Alcaloidi nel regno vegetale

sezione di tessuto vegetale - Foto di Kriss SzkurlatowskiGli alcaloidi sono una numerosa famiglia di composti azotati molto eterogenei sia per struttura chimica sia per attività farmacologica. Questi metaboliti sono accomunati dalla presenza dell’azoto che ne determina il comportamento chimico e li rende così facilmente distinguibili dagli altri metaboliti secondari.

La grande varietà nell’origine botanica e biochimica, nella struttura, nelle proprietà chimiche e farmacologiche rendono particolarmente complicata una classificazione degli alcaloidi.
Nella maggior parte dei casi l’azoto è presente in una struttura eterociclica e gli alcaloidi eterociclici possono essere classificati in base alla struttura dell’eterociclo che contiene l’atomo di azoto. I composti in cui l’azoto non è eterociclico sono chiamati protoalcaloidi e, data la loro struttura più semplice, si pensa siano gli alcaloidi più antichi.

Gli alcaloidi si formano a partire dagli amminoacidi ed incorporano l’azoto in uno scheletro costruito grazie ad una serie di reazioni biochimiche.
Questi metaboliti spesso mostrano una pronunciata attività farmacologica o tossicologica, molti sono usati clinicamente come tali o per l’emisintesi di nuovi farmaci.

Una definizione precisa del termine alcaloide (= come una base) è piuttosto difficile poiché non esiste una sostanziale differenza fra gli alcaloidi e le ammine naturali complesse.
Il termine alcaloide è normalmente usato per indicare composti azotati di origine naturale che contengono uno o più atomi di azoto, di solito in un anello eterociclico, hanno proprietà basiche e hanno effetti farmacologici su uomini e animali.

Gli alcaloidi sono presenti in tutto il regno vegetale: nei funghi come Claviceps purpurea che si sviluppa sulla segale e altre Poaceae, nelle Pteridofite come ad esempio equiseti e licopodi, nelle Gimnosperme come nel Tasso ed Ephedra, nelle Monocotiledoni come le famiglie delle Liliaceae e delle Amarylliaceae. Sono molto presenti nelle Dicotiledoni, particolarmente in certe famiglie: Apocinaceae, Berberidaceae, Euphorbiaceae, Fabaceae, Loganaceae, Papaveraceae, Ranunculaceae, Rubiaceae, Rutaceae, Solanaceae,… bisogna comunque ricordare che sono moltissime le piante non ancora indagate per il contenuto in alcaloidi.

Non solo le piante ma anche batteri e animali sono capaci di sintetizzare alcaloidi: le rane del genere Phyllobates producono alcaloidi fra i più velenosi conosciuti e da altri anfibi sono stati caratterizzati oltre 200 alcaloidi.

Cenni storici

I primi isolamenti di questi metaboliti risalgono al 1800, anche se la tossicità e le proprietà delle piante che li contengono sono ben note sin dall’antichità, basti pensare ad oppio, coca, aconito, belladonna, colchico, china, curaro,… usati nei tradizionali medicamenti popolari da secoli se non da millenni.
Nel 1803 Derosne, farmacista francese, isolò la nicotina. In seguito Serturner, farmacista di Hannover, isolò la morfina dall’oppio e a questi seguirono altri isolamenti ad opera principalmente di Pelletier e Caventou. Fu la coniina il primo alcaloide di cui fu stabilita la struttura (Shiff, 1870) e di cui si ottenne la sintesi (Ladenbur, 1889).
Attualmente le moderne metodologie di estrazione permettono di scoprire nuovi alcaloidi con maggiore facilità e di determinarne la struttura.

Distribuzione e localizzazione

Gli alcaloidi si possono trovare in numerose parti della pianta, ma di solito uno o più organi hanno un contenuto maggiore rispetto agli altri.
Alcuni organi e tessuti sono più spesso deputati a contenere alcaloidi: le radici come per aconito, belladonna, rauwolfia, idraste; le cortecce nel caso della china; le foglie per belladonna, coca, stramonio, giusquiamo, tabacco e altri; i canali laticiferi nelle capsule del papavero da oppio; i semi come per cacao, caffè, cola, colchico, noce vomica.

I metaboliti secondari prodotti dalle piante possono essere tossici anche per le cellule vegetali stesse, perciò vengono isolati all’interno di compartimenti appositi in modo che non possano interferire con i processi metabolici cellulari. Il vacuolo è il più importante di questi compartimenti in cui gli alcaloidi vengono accumulati perciò può essere considerato come un organulo di disintossicazione.
La sintesi dei metaboliti secondari nel citoplasma avviene a livello delle endomembrane poi si ha il trasporto e la deposizione nel vacuolo.
All’interno del vacuolo è pensabile che avvenga l’immobilizzazione dei metaboliti secondari attraverso la formazione di complessi con altre componenti. Non sembra essere necessaria la presenza di un meccanismo specifico di trasporto per il passaggio attraverso la membrana del vacuolo. Il tonoplasto, infatti, mantiene la differenza di pH fra citosol e contenuto vacuolare, questo gradiente assume un ruolo decisivo nel sequestro degli alcaloidi all’interno dei vacuoli.

I tessuti di accumulo degli alcaloidi possono non coincidere con la sede in cui vengono sintetizzati, a questo proposito è stato dimostrato un loro trasporto attivo fra diversi organi: la nicotina, ad esempio, è principalmente sintetizzata nella radice e in parte nel fusto per poi essere accumulata nelle foglie passando attraverso i vasi.
Si pensa quindi che il trasporto degli alcaloidi dalle radici alle foglie avvenga attraverso i vasi; attraverso il floema può invece avvenire il trasporto degli alcaloidi sintetizzati nelle foglie o nel fusto.

Funzione degli alcaloidi nella pianta

La funzione biologica degli alcaloidi è stata molto discussa. Esiste un profondo interesse dei ricercatori riguardo al ruolo svolto dagli alcaloidi nelle piante, anche se ad oggi non esistono prove convincenti delle varie ipotesi proposte. Ricerche attuali sembrano dimostrare che gli alcaloidi, pur non avendo un ruolo vitale per la pianta, fanno parte di sequenze metaboliche specifiche e non vadano considerati semplicemente prodotti di rifiuto.
Il fatto che si possano accumulare negli organi caduchi come foglie e frutti o che in molte piante si trovino negli organi secretori, come i canali laticiferi delle Papaveraceae, dimostrerebbe che gli alcaloidi sarebbero dei prodotti della degradazione cellulare.

La loro presenza protegge le piante dall’erbivoria: molti alcaloidi hanno un sapore amaro o proprietà tossiche e gli animali imparano a riconoscere e ad evitare le specie che li producono. L’azione protettiva degli alcaloidi nei confronti del bestiame è un’ipotesi: gli alcaloidi sono sintetizzati dalla pianta come elemento protettivo oppure la difesa è solo un effetto secondario. Questi metaboliti possono anche proteggere la pianta contro gli insetti parassiti e i virus, ad esempio il contenuto di selenio nelle patate, aumenta quando la pianta viene attaccata da microrganismi.
Un’altra ipotesi sostiene che gli alcaloidi siano prodotti quando la pianta si disintossica da composti velenosi nel corso del normale metabolismo.
È stato anche ipotizzato che l’azoto presente negli alcaloidi possa essere una forma di riserva nutritiva per la pianta.
In alcuni casi sembrano avere una funzione simile a quella degli ormoni, infatti hanno generalmente un’azione stimolante sulla crescita e abbondano in regioni di forte attività cellulare.
Altri autori sostengono che la loro presenza sia puramente casuale, determinata dagli enzimi presenti e dalla disponibilità dei precursori, ma in generale l’ipotesi che il loro ruolo principale sia la difesa è accetata dalla maggior parte degli scienziati.

Gli alcaloidi di Aconitum

I principali metaboliti secondari presenti nelle specie del genere Aconitum sono alcaloidi diterpenici chimicamente riferibili alla struttura dell’aconitina.
Tutte le parti delle piante appartenenti a questo genere contengono alcaloidi tossici, il contenuto di questi varia durante l’anno ed è massimo nel periodo che precede la fioritura.
L’aconitina, tra gli alcaloidi vegetali noti, è cosiderata avere la più elevata tossicità e rappresenta la struttura base a cui possono essere direttamente correlati gli altri alcaloidi di Aconitum.

L’aconitina e gli altri alcaloidi di Aconitum sono molecole molto sensibili alle reazioni di idrolisi che, secondo alcuni autori, avverrebbero spontaneamente nella pianta.
Questi alcaloidi mostrano scarsa stabilità sia in acqua sia in metanolo, inoltre i prodotti ottenuti dall’idrolisi sono nettamente meno tossici e meno attivi rispetto a quelli di partenza (da 500 a 5000 volte meno attivi).

Il pattern alcaloidico del gruppo Aconitum napellus è costituito principalmente dall’aconitina e dai suoi analoghi: mesaconitina, ipaconitina, N-deetilaconitina, deossi-aconitina.

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