee o labiate), come il timo, producono un sacco di metaboliti secondari. I metaboliti secondari sono molto importanti per il meccanismo di difesa delle piante. Hanno come ruolo la protezione degli organismi che li producono e sono importanti nei processi di comunicazione tra pianta e pianta e tra pianta ed organismo vivente. I metaboliti secondari vengono utilizzati come segnali chimici.

Il metabolismo primario viene definito sorgente delle sostanze che portano alla sintesi fotosintesi dei metaboliti secondari, fornisce precursori importanti: CO₂ e H₂O + energia = C₆H₁₂O₆. Durante questo processo sono prodotte anche altre molecole: il primo prodotto è l’acido trefosfoglicerico che può essere usato, tramite acido piruvico, per la produzione dei terpenoidi. Altri precursori sono l’eritrosi 4-fosfato, che attraverso l’acido shikimico portano ai composti fenolici, che sono metaboliti secondari. I composti fenolici possono anche derivare da COA attraverso la via dell’acido malonico.

Terpenoidi

I terpenoidi rappresentano dei metaboliti secondari abbastanza numerosi. Ogni anno ne vengono trovati di nuovi. Coinvolti in:

• Fotosintesi: catena idrocarburica fitolo delle clorofille, carotenoidi 40 atomi di C che coadiuvano le clorofille, assorbono la lunghezza d’onda tra verde e giallo, sono importanti pigmenti accessori che possono funzionare da foto protettori, si oppongono alle forti radiazioni che potrebbero far sbiancare le clorofille.
• Trasporto elettroni: ubichinone trasporto e respiratoria, plastochinone e in via fotosintetica, acquisiscono e cedono elettroni e sono fondamentali per la creazione di ATP a livello respiratorio e fotosintesi.
• Struttura delle membrane cellulari: steroli, fanno parte insieme ad altre molecole lipidiche delle membrane vegetali.
• Regolazione della crescita delle piante: gibberelline, diterpene crescita in altezza delle piante e fondamentali per processi di germinazioni di semi come le cariossidi, acido abscissico dormienza semi e apertura e chiusura di stomi, brassinosteroidi ormoni di crescita importanti.

Esempi di terpenoidi in industria

• Valencene sesquiterpene: aromatizzante e profumato (da arancia), da esso deriva il notcatone per creazione di profumi.
• Artemisinina endoperossido: Ha un ponte di atomi di O estremamente importanti per il legame con il plasmodium falciparum, composto antimalarico, tra i più studiati per la prevenzione della malaria.
• Qualche anno fa veniva usato il chinino, ma poiché non funzionava molto, venne sostituito con l’artemisinina, coltivata in Cina;
• Vetivone alfa e beta: prodotti dalla radice di Vetiveria zizanioides, usata come base per profumi maschili. Pianta dalle radici molto profonde che contengono cellule producenti oli essenziali.
• Menta piperita: dalla quale si estrae un olio essenziale, il mentolo, usato in industria cosmetica, profumiera ecc.

Ruoli ecologici

• Difesa contro erbivori (insetti) e patogeni (microrganismi e funghi)
• Attrazione di insetti impollinatore e profumo gradevole dei fiori
• Allelopatia: detta anche competizione chimica o antagonismo radicale, è un fenomeno che interviene molto frequentemente nella competizione interspecifica e competizione intraspecifica tra le piante nell’agroecosistema, per cui una pianta rilascia nel terreno, a seguito del metabolismo della stessa, i metaboliti secondari inibiscono la crescita e lo sviluppo di piante concorrenti vicine.
• Coinvolti in simbiosi tra pianta e microbo, grazie a molecole bioattive che se necessario allontanano i microrganismi, talvolta possono essere rapporti vantaggiosi.

Importanza economica

• Farmaci
• Industrie profumiere e cosmetiche e come sostanze aromatizzanti

I terpenoidi possono essere prodotti sia da parte epigea che ipogea:

Parte apogea

Al di sopra del suolo (composti volatili chiamati anche vox che funzionano come richiamo olfattivo tipo fiore, viene così favorita la riproduzione della pianta, perché attrae gli insetti) o da parte delle foglie che in seguito all’attacco dell’insetto fitofago, che si ciba di essa, la pianta reagisce producendo sostanze non volatili in situ funzionano da deterrente per allontanare l’insetto, ma può anche produrre sostanza volatile che richiama il predatore dell’insetto. Questo tipo di azione è alla base delle relazioni tritrofiche:

• Pianta
• Insetto fitofago
• Predatore insetto fitofago

Alla base del cry for help, vi è un aiuto reciproco fra pianta e insetto, nello specifico si è scoperto un meccanismo genetico che consentirebbe alle piante di mais di “chiedere aiuto” e di attrarre, tramite un cocktail di profumi vegetali, una vespa parassita dei bruchi, che diversamente divorerebbero la pianta.

Parte ipogea

Sostanze non volatili, in radici, vengono attratti i microrganismi (nella rizosfera) che producono sostanze importanti per la crescita della pianta, ci può essere anche emissione di sostanze non volatili protettive, antimicrobica e fungina. Fusto, foglie e fiori.

Via biosintetica dei terpenoidi

Due vie, due comparti:

• Citosol in cui avviene la via mevalonato dipendente (deriva da COa): sesquiterpeni 15 e triterpeni 30 atomi di C.
• Via plastidiale MEP-pathway, il precursore meti-eritritol-fosfato produzione di monoterpeni, diterpeni e tetraterpeni, ai composti vengono aggiunti composti tipo O prodotte a livello del plastidio, delle olefine (C e H) che vengono decorate, aggiunta di O, in altri comparti della cellula, ad esempio nel citosol (riduttasi e deidrogena) e RE sulle cui membrane si trova il citocromo p 4 e 50 che portano all’idrossilazione di questi composti.

Classificazione dei terpenoidi

Building block: isopentenil pirofosfato (IPP) Composto a 5 C. Alla base di tutto troviamo gli emiterpeni (un unità isoprenica) che sono le strutture fondamentali a 5 atomi di carbonio.

• Isoprene: emesso in maniera massiccia dalle foglie degli alberi, importante componente ecologica.
• Monoterpene: 2 isopreni, 10 C, turpentina il primo che è stato isolato
• Sesquiterpeni: 3 Isopreni, 15 C
• Diterpeni: 4 Isopreni, 20 C
• Sesterpeni: 5 Isopreni, 25 C
• Triterpeni: 6 Isopreni 30 C
• Tetraterpeni: 8 Isopreni, 40 C

Man mano che sale il numero di atomi di C diminuisce il grado di volatilità. Aromatici fino ai Sesquiterpeni. Oltre i tetraterpeni abbiamo i politerpeni (migliaia di unità isopreniche costituenti di gomma e guttaperca), non sono volatili. Gomma estratta da evrea basiliensis sotto forma di lattice. Man mano che aumentano le unità isopreniche aumenta la viscosità della sostanza.

Monoterpeni (due unità isopreniche, sono volatili)

Hanno 10 C, si formano da unione di isopentelin pirofosfato e dimetil allil pirofosfato (isomero di IPP) formano il geranil pirofosfato che è il precursore di tutti i monoterpeni. Volatili per attrazione e repellenti per insetti: limonene (oli essenziali in menta mentolo monoterpene ossigenato che deriva dalla idrossilazione, da parte P4 50 in posizione 3 del limonene, da un enzima che si trova nelle membrane di RE), il carvone è aroma spearmint molecola che deriva dal limonene attraverso il trans-carveolo (alcol), precursore del cavone (chetone) che viene prodotto dal limonene attraverso citocromo P4 50 idrossilazione in posizione 6, sono molto simili tra di loro, hanno solo una differenza di un solo amminoacido con una stereospecificità molto alleata. Mentolo (freschezza forte ma poco duraturo) e Carvone (freschezza debole ma duraturo, tipo dentifricio). Canfora deterrente alimentare per erbivori, molecola allelopatica, interviene nelle interazioni pianta-pianta con interazioni negative o positive, nel caso della canfora principalmente abbiamo interazioni negative.

Sesquiterpeni (tre unità isopreniche 15 C, volatili)

Hanno 15 C, il precursore è il farnesil pirofosfato (condensazione di geranil pirofosfato più isopentenil pirofosfato) può dare origine a diverse classi: vetivone e paciullo, importanti per quanto riguarda il profumo, sono alla base di essi. Acido abscissico fitormone importante, dormienza semi e chiusura degli stomi. Asteracee composite come la camomilla che possiede bisabolene o bisabololo che sono antinfiammatori, il secondo usato per collirio e uso oftalmico. Lattoni sesquiterpenici, prodotti da frutta e verdura con gusto amaro, cicoria, indivia, carciofo (sesquiterpeni usati anche per produzione cinar alcolico). Il gusto amaro è usato come deterrente alimentare, molti erbivori schifano il gusto amaro; l’uomo è uno dei pochi organismi che tollera i gusti amari. Lanina (sempre lattone prodotta da arnica) con importanti usi farmaceutici.

Diterpeni (non volatili)

Hanno 20 C. Vengono prodotti dal farnesil pirofosfato al quale viene addizionato isopentenil pirofosfato, dando il geranil geranil pirofosfato. Fitoalessine prodotte in seguito ad attacco di patogeni, prodotte ex novo, come il casbene presente nel ricino, ciberelline, fitormoni importanti per la crescita in altezza delle piante, taxolo anticancerogeno commercializzato si trova in natura nella corteccia del tasso brevifoglia, la quantità è bassa e i ricercatori di tutto il mondo si sono concentrati su come produrne di più, la creazione richiede 20 step biochimici. Il taxolo in commercio viene prodotto da semisintesi che può essere prodotto su larga scala e a costi più bassi. Acido abietico (componente principale dell’ambra) si trova in foreste fossili come in Russia e in oriente e viene usata per produzione di gioielli.

Triterpeni (non volatili)

Hanno 30 C, condensazione testa-testa di farnesil pirofosfato da: squalene, molto grande che può essere trasformata in sitosteroli (componenti importanti delle membrane cellulari) e saponine glicosilate, tossiche, prodotte da radici e da fusti della famiglia delle leguminose (importante saponina: lupeolo), importanti per farmacia e alimenti per il consumo umano ma sono tossiche per alcuni organismi, l’estrazione porta ad una miscela schiumosa, per questo si chiamano così.

Tetraterpeni (non volatili)

Hanno 40 C, derivano da unione testa-testa di geranil geranil pirofosfato 20+20. Il primo precursore di tutti i carotenoidi è il fitoene che attraverso la fitoene, sintasi, desatura, ciclizza e forma tutta la famiglia dei carotenoidi che sono divisi in:

• Caroteni (alcheni) licopene composto principale presente nel pomodoro e si trova anche nell’anguria, caroteni a e b importanti per produzione di vitamina A che è fondamentale per i processi visivi
• Xantofille molecole simili ai caroteni ma posseggono anche atomi di O nella molecola, importanti per i meccanismi di fotoprotezione delle clorofille, dissipano energia accumulata nei sistemi fotosintetici e proteggono le clorofille dalla fotossidazione

Oli essenziali

Storia

Monoterpeni, sesquiterpeni e diterpeni. Oli essenziali hanno molte proprietà. Gli oli essenziali sono principi odoriferi contenuti nei vegetali, serpillo è un timo delle nostre zone. Sono miscele di sostanze organiche, sono aromatici, di diversa natura: alcoli, eteri, terpeni, chetoni ecc. Queste miscele vengono ottenute attraverso vari processi che vanno da distillazione in corrente di vapore a distillazione ma anche estrazione. In generale vengono estratti dal materiale vegetale che può avere origine da una specie organica con particolarità organolettiche. Sono chiaramente diversi dagli oli vegetali (tipo olio di oliva), poiché sono sostanze volatili, hanno caratteristiche chimiche ben precise, odore molto forte, in passato i derivati odorosi delle piante aromatiche avevano nomi diversi. Nel 1972 la farmacopea francese ha portato ad un univocità della nomenclatura con l’introduzione del nome olio essenziale. Sono liquidi a temperatura ambiente, a volte incolori ma spesso e volentieri sono colorati, con colorazione artificiale, tipo la camomilla è blu, ma durante la distillazione si forma camazulene che fa assumere questo colore. Assenzio dovrebbe essere verde. Il verde mentolo, giallo limone rosso fragola ecc. ma sono colorazioni artificiali. Oli sono poco solubili in acqua tuttavia hanno un certo grado di idrofilia, poiché in alcuni casi rilasciano l’aroma in acqua. Solubili in etere, alcol e lipidi. Oli aromatizzati.

La costituzione chimica è molto complessa ma molti componenti sono ascrivibili ai idrocarburi terpenici, sesquiterpenici (15 C) diterpenici, azuleni (camomilla), alcoli, aldeidi, chetoni, fenoli, eteri, esteri, acidi organici e perossidi. Composizione chimica che può variare data l’influenza ecologica e ambientale a seconda di dove cresce. Ad esempio, possono subire modificazioni in base a luce, acqua, latitudine e composizione del terreno. Variazioni profilo aromatico anche abbastanza grande. Importanti anche i fattori genetici, all’interno della stessa specie possono variare caratteri morfologici e biochimici questa differenza è fondamentale per oli essenziali. Chemotipici, esempio in Francia il timo ne presenta 6, possiamo trovare dei prodotti presenti in maniera preponderante dando il nome al chemotipo. Anche nel caso del finocchio dolce abbiamo estrapolo e anetolo. Tutte queste varietà appartenente ad una solo specie ma che variano per via del componente principale. Questo diventa importante per la lotta alle frodi alimentari, vogliamo un prodotto omogeneo. Sofisticazioni in settore aromatico che possono essere scoperte se vengono analizzate le caratteristiche tipiche di questi prodotti.

I siti di sintesi e di accumulo degli oli essenziali

Sintetizzati e accumulati nelle strutture specializzate, questi prodotti sono costituiti da metaboliti secondari che di per sé sono tossici in quanto spesso e volentieri sono di difesa in modo biotico che abiotico, se venissero accumulati nei siti del normale metabolismo potrebbero avere degli effetti tossici.

Sono prodotti nelle parti verdi dei vegetali e poi stoccati in parti esterni. Sono sintetizzati nel citoplasma delle cellule specializzate legati ai organi secretori, in piante essenziere su superfici delle foglie e fusti abbiamo i peli ghiandolari escretori in Asteracee (artemisia e camomilla), Lamiaceae (menta, lavanda e rosmarino). Taschesecretrici nelle mirtacee, canali resiniferi nelle conifere, tasche lisigene degli agrumi. Possiamo trovare oli essenziali anche nei fiori, come lavanda e arancio, nelle foglie (salvia, menta e assenzio dove troviamo tricromi ghiandolari), anche in corteccia come cannella e legno sandalo e cedro, nelle radici come nel caso dell’angelica, nei rizomi del calamo e nei frutti come bergamotto limone e anice.

Immagini e descrizioni

• A) Immagine a microscopio a scansione della foglia di timo, protuberanze sono peli ghiandolari.
• B) Tricoma ghiandolare di menta con forma caratteristica, la parte in nero è olio essenziale, i tricromi ghiandolari sono costituiti da una cavità subcuticolare accumula olio essenziale S cellule secretrici che rilasciano all’interno della unità cuticolare. Legato poi alla superficie della foglia attraverso le cellule stelo che ancorano la struttura all’epidermide della foglia dal quale il tricoma prende i metaboliti primari per trasformarli in secondari.
• C) Tasca lisigena in agrumi hanno tasche lisigene sia in pericarpo che sulla superficie della foglia, S sempre cellule secretrici dalle quali viene rilasciato l’olio essenziale nella tasca.
• D) Canale resinifero, tipico delle conifere, tipo ago di pino che se rotto fa uscire la resina.

Estrazione degli oli essenziali

Gli oli essenziali vengono estratti con vari metodi, da corrente di vapore a solventi particolari come CO₂ in stato supercritico.

Distillazione in corrente di vapore

Consiste nell’utilizzo del vapore acqueo grazie al quale si possono estrarre le gocce di essenza che vengono poi trasportate verso l’alto grazie al calore. In un contenitore detto alambicco (distillatore) vi si mettono le piante sminuzzate e l’acqua bollente mantenuta sempre calda, il vapore acqueo che si forma sale portando con sé le parti aromatiche, sostanze volatili, convogliate insieme al vapore in una serpentina raffreddata, da qui il distillato viene raccolto insieme all’acqua, poiché si condensa dando nuovamente una fase liquida. Il distillato viene raccolto insieme all’acqua e l’olio essenziale galleggia sulla superficie, solo in rari casi si trova sul fondo, qui ho due fasi che posso facilmente separare utilizzando degli altri recipienti.

Consente di distillare a una T più bassa rispetto all’ebollizione dell’acqua, gli oli si lasciano trasportare. Viene utilizzata soprattutto per piante aromatiche, vengono estratti nel momento in cui vengono raccolti, un olio essenziale è migliore se estratto subito dopo la raccolta. Se si aspetta anche solo poche ore si hanno dei processi di fermentazione che finiscono con l’alterazione della fragranza. Prima della distillazione il materiale va manipolato in maniera efficace per rendere top il procedimento. Gli oli ottenuti non sono sempre identici al profilo aromatico delle piante dalle quali vengono estratte perché durante la distillazione alcuni precursori con il calore possono ciclizzare, ossidarsi o perossidarsi.

Estrazione per spremitura (pressione a freddo)

Utilizzata per quelle droghe aromatiche che contengono oli essenziali in grosse quantità e in superficie come gli agrumi, l’essenza di questi frutti sono facilmente estratte tramite questa metodica.