metaboliti secondari

IIntroduzione t d i al l
metabolismo t b li
secondario d i
Bibliografia:
Buchanan et al., cap. 8, 13, 14, 16, 24
aa aa.vv. Biochemistry Biochemistr of Plant Secondar Secondary Metabolism Metabolism, cap cap. 1

Metaboliti secondari (o prodotti naturali, MSP)
- sono molecole che non partecipano direttamente allo
sviluppo il ddelle ll piante i t ma che h iintervengono t negli li stress t bi biotici ti i
o abiotici e che migliorano l’efficienza della riproduzione
- sono diversi nelle diverse specie
A differenza dei metaboliti primari :
-non sono presenti in tutte le specie
-hanno hanno un ruolo fondamentale per lo
sviluppo in condizioni di crescita
non ottimali
La differenza tra le due
categorie può essere molto
piccola i l o arbitraria bit i (di (dipende d
anche dal nostro livello di
conoscenze)

I metaboliti secondari
Hanno delle funzioni molto diverse, es:
- Protezione dall’attacco dei patogeni o degli erbivori
- Attrazione degli impollinatori
- Partecipano alle risposte allopatiche
(competizione tra le piante per la germinazione)
Si possono definire nel complesso funzioni
ECOLOGICHE
(che non sono per niente secondarie)

I metaboliti secondari
Si possono id identificare tifi 3 principali i i li ti tipi i di metaboliti t b liti secondari d i
Derivano da:
- TTerpenoidi idi IPP, una molecola a 5 C
Numero di
molecole diverse
25000
- Alcaloidi Amminoacidi 12000
- Composti
Fenolici
Via acido shikimico
e acetato/mevalonato
t t / l t
8000
Queste vie
sintetizzano anche
dei metaboliti
primari

Nel gruppo dei metaboliti secondari rientrano anche
classi minori, che complessivamente formano
l’enorme l enorme varietà di composti a basso peso molecolare
sintetizzati dalle piante

Perché interessano al biotecnologo?
Sono molecole molto utili anche per l’uomo come
coloranti, aromi, antibiotici, erbicidi, droghe ecc.
Il numero di molecole
farmacologicamente attive
derivate dalle piante e
disponibili in commercio è
molto lt maggiore i di quelle ll
sintetizzate dai chimici

Come mai tante funzioni utili?
Perché in molti casi le necessità di sopravvivenza della pianta
hanno dato origine ad una vera e propria selezione genetica
direttamente collegata alla funzione biochimica dei composti
selezionati, che rispondono p a necessità della ppianta
che così
aumenta la sua “fitness”.
Gli interessi della pianta possono coincidere con quelli dell’uomo in
moltissimi casi.
-difesa dagli insetti.
-difesa dai funghi
-gusto ( (aglio, cipolla, erbe aromatiche) )
-aumento della produttività dei semi/frutti e dispersione degli stessi.
-attività attività farmacologiche sui mammiferi/uomo.

Le piante riproducono le procedure di selezione che vengono
normalmente utilizzate in biotecnologia. Conoscere la biodiversità
significa avere già a disposizione un grande numero di esperimenti
llunghi hi e costosi t i già ià effettuati ff tt ti iin natura. t BBasta t saperli li riconoscere.
i
Le discipline ri-emergenti cercano di recuperare le conoscenze
selezionate durante i milioni di anni in cui l’uomo l uomo ed i suoi progenitori
sono cresciuti a contatto con l’ambiente e ne hanno sperimentato
vantaggi e pericoli facendo da cavia. Ad esempio
l’ETNOBOTANICA,
che studia l’uso delle erbe da parte delle tribù indigene dei diversi
continenti continenti, è ora molto più utile e potente in quanto si può avvalere
dei “potenti mezzi” della: metabolomica, metagenomica,
genomica funzionale.

Le piante competono tra di loro per la luce solare e
le sostanze nutritive
Risposte allopatiche
The term "allopathy" was coined in 1842 by C.F.S. Hahnemann to designate
the usual practice of medicine (allopathy) as opposed to homeopathy, the
system of therapy that he founded based on the concept that disease can
be treated with drugs (in minute doses) thought capable of producing the
same symptoms y in healthy y people as the disease itself.
Le piante hanno evoluto una serie di meccanismi per conquistare il
lloro spazio i agendo d sui i meccanismi i i fi fisiologici i l i i iintrinseci t i i ddelle ll
piante. Utilissimo per capire la fisiologia e la biochimica delle
piante.
Esempio: quando un seme germina, può liberare delle sostanza
che inibiscono la germinazione di altre piante della stessa specie specie.
Con ciò si può capire come funziona la dormienza.

Introduction
History
Theophrastus (ca. 300 B.C.E.), a student and successor to Aristotle, wrote about allelopathic reactions in
his botanical works. He has been called the "father of Botany", and wrote of how chickpea "exhausts" the
soil and destroys weeds. (Cicer arietinum)
In 1 C.E., Gaius Plinius Secundus, also known as Pliny the Elder, a roman scholar and naturalist, wrote
about how chick pea and barley "scorch up" cornland. He also mentioned that Walnut (noce) trees are toxic to
other plants. p
Augustin Pyramus De Candolle, a botanist and naturalist, in 1832, suggested that soil sickness was caused
by chemicals released by the crop.
And, in 1907-1909, two researchers, Schreiner and Reed investigated the isolation of a number of phytotoxic
chemicals from plants and soils.
What is Allelopathy? p y
The word allelopathy derives from two separate words. They are allelon which means "of each other", and
pathos which means "to suffer". Allelopathy refers to the chemical inhibition of one species by another.
The "inhibitory" y chemical is released into the environment where it affects the development p and ggrowth
of
neighboring plants.
Allelopathic chemicals can be present in any part of the plant. They can be found in leaves, flowers, roots,
fruits, , or stems. They y can also be found in the surrounding g soil. Target g species p are affected by y these toxins
in many different ways. The toxic chemicals may inhibit shoot/root growth, they may inhibit nutrient uptake,
or they may attack a naturally occurring symbiotic relationship thereby destroying the plant's usable source
of a nutrient.

Are all plants Allelopathic?
Not all plants have allelopathic tendencies. Some, though they exhibit these tendencies, may actually be
displaying aggressive competition of a non-chemical form. Much of the controversy surrounding allelopathy
is in trying to distinguish the type of competition being displayed. In general, if it is of a chemical nature, then
the plant is considered allelopathic. There have been some recent links to plant allelotoxins directed at animals,
but data is scarce.
Environmental Impact
Allelopathy is a form of chemical competition. The allelopathic plant is competing through
"interference" chemicals. Competition, by definition, takes one of two forms—exploitation
or interference.
Competition is used by both plants and animals to assure a place in nature.
Plants will compete for sunlight, water and nutrients and, like animals, for territory.
Competition Competition, like parasitism, parasitism disease disease, and predation predation, influences distribution and amount of
organisms in an ecosystem. The interactions of ecosystems define an environment.
When organisms compete with one another, they create the potential for resource limitations and
possible extinctions. Allelopathic plants prevent other plants from using the available resources
and thus influence the evolution and distribution of other species.
One might say that allelopathic plants control the environments in which they live.

Chemical Warfare in the Plant Kingdom
Black Walnut
One of the most famous allelopathic plants is Black Walnut (Juglans nigra). The chemical
responsible for the toxicity in Black Walnut is Juglone (5 hydroxy-1,4 napthoquinone) and is
a respiration inhibitor inhibitor. Solanaceous plants plants, such as tomato tomato, pepper pepper, and eggplant eggplant, are especially
susceptible to Juglone. These plants, when exposed to the allelotoxin, exhibit symptoms such as
wilting, chlorosis (foliar yellowing), and eventually death. Other plants may also exhibit varying
degrees of susceptibility and some have no noticeable effects at all.
Some plants that have been observed to be tolerant of Juglone include lima bean, beets, carrot,
corn, cherry, black raspberry, catalpa, Virginia creeper, violets, and many others.
Juglone is present in all parts of the Black Walnut but especially concentrated in the buds nut
Juglone is present in all parts of the Black Walnut, but especially concentrated in the buds, nut
hulls, and roots. It is not very soluble in water and thus, does not move very rapidly in the soil.
Toxicity has been observed in all soil with Black Walnut roots growing in it (roots can grow 3 times
the spread of the canopy), but is especially concentrated closest to the tree, under the drip line.
This is mainly due to greater root density and the accumulation of decaying leaves and hulls.

Juglans nigra young plant

Sorghum
Th The major j constituent tit t of f sorghum h th that t causes allelopathic ll l thi activity ti it iis sorgoleone l
(2-hydroxy-5-methoxy-3-{(8'z,11'z)-8',11',14'-pentadecatriene}-p-benzoiquinone).
Sorgoleone is found in the root exudates of most sorghum species and has been
shown to be a very potent allelotoxin that disrupts mitochondrial functions and inhibits
photosynthesis. It is being researched extensively as a weed suppressant.
Others
There are many other known allelopathic species, and many that are highly suspected of being
allelopathic including various wetland species, grasses, and other woody plants such as
Tb Tobacco (Nicotiana (Ni ti rustica), ti ) Ri Rice (O (Oryza sativa), ti ) P Pea (Pi (Pisum sativum), ti ) and d many others, th are
known to have root allelotoxins.

To Identify Signs Of Allelopathy
The best way to study allelopathy is to find signs of it occurring in nature. It is impossible to "see"
th the ttoxins i at t work, k bbut t it iis possible ibl tto see th the signs i and d symptoms t caused dbby th the chemicals h i l on
surrounding plants. For example, very few plants grow under a Black Walnut and those that do
often times look sickly and chlorotic. This is a sign of the allelotoxin, Juglone, at work.
Along with recognizing the signs of allelopathy, one must also be able to identify the plants.
Some allelopathic plants, such as Black Walnut, grow in our backyards and on our streets and
are easy to identify. Others, like sorghum, may be easier to find in rural areas where they are
grown as crops or alongside farm land land. Some allelopathic plants plants, especially many of the wetland
species, may require special field trips and extra time to find them first and then identify them.

Nonostante l’enorme varietà di metaboliti secondari, il numero
delle corrispondenti vie biosintetiche è limitato limitato. I precursori
generalmente derivano da pathway metabolici di base (primari),
come glicolisi, ciclo di Krebs, via dell’acido shikimico,…

Biosintesi dei metaboliti secondari
Alcuni sono sintetizzati in tutti i tessuti
della pianta, più spesso mostrano una
specificità legata all’organo, al tessuto
o al tipo di cellula cellula.
I siti di sintesi sono
compartimentalizzati:
- molte vie sono localizzate nel
cytosol
- alcuni alcaloidi, furano-cumarine e
terpenoidi sono sintetizzati nel
cloroplasto
- sesquiterpeni, dolicoli e steroli nel
RE

Trasporto, stoccaggio e turnover dei metaboliti secondari
- sostanze solubili in acqua: stoccate nel vacuolo
- sostanze lipofiliche: condotti resiniferi, condotti latticiferi, peli ghiandolari e
ttricomi, i i til tilacoidi, idi cuticola ti l
tonoplasto: un gradiente protonico transmembrana è utilizzato per trasferire
i MS nel vacuolo, oppure la coniugazione con glutatione favorisce l’import
da parte di carriers del tonoplasto
cuticola

Cuticola: composti lipofilici, che potrebbero interferire con la fluidità
delle membrane della stessa pianta produttrice, vengono vincolati
nella cuticola o in condotti/cellule delimitati da una barriera solida.
Lo stoccaggio può essere tessuto-specifico:
- idioblasti che contengono tannini, alcaloidi, glucosinolati
- MS concentrati in peli ghiandolari, epidermide, fiori e semi, bulbi e
rizomi (spec (spec. nelle specie annuali)
- In genere, tessuti ed organi importanti per la sopravvivenza e la
moltiplicazione (epidermide, fiori ,frutti, semi) mostrano abbondanza e
profili fili di distinti ti ti di MS

Il metabolismo secondario ha un costo!
Sappiamo che processi che impiegano energia ma non hanno una
Sappiamo che processi che impiegano energia ma non hanno una
utilità, di fatto non sopravvivono alla selezione naturale: dunque,
queste vie metaboliche sono mantenute e diversificate in maniera
impressionante = questa è una chiara indicazione che le vie del MS
sono importanti per la ‘fitness’ delle piante.

vie del metabolismo secondario & biotecnologie
Queste Q vie di biosintesi mostrano una notevole complessità! p
Sono quindi difficili da studiare e da sfruttare.
- enzimi di biosintesi altamente regolati in termini di compartimento
compartimento,
età della pianta e
- lo stesso vale per p ggli enzimi coinvolti nello stoccaggio gg
- gli intermedi possono essere di difficile identificazione e isolamento
- sono vie metaboliche difficili da maneggiare a causa dei punti di
controllo multipli

Connessione tra metabolismo
primario p e secondario
Da dove vengono i
MS?
Breve ripasso delle vie del metabolismo primario

SACCAROSIO: sintetizzato nel
citoplasma per il trasporto
floematico ad altre
cellule/tessuti
Ciclo
del
gliossilato
CLOROFILLA ed
EMI
Acidi grassi
AMIDO: Immagazzinamento
nel cloroplasto o negli amiloplasti.
CELLULOSA CELLULOSA: esportazione t i ffuori i ddal l
plasmalemma per la sintesi pareti cellulari.
LEGNO: cellulosa
integrata da prodotti
Indurenti e di difesa.
ISOPRENOIDI : sintetizzati nel
cloroplasto per la
fotoprotezione(CAROTENOIDI)
e molte altre funzioni. funzioni
PRODOTTI DI
DIFESA DAI
PREDATORI:
fisiologicamente
attivi

L’AMIDO è la
molecola di riserva nel
cloroplasto p
e nell’amiloplasto

Sintesi dell’amido

Regolazione della
sintesi di amido
nell’amiloplasto: nell amiloplasto: anche
qui il Pi è l’indicatore
Regolazione della sintesi
di amido nel cloroplasto:
il P i èl’indicatore
è l indicatore

Degradazione dell’amido
- fosforolitica
- idrolitica

I prodotti del metabolismo primario fotosintetico sono scambiati con il
citoplasma p da pparte di trasportatori p specifici p
La concentrazione del fosfato
nel cloroplasto è mantenuta
con precisione

Nel cloroplasto la via dei pentosi fosfati può essere attivata se le necessità
per la riduzione del solfato/nitrito o altre biosintesi sono superiori alla
produzione fotosintetica

Le interconnessioni del metabolismo
nel cloroplasto (a sinistra) che
permettono tt la l formazione f i di precursori i
per il metabolismo secondario nel
citoplasma (sotto). La connessione è
fatta attraverso il trasporto p dei triosi
fosfati

Gli scambi di
metaboliti formano un
pool comune tra
plastidi e citoplasma

Il ciclo del gliossilato è in grado di trasformare gli
acidi grassi in zuccheri: la gluconeogenesi è una
reazione assente negli animali ed utile nella
germinazione di semi con riserve oleose.
corpo oleoso gliossisoma

Il ciclo del gliossilato è una variante del ciclo di krebs
C2
C2
C4
C4
C6
Il ciclo del gliossilato è una
variante del ciclo di Krebs
Due enzimi sono caratteristici
del ciclo del gliossilato:
- isocitrato liasi
- malato sintasi

Esportazione di acidi organici dal mitocondrio per
sostenere l’assimilazione dell’ammonio nel plastidio
I rapporti citoplasmatici
NADH/NAD + e NADPH/NADP +
determinano quale shuttle opera
per garantire scheletri carboniosi

Interazioni tra assimilazione del NO 3 - e metabolismo del carbonio
Glucose
Disponibilità di NO -
3
nel mezzo di crescita
=
SSovra-regolazione l i di
enzimi target
glutammina
glutammato
NH 4 +

Assimilazione dell’azoto e
biosintesi degli amminoacidi
Buchanan-Gruissem-Jones cap. 8
(e in parte cap 14, 16)

?
Azoto inorganico (NH + Azoto inorganico (NH +
4 )
Assimilato negli amminoacidi
di trasporto dell’azoto
(floema)
Glutammato
Glutammina
Aspartato
donatore di N per p
le reazioni delle
transaminasi
Asparagina composto di riserva
N rapidamente distribuito nel
metabolismo della pianta

Enzimi che sintetizzano amminoacidi di trasporto
Glutammina sintetasi (GS)
Glutammato sintetasi (GOGAT) (glutammato-oxoglutarato-aminotransferasi)
Glutammato deidrogenasi (GDH)
Aspartato aminotransferasi (aspAT)
Asparagina sintetasi (AS)
SSono coinvolti: i l i
- nell’assimilazione primaria (N inorganico dal
suolo)
- ri-assimilazione dello ione ammonio libero
all’interno della cellula vegetale (assimilazione
secondaria) d i )
(le piante non eliminano scorie azotate)

Ciclo GS/GOGAT
principale p p
via di assimilazione dell’N

Mutanti della GS
cloroplastica e della
Fdx-GOGAT
hanno un fenotipo letale
condizionato

Dopo l’assimilazione a glutammina e glutammato, l’azoto è
distribuito a molti altri composti ad opera delle transaminasi
(i (isoforme: f cytosol, t l plastidio, l tidi mitocondrio) it d i )
Rigenerano il precursore
necessario per l’assimilazione
dell’N

Amminoacidi di trasporto dell’azoto e biotecnologie - 1
L’assimilazione dell’N inorganico è un processo chiave per la crescita delle piante
1. Selezione di enzimi mutati che
sono meno sensibili all’inibitore
3. Tabacco che
sovraesprime p GS
cloroplastico:
maggiore resistenza
alla fotoinibizione
2. Tabacco che sovraesprime p GS citosolico:
maggiore resistenza all’erbicida PPT
4. Possibilità di aumentare l’abbondanza di aa essenziali nei semi

Amminoacidi di trasporto dell’azoto e biotecnologie - 2
Floral-dip
Gene BASTA: capacità di degradare il glifosato
T-DNA contiene resistenza ad antibiotico =
necessità di piastrare i semi sterili su terreno
selettivo, selezionare e poi trasferire le piante in terra

Origine degli scheletri carboniosi usati nella biosintesi degli amminoacidi
Le vie di biosintesi degli aa nelle
Le vie di biosintesi degli aa nelle
piante rivelano livelli di complessità
non riscontrati nei microrganismi

Sintesi degli amminoacidi aromatici: la via dell’acido shikimico

Biosintesi di Tirosina (Tyr) e Fenilalanina (Phe) (nei plastidi)

Biosintesi di Triptofano (Trp)
(nei plastidi)
Complesso della Triptofano sintasi