TEMA 4 COMPUESTOS CON NITRÓGENO ALCALOIDES GLUCÓSIDOS CIANOGÉNICOS AMINOÁCIDOS NO PROTEICOS GLUCOSINOLATOS INHIBIDORES DE PROTEASAS CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS ALCALOIDES -Numerosos, heterogéneos y presencia limitada a ciertos grupos taxonómicos -Con N en un anillo heterocíclico -Derivados de aminoácidos -Muchos, con parte terpenoide -La mayoría son alcalinos -Primero descubierto (1806): morfina Estricnina Gramina FUNCIONES DE LOS ALCALOIDES FUNCIONES PRIMARIAS •Reserva de N? FUNCIONES SECUNDARIAS •Defensa *tóxicos para mamíferos hebívoros-alcaloides de senecios y lupinos *antibióticos-berberina *insecticidas-nicotina *disuasores alimentarios-estricnina •Pigmentos-betalaínas INTERÉS HUMANO *Acción sobre sistema nervioso central *Medicamentos Directamente: morfina, codeína Modelos: cloroquina, tropicamida *Drogas de abuso-cocaína *Estimulantes-teína, cafeína *Tóxicos-estricnina ALCALOIDES VERDADEROS Derivados de Arginina, Lisina y Ornitina Derivados de Fenilalanina y Tirosina Derivados de Triptófano Nicotina Papaverina, Codeína, Morfina Ácido Lisérgico Nicotiana tabacum (tabaco) Papaver somniferum (adormidera) Claviceps purpurea (Cornezuelo del centeno) PROTOALCALOIDES PSEUDOALCALOIDES Colchicina, Taxol Aconitina, Coniina Taxus brevifolia Conium maculatum (tejo) (cicuta) ALCALOIDES VERDADEROS Derivados de Arg, Lys y Orn Derivados de Phe y Tyr Derivados de Trp De PIRROLIDINA De ISOQUINOLINA INDÓLICOS simples -Alcaloides tropánicos (escopolamina, cocaína) -Alcaloides del peyote -Fisostigmina De BENCILISOQUINOLINA INDÓLICOS complejos -Alcaloides de la adormidera -Alcaloides del cornezuelo (Ácido Lisérgico) De PIPERIDINA (isopeletierina) De PIRROLICIDINA -Alcaloides de Senecio (morfina, codeína, papaverina) De QUINOLICIDINA -Berberina -Alcaloides de Lupinus De Amaryllidaceae De PIRIDINA -Alcaloides nicotínicos -Alcaloides de Catharanthus roseus (vinblastina, vincristina, vindolina, ajmalicina) -Estricnina ALCALOIDES DERIVADOS DE Arginina, Lisina Y Ornitina *ALCALOIDES TROPÁNICOS L-Arginina L-Ornitina L-Lisina Seis carbonos Cinco carbonos Seis carbonos *ALCALOIDES NICOTÍNICOS *ALCALOIDES DE PIRROLICIDINA ALCALOIDES TROPÁNICOS Hiosciamina Atropina Escopolamina Datura stramonium (estramonio) TROPANO Atropa belladonna (belladona) Hyosciamus niger (beleño) ALCALOIDES TROPÁNICOS AGENTES ANTICOLINÉRGICOS Buchanan et al, Fig 24.20 y 24.41 *Célula presináptica -Liberación de vesículas con acetil-colina *Célula pos-sináptica -Unión de acetilcolina a receptores -Hidrólisis de actilcolina por colinesterasa *Regreso de colina a célula presináptica ALCALOIDES ACCIÓN ATROPINA HIOSCIAMINA ESCOPOLAMINA ANTAGONISTAS de receptores de acetilcolina NICOTINA CONIINA AGONISTAS de receptores de acetilcolina FISOSTIGMINA ESERINA Inhibidores de COLINESTERASA ALCALOIDES TROPÁNICOS Cocaína Erythroxylon coca (coca) Buchanan et al, Fig 24.24 Droga de abuso, anestésico, narcótico ALCALOIDES DE PIPERIDINA Punica granatum ISOPELETIERINA Whitania somniferum Poco tóxico, eficaz antihelmíntico ALCALOIDES DE PIRROLICIDINA ALCALOIDES DE SENECIOS Senecionina Retronecina S. vernalis S. jacobaea S. vulgaris Disuasores, hepatotóxicos (vertebrados), mutagénicos (insectos) Buchanan et al, Fig 24.28 ALCALOIDES DE PIRROLICIDINA: DEFENSA DEL INSECTO Curr Opin Plant Biol, 5, 300-307, 2002 ALCALOIDES DE PIRROLICIDINA: FARMACOFAGIA Familia Nymphalidae Subfamilia Ithomiinae ALCALOIDES DE PIRROLICIDINA: USO EN REPRODUCCIÓN Crotolaria spectabilis Utetheisa ornatrix ALCALOIDES DE PIRROLICIDINA: USO Y DEPENDENCIA Polilla Creatonos transiens Buchanan et al, Box 24.3 Oreina speciosissima PLANTA N-ÓXIDO BASE LIBRE No tóxico Tóxico INSECTO Oreina N-ÓXIDO 1 BASE LIBRE 3-oxidación 1-reducción 2-bloqueo reducción 4-conjugación Platyphora BASE LIBRE N-ÓXIDO GLUCÓSIDO No especialistas-1 Oreina-2 y 4 Platyphora-5 Mitopus morio Mitopus-3 5-secuestro BASE LIBRE ALCALOIDES DE QUINOLICIDINA ALCALOIDES DE LUPINOS Lupinina Esparteína Buchanan et al, Fig 24.29 lupinina esparteína ALCALOIDES DE PIRIDINA ALCALOIDES NICOTÍNICOS Nicotina Nicotiana tabacum (tabaco) ALCALOIDES VERDADEROS Derivados de Arg, Lys y Orn Derivados de Phe y Tyr Derivados de Trp De PIRROLIDINA De ISOQUINOLINA INDÓLICOS simples -Alcaloides tropánicos (escopolamina, cocaína) -Alcaloides del peyote -Fisostigmina De BENCILISOQUINOLINA INDÓLICOS complejos -Alcaloides de la adormidera -Alcaloides del cornezuelo (Ácido Lisérgico) De PIPERIDINA (isopeletierina) De PIRROLICIDINA -Alcaloides de Senecio (morfina, codeína, papaverina) De QUINOLICIDINA -Berberina -Alcaloides de Lupinus De Amaryllidaceae De PIRIDINA -Alcaloides nicotínicos -Alcaloides de Catharanthus roseus (vinblastina, vincristina, vindolina, ajmalicina) -Estricnina ALCALOIDES DERIVADOS DE FENILALANINA Y TIROSINA *ALCALOIDES DE LA ADORMIDERA ALCALOIDES DE ISOQUINOLINA Pellotina Lophophora williamsii (peyote) ALCALOIDES DE BENCILISOQUINOLINA Papaverina, Tebaína, Codeína, Morfina Papaver somniferum (adormidera) Buchanan et al, Fig 24.18 Bufo marinus Buchanan et al, Fig 24.21 y 24.23 ALCALOIDES DE BENCILISOQUINOLINA Berberis vulgaris (agracejo) Bactericida y bacteriostático Buchanan et al, Fig 24.36 Berberina ALCALOIDES DE Amaryllidaceae Narcissus pseudonarcissus (narciso) Licorinas ALCALOIDES VERDADEROS Derivados de Arg, Lys y Orn Derivados de Phe y Tyr Derivados de Trp De PIRROLIDINA De ISOQUINOLINA INDÓLICOS simples -Alcaloides tropánicos (escopolamina, cocaína) -Alcaloides del peyote -Fisostigmina De BENCILISOQUINOLINA INDÓLICOS complejos -Alcaloides de la adormidera -Alcaloides del cornezuelo (Ácido Lisérgico) De PIPERIDINA (isopeletierina) De PIRROLICIDINA -Alcaloides de Senecio (morfina, codeína, papaverina) De QUINOLICIDINA -Berberina -Alcaloides de Lupinus De Amaryllidaceae De PIRIDINA -Alcaloides de Catharanthus roseus (vinblastina, vincristina, vindolina, ajmalicina) -Estricnina -Alcaloides nicotínicos ALCALOIDES DERIVADOS DEL TRIPTÓFANO *ALCALOIDES INDÓLICOS TERPÉNICOS L-Triptófano Indol ALCALOIDES INDÓLICOS SIMPLES Fisostigmina Physostigma venenosum (Haba de Calabar) ALCALOIDES INDÓLICOS COMPLEJOS Ácido Lisérgico Claviceps purpurea (Cornezuelo del centeno) ALCALOIDES INDÓLICOS COMPLEJOS Anti-paludismo (producido por Plasmodium falciparum) Buchanan et al, Fig 24.22 ALCALOIDES INDÓLICOS COMPLEJOS Vinblastina Vincristina Catarantina Ajmalicina Catharanthus roseus (vinca de Madagascar) Buchanan et al, Fig 24.31 ALCALOIDES INDÓLICOS COMPLEJOS Estricnina Disuasor alimentario Strychnos nux vomica (nuez vómica) PROTOALCALOIDES Colchicina Taxol Colchicum autumnale (cólquico) Taxus brevifolia (tejo) PSEUDOALCALOIDES Aconitina Aconitum nepellus (acónito) Coniina Conium maculatum (cicuta) Buchanan et al, Fig 24.19 LOS ALCALOIDES NO SON EXCLUSIVOS DE PLANTAS BATRACOTOXINA BUNGAROTOXINA Phyllobates terribilis Dendrobates sp. Bungarus sp. BIOSÍNTESIS DE ALCALOIDES. GENERALIDADES *Provienen de unos pocos aminoácidos, pero son muy numerosos *Alta especificidad enzimas biosintéticas Ejemplo: monooxigenasas dependientes de P450 *Cultivos de células como herramientas *Primera ruta completa enzima a enzima: síntesis de berberina BIOSÍNTESIS DE ALCALOIDES. GENERALIDADES *Ramas principales -Síntesis de alcaloides tropánicos y nicotínicos -Síntesis de alcaloides de bencilisoquinolina -Síntesis de alcaloides indólicos terpénicos *Localización -En diversos compartimentos subcelulares: citosol, tonoplasto, vacuola, cloroplastos vesículas del RE liso -En diversos tipos celulares intermediarios transporte ALCALOIDE LUGAR DE SÍNTESIS NICOTINA Áreas meristemáticas de la raíz ALCALOIDES DEL OPIO Vasos laticíferos Raíz (D. stramonium) Transformada en escopolamina en ESCOPOLAMINA hojas HIOSCIAMINA FUENTE REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS -Sistema de defensa CONSTITUTIVO -Sistema de defensa INDUCIBLE por herbívoros: síntesis nicotina en respuesta a Manduca sexta por condiciones ambientales por factores endógenos: auxinas -Expresión enzimas biosintéticas puede: tener especificidad de tejido exigir diferenciación BIOSÍNTESIS DE ALCALOIDES TROPÁNICOS Y NICOTÍNICOS L-Arginina Ornitina Arginina descarboxilasa Ornitina descarboxilasa PUTRESCINA POLIAMINAS Putrescina Nmetiltransferasa Catión N-metil-∆ ∆1-pirrolinium NICOTÍNICOS Nicotina TROPINONA TROPÁNICOS Hiosciamina Atropina Escopolamina RAÍZ Hyosciamus albus (beleño blanco) HOJA SÍNTESIS DE HIOSCIAMINA Y ESCOPOLAMINA HIOSCIAMINA H6H H6H ESCOPOLAMINA Atropa belladonna hiosciamina H6H Hiosciamina 6β β-hidroxilasa escopolamina Hyoscyamus niger W: wild type Co: Control T0: transformadas Hiosciamina T1: progenie de T0 Escopolamina Células de tabaco transformadas (H6H de Hyosciamus muticus) SÍNTESIS DE ALCALOIDES DE BENCILISOQUINOLINA Tirosina descarboxilasa L-Tirosina L-DOPA Tirosina descarboxilasa Norcoclaurina sintasa Tiramina Norcoclaurina Enzima del puente de berberina E de las u íc es nv Berberina s de loi a alc Morfina Codeína SÍNTESIS DE CODEÍNA Alcaloides de bisbencilisoquinolina Alcaloides protoberberínicos Papaver somniferum (adormidera) S-RETICULINA TYDC Pool Tyr AMIDAS DEL ÁCIDO HIDROCINÁMICO Tiramina en pared celular Digestibilidad pared BIOSÍNTESIS DE ALCALOIDES INDÓLICOS TERPÉNICOS Triptófano descarboxilasa PARTE INDÓLICA PARTE TERPÉNICA L-Triptófano Triptamina Geraniol Secolaganina Estrictosidina sintasa ESTRICTOSIDINA ALCALOIDES INDÓLICOS TERPÉNICOS SÍNTESIS DE VINDOLINA (precursor vinblastina) Catharanthus roseus (vinca de Madagascar) LA ESTRICTOSIDINA SINTASA CATALIZA EL PASO LIMITANTE EN LA BIOSÍNTESIS DE ALCALOIDES EN CULTIVOS CELULARES DE Catharanthus roseus SOBRE-EXPRESIÓN ESTRICTOSIDINA SINTASA ESTRICTOSIDINA SINTASA ESTRICTOSIDINA AJMALICINA CATARANTINA SERPENTINA TABERSONINA GLUCÓSIDOS CIANOGÉNICOS Amigdalina Prunasina (en rosáceas) GLUCÓSIDOS CIANOGÉNICOS Linamarina (en Manihot esculenta, tapioca, yuca) Durrina Lotaustralina (en el sorgo) (en Lotus corniculatus) SÍNTESIS DE GLUCÓSIDOS CIANOGÉNICOS GLUCÓSIDO CIANOGÉNICO = AZÚCAR + AGLICONA Aglicona: AMINOÁCIDO -aromática (Phe), como en la prunasina (en especies de Prunus) -alifática (Val), como en la linamarina (en especies de Trifolium) N-hidroxil aminoácido HIDROXILACIÓN NITRILO HIDROXILACIÓN α-hidroxi nitrilo TIROSINA DURRINA VALINA LINAMARINA ISOLEUCINA LOTAUSTRALINA AZÚCAR GLUCÓSIDO CIANOGÉNICO EFECTOS BIOLÓGICOS EN PLANTAS *germinación *reserva N *defensa (disuasores y tóxicos) EN ANIMALES *intoxicaciones (vacas, burros, ovejas) EN HUMANOS *2/3 plantas cultivables contienen glucósidos cianogénicos Manihot esculenta (cassava, yuca) África y Latinoamérica: parálisis y transtornos neurológicos CIANOGÉNESIS A PARTIR DE LINAMARINA linamarasa hidroxinitrilo liasa Vetter, 2000 Síntesis de linamarina y producción de cianuro en una hoja de yuca Tonoplasto Hoja de yuca Pared celular linamarasa Vetter, 2000 TRANSFORMACIÓN LUGAR EFECTOS CYP79D1/D2 antisentido HOJAS *Reducción linamarina en hojas *Reducción linamarina en raíces CYP79D1/D2 antisentido RAÍCES *Niveles normales de linamarina RAÍCES *Aceleración cianogénesis durante procesamiento raíz Sobre-expresión HNL en raíces ENZIMAS QUE DETOXIFICAN CIANURO β-ciano-alanina sintasa (plantas) Rodanasa (mamíferos) Herbívoros especialistas en plantas cianogénicas Hapalemur aurens (lemur dorado del bambú) se alimenta de Cephalostachym viguieri que contiene glucósidos cianogénicos Heliconius sara Detoxifica los glucósidos cianogénicos y los usa como fuente de nitrógeno Passiflora auriculata Produce glucósidos cianogénicos Herbívoros que emplean plantas cianogénicas para su defensa Eupitoiea hegesia Turnera ulmifolia Anolis GLUCOSINOLATOS Pieris rapae (las larvas se alimentan de coles, coliflores..) GLUCOSINOLATOS GLUCOSINOLATOS. GENERALIDADES *Glucósidos del aceite de mostaza *Derivados de aminoácidos *Contienen: -sulfato -tioglucosa *Exclusivos de plantas: -en sólo unas cuantas familias de dicotiledóneas -en crucíferas y familias relacionadas *Localizados en vacuolas HIDRÓLISIS *Por β−tioglucosidasas endógenas: MIROSINASAS *Sistema de dos componentes que se activa por rotura tejido *Produce: glucosa + sulfato + intermediario inestable *Principales productos: isotiocianatos nitrilos tiocianatos HIDRÓLISIS DE GLUCOSINOLATOS MIROSINASA isotiocianato MIROSINASA + ESP nitrilo S-C: Células que contienen glucosinolatos M: Células que contienen mirosinasa Curr Opin Plant Biol, 5, 2002 HIDRÓLISIS DE GLUCOSINOLATOS *Las larvas de Trichoplusia ni (lepidóptero) prefieren alimentarse de ecotipos de Arabidopsis que expresan ESP funcional FUNCIONES DE LOS GLUCOSINOLATOS *Defensa disuasores (repelentes microorganismos e insectos) tóxicos (isotiocianatos) *Atrayentes para especialistas alimentación puesta de huevos *En humanos, asociados a prevención cáncer Transformación de la colza para obtener plantas productoras de semillas con bajo contenido en glucosinolatos, lo cual las hace más apetecibles para el ganado Catharanthus roseus (vinca de Madagascar) Triptófano descarboxilasa Trp Trp descarboxilasa Triptamina Glucosinolatos Brassica napus (colza) AMINOÁCIDOS NO PROTEICOS *a.a. naturales que no forman parte de proteínas *Algunos (homoserina, ornitina) primarios *La mayoría secundarios *Función: DEFENSA -tóxicos (animales, plantas, microorganismos) -disuasores (insectos) AMINOÁCIDOS NO PROTEICOS ÁCIDO PIPECÓLICO Y DERIVADOS ÁCIDO PIPECÓLICO En semillas de Acacia prosopis MIMOSINA Mimosa pudica AMINOÁCIDOS NO PROTEICOS *Efectos: -bloqueo síntesis de proteínas -síntesis proteína anómala o no funcional -represión enzimas biosintéticas *Las plantas que lo contienen y herbívoros especialistas necesitan sistema autodefensa -Canavalia ensiformis tiene mucha canavanina en semillas -Tiene arginil-ARNt-sintasa que discrimina entre canavanina y Arg Canavalia ensiformis Herbívoros especialistas en plantas con aminoácidos no proteicos Caryedes brasiliensis Dioclea megacarpa INHIBIDORES DE PROTEASAS INHIBIDORES DE PROTEASAS EN LA DEFENSA FRENTE A HERBÍVOROS defenseless Buchanan et al, Figura 21. 52 OTROS COMPUESTOS CON NITRÓGENO RIP (¿Requiescat In Pacem?) Ribosome-Inactivating Protein •Ricina (de Ricinus comunis) •Abrina (Abrus precatorius) •Mormodina II (Mormodica balsamina) •α α-Lufina (Luffa cylindrica) •Briodina 1 (Bryonica dioica) Buchanan et al, Box 9.3