TEMA 4 ALCALOIDES COMPUESTOS CON NITRÓGENO GLUCOSINOLATOS GLUCÓSIDOS CIANOGÉNICOS INHIBIDORES DE PROTEASAS AMINOÁCIDOS NO PROTEICOS

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1 TEMA 4 COMPUESTOS CON NITRÓGENO GLUCÓSIDOS CIANOGÉNICOS ALCALOIDES GLUCOSINOLATOS AMINOÁCIDOS NO PROTEICOS INHIBIDORES DE PROTEASAS

2 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 Gramina Estricnina 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

3 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 Nicotina Derivados de Fenilalanina y Tirosina Papaverina, Codeína, Morfina Derivados de Triptófano Ácido Lisérgico Nicotiana tabacum (tabaco) Papaver somniferum (adormidera) Claviceps purpurea (Cornezuelo del centeno)

4 PROTOALCALOIDES Colchicina, Taxol PSEUDOALCALOIDES Aconitina, Coniina Taxus brevifolia (tejo) Conium maculatum (cicuta) ALCALOIDES VERDADEROS Derivados de Arg, Lys y Orn De PIRROLIDINA -Alcaloides tropánicos (escopolamina, cocaína) De PIPERIDINA (isopeletierina) De PIRROLICIDINA -Alcaloides de Senecio De QUINOLICIDINA -Alcaloides de Lupinus De PIRIDINA -Alcaloides nicotínicos Derivados de Phe y Tyr De ISOQUINOLINA -Alcaloides del peyote De BENCILISOQUINOLINA -Alcaloides de la adormidera (morfina, codeína, papaverina) -Berberina De Amaryllidaceae Derivados de Trp INDÓLICOS simples -Fisostigmina INDÓLICOS complejos -Alcaloides del cornezuelo (Ácido Lisérgico) -Alcaloides de Catharanthus roseus (vinblastina, vincristina, vindolina, ajmalicina) -Estricnina

5 ALCALOIDES DERIVADOS DE Arginina, Lisina Y Ornitina *ALCALOIDES TROPÁNICOS L-Arginina L-Ornitina L-Lisina *ALCALOIDES NICOTÍNICOS Seis carbonos Cinco carbonos Seis carbonos *ALCALOIDES DE PIRROLICIDINA ALCALOIDES TROPÁNICOS Hiosciamina Atropina Escopolamina Datura stramonium (estramonio) TROPANO Atropa belladonna (belladona) Hyosciamus niger (beleño)

6 ALCALOIDES TROPÁNICOS AGENTES ANTICOLINÉRGICOS Buchanan et al, Fig y *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

7 ALCALOIDES ATROPINA HIOSCIAMINA ESCOPOLAMINA NICOTINA CONIINA FISOSTIGMINA ESERINA ACCIÓN ANTAGONISTAS de receptores de acetilcolina AGONISTAS de receptores de acetilcolina Inhibidores de COLINESTERASA ALCALOIDES TROPÁNICOS Cocaína Erythroxylon coca (coca) Buchanan et al, Fig Droga de abuso, anestésico, narcótico

8 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

9 ALCALOIDES DE PIRROLICIDINA: DEFENSA DEL INSECTO Curr Opin Plant Biol, 5, , 2002 ALCALOIDES DE PIRROLICIDINA: FARMACOFAGIA Familia Nymphalidae Subfamilia Ithomiinae

10 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

11 Oreina speciosissima PLANTA N-ÓXIDO No tóxico BASE LIBRE Tóxico Oreina N-ÓXIDO INSECTO 1 BASE LIBRE Platyphora 1-reducción 2-bloqueo reducción 3-oxidación 4-conjugación BASE LIBRE N-ÓXIDO GLUCÓSIDO Mitopus morio No especialistas-1 Oreina-2 y 4 Platyphora-5 Mitopus-3 BASE LIBRE 5-secuestro

12 ALCALOIDES DE QUINOLICIDINA ALCALOIDES DE LUPINOS Lupinina Esparteína Buchanan et al, Fig lupinina esparteína ALCALOIDES DE PIRIDINA ALCALOIDES NICOTÍNICOS Nicotina Nicotiana tabacum (tabaco)

13 ALCALOIDES VERDADEROS Derivados de Arg, Lys y Orn De PIRROLIDINA -Alcaloides tropánicos (escopolamina, cocaína) De PIPERIDINA (isopeletierina) De PIRROLICIDINA -Alcaloides de Senecio De QUINOLICIDINA -Alcaloides de Lupinus De PIRIDINA -Alcaloides nicotínicos Derivados de Phe y Tyr De ISOQUINOLINA -Alcaloides del peyote De BENCILISOQUINOLINA -Alcaloides de la adormidera (morfina, codeína, papaverina) -Berberina De Amaryllidaceae Derivados de Trp INDÓLICOS simples -Fisostigmina INDÓLICOS complejos -Alcaloides del cornezuelo (Ácido Lisérgico) -Alcaloides de Catharanthus roseus (vinblastina, vincristina, vindolina, ajmalicina) -Estricnina ALCALOIDES DERIVADOS DE FENILALANINA Y TIROSINA *ALCALOIDES DE LA ADORMIDERA

14 ALCALOIDES DE ISOQUINOLINA Pellotina Lophophora williamsii (peyote) ALCALOIDES DE BENCILISOQUINOLINA Papaverina, Tebaína, Codeína, Morfina Papaver somniferum (adormidera)

15 Buchanan et al, Fig Bufo marinus Buchanan et al, Fig y 24.23

16 ALCALOIDES DE BENCILISOQUINOLINA Berberis vulgaris (agracejo) Buchanan et al, Fig Bactericida y bacteriostático Berberina ALCALOIDES DE Amaryllidaceae Narcissus pseudonarcissus (narciso) Licorinas

17 ALCALOIDES VERDADEROS Derivados de Arg, Lys y Orn De PIRROLIDINA -Alcaloides tropánicos (escopolamina, cocaína) De PIPERIDINA (isopeletierina) De PIRROLICIDINA -Alcaloides de Senecio De QUINOLICIDINA -Alcaloides de Lupinus De PIRIDINA -Alcaloides nicotínicos Derivados de Phe y Tyr De ISOQUINOLINA -Alcaloides del peyote De BENCILISOQUINOLINA -Alcaloides de la adormidera (morfina, codeína, papaverina) -Berberina De Amaryllidaceae Derivados de Trp INDÓLICOS simples -Fisostigmina INDÓLICOS complejos -Alcaloides del cornezuelo (Ácido Lisérgico) -Alcaloides de Catharanthus roseus (vinblastina, vincristina, vindolina, ajmalicina) -Estricnina ALCALOIDES DERIVADOS DEL TRIPTÓFANO L-Triptófano Indol *ALCALOIDES INDÓLICOS TERPÉNICOS

18 ALCALOIDES INDÓLICOS SIMPLES Fisostigmina Physostigma venenosum (Haba de Calabar) ALCALOIDES INDÓLICOS COMPLEJOS Ácido Lisérgico Claviceps purpurea (Cornezuelo del centeno)

19 ALCALOIDES INDÓLICOS COMPLEJOS Anti-paludismo (producido por Plasmodium falciparum) Buchanan et al, Fig ALCALOIDES INDÓLICOS COMPLEJOS Vinblastina Vincristina Catarantina Ajmalicina Catharanthus roseus (vinca de Madagascar) Buchanan et al, Fig 24.31

20 ALCALOIDES INDÓLICOS COMPLEJOS Estricnina Disuasor alimentario Strychnos nux vomica (nuez vómica) PROTOALCALOIDES Colchicina Colchicum autumnale (cólquico) Taxol Taxus brevifolia (tejo)

21 PSEUDOALCALOIDES Aconitina Aconitum nepellus (acónito) Coniina Conium maculatum (cicuta) Buchanan et al, Fig 24.19

22 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

23 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 NICOTINA ALCALOIDES DEL OPIO HIOSCIAMINA ESCOPOLAMINA LUGAR DE SÍNTESIS Áreas meristemáticas de la raíz Vasos laticíferos Raíz (D. stramonium) Transformada en escopolamina en hojas FUENTE

24 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 Arginina descarboxilasa PUTRESCINA Ornitina Ornitina descarboxilasa POLIAMINAS Putrescina N- metiltransferasa Catión N-metil- 1 -pirrolinium NICOTÍNICOS Nicotina TROPINONA TROPÁNICOS Hiosciamina Atropina Escopolamina

25 RAÍZ Hyosciamus albus (beleño blanco) HOJA SÍNTESIS DE HIOSCIAMINA Y ESCOPOLAMINA H6H HIOSCIAMINA H6H ESCOPOLAMINA Atropa belladonna hiosciamina escopolamina H6H Hiosciamina 6β-hidroxilasa Hyoscyamus niger

26 W: wild type Co: Control T 0 : transformadas T 1 : progenie de T 0 Hiosciamina Escopolamina Células de tabaco transformadas (H6H de Hyosciamus muticus)

27 SÍNTESIS DE ALCALOIDES DE BENCILISOQUINOLINA Tirosina descarboxilasa L-Tirosina L-DOPA Tirosina descarboxilasa Tiramina Norcoclaurina Norcoclaurina sintasa Enzima del puente de berberina Berberina En vesículas de alcaloides S-RETICULINA Morfina Codeína SÍNTESIS DE CODEÍNA Alcaloides de bisbencilisoquinolina Papaver somniferum (adormidera) Alcaloides protoberberínicos

28 TYDC AMIDAS DEL ÁCIDO HIDROCINÁMICO Pool Tyr Tiramina en pared celular Digestibilidad pared BIOSÍNTESIS DE ALCALOIDES INDÓLICOS TERPÉNICOS Triptófano descarboxilasa PARTE INDÓLICA L-Triptófano Triptamina PARTE TERPÉNICA Geraniol Secolaganina Estrictosidina sintasa ESTRICTOSIDINA ALCALOIDES INDÓLICOS TERPÉNICOS

29 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

30 GLUCÓSIDOS CIANOGÉNICOS Amigdalina Prunasina (en rosáceas) GLUCÓSIDOS CIANOGÉNICOS Linamarina (en Manihot esculenta, tapioca, yuca) Durrina (en el sorgo) Lotaustralina (en Lotus corniculatus)

31 SÍNTESIS DE GLUCÓSIDOS CIANOGÉNICOS GLUCÓSIDO CIANOGÉNICO = AZÚCAR + AGLICONA Aglicona: -aromática (Phe), como en la prunasina (en especies de Prunus) -alifática (Val), como en la linamarina (en especies de Trifolium) AMINOÁCIDO N-hidroxil aminoácido HIDROXILACIÓN TIROSINA VALINA ISOLEUCINA DURRINA LINAMARINA LOTAUSTRALINA NITRILO α-hidroxi nitrilo HIDROXILACIÓN AZÚCAR GLUCÓSIDO CIANOGÉNICO EN PLANTAS EFECTOS BIOLÓGICOS *germinación *reserva N *defensa (disuasores y tóxicos) EN ANIMALES *intoxicaciones (vacas, burros, ovejas) EN HUMANOS *2/3 plantas cultivables contienen glucósidos cianogénicos

32 Manihot esculenta (cassava, yuca) África y Latinoamérica: parálisis y transtornos neurológicos CIANOGÉNESIS A PARTIR DE LINAMARINA linamarasa hidroxinitrilo liasa Vetter, 2000

33 Síntesis de linamarina y producción de cianuro en una hoja de yuca Hoja de yuca Tonoplasto Pared celular linamarasa Vetter, 2000

34 TRANSFORMACIÓN LUGAR EFECTOS CYP79D1/D2 antisentido CYP79D1/D2 antisentido HOJAS RAÍCES *Reducción linamarina en hojas *Reducción linamarina en raíces *Niveles normales de linamarina Sobre-expresión HNL en raíces RAÍCES *Aceleración cianogénesis durante procesamiento raíz

35 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

36 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

37 GLUCOSINOLATOS Pieris rapae (las larvas se alimentan de coles, coliflores..) GLUCOSINOLATOS

38 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

39 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

40 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 Glucosinolatos Triptamina Brassica napus (colza)

41 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

42 ÁCIDO PIPECÓLICO Y DERIVADOS ÁCIDO PIPECÓLICO En semillas de Acacia prosopis

43 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

44 Herbívoros especialistas en plantas con aminoácidos no proteicos Dioclea megacarpa Caryedes brasiliensis

45 INHIBIDORES DE PROTEASAS

46 INHIBIDORES DE PROTEASAS EN LA DEFENSA FRENTE A HERBÍVOROS defenseless Buchanan et al, Figura OTROS COMPUESTOS CON NITRÓGENO RIP ( Requiescat In Pacem?) Ribosome-Inactivating Protein Ricina (de Ricinus comunis) Abrina (Abrus precatorius) Mormodina II (Mormodica balsamina) α-lufina (Luffa cylindrica) Briodina 1 (Bryonica dioica) Buchanan et al, Box 9.3

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