biossíntese de produtos naturais

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BiossínteseBiossíntese de Produtos Naturaisde Produtos Naturais

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA

CENTRO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE

DISCIPLINA: FARMACOGNOSIA II

PROFESSOR: JOSÉ MARIA BARBOSA FILHO

sumário1. Conceitos2. Era das ômicas (genômica, transcriptômica, proteômica, metabolômica)3. Entendendo a célula em nível molecular4. Inovação na genômica5. Análise metabolômica utilizando uma planta6. Diferenças entre metabolismo primário e metabolismo secundário7. Funções e importância dos metabólitos secundários8. O básico da organização celular9. Fotossíntese10. Metabolismo primário (Carboidratos-Ciclo de Calvin)11. Metabolismo secundário

11.1. Via acetato (Ácidos graxos, prostaglandinas, acetogeninas, etc)11.2. Via mevalonato (Monoterpenos, sesquiter., diterpen. e triterpenos)11.3. Via chiquimato (Fenilpropanóides, lignóides, cumarinas, alcaló.etc)11.4. Via biossíntese mista (Flavonóides, antraquinonas, outros

alcalóides, etc)

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CONCEITOS

Qual a diferença entre “Biossíntese”, “Biogênese” e “Síntese Biomimética”?

Biossíntese = É a síntese dos constituintes químicos, realizada pelopróprio organismo ou pela própria célula. (Grego, Bios = vida, sýn =reunião, ação conjunta, thesis = proposição formulada).

Biogênese = É uma hipótese (não testada em laboratório) que tentaexplicar a formação dos metabólitos secundários nas plantas.

Síntese biomimética = São métodos químicos de síntese, no laboratório, que testam a validade mecanística de uma rota biogenêtica hipotética.

Ex.:

Barbosa-Filho et al., Synthesis of several new phenylethylamides of substituted benzoic acids. Química

Nova, v. 13, n. 4, p. 332-334, 1990.

Riparina II

MeO

NH

O OH

O

MeO

OH

+MeO

NH2

MeOH

Salicilato de metilaMetiltiramina

..

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Genômica Transcriptômica Proteômica Metabolômica

DNA RNA Proteínas Metabólitos Prim./Secund.

NOVOS CONCEITOS

Antes da era da bioinformática, somente duas maneiras de fazer aexperimentação em biologia eram disponíveis: utilizando um organismo vivo (invivo) ou em um sistema artificial (in vitro). Somado ao desenvolvimento deequipamentos poderosos para a miniaturização e automação da aquisição dedados biológicos em larga escala, deu campo para o surgimento de uma lista denovos termos, que não para de crescer. Estamos entrando na era das “ômicas”.

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Entendendo a célula a nível molecular

A informação codificada do DNA é transcrita em uma molécula de RNAmensageiro que é traduzida em uma molécula de proteína que, quandoexercendo um papel estrutural, irá catalizar uma ou mais reaçõesquímicas dentro e/ou fora da célula, sendo portanto responsável pelatransformação de pequenas moléculas químicas chamadas demetabólitos. Os metabólitos, por sua vez, regulam a atividade dasproteinas, o processo transcrição e tradução, além de servirem desubstratos para modificação e síntese das proteínas e lipídios, e síntesede DNA e RNA. Portanto os metabólitos são os produtos finais dometabolismo celular

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Metabolismo = É a denominação que se dá ao conjunto de reaçõesquímicas que continuamente está ocorrendo nas células.

Rotas Metabólicas (= Rotas Biossintéticas) = São direcionadas pelasenzimas.

Metabólitos = São os compostos formados que podem ser primário ousecundário.

Metabolômica = É uma abordagem global que tem como objeto de estudo oconjunto de todos os metabolitos primários e secundários (metaboloma) de umacélula, tecido ou organismo (sistema biológico). O objetivo final dametabolómica é a identificação e quantificação do metaboloma de um sistemabiológico.

E o Que eu tenho a ver com isso ?

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Reações metabólicas visam fundamentalmente, oaproveitamento de nutrientes para satisfazer as exigênciasfundamentais das células.

Metabólitos primáriosProdutos do metabolismo geral de todos os vegetais;

funções essenciais: crescimento, respiração e fotossíntese;

São amplamente distribuídos em todas as plantas.;

exemplos os aminoácidos, proteínas, lipídios, nucleotídios, carboidratos, vitaminas, hormônios, etc.

Metabólitos secundáriosProdutos do metabolismo especial;

Embora não necessariamente essenciaisgarantem vantagens para suasobrevivência;

Envolvidos com os processos de defesae comunicação entre as espécies;

Têm distribuição restrita a certasorganismos;elementos de caracterização;

Sua presença pode ser utilizada paracaracterizações taxonômicas;

exemplos : alcalóides, flavonóides,taninos, cumarinas, lignóides, etc

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Funções e importância dos metabólitos secundários

Antigamente� produtos de excreção

Atualmente� adequação ao meio

Defesa contra herbívoros e microorganismos;Proteção contra raios UV; Atração de polinizadores...Etc., etc., etc.

Elevada capacidade biossintética� enraizados no solo, não podem responder ao meio pelas vias possíveis aos animais.

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Funções e importância dos metabólitos secundários

Área alimentar; agronômica; perfumaria etc

Farmacêutica:Diversos compostos com atividade farmacológica�moléculas potencialmente úteis ao homem.

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Importância de vários metabólitos secundários área farmacêutica

Somente o conhecimento possibilita ao homem interferirracionalmente sobre o organismo produtor, de forma a direcionarsua produção.

A natureza é pródiga e a observação de seus exemplos pode levar a idéias novas no sentido de se produzir novos medicamentos.

É por essa razão e porque a produção de fármacos (inclusive os de origem vegetal) diz respeito ao farmacêutico, que o estudante de farmácia deve conhecer a biossíntese dos metabólitos vegetais.

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Para estudar o metabolismo secundário se faz necessário uma pequena revisão sobre:

1. Organização celular

2. Fotossíntese

3. Conhecimento do metabolismo primário

13Procariontes� todas as reações ocorrem no mesmo compartimento.

Eucariontes� organelas altamenteespecializadas, compartimentalizando asreações.

Célula é a menor unidade estrutural e funcional dos organismosProcariontes� bactérias cianofíceas e micoplasmaEucariontes� protistas, fungos, vegetais e animais.

O básico da organização celular

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FOTOSSÍNTESEFOTOSSÍNTESE

ConceitoConceitoÉ a assimilação do gás carbônico na presença de água e luz solarpelas plantas, através da função clorofiliana, e, desassimilação demateria orgânica e oxigênio

nCO2 + nH2O + Luz (CH2O)n + nO2Fonte deCarbonoinorgânico

Agenteredutor

Fonte deEnergia

Carboidrato(Metab. Primário)

Vida

Metab. Secundário Ar que respiramos

Clorofila

EquaçãoEquação clássicaclássica dada fotossíntesefotossíntese

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CICLO DE CALVINCO2 + H2O

hυυυυ + clorofila

CARBOIDRATOS(monossacarídios)ÁCIDOS NUCLÉICOS OLIGOSSACARÍDIOS E

POLISSACARÍDIOS(amido, celulose, etc.)

AntibióticosPIRUVATO

ACETATO

CICLO DEKREBS

VIA MEVALONATO

Purinas Pirimidinas

VIA CHIQUIMATOFenilpropanóidesLignóidesCumarinas

AMINOÁCIDOS

POLICETÍDEOSÁcidos graxosAcetogeninasProstaglandinasAntraquinonas

FlavonóidesTaninosXantonasPironas

Peptídios

PROTEÍNAS

ALCALÓIDES

Glic. cianogen.Tioglicosídios

Carotenóides

Esqualeno

Triterpenos

Esteróides

Geranilgeraniol

Diterpenos

Farnesol

Sesquiterpenos

Geraniol

Monoterpenos

Esquema geral das rotas biossintéticas dos metabólitos vegetais

Ácidosorgânicos

VIA

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BIOSSÍNTESE DOS CARBOIDRATOSMetabólito primário

Ponto de partida para todas as outras classes

(1) 2-carboxi-3-ceto-1,5-difosforibitol, (2) ácido 3-fosfoglicérico, (3) gliceraldeido 3-℗, (4) dihidroxi-acetona-℗,(5) frutose-1,6-di-℗, (6) eritrose-4-℗, (7) sedoheptulose-1,7-di-℗, (8) xilulose-5-℗, (9) ribose-5-℗, (10) ribulose-5-℗, (11) ribulose-1,5-di-℗, (12) ácido 2-fosfoglicérico, (13) ácido fosfoenolpirúvico, (14) ácido oxalacético.(℗ = Fosfato).

INTEGRAÇÃO: CICLO DE CALVIN / CICLO DE KREBS

CALVINCiclo de redução

do CO2 emmatéria orgânica

Eritrose

Frutose

KREBSCiclo de

oxidação do CO2 em matéria

inorgânica

Ácidopirúvico

Ácidoglicérico

CO2

Saída de matéria orgânica do ciclo




ÁcidoOxala-cético

ÁcidoSuccí-nico

ÁcidoOxoglu-tárico



CO2

CO2

INTEGRAÇÃO: CICLO DE CALVIN / CICLO DE KREBS

RESPONDA AS PERGUNTAS ABAIXO

1. Qual a grande diferença entre ciclo de Calvin e ciclo de Krebs?

2. Qual o metabólito que serve de ligação entre o ciclo de Calvin e ciclo deKrebs?

3. No ciclo de Calvin e ciclo de Krebs existem quantos pontos que derivammetabólitos para biossíntese de outras classes de produtos naturais?Quais são esses pontos?

4. Durante o ciclo de Krebs são perdidas quantas moléculas de CO2 pormolécula de ácido pirúvico que entra?

5. Quais os ácidos orgânicos que fazem parte do cíclo de Krebs?

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MELVIN CALVIN – Químico americano(1911-1997) recebeu o Prêmio Nobel em1961 pela investigação realizada sobre aassimilação de dióxido de carbono pelasplantas.

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1. Via metabólica do ACETATO

A acetil-coenzima A (acetil-CoA), que provém doacetato, dá origem a uma enorme variedade demetabólitos, sendo a unidade acetato (C2) importantíssimana formação de metabólitos secundários. Por uniãoseqüencial de unidades C2 resultam cadeias de poliacetatoque se formam por condensação de uma unidadeinicializadora de acetil-CoA e unidades sucessivas demalonil-CoA (conforme pode ser visto na figura abaixo).As cadeias de poliacetato depois de formadas sofremtransformações subseqüentes (redução, oxidação,ciclização, rearranjo, etc.) que dão origem a ácidosgraxos, acetogeninas, prostaglandinas, entre outros,conforme mostrado a seguir.

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H3C S CoA

O

Acetil-S-CoA

-O

O

S CoA

O

Malonil-S CoA-

-H3C

O O O

S CoA-n

Poli-B-cetoácido-S CoA-

Reduções, desidrat ações, hidrólise, et c

CH3-(CH2)n-COOH

Ácidos graxos

O

OHO

O O

O

O

OOH

HO

Cromonas

1 Acet + 4 Mal

Iniciador

Continuador

OO O

O

O O OCOOH

1 Acet + 7 Mal

O

O

HO

OH

COOH

Antraquinonas

OH

OOH

Leucotrienos

Exemplo de alguns metabólitos secundários da via Acetato

2. Via metabólica do MEVALONATO

Há muitos anos atrás, verificou-se que um grande númerode metabólitos secundários, tinham algo em comum: davama entender que eram construídos a partir de “unidadesisopreno” ( = 2-metilbutadieno-1,3).

OH

Mentol Bisaboleno

COOH

Ácido abiético

HO

Lupeol

Sabe-se hoje que moléculas desse tipo são formadas a partir de um precursorcomum, chamado ÁCIDO MEVALÔNICO. Vejamos como se forma o ácidomevalônico e toda classe dos terpenóides: Monoterpenos,Sesquiterpenos, diterpenos, sesterpenos, triterpenos e te-traterpenos.

OH

O

OHHO

Ácido mevalônico

C10C15 C20 C30

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BIOSSÍNTESE DO ÁCIDO MEVALÔNICOA PARTIR DELE, FORMAÇÃO DO 3,3-DIMETIL-ALIL-PIROFOSFATO (INICIADOR)

E DO PIROFOSFATO DE ∆3-ISOPENTENILA (CONTINUADOR)

SCoA

O O

12

34Aceto acetil SCoA

+OH

O

OHHO

SCoA

O

AcSCoA

O

SCoA

OHO

SCoA

12

34

Ácido mevalônico

ATP ADP

O H

O

OPPO

CO2OP

S-Enz

OP

Enz S

H H

OP

CONTINUADOS3,3-Dimetil-alil-pirofosfato

Pirofosfato de 3-isopentenila

INICIADOR

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FORMAÇÃO DOS TERPENÓIDES

OPOP +

3,3-Dimetil-alil-pirofosfatoINICIADOR CONTINUADOS

Pirofosfato de 3-isopentenila

HEMITERPENOS (C5H8)

Isopreno

OPGeranil pirofosfato

OP

Farnesil pirofosfato

MONOTERPENOS (C10H16)O

O

Rotundifolona

SESQUITERPENOS (C15H24)

OH

NerolidolNectandra amazonum

TRITERPENOS (C30H48)x 2Dimerização

COOHHO

HO

HO

Ácido bássicoBumelia sartorum

Mentha x villosa

DITERPENOS (C20H32)OH

LabdanoErythroxylum catingae

TETRATERPENOS (C40H64)

SESTERPENOS (C25)

OP

OP

x 2Dimeriz.

Geraril-geranil pirofosfato

Geranil-fernesil pirofosfato O

O

HO

EsclarinaOrganismo marinho

B-CarotenoDaucus carota

OP

H H

OP

HH

Farnesil pirofosfatoC15

H HH

H

ESQUALENO

+

VEGETAIS ANIMAIS MICRORGANISMOS

CICLOARTENOL

ESTIGMASTEROL

SITOSTEROL

LANOSTEROL ERGOSTEROL

ZIMOSTEROLCOLESTEROL VIT. D2

TRITERPENOS

CAMPESTEROL

ESTERÓIDESOs mono, sesqui e diterpenos sãoformados pelo encadeamento cabeça-cauda aos passo que os triterpenos eesteróides pelo encadeamento cauda-cauda (dimerização oxidativa).

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JOHN CORNFORTHQuímico australiano(1917-….). Esclareceua biossíntese dosesteróides. Recebeu oprêmio Nobel em 1975

LEOPOLD RUZICKAQuímico suiço (1887-1976).Reconheceu a regularidadeestrutural dos terpenóides atravésda união de unidades de cincocarbonos da molécula de isopreno.Recebeu em 1939 o prêmio Nobel.

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HCHO

COHH

COHH

CH2OP

COP

CH2

COOH

+

Eritrose-4-fosfato

Fosfoenolpiruvato

OH

OH

HO

COOH

Ác. chiquímico

COOH

OH

OH

OH

Ác. gálico

COOH

OHO COOH

CH2

Ác. corísmico

OH

CH2CH(NH2)COOH

Tirosina

N

CH2CH(NH2)COOH

H

Triptofano

CH2CH(NH2)COOH

Fenilalanina

HOOC CH2COCOOH

OHÁc. prefênico

COOH

NH2Ác. antranílico

VIA DO ÁCIDO CHIQUÍMICO

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Fenilalamina

TriptofanoPlantas ,fungos e bactérias

Via biossintética exclusiva


BIOSSÍNTESE DE ALCALÓIDES

Representado por um número grande de estruturas

È um composto orgânico cíclico contendo umnitrogênio em um estado de oxidação negativo,que é de distribuição limitada entre os seres vivos.

Originam-se de aminoácidos

Contribuição de outros percussores

VIA DO CHIQUIMATO

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HN

NH2

COOH

Triptofano

INDOL-C2N

HN

COOH

H2N

INDOL-C2N

N NCH3 CH3

CH3OH3CNHC

Fisostigmina

INDOL-C2N

UNIDADE ISOPRÊNICA

N

CH2OHH3C

NHCH3

Canoclavina

ALCALÓIDES DERIVADOS DE TRIPTOFANO TÊM O GRUPO INDOL-C2N EM SUA ESTRUTURA

Alcalóides derivados do triptofano

VIA DO CHIQUIMATO

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NH2

COOH

R

Tirosina - Fenilalanina

NH

HO

HO

OH

OH

Norlaudanosolina

Papaver spp.

NCH3

HO

HO

O

Morfina

C6C2N

C6C2N

C6C2N

C6C2N

C6C2N

ALCALÓIDES DERIVADOS DE TIROSINA OU FENILALANINA

TÊM UNIDADES C6C2N EM SUA ESTRUTURA

VIA DO CHIQUIMATO

Protoalcalóides, isoquinolínicos e benzilisoquinolínicos

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VIA DO CHIQUIMATO

A ORIGEM DOS FENILPROPANÓIDES

CH2CH(NH2)COOH

Fenilalanina

C6: FENILA C3: PROPENILA

COOHCOOHCOOHCOOH

HO

Ác. p-cumárico

COOHHO

HO

Ác. cafeico

COOHCH3O

HO

Ác. ferúlico

COOHCH3O

HO

OCH3

Ác. sinápico

geometria trans

NH3

Ác. cinâmico

COOHPAL

*PAL�Fenilalanina amonialiase

Compostos aromáticos com uma cadeia lateral de três átomos de carbono ligada ao anel aromático

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Ác. ferúlico

COOHCH3O

HO

CH3O CH2OH

HO

Álcool coniferílico

UM LIGNÓIDE

C6C3

C6C3

Pinorresinol

O

O

OH

OCH3

HO

OCH3

O

O

OCH3

OCH3

O

O

lignina

lignina

SUBESTRUTURA DA LIGNINA

A ORIGEM DOS FENILPROPANÓIDES

Acoplamento oxidativo

Dímeros de fenilpropanóides

VIA DO CHIQUIMATO

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HOC

OHO

Ácido cis-cinâmico

Geometria cis

HOCOH

OHO HO OO

Uma cumarina simples

C6C3

OOO

H3C

HO

H3C

Marmesina - uma furanocumarina

Anel furânico

HO OO

OPP

Unidade isoprênica

CUMARINASSão derivados da 5,6-benzo-2-pirona

Ácido trans-cinâmicoOxidação

α-cumárico

Prenilação

VIA DO CHIQUIMATO

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Produtos derivados do ácido chiquímico e do acetato

35

Biossíntese de antraquinonas

São produtos da oxidação de fenóis.


36

FLAVONÓIDES

� Pigmentos de vegetais

� Função de defesa e atração polinizadores

� C6-C3-C6

� Rota mista: ácido chiquímico e do acetato, via ácido malônico


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Cinamoil-CoAllO

CCoASCoAS

OO

CllO

CoAS CH2 COOH

OO

O O

O

OHHO

OH Uma chalcona

O

OH

HO

O

OH

OH

Luteolina

Uma flavona

C6C3:CHIQUIM.

3 ACETATOS

BIOSSÍNTESEMISTA

OO

SCoAO

FLAVONÓIDES Derivado do ác. chiquimico


38

Produtos originados a partir do ácido cítrico

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BIOSSÍNTESE DE ALCALÓIDES

N

OHHO

Retronecina

Pirrolidínico

NCH3 O

COOCH3

CllO

Cocaína

ALCALÓIDES COM ANEL HETEROCÍCLICO FORMADO POR 4 ÁT. DE C

H2N H2N COOH

ORNITINA

ornitina

Ác. succínico

Ác. chiquímico

H2NH2N

LISINA

N

NH

Anabasina

Nicotiana spp.

N

N

O

HCitisina

Spartium junceum

Fabaceae

ALCALÓIDES COM ANEL HETEROCÍCLICO FORMADO POR 5 ÁTOMOS DE C

lisina


Ác. nicotínico

Piridínico

Quinolisidínico

Piperidinico

lisina

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METABÓLITOS DERIVADOS DE ÁCIDOS AMINADOS

C

R1

R2

H

CH

NH2

COOH

NC

C

R1

R2

H

R2

R1

C

C N

OH

R2

R1

C

C N

O Glicose

GLICOSÍDIO CIANOGÊNICO

NOH

C

R1

R2

H

CSH

C

R1

R2

H

C

N

S Glicose

OSO3H

GLICOSINOLATO

CO2

CH

H

R2

R1

C

NOH

Aldoxima

Nitrila


Compostos nitrogenados com função de proteção

Aminoácidos alifáticos

Aminoácidos sulfurados

41

SIMÕES, C. M. O. Farmacognosia, da planta ao medicamento. (6a Ed.) Capítulo 16, Pg 403. Editora da Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC.

Referência bibliográfica

Documents

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