Tema 2 - Apuntes 2 PDF

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Apuntes tema 2 de Metabolismo Secundario...

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TEMA 2. TERPENOS O ISOPRENOIDES 1. Introduccion 2. Biosintesis 2.1. Estructuras especializadas en la síntesis y acumulación de terpenos. 2.2. Síntesis de IPP, reacciones intermedias y modificaciones secundarias 2.3. Localización subcelular 2.4. Regulación de la síntesis 3. Funciones de los terpenos 4. Principales grupos 4.1. Hemiterpenos 4.2. Monoterpenos 4.3. Sesquiterpenos 4.4. Diterpenos 4.5. Triterpenos y esteroides 4.6. Tetraterpenos 4.7. Politerpenos 5. Interacciones complejas mediadas por terpenos 6. Estrigolactonas, micorrizas y plantas parasitas 7. Plantas transgénicas

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS TERPENOS Los terpenos también se conocen con el nombre de isoprenoides y son el grupo más abundante de metabolitos secundarios, hay más de 40.000 terpenos distintos. No son exclusivos de plantas, también los hay en animales y microorganismos. Su precursor es isopentenil difosfato, todos derivan de este el cual tiene 5 C. El nombre de terpenos viene de una palabra alemana que se refiere a la extracción volátil de la resina de los pinos. El nombre de terpeno viene de la palabra alemana terpentin que es el nombre que le asignaron al compuesto obtenido (aguarrás) de la destilación de la resina de ciertos pinos. Los terpenos son de naturaleza lipídica por lo que no son solubles en agua. Tienen un origen biosintético común y están formados por unidades básicas de 5 carbonos.

Los terpenos se originan por polimerización enzimática de dos o más unidades de isopreno (compuesto de 5C), ensambladas y modificadas de muchas maneras diferentes. La mayoría de los terpenos tienen estructuras multicíclicas, las cuales difieren entre sí no sólo en grupo funcional sino también en su esqueleto básico de carbono. El precursor del isopreno y por tanto de los terpenos es el isopentenil difosfato (IPP) en eucariotas y el dimetilalil difosfato en procariotas En función del número de carbonos los terpenos reciben las diferentes denominaciones que se muestran en la siguiente tabla:

Cuando se calientan se libera isopreno, y por ello se pensó que el isopreno era el precursor, pero es al revés, a partir del isopentenil difosfato obtenemos el isopreno y no al contrario. Muchos son oxidados y la mayoría son cíclicos. Muchas veces encontramos moléculas mixtas: pueden formar ésteres, alcaloides isoprenoides, glucósidos y moléculas preniladas. Por tanto: *Liberacion de isopreno a alta T *La mayoria son cíclicos *Muchos derivados oxidados *Muchas estructuras compuestas: -esteres (ésteres de forbol) -alcaloides isoprenoides (taxol) -glucósidos (cardenólidos, saponinas) -moléculas preniladas (clorofila, citoquininas)

Tienen una solubilidad en agua bastante baja, por lo que no se pueden almacenar en la vacuola, sino que tienen estructuras especializadas para almacenarlo. Ejemplos de estos lugares de almacenamiento son los pelos glandulares, cavidades secretoras, canales de resina…En todos estos casos se pretende almacenar los terpenos separados de las enzimas que están en el citosol.

Si el insecto insiste en comerse la hoja, rompe estos pelos glandulares y liberan terpenos que son tóxicos. Además, muchos de estos terpenos de los pelos desprenden mal olor evitando que el insecto se acerque. Muchos de los terpenos poseen características insecticidas por lo que ejercen una función defensiva en la planta contra los insectos. La mayoría de los terpenos son cíclicos, de ahí que la principal enzima que actúa en la ruta de síntesis se denomine también terpeno ciclasa.

BIOSINTESIS DE LOS TERPENOS Sintesis del precursor fundamental IPP (isopentenil difosfato) -ruta del acido mevalónico -ruta plastidica Fases intermedias: -preniltransferasas (elongación) -terpeno sintasas (síntesis terpenos) Modificaciones secundarias y transformaciones

La biosíntesis de los terpenos se realiza a través de dos rutas distintas, la ruta del ácido mevalónico en el citosol y la ruta plastídica del piruvato en los cloroplastos y otros plastidios o vía del 3-PGA/piruvato. Ambas rutas llegan al precursor fundamental isopentenil difosfato (IPP) o el dimetilalildifosfato. Después de la síntesis del precursor los terpenoides tienen que pasar por unas fases intermedias de elongación y de síntesis definitiva de terpenos, concluyendo con la fase de modificaciones y transformaciones finales. Las preniltransferasas catalizan la transferencia de un isoprenoide difosfato a otro isoprenoide difosfato (elongacion) o a otro aceptor no isoprenoide (prenilacion), de estas la mas estudiada es la farnesil difosfato sintasa

Los eucariotas usan la vía del mevalonato, mientras que en procariotas se emplea la vía del metil-eritrol fosfato. En plantas ambas.

En la vía del ácido mevalónico se sintetiza el ácido mevalónico a partir de los tres grupos acetilos que se insertan en forma de acetil coA. A partir de estos se forma el acido mevalónico con 6C. Después tienen lugar fosforilaciones, una descarboxilación y nos encontramos con el isopentenil difosfato. La enzima que convierte el 3 hidroxi-3-metil glutaril coA en ácido mevalónico es la HMG-coA reductasa.

Se conocen varias isoenzimas de la HMG-coA reductasa y cada una de ella está especializada en una función específica. En el ejemplo la enzima sintetiza el acido mevalónico dirigido a la síntesis de esteroles; otro ejemplo es el acido mevalónico dirigido a la síntesis de fitoalexinas. La diferencia entre ambas enzimas es la regulación. Una sigue un programa de regulación y la otra se activa como respuesta a patógenos. El sitio catalítico queda hacia el citosol

SÍNTESIS DE LOS TERPENOS: RUTA CLOROPLÁSTICA DEL PIRUVATO/GLICERALDEHIDO-3-FOSFATO

DISTINTAS ISOENZIMAS DE LA HIDROXIMETILGLUTARILCoA REDUCTASA ASOCIADAS A LA SINTESIS DE DIVERSAS CLASES DE TERPENOS Y ADEMÁS ES ESENCIAL EN LA RUTA DEL ÁCIDO MEVALÓNICO

El precursor de todos los terpenos es el isopentenil difosfato o su isómero. La unión de 2 unidas de 5C forman el geranil difosfato que es el precursor de todos los monoterpenos. Si añadimos otra molécula de 5C se forma el farnesil difosfato que es el precursor de los sesquiterpenos.

En este esquema general vamos a destacar dos familias de enzimas. PRENILTRANSFERASAS Catalizan la transferencia de un isoprenoide difosfato a: otro isoprenoide difosfato (elongación) otro aceptor no isoprenoide (prenilación) La mas estudiada: farnesil difosfato sintasa TERPENO SINTASAS Catalizan la formación de terpenos a partir de: GPP monoterpeno sintasas FPP sesquiterpenos sintasas GGPP diterpeno sintasas En muchos casos, se emplean como sinónimos CICLASAS y SINTASAS Se usan a veces ciclasa y sintasa porque la síntesis acaba siendo una ciclación, pero eso no es siempre así.

No todos los tipos de terpenos se fabrican en los mismos sitios de la célula. Vemos como en el citosol se sintetizan triterpenos, esteroides, politerpenos y sesquiterpenos y participan enzimas asociadas al RE. En el cloroplasto más o menos los terpenos que son múltiplos de 10 (10,20,40).

Si nos fijamos en los plastos hay plastos especializados en sintetizar una clase específica de terpenos.

Además, se ha observado que a veces hay cierto intercambio de terpenos entre cloroplasto y citosol

REGULACION DE LA SINTESIS DE LOS TERPENOS En general la regulación se realiza mediante el control de los genes que participan en la expresión de los compuestos y enzimas de la ruta metabólica. Los elicitores fúngicos inducen la expresión de la sesquiterpeno ciclasa pero a su vez reprimen la síntesis de la escualeno sintasa. La regulación de los terpenos por realimentación negativa es muy rara o inexistente. El licopeno es un pigmento vegetal, soluble en grasas, que aporta el color rojo característico a los tomates y sandías entre otros vegetales. Es un terpeno que pertenece a la familia de los carotenoides. El contenido en licopeno aumenta con la maduración de los tomates y puede presentar grandes variaciones según la variedad, condiciones del cultivo como el tipo de suelo y clima, tipo de almacenamiento, etc. Su regulación está incluida en el programa de desarrollo de la planta mediante el control de la expresión de los genes participantes.

Por tanto, y como resumen de lo anterior, la síntesis de fitoalexinas (sesquiterpenos cíclico) responde a señales de patógenos, y en este caso se ha visto que elicitores fúngicos hace que aumente la expresión de la sesquiterpenos ciclasa y suprime la expresión de la escualeno sintasa, esto es porque dirigimos todo el farnesil PP hacia la síntesis de moléculas defensivas, en vez de dedicarse a la síntesis de moléculas estructurales (esteroles) que forman parte del metabolismo primario, centrándose en caso de defensa en el metabolismo secundario.

FUNCIONES DE LOS TERPENOS FUNCIONES PRIMARIAS Hormonas: ABA, GAs, brasinoesteroides Esteroles (membranas) Dolicoles (transporte de azucares) Carotenoides (pigmentos fotosinteticos) FUNCIONES SECUNDARIAS Tóxicos (piretrinas, resinas, aceites esenciales) Fitoalexinas (sesquiterpenos de Solanaceas) Disuasores alimentarios (lactonas de sesquiterpenos) Atrayentes polinizadores y dispersores (carotenoides) Alelopatía

Hay TERPENOS ALELOPÁTICOS. Cuando hablamos de alelopatía los compuestos vegetales más importantes son los fenólicos, pero esta actividad alelopática se ha descrito para todo tipo de metabolitos secundarios. En ambos casos vemos que la actividad alelopática se debe a monoterpenos. Muchos de los terpenos son volátiles y esto permite que haya interacción entre plantas a través del aire. Los terpenos van a mediar muchas interacciones a través de compuestos volátiles, sobre todo de planta-planta aunque también planta-insectos. La naturaleza química de las Fitoalexinas es diferente en función de la planta que la sintetice. Existen terpenos volátiles que producen alelopatías en las

plantas vecinas, que se transmiten a través del aire, como ocurre con los monoterpenos canfor, mintenal y cavanona, producidos por el romero de Florida (Ceratiola ericoide), o también con ciertos terpenos volátiles sintetizados por algunas labiadas como la menta, el romero y el tomillo, o los aceites esenciales del eucalipto, como el cineol, limoneno, etc

El ácido ursólico es un compuesto que se encuentra en plantas muy comunes y esta generalmente en forma de glucósido y pertenece al grupo de las saponinas. Parece que por sí mismo no tiene actividad alelopática pero potencia mucho esta actividad en otros terpenos presentes en la planta. Una de las plantas con mas actividad alelopática es el eucalipto donde nos encontramos los cineoles que tiene la capacidad de inhibir la germinación de muchas plantas. El sabor a limón de muchas bebidas y perfumes se debe al citral que es una mezcla de dos monoterpenos (geranial y neral). Hace poco se descubrió que el citral podía bloquear la mitosis interaccionando con los microtubulos, por lo que se hizo un estudio para usarlo posiblemente como agente alelopático. Su mecanismo de acción se basa en la interacción con la tubulina del citoesqueleto, previniendo su polimerización y la elongación de los microtúbulos, einterfiriendo en los procesos de división y movimiento celular.

HEMITERPENOS (5C) Los hemiterpenos son los terpenos más pequeños, con una sola unidad de isopreno. Poseen 5 carbonos y 2 enlaces dobles en su estructura. El hemiterpeno más conocido es el propio isopreno, un producto volátil que se desprende de los tejidos fotosintéticamente activos. Su volatibilidad hace que las plantas de todo el planeta se desprendan de 500 x 109 kg de C al año.

ISOPRENO SINTASA La enzima isopreno sintasa cataliza la síntesis de isopreno a partir del dimetilalil-difosfato y está presente en los cloroplastos de muchas especies C3. Se presenta de dos isoformas, una aislada en el estroma y otra ligada a tilacoides. Presente en el cloroplasto de muchas especies C3 Aislada una isoforma soluble en el estroma y una ligada a tilacoides Cataliza la síntesis de isopreno a partir de dimetilalil-difosfato LA EMISION DE ISOPRENO: -Aumenta con la temperatura -Es mayor en la luz -Como efecto negativo, favorece la formación de O3 (en la troposfera) y de otros compuestos que tienen efecto invernadero Las plantas C3 son más sensibles a las altas temperaturas que las C4, y sintetiza el isopreno a partir del isopentenil P-P La emisión de ispreno le sirve a la planta para aumentar su tolerancia a episodios de alta temperatura. En las plantas se ha probado el efecto beneficioso de la emisión de isopreno y se constata que:

Se produce una disminución de la tolerancia térmica cuando disminuye la emisión de isopreno en mutantes con defectos en la síntesis o mediante el uso de inhibidores de la isopreno sintasa Se experimenta un aumento de la tolerancia térmica cuando aumenta la cantidad de isopreno por fumigación o por sobre-expresión de isopreno sintasa La emisión de isopreno disminuye otros mecanismos que se activan al aumentar la temperatura, como la emisión de terpenos o la activación de antioxidantes. Se experimenta un aumento de la fotosíntesis neta a altas temperaturas en plantas fumigadas con isopreno. Conclusión: el isopreno tiene actividad antioxidante que hace innecesaria la activación de los otros mecanismos. Se piensa que el beneficio es estabilizar la planta en episodios de aumento de temperatura.

DERIVADOS DE HEMITERPENOS Los terpenos volátiles son aquellos que tienen menor número de carbonos, como son el isopreno, los monoterpenos y los sesquiterpenos. La emisión de terpenos volátiles a la atmósfera afecta a la química de esta y a la formación de aerosoles. Además intervienen en la comunicación planta-insecto y planta-planta. Los terpenos volátiles tienen gran interés porque aumentan la resistencia de las plantas al estrés térmico y oxidativo, y al estrés biótico, pero también tiene efectos adversos sobre el clima. Como derivados más conocidos de los terpenos podemos citar el ácido lisérgico, que es sintetizado por el hongo Claviceps purpurea, conocido como la cornezuela del centeno, y la humulona que es un aceite esencial que se sintetiza en la planta del lúpulo (Humulus lupulus). La humulona la encontramos en el lúpulo y le da el sabor amargo que nos encontramos cuando nos bebemos una cerveza.

MONOTERPENOS (10 C) Unidades básicas de las que deriva la nomenclatura de los terpenos Están compuestos por metabolitos lipofilicos, volátiles e incoloros Síntesis y almacenamiento en estructuras especializadas de las plantas Derivan del geranildifosfato Principales funciones: interacciones planta-insecto -atraen polinizadores (aromas florales) -defensa (partes vegetativas) *tóxicos *disuasores *atraen parásitos y depredadores Interacción planta-planta: alelopatia (canfor, mirtenal, mentofurano) Como ya hemos visto anteriormente, las PIRETRINAS son insecticidas naturales que se sintetizan en algunas plantas de la familia de las Compuestas (Chrysanthemum y Tanacetum). La PERMETRINA es un análogo sintético de las piretrinas. Tiene una vida media más larga. Su uso es agrícola (insecticida, acaricida) y también como anti-piojos. Las RESINAS naturales constituyen mezclas de compuestos de amplia variedad e interés comercial. La extracción, transformación y usos de éstas resinas se describen desde la antigüedad, existen en la Biblia, el Ramayana, el Mahabharata y otros escritos que datan de los primeros siglos de nuestra era. Dentro de las resinas naturales se destaca la extraída de los pinos (coníferas). Las resinas u oleorresinas son secreciones producidas por plantas superiores lignificadas del género Pinus, constituidas por ácidos resinosos disueltos en una mezcla de compuestos terpénicos. Se denomina resina a este exudado arbóreo mientras permanece en el árbol. Cuando es obtenida en su estado bruto se le denomina miera. Una vez purificada recibe el nombre de oleorresina. De la oleorresina se le separan sus componentes sólido (colofonia) y líquido (aguarrás). Los pinenos, al igual que el limoneno y el mirceno, son monoterpenos que mezclados se presentan en la resina y en tallos y hojas de los pinos. También tienen un efecto como insecticida. Se conocen dos tipos de pinenos, alfa y beta pineno: el α pineno se emplea en la producción de aceite de pino, canfeno, terpineol, terpinoleno, acetato de terpinilo y dipenteno. A partir del β pineno se sintetiza mirceno.

TUJONA (thujone) Es el agente neurotóxico del aceite del ajenjo o Artemisia absinthium (Compositae/Asteraceae). El sabor amargo del ajenjo también, denominado absenta, viene de las lactonas absinthin y anabsinthin. En España está prohibida su comercialización y venta.

ACEITES ESENCIALES Los aceites esenciales suelen estar compuestos por una mezcla de mono y sesquiterpenos. Las plantas los utilizan como disuasores alimentarios, pero además se ha extendido su uso en la industria alimentaria y en perfumería adquiriendo una gran importancia industrial en la actualidad. Los principales monoterpenos componentes de los aceites esenciales del limón y de la menta son el limonene y el mentol respectivamente. ATRAYENTES de polinizadores podemos citar - linalool - 1,8-cineol (eucaliptol).

SESQUITERPENOS (15C) Son los terpenos de 15 carbonos (es decir, terpenoides de un monoterpenoide y medio). Muchos sesquiterpenoides están presentes en los aceites esenciales. Además muchos sesquiterpenos cíclicos actúan como fitoalexinas de SOLANÁCEAS, compuestos antibióticos producidos por las plantas en respuesta a la aparición de microbios, y como inhibidores de la alimentación ("antifeedant") de los herbívoros oportunistas. La hormona de las plantas llamada ácido abscísico (ABA) es estructuralmente un sesquiterpeno Las LACTONAS DE SESQUITERPENOS (en la familia Asteraceae) son un tipo de compuesto químico terpenoide presente en algunos taxones de plantas. Son conocidas principalmente en las Asteraceae (donde son diversas y taxonómicamente útiles. La nobilina es una lactona de sesquiterpeno de la manzanilla

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ACCIÓN ANTI-MALARIA DE LA ARTEMISINA

La artemisina es una lactona de sesquiterpeno de Artemisia annua con efectos antimalaria. MALARIA. •Del griego malaria (mal aire), también denominada fiebre palúdica o paludismo, es una enfermedad producida por parásitos del genero Plasmodium. •Para humanos hay cuatro especies de Plasmodium que provocan la malaria o paludismo:P. vivax, P. ovale, P. malariae y P. falciparum, de las cuales solo la ultima es realmente una amenaza para la vida. •En el ciclo del Plasmodium existe un vector (la embra del mosquito Anopheles, donde el Plasmodium se reproduce sexualmente) y un hospedador vertebrado intermediario (el ser humano ). •El parasito es transmitido a los humanos a través de los mosquitos infectados •En el cuerpo humano, los parásitos se multiplican en el hígado, y a continuación infectan los glóbulos rojos

25 April 2007 About 40% of the world’s population, mostly those living in the poorest countries, are at risk of malaria. Of these 2.5 billion people at risk, more than 500 million become severely ill with malaria every year and more than 1 million die from the effects of the disease. Malaria is especially a serious problem in Africa, where one in every five (20%) childhood deaths is due to the effects of the disease. An African child has on average between 1.6 and 5.4 episodes of malaria fever each year. And every 30 seconds a child dies from malaria.

El tratamiento histórico de la malaria: LA QUININA El puente peróxido de la artemisina es esencial para su actividad. Se rompe por interacción con Fe2+ y genera radicales que inactivan SERCA.

PROBLEMAS DEL USO DE ARTEMISININA Y DERIVADOS COMO ANTIMALÁRICOS •Corta vida media -Combinación con otros antimalaricos -Búsqueda de análogos con vida más larga •Coste relativamente alto -Producción de análogos sintéticos -Producción en microorganismos No pongo de la diapo 54 a la 56 porque ya me parece entrar en demasiado detalle

Como curiosidad podemos citar que se han descubierto antimaláricos de origen marino, procedentes de algunas esponjas y algas rojas que producen diterpenos, sesquiterpenos y compuestos aromáti...