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Le prime ricerche sulla chimica delle piante: i lavori di Giacomo Ciamician e Ciro Ravenna

BLOG: LA CHIMICA E LA SOCIETA' - 25 gennaio, 2017 - 06:32

Rinaldo Cervellati

La funzione delle sostanze bioattive di origine vegetale, chiamate oggi metaboliti secondari, prodotte dalle piante in quantità relativamente piccole è rimasta per molti anni un’incognita. Queste sostanze venivano infatti ritenute prodotti di scarto e comunque senza un ruolo specifico. Uno dei primi chimici a interessarsi a questo campo di ricerca è stato il Prof. Giacomo Ciamician (1857-1922)[1], insieme al suo allievo poi collaboratore Prof. Ciro Ravenna[2].

fig-1a-giacomo-ciamician

fig-1b-ciro-ravennaGià nel 1908, all’inizio del programma di studi sulla chimica delle piante traspare l’ammirazione di Ciamician per il mondo vegetale. Si legge infatti:

Le piante sono in grado di compiere il grandioso lavoro di sintesi, per cui esse riescono a produrre le più importanti materie organiche, con mezzi almeno in apparenza modestissimi. Gli agenti atmosferici e segnatamente le piccole quantità di anidride carbonica, i sali che loro fornisce il suolo e l’acqua, costituiscono i soli materiali di cui abbisognano i vegetali a foglie verdi per comporre quella numerosa e svariata serie di sostanze che noi tanto a stento riusciamo a riprodurre. [1]

Scopo del programma di ricerche sulla chimica delle piante era quello di individuare l’origine, il comportamento e la funzione delle sostanze accessorie nelle piante.

Ciamician e Ravenna osservarono che inoculando in diverse piante dei glucosidi, questi venivano scissi in sostanze aromatiche (oggi chiamate agliconi, sostanzialmente della categoria dei polifenoli). Viceversa, se alla pianta venivano somministrate queste sostanze aromatiche, esse si trasformavano in parte nel glucoside, in parte rimanevano inalterate e in parte venivano ossidate, in base alle necessità della pianta.[2]. Ecco un brano tratto dal rif. [2]:

Inoculando ad alcune piante (mais, giacinti) dei glucosidi, questi vengono scissi in gran parte nell’interno della pianta in modo che si ritrovano, allo stato libero, le sostanze aromatiche che entrano nella loro costituzione. Reciprocamente, inoculando o facendo assorbire in altro modo alcune sostanze aromatiche, si ritrova poi oltre alla sostanza inalterata, un composto che per azione della emulsina si scinde liberando nuove quantità della sostanza introdotta. Abbiamo quindi supposto che le sostanze aromatiche assorbite dalle piante si combinassero in modo da dar origine a dei glucosidi. Di ciò fu data la dimostrazione rigorosa inoculando nel mais la saligenina [alcool salicilico: 2-(idrossimetil)-fenolo]; siamo riusciti cioè ad isolare dalle piante così trattate il glucoside formatosi, che fu riconosciuto identico alla salicina [2-idossimetil)-fenil-β-D-glucopiranoside]

Oggi è noto che polifenoli e loro glicosidi svolgono principalmente un ruolo di difesa nelle piante. Di recente una ricerca ha dimostrato come estratti di Limonium narbonense cresciuto spontaneamente (ed esposto maggiormente a parassiti), contengano una quantità di polifenoli superiore rispetto a quella contenuta in estratti da piante coltivate [3]. Ciò conferma la capacità delle piante, già nota a Ciamician e Ravenna, di modulare la produzione delle sostanze di cui necessitano, con il minimo dispendio di energia e di materie prime.

Ciamician e Ravenna, analogamente a quanto fatto con la saligenina, inocularono nel mais l’alcool benzilico, che fu trasformato dalla pianta nel relativo glucoside, essi ottennero il medesimo risultato con la pianta del fagiolo [4].

Poiché medesimi fenomeni, oltre che nella pianta viva, furono anche osservati in poltiglie ottenute triturando le piante [e contenenti quindi tutti i principi degli individui originari] [2], i due chimici supposero che queste trasformazioni fossero dovute all’azione di enzimi. Successive ricerche confermarono questa ipotesi.

Oltre ad interessarsi ai glucosidi, uno studio più vasto fu condotto sugli alcaloidi, valutandone la produzione e cercando di capire il ruolo ed il comportamento di questi nelle piante. In questo caso, oltre alla tecnica dell’inoculazione, venne usata quella dell’innaffiamento di piantine cresciute in opportuni germinatoi, con soluzioni all’1 ‰ delle sostanze che si volevano esaminare [5].

fig-2a-germinatoio1

fig-2b-germinatoio2I primi studi furono eseguiti su piante che in natura producevano alcaloidi (datura e tabacco) inoculando in esse sostanze azotate: piridina, piperidina, acido carbopirrolico e asparagina , ottenendo un aumento della produzione di alcaloidi [6]:

Abbiamo descritto alcune esperienze dalle quali risulta che inoculando nelle piante di tabacco e di datura certe sostanze azotate, si ottiene, segnatamente colla piridina, un notevole aumento nella quantità totale dei rispettivi alcaloidi.

Ciamician e Ravenna osservarono anche che la sola incisione della pianta produceva notevoli variazioni sul contenuto degli alcaloidi, facendolo aumentare [7].

Vennero effettuati studi oltre che su piante spontanee anche su piante coltivate secondo norme agricole, per valutare il diverso comportamento all’inoculazione [8]. Appare quindi chiaro che queste ricerche avevano anche uno scopo pratico, agroindustriale, teso al miglioramento della qualità della pianta, soprattutto del tabacco.

Il rif. [6] conclude così:

Dalle esperienze descritte risulta che l’inoculazione di sostanze azotate di svariata natura chimica nel tabacco, produce un aumento nella quantità totale di alcaloidi e che questo aumento si accentua impiegando l’asparagina, anche introducendo nelle piante quantità di materie proporzionali al loro contenuto in azoto. Ma le osservazioni raccolte non permettono di trarre conclusioni sufficientemente sicure relative alla genesi ed al significato degli alcaloidi nelle piante. Ci sembra però si possa affermare, che le nostre esperienze parlino piuttosto in favore di quelle vedute secondo le quali gli alcaloidi vegetali provengono dagli acidi amidati [amminoacidi].

Sempre su piante in grado di produrre alcaloidi furono inoculate sostanze non azotate, glucosio e acido ftalico, per valutare il loro effetto sulla produzione di alcaloidi. Il glucosio fece aumentare la produzione di nicotina nel tabacco, con il secondo si ottenne una quantità circa uguale a quella delle prove in bianco (piante non inoculate). Tuttavia, poiché la sola incisione provocava un aumento dell’alcaloide, se ne concludeva che l’effetto dell’acido ftalico era di farne diminuire la produzione.

I risultati di queste ricerche furono raccolti in un fascicolo pubblicato (insieme a Ravenna) nella collana “Attualità Scientifiche” edito da Zanichelli [9]. All’inizio di questo testo si legge:

Le piante peraltro non producono solo le anzidette sostanze fondamentali della vita organica, cioè le materie proteiche, gli zuccheri semplici e composti, i grassi, le lecitine e altre ancora, ma inoltre tutta una serie di composti che sembrano essere accessori e che gli animali non contengono affatto. Si può però chiedere a che cosa servano queste sostanze, chiamate appunto accessorie, quali i glucosidi, gli alcaloidi, i tannini, le resine e tante altre.

fig-3-copertina-fascicoloGli autori giungono alla conclusione che gli alcaloidi prodotti dalle piante non sono sostanze di scarto ma eserciterebbero una funzione molto simile a quella degli ormoni negli animali. Il testo termina con queste frasi:

La conclusione a cui si può arrivare in base a quanto sappiamo per ora, è che le piante fanno una chimica che corrisponde a quella che pratichiamo noi nei laboratori; la fanno con mezzi infinitamente più semplici dei nostri, ma con intendimenti simili ai nostri. E se in esse l’organizzazione non è così differenziata come negli animali, suppliscono a tutto ciò con un chimismo assai perfetto; la coscienza delle piante è una coscienza chimica.”[9]

Infine, si vuole ricordare che per la preparazione di farmaci semisintetici, si rende necessario avere a disposizione quantitativi adeguati di metaboliti vegetali. Poiché la loro sintesi è particolarmente complessa e costosa si ricorre a trattamenti biotecnologici che ‘obbligano’ le piante a produrre una maggior quantità di metaboliti. Possiamo affermare che Ciamician, attraverso i suoi esperimenti, può essere considerato un precursore delle biotecnologie. La definizione di biotecnologia (usualmente al plurale, biotecnologie) stesa dalla Convenzione sulla Diversità Biologica delle Nazioni Unite, è infatti la seguente:

“La biotecnologia è l’applicazione tecnologica che si serve dei sistemi biologici, degli organismi viventi o di derivati di questi per produrre o modificare prodotti o processi per un fine specifico.”

Parte delle biotecnologie vegetali si occupa, come già detto, di favorire la produzione di specifici composti nelle piante continuando così nella strada percorsa da Giacomo Ciamician.

(NdA). Questo post è tratto in parte da: V. Saiola, Le ricerche di Giacomo Ciamician sulla Chimica delle Piante. Una bibliografia ragionata, tesi di laurea in Farmacia, Università di Bologna, A.A. 2009/2010, Sessione I; e da: R. Cervellati, V. Saiola, E. Greco, Le ricerche di Giacomo Ciamician sulla Chimica delle Piante, Atti del XIV Convegno Nazionale di Storia e Fondamenti della Chimica, Serie V, Vol. XXXV, Parte II, Tomo II, 2011, pp. 123-135.

[1] Ciamician G., 1908. La Chimica Organica negli Orgnaismi, Attualità Scientifiche, n.11, Nicola Zanichelli, Bologna

[2] Ciamician G.; Ravenna C., 1909. Sulla formazione dei glucosidi per mezzo delle piante Rend. R. Acc. Lincei, vol. XVIII, serie 5°, fasc. 12°, pp. 594-596

[3] Cervellati R., Greco E., Dall’Acqua S., Innocenti G., 2011. Piante spontanee e coltivate: c’è differenza? Uno studio di caso su Limonium Narbonense Mill., Natural 1, XI(105) pp. 68-76

[4] Ciamician G.; Ravenna C., 1911. Sul contegno dell’alcool benzilico nelle piante, Rend. R. Acc. Lincei, vol. XX, serie 5°, pp. 392-394

[5] Ciamician G.; Ravenna C., 1911. Ricerche sulla genesi degli alcaloidi nelle piante Rend. R. Acc. Lincei, vol. XX, serie 5°, pp. 614-624

[6] Ciamician G.; Ravenna C., 1911. Sul contegno di alcune sostanze organiche nei vegetali Rend. Acc. Scienze Ist. Bologna, IV memoria, pp. 47-52

[7] Ciamician G.; Ravenna C., 1912. Sul contegno di alcune sostanze organiche nei vegetali Rend. Acc. Scienze Ist. Bologna, V° memoria, pp. 71-76

[8] Ciamician G.; Ravenna C., 1913. Sul contegno di alcune sostanze organiche nei vegetali Rend. Acc. Scienze Ist. Bologna, VI° memoria, pp. 143-153

[9] Ciamician G.; Ravenna C., 1921. Sul significato biologico degli alcaloidi nelle piante, Attualità scientifiche, n. 28, Nicola Zanichelli, Bologna

 

[1] Professore di Chimica Generale nell’Università di Bologna dal 1889 fino alla scomparsa è considerato il fondatore della fotochimica moderna, collaborò al progetto dell’edificio dell’Istituto di Chimica dell’Università di Bologna che oggi ospita il Dipartimento a lui intitolato. Si è occupato attivamente della sintesi di prodotti organici naturali. Oltre a essere uno dei fondatori della fotochimica moderna, Giacomo Ciamician è considerato anche il precursore dell’utilizzo pratico dell’energia solare.

[2] Ciro Ravenna (Ferrara, 1878, Auschwitz, 1944). Dal 1909 in avanti collaborò con Ciamician alle sue ricerche sulla chimica delle piante. Dal 1923 al 1938 occupò la cattedra di Chimica Agraria di Pisa, dove continuò gli studi sulla formazione e sul significato biologico degli alcaloidi. Scrisse un libro sulla chimica vegetale, pedologica e bromatologica. Cacciato dall’università nel 1938 in seguito alle vergognose leggi razziali mussoliniane si guadagnò da vivere con lezioni private. Fu arrestato a Ferrara da italiani repubblichini nel 1943 e deportato nel campo di concentramento di Fossoli, poi trasferito a Auschwitz il 22 febbraio 1944, dove fu assassinato il 26 febbraio 1944.

 


Tagged: agliconi, alcaloidi, Ciro Ravenna, Giacomo Ciamician

Aromaticity, the Hückel 4 n+2 Rule and Magnetic Current

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Aromaticity, the Hückel 4 n+2 Rule and Magnetic Current

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[Full Paper]
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Highly Selective Conversion of CO<sub>2</sub> to CO Achieved by a Three-Dimensional Porous Silver Electrocatalyst

Articles from Wiley - 25 gennaio, 2017 - 00:00

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3D porous silver foam electrocatalyst is demonstrated to convert CO2 to CO with both high efficiency and current density. Presence of active sites in the large electrochemical surface area provided by catalyst and enhanced mass transport is attributed to the improved performance for CO2 reduction.

[Full Paper]
Rahman Daiyan, Xunyu Lu, Yun Hau Ng, Rose Amal
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Ionic Diodes Based on Regenerated α-Cellulose Films Deposited Asymmetrically onto a Microhole

Articles from Wiley - 25 gennaio, 2017 - 00:00

Ionic Diodes Based on Regenerated &#x3B1;‐Cellulose Films Deposited Asymmetrically onto a Microhole

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[Communication]
Barak D. B. Aaronson, Daping He, Elena Madrid, Marcus A. Johns, Janet L. Scott, Lian Fan, James Doughty, Marco A. S. Kadowaki, Igor Polikarpov, Neil B. McKeown, Frank Marken
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Multifunctional Inorganic Nanocomposite of Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>@SiO<sub>2</sub>@Ru(BiPy)<sub>2</sub>(BPC) for DNA Recognition

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[Full Paper]
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Realization of Quantitative Estimation for Reaction Rate Constants Using only One Physical Parameter for Each Reactant

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A cross-century chemical dream that the rate constants of chemical reactions can be quantitatively estimated using only one physical parameter for each reactant is realized by a new physical parameter (named as thermo-kinetic parameter) of reactants derived from Zhu's kinetic equation.

[Full Paper]
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Carbohydrate-BasedSafe Fuel Gel with Significant Self–healing Property

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The compound was accomplished of transforming a array of organic solvents into gels and exhibited a phenomenal gelling capability. It showed excellent stability, adequate tightness and self-healing property that may grant it for a vast range of applications. The xerogel could find compelling applications in wastewater treatment as it can extract pollutants e. g. crystal violet from water. This non-explosive gel can be packed in a polyethylene tube and can be used as a safe fuel for indoor and outdoor heating without any special stove or burner.

[Full Paper]
Kumar Bhaskar Pal, Balaram Mukhopadhyay
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Visual Sensing of Ag<sup>+</sup> Ions through Gelation of Cholesterol- Appended Benzimidazole and Associated Ion Conducting Behaviour

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Visual Sensing of Ag+ Ions through Gelation of Cholesterol‐ Appended Benzimidazole and Associated Ion Conducting Behaviour

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[Full Paper]
Kumaresh Ghosh, Santanu Panja, Subhratanu Bhattacharya
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