Introducción a la Biotecnología vegetal Metabolismo secundario (Fitoquimicos) Dra. María Inés Isla 2012
H2O
Fotosíntesis
CO2
Biotecnología Vegetal Fisiológico:
Botánico Identificación taxonómica Micrográfico
Aa aromáticos
Absorción y transporte de agua y nutrientes Fisiología del estrés hídrico Fitohormonas: Crecimiento y desarrollo
Metabólico: Metabolismo Primario y secundario
H2O
Fotosíntesis
CO2
METABOLISMO VEGETAL
METABOLISMO PRIMARIO Hidratos de Carbono
Proteínas
Crecimiento y desarrollo del individuo Indispensable Uniforme Aa aromáticos
Universal Conservativo
Grasas
CARBOHIDRATOS
Fuente de Energía Componentes Estructurales Señalización Detoxificación
LOS OLIGOFRUCTANOS
El
Yacón es una fuente
importante de FOS: FOS: La raíz contiene entre 80 y 90% 90 % de FOS El DP promedio de estos oligosacaridos
favorece
el
desarrollo de bifidobacterias Edulcorantes naturales No cariogénicos A las hojas se les atribuye propiedades antiestrés
YACON
POTENCIALES EFECTOS FISIOLOGICOS DE LOS CARBOHIDRATOS NO ABSORBIBLES
• VOLUMEN FECAL................
• COLESTEROL
• BACTERIAS.........................
• TG ( INSULINA,
• SELECTIVO DE BACTERIAS..
• NH3
• AGCC....................................
• UREA
• SELECTIVO AGCC................
• VITAMINA B
• ABSORCION DE MINERALES.
• FUNCION INMUNOLOGICAS
• SINTESIS DE VITAMINAS (B)..
• GLUTAMINA
GLUCOSA)
PROTEÍNAS FUNCIONES
Estructural Enzimática Hormonal Transporte Inmunológica
LIPIDOS Almacenamiento de Energía Componentes estructurales Producción de calor Señalización
Los ácidos grasos de cadena larga poliinsaturados (AGPI), tienen efectos beneficiosos que incluyen la prevención de numerosas dolencias tales como enfermedades coronarias, inflamación, desordenes autoinmunes, hipertensión, hipotrigliceridemicos, entre otras
H2O
Fotosíntesis
CO2
METABOLISMO PRIMARIO Glicólisis
METABOLISMO VEGETAL
PF E-4P
Fosfoenolpiruvato
Piruvato Acetil CoA
Ciclo de Krebs
Vía ácido shiquímico
Vía ácido malónico
Vía ácido mevalónico
Supervivencia
Aa aromáticos
NITROGENADOS
METABOLISMO INTERMEDIO??
FENÓLICOS
TERPENOS
METABOLISMO SECUNDARIO
Estrategias relacionadas a la defensa química de las plantas
Acumulación constitutiva (Fitoanticipinas) Producción de protoxinas
Inducción (Fitoalexinas)
FITOANTICIPINAS
Protoxinas
Glicósidos cianogenéticos se metabolizan a cianuros: inhiben Na/K ATPasa Glucosinolatos se metabolizan a isotiocianatos Benzoxazinoides se metaboliza a agliconas fitotóxicas Saponinas : rompen la membrana celular Morfina Se metaboliza a bismorfina la que se liga a la pectina de la PC haciendola mas R a la hidrólisis por pectinasas
Fitoalexinas: Solanaceas---- Sesquiterpenoides Fabaceas---- isoflavonas
Almacenamiento
Metabolismo primario P
A
B
C
P
Metabolismo secundario A
B
C
Macromoléculas
P1
P
P2 P3
Transformación
P4 P5
Almacenamiento P1 P4 P2 P3 P5
Transformación Reacciones de conjugación con glicósidos, grupos hidrofílicos alifáticos, compuestos fenólicos, funciones carboxilo o grupos amino
Polimerización: los compuestos aromáticos y heterociclicos tienden a ser convertidos en estructuras insolubles de alto peso molecular que se incorporan a las paredes celulares ya que estas ofrecen una matriz de polisacáridos y proteínas donde pueden formarse polímeros
Degradativas: donde los productos son convertidos a estructuras del Metabolismo Primario
BIOSÍNTESIS DE METABOLITOS SECUNDARIOS Definida por: El espacio El tiempo La translocación Modificaciones post-biosintéticas El almacenamiento. El catabolismo Su lento turnover
compuesto
Vida media
Planta
Glucósido del ácido nicotínico 24 horas
Glycine max
Glucosido de delfinina
25-31 horas
Petunia híbrida
Acido clorogénico
20 horas
Xanthium pensylvanicum
Coniferina
60-120 horas
Picea abies
morfina
7,5 horas
Papaver sommniferum
Compartimientos de almacenamientos
Compuestos Hidrofílicos
Vacuolas: mayoría de los alcaloides, aa no proteícos, glicósidos, flavonoides, antocianinas, taninos, comp. Cianogénicos, glucosinolatos, aminas Laticiferos: algunos alcaloides, comp. Cianogénicos, aa no proteícos, glicósidos cardíacos Apoplasto: taninos
Cutícula: resinas, flavonoides lipofílicos, terpenoides Tricomas: monoterpenos, sesquiterpenos
Compuestos lipofílicos
Laticiferos: politerpenos, diterpenos, flavonoides lipofilicos, quinonas Conductos resiniferos: terpenos (c10,C15,C20,C30) flavonoides lipofilicos
Membrana plastídica: ubiquinona, tetraterpenos
Células oleífera: antroquinonas, (hipericina), terpenoides
METABOLISMO VEGETAL
Afectado por: la luz las fitohormonas la disponibilidad de N. C., P y demás nutrientes, la temperatura el estrés biótico y abiótico.
H2O
Fotosíntesis
CO2
METABOLISMO PRIMARIO Glicólisis
METABOLISMO VEGETAL
PF E-4P
Fosfoenolpiruvato
Piruvato Acetil CoA
Ciclo de Krebs
Vía ácido shiquímico
Vía acetato malonato
Aa aromáticos
Compuestos FENÓLICOS
METABOLISMO SECUNDARIO
Compuestos fenólicos Vía del ácido shiquímico
Derivados fenilpropanoides
Vía del acetato malonato
Policétidos: cromonas, isocumarinas, depsidos, xantonas y quinonas
Biogénesis mixta
Vía del ácido shiquímico-Acetato-malonato: Flavonoides Vía del ácido shiquímico-mevalonato: quinonas o furano y piranocumarinas y cannabinoides Shiquimico-malonato-mevalonato: rotenoides
Clasificación de los compuestos fenólicos según su grado de complejidad C6 Fenoles simples C6-C1 Ácidos Benzoicos y relacionados C6-C2 Acetofenonas, ácidos fenol acético C6-C3 Ácidos cinámicos y relacionados C6-C3 Cumarinas y relacionados C6-C3-C6 Flavonoides y derivados C6-C1-C6 benzofenonas y estilbenos C6-C2-C6 xantonas
COMPUESTOS FENOLICOS
COMPUESTOS FENOLICOS FLAVONOIDES Flavonas Flavonol Flavanona Antocianina Dihidroflavonol isoflavonoides
COMPUESTOS FENOLICOS NO FLAVONOIDES
C6 Fenoles simples C6-C1 Ácidos Benzoicos y relacionados C6-C2 Acetofenonas, ácidos fenol acético Ácidos cinámicos y C6-C3 relacionados C6-C3 Cumarinas y relacionados C6-C1-C6 estilbenos C6-C2-C6
benzofenonas y xantonas
PEP + E4P
Shiquimato
corismato
oseltamivir Fenil alanina y tirosina triptofano
Compuestos fenólicos no flavonoides
Flavonoides isoflavonoides
Derivados fenilpropanoides
Fenolicos no Flavonoides
Ácido cafeico
ácido ferulico
ácido sinápico
Tioesteres de CoA Flavonoides e isoflavonoides Chalcona Flavanona
dihidroflavanona
Aldehidos de fenilpropanoides isoflavona
Flavonol
Alcoholes o monolignoles
lignanos Antocianidina
lignina
LIGNANOS:
.
ACCIONES Citotóxica y antimitótica Hepatoprotectora Antirreumática Antialérgica Antiagregante plaquetario Adaptógeno Antineoplásico
LIGNINAS Radicales libres fenoxi
FIBRA ALIMENTARIA polisacáridos+oligosacáridos+lignina cereales, frutas, verduras, legumbres FUNCIONES Estimular la peristalsis intestinal Aumentar el volumen de las heces Prolongar la sensación de saciedad Prevención de enfermedades cardiovasculares y cáncer de colon Reducción del colesterol plasmático
Derivados fenilpropanoides Ácido cafeico
ácido ferulico
Cumarinas
Chalcona Flavanona
Flavona Antocianidina
dihidroflavanona
Simples isoflavona
Flavonol
Flavonoides e isoflavonoides Antocianidina
Complejas
ácido sinápico
Vit K
Mellilotus officinalis Inhibe la síntesis de protrombina y tromboplastina
Cumarinas policiclicas o condensadas
Actividades biológicas Actividad anticoagulante (inhibe la síntesis de protrombina y tromboplastina) y antibacteriana: dicumarol Estimulan el SRE y el poder proteolítico de los macrófagos Hepatotóxicas: Aflatoxinas Hepatoprotectora: silimarina Estrogénica: cumestrol Fotosensibilizante (cosmética y farmacia) furanocumarinas (PUVA): aumentan el número de melanocitos y la producción de melanina Saborizante Perfumería
Castaño de indias.
Melilotus officinalis
Derivados fenilpropanoides
Lignanos Ligninas cumarinas
Ácido benzoico
Chalcona Flavanona
isoflavona
dihidroflavanona
Ácido clorogenico Antocianidina
Ácido salicilico
5CQA >4CQA >3CQA >5 FQA >4FQA >3FQA >3,4 diCQA >4,5 diCQA, 3,5diCQA
Ácido clorogénico tiene mayor capacidad antioxidante que la vitamina E y C
33% se absorbe
+ lactonas de ácido clorogénicos Olor y sabor
Derivados fenilpropanoides Ácido cafeico
Flavonoides e isoflavonoides Chalcona Flavona Antocianidina
Flavanona
dihidroflavonol
Antocianidina
isoflavona Flavonol
ácido ferulico
ácido sinápico
policétido
Kaempferol (flavonol)
naringenina
dihidrokaempferol
flavanona dihidroflavonol
Citroflavonoides: quercetina (flavonol) hesperidina(flavanonol) rutina (flavonol) naringenina (flavanonol)
Quercetina: Cebolla Manzanas Brócolis Cerezas Uva Repollo rojo
Antocianinas: forman parte del grupo de flavonoides hidrosolubles y son las que le proporcionan el color a muchas flores y frutos.
flavonoide
color
• Pelargonidina
rojo naranja
• Cianidina
rojo púrpura
• Delfinidina
azul púrpura
• Peonidina
rojo rosado
• Petunidina
púrpura
Fitoestrógenos: Isoflavonas
Daidzeina, genisteina, equol Isoflavonas----(-) cáncer de mama promovido por estrógenos Modula reacción de estrógenos ligándose a sus receptores
Derivados fenilpropanoides
Ácido benzoico
Chalcona Flavanona
isoflavona
dihidroflavanona
Ácido clorogenico Antocianidina
Ácido salicilico
ANTIOXIDANTES
Comp.fenólicos
Hipocolesterolémicos: Su habilidad para bloquear la acción de enzimas específicas
Carcinoma epidermoide de laringe (Hep-2) Artritis degenerativa (McCoy)
Los citostáticos son fármacos capaces de inhibir el crecimiento desordenado de las células tumorales, alterando la división celular y destruyendo las células que se multiplican más rápidamente.
TANINOS * TANINOS HIDROLIZABLES
TANINOS CONDENSADOS
Gimnospermas
dicotiledóneas
Monocotiledóneas Musgos , hepáticas y helechos
Ogaloil
Catequingalato
ACCIONES DE LOS TANINOS EN EL HOMBRE Antidiarreicos Vasoconstrictor de vasos superficiales Antisépticos, antibacterianos, antifúngicos Depuradores de radicales libres e inhibidores de la formación de superóxidos Disminución de la permeabilidad y fragilidad capilar Aumento del tono muscular y estabilización del colágeno Cicatrizante ACCIONES DE LOS TANINOS EN PLANTAS Protege contra los herbivoros e insectos ya que se unen a las proteínas digestivas (tripsina, quimiotripsina, amilasa, glucosidasa, lípidos ): ligamiento reversible e irreversible (H+) causan necrosis en la mucosa gástrica y fallas renales y hepáticas debido a la hidrólisis intestinal por esterasas que liberan ácidos fenólicos que son tóxicos.
Antocianinas
POLIFENOLES
R OH
+ O
HO
A
Flavonoides
B R'
C OH
OH
Taninos
LAS QUINONAS: *
Benzoquinonas
Naftoquinonas
Antraquinonas
Naftoquinonas: a partir de la vía del ácido shiquimico
Juglans regia
Lawsonia inermis Antihelmintico Fungistático
Naftoquinona a partir de la vía del acetato malonato
Antiespasmodica, antifúngica, antiprotozoaria
Drosera rotundifolia
ANTROQUINONAS reducida
Laxantes: 1 y 8 HO 3 CH3 6 CH3O (si o no) oxidada
6
3 1 1y8 Efecto laxante
6 1
Rhamnus frangula Rheum (ruibarbo)
Cassia sp
Aloe
oscuridad
Luz
Hypericum perforatum
Naftodiantrona
Quinonas policiclicas
Terpenos Isopreno H3C CH-CH=CH2
H2C
MEP: 2C-methyl-D-erythritol 4-phosphate
ACCIONES DE LOS TERPENOIDES Sedantes, tranquilizantes y favorecedores del sueño Antiinflamatoria Analgésica Cardiotónica (cardenólido)
Diterpenos: su acción radica en promover la polimerización de la tubulina con la subsiguiente estabilización de microtúbulos por formación de complejos estables. De esta manera previene la división celular.
TRITERPENOS Los esteroles son triterpenos que contribuyen a disminuir el colesterol en los animales y en el hombre.
Estigmasterol (cítricos, papa y tomate)
Citrostadienol (cítricos y papa)
Fitoesteroles
Sitosterol
Campesterol
Disminuyen la absorción Carotenoides
Licopeno
β-caroteno
intestinal del colesterol
Anticancerígenas Antiinflamatorias antioxidantes Presentan actividad de provitamina A Producen disminución de enfermedades coronarias y algunas enfermedades degenerativas Poseen actividad antioxidante
Luteína
ALCALOIDES
Alcaloide alifáticos 1. Derivados de la coniina (tropánicos, pirrolidinas, pirrolizidínicos) 2. Derivados de la lisina (piperidinas, quinolizidínicos) Alcaloides aromáticos 1. Derivados del ácido nicotínico (piridinas) 2. Derivados de la fenilalanina y tirosina (isoquinoleinas) 3. Derivados del triptofano (indólicos, quinoleinas) 4. Derivados de la histidina (imidazoles) Alcaloides de origen diverso 1. Alcaloides terpénicos y esteroidales 2. Alcaloides diversos (purinas, macrociclos, etc)
En las plantas •Productos de almacenamiento y transporte de nitrógeno • Reguladores de crecimiento
Derivados de Arginina, Lisina y Ornitina Atropa belladonna
Alcaloides Tropánicos -Hiosciamina -Atropina -Escopolamina _ -Cocaína
Datura stramonium
Hyosciamus niger (beleño) Erythroxylon coca
Nicotiana tabacum
Alcaloides Piridínicos -Nicotina -Ricinina
Ricinus communis
Derivados de Fenilalanina y Tirosina Lophophora williamsii
Alcaloides del Peyote -Mezcalina -Pellotina . La morfina (analgésico), Codeina (antitusivo), papaverina (espasmolítico)
Alcaloides de la Adormidera -Morfina -Tebaína -Codeina -Papaverina
Papaver somniferum
Derivados del Triptofano alucinógenos, antimaláricos (derivados de la corteza de la quina)
Claviceps purpurea
Alcaloides Indólicos -Alcaloides del Cornezuelo -Ergotamina -LSD
-Alcaloides de Catharanthus roseus -Vincristina -Vinblastina -Ajmalicina
LSD
Derivados de las Purinas Metilxantinas -Cafeína -Teobromina -Teofilina
Estimulantes SNC
Plantas que acumulan alcaloides •Fundamentalmente en Angiospermas
Monocotiledóneas: Amarilidáceas y Liliáceas
Dicotiledóneas: Papaveráceas, Berberidáceas, Leguminosas y Solanáceas
CANTIDADES: •Pocas ppm (Catharantus) •Hasta un 15 % ( quinina)
• Por lo general se encuentra un tipo de alcaloide por familia. Ej. alcaloides de las Solanáceas
SINTESIS ES ORGANO-ESPECIFICA SE SINTETIZAN EN CITOSOL
MITOCONDRIAS
RE
TRANSPORTE •A larga distancia
XILEMA Y FLOEMA
•A través del tonoplasto
Difusión simple
Contra gradiente de concent.
Por fusión de membrana Mediada por carriers H+
Biopesticidas
Agronomía Biología Química Computación
Probabilidad de encontrar compuestos útiles= Nº de muestras ensayadas x Nºensayos realizados por muestra
Estrategia Nacional de Conservación “La mejor manera de conservar la biodiversidad es convertirla en un instrumento para el desarrollo humano sostenible” Bioprospección
BIOPROSPECCIÓN Búsqueda sistemática de: nuevos compuestos genes proteínas microorganismos otros productos Con potencial para la creación de Valor económico y Uso sostenible.
6 Principios Mantener recursos plantas medicinales silvestres Minimizar Impactos Ambientales
Requisitos de recolección silvestre y conservación
Cumplimiento de leyes y regulaciones Respeto a las costumbres y derechos colectivos
Aplicar prácticas responsables de manejo Aplicar prácticas responsables de negocios
Requisitos legales y éticos
Requisitos de manejo y negocio
Interacción de los diferentes disciplinas en la Biotecnología Vegetal
Extracción, aislamiento y elucidación estructural Botánico sistemático
Ingeniero Agrónomo
Químico/Farmacólogo Selección de plantas
Bioquímico Biólogo
Químico medicinal
Biotecnólogo
SAR Screening in vitro de extractos Fraccionamiento bioguiado Screening de los compuestos puros Modo de acción Fitomedicamentos Alimentos funcionales Producción, Conservación y mejoramiento vegetal
Farmacéutico, Bioquímico, Microbiologo, biotecnólogo
Producción de metabolitos secundarios por cultivo in vitro de células y órganos vegetales: ¿por qué?
- Independizarse de factores externos tales como: cambios de temperatura, sequías, plagas, variabilidad de la producción, factores políticos y sociales, etc. - Evitar la extinción de especies vegetales. - Disponer de condiciones controladas en el proceso de producción y extracción. - Posibilitar el mejoramiento vegetal en tiempos mas cortos. - Hacer viable la producción de compuestos complejos con uno o más C quirales en forma más económica respecto de la síntesis química - Posibilitar la obtención de nuevos compuestos no presentes en la planta madre.
Cultivos celulares
- Establecer procesos de biotransformación sólo realizables por enzimas provenientes de plantas.
Muchas Gracias¡¡¡¡
