Introducción a la Biotecnología vegetal Metabolismo secundario (Fitoquimicos) Dra. María Inés Isla 2012

Transcripción

1 Introducción a la Biotecnología vegetal Metabolismo secundario (Fitoquimicos) Dra. María Inés Isla 2012

2 H 2 O Fotosíntesis CO 2 Biotecnología Vegetal Botánico Identificación taxonómica Micrográfico Fisiológico: Absorción y transporte de agua y nutrientes Fisiología del estrés hídrico Fitohormonas: Crecimiento y desarrollo Aa aromáticos Metabólico: Metabolismo Primario y secundario

3 H 2 O Fotosíntesis CO 2 METABOLISMO PRIMARIO METABO OLISMO VEGE ETAL Hidratos de Carbono Aa aromáticos Proteínas Crecimiento y desarrollo del individuo Indispensable Uniforme Universal Conservativo Grasas

4 CARBOHIDRATOS Fuente de Energía Componentes Estructurales Señalización Detoxificación

5 LOS OLIGOFRUCTANOS El Yacón es una fuente importante defos: La raíz contiene entre 80 y 90%de defos El DP promedio de estos oligosacaridos favorece el desarrollo debifidobacterias Edulcorantes naturales Nocariogénicos A las hojas se les atribuye propiedadesantiestrés YACON

6 POTENCIALES EFECTOS FISIOLOGICOS DE LOS CARBOHIDRATOS NO ABSORBIBLES VOLUMENFECAL... BACTERIAS... SELECTIVO DE BACTERIAS.. AGCC... SELECTIVOAGCC... ABSORCION DE MINERALES. SINTESIS DE VITAMINAS(B).. COLESTEROL TG( INSULINA, GLUCOSA) NH 3 UREA VITAMINAB FUNCION INMUNOLOGICAS GLUTAMINA

7 PROTEÍNAS FUNCIONES Estructural Enzimática Hormonal Transporte Inmunológica

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11 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

12 H 2 O Fotosíntesis CO 2 METABOLISMO PRIMARIO METABO OLISMO VEGE ETAL PF E-4P Fosfoenolpiruvato Vía ácido shiquímico Glicólisis Ciclo de Krebs Vía ácido malónico Piruvato Acetil CoA Vía ácido mevalónico METABOLISMO INTERMEDIO?? Aa aromáticos Supervivencia NITROGENADOS FENÓLICOS TERPENOS METABOLISMO SECUNDARIO

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14 Estrategias relacionadas a la defensa química de las plantas Acumulación constitutiva (Fitoanticipinas) Producción de protoxinas Inducción (Fitoalexinas)

15 FITOANTICIPINAS

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17 Protoxinas

18 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

19 Fitoalexinas: Solanaceas---- Sesquiterpenoides Fabaceas---- isoflavonas

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21 Metabolismo primario P Almacenamiento A B C P Macromoléculas Metabolismo secundario P1 Almacenamiento A B C P P2 P3 P1 P4 P2 P3 P5 Transformación P4 P5

22 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

23 BIOSÍNTESIS DE METABOLITOS SECUNDARIOS Definida por: El espacio El tiempo La translocación Modificaciones post-biosintéticas El almacenamiento. El catabolismo Su lento turnover

24 compuesto Vida media Planta Glucósido del ácido nicotínico 24 horas Glycine max Glucosido de delfinina horas Petunia híbrida Acido clorogénico 20 horas Xanthium pensylvanicum Coniferina horas Picea abies morfina 7,5 horas Papaver sommniferum

25 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

26 METABOLISMO VEGETAL Afectado por: la luz las fitohormonas la disponibilidad de N. C., P y demás nutrientes, la temperatura el estrés biótico y abiótico.

27 H 2 O Fotosíntesis CO 2 METABOLISMO PRIMARIO METABO OLISMO VEGE ETAL PF E-4P Fosfoenolpiruvato Vía ácido shiquímico Aa aromáticos Glicólisis Ciclo de Krebs Vía acetato malonato Piruvato Acetil CoA Compuestos FENÓLICOS METABOLISMO SECUNDARIO

28 Compuestos fenólicos Vía del ácido shiquímico Vía del acetato malonato Biogénesis mixta Derivados fenilpropanoides Policétidos: cromonas, isocumarinas, depsidos, xantonas y quinonas Vía del ácido shiquímico-acetato-malonato: Flavonoides Vía del ácido shiquímico-mevalonato: quinonas o furano y piranocumarinas y cannabinoides Shiquimico-malonato-mevalonato: rotenoides

29 Clasificación de los compuestos fenólicos según su grado de complejidad C 6 C 6 -C 1 C 6 -C 2 C 6 -C 3 C 6 -C 3 C 6 -C 3 -C 6 C 6 -C 1 -C 6 C 6 -C 2 -C 6 Fenoles simples Ácidos Benzoicos y relacionados Acetofenonas, ácidos fenol acético Ácidos cinámicos y relacionados Cumarinas y relacionados Flavonoides y derivados benzofenonas y estilbenos xantonas

30 COMPUESTOS FENOLICOS COMPUESTOS FENOLICOS FLAVONOIDES COMPUESTOS FENOLICOS NO FLAVONOIDES Flavonas Flavonol Flavanona Antocianina Dihidroflavonol isoflavonoides C 6 Fenoles simples C 6 -C 1 Ácidos Benzoicos y relacionados C 6 -C 2 Acetofenonas, ácidos fenol acético C 6 -C 3 Ácidos cinámicos y relacionados C 6 -C 3 Cumarinas y relacionados C 6 -C 1 -C 6 estilbenos C 6 -C 2 -C 6 benzofenonas y xantonas

31 PEP + E4P Shiquimato corismato oseltamivir triptofano Fenil alanina y tirosina Compuestos fenólicosno flavonoides Flavonoides isoflavonoides

32 Derivados fenilpropanoides Fenolicos no Flavonoides Ácido cafeico ácido ferulico ácido sinápico Tioesteres de CoA Flavonoides e isoflavonoides Chalcona Aldehidos de fenilpropanoides Flavanona isoflavona dihidroflavanona Flavonol Alcoholes o monolignoles Antocianidina lignanos lignina

33 LIGNANOS:. ACCIONES Citotóxica y antimitótica Hepatoprotectora Antirreumática Antialérgica Antiagregante plaquetario Adaptógeno Antineoplásico

34 LIGNINAS Radicales libres fenoxi

35 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

36 Derivados fenilpropanoides Ácido cafeico ácido ferulico ácido sinápico Cumarinas Chalcona Simples Complejas Flavona Flavanona isoflavona Antocianidina dihidroflavanona Flavonol Flavonoides e isoflavonoides Antocianidina

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38 Vit K Mellilotus officinalis Inhibe la síntesis de protrombina y tromboplastina

39 Cumarinas policiclicas o condensadas

40 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

41 Derivados fenilpropanoides Lignanos Ligninas cumarinas Ácido benzoico Ácido salicilico Chalcona Flavanona isoflavona dihidroflavanona Ácido clorogenico Antocianidina

42 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

43 33% se absorbe + lactonas de ácido clorogénicos Olor y sabor

44 Derivados fenilpropanoides Ácido cafeico ácido ferulico ácido sinápico Flavonoides Chalcona e isoflavonoides Flavona Flavanona isoflavona Antocianidina dihidroflavonol Flavonol Antocianidina

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46 policétido Kaempferol (flavonol) dihidrokaempferol naringenina dihidroflavonol flavanona

47 Citroflavonoides: quercetina (flavonol) hesperidina(flavanonol) rutina (flavonol) naringenina (flavanonol) Quercetina: Cebolla Manzanas Brócolis Cerezas Uva Repollo rojo

48 Antocianinas: forman parte del grupo de flavonoides hidrosolubles y son las que le proporcionan el color a muchas flores y frutos. flavonoide color Pelargonidina Cianidina Delfinidina Peonidina Petunidina rojo naranja rojo púrpura azul púrpura rojo rosado púrpura

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50 Fitoestrógenos: Isoflavonas Daidzeina, genisteina, equol Isoflavonas----(-) cáncer de mama promovido por estrógenos Modula reacción de estrógenos ligándose a sus receptores

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53 Derivados fenilpropanoides Ácido benzoico Ácido salicilico Chalcona Flavanona isoflavona dihidroflavanona Ácido clorogenico Antocianidina

54 ANTIOXIDANTES

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58 Comp.fenólicos

59 Hipocolesterolémicos: Su habilidad para bloquear la acción de enzimas específicas

60 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. Carcinoma epidermoide de laringe (Hep-2) Artritis degenerativa (McCoy)

61 TANINOS * TANINOS HIDROLIZABLES TANINOS CONDENSADOS dicotiledóneas Gimnospermas Monocotiledóneas Musgos, hepáticas y helechos

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63 O- galoil Catequingalato

64 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.

65 Antocianinas POLIFENOLES R OH + O HO A Flavonoides B R' C OH OH Taninos

66 * LAS QUINONAS: Benzoquinonas Naftoquinonas Antraquinonas

67 Naftoquinonas: a partir de la vía del ácido shiquimico Juglans regia Lawsonia inermis Antihelmintico Fungistático

68 Naftoquinona a partir de la vía del acetato malonato Antiespasmodica, antifúngica, antiprotozoaria Drosera rotundifolia

69 ANTROQUINONAS Laxantes: 1 y 8 HO 3 CH3 6 CH3O (si o no) reducida oxidada y 8 Efecto laxante 6 1

70 Rhamnus frangula Rheum (ruibarbo) Cassia sp Aloe

71 oscuridad Hypericum perforatum Naftodiantrona Luz Quinonas policiclicas

72 Terpenos Isopreno H 3 C CH-CH=CH 2 H 2 C

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74 MEP: 2C-methyl-D-erythritol 4-phosphate

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77 ACCIONES DE LOS TERPENOIDES Sedantes, tranquilizantes y favorecedores del sueño Antiinflamatoria Analgésica Cardiotónica (cardenólido)

78 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.

79 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)

80 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

81 ALCALOIDES

82 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

83 Derivados de Arginina, Lisina y Ornitina Atropa belladonna Alcaloides Tropánicos -Hiosciamina -Atropina -Escopolamina _ -Cocaína Alcaloides Piridínicos Datura stramonium Hyosciamus niger (beleño) Erythroxylon coca Nicotiana tabacum Ricinus communis -Nicotina -Ricinina

84 Derivados de Fenilalaninay Tirosina Alcaloides del Peyote Lophophora williamsii -Mezcalina -Pellotina. La morfina (analgésico), Codeina (antitusivo), papaverina (espasmolítico) Alcaloides de la Adormidera Papaver somniferum -Morfina -Tebaína -Codeina -Papaverina

85 Alcaloides Indólicos Derivados del Triptofano alucinógenos, antimaláricos (derivados de la corteza de la quina) Claviceps purpurea -Alcaloides del Cornezuelo -Ergotamina -LSD LSD -Alcaloides de Catharanthus roseus -Vincristina -Vinblastina -Ajmalicina

86 Derivados de las Purinas Metilxantinas -Cafeína -Teobromina -Teofilina Estimulantes SNC

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89 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

90 SINTESIS ES ORGANO-ESPECIFICA SE SINTETIZAN EN CITOSOL RE MITOCONDRIAS TRANSPORTE A larga distancia A través del tonoplasto Contra gradiente de concent. XILEMA Y FLOEMA Difusión simple Por fusión de membrana Mediada por carriers H+

91 Biopesticidas Agronomía Biología Química Computación Probabilidad de encontrar compuestos útiles= Nº de muestras ensayadas x Nºensayos realizados por muestra

92 Estrategia Nacional de Conservación La mejor manera de conservar la biodiversidad es convertirla en un instrumento para el desarrollo humano sostenible Bioprospección

93 BIOPROSPECCIÓN Búsqueda sistemática de: nuevos compuestos genes proteínas microorganismos otros productos Con potencial para la creación devalor económico y Uso sostenible.

94 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 Requisitos legales y éticos Aplicar prácticas responsables de manejo Aplicar prácticas responsables de negocios Requisitos de manejo y negocio

95 Interacción de los diferentes disciplinas en la Biotecnología Vegetal Botánico sistemático Extracción, aislamiento y elucidación estructural Químico/Farmacólogo Químico medicinal Ingeniero Agrónomo Bioquímico Biólogo Selección de plantas 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

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97 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 Cultivos celulares - Posibilitar la obtención de nuevos compuestos no presentes en la planta madre. - Establecer procesos de biotransformación sólo realizables por enzimas provenientes de plantas.

98 Muchas Gracias