Altre storie di piante e di chimica.

Claudio Della Volpe

Abbiamo recentemente parlato del metil-jasmonato,una molecola simile alle prostaglandine, che serve alle piante a costruire un sistema per comunicare alle altre piante situazioni di pericolo ed a difendersi da esso . E’ un esempio di come le piante non siano esseri che “vegetano”, vegetali come li chiamiamo sprezzantemente noi umani, ma complessi sistemi viventi diversi da noi, alieni, costruiti secondo una logica differente, ma non per questo meno efficace.

La storia di come le piante comunicano ha a che fare con la loro chimica e ci insegna tante cose.

Stavolta vi racconto la storia di come i sistemi di comunicazione delle piante che sono altamente evoluti possono essere messi in difficoltà da un insetto pestifero; e di cosa possiamo imparare da questa lotta fra piante e insetti e dalla sofisticata chimica che vi viene usata.

Questa storia è stata scoperta e raccontata in un lavoro (1) pubblicato di recente su PNAS.

La mosca bianca del tabacco (Bemisia tabaci), scoperta dapprima sul tabacco, è in realtà un insetto responsabile di danni molto ingenti a parecchi tipi di piante coltivate, come il pomodoro. Infatti essa è prima di tutto polifaga, mangia di tutto, induce dunque danni a parecchie colture e per quote elevate, ma trasporta anche virus di vario genere.

La mosca bianca del tabacco.

E’ caratteristica comune di questa specie di insetti, ma anche di altri della medesima famiglia (denominata Aleurodidi) avere comportamenti che ne rendono difficile l’eliminazione: elevato potenziale riproduttivo, insorgenza di fenomeni di resistenza, difficoltà intrinseca di raggiungere con gli insetticidi di copertura la pagina inferiore delle foglie dove comunemente stanziano, la polifagia, ossia l’essere onnivori, attaccare molte piante diverse, la mobilità degli adulti e, infine, la semplificazione degli agrosistemi, in particolare le colture protette in serra, in termini di biodiversità.

Per tutti questi motivi si è sviluppato un grande interesse nello scoprire come queste tipologie di insetti riescono ad essere così invasivi.

La premessa del racconto è che le piante rispondono agli erbivori e alle infezioni patogene con la sintesi di vari composti di difesa, inclusi composti volatili che sono emessi nell’ambiente circostante. Questi composti possono essere percepiti dalle piante vicine e le avvisano dell’attacco e anche dello specifico attaccante.

In particolare le piante usano un sistema a base di acido jasmonico (JA),

che interagisce con il sistema digestivo degli insetti compromettendone l’alimentazione, per difendersi dall’attacco degli insetti ed in genere dei mangiatori di foglie ed invece un secondo sistema a base di acido salicilico (SA), (proprio lui, il nostro antenato dell’aspirina) per comunicare e difendersi dai virus e dai patogeni.

E’ da notare che le due strade di difesa interferiscono, nel senso che se si accentua l’una si deprime l’altra e viceversa.

Difesa JA -> contro gli insetti e gli erbivori (mediata per esempio da (E)-β-ocimene, linaloolo e metil-isonicotinato, composti 8,10 e 11 della figura precedente, attacco di bruchi)

(E)-β-ocimene

linaloolo

metilisonicotinato

Difesa SA -> contro i virus e le infezioni (mediata per esempio da α-pinene e β-mircene, composti 3 e 4 della figura precedente attacco di Pst DC3000 una infezione batterica)

β- mircene

Le mosche bianche sono in grado invece di interferire in questo meccanismo inducendo come conseguenza nelle piante vicine una risposta sbagliata. L’attacco delle mosche bianche (nella prima riga) per esempio induce nel pomodoro la riduzione della produzione del composto 11, il metil-isonicotinato ed invece l’aumento del composto 3, l’α-pinene, così i pomodori circostanti attivano le difese contro i virus ma non quelle contro i mangiatori di foglie.

Ma come fa la mosca bianca ad indurre le piante a produrre il segnale sbagliato?

I ricercatori cinesi hanno usato sia esperimenti sul campo in ambienti controllati misurando le sostanze presenti nell’aria e nei tessuti, sia invece usando sostanze di sintesi, molecole sintetiche usate dalle piante come messaggeri e verificando che le piante infestate da batteri o attaccate da bruchi emettevano composti di allarme diversi da quelli emessi dalle piante attaccate dalla mosca bianca. Il meccanismo era messo in moto tramite l’attivazione di geni specifici. Hanno potuto escludere che la sostanza necessaria fosse emessa dalla mosca direttamente ma che invece la sua produzione era indotta nella pianta. Rimane da capire il meccanismo esatto di induzione da parte dell’insetto alla produzione della sostanza sbagliata da parte della pianta.

In effetti leggendo l’articolo ci si rende conto che la risposta potrebbe essere complessa; le piante potrebbero rispondere ai virus trasportati dagli insetti, quasi come cavalli di troia, prima che agli insetti e mentre combattono i primi sono distrutte dai secondi. Gli insetti da parte loro contribuiscono ad indebolire le difese anti-insetto stimolando quelle antivirus. Nella forma di ninfe fanno dire alle piante: attente ai virus e quando quelle si preparano a combattere i virus, gli insetti ormai maturati da ninfe in insetti adulti sono pronti a distruggerle.

Lotta per la vita mediata dalla chimica.

(1) Airborne host–plant manipulation by whiteflies via an inducible blend of plant volatiles

Peng-Jun Zhang, Jia-Ning Wei, Chan Zhao, Ya-Fen Zhang, Chuan-You Li, Shu-Sheng Liu, Marcel Dicke, Xiao-Ping Yu e Ted C. J. Turlings

Si veda anche Gli hacker delle piante su Internazionale 1301, pag. 102 oppure su The economist https://www.economist.com/science-and-technology/2019/03/30/whiteflies-are-such-a-pest-because-they-hack-the-way-plants-communicate

Aspirina: breve storia di un farmaco pluripotente

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Rinaldo Cervellati

 

…tu faresti venire mal di testa a un’aspirina.

Dal film “The Pusher” di Mattew Vaughn, 2004

thepusherA parte la battuta surreale del film, classifiche pubblicate a fine 2014 mostrano che l’aspirina è tra i primi 10 farmaci più venduti in Italia. La sostanza attiva di questo farmaco è l’acido acetilsalicilico (ASA), una molecola molto versatile che presenta ben quattro proprietà farmacologiche clinicamente accertate: antidolorifica, antiinfiammatoria, antifebbrile e cardioprotettiva. L’ASA è compreso anche nella Lista dei Medicinali Essenziali stilata dall’Organizzazione Mondiale della Sanità. Come vedremo in seguito, all’aspirina vengono oggi attribuite anche altre proprietà benefiche, alcune delle quali non ancora verificate. L’acido acetilsalicilico non è solo il capostipite dei farmaci antiinfiammatori non steroidei (FANS, per differenziarli dagli antiinfiammatori cortisonici), è stato probabilmente anche uno tra i primi farmaci semisintetici. Fu infatti sintetizzato per la prima volta nel 1853 dal chimico Gerhardt[1] trattando il salicilato di sodio (di origine vegetale) con cloruro di acetile (di origine sintetica). 195px-Aspirina_struttura.svg

375px-Salix_alba11La ricerca di Gerhardt non fu casuale, era noto fin dai tempi di Ippocrate che estratti di corteccia dei salici (piante del genere Salix) venivano usati per alleviare dolori e diminuire la febbre. Nella seconda metà del 1700 l’inglese Stone stabilì con certezza l’efficacia antifebbrile degli estratti e fra il 1825 e il 1829 l’italiano Fontana, il tedesco Buchner e il francese Leroux isolarono il principio attivo, che fu chiamato da quest’ultimo salicina. La salicina è un β-glucoside dal quale per idrolisi si ottiene l’acido salicilico.

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Al suo isolamento e caratterizzazione contribuì in modo notevole Raffaele Piria[2]. Per la sintesi industriale dell’acido acetilsalicilico occorrerà tuttavia aspettare ancora molti anni. Nel frattempo le artriti e la febbre reumatoide venivano curate con acido salicilico e salicilati che, oltre al sapore disgustoso che provocava quasi inevitabilmente il vomito, avevano seri effetti collaterali come ulcerazioni del cavo orofaringeo e dello stomaco.

Finalmente nel 1897 Felix Hoffmann[3], chimico dell’industria Bayer, mise a punto una sintesi a partire da acido salicilico e anidride acetica. Hoffmann è generalmente accreditato come padre della sintesi sebbene vi fu una lunga controversia con Arthur Eichengrün[4], dirigente del reparto ricerche, che sostenne di aver dato l’idea a Hoffmann. Nello stesso anno iniziano le sperimentazioni cliniche che terminano con successo nel 1899. Il prodotto, che ha un gusto amaro ma è ben tollerato, e i cui effetti collaterali sono limitati al tratto gastro-intestinale, viene brevettato e commercializzato con il nome Aspirin (A- da gruppo acetile, -spir da Spirea Ulmaria, la pianta da cui veniva ricavato l’acido salicilico e il suffisso -in riservato all’epoca ai medicinali).

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Spirea, o Filipendula ulmaria, all’origine dei nomi Spirsäure (tedesco per “acido salicilico”) e, indirettamente, aspirina.

Nel 1914 fu indetto un concorso per una sintesi alternativa e più economica dell’aspirina, che fu vinto dal farmacista australiano G. R. Nicholas. In breve le materie prime per la sintesi sono: fenolo, idrossido di sodio, anidride carbonica, acido solforico e anidride acetica. Il fenolo, trattato con NaOH forma il fenato che viene poi fatto reagire con anidride carbonica a formare salicilato di sodio. Quest’ultimo, trattato con acido solforico, libera acido salicilico che viene infine fatto reagire con anidride acetica dando acido acetilsalicilico. Il prodotto così ottenuto è completamente sintetico perché il fenolo di partenza si ricava partendo da benzene e propilene con il processo Hock.

La Grande Guerra interruppe il commercio internazionale di prodotti farmaceutici, quindi anche dell’aspirina. Il diritto di usare il marchio “Aspirin” fu acquistato nel 1918 dalla compagna americana Sterling Drug Inc., per la Bayer sarebbe comunque scaduto nel 1930. Tuttavia molte case farmaceutiche producevano già l’aspirina con nomi leggermente modificati e nel 1921 una sentenza della Corte federale USA stabilì che “Aspirin” era un nome generico non più soggetto a brevetto. Oggi il marchio resta registrato in pochi Paesi, fra cui l’Italia e il Canada.

Il dosaggio varia ovviamente secondo il tipo di patologia dolorifica e infiammatoria. Per l’effetto cardioprotettivo la dose è 100 mg/die a stomaco pieno. In Italia sono in commercio compresse da 100 mg col nome Cardioaspirin (soggetto a prescrizione medica), oltre a vari OTC (compresse, compresse effervescenti, granulato).

Il meccanismo di azione dell’aspirina è rimasto un mistero fino al 1971 quando il farmacologo inglese John Robert Vane mostrò che l’acido acetilsalicilico inibisce la produzione di prostaglandine e tromboxani per inattivazione irreversibile dell’enzima ciclo ossigenasi necessario per la sintesi di queste sostanze[5]. Per questa scoperta Vane ricevette il Premio Nobel per la Medicina nel 1982, insieme a S. Bergström e B. Samuelsson.

natureaspirina

Le prostaglandine sono ormoni prodotti dall’organismo che servono sia come trasmettitori del dolore al cervello sia come modulatori del termostato ipotalamico con conseguente infiammazione. I tromboxani sono responsabili dell’aggregazione delle piastrine che formano così coaguli di sangue, la loro inattivazione da parte di ASA mantiene il sangue fluido prevenendo l’infarto cardiaco.

Occorre tuttavia usare molta cautela nell’uso dell’aspirina sui bambini sotto i 12 anni specialmente se affetti da infezioni virali perché può insorgere la sindrome di Reye con esiti anche gravissimi.

Oggi ricerche cliniche hanno mostrato evidenze che l’aspirina ridurrebbe anche il rischio di insorgenza di alcuni tumori quali il cancro colorettale, prostatico, endometriale e mammario. Ci sono anche evidenze preliminari che l’aspirina potrebbe ritardare le malattie neurodegenerative.

Insomma, se anche queste ultime proprietà saranno confermate, l’aspirina non finirà mai di stupirci.

Riferimenti.

[1] Charles Frédéric Gerhardt (1816-1856), 330px-Gerhardt_Charleschimico francese noto anche per i quattro volumi del suo Traité de Chimie Organique, Parigi, 1853.

[2] Raffaele Piria (1814-1865), chimico italiano RaffaelePiriasi formò a Parigi nel laboratorio di Dumas. Ottenne la Cattedra di chimica a Pisa dove ebbe come allievo Stanislao Cannizzaro, poi si trasferì a Torino.

[3] Felix Hoffmann (1868-1946) chimico tedesco, Felix_Hoffmanricercatore della Bayer particolarmente interessato alle acetilazioni, fu anche il primo a sintetizzare la diacetilmorfina che chiamò eroina. L’eroina è quindi una droga semisintetica ottenuta dalla morfina contenuta nell’oppio (di origine naturale) e da anidride acetica (di sintesi). Va notato che la sintesi dell’aspirina da acido salicilico e anidride acetica è stata ampiamente usata come primo esempio didattico nei laboratori di preparazioni organiche.

[4] Arthur Eichengrün (1867-1949), chimico tedesco di origine ebraica, A._Eichengrün_ca1900scienziato materialista e inventore, è anche noto per la sintesi del Protargol, farmaco anti-gonorrea largamente impiegato nella terapia di questa malattia venerea prima dell’avvento delle penicilline. Fu anche un precursore nelle ricerche sulle materie plastiche giungendo a inventare i film di acetato di cellulosa, brevettato insieme al collega Becker.

[5] A differenza di altri FANS come l’ibuprofene e il diclofenac che inattivano l’enzima in modo reversibile.

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E’ APERTA LA RACCOLTA DI FIRME PER LA PETIZIONE ALLA IUPAC per dare il nome Levio ad uno dei 4 nuovi elementi:FIRMATE!

https://www.change.org/p/international-union-of-pure-and-applied-chemistry-giving-name-levium-to-one-of-the-4-new-chemical-elements