PAQUIPODOL AISLADO DE LA PLANTA Crotón ciliatoglanduliferus INHIBE LA ENZIMA QUE FOTOLIZA EL AGUA EN CLOROPLASTOS.

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1 Memorias del XIV Congreso de Bioenergética y Biomembranas. Sociedad Mexicana de Bioquímica A.C. 13 al 18 noviembre 2005; Oaxaca, Oaxaca. PAQUIPODOL AISLADO DE LA PLANTA Crotón ciliatoglanduliferus INHIBE LA ENZIMA QUE FOTOLIZA EL AGUA EN CLOROPLASTOS. King-Díaz B 1., González-Vázquez R 1., Aguilar M.I 2., De Santiago-Gómez J.R 3. y Lotina-Hennsen B 1. 1 Depto. de Bioquímica, 2 Depto. de Farmacia, Fac. de Química; 3Laboratorio de plantas vasculares, Fac. de Ciencias, Universidad Nacional Autónoma de México. Cd. Universitaria, Deleg. Coyoacan. C.P México D.F. Tel: Fax: kingbeat@servidor.unam.mx Resumen En este trabajo, se realizó el estudio químico bio-dirigido, de las hojas de la planta Crotón ciliatoglanduliferus, lo que resulto en el aislamiento de una mezcla de flavonoides, que al separarse se obtuvo retusina (5-hidroxi-3,7,3,4 - tetrametoxiflavona) y paquipodol (5,4 -dihidroxi-3,7,3 -trimetoxiflavona). Al ensayar los compuestos sobre la síntesis de ATP, paquipodol fue el más activo como inhibidor. El I 50 fue de 51 µm. Los datos indican que paquipodol se comporta como inhibidor de la reacción de Hill, dado que inhibe el transporte de electrones en sus tres estados (basal, fosforilante y desacoplado) en cloroplastos aislados de hojas espinaca. El fotosistema II (FSII) medido de H 2 O a DCPIP, así como la reacción parcial de H 2 O a SiMo (silicomolibdato) fueron inhibidos por concentraciones crecientes de paquipodol. Sin embargo, el fotosistema I (FSI) y la reacción parcial del FSII medido de DPC a DCPIP no fueron afectados por el compuesto. Estos resultados indican que el sitio de acción de paquipol se encuentra en el FSII a nivel de la enzima que fotoliza el agua. Los resultados fueron corroborados al medir la fluorescencia de la clorofila a. Retusina no fue estudiado debido a que es un inhibidor débil de la síntesis de ATP (inhibe un 20% aprox.). La diferencia estructural entre retusina y paquipodol es el grupo OH en la posición 4 que tiene paquipodol, lo que indica que este grupo es importante para la actividad inhibitoria. Introducción. Crotón ciliatoglanduliferus Ort. (Euphorbiaceae) es una planta que se encuentra en la región de Tehuacan Puebla, y en el Estado de Guerrero. Ha sido usada como repelente a insectos y en la medicina tradicional [1]. Por cromatografía biodirigida, el estudio químico del extracto hexánico de las hojas de la planta permitió el aislamiento de dos flavonoides: retusin y paquipodol. Retusin y paquipodol han sido aislados anteriormente en las plantas del genero Ballota, como son Ballota glandulosissima [2], B. Inaequidens [3] y de otras plantas como Larrea cuneifolia [4]. Éstos compuestos presentan propiedades antifungicidas [2,3] y antimutagénicas [5]. A la fecha su efecto sobre la fotosíntesis no ha sido reportado.

2 Como parte de nuestras investigaciones en productos naturales con actividad biocida, estos compuestos fueron estudiados sistemáticamente en su actividad como potenciales herbicidas. En este trabajo reportamos el efecto sobre diferentes actividades fotosintéticas de concentraciones crecientes de paquipodol (hasta 300 µm), empleando métodos polarográficos, y la técnica de medición de la curva de inducción de fluorescencia de clorofila a de FSII (curva de Kautsky) [6]. La medición de los cambios en la curva de inducción de la fluorescencia de la clorofila a, han sido utilizados en investigaciones sobre la fotosíntesis y pueden ser utilizados para el estudio de compuestos que inhiben al FSII. Materiales y métodos Las hojas de C. ciliatoglanduliferus fueron recolectadas en el estado de Guerrero y secadas. Aproximadamente 500 g de hoja fueron molidas y extraídas exhaustivamente con hexano. El solvente fue evaporado al vació para dar 15 g del extracto crudo que inhibió la síntesis de ATP (Fig.1). El valor de I 50 fue de 34 ppm. Sintesís de ATP (%) [Extracto hexánico] ppm Fig. 1. Efecto de concentraciones crecientes del extracto hexánico obtenido de las hojas de C. ciliatoglanduliferus sobre la síntesis de ATP de tilacoides de espinaca. El control fue de 942 µm de ATP mg -1 Chl h -1. El extracto fue fraccionado por columna cromatográfica y eluído con un gradiente de hexano-etoac (acetato de etilo). En la fracción 80:20 cristalizó espontáneamente la mezcla de flavonoides 5-hidroxi-3,7,3,4 -tetrametoxiflavona y 5,4 -dihidroxi-3,7,3 -trimetoxiflavona (50 mg). Estos compuestos fueron separados por cromatografía en capa fina y sus estructuras fueron confirmadas comparando su punto de fusión y propiedades espectroscopicas (UV, 1 HNMR, 13 NMR y MC, con datos anteriormente publicados [4,7,8]. Aislamiento de cloroplastos y determinación de clorofila. Los cloroplastos fueron aislados de hojas de espinaca (Spinacea oleracea L.) tal como se ha publicado previamente [9,10]. Él medio de aislamiento contiene sacarosa 400 mm, MgCl 2 5 mm, KCl 10 mm y Tricina 30 mm (ph = 8.0). Después fueron resuspendidos en el mismo medio y almacenados en la obscuridad por 1 h a 4 ºC. La clorofila fue cuantificada según el método de Strain [11]. Determinación de la síntesis de ATP y el transporte de electrones. La síntesis de ATP fue determinada utilizando un microelectrodo Orion Mod. Ross conectado a un potenciómetro con escala expandida como reporta Dilley [12], el rango de ph en el que se realizaron las medidas fue entre 8.0 y 8.1. El medio de reacción para la

3 síntesis de ATP contiene sacarosa100 mm, KCl 10 mm, MgCl 2 5 mm, KCN0.5 mm, Tricina 1 mm (ph = 8.0) y MV (metil viologeno) 50 µm como aceptor de electrones exógeno en la presencia de ADP 1 mm y KH 2 PO 4 3 mm. El transporte de electrones no-cíclico de H 2 O a MV fue determinado utilizando un electrodo tipo Clark conectado a un monitor de oxígeno YSI (Yellow Spring Instrument) mod La velocidad del transporte de electrones basal fue medido iluminando los cloroplastos (20 µg de clorofila) por un minuto, en un medio similar al de la síntesis de ATP, en este medio se utilizó tricina 15 mm en lugar de 1, y no se uso ADP ni KH 2 PO 4. El transporte de electrones fosforilante no-cíclico fue medido de la misma manera que el basal, y se agregó ADP 1 mm y KH 2 PO 4 3 mm. El transporte de electrones desacoplado fue ensayado en el medio basal y se le agrego NH 4 Cl 6 mm [13,14]. Flujo de electrones desacoplado de FSI y FSII. El transporte de electrones desacoplado de FSII fue medido de H 2 O a DCPIP (diclorofenolindofenol) usando el medio para el transporte basal mas DBMIB (2,5-dibromo-3-metil-6-isoproil-pbenzoquinona) 1 µm como inhibidor del flujo de electrones a FSI, DCPIP 100 µm/ K 3 [Fe(CN) 6 ] 500 µm y NH 4 Cl 6 mm. MV fue omitido [13]. La reacción parcial del flujo de electrones del FSII de H 2 O a SiMo (silicomolibdato de sodio) fue determinado con el medio de transporte de electrones basal sin MV, en este caso el DBMIB se cambio por DCMU (3-(3,4 -diclorofenil)-1,1- dimetilurea) 10 µm y el DCPIP/ K 3 [Fe(CN) 6 se cambio por SiMo. La reacción parcial desacoplada del FSII de DPC (difenil carbazida) a DCPIP oxidado, fue medida como DCPIP reducido en un espectrofotómetro marca Beckman DU 650 con tilacoides previamente incubados con Tris 0.8 M (ph = 8.0) durante 30 min. a 4 ºC [14]. El transporte de electrones desacoplado del FSI se determino en forma similar al transporte de electrones basal no cíclico mas DCMU10 µm, DCPIP 100 µm reducido con ascorbato y NH 4 Cl 6 mm [15]. El valor de I 50 para cada actividad es determinado como la concentración de compuesto que produce el 50 % de inhibición. Medición de la fluorescencia de la clorofila a de FSII. Las curvas de inducción de la fluorescencia de la clorofila a fueron medidas a temperatura ambiente utilizando un fluorometro Handy PEA (Plant Efficient Analyzer) Hansatech como ha descrito anteriormente Strasser et al., [6] y King-Díaz et al., [16]. Alícuotas de 20 µg de cloroplastos frescos fueron incubados por 5 min en la oscuridad. Cada alícuota fue lisada en fresco con medio de transporte de electrones basal. La máxima fluorescencia producida por la muestra fue generada usando una lámpara de 6 diodos que emiten un pulso de luz roja de alta intensidad a 650 nm. La duración del pulso fue de 2 s. Resultados y discusión Del extracto hexánico de hoja de la planta C. ciliatoglanduliferus que inhibió la síntesis de ATP (Fig. 1), se obtuvo una mezcla de compuestos que al ser separada por cromatografía de capa fina dio como resultado dos flavonoides que al ser caracterizados estructuralmente correspondieron a retusina (5-hidroxi-3,7,3,4 - tetrametoxiflavona) y paquipodol (5,4 -dihidroxi-3,7,3 -trimetoxiflavona).

4 MeO O MeO O 3' 4' OH 2' 5' 1' 2 6' OH O 6 10 OH 4 O 3 (Retusina) (Paquipodol) Efectos de retusina y paquipodol sobre las actividades fotosintéticas. Tanto retusina como paquipodol inhibieron la síntesis de ATP de H 2 O a MV acoplada al transporte de electrones en cloroplastos lisados en fresco como se observa en la Fig Sintesis de ATP (%) [Flavonoides retusina y paquipodol] µm Fig. 2. Efecto de concentraciones crecientes de ( ) retusina y paquipodol ( ) sobre la síntesis de ATP en tilacoides de espinaca. El valor del control de la síntesis de ATP fue de 1200 µm de ATP/mg -1 Chl h -1 De los dos compuestos, paquipodol fue el que presento mayor actividad como inhibidor de la síntesis de ATP con un I 50 de 51 µm. Retusina solo inhibió esta actividad en un 20% aproximadamente, por lo que no se estudio en las siguientes actividades. Estos resultados sugieren que el grupo -OH libre del paquipodol en la posición 4 es requerido para que el compuesto presente inhibición de la síntesis de ATP, ya que cuando esta metoxilado como en retusina pierde actividad. Para elucidar el mecanismo y sitio de acción del paquipodol, se midieron sus efectos sobre el transporte de electrones cíclico en sus tres estados (basal, fosforilante y desacoplado) de H 2 O a MV. Como se puede observar en la gráfica 3, a medida que la concentración de paquipodol aumenta se inhibe el flujo de electrones en diferentes grados, siendo los transportes de electrones fosforilante y desacoplado los más inhibidos con I 50 de 30 y 76 µm respectivamente.

5 Flujo de electrones (%) [Paquipodol] µm Fig. 3. Efectos del paquipodol sobre el transporte de electrones nociclico basal ( ), fosforilante ( ) y desacoplado ( ) de agua a MV. Los valores de los controles fueron 600, 1401 y 1734 µequiv. e - mg Chl -1 h -1. El flujo de electrones basal fue el menos inhibido, lo que sugiere que durante la fosforilación y el transporte de electrones desacoplado el sitio en donde inhibe el paquipodol esta expuesto, pero en condiciones basales el sitio se encuentra oculto. Localización del sitio de interacción del paquipodol en los fotosistemas. Para localizar el sitio de acción del paquipodol en la cadena transportadora de electrones al actuar como inhibidor de la reacción de Hill, el efecto del compuesto fue ensayado sobre los FSI y FSII, así como en las reacciones parciales, utilizando donadores, aceptores e inhibidores de electrones adecuados para tal efecto [17]. La tabla 1 muestra como paquipodol inhibe tanto el FSII desacoplado como la reacción parcial desacoplada de FSII de H 2 O a SiMo. Sin embargo, no presenta efecto sobre el FSI medido de DCPIP reducido a MV. Los resultados indican que paquipodol inhibe el transporte de electrones de FSII de H 2 O a Q A. Table 1. Efecto de las concentraciones crecientes de paquipodol en los transportes de electrones desacoplados de FSII, reacciones parciales de FSII y FSI. PSII H 2 O to DCPIP SiMo to DCPIP DPC to DCPIP PSI DCPIPred to MV Conc. (µm) µequiv. e - mg -1 Chl h -1 % µequiv. e - mg -1 Chl h -1 % µm DCPIPred mg -1 Chl h -1 % µequiv. e - mg -1 Chl h -1 % Para determinar el sitio de inhibición del paquipodol en el FSII se midió el flujo de electrones de DPC a DCPIP en condiciones desacopladas con cloroplastos tratados con Tris 0.8 M. Los datos mostrados en la tabla 1 indican que el paquipodol no inhibe en este tramo de la cadena, por lo tanto el sitio de inhibición se encuentra en el lado donador del FSII. Medida de la fluorescencia de la clorofila a en presencia de paquipodol. Para corroborar el sitio de interacción del paquipodol en el FSII, cloroplastos lisados en fresco fueron incubados por 5 min en la oscuridad a temperatura

6 ambiente con diferentes concentraciones de paquipodol. Cloroplastos incubados con 10 µm de DCMU y Tris 0.8 M fueron usados como controles positivos (Fig. 4). Fluorescence yield (Relative) , Time (ms) 10 µm DCMU Control 150 µm 300 µm 600 µm 0.8 M Tris Fig. 4. Curvas de inducción de fluorescencia de la clorofila a de cloroplastos lisados en fresco e infiltrados con paquipodol. DCMU y Tris fueron usados como control positivo. Los detalles son mostrados en material y métodos. Los datos son el resultado de 3 replicas. La curva control en tilacoides muestra una secuencia polifásica OJIP similar a la ya descrita por Strasser para plantas, algas verdes y cianobacterias [6]. La adición de 10 µm de DCMU induce un aumento rápido de la fluorescencia durante los 2 primeros ms de iluminación y transforma la secuencia OJIP en OJ [6]. Cuando los tilacoides son tratados con Tris, un conocido inhibidor del sitio donador de electrones en el FSII, da como resultado una reducción en la fluorescencia máxima, aparece la fase K que consiste de un rápido aumento de la fluorescencia a 300 µs y después la fluorescencia disminuye a un nivel cercano a F 0 (fluorescencia inicial). Las fases J e I ya no se observan en la curva [18]. En la Fig. 2 se muestra el incremento en la supresión de la fase J (a 2 ms) y la aparición del paso K a medida que la concentración de paquipodol va en aumento, la aparición del paso K indica que el lado donador del FSII esta siendo bloqueado por paquipodol. Los valores de F 0 y F M (fluorescencia máxima) disminuyeron de 2 a 1000 ms (Tabla 2 y Figura 4), estos resultados también indican la creación de silent reaction centres o centros de reacción silenciosos [19] los cuales son centros de reacción que funcionan como trampas para disipar la energía de excitación creando moléculas de Q A no reducidas. Table 2. Efecto sobre los parámetros de la fluorescencia en tilacoides con DCMU, incubados en la oscuridad con Tris 0.8 M y con concentraciones crecientes de paquipodol. Compound F 0 F m F v / Fm Area Control µm DCMU Mm tris Paquipodol (µm)

7 Conclusiones De los estudios realizados se encontró por primera vez que retusina y paquipodol son constituyentes de la planta de Crotón ciliatoglanduliferus Ort. (Euphorbiaceae). Los resultados sugieren que paquipodol actúa como inhibidor de la reacción de Hill a nivel de la enzima que fotoliza el agua creando centros de reacción silenciosos e inhibiendo la enzima que fotolisa el agua. El grupo OH en la posición 4 en la estructura de paquipodol es determinante para la actividad inhibitoria del compuesto. Este compuesto es prometedor como un nuevo bioherbicida biodegradable, pero futuros estudios in vivo y la síntesis y estudio del mecanismo de acción de sus derivados son necesarios. Referencias [1] Huerta A., Lopez-Olguin J.F., Aragon A., Budia F., Del Estal P., Vinuela E. Effect of a powder and watery extract of Croton ciliatoglanduliferus Ort. (Euphorbiaceae) incorporated into the diet of Spodoptera littoralis (Boisduval) (Lepidoptera: Noctuidae). Boletín de Sanidad Vegetal de Plagas, 28 (2002) [2] Çitoğlu G.S., Sever B., Antus S., Baitz-Gács E., Altanlar N. Antifungal flavonoids from Ballota glandulosissima. Pharmaceutical Biology 41, (2003) [3] Çitoğlu G.S., Sever B., Antus S., Batiz-Gács E. Altanlar N. Antifungal diterpenoids and flavonoids from Ballota inaequidens. Pharmaceutical Biology, 42 (2004) [4] Valesi A.G., Rodriguez E., Velde G.V., Mabry T.J. Methylated flavonols in Larrea cuneifolia. Phytochemistry, 11 (1972) [5] Miyazawa M., Okuno Y., Nakamura S., Kosaka H. Antimutagenic activity of flavonoids from Pogostemon cablin. J. Agric. Food Chem. 48 (2000) [6] Strasser R.J., Srivastava A., Govindjee. Polyphasic chlorophyll a fluorescence transient in plants and cianobacteria. Photochem. Photobiol. 66 (1995) [7] Agrawal P.K. En: Carbon-13 NMR of flavonoids. Elsevier, Amsterdan, 1989, pp [8] Schmidt T.J., Merfort I., Matthiesen U. Resolution of complex mixtures of flavonoid aglycones by analysis of gas chromatographic-mass spectrometric data. J. Cromatography, 634 (1993) [9] Mills J.D., Mitchell P., Shurmann P., Modulation of coupling ATPase activity in intact chloroplasts. FEBS Lett. 112 (1980) [10] Garza-Ortíz A., King-Díaz B., Sosa-Torres M.E., Lotina-Hennsen B. Interference of ruthenium red analogues at photosystem II of spinach thylakoids.. J. Photochem. Photobiol. B. 76 (2004) [11] Strain H.H., Cope T., Svec M.A., Analytical procedures for the isolation, identification, estimation and investigation of the chlorophylls. Methods Enzymol. 23 (1971) [12] Dilley R.A. Ion transport (H +, K +, Mg 2+ exchange phenomena), Methods Enzymol. 24 (1972)

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