As plantas são organismos sésseis: não conseguem escapar de predadores, infeções ou da competição com vizinhos. A solução evolutiva para esta limitação foi o desenvolvimento de um arsenal químico extraordinariamente diverso: metabolitos secundários (ou metabolitos especializados na terminologia moderna). Estima-se que as plantas terrestres produzem coletivamente entre 100 mil e 1 milhão de compostos químicos diferentes com funções defensivas, comunicativas ou atrativas. A diversidade química do reino vegetal supera em muito a de qualquer outro reino biológico.

Os principais grupos de compostos defensivos

Alcaloides: talvez o grupo mais conhecido de compostos defensivos das plantas. Derivam de aminoácidos e contêm um ou mais átomos de nitrogénio em estruturas heterocíclicas. Efeitos típicos nos herbívoros: amargura intensa, toxicidade neurológica, interferência na transmissão nervosa. Exemplos: nicotina (Nicotiana tabacum): bloqueador dos recetores nicotínicos de acetilcolina em insetos (e animais). A planta do tabaco produz nicotina nas raízes e transporta-a para as folhas em resposta ao ataque de herbívoros. Morfina e codeína (Papaver somniferum): agonistas dos recetores opioides. Defesa contra herbívoros através de efeitos sedativos e analgésicos (reduzindo a dor da qual o herbívoro poderia aprender a evitar a planta). Cafeína (Coffea arabica, Camellia sinensis): inibidor do recetor de adenosina. Presente em folhas jovens de café e chá (as mais vulneráveis aos herbívoros) em concentrações mais elevadas do que em folhas maduras. Berberina (Berberis, açafrão-da-terra): antimicrobiana e antiprotozoária. Solanina (Solanum tuberosum: batata): um glicaloide altamente tóxico para insetos e mamíferos. Presente em concentrações inofensivas na polpa da batata madura, mas elevada em batatas verdes e germinadas (não coma batatas verdes!). Estricnina (Strychnos nux-vomica): um dos venenos de plantas mais potentes. Antagonista dos recetores de glicina no sistema nervoso. Glucosinolatos: compostos contendo enxofre encontrados em Brassicaceae (repolho, brócolis, mostarda, raiz-forte). Hidrolisados pela enzima mirosinase (ativada quando as células são danificadas por herbívoros), produzem isotiocianatos, nitritos e outros compostos tóxicos ou repelentes. O cheiro pungente da raiz-forte é o isotiocianato de alilo libertado pela mirosinase. A função de "bomba química": glucosinolato e mirosinase estão compartimentalizados em células diferentes (glucosinolato no vacúolo, mirosinase no citoplasma). Apenas quando o herbívoro quebra a célula ao morder é que entram em contacto e reagem. Um sistema de arma química ativado por dano. Taninos: polifenóis de elevado peso molecular que se ligam a proteínas (incluindo proteínas digestivas de herbívoros), reduzindo a digestibilidade dos alimentos. Presentes em elevadas concentrações em folhas, casca, sementes e frutos imaturos. Castanhas imaturas, bolotas, chá forte: todos ricos em taninos. Nos animais, os taninos reduzem a eficiência digestiva e em doses elevadas são hepatotóxicos. Terpenoides: o maior grupo de metabolitos secundários das plantas. Inclui monoterpenos (mentol, limoneno), sesquiterpenos (cariofileno), diterpenos (resinas), triterpenos (saponinas) e politerpenos (borracha natural). Resinas de pinheiro (ricas em monoterpenos e diterpenos) literalmente aprisionam insetos que perfuram a madeira (o escaravelho-da-casca é "afogado" em resina quando tenta perfurar a casca). Látex: uma solução aquosa branca contendo terpenos, alcaloides, enzimas e proteínas produzida por numerosas plantas (dente-de-leão, figos, eufórbias, papoila). Quando cortado ou mordido, o látex flui rapidamente e cobre o local do dano, aprisionando insetos com a sua viscosidade e envenenando-os com os seus componentes químicos.

Defesas induzíveis vs. defesas constitutivas

As plantas podem manter defesas químicas sempre ativas (defesas constitutivas) ou produzi-las apenas após a ameaça se manifestar (defesas induzíveis). Defesas constitutivas: sempre presentes, independentemente de dano. Mais dispendiosas energeticamente. Mais eficazes contra ataques rápidos. Exemplos: solanina da batata, cafeína em folhas jovens de café, glucosinolatos basais em Brassicaceae. Defesas induzíveis: produzidas (ou aumentadas em quantidade) apenas após ataque. Menos dispendiosas na ausência de ataque. Requerem tempo para serem ativadas. Exemplos: nicotina do tabaco (aumenta 10-20 vezes em resposta ao ataque de lagartas em 24-48 horas), inibidores de protease do tomate (ativados por jasmonato em resposta a dano em 2-4 horas), produção de HIPV (atrativa para parasitoides) já discutida em artigos anteriores. O custo da defesa: a síntese de metabolitos defensivos tem um custo metabólico real. Plantas com elevada produção de alcaloides, taninos ou glucosinolatos crescem mais lentamente do que plantas com baixa produção defensiva na ausência de herbívoros. Existe um contínuo compromisso evolutivo entre investimento em crescimento e investimento em defesa. A evolução selecionou o nível ótimo de defesa para cada espécie com base na pressão de herbívoros no seu ambiente nativo.

As plantas venenosas mais conhecidas em Itália

Em Itália, numerosas plantas selvagens contêm compostos altamente tóxicos. É importante reconhecê-las e compreender por que são perigosas. Atropa belladonna (beladona): contém atropina, escopolamina e hioscina (alcaloides tropânicos). Antagonistas dos recetores muscarínicos de acetilcolina. Mesmo doses moderadas (alguns frutos brilhantes pretos: frequentemente confundidos com amoras ou mirtilos por crianças) causam taquicardia, midríase, alucinações, coma. O nome "belladonna" deriva do uso histórico de suco diluído para dilatar as pupilas (considerado bonito): a atropina ainda é usada em medicina para este fim. Digitalis purpurea (dedaleira): glicósidos cardíacos (digoxina, digitoxina) que inibem a bomba Na+/K+-ATPase em células cardíacas → potencialmente arritmia cardíaca fatal. Em medicina, usada em forma purificada para certas arritmias cardíacas. Taxus baccata (teixo): todas as partes da planta (exceto a polpa vermelha do fruto/arilo) contêm taxinas (alcaloides terpénicos) e taxol (paclitaxel: usado em oncologia mas tóxico em doses não controladas). O teixo é comum em jardins italianos e é venenoso para cavalos, cães, gatos e humanos. Conium maculatum (cicuta): contém coniina e outros alcaloides de piperidina. Paralisia muscular progressiva através da inibição de recetores nicotínicos. O veneno usado para matar Sócrates. Facilmente confundido com salsa selvagem ou funcho selvagem pelas suas folhas (mas tem um odor desagradável característico). Euphorbia spp. (leiteiras): o látex contém diterpenos (ésteres de forbol) fortemente irritantes para a pele e membranas mucosas. O contacto com os olhos pode causar cegueira temporária. Ajuste o solo perto de eufórbias enquanto usa luvas.

Defesas químicas e coevolução com herbívoros

A corrida armamentista química entre plantas e herbívoros é um dos fatores mais importantes na evolução da biodiversidade. As plantas desenvolvem novos compostos defensivos; os herbívoros evoluem mecanismos para neutralizá-los; as plantas respondem com novas moléculas defensivas. Este ciclo coevolutivo produziu muitas das estruturas moleculares mais complexas e úteis da bioquímica. Exemplos de coevolução química: As lagartas de Pieris (borboletas-da-couve) evoluíram enzimas sulfatase que neutralizam os glucosinolatos ativos das Brassicaceae (removendo o grupo sulfato antes que a mirosinase possa produzir isotiocianatos tóxicos). Os afídios Siphonacera (especializados em Brassicaceae) injetam nas células das plantas uma solução que desativa a mirosinase antes de começarem a sugar a seiva. As espécies Heliconius (borboletas tropicais que se alimentam de Passiflora venenosa) evoluíram a capacidade de sequestrar alcaloides cianogênicos de Passiflora, tornando-se tóxicas para seus próprios predadores. Especialização de herbívoros: muitos herbívoros altamente especializados alimentam-se de apenas uma espécie de planta (monófagos) ou de poucas espécies (oligófagos) porque evoluíram mecanismos para neutralizar os compostos defensivos dessas plantas. A lagarta-do-tabaco (Manduca sexta) alimenta-se quase exclusivamente de Solanaceae ricas em nicotina: evoluiu um sistema ativo de excreção de nicotina que a torna imune às concentrações presentes nas folhas de tabaco. Uso humano das defesas das plantas: muitas comunidades indígenas conhecem as defesas químicas das plantas locais e as utilizam como venenos de caça (curare: uma mistura de alcaloides de Strychnos e Chondrodendron para flechas na Amazônia), pesticidas naturais (piretrina de Chrysanthemum como inseticida), medicamentos (centenas de plantas medicinais tradicionais com princípios ativos já identificados e sintetizados).

Fitofarmacêuticos: das defesas das plantas aos medicamentos modernos

A farmacologia moderna deve uma enorme dívida aos metabólitos defensivos das plantas. Aproximadamente 25% dos medicamentos prescritos em todo o mundo ainda contêm ingredientes ativos de origem vegetal ou derivados semi-sintéticos de estruturas vegetais. Os medicamentos mais importantes derivados de plantas: Aspirina (ácido acetilsalicílico): um derivado sintético do ácido salicílico, presente naturalmente na casca do salgueiro-branco (Salix alba), utilizado há milênios por seus efeitos analgésicos e anti-inflamatórios. A forma acetilada (aspirina) foi sintetizada pela Bayer em 1897. Morfina e codeína: extraídas do ópio (o látex seco de Papaver somniferum). Os analgésicos opioides ainda são insubstituíveis no tratamento da dor severa. Taxol (paclitaxel): extraído da casca do teixo-do-Pacífico (Taxus brevifolia). Um dos medicamentos anticâncer mais amplamente utilizados (câncer de mama, ovário, pulmão). O mecanismo: estabiliza os microtúbulos das células em divisão, bloqueando a mitose. A escassez de casca de teixo selvagem impulsionou a síntese semi-sintética a partir de precursores extraídos das folhas do teixo-europeu (Taxus baccata: cultivado em grandes plantações na Europa). Quinina: da casca de cinchona (Cinchona spp., Andes da América do Sul). Um antimalárico utilizado há séculos. Ainda em uso como profilaxia em algumas áreas endêmicas. Digitoxina e digoxina: de Digitalis purpurea. Glicosídeos cardíacos para insuficiência cardíaca com fibrilação atrial. Reserpina: de Rauwolfia serpentina (Índia). O primeiro medicamento moderno para reduzir a pressão arterial. Vimblastina e vincristina: de Catharanthus roseus (pervinca-de-Madagáscar). Alcaloides utilizados em quimioterapia para leucemias e linfomas. Artemisinina: de Artemisia annua (absinto-doce). Um antimalárico de nova geração. Prêmio Nobel de Fisiologia 2015 concedido a Youyou Tu por sua descoberta.