Botanica Farmaceutica ed Elementi di Botanica e Farmacognosia: Note Complete
Introduzione alla Botanica Farmaceutica e alla Farmacognosia
La Botanica Farmaceutica rappresenta lo studio degli organismi vegetali sotto molteplici punti di vista ed è considerata una disciplina fondamentale e propedeutica all'insegnamento della farmacognosia. Insieme, queste due materie indagano le origini del farmaco naturale. I farmaci contengono molecole responsabili dell'azione farmacologica o biologica, che possono avere origine sintetica o naturale. La botanica farmaceutica si concentra su come ottenere queste molecole dal mondo vegetale e come esse agiscano sull'organismo umano. Più specificamente, si studia la natura di tali molecole, la loro localizzazione all'interno della pianta, i metodi per ricavarle e le loro interazioni con i recettori biologici.
La Botanica Farmaceutica si occupa della classificazione sistematica delle piante medicinali, della loro morfologia macro e microscopica (citologia, istologia e anatomia) e della loro caratterizzazione fitochimica. Quest'ultima è strettamente correlata alle parti della pianta utilizzate (droghe) e alle variabili naturali che ne influenzano la sicurezza e la qualità nel settore farmaceutico, dell'integrazione alimentare e cosmetico. La Farmacognosia, d'altro canto, approfondisce lo studio delle droghe vegetali focalizzandosi sulle modalità di ottenimento, conservazione, determinazione dell'identità, purezza, qualità, sicurezza, efficacia e standardizzazione chimica, oltre ai processi estrattivi per i prodotti erboristici.
Questa disciplina si avvale di diversi contributi scientifici: la Biologia Vegetale per gli aspetti citologici e istologici; la Fisiologia Vegetale per comprendere la produzione di sostanze in relazione allo stato fisiologico; la Chimica delle sostanze naturali per l'attività biologica delle molecole. È fondamentale notare che la distinzione tra farmaco e veleno risiede spesso nella dose: sostanze benefiche a dosi opportune possono risultare tossiche se eccessive. Infine, la Biologia Molecolare fornisce ulteriori strumenti di indagine.
Caratteristiche Fondamentali e Differenze tra il Mondo Vegetale e Animale
Il termine Botanica deriva dal greco (erba, pianta). Storicamente, Aristotele definiva i vegetali come esseri viventi che non si muovono e non mangiano, mentre Linneo descriveva gli animali come esseri mobili e nutrenti. Tuttavia, le piante presentano capacità straordinarie: sanno "vedere" percependo la luce, essenziale per la fotosintesi; sanno "contare" il tempo, come dimostrato dalla fioritura sincronizzata; sono in grado di spostarsi in fasi specifiche grazie al seme, che contiene l'embrione. Inoltre, le piante esercitano forme di manipolazione verso gli altri organismi, ad esempio attraverso l'impollinazione: attirando gli insetti con sostanze dolci (zuccheri), la pianta assicura il trasporto del polline per evitare l'autoimpollinazione e favorire il mescolamento genetico.
Le piante sono organismi autotrofi capaci di sintetizzare composti organici (come il glucosio) da molecole inorganiche quali acqua () e anidride carbonica () utilizzando la luce solare nel processo di fotosintesi. Sono prevalentemente organismi sessili con mobilità limitata a gameti, spore e semi, motivo per cui hanno sviluppato sistemi di difesa e attrazione tramite colori e odori (oli essenziali). Presentano uno sviluppo delle superfici esterne (radici e foglie) e un accrescimento indefinito grazie a zone sempre giovani (apici). Al contrario, gli animali sono eterotrofi (ingeriscono molecole organiche preformate), solitamente mobili, con superfici interne sviluppate (organi), accrescimento finito, un sistema nervoso centrale coordinatore e capacità di endotermia o ectodermia, mentre le piante sono esclusivamente ectotermiche e prive di sistema nervoso centrale.
L'importanza delle piante per l'uomo è totale: sono fonti alimentari, regolano la composizione atmosferica e il clima tramite la fotosintesi e la produzione di ossigeno () per la respirazione cellulare mitocondriale, forniscono energia (legno), materiali tessili (canapa, lino), cellulosa per la carta e coloranti. Circa l' delle molecole usate nei farmaci è di origine naturale, mentre il è sintetico o emi-sintetico.
Metabolismo Vegetale: Generale e Specializzato
Tutti gli organismi possiedono un metabolismo che comprende reazioni di sintesi e distruzione. Il metabolismo generale produce metaboliti primari (proteine, lipidi, carboidrati) essenziali per la sopravvivenza e presenti sia in animali che vegetali. Le piante, tuttavia, possiedono anche un metabolismo specializzato (precedentemente detto secondario). I metaboliti specializzati sono espressione dell'individualità della specie (specie-specifici).
Questi composti vengono prodotti a partire dal glucosio derivante dalla fotosintesi e servono alla pianta per sopravvivere nell'ambiente nonostante l'immobilità. Le funzioni principali dei metaboliti secondari includono la difesa dai predatori e dalle infezioni (batteri, funghi, virus), la competizione per lo spazio vitale, l'adattamento alle condizioni climatiche e all'inquinamento, e l'adescamento degli impollinatori. L'uomo sfrutta queste molecole per le loro proprietà antibiotiche, antiinfiammatorie, antiossidanti e antisettiche.
Evoluzione e Classificazione Sistematica delle Piante
La classificazione segue criteri filogenetici ed evolutivi. Gli organismi si dividono tra Procarioti e Eucarioti. Nell'albero genealogico della vita, si parte dalle Monere (procarioti unicellulari), passando per i Protisti (eucarioti), fino ai regni dei Funghi, Animali e Piante. All'interno del regno vegetale, le alghe rappresentano gli organismi meno evoluti, privi di vasi (non vascolari) poiché adattate all'ambiente acquatico.
L'evoluzione verso l'ambiente terrestre ha portato alla comparsa delle Briofite (muschi), piante non vascolari che vivono in ambienti umidi. Successivamente sono apparse le Tracheofite, dotate di tessuti di conduzione (trachee per il trasporto dell'acqua). Queste si dividono in Pteridofite (felci, si riproducano per spore) e Spermatofite (piante a seme). Le Spermatofite comprendono le Gimnosperme (seme nudo, senza frutto, solo portamento arboreo) e le Angiosperme (seme protetto nel frutto, piante a fiore). Le Angiosperme si suddividono ulteriormente in Monocotiledoni (solo erbacee) e Dicotiledoni (erbacee, arboree e arbustive).
Dal punto di vista morfologico, distinguiamo le Tallofite (corpo non differenziato, tipico di alghe e briofite) dalle Cormofite (corpo distinto in radici, fusto e foglie). La Sistematica organizza la diversità in un sistema logico, mentre la Tassonomia stabilisce i criteri gerarchici (Regno, Phylum, Classe, Ordine, Famiglia, Genere, Specie). La nomenclatura segue il sistema binomiale di Linneo, che identifica ogni organismo con Genere e Specie in lingua latina (esempio: Citrus aurantium L. Var. Amara L.).
Istologia Vegetale: I Tessuti Meristematici
I tessuti sono gruppi di cellule morfologicamente e funzionalmente uguali, derivanti dalla stessa cellula madre. Si distinguono in meristematici (embrionali) e definitivi (adulti). Il differenziamento è il processo tramite cui una cellula meristematica acquista caratteristiche specifiche per una funzione, spesso influenzato dalla sua posizione. Le cellule vegetali sono totipotenti: una singola cellula può rigenerare un'intera pianta.
I meristemi primari originano direttamente dall'embrione e si trovano agli apici del germoglio e della radice; sono responsabili dell'accrescimento in altezza. Le loro cellule hanno pareti sottili, nucleo grande, citoplasma abbondante e mancano di vacuoli. I meristemi secondari derivano dallo sdifferenziamento di cellule adulte (prevalentemente parenchimatiche) e sono responsabili dell'accrescimento in spessore (corpo secondario). Nelle piante legnose, entrambi gli accrescimenti avvengono contemporaneamente. I principali meristemi secondari sono il cambio cribro-vascolare (produce xilema e floema secondari) e il cambio subero-fellodermico o fellogeno (produce sughero e felloderma). Le cellule dei meristemi secondari presentano un vacuolo sviluppato.
L'accrescimento della pianta avviene per divisione (aumento del numero di cellule nelle zone meristematiche) e per distensione (aumento delle dimensioni delle singole cellule medie tramite l'assorbimento d'acqua nel vacuolo).
Tessuti Adulti: Parenchima e Tessuti Meccanici
I tessuti adulti sono formati da cellule differenziate che solitamente hanno perso la capacità di dividersi. Possono essere costituiti da cellule vive o morte (per funzionalità specifica).
Il Tessuto Parenchimatico è il più antico e abbondante, formato da cellule vive con pareti sottili e ampi vacuoli. Le tipologie includono: 1. Clorenchima (clorofilliano): deputato alla fotosintesi, ricco di cloroplasti. Nella foglia delle dicotiledoni si divide in parenchima a palizzata (superiore, senza spazi) e parenchima lacunoso (inferiore, con spazi per scambi gassosi). Nelle gimnosperme si trova il parenchima plissettato. 2. Parenchima di riserva: accumula sostanze (amido negli amiloplasti, lipidi negli elaioplasti, proteine nei protoplasti). 3. Parenchima aerifero: favorisce scambi gassosi e galleggiamento. 4. Parenchima acquifero: ricco di mucillagini per trattenere acqua (piante grasse). 5. Parenchima conduttore e di trasfusione.
I Tessuti Meccanici forniscono sostegno e resistenza. Il Collenchima è formato da cellule vive (collociti) con pareti ispessite in modo non omogeneo (angolare, lamellare, lacunare) dai normali costituenti celluloso-pectici; è tipico degli organi giovani. Lo Sclerenchima è formato da cellule morte con pareti secondarie lignificate, conferendo massima rigidità agli organi che hanno cessato l'accrescimento. Si divide in fibre (xilari ed extraxilari come il lino) e sclereidi (brachisclereidi nella pera, astrosclereidi coriacee nel tè).
Tessuti Vascolari: Xilema e Floema
Presenti nelle tracheofite, si occupano del trasporto delle linfe. Lo Xilema (o legno) trasporta la linfa grezza (acqua e sali) dalle radici alle foglie (trasporto ascendente). È un tessuto complesso formato da elementi vascolari (tracheidi e trachee), fibre e parenchima. Le cellule di conduzione sono morte e lignificate per resistere alla pressione di aspirazione. Le Gimnosperme possiedono un legno omoxilo (solo tracheidi), mentre le Angiosperme hanno un legno eteroxilo (trachee e tracheidi).
Il Floema (o libro/cribro) trasporta la linfa elaborata (zuccheri della fotosintesi) dalle foglie alle radici (trasporto discendente). Tra gli elementi cribrosi troviamo le cellule cribrose (Gimnosperme) e i tubi cribrosi (Angiosperme). I tubi cribrosi sono cellule vive ma prive di nucleo e tonoplasto, assistite da cellule compagne. La comunicazione avviene tramite placche cribrose (semplici o composte). Durante l'inverno, queste placche vengono chiuse dal callosio, che viene idrolizzato in primavera. Dopo due stagioni, il tubo cribroso muore.
I tessuti si organizzano in fasci cribro-vascolari, solitamente con il floema esterno e lo xilema interno. I fasci possono essere: collaterali chiusi (senza cambio, nelle monocotiledoni erbacee), collaterali aperti (con cambio, nelle dicotiledoni e gimnosperme), bicollaterali o concentrici. Nella radice si parla di fasci radiali o arche alternata.
Tessuti Tegumentali e Sistema Secretore
I tessuti tegumentali proteggono la pianta. L'epidermide riveste le parti aeree giovani, è composta da cellule vive, trasparenti, senza spazi, spesso cutinizzate. Presenta gli stomi, strutture per lo scambio gassoso formate da due cellule di guardia (con cloroplasti e vacuolo) che delimitano la rima stomatica. L'apertura è regolata osmoticamente: alla luce, il glucosio richiama acqua, il vacuolo preme e la rima si apre. Gli stomi possono essere aeriferi o acquiferi (idatodi per la guttazione). Altre appendici epidermiche sono i tricomi (peli), vivi o morti, semplici o ramificati.
Il Rizoderma riveste la radice giovane ed è privo di cuticola per permettere l'assorbimento tramite i peli radicali effimeri. L'Esoderma si forma successivamente alla caduta dei peli radicali. L'Endoderma è l'unico tessuto tegumentale interno (tra cilindro corticale e centrale) caratterizzato dalla banda del Caspary, che forza l'acqua dal percorso apoplastico a quello simplastico. Il Sughero è un tessuto tegumentale secondario (fellogeno), formato da cellule morte suberificate con pareti isolanti; gli scambi avvengono tramite le lenticelle.
I tessuti secretori producono resine, oli essenziali o latice. La secrezione può essere olocrina (morte cellulare) o merocrina (eccrina o granulocrina). Si distinguono tessuti secretori interni (tasche e canali schizogeni o lisigeni come i canali laticiferi apociziali o sinciziali) e tessuti ghiandolari esterni (tricomi ghiandolari capitati o peltati, come quelli del luppolo ricchi di sostanze amare).
Anatomia del Fusto, della Radice e della Foglia
Il Fusto (caule) collega radici e foglie, svolgendo funzioni di sostegno, conduzione e riserva. Presenta una gemma apicale (cono vegetativo con tunica e corpus), nodi, internodi e gemme ascellari per le ramificazioni (monopodiali o simpodiali). Microscopicamente, in struttura primaria, si divide in epidermide, corteccia e cilindro centrale. Il cilindro centrale è un'Eustele nelle dicotiledoni (fasci ordinati ad anello con midollo centrale) e un'Atactostele nelle monocotiledoni (fasci sparsi). Il passaggio alla struttura secondaria avviene tramite l'anello cambiale (cambio intrafascicolare ed interfascicolare) che produce molto xilema secondario e meno floema secondario.
La Foglia è l'organo fotosintetico per eccellenza. Si distingue una pagina adassiale (superiore) e una abassiale (inferiore). Può essere picciolata o sessile, semplice o composta (pennata o palmata). Le dicotiledoni sono parallelinervie o reticolinervie (pennate), le monocotiledoni parallelinervie. Istologicamente, le foglie possono essere dorsoventrali (dicotiledoni), isolaterali (monocotiledoni) o aciculari (gimnosperme, con stomi infossati e parenchima plissettato).
La Radice ancora la pianta e assorbe nutrienti. L'apparato può essere a fittone (dicotiledoni) o fascicolato (monocotiledoni). L'apice è protetto dalla cuffia, lubrificata dal mucigel e orientata dagli statoliti (geotropismo positivo). Il cilindro centrale (Actinostele) presenta arche legnose e cribrose alternate; è diarca/tetrarca nelle dicotiledoni e poliarca nelle monocotiledoni. Il passaggio alla struttura secondaria trasforma l'Actinostele tramite la produzione di legno secondario radiale.
Riproduzione: Il Fiore, il Seme e il Frutto
Il fiore è la porzione fertile delle Angiosperme, derivante da una gemma fiorale. poggia sul ricettacolo e comprende calice (sepali), corolla (petali), androceo (stami con filamento e antera) e gineceo (pistillo con ovario, stilo e stigma). I fiori possono essere ermafroditi (perfetti) o diclini. L'antera produce polline ( cellule spermatiche e vegetativa) nelle sacche polliniche. Il pistillo racchiude l'ovulo con il sacco embrionale contenente la cellula uovo e i nuclei polari.
In seguito all'impollinazione (anemogama, idrogama o zoogama/entomogama), avviene la doppia fecondazione: una cellula spermatica feconda la cellula uovo (), l'altra feconda i nuclei polari (). L'ovulo si trasforma in seme, con tegumenti (testa e tegmen) e cotiledoni di riserva ( nelle monocotiledoni, nelle dicotiledoni).
L'ovario si trasforma in frutto. I frutti veri derivano solo dall'ovario; i falsi frutti (mela, pera) coinvolgono il ricettacolo. I frutti possono essere carnosi (drupa, bacca, esperidio degli agrumi con flavelo e albedo, peponide, balaustio) o secchi (deiscenti come legume e capsula; indeiscenti come achenio e cariosside). La struttura del frutto comprende epicarpo, mesocarpo ed endocarpo.