I METABOLITI SECONDARI DELLE PIANTE

A. Kossel (1891) Il metabolismo di base (primario) comprende tutte le vie necessarie per la sopravvivenza delle cellule. I prodotti del metabolismo secondario sono sostanze 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

Conferenza dell’ONU sull’ambiente Interesse per i metaboliti secondari - sostanze aromatiche - coloranti - sostanze di interesse farmacologico e nutraceutico BIODIVERSITA’ Angiosperme più di 275000 specie note > 100000 composti noti Conferenza dell’ONU sull’ambiente Rio de Janeiro 1992 Convenzione sulla Diversità Biologica Uso sostenibile: utilizzo di elementi della biodiversità in modi e tempi tali da non portare al depauperamento della biodiversità

Ruolo dei metaboliti secondari nelle piante

DIFESA Strategia della pianta - Induzione di molecole di difesa come risposta all’attacco di patogeni o erbivori (fitoalessine) - Pro-tossine innocue attivate da un enzima innescato a seguito di un attacco - Accumulo di prodotti di difesa costitutivi

saponina prodotta nelle radici dell’avena (difesa dai funghi) glucosinolati

Pianta - Erbivoro produzione di sostanze deterrenti alimentari (tannini; sostanze tossiche) produzione di sostanze che mimano ormoni animali (steroli prodotti dalla pianta mimano l’ormone della muta) produzione di composti che attraggono i predatori degli erbivori

glucosidi cianogenici

1,4,5 trinitronaftalene glucoside Pianta - Pianta ALLELOPATIA mutua influenza tra pianta attraverso la secrezione di particolari sostanze Piante di pomodoro si ammalano e muoiono se piantate nelle vicinanze di un albero di noce. L’area di tossicità è data dall’ampiezza della chioma dell’albero molecola glicosilata che, una volta idrolizzata e ossidata, nel suolo diventa una potente tossina protossina 1,4,5 trinitronaftalene glucoside H2O OX O juglone

Tre gruppi principali: Terpeni Composti fenolici Alcaloidi

clorofilla + CO2 + luce carboidrati ciclo dei pentosi acido fosfoenolpiruvico acido piruvico acido scichimico ALCALOIDI Acetil CoenzimaA amminoacidi aromatici acidi tricarbossilici amminoacidi acidi cinnamici Malonil CoenzimaA acido mevalonico FENILPROPANOIDI COMPOSTI FENOLICI TERPENOIDI CAROTENOIDI STEROIDI FLAVONOIDI

Isolati la prima volta dalla terpentin TERPENI CH3 circa 30.000 composti noti CH CH CH2 CH3 Wallach (1910) Regola dell’isoprene I terpeni possono essere ipoteticamente costruiti da unità ripetute di molecole di isoprene Isolati la prima volta dalla terpentin (trementina)

TUTTI I TERPENOIDI DERIVANO DA UN LEGAME RIPETITIVO DI UNA UNITA’ A 5 ATOMI DI CABONIO RAMIFICATA BASATA SULLA STRUTTURA DELL’ISOPENTANO

Il precursore biologico di tutti i terpeni è l’isopentenil-difosfato sintetizzato o dall’ACIDO MEVALONICO (citosol ER) o dalla gliceraldeide fosfato/piruvato (plastidi) a. mevalonico Via dell’acido mevalonico acido 3,5-diidrossi-3-metilpentanoico HGM-CoA REDUTTASI NEGLI ANIMALI REGOLA LA BIOSINTESI Del COLESTEROLO NELLE PIANTE INDUCIBILE DA PATOGENI

Vie di Biosintesi dei terpeni ER cyt plastidi

PRENIL TRANSFERASI: determinano l’allungamento della catena: producono geranil pirofosfato (GPP; C10), Farnesil pirofosfato ( FPP; C15), geranilgeranilpirofosfato (GGPP; C20) TERPENE SINTASI: modificano i prodotti delle prenil transferasi (ciclizzazioni) producendo una gran varietà di terpeni. (Monoterpene sintasi, sesquiterpene sintasi, diterpene sintasi) La prenil transferasi più studiata è la Farnesil pirofosfato sintasi umana: biosintesi del colesterolo

SINTESI DEI TERPENI DALL’UNITA’ BASE IPP C5 C10 C15 C20 C30 C40

monoterpeni C10 diterpeni C20 plastidi tetraterpeni C40 sesquiterpeni C15 triterpeni C30 plastidi citosol ER Tricomi ghiandolari presenti sulla superficie fogliare accumulano e secernono i terpeni (menta, timo , limone)

MONOTERPENI C10 DMAPP + IPP GPP attrazione impollinatori SOSTANZE VOLATILI attrazione impollinatori repellenti insetti Geranil-PP carvone aroma spearmint aroma peppermint deterrente alimentare per erbivori allelopatica

MONOTERPENE SINTASI LIMONENE SINTASI Catalizza la più semplice delle reazioni di ciclizzazione dei terpenoidi e serve come modello per questo tipo di reazioni

I pineni sono tra i più comuni monoterpeni e sono i principali componenti della trementina prodotta da pini e abeti: sono tossici per funghi ed insetti Attacco di coleotteri al tronco di un pino

Monoterpeni Insetticidi: pinene piretrina Attraenti per impollinatori: Linalolo, cineolo Deterrenti fogliari: canfora, cineolo

SESQUITERPENI C15 GPP + IPP FPP Farnesil-PP usato come anti-infiammatorio lattoni sesquiterpenici (cicoria, carciofo, indivia, etc.) deterrenti alimentari (gusto amaro) usati per aromatizzare gli amari elenalina ARNICA

Cantani (Manuale di farmacologia Clinica, 1887) la pelle e le mucose cui viene applicata offrono iperemia,turgescenza e aumento di calore La polvere dei fiori produce forte starnuto bruciore nelle fauci e nello stomaco, nausea, vomito e diarrea accelera la frequenza di polso e di respirazione accresce la diuresi e la diaforesi produce cefalea, vertigine, allucinazioni e perfino sopore

Effetto anti-infiammatorio Le preparazioni farmaceutiche dell’arnica montana sono state studiate per la loro capacità di inibire la trascrizione di due proteine, NF-kappa B e NF-AT, responsabili della espressione di vari geni, che codificano per i mediatori dell’infiammazione. Tale inibizione è correlata al contenuto qualitativo e quantitativo dei lattoni sesquiperteni, i quali sono in grado di influenzare negativamente il rilascio di citochine infiammatorie della fase acuta, quali IL-1 e TNFa.

Le sesquiterpene sintasi producono diverse fitoalessine Fitoalessina tabacco Fitoalessina ricino Fitoalessina patate

DITERPENI C20 FPP + IPP GGPP Geranilgeranil-PP acido abietico (ambra)

Diterpene sintasi 3 diversi meccanismi di ciclizzazione Fitoalessina ricino Fitoalessina del ricino Precursore taxolo Acido abietico: componente resina conifere ambra

TRITERTERPENI C30 FPP + FPP SQUALENE sitosterolo saponine squalene giunzione testa-testa squalene lupeolo saponine sostanze glicosilate tossiche prodotte dalle radici e dai fusti di molte specie sitosterolo

Strutture di triterpeni Derivano tutte dallo squalene, generano regolatori di crescita (brassinosteroidi) e composti delle cere di superficie SQUALENE e fitosteroli si trova nelle cere dei frutti

isolati da felci: steroidi vegetali simili agli ormoni della muta Limonoidi:Triterpeni responsabili del sapore amaro nei limoni; deterrenti per gli ebivori; azadiractina potente deterrente per gli insetti, scarsamente tossico per i mammiferi: insetticida venduto in Africa e Asia isolati da felci: steroidi vegetali simili agli ormoni della muta degli insetti, se ingeriti dagli insetti interferiscono con il processo di muta

TETRATERPENI C40 Prodotti dall’unione testa –testa di due molecole di GGP a formare il fitoene Fitoene sintasi: meccanismo simile alla squalene sintasi FITOENE: Desaturazioni Ciclizzazioni CAROTENOIDI

Modificazioni degli scheletri base come ossidazioni, riduzioni, isomerizzazioni, coniugazioni, producono migliaia di differenti terpenoidi con svariate attività biologiche nelle piante e negli animali Componenti dell’olio essenziale della menta derivati da modificazioni del limonene menta romana menta piperita

generano migliaia di composti di interesse biologico e farmaceutico Reazioni simili a quelle responsabili della produzione di oli essenziali generano migliaia di composti di interesse biologico e farmaceutico

COMPOSTI FENOLICI

Ruolo strutturale e adattativo Colonizzazione delle piante degli ambienti terrestri: necessità di sostegno meccanico ed impermeabilizzazione PARETE CELLULARE LIGNINA COMPOSTI FENOLICI Ruolo strutturale e adattativo

Funzioni dei composti fenolici difesa contro erbivori e patogeni supporto meccanico (lignina) attrazione impollinatori assorbimento radiazioni UV dannose sostanze allelopatiche

LA MAGGIOR PARTE DEI COMPOSTI FENOLICI DERIVANO DALLA VIA DEL FENILPROPANOIDE C6C3 O DEL FENILPROPANOIDE –ACETATO C6C3-C6

Acido scichimico Malonil-CoA Composti fenolici semplici Flavonoidi Eritroso 4-P (dalla via dei pentosi fosfati) Fosfoenolpiruvato (dalla glicolisi) Acido scichimico Acetil-CoA pep Malonil-CoA fenilalanina Acido gallico Acido cinnamico Tannini idrolizzabili C6 C3 C6 C1 C6 C3 C6 Composti fenolici semplici Flavonoidi C6 C3 C6 C6 C3 lignina n n Tannini condensati

Via dell’acido scichimico o degli aminoacidi aromatici

LA LIGNINA SI FORMA A PARTIRE DA 3 DIFFERENTI ALCOLI FENILPROPANOIDI: CONIFERILICO, CUMARILICO E SINAPILICO I QUALI SI FORMANO DALLA FENILALANINA ATTRAVERSO DIVERSI DERIVATI

Fenil alanina ammoniaca liasi (pal)

Le vie biochimiche che portano alla biosintesi delle varie classi di composti fenolici hanno molte caratteristiche comuni L’ enzima PAL: Fenilalanina ammonioliasi È l’enzima centrale nella sintesi dei composti fenolici

C6-C1

C6-C1

C6C3-C6

Biosintesi di monolignoli TAL PAL Biosintesi di monolignoli Lignani Lignine

FLAVONOIDI 4500 composti noti Presenti in molti tessuti Spesso accumulati nei vacuoli

2 anelli aromatici collegati da un ponte a 3 atomi di carbonio I flavonoidi sono classificati in gruppi differenti basati principalmente sul grado di ossidazione del ponte C3

FLAVONOIDI: SEI CLASSI PRINCIPALI Antocianidine (antocianine = glicosidi delle antocianidine) Flavonoli Isoflavoni Flavani (catechine= 3 ossi flavani) Flavoni Flavanoni Calconi Auroni Proantocianidine (tannini condensati)

funzioni Colore dei frutti e dei fiori (antocianidine) Protezione UV-B Fitoalessine Fenomeni simbiontici Deterrenti alimentari (tannini)

Antocianidine Interazione pianta-animale Segnali visivi che attraggono gli insetti impollinatori Si accumulano nei vacuoli Responsabili dei colori rosso, rosa, viola e blu

Protettivo per i raggi UV-B Flavonoli Protettivo per i raggi UV-B

Flavoni Nell’erba medica Molecole segnale: inducono igeni Nod nei Rhizobia (apigenina) Fitoalessine (medicarpina)

Presenti nelle leguminose: hanno funzione di fitoalessine ISOFLAVONOIDI Presenti nelle leguminose: hanno funzione di fitoalessine fitoestrogeni

Deterrenti alimentari (sapore amaro) Tannini Flavonoidi complessi n epicatechina (n = 1- 30) Deterrenti alimentari (sapore amaro) Particolarmente abbondanti nei frutti non maturi (difesa) (proantocianidine) Hanno la capacità di complessare carboidrati e proteine (concia delle pelli) Tossine: riducono la crescita e la sopravvivenza di molti erbivori (legame con proteine intestinali)

Meccanismo simile a quello che avviene per la sintesi di acidi grassi BIOSINTESI 3 molecole di malonil-CoA vengono condensate in sequenza con 1 molecola di p-cumaril-CoA CALCONE SINTASI Meccanismo simile a quello che avviene per la sintesi di acidi grassi 3 CO2 sono presenti solo nelle leguminose (enzima Isoflavanone Sintasi) FITOESTROGENI dai diidroflavonoli si formano antocianine e tannini

In alcune piante le vie del Cinnamoil CoA e del Malonil CoA possono dare reazioni di condensazione a formare STILBENI (resveratrolo) Stirilpironi Arilpironi Stilbeni : più di 300 composti; in genere composti di difesa Proprietà antibatteriche Inibizione della germinazione di spore fungine Deterrenza alimentare per mammiferi Proprietà farmacologiche RESVERATROLO

Un’altra via alternativa ai fenilpropanoidi porta alla sintesi di CUMARINE (benzopiranoni) Sono composti di difesa se ne conoscono 1500 diffusi in più di 800 specie Alcune cumarine causano emorragie interne nei mammiferi e dermatiti

L’8-metossipsoralene sensibilizza la pelle ai raggi UV A Lo psoralene è usato nel tratamento di eczemi e psoriasi

I FLAVONOIDI SONO CONTENUTI IN MOLTI CIBI VEGETALI FRUTTA , ORTAGGI, BEVANDE

quercetina (mele, tè, cipolle)

Flavonoidi Flavonoide (O*) +RH Flavonoide (OH) + R* Potenti antiossidanti The antioxidant properties of phenolics is mainly because of their redox properties, which allow them to act as reducing agents, hydro- gen donators and singlet oxygen quenchers (Rice-Evans et al., 1997). Flavonoide (O*) +RH Flavonoide (OH) + R*

uso farmacologico 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)

Resveratrolo “Paradosso francese” Quasi esclusivamente nel vino rosso Potente antiossidante Particolarmente abbondante in Vitis vinifera ed in altri tipi di uve utilizzate per la produzione di vino Si trova nella buccia E’ una fitoalessina prodotta in risposta ad infezioni fungine Quasi esclusivamente nel vino rosso Maggior tempo di mantenimento delle bucce dell’uva durante il processo di fermentazione “Paradosso francese” Nonostante una dieta ricca in grassi minor incidenza di malattie cardiovascolari Protezione contro le malattie vascolari Inibizione perossidazione LDL (placche aterosclerotiche) Inibizione perossidazione lipidi (integrità membrane cellulari) Inibizione sintesi trombossano B2 (inibizione COX-1) riduzione aggregazione piastrinica

attribuito al potere antiossidante del vino rosso dovuto alla Paradosso Francese: attribuito al potere antiossidante del vino rosso dovuto alla presenza di polifenoli (resveratrolo) Le antocianidine inibiscono la sintesi di endotelina I ed hanno un effetto vasodilatatore

Flavonoidi del Cacao

La combretastatina, uno stilbene è un potente antitumorale

Tannini idrolizzabili: dall’acido Gallico Via dell’acido Scichimico Non tutti i composti fenolici derivano dal metabolismo dei fenilpropanoidi fenilpropanoide polichetide Dalla condensazione di unità di acetato; malonilCoA Tannini idrolizzabili: dall’acido Gallico Via dell’acido Scichimico a

Tannino idrolizzabile I tannini idrolizzabili si formano da una via alternativa Sono copolimeri di carboidtrati e dell’acido gallico Si trovano in alcune dicotiledoni arboree Tannino idrolizzabile

Parziale struttura di una molecola di lignina Gli alcooli fenilpropanoidi formano un complesso polimerico attraverso l’azione di enzimi (perossidasi) che generano intermedi radicalici

I LIGNANI, correlati alla lignina sono sono molto diffusi nei vegetali Sono fenilpropanoidi dimerici e oligomerici C6C3 (a. coniferilico) Derivano dall’accoppiamento di monolignoli, in genere alcol coniferilico Con diversi tipi di legame (i più comuni 8-8’ e 8-5’)

“LIGNANI DEI MAMMIFERI” (lino , ortaggi e semi)

Durante la digestione i batteri intestinali convertono il secoisolariciresinolo e il matairesinolo in enterodiolo e enterolattone (lignani dei mammiferi) Passano nel fegato dove sono coniugati Escreti nella bile Deconiugati da enzimi batterici nell’intestino e assorbiti Rimandati al fegato (circolazione portale)

Intervengono nella difesa da patogeni e agiscono anche come antiossidanti Nella dieta svolgono funzioni protettive: vengono modificati dai batteri intestinali e sono soggetti a circolazione enteroepatica Riducono l’insorgenza di cancro al seno e alla prostata

Lignani 8-8’

I derivati etopossidici o tenopossidici della podofillotossina Lignani 8-8’ antiossidante I derivati etopossidici o tenopossidici della podofillotossina sono usati come antitumorali

Molti composti fenolici derivati dal fenilpropano impartiscono specifiche fragranze, odori, aromi e gusti a varie piante impiegate nell’industria alimentare

ALCALOIDI

Contiene codeina e morfina L’uso degli alcaloidi da parte dell’uomo ha 3000 anni di storia Estratti vegetali come ingredienti di pozioni o veleni purganti, antitosse, sedativi, rimedi contro la febbre, la pazzia 1400 ac (Dea del sonno) Contiene codeina e morfina Papavero da oppio

In realtà diffusi anche negli animali Termine alcaloide coniato nel 1819 dal farmacista tedesco Carl Meissner Definiti come composti di origine vegetale, farmacologicamente attivi, contenenti un azoto basico al – quali in arabo soda In realtà diffusi anche negli animali

Primo alcaloide scoperto: La Morfina Oggi noti 12.000 alcaloidi Piante contenenti alcaloidi sono state i primi farmaci dell’umanità Oggi diffusamente utilizzati nella farmacopea Alcuni sono serviti come modello per farmaci di sintesi Atropina – tropicammide Chinino-clorochinino Effetti geopolitici (guerra dell’oppio Cina /Gran Bretagna 1839-59; lotta al narcotraffico)

Theriak: panacea di epoca greco-romana Oppio, vino, carne secca di serpente

Alcaloidi derivanti da amminoacidi (ornitina, lisina, arginina, fenilalanina, tirosina, triptofano) Alcaloidi derivanti dalla purina Alcaloidi terpenici Alcaloidi polichetidici

Alcaloidi del tropano (ornitina) cocaina atropina (Atropa belladonna)

Alcaloidi nicotinici (ornitina) nicotina insetticida

Alcaloidi della cicuta (lisina, acetato) coniina

Alcaloidi chinolizidinici (del lupino) (lisina) Si trovano nel genere Lupinus, sono tossici per il bestiame specie in autunno (semi) Sapore amaro: deterrenti alimentari

(infezioni intestinali e oculari) Alcaloidi Benzilisochinolinici (tirosina) antidolorifico sedativo per la tosse antisettico (igiene orale) attività analgesica attività antibiotica (infezioni intestinali e oculari) attività vasodilatatrice (impotenza maschile)

DIACETILMORFINA

contiene un ammonio quaternario e ha quindi carattere salino Tubocurarina: principio attivo el curaro è una bis-benzilisochinolina ciclica. contiene un ammonio quaternario e ha quindi carattere salino Il curaro veniva utilizzato dagli indios dell’Amazzonia come veleno per le frecce nella caccia Blocca i recettori (nicotinici) dell’acetilcolina a livello delle giunzioni neuromuscolari causando rilassamento e paralisi del muscolo Utilizzato in anestesia per distendere la muscolatura (intestinale, cuore) e per la cura del tetano

Chondodendron tormentosum: dalle radici Nel XVI secolo gli esploratori occidentali osservarono gli indigeni delle zone del Perù, Brasile, Ecuador e Colombia usare un veleno da freccia chiamato Curari o Woorali, in grado di uccidere animali e uomini in pochi minuti, anche solo dopo una ferita superficiale. Il veleno può essere usato per la caccia perché, mortale quando penetra direttamente nel torrente ematico, viene degradato facilmente dai succhi gastrici. È solo nel XIX secolo che la preparazione del curaro fu descritta in maniera dettagliata ed esatta, da parte dei grandi esploratori von Humboldt e Bonpland. Il curaro viene preparato a partire da chondrodendron tomentosum, abuta e curarea (tutte liane), mescolate a volte con strychnos. Le cortecce vengono grattate e poste in una foglia messa a guisa di imbuto, appesa a due lance. Acqua fredda viene versata nell'imbuto e fatta percolare, il liquido scuro gocciola e viene raccolto in un recipiente di ceramica. Il liquido raccolto viene portato all’ebollizione varie volte per farlo schiumare, fino a che non si addensa lentamente. Il liquido viene raffreddato e quindi scaldato un'ultima volta, fino a che non si forma uno strato vischioso che viene rimosso. Le punte delle frecce vengono bagnate nel liquido ed essiccate al fuoco. Gli indigeni parlavano di curaro "un albero" e "curaro tre alberi" per distinguere il curaro potente (una scimmia avvelenata può solo compiere un balzo da un albero ed un altro) e quello meno potente (la scimmia può saltare fino a tre alberi)[senza fonte]. Ciò che più colpisce di questa preparazione è il fatto che i popoli cacciatori fossero riusciti a capire l’efficacia del veleno attraverso le lesioni ma non per ingestione, capendo che era possibile utilizzarlo per la caccia. Chondodendron tormentosum: dalle radici e dal fusto si estrae la tubocurarina

Alcaloidi pirrolizidinici (ornitina) Presenti nella famiglia delle Senecionee (asteracee) e Boraginacee Piante tossiche per mammiferi : avvelenamento del bestiame Gli alcaloidi diventano tossici ad opera delle monossigenasi P450 dipendenti del fegato Accumulati da alcuni insetti: difesa, feromoni

Alcaloidi Indolici (triptofano) Iridoidi: contengono anche monoterpeni presenti in molte piante sotto forma di glucosidi

Antitumorali usati in particolare nella terapia dei linfomi; bloccano la mitosi arrestando il ciclo in metafase Si legano alla tubulina e ne impediscono la polimerizzazione Usata per mal di testa e vertigini Potente vasodilatatore (considerato afrodisiaco) Principale alcaloide della china. Usato per la cura della malaria Attività ipotensiva (disordini circolatori) Troppo tossica per uso farmacologico Estremamente tossica Eccita il sistema nervoso Si lega ai recettori della glicina

Insetticida: inibisce la fosfodiesterasi che idrolizza l’AMPc Alcaloidi purinici Insetticida: inibisce la fosfodiesterasi che idrolizza l’AMPc

Inibitore della colinesterasi Alcaloidi terpenici Inibitore della colinesterasi

Alcaloidi dell’Ergot Il fuoco di S. Antonio medievale causato da spore del fungo che infettavano la segale Il fungo produce alcaloidi tra cui l’acido lisergico (LSD) Turbe mentali gravi Grave cancrena da vasocostrizione Usi farmacologici Ergotamina: contrazioni uterine LSD: psicoterapia

Malonil CoA