Metaboliti secondari vegetali - AA. 2024-25

Metaboliti secondari vegetali Prof.ssa Luciana ROSSI AA. 2024-25  Metaboliti secondari SOSTANZE PRODOTTE DAL METABOLISMO MA APPARENTEMENTE NON COINVOLTE NEI PROCESSI VITALI DELLA PIANTA STESSA (assimilazione dei nutrienti, la respirazione, il trasporto e il differenziamento) Il me...

Metaboliti secondari vegetali Prof.ssa Luciana ROSSI AA. 2024-25  Metaboliti secondari SOSTANZE PRODOTTE DAL METABOLISMO MA APPARENTEMENTE NON COINVOLTE NEI PROCESSI VITALI DELLA PIANTA STESSA (assimilazione dei nutrienti, la respirazione, il trasporto e il differenziamento) Il metabolismo di base (primario) comprende tutte le vie necessarie per la sopravvivenza delle cellule.  Composti organici bioattivi che funzionano a basse concentrazioni. Funzioni Linguaggio con cui la pianta si mette in Proteggere la relazione con la componente biotica del pianta da erbivori e da suo ambiente. attacchi di microorganismi fitopatogeni;* Attrarre gli impollinatori e gli animali (dispersione dei semi e alla diffusione delle piante); Mantenere una competizione tra una pianta e quelle adiacenti e tra una pianta e microorganismi simbionti. * Importanza in agricoltura ESEMPI: Strategia della pianta Induzione di molecole di difesa Pianta- erbivoro come risposta all’attacco di Produzione di sostanze deterrenti alimentari patogeni o erbivori (fitoalessine) (tannini, sostanze tossiche) Pro-tossine innocue attivate da Produzione di sostanze che mimano ormoni un enzima innescato a seguito di animali (steroli che mimano l’ormone della un attacco muta degli insetti) Accumulo di prodotti di difesa Produzione di composti che attraggono I costitutivi predatori degli erbivori Pianta- pianta Mutua influenza tra piante attraverso la secrezione di particolari sostanze (ALLELOPATIA). Pianta di pomodoro si ammala e muore se viene piantata vicino ad un noce (area di tossicità in relazione all’ampiezza della chioma). Protossina (1,4,5 trinitronaftalene glucoside) che dopo idrolisi e ossidazione al suolo diventa una potente tossina (juglone) EMESSI dalla pianta per ATTRARRE animali: Fiori Frutti EMESSI dalla pianta per DIFENDERSI o per proteggere l’embrione: Semi Fusto Foglie  Semiochimici Un sistema di comunicazione non verbale PIANTE E INTERAZIONE CON L’AMBIENNTE SEMIOCHIMICO (dal greco antico σημεῖον semeion "segnale") composti chimici che regolano le interazioni tra gli organismi viventi i quali sono in grado di determinare modificazioni di carattere etologico, fisiologico o anatomico. Sono attivi nell’evocare il comportamento a concentrazioni molto ridotte.  PIANTE E INTERAZIONE CON L’AMBIENNTE Ci sono due classi di segnali semiochimici: FEROMONI (comunicazione intraspecifica: tra animali- sono emessi nelle urine, sudore, escrementi- su supporto o diffusi in aria- attratttivo/minaccia) ALLELOCHIMICI (comunicazione interspecifica coinvolti nelle relazioni pianta/pianta, pianta/insetto).  PIANTE E INTERAZIONE CON L’AMBIENNTE ALLELOCHIMICI: metaboliti secondari (oli essenziali) comunicazione interspecifica coinvolti nelle relazioni pianta/pianta, pianta/insetto. Messaggeri chimici ALLOMONI: sostanze che beneficiano solo l’emettitore (oli essenziali che gocciolano ai piedi di un albero per impedire la germinazione di altri vegetali). SOLITAMENTE DIFENSIVO. CAIROMONI: SOSTANZE CHE BENEFICIANO IL RICEVENTE MA NON EMETTITORE (ad esempio composti volatili emessi da piante che attraggono i fitofagi) SINOMONI: SOSTANZE CHE MEDIANO UNA RELAZIONE MUTUALISTICA (profumo dei fiori per insetti pronubi)  METABOLITI SECONDARI DELLA PIANTA Non sono presenti in tutte le piante. Spesso presenti solo in alcuni tipi di cellule specializzate e differenziate e non sono necessarie per le cellule stesse ma sono utili alla pianta nel suo insieme. Spesso cellula/tessuto/organo- specifici. Possono subire incrementi in seguito a risposte esterne come regolatori della crescita, condizioni di stress biotici o abiotici piuttosto che fasi di sviluppo e stagionalità. Interesse per i metaboliti secondari Sostanze aromatiche Coloranti Sostanze ad interesse farmacologico e nutraceutico BIODIVERSITA’ Angiosperme: più di 275.000 specie note > 100.000 composti noti  Allelochimici, la nuova frontiera nella lotta agli insetti Agricoltura sostenibile Gli allelochimici modificano il comportamento della specie bersaglio e sono quindi potenziali strumenti di strategie di controllo ecocompatibili su cui la ricerca pubblica e privata sta lavorando per applicazioni concrete. Analisi filogenetica La biosintesi di determinati metaboliti avviene attraverso vie metaboliche che sono spesso conservate a livello di specie/generi affini. Filogenesi (genomica) + metabolomica permettono di individuare specie iperproduttive di un determinato metabolita. Coltivazione, biomassa, estrazione. Classi principali dei metaboliti secondari della pianta Le classi principali di metaboliti secondari sono TERPENI, COMPOSTI FENOLICI, COMPOSTI AZOTATI … Sono metaboliti secondari vegetali anche molti composti impiegati dall'uomo come FARMACI, quali ad esempio gli alcaloidi antitumorali vinblastina e vincristina prodotti dalla vinca rosea (Catharanthus roseus). Infine, appartiene alla categoria dei metaboliti secondari vegetali gran parte dei composti utilizzati dall'uomo come stupefacenti. 1) Terpeni Classe più grande Dal punto di vista chimico… I TERPENI (isoprenoidi) originano dall’unione di unità isopreniche (ad alte temperature possono decomporsi e dare isoprene) a 5 atomi di carbonio, aventi lo scheletro dell’isopentano. Le unità isopreniche si legano tra loro secondo una sequenza testa-coda. In base al numero di unità che li formano, i terpeni vengono distinti in: C-5 emiterpeni C-10 monoterpeni (essenze) C-15 sesquiterpeni (fitoalessine) C-20 diterpeni (fitolo, fitoalessine) C-25 sesterterpeni C-30 triterpeni (steroidi, composti tossici) C-40 tetraterpeni (carotenoidi) C-n politerpeni (gomma) Monoterpeni: Oli essenziali Soprattutto monoterpeni (anche sesquiterpeni: LIMONENE, PINENE, MENTOLO, CARVONE…. Funzione vessillare di inibizione della crescita di altre piante (allelopatica) AROMA/ PROFUMO SPREMITURA ESTRATTI DISTILLAZIONE COSMETICA HEALTH  Monoterpeni: piretrine Funzione vessillare di difesa nei confronti degli animali (piretrine). Estratti da foglie e fiori di Chrysanthenum cinerariaefolium sono potenti insetticidi molto usati perché poco tossici per i mammiferi (attenti gatto!!!) Nelle conifere i terpenoidi si accumulano nei canali resiniferi e negli aghi. Sembra che la sintesi di monoterpenoidi sia stimolata dall’attacco di coleotteri. Le piretrine (piretroidi di sintesi) sono commercializzate sotto forma di polveri, soluzioni, tavolette spirali a lenta combustione e spray. Monoterpeni Mentolo Limonene Questi composti sono contenuti in tricomi ghiandolari che fungono da segnale sulla tossicità della pianta, un avvertimento per gli erbivori prima che assaggino. Questi tricomi contengono gli oli essenziali in uno spazio cellulare compreso tra la cuticola e la parete cellulare.  TETRATERPENI Carotenoidi poli-terpene (tetraterpene) I carotenoidi hanno un elevato numero di doppi legami coniugati: permette di assorbire parte delle radiazioni provenienti dal sole e rifletterne solo una parte con la conseguente colorazione della pianta o dell’alimento. Per questo motivo sono definiti anche pigmenti naturali. I carotenoidi si dividono in due classi: caroteni e xantofille. I caroteni sono molecole costituite Le xantofille sono analoghi dei solo da atomi di carbonio e caroteni ma presentano anche idrogeno come ad esempio il atomi di ossigeno come la β-carotene ed il licopene. zeaxantina e la rubixantina. ATTIVITA’ ANTIOSSIDANTE (prevengono la foto-ossidazione: sfruttata nell’industria alimentare per aumentare la shelf life dei prodotti)  TETRATERPENI Licopene Il licopene è un poli-terpene (tetraterpene) caratterizzato da 40 atomi di carbonio con 11 doppi legami coniugati. A differenza del β-carotene non è provitaminico A. Questo pigmento è presente in prevalenza nella pelle e nel mesocarpo dei pomodori (quantità in anguria, papaia e l’uva). Attività antiossidante. Funzione anticarcinogenica 2)Composti fenolici gruppo eterogeneo di A seconda della loro composizione chimica, i molecole contenenti fenoli svolgono svariati ruoli all’interno di una pianta: un gruppo fenolico. difesa contro i fitopatogeni, alla funzione strutturale, l’attrazione di impollinatori, etc.  Benzofurani Cromoni Cumarine Flavonoidi Antocianidine Antocianine Calconi Flavanoli Flavanoni Flavoni Flavonoli Isoflavoni Proantocianidine Acidi fenolici Fenoli semplici Acidi fenilacetici Fenilpropanoidi Acidi idrossicinnamici Lignine Fenilpropeni Chinoni Antrachinoni Benzochinoni Naftochinoni Stilbeni (Stilbenoidi) Xantoni  Furanocumarine: Fototossicità Le cumarine, in particolare le furanocumarine, diventano tossiche per insetti ed erbivori solo se attivate dalla luce. Queste si legano alla citosina e timina di una doppia elica di DNA, provocando il blocco della trascrizione e riparazione fino a determinare la morte della cellula. Sono composti abbondanti nelle Umbreliferae (famiglia con oltre 3000 specie con tipica infiorescenza) Sono presenti in sedano, pastinaca, prezzemolo. Alta concentrazione indotta da stress o patologia provoca disturbi alla pelle delle mani dei Una storia… raccoglitor Rischio di avvelenamento Alla fine del XIX secolo gli allevatori del Nord America introdussero il trifoglio odoroso (meliloto) per l'alimentazione del bestiame ne seguì un'epidemia emorragica. Perché? Durante l'essicazione del trifoglio la cumarina subisce una serie di trasformazioni chimiche (in parte mediate da funghi del genere Aspergillus) - che in ultima analisi originano il dicumarolo. Interferisce con la coagulazione del sangue (vitK) Il meliloto comune (Fam. Warfarin come rodenticida e nella terapia della Leguminose Papilionacee), trombosi. è conosciuto in botanica con il nome Melilotus officinalis. Altri esempi di composti Fenolici Castalagina TETRAIDROCANNABINOLO da Ellagitannini Cannabis È una sostanza psicotropa prodotta dai fiori di cannabis, può essere ingerito, fumato o inalato. Un particolare gruppo di fenoli: i flavonoidi I bioflavonoidi sono in grado di esercitare svariate attività biologiche I flavonoidi sono metaboliti secondari costituiti da quindici atomi di carbonio, disposti in una struttura base composta da due anelli aromatici collegati da un ponte a tre atomi di carbonio. COMPRENDE PIU’ DI 6000 DIFFERENTTI MOLECOLE. La classificazione dei flavonoidi avviene a seconda del grado di ossidazione di questo ponte.  Metaboliti secondari Composti fenolici Supporto meccanico FLAVONOIDI (flavone, flavonoli, (lignina), antociani): sostanze pigmentate presenti nei fiori (geranio, primula…), difesa contro i patogeni ed frutti (uva, fragola), foglie (acero rosso, erbivori vite) Attrazione degli impollinatori ANTOCIANI: rossi in ambiente Proprietà antiossidanti acido e blu in ambiente basico Schermo per la radiazione FLAVONI e FLAVONOLI: giallo, ultravioletta bianco-avorio Sostanze allelopatiche Metaboliti secondari FLAVOINOIDI: flavoni e flavonoli L’accumulo dei flavonoidi nei petali individua le regioni che assorbono l’UV, (api impollinatrici) Pelargonium Delphinium Cetaurea cyanus  Le proprietà antiossidanti delle sostanze fenoliche deriva dalla capacità di ossidoriduzione che permette di agire come FLAVONOIDI e ALIMENTI agenti riducenti, donatori di idrogeno e di “spegnere” l’ossigeno singoletto. (Rice-Evans et al., 1997) Uso farmacologico e nutraceutico Riduzione dell’incidenza della malattia coronarica Utilizzati nella cura dell’insufficienza venosa cronica Utilizzati nella prevenzione della fragilità capillare Riduzione dei fenomeni infiammatori: inibizione di enzimi coinvolti nella sintesi di prostaglandine Protezione dai radicali liberi Prevenzione dell’aggregazione piastrinica Attivazione del sistema del complemento Alta affinità per le proteine ricche in prolina (riduzione della loro degradazione nell’endotelio)  La quercetina (o quercitina) è un QUERCITINA flavonolo ossia un composto organico naturale La quercetina è ampiamente distribuita negli alimenti ma si trova esclusivamente negli alimenti di origine vegetale. Dopo somministrazione orale ha attivita’ antiossidante sia diretta (scavenger) che indiretta (modula l’espressione di geni coinvolti nel bilancio ossidativo: glutatione-perossidasi …) Attività antinfiammatoria (inibizione di TNFalfa, COX, LOX, rilascio di citochine proinfiammatorie…)  La quercetina (o quercitina) è un QUERCITINA flavonolo ossia un composto organico naturale EFFETTI BIOLOGICI Protezione cardio-circolatoria Riduzione della tossicità di alcuni farmaci/xenobiotici ONCOLOGIA-HA EFFETTI ORMETICI : a basse concentrazioni è responsabile di un determinato effetto biologico mentre ad alte concentrazioni è responsabile dell’effetto biologico opposto. A basse concentrazioni ha attività antiossidante (protezione delle cellule dai danni dei radicali Ad alte concentrazioni funziona come pro-ossidante con conseguente citotossicità a livello delle cellule tumorali. TERAPIA COADIUVANTE La quercetina si trova anche in alcuni prodotti botanici medicinali, tra cui Ginkgo biloba, Hypericum perforatum e Sambucus canadensis. quercetina (mele, tè, cipolle, mirtillo rosso) Mirtilli, sambuco, erba cipollina Occurrence of flavonoids in common foods Flavonoid subclass Major food sources Flavonols onions, kale, broccoli apples, cherries, berries tea, red wine Flavones parsley, thyme Flavanones citrus Catechins apples, tea Anthocyanidins cherries, grapes Isoflavones soya beans, legumes Resveratrolo Composto fenolico contenuto in molte piante. Resveratrolo Composto polifenolico non flavonoide che si trova in varie specie vegetali (importanti nella dieta funzionale): more di gelso, nocciole, uva. Questa molecola è stata conosciuta per secoli nella medicina asiatica come Ko-jo-kon, e usata come farmaco antinfiammatorio (radice polverizzata di Polygonum cuspidatum). Resveratrolo La sintesi del resveratrolo nelle piante è indotta dall’esposizione alle infezioni microbiche, alle radiazioni ultraviolette e all’ozono; questa molecola può quindi essere classificata come fitoalexina (antibiotico prodotto dalle piante quando si trovano sotto attacco). Per questo motivo la produzione avviene nell’epidermide delle foglie (50-400μg/g) e nella buccia (50-100μg/g) dei chicchi d’uva, ma non nella polpa; ne è stata anche rilevata la presenza nelle parti legnose della pianta, come i raspi e i semi.  Il resveratrolo è stato individuato nella ricerca originata per spiegare il “paradosso francese", in cui si è notato che la popolazione francese, nel Sud della Francia, con abitudini alimentari analoghe a quella di alcune regioni degli Stati Uniti, sarebbe meno soggetta a problemi di natura cardiovascolare. La spiegazione è stata ricondotta al resveratrolo contenuto nel vino. La concentrazione di resveratrolo nel vino è influenzata da diversi parametri: RESVERATROLO 1) varietà di vite e clima: i climi freddi e umidi incrementano la probabilità e la frequenza degli attacchi da parte di funghi; 2) durata del contatto con le bucce durante la fermentazione: è il motivo per cui nei vini rossi la concentrazione è generalmente maggiore rispetto ai vini bianchi; 3) pratiche di vinificazione: alcuni tipi di filtrazione e di invecchiamento in botte possono portare a perdite di resveratrolo. Ad esso è attribuita una possibile azione antitumorale, antinfiammatoria e di fluidificazione del sangue, che può limitare l'insorgenza di placche trombotiche. Attivita’ antiossidante: Il resveratrolo ha un'azione antiossidante superiore a quella di altri noti antiossidanti come la VITAMINA C e la VITAMINA E Protezione contro le malattie vascolari Inibizione perossidazione LDL (placche aterosclerotiche) Inibizione perossidazione lipidi (integrità membrane cellulari) Attività antinfiammatoria blocca la produzione della cicloossigenasi–2 riduzione aggregazione piastrinica Inibizione sintesi trombossano B2 (inibizione COX-1) Tannini e lignina Fenoli con proprietà difensive -strutturale -repellente  TANNINI Composti fenolici Polifenoli solubili in acqua. All’aria si ossidano assumendo un colore bruno (flobafeni in legni e cortecce). SONO PRESENTI NEI FRUTTI ACERBI DETERRENTI Precipitano le proteine della saliva (azione astringente) ALIMENTARI Nei frutti maturi: tannini più mucillagini non allappano.  TANNINI Composti fenolici Formano dei precipitati di Sali pesanti. Usati nella concia delle pelli, in farmacia come astringenti, nella preparazione di inchiostri (Sali di ferro) Funzione di difesa contro i microrganismi e deterrente per gli erbivori (Tossine che legano le proteine intestinali e riducono la crescita) Spesso i tannini sono localizzati in cellule specifiche. Sono utilizzati in alimentazione animale per le proprietà antimicrobiche Tannini Tannins, secondary metabolites of plants, compounds belonging to the family of polyphenols that play an important role in animal health. Tannins showed antioxidant and antibacterial activities and can contribute to improving the welfare of the young animals. Chestnut and quebracho tannins in pig nutrition  Tannins can exert several functional properties in vitro Bactericidal effect Inhibitory activity Cytomodulatory effect Composti fenolici Sostanze fenoliche nelle spezie Composti fenolici Sostanze fenoliche nelle spezie  acidi organici Acido salicilico L'acido salicilico è un acido organico debole, alternativamente conosciuto come acido 1-idrossibenzoico. Appartiene alla classe degli acidi benzoici sostituiti e alla vasta famiglia dei fenoli.  Acido salicilico Estratto per la prima volta dalla corteccia del Salix alba (Salice bianco, attorno 1880). Veniva usato come cicatrizzante. Usato come antipiretico e antinfiammatorio. Alimenti naturalmente ricchi di acido salicilico sono le albicocche (3 mg/100g), il ribes rosso e nero (5 mg/100g), la cicoria (1 mg/100g), le arance (2,4 mg/100g), l'ananas (2 mg/100g) e i lamponi (5 mg/100g).  Acido acetilsalicilico Per sostituzione dell'ossidrile fenolico con un acetile si ottiene l'acido acetilsalicilico (PA Aspirina). E’ universalmente utilizzato come anti-infiammatorio non steroideo e lenitivo di numerosi disturbi. Ha proprietà cheratolitiche (sciogliere lo strato corneo dell’epidermide): in medicina contrastare ipercheratosi come calli e verruche, in cosmetica e/o medicina estetica come esfolianti per il trattamento di pelle del viso acneica o che presenta imperfezioni e comedoni. 3) I composti azotati I composti azotati sono, come dice la parola stessa, metaboliti secondari che contengono un atomo di azoto nella loro struttura chimica. La maggior parte di questi composti sono sintetizzati a partire da amminoacidi comuni. Tra questi composti troviamo i glicosidi cianogeni, gli alcaloidi, i glucosinolati. ALCALOIDI COMPOSTI AZOTATI Metaboliti secondari ALCALOIDI Sostanze organiche azotate, composti ciclici basici (eterociclici). Insolubili in acqua, con gli acidi formano SALI IDROSOLUBILI di acidi organici e inorganici (Acido malico, citrico, succinico…) Incolori. Hanno sapore amaro e generano negli animali sensazioni sgradevoli. Molti hanno valore farmacologico. FUNZIONE DI DIFESA, RISERVA DI AZOTO, PRODOTTI DI RIFIUTO DI AZOTO, REGOLAZIONE DELLA CRESCITA E DELLA GERMINAZIONE DEL SEME. Metaboliti secondari ALCALOIDI Molecole eterogenee ma con azoto incluso in un anello eterociclico (ad eccezione degli alcaloidi aminici che non presentano anelli azotati) Possono essere raggruppati in base alla natura dell’anello che li caratterizza Si preferisce la più nomenclatura che deriva dal loro impiego terapeutico Vengono sintetizzati a partire da amminoacidi (lisina, tirosina, triptofano etc.) In alcuni casi, una buona parte dello scheletro carbonioso deriva dalla via dei terpeni. Metaboliti secondari ALCALOIDI Rari nei funghi Carenti nelle Monocotiledoni, nelle Gimnosperme e Pteridofite. Saltuari nelle Gimnosperme Abbondanti nelle dicotiledoni famiglie: Papaveraceae, Solanaceae, Apocinaceae, Papilionaceae, Ranunculaceae, Rubiaceae, Rutaceae… Diffusissimi nelle dicotiledoni Metaboliti secondari ALCALOIDI ERGOTAMINA nella Claviceps purpurea Rari nei funghi TAXINA nel Taxus (Gimnosperme) TAXUS Porzioni tossiche: tutta la pianta Saltuari nelle ad eccezione dell’arillo Gimnosperme Specie sensibili : Equino, bovino, ovino, suino, cane, pesci COLCHICINA in Colchicum autumnale falso zafferano Diffusissimi nelle dicotiledoni  Claviceps purpurea ASCOMICETE Parassita della segale ( e di altre graminacee > segale cornuta) ALCALOIDE ERGOTINA Principio attivo dietilammide dell’acido Lisergico (LSD) ERGOTISMO: gancrena, allucinazioni, spasmi, aborto, convulsioni ATTIVITA’ TERAPEUTICA: stimolo contrazioni uterine, riduzione della pressione sanguigna, emicranie Metaboliti secondari ALCALOIDI nelle dicotiledoni SOLANACEE Atropina (Atropa belladonna, Hyosciamus niger) Nicotina (Nicotiana tabacum) Solanina (Solanum tuberosum) nella patata Tutte le parti sono fortemente velenose (soprattutto le radici). 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