Biologia vegetale e botanica farmaceutica: piante, macromolecole e radici

BIOLOGIA VEGETALE

La pianta è un organismo:

• che accumula energia extraterrestre (es. luce solare);
• luce dipendente;
• a crescita indefinita (es. l'organismo vegetale cresce in altezza per tutta la vita, fino a quando non marciscono le radici);

. ha una massa superficiale elevata e minimo volume > per permettere uno scambio vantaggioso, enorme con l'ambiente;

• ha perennemente le cellule embrionale;
• con vita autonoma (autotrofa);
• ancorato al terreno e quindi fortemente integrato nell'ambiente (es. pioggia, luce solare etc. - alcune piante tuttavia producono delle molecole, i metaboliti secondari, che possono essere utilizzati come difesa, es. radicchio rosso);

LE PIANTE SUPERIORI

Sono formate da cellule che si organizzano in tessuti che a loro volta si organizzano in organi (radici, fusto e foglie) che costituiscono il cormo.

Cellule* > Tessuti Organi > Cormo *nelle cellule vegetali sono presenti: - parete esterna; - citoplasma; - nucleo.

Sono dotate di due metabolismi:

• primario (proteine, lipidi, carboidrati e acidi nucleici);
• secondario: metaboliti secondari (es. radicchio amaro che serve a reagire agli stimoli esterni)
• reagire agli stimoli (es. le foglie della pianta del girasole ruotano a seconda della posizione del sole);

DIFFERENZE TRA PIANTE E ANIMALI

PIANTE

• Hanno uno sviluppo embrionale indefinito;
• Sono autotrofe, cioè si nutrono di sostanze inorganiche e producono l'energia chimica trasformando l'energia solare;

. Le piante sviluppano un'enorme superficie esterna;

. Di solito hanno una dimora fissa e non sono dotate di mobilità;

. Le molecole interne della pianta sono fortemente condizionate dall'ambiente esterno (es. il grano senza la pioggia non produce l'amido o ne produce poco);

ANIMALI

• Hanno uno sviluppo embrionale definito;
• Sono eterotrofi, cioè si nutrono di sostanze organiche per gli elementi costruttivi ed energetici;
• Sviluppano una grande superficie interna (es. apparato respiratorio e renale)
• Hanno dimora variabile e sono capaci di movimento;
• L'ambiente molecolare interno degli animali è poco condizionato dall'ambiente esterno: si utilizza il metabolismo per ottenere l'omeostasi (es. stessa temperatura)

Sono capaci di:

• accrescersi;
• riprodursi (sessualmente e asessualmente);

LE MACROMOLECOLE

Le macromolecole sono catene ripetitive con unità costituite da prodotti chimicamente semplici (monomeri) unite tra loro attraverso un legame covalente forte a formare i polimetri. Le macromolecole sono principalmente tre:

• Polisaccaridi
• Proteine
• Acidi nucleici
• (Lipidi)

I LIPIDI (O GRASSI)

Sono un gruppo eterogeneo di composti idrocarburici (C + H2O) che hanno in comune la proprietà di essere insolubili in acqua. Una delle più importanti sostanze lipidiche della cellula ha come base il trigliceride (glicerolo + 3 catene di acidi grassi) I fosfolipidi, presenti nelle membrane biologiche, sono costituiti da:

• una molecola di glicerolo
• due catene di acidi grassi, altamente idrofobiche

. una molecola di fosfato (PO42 -- R), che costituisce la testa idrofila

H2C-O HC-O 9 12 15 H2C-O a La terza molecola di acido grasso viene quindi sostituita da una molecola di fosfato 0-0 I-0-7 OHHH -c-c-c-c-c :- 0- -C-C -C -C - C -O-O- 0 0 Polar head H-CO b-b-c-c-C- CH, H H Н Н Н Н НИН HHH N-C-C-O-P-O-C-H CH, H H H HHH NHU Nonpolar tails (a) Chemical structure of a phospholipid Phosphate group Polar Nonpolar heads tails Polar heads Polar head Nonpolar tails (b) Simplified way to draw a phospholipid Cel membrane La molecola del fosfolipide è molto interessante perché presenta una parte che può stare in un ambiente acquoso ed un'altra parte che fugge l'acqua. Il fosfolipide è l'unità fondamentale delle membrane biologiche. Tutte le membrane biologiche sono composte da un doppio strato fosfolipidico. Il citoscheletro poi è legato alla membrana e conferisce la forma alla cellula.

I CARBOIDRATI (C+H20)

Nelle strutture biologiche abbiamo principalmente 4 categorie di carboidrati:

1. Monosaccaridi (es. glucosio e fruttosio)
2. Disaccaridi (polimerizzazione di due monosaccaridi, es. saccarosio = glucosio + fruttosio)
3. Oligosaccaridi (fino a una quindicina di monosaccaridi)
4. Polisaccaridi, i più importanti in campo vegetale (centinaia di migliaia di monosaccaridi)

MONOSACCARIDI

Il glucosio deriva dalla fotosintesi clorofilliana. È uno zucchero esoso (C6H12O6). 3 H I-0 1 H C 2Nelle cellule vegetali esiste l'a-glucosio ed il ß-glucosio (differiscono per la posizione del gruppo -OH sul carbonio 1: nell'a-glucosio si trova sotto mentre nel ß-glucosio si trova sopra). Queste due molecole possono convertirsi tra loro facilmente ma hanno caratteristiche completamente diverse e danno molecole completamente differenti. Altri monosaccaridi:

• Pentosi: ribosio, desossiribosio (zucchero presente nel DNA);
• Esosi: mannosio, galattosio, fruttosio;

6CH2OH 6CH2OH 0 H O OH H H 1 OH H OH H OH OH H H OH H OH a-D-glucosio ß-D-glucosio

DIMERI

Il dimero più importante nei vegetali è il saccarosio, ossia l'unione di una molecola di a-glucosio con una molecola di ß- fruttosio. È importante perché è una delle molecole con il più grande grado di solubilità in acqua; infatti, è la molecola di trasporto degli zuccheri in tutti gli organismi vegetali. Altri dimeri importanti sono:

• Maltosio (a-glucosio + ß-glucosio, legati mediante un legame a-1,4 glicosidico)
• Cellobiosio (B-glucosio + B-glucosio, legati mediante un legame 3-1,4 glicosidico - per legarsi il secondo glucosio deve ruotare nello spazio di 180° rispetto al precedente, grazie ad un enzima specifico)

POLISACCARIDI

L'amido è un polisaccaride formato da glucosio legato con legami a-1,4 glicosidici con struttura lineare e con qualche ramificazione con legami B-1,6 glicosidici. In posizione 6 alle volte si forma una catena lineare mediante un legame 1,6 glicosidico (ramificazione). La molecola lineare che non presenta ramificazioni si chiama amilosio. Quando la catena di amido si ramifica si chiama amilopectina. L'amido è la riserva di zucchero/energetica ed è presente solo nelle alghe verdi ed in tutte le piante superiori. Il glicogeno rispetto all'amido ha la stessa formula di struttura, ma è più ramificato: per ogni catena lineare di a-glucosio ci sono 2/3 catene in posizione ß-1,6. Il glicogeno è sempre una riserva di energia ma è presente nell'uomo, negli animali, nei funghi ed in qualche batterio. La cellulosa è un polimero di ß-glucosio legato con legami ß-1,4 glicosidici (oppure tante molecole di cellobiosio unite). La cellulosa presenta una struttura lineare. La possibilità di avere tanti legami idrogeno (deboli) determina una forte coesione tra le molecole e permette alla cellulosa di essere un polimero strutturale, che dà la forma, la struttura, la resistenza.

ENERGIA, ENZIMI, METABOLISMO

Tutti gli esseri viventi devono trarre energia dall'ambiente. L'energia può essere trasformata da una forma all'altra e serve per mantenere l'ordine. Le trasformazioni consistono in reazioni chimiche che prendono il nome di metabolismo. Il metabolismo è l'insieme di reazioni chimiche diverse correlate le una alle altre. Esso è quindi l'insieme di:

• Reazioni anaboliche, che portano alla costruzione di molecole complesse a partire da molecole semplici. Tali reazioni depositano l'energia sottoforma di legami chimici;
• Reazioni cataboliche, che degradano molecole complesse in molecole semplici e liberano l'energia depositata nei composti.

3 H H 1Entrambe le tipologie di reazioni vengono favorite da alcuni catalizzatori (i più importanti sono delle particolari proteine chiamate enzimi) che le velocizzano. In tutti gli esseri viventi la molecola più importante (combustibile) è il glucosio. Tre sono i processi che ci permettono di utilizzare il glucosio:

1. Glicolisi
2. Respirazione cellulare
3. Fermentazione (è il metodo più rapido di produrre ATP)

Formula della respirazione aerobica (catabolica): C, HO6 + 602 -+ 6H2O +6CO2 + ATP + calore glucosio ossigeno acqua anidride carbonica Formula della fotosintesi clorofilliana (anabolica): Energia solare 6 H2O + 6 CO2 1 glucosio + 6 02

AUTOTROFISMO ED ETEROTROFISMO

• Organismi autotrofi: usano sostanze inorganiche come Sali e acqua (e CO2) e la luce del sole per formare composti organici (glucosio). Es .: vegetali superiori, batteri fotosintetici, tutte le alghe azzurre (procariotiche) e le alghe superiori.
• Organismi eterotrofi: usano sostanze organiche per trarne energia, non sono in grado di vivere se non hanno a disposizione tali molecole. Es .: animali, funghi e la maggior parte dei batteri.

*Le piante sono autotrofe non solo perché dal carbonio dei composti inorganici sintetizza glucosio ma anche perché esse utilizzano l'azoto presente nel terreno per la sintesi delle proteine.

CITOLOGIA VEGETALE

LA CELLULA

ORDINE DI MISURA

Limite di risoluzione: la minima distanza alla quale due punti si vedono distinti.

• L'occhio umano permette di vedere oggetti della dimensione massima di 100 um;
• Il microscopio ottico permette di vedere cellule, qualche batterio ed anche i cloroplasti;

. Il microscopio elettronico permette di arrivare a vedere anche delle molecole. La maggior parte dei diametri cellulari (considerando le cellule di forma sferica) si distribuiscono nell'intervallo 1-100 micrometri.

• Cellula animale: 10 um (media) - es .: globuli rossi 7-8 um;
• Cellula vegetale: da 10 um ad un massimo 10-12 cm per le cellule delle liane (media 20 um).

Le cellule hanno dimensioni molto piccole perche e importante mantenere un elevato rapporto tra la superficie esterna ed il volume, al fine di garantire un adeguato scambio di nutrienti e di cataboliti per l'esterno e dal citoplasma. Le cellule vegetali alle volte presentano dimensioni così grandi (10-12 cm) per il vacuolo.

TEORIA CELLULARE

Secondo la teoria cellulare:

• tutti gli organismi viventi sono formati da cellule;
• tutte le cellule derivano da altre cellule per divisione, mitotica o meiotica.

Nell'ambito delle cellule si identificano due organizzazioni diverse:

• Procarioti: eubatteri ed archeobatteri
• Eucarioti: protisti (amebe), piante, funghi, animali

Regno dei protisti pluricellulari eucariotici Regno delle piante Archeobatteri Progenitore cellulare o progenote (eucariote) Eubatteri Regno dei funghi Regno dei protisti unicellulari eucariotici Regno degli animali