I Metaboliti Secondari delle Piante

School of Industrial and Information Engineering
Course 096125 (095857)
Introduction to Green and Sustainable Chemistry
A.A. 2015/2016
I Metaboliti Secondari delle Piante
Prof. Attilio Citterio
Dipartimento CMIC “Giulio Natta”
http://ISCaMaP.chem.polimi.it/citterio/
Biosintesi e Biogenesi:
Metabolismo Primario
•
•
•
2
La sequenza di stadi enzimatici nella sintesi di uno specifico prodotto
finale in un organismo vivente è detta Biosintesi, mentre la produzione
o generazione di un organismo vivente da altri organismi viventi è
detta Biogenesi. Gli organismi variano molto nella loro capacità di
sintetizzare e trasformare i composti chimici.
Le vie generali per modificare e sintetizzare carboidrati, proteine,
grassi ed acidi nucleici sono risultate essere essenzialmente le stesse
in tutti gli organismi, con solo minori variazioni. Questi processi sono
nel loro insieme descritti come metabolismo primario, ed i composti
implicati nelle sequenze sono detti metaboliti primari.
I metaboliti primari sono composti che sono comunemente prodotti da
tutte le piante e che sono usati direttamente nella loro crescita e
sviluppo. I principali metaboliti primari sono i carboidrati, le proteine,
gli acidi nucleici e i lipidi.
Attilio Citterio
Metabolismo Secondario
•
I prodotti del metabolismo secondario sono sostanze spesso
presenti solo in alcuni tipi di cellule specializzate e differenziate, non
sono essenziali per le cellule stesse ma sono utili all’organismo nel
suo insieme.
Metabolita primario
Acido kaurenoico
Prolina
Metabolita secondario
Acido abietico
Acido Pipecolico
Attilio Citterio
I metaboliti secondari si
raggruppano in classi su basi
strutturali, vie biosintetiche, o tipi di
piante che li producono. Le classi
più ampie sono i terpenoidi, i fenolici
e gli alcaloidi.
Spesso questi composti sono
accoppiati con uno o più zuccheri (le
corrispondenti molecole combinate
sono dette glicosidi). Comunemente
lo zucchero è glucosio, galattosio o
ramnosio.
4
Metaboliti Secondari delle Piante
• Le piante producono una varietà di composti
meno ampiamente distribuiti quali morfina,
caffeina, nicotina, mentolo e gomma. Questi
composti sono i prodotti del metabolismo
secondario, che è il metabolismo dei prodotti
chimici che si trovano irregolarmente o
raramente nelle piante, e che spesso non
hanno un ruolo generale metabolico noto.
• I metaboliti secondari o composti secondari
sono composti che non sono richiesti per la
crescita normale e lo sviluppo e non sono
sintetizzati secondo le strade metaboliche
comuni a tutte le piante.
• La maggior parte delle piante non sono state
esaminate per i metaboliti secondari e si
scoprono ogni giorno nuovi composti.
energia
luminosa
organi di stoccaggio
di amido o zucchero
fotosintesi,
respirazione e
fotorespirazione
zuccheri
O2
CO2
zuccheri
amido
H2O vapore
H2O
zuccheri
organo di stoccaggio
di zuccheri e amido
Attilio Citterio
respirazione, no
fotorespirazione
O2
CO2
H2O e
minerali
Fotosintesi, respirazione, scambio idrico e
traslocazione di zuccheri (fotosintetizzati)
in una pianta
5
Funzioni dei Metaboliti Secondari
•
•
•
•
I ruoli più comuni per i metaboliti secondari nelle piante sono ruoli
ecologici che governano le interazioni tra le piante e gli altri
organismi.
Molti metaboliti secondari sono pigmenti dai colori brillanti come le
antocianine che colorano i fiori rossi, blu e gialli. Questi attraggono gli
impollinatori e i dispersori di frutti e semi.
La nicotina ed altri composti tossici proteggono le piante da erbivori e
microbi.
Altri metaboliti secondari come la gomma e il tetraidrocannabinolo
(THC) dalle piante di canapa non hanno invece funzioni ben note.
H
N
H
C H3
H
N
H
nicotina
THC
Attilio Citterio
6
Micotossine da Muffe e Funghi
•
•
L’Aflatossina è una micotossina naturale prodotta da due tipi di
muffe: l’Aspergillus flavus e l’A. parasiticus , più speci correlate, A.
nomius e A. niger. La muffa A. flavus è comune e molto diffusa in
natura e si trova molto spesso quando certi semi si trovano in
condizioni di stress come nel caso di siccità. In natura sono prodotte
almeno 13 differenti tipi di aflatossine con l’aflatossina B1 considerata come
la più tossica per il fegato (induce il cancro in animali!) .
Le aflatossine si riscontrano soprattutto su derrate come il mais, noccioline, e
altri semi. Occasionalmente si trovano nel latte, formaggi e prodotti caseari a
seguito di contaminazione di alimenti zootecnici.
O
O
O
Aflatossina
O
O
O
attivazione nel fegato
O
Incorporazione nel DNA
H 2N
O
HN
O
O
N
N
N
R
Attilio Citterio
HO
O
O
O
Addotto aflatossina-DNA
Ruolo dei Metaboliti Secondari nelle Piante
ATTRAZIONE
E
STIMOLAZIONE
DIFESA
Erbivori
Funghi
Batteri
Virus
Piante
Metabolismo
Dei Carboidrati
PROTEZIONE DA EFFETTI FISICI.
Luce UV
Evaporazione
Freddo
Attilio Citterio
Impollinazione
Disseminazione
Deposizione
Cibo-Pianta
Accumulo
Farmacologia
Simbiosi
Fissazione N2
Micorrize
Interesse per i Metaboliti Secondari
•
•
•
Sostanze aromatiche
Coloranti
Sostanze di interesse farmacologico e nutraceutico
BIODIVERSITA’
Angiosperme più di 275000 specie note
> 100000 composti noti
Conferenza dell’ONU sull’ambiente
Rio de Janeiro 1992
Convenzione sulla Diversità Biologica
Uso sostenibile: utilizzo di elementi della biodiversità in modi e
tempi tali da non portare al depauperamento della biodiversità
Attilio Citterio
DIFESA
•
Strategia della pianta
 Induzione di molecole di difesa come risposta all’attacco di
patogeni o erbivori (fitoalessine)
 Pro-tossine innocue attivate da un enzima innescato a seguito di
un attacco
 Accumulo di prodotti di difesa costitutivi
 produzione di sostanze deterrenti alimentari (tannini; sostanze
tossiche)
 produzione di sostanze che mimano ormoni animali (steroli
prodotti dalla pianta mimano l’ormone della muta)
 produzione di composti che attraggono i predatori degli erbivori
Attilio Citterio
10
Esempi di Metaboliti di Difesa
Saponine
-D-glu (12)
prodotti nelle radici
dell’avena
(difesa dai funghi)
3
-L-ara (1)
-D-glu (1)
Avenicin A-1
S--D-glu
S
Glucosinolati
preformati
R
C
-
NOSO3
H2O
Le ferite aumentano
l’attività della mirosinasi
Mirosinasi
SH
Instabile
R C
Intermedio
NOSO3
aglicone
Glucosinolati
R
N
C
S
Isotiocianato
R
C
+
D-glucosio
N
Nitrile
R
S
C
N
Tiocianato
Si rilasciano vari composti bioattivi tossici
Attilio Citterio
Esempi di Metaboliti di Difesa Glicosidi Cianogenici
11
+ HCN
Amigdalina
Prunasina
Mandelonitrile
gruppo cianuro
Amigdalina
due molecole di glucosio
Attilio Citterio
12
Pianta - Pianta
ALLELOPATIA
mutua influenza tra le piante attraverso la
secrezione di particolari sostanze
Piante di pomodoro si
ammalano e muoiono se
piantate nelle vicinanze di un
albero di noce (Juglans nigra).
L’area di tossicità è data
dall’ampiezza della chioma
dell’albero
molecola glicosilata
che, una volta idrolizzata e
ossidata, nel suolo diventa
una potente tossina
Attilio Citterio
Pro-tossina
glucoside del 1,4-diidrossi-2-naftoato
H2O
OX
juglone
Metaboliti Secondari – I Tre Gruppi Principali:
13
 Terpeni
 Composti Fenolici

Alcaloidi
Spesso sono sintetizzati dai metaboliti primari.
Attilio Citterio
14
Principali Vie ai Metaboliti Secondari
chlorophyll + CO2 + H2O + light
Fotosintesi
Respirazione
polisaccaridi
OH
O2
O2
O
COOH
monosaccaridi
O
acido prefenico
O
OH
acido shikimico
OH
O
acido piruvico
peptidi
acido mevalonico
acido acetico
(acetil CoA)
amminoacidi aromatici
amminoacidi alifatici
fenolici
acidi cinnamici
alcaloidi
3,3-dimetilallil pirofosfato
terpenoidi
acido malonico
polichetidi
cumarine
Acidi grassi, grassi
Attilio Citterio
Principali Vie Metaboliche ai Metaboliti
Secondari
15
clorofilla + CO2 + H2O + luce
carboidrati
O
OH
HO
OH
OH
Acido scichimico
ciclo dei pentosi
acido fosfoenolpiruvico
acido piruvico
ALCALOIDI
Acetil Coenzima A
amminoacidi aromatici
amminoacidi
acidi cinnamici
acidi tricarbossilici
Malonil
Coenzima A
acido mevalonico
FENILPROPANOIDI
FLAVONOIDI
Attilio Citterio
COMPOSTI
FENOLICI
TERPENOIDI
CAROTENOIDI
STEROIDI
16
Visione Generale del Metabolismo delle Piante
CO2
Fotosintesi
METABOLISMO PRIMARIO DEL CARBONIO
Eritrosio4-fosfato
Fosfoenolpiruvato
3-FosfoGlicerato
(3-PGA)
Piruvato
Ciclo acidi
tricarbossilici
Acetil CoA
Amminoacidi
alifatici
Via dell’acido
Scichimico
Via dell’acido
Malonico
Via dell’acido
Mevalonico
Via del
MEP
Amminoacidi
Aromatici
Prodotti secondari
Contenenti - azoto
Composti
fenolici
Terpeni
METABOLISMO SECONDARIO DEL CARBONIO
Attilio Citterio
17
TERPENI
• 30.000 composti noti
Unità C5
Wallach (1910) Regola
dell’isoprene
I terpeni possono essere ipoteticamente
costruiti da unità ripetute di molecole di
isoprene
Isolati la prima volta dalla
trementina (turpentine)
Attilio Citterio
isoprene
Individuazione delle Unità Isopreniche nei Terpeni
 L’individuazione
dell’unità isoprenica C5
come componente della
struttura dei terpeni è
stata di grande aiuto nel
chiarire le loro strutture.
 Molti terpeni hanno
anche le unità
isopreniche legate in
anelli, ed altri (terpenoidi)
contengono ossigeno.
Attilio Citterio
or
or
18
Intermedio Chiave è l’Isopentenilpirofosfato
Sono stati caratterizzati oltre
40,000 composti derivati
dall’isopentenil pirofosfato
(IPP).*
Nei mammiferi, questi includono:
il colesterolo, gli acidi biliari, gli
ormoni steroidei, il dolichol, il
coenzima Q, e le proteine
prenilate.
Nelle piante, la via isoprenoidica
genera un’ampia varietà di
composti inclusi la gomma, il
gas isoprene, i carotenoidi e
alcune vitamine.
19
Acidi biliari
Steroidi
Ormoni
Vitamina D
Colesterolo
Vitamina A
Catena Fitilica
della clorofilla
Vitamina E
Dolicoli
Vitamina K
Chinoni di
trasporto
elettronico:
ubichinone,
plastochinone
Carotenoidi
Ormoni vegetali
acido
abscissico
e acido
giberellico
*Sacchettini, James C.; Poulter, C. Dale 1997 Creating
Isoprenoid Diversity. Science 277(5333) 1788-1789
Peñuelas J, Munné-Bosch S 2005 Isoprenoids: an evolutionary
pool for photoprotection. Trends Plant Sci. Apr;10(4):166-9..
Attilio Citterio
Gomma
Isoprene
3-Isopentenil
pirofosfato
Accesso all’IPP via Acido Mevalonico
20
Il precursore biologico di tutti i terpeni è l’isopentenil-difosfato (IPP)
sintetizzato o dall’ACIDO MEVALONICO (citosol ER) o dalla
gliceraldeide fosfato/piruvato (plastidi)
acido mevalonico
via dell’acido
mevalonico
acido 3,5-diidrossi-3-metilpentanoico
3-Idrossi-3-metilglutaril coenzima A riduttasi (HMGR)
HGM-CoA RIDUTTASI
NEGLI ANIMALI REGOLA
LA BIOSINTESI DEL
COLESTEROLO
NELLE PIANTE INDUCIBILE
DA PATOGENI
Attilio Citterio
21
Accesso all’IPP via Acido Piruvico
Acetyi-CoA
OH
H 3C
Acetil-CoA
C H2 C H2 O H
C
C H 2 COOH
Acido Mevalonico
(MVA)
Tiolasi
ATP
CoASH
MVA chinasi
ADP
O
O
H 3C
C
C H2
C
S
CoA
Acetoacetil-CoA
Acetil-CoA
HMG-CoA
sintasi
H 3C
C
CoASH
O
OH
Acido Mevalonico
5-fosfato (MVAP)
C H2 C
S
CoA
C H 2 COOH
3-Idrossi
3-metil
glutaril-CoA
(HMG-CoA)
MVAP chinasi
ADP
OH
2 NADPH
HMG-CoA
riduttasi
H 3C
C
ATP
OH
C
C H2 C H2 O H
C H 2 COOH
Acido Mevalonico
5-difosfato (MVAPP)
C H2 C H2 O P P
C H 2 COOH
2 NADP+
CoASH
H 3C
ATP
Acido Mevalonico
(MVA)
MVAPP
decarbossilasi
ADP +
P
CO2 + H2O
Isopentenil
difosfato
(IPP)
Attilio Citterio
22
Vie Biosintetiche dei Terpeni
ER cit.
plastidi
3×Acetil-CoA
Gliceraldeide
3-fosfato
Piruvato
Strada del
Metileritritolo
fosfato
Strada del
mevalonato
Acido mevalonico
PRENILTRANSFERASI:
determinano l’allungamento
della catena: producono Geranil
pirofosfato (GPP; C10), Farnesil
pirofosfato (FPP; C15),
Geranilgeranil pirofosfato
(GGPP; C20)
Metileritritolo
fosfato
Isoprene
Isopentenil difosfato
Dimetilallil difosfato
Monoterpeni
CH2 O P P
Geranil difosfato
2x
TERPENE SINTASI: modificano i prodotti
delle prenil transferasi (ciclizzazioni)
producendo una gran varietà di terpeni.
(monoterpene sintasi, sesquiterpene sintasi,
diterpene sintasi)
Attilio Citterio
Sesquiterpeni
Triiterpeni
Farnesil difosfato
Diiterpeni
O - P- P
Geranilgeranil difosfato
Politerpenoidi
2x
Tetraterpeni
SINTESI DEI TERPENI DALL’UNITA’ BASE IPP
Emiterpeni
C5
Isopentenil
difosfato
IPP Isomerasi
Dimetilallil
difosfato
PP
C10
CH2 O P P
Geranil
difhosfato
Monoterpeni
(IPP)
PP
C15
CH2 O P P
Farnesil
difosfato
2x
Sesquiterpeni
(IPP)
PP
C20
CH2 O P P
2x
2
Geranilgeranil
difosfato
Diterpeni
PP
C30
2
Squalene
Triterpeni
PP
C40
Fitoene
Tetraterpeni
Attilio Citterio
23
Siti di Produzione dei Terpeni
monoterpeni C10
diterpeni
C20
tetraterpeni C40
plastidi
sesquiterpeni C15
triterpeni
C30
citosol
ER
Tricomi ghiandolari
presenti sulla superficie fogliare
accumulano e secernono i terpeni
(menta, timo , limone)
Attilio Citterio
24
25
MONOTERPENI C10
DMAPP + IPP
CH22O P P
CH22O P P

GPP
SOSTANZE VOLATILI
Geranil-PP
• attrazione impollinatori
• repellenti insetti
Monoterpeni
CHO
(R)-Carvone;
Aroma
menta verde
OH
Mircene
Limonene
Nerolo
Geraniolo
Citrale
Mentolo
O
CHO
Citronellale
-Pinene
Canfora
- deterrente alimentare per
erbivori - allelopatica
Attilio Citterio
Aroma
menta piperita
26
MONOTERPENE SINTASI
•
O P P
LIMONENE SINTASI
P P
+
M2+
Catalizza la più semplice delle
reazioni di ciclizzazione
dei terpenoidi e serve come
modello per questo tipo di reazioni
Geranil
pirofosfato
(3S)-Linalil
pirofosfato (trans)
(3S)-Linalil
pirofosfato (cis)
C H3
P P
(-)-Limonene
H 3C
C H2
Catione -Terpinile
Limonene
P P
PP
Attilio Citterio
+
27
Pineni
I pineni sono tra i più comuni monoterpeni
e sono i principali componenti della
trementina prodotta da pini e abeti: sono
tossici per funghi ed insetti
C H3
C H3
OH
H 3C
C H2
Limonene
H 3C
C H3
Mentolo
Attilio Citterio
Attacco di coleotteri al
tronco di un pino
28
Monoterpeni
Insetticidi: pinene
piretrina
Mircene
-Pinene
Linaloolo
Limonene
Attraenti per impollinatori:
Linalolo, cineolo
Deterrenti fogliari:
canfora, cineolo
-Pinene
1,8-Cineole
COOR
Bornil difosfato
Attilio Citterio
Piretrina I
29
SESQUITERPENI C15
GPP + IPP
Farnesyl-pyrophosphate
FPP
Farnesil-PP
Sesquiterpeni
usato come
antiinfiammatorio
O
CH2 OH
Farnesolo
Bisabolene
Cadinene
Selinene
Vetivone
H
OH
O
OH
Patchoulol
(Parfum)
O
OH
Abscisic acid
(Phytohormon)
(-)--Bisabololo
lattoni sesquiterpenici (cicoria, carciofo, indivia, etc.)
deterrenti alimentari (gusto amaro usati per aromatizzare gli amari
Elanina dell’ARNICA
Attilio Citterio
Le Sesquiterpene Sintasi
Producono Diverse Fitoalessine
30
Fitoalessina
tabacco
Capsidiolo
epi-Aristolochene
epi-Aristolochene
sintasi
-Cadinene
sintasi
-Cadinene
Gossipol
(dimero sesquiterpene)
Attilio Citterio
FPP
Vetispiradiene
sintasi
Vetispiradiene
Lubimina
Fitoalessina
patate
31
DITERPENI C20
FPP + IPP
GGPP
Geranilgeranil-PP
Diterpeni
Casbene
(Fitoalessina)
Tassolo (anti-cancro)
H 3C
C H3
Acido Giberellico
(Fitoalessina)
acido abietico
(ambra)
Attilio Citterio
H 3C
OH
O
C H3
32
Diterpene Sintasi
•
Fitoalessina ricino
2 diversi meccanismi
di ciclizzazione
Casbene
sintasi
O P P
Geranilgeranil
difosfato
Taxadiene
sintasi
Casbene
Fitoalessina del ricino
Abietadiene
sintasi
Taxadiene
Precursore taxolo
Acido abietico:
componente resina
conifere, ambra
Abietadiene
sintasi
Labdadienile
(copalile) difosfato
Attilio Citterio
Abdetaiene
33
TRITERTERPENI C30
OH
O
P
OH
O
O
P
OH
FPP + FPP
O
SQUALENE
giunzione testa-testa
Testa-teta
C H3
H 3C
C H3
C H3
H
C H3
H
H
HO
squalene
C H3
H
sitosterolo
C H2
H 3C
H
C H3
lupeolo
HO
H
C H3
C H3
C H3
H
H 3C C H 3
Attilio Citterio
Saponine
sostanze glicosilate tossiche
prodotte dalle radici e dai fusti
di molte specie
34
Strutture dei Triterpeni
•
Derivano tutte dallo squalene, generano regolatori di crescita
(brassinosteroidi) e le cere protettive delle superfici di fogli e frutti.
OH
OH
SQUALENE
H
HO
H
O
HO
H 3C
C H3
H
H
e fitosteroli
O
Cicloartenolo
Brassinolide
C H3
C H3
C H3
C H3
O
H 3C
C H3
Squalene ossido
H
H
H
H
HO
H
-Amirina
COOH
HO
H
Acido oleanolico
si trova nelle cere dei frutti
Attilio Citterio
35
Strutture di Triterpeni
(A) Azadirachtina, un limonoide
O
O
HO
OCH3
H
OH
O
O
O
H
O
H
Limonoidi: Triterpeni responsabili del sapore
amaro nei limoni;
deterrenti per gli erbivori;
O
HO
O
H3 CO
O
azadiractina potente deterrente per gli insetti,
scarsamente tossico per i mammiferi:
insetticida venduto in Africa e Asia.
O
(B) -Ecdisone, un ormone della muta degli insetti
OH
OH
H
HO
H
isolati da felci: steroidi vegetali simili agli ormoni
della muta degli insetti, se ingeriti dagli insetti
interferiscono con il processo della muta.
OH
O
Attilio Citterio
36
TETRATERPENI C40
Prodotti dall’unione testa–testa
di due molecole di GGP a formare il fitoene
Fitoene sintasi: meccanismo simile
alla squalene sintasi
FITOENE:
• Desaturazioni
• Ciclizzazioni
CAROTENOIDI
Attilio Citterio
37
Carotenoidi
I caroteni sono tetraterpeni. Si possono pensare come due diterpeni legati testatesta. Tutti i caroteni si possono convertire a vitamina A da enzimi nel fegato.
 -Carotene
 -Carotene
 -Carotene
Attilio Citterio
Modificazioni Successive
•
Modificazioni degli scheletri
base come ossidazioni,
riduzioni, isomerizzazioni,
coniugazioni, producono
migliaia di differenti terpenoidi
con svariate attività biologiche
in piante e animali
menta romana
Esempio:
• Componenti dell’olio
essenziale della menta
derivati da modificazioni del
limonene
menta piperita
Attilio Citterio
38
Composti di Interesse Biologico e
Farmaceutico
H
Reazioni simili a
quelle
responsabili
della produzione
di oli essenziali
generano
migliaia di
composti di
interesse
biologico e
farmaceutico.
Nepetalattone
(principio attivo
dell’erba gatta)
39
H
H
H
O
O
O
Juvabione
(analogo dell’ormone
di muta di insetti)
O
OH
H
H
HO
Sirenina
(attraente sessuale
di muffe d’acqua)
O
O
H
O
O
Artemisinina
(farmaco antimalarico)
OH
OH
H
H
OH
H
O HO
Tassolo
(farmaco anticancro)
Azadiractina A
(antifeedant di insetti)
Ecogenina
(aglicone del
detergente saponina)
Attilio Citterio
OH
Forbolo
(irritante e co-cancerogeno
Costunolide
(repellente per insetti
antifeedant di mammiferi)
-Ecdisone
(altera il ciclo di muta degli insetti)
Digitossigenina
(aglicone della digitossina, un cardiolide per
il trattamento dell’insufficienza cardiaca)
40
GOMMA NATURALE
Gomma Narurale
La gomma pura è morbida e appiccicosa, per cui deve essere
vulcanizzata scaldandola con zolfo. Si provoca una reazione che
produce reticolazioni tra le catene del cis-poliisoprene rendendo la
mescola assai più dura.
Attilio Citterio
41
STEROIDI
Gli steroidi sono importanti “regolatori biologici” che quasi sempre
mostrano drammatici effetti fisiologici quando somministrati ad un essere
vivente.
STRUTTURA E NOMENCLATURA SISTEMATICA
•
Gli steroidi sono derivati dal sistema d’anello del
peridrociclopentanofenantrene
18
12
19
11
17
16
13
1
9
2
10
3
8
7
5
4
14
6
Attilio Citterio
15
42
Steroidi
Nella maggior parte degli steroidi le giunzioni d’anello B, C e C, D sono
trans. Le giunzioni d’anello A, B possono essere sia cis che trans.
18
18
19
11
C H3
2
3
10
1
4
B
A
6
5
9
D
C
14
15
C H3
17
10
H
2
H
tutte le giunzioni d'anello sono trans
B
1
16
3
A
5
4
6
C H3
11
19
13
12
8
7
C H3
9
H
12
8
7
C
14
H
13
D
15
17
16
La giunzione d'anello A, B è cis
Gruppi metilici angolari: I gruppi metile che sono legati sul carbonio
della giunzione d’anello
Sostituenti β : altri gruppi che stanno dalla stessa parte della molecola
dei gruppi metilici angolari.
Sostituenti α : gruppi che stanno sotto il piano medio della molecola.
Attilio Citterio
43
Steroidi
Quando si applica la notazione α e β all’atomo di idrogeno della posizione 5, il
sistema d’anello in cui la giunzione d’anello A, B è trans diventa la serie 5 α; se la
giunzione è cis diventa la serie 5 β. Nella nomenclatura sistematica il gruppo R
nella posizione 17 determina il nome base del singolo steroide.
18
19
20
21
Androstano -CH2 CH3
17
20
21
22
23
24
-CH(CH3 )CH2 CH2 CH3
Esempi
18
18
19
17
5  -Pregnan-3-one
Attilio Citterio
19
Pregnano
17
5  -Cholest-1-en-3-one
Colano
44
Colesterolo
Il colesterolo si può isolare per estrazione di quasi tutti I tessuti animali.
Parte della difficoltà di assegnare una struttura assoluta al colesterolo
È che questo composto contiene otto atomi di carbonio chirali,
esemplificati nella formula sottostante:
H
H3C
H3C
C
H
H
H
HO
H
H
Il colesterolo è noto servire da intermedio nella biosintesi di tutti gli
steroidi del corpo.
Attilio Citterio
45
Ormoni Sessuali
Gli ormoni sessuali si possono classificare in tre gruppi principali:
(1) Gli ormoni sessuali femminili, o estrogeni.
(2) Gli ormoni sessuali maschili, o androgeni.
(3) Gli ormoni della gravidanza, o progestinici.
•
Il primo ormone sessuale a venir isolato è stato un estrogeno,
l’estrone.
3
3
Estradiolo
Estrone
Attilio Citterio
46
Esempi di Ormoni Sessuali Secondari
Il testosterone e l’estradiolo sono i composti da cui derivano le
caratteristiche “maschili” e “femminili”. Essi differiscono lievemente nella
struttura. Il progesterone e il noretindrone sono importanti progestinici.
Androsterone
Progesterone
Attilio Citterio
Testosterone
Norethindrone
47
Ormoni Adrenocorticali
Almeno 28 diversi ormoni sono stati isolati dalla corteccia surrenale.
Inclusi in questo gruppo sono I seguenti due steroidi:
C ortisolo
Cortisone
La maggior parte degli steroidi adrenocorticali hanno un atomo di
ossigeno in posizione 11. Il cortisolo è il maggior ormone sintetizzato
dalla corteccia surrenale umana.
Attilio Citterio
48
Vitamine D
La vitamina D2 si può produrre per reazione fotochimica in
cui l’anello B dienico dell’ergosterolo si apre per produrre un
triene coniugato.
luce UV,
temperatura amb.
Attilio Citterio
Vitamin D2
49
Altre Strutture
•
•
La digitossigenina è un aglicone attivo sul cuore che si può isolare per
idrolisi della digitale.
L’acido colico è il più abbondante acido ottenuto dell’idrolisi della bile
umana o di mammiferi.
Digitossigenina
Attilio Citterio
Acido colico
50
Steroidi Vegetali
Il stigmasterolo è uno steroide molto diffuso nelle piante ottenuto
commercialmente dall’olio di semi di soia
La diosgenina si ottiene da un rampicante messicano, cabeza de negro,
del Genere Dioscorea. E’ usata come materiale di partenza per la sintesi
commerciale del cortisone e degli ormoni sessuali.
diosgenina
Stigmasterolo
Attilio Citterio
51
Reazioni degli Steroidi
La stereochimica delle reazioni degli steroidi è spesso molto complessa.
E’ molto influenzata dall’impedimento sterico presentato alla faccia β dei
gruppi metilici. Per cui, quando l’anello epossidico del 5α,6αepossicolestan-3β-olo si apre, l’attacco dello ione cloruro deve avvenire
dalla faccia β, ma ha luogo alla posizione 6 più aperta.
5
6
5,6-Epossicolestan-3 -olo
La relativa apertura dei gruppi equatoriali influenza anch’essa il corso
stereochimico delle reazioni degli steroidi .
4
3
5
6
(eccesso)
Attilio Citterio
52
Reazioni degli Steroidi
Ma molti reagenti
reagiscono
preferenzialmente
alla faccia α.
H2, Pt
5
3
4
5 -Colestan-3 -olo (85-95%)
5
6
5 ,6 -Epossicolestan-3 olo (solo prodotto)

Colesterolo
1) THF:BF3
2) H2O2, OH-
5 -Colestan-3 ,6 -diolo (78%)
Attilio Citterio
53
Prostaglandine
Le prostaglandine sono acidi carbossilici C20 che contengono un anello
a cinque-membri, almeno un doppio legame e molti gruppi funzionali
contenenti ossigeno. Due delle prostaglandine più attive sono la
prostaglandina E2 e la prostaglandina F1α.
1
5
6
9
11
15
20
Prostaglandina E2
Prostaglandina F1
La biosintesi delle prostaglandine della serie 2 inizia dall’acido poliinsaturo
C20 arachidonico.
2 O2
molti
stadi
cicloossigenasi
PGC2
Acido arachidonico
Attilio Citterio
PGE2
54
COMPOSTI FENOLICI
•
Colonizzazione delle piante degli ambienti terrestri: necessità di
sostegno meccanico ed impermeabilizzazione
PARETE CELLULARE
LIGNINA
COMPOSTI FENOLICI
Ruolo strutturale e adattativo
Attilio Citterio
Funzioni dei Composti Fenolici
 difesa contro erbivori e patogeni
 supporto meccanico (lignina)
 attrazione impollinatori
 assorbimento radiazioni UV dannose
 sostanze allelopatiche
Attilio Citterio
55
Unità Strutturali dei Composti Fenolici
56
LA MAGGIOR PARTE DEI COMPOSTI FENOLICI DERIVA DA DUE VIE
1) DAL FENILPROPANOIDE
C6C3
O
2) DAL FENILPROPANOIDE –ACETATO C6C3-C3
(sono composti fenolici anche i derivati degli acidi benzoici C6C1)
Attilio Citterio
57
Unità Strutturali dei Composti Fenolici
C3
C6
3 × C2
Scheletro di
Fenilpropanoidi
(C6C3)
C 6C 3
Scheletro di Fenilpropanoidi-acetato (C6C3-C6),
con le unità derivate fenilpropanoide (C6C3) e
anelli derivati dall’acetato (3 × C2)
OH
OH
HO
OH
OH
H3 CO
OH
OH
Alcool Coniferilico,
un componente della
lignina e di molti lignani
O
Quercetina, un flavonoide
(C6C3-C6)
Scheletro fenilpropanoide
Anelli derivati dall’acetato
Attilio Citterio
58
Metabolismo dei Composti Fenolici
O
OH
Fosfoenolpiruvato
Eritroso 4-P
(dalla glicolisi)
(dalla via dei pentosi fosfati)
HO
OH
OH
Acetil-CoA
Acido scichimico
pep
Malonil-CoA
fenilalanina
Acido gallico
Acido cinnamico
Tannini idrolizzabili
C6
C6
C3
C1
C6
Composti fenolici
semplici
C6
C3
lignina
Attilio Citterio
C6
Flavonoidi
C6
n
C3
C3
C6
n
Tannini condensati
Via dell’Acido Scichimico o degli
Aminoacidi Aromatici
COOH
HO
OH
COOH
P
O
C
+
CH 2
P
O
C
H2
H
DAHP sintasi
P
O
H2O
OH
OH
OH
Acido 3-deossi-D-arabino
-eptulosonico 7-fosfato
3-deidrochinato
sintasi
3-deidrochinato
deidratasi
Acido corismico
H2O
OH
OH
NADPH + CO2
scichimato
deidrogenasi
arogenato
deidrogenasi
scichimato chinasi
OH
HO
OH
P
ATP
OH
O
OH
Acido 3-fosfo scichimico
Acido scichimico
Tirosina
COOH
COOH
C H2
EPSP sintasi
O
HO
Pi
arogenato
deidratasi
COOH
COOH
PEP
Acido L-arogenico
NADP+
Acido 3-deidroscichimico
Acido 3-deidrochinico
NADP
Acido prefenico
OH
O
OH
O
Pi
prefenato
amminotrasferasi
corismato
mutasi
COOH
COOH
HO
O
CH2
Pi
Eritrosio 4-fosfato
Fosfoenolpiruvato
59
COOH
OH
3-fosfato (EPSP)
CH 2
corismato sintasi
Pi
O
COOH
OH
Acido corismico
Attilio Citterio
Fenilalanina
CO2 + H2O
60
Unità Strutturali della Lignina

Fenilalanina

Acido Cinnamico

Acido p-Cumarico
OH
CHO
COAMP



OH
OH
p-Cumaroil-CoA
p-Cumaraldeide
OH
Alcool p-Cumarilico
Fenilalanina ammoniaca liasi (pal)
LA LIGNINA SI FORMA A
PARTIRE DA 3 DIFFERENTI
ALCOLI FENILPROPANOIDI:
CONIFERILICO, CUMARILICO
E SINAPILICO
QUESTI SI FORMANO DALLA
FENILALANINA ATTRAVERSO
DIVERSI DERIVATI
Attilio Citterio
OH
H3 CO
OH
Alcool Coniferilico
Alcool Sinapilico
Catalisi Enzimatica nella Biosintesi dei
Composti Fenolici
Le vie biochimiche che
portano alla biosintesi delle
varie classi di composti
fenolici hanno molte
caratteristiche comuni
61
Fenilalanina
NH3
Fenilalanina ammonica liasi
C6-C1
Derivati del
acido benzoico
Acido trans-Cinnamico
Acido caffeico
ed altri semplici
fenilpropanoidi
L’ enzima PAL:
Fenilalanina ammonio liasi
è l’enzima centrale nella
sintesi dei composti fenolici
Acido p-Cumarico
CoA-SH
Cumarine
Precursori lignina
p-Cumaroil-CoA
(Vedi seguito)
Attilio Citterio
3 molecole di Malonil-CoA
62
Antociani e Flavonoidi
Calcone sintasi
OH
HO
OH
OH
HO
OH
O
Calconi
HO
O
OH
OH
O
Flavoni
O
HO
OH
O
O
Flavanoni
OH
O
OH
OH
HO
Isoflavoni
O
OH
OH
OH
HO
O
O
Diidroflavonoli
OH
OH
Antocianine, Tannini condensati
Attilio Citterio
O
Flavonoli
63
Tipici Isoflavoni
HO
O
HO
O
O
OH O
OH
Daidzeina
Genisteina
O
HO
H3 CO
OH O
Gliciteina
Attilio Citterio
OH
OH
64
Derivati dell’Acido Benzoico C6C1
(C)
COOH
OH
Vanillina
Acido Salicilico
Derivati dell’acido benzoico
Attilio Citterio
[
C6
]
65
Composti Fenolici Semplici C6C3
(A)
COOH
HO
COOH
HO
OH
OCH3
Acido ferulico
Acido caffeico
Semplici fenilpropanoidi
[
]
C6
(B)
HO
O
O
O
O
Psoralene,
una furanocumarina
Umbelliferone,
una semplice cumarina
Cumarine
O
[
Attilio Citterio
C6
]
66
Flavonoidi C6C3-C6
Dalla via dell’acido scichimico
tramite la fenilalanina
[
]
C6
3’
Dalla via dell’acido
malonico
[
C6
]
2’
8
1
7
A
C
1’
2
4’
B
5’
6’
3
6
5
4
Ponte a tre-carboni
Scheletro di base dei flavonoidi
Attilio Citterio
Il Complesso Albero dei Flavonoidi
Attilio Citterio
67
Tannini, Polifenoli e Flavonoidi
Tannini idrolizzabili
(impermeabilizzanti
del cuoio)
Acido gallico
Acido ellagico
Acido digallico
Tannini condensati
Flavonoidi
+ formaldeide = adesivi
Mimosa
Pino
Attilio Citterio
Alti Livelli di Polifenoli e Antiossidanti
Tipici di Frutti e Vegetali
tè verde - catechina
semi - isoflavone
uva-resveratrolo
frutti- flavonoidi
Attilio Citterio
mele e cipolle- quesetina
tè nero - polifenolo
Tannini

Non carboidrati – non contengono zuccheri

Composti polifenolici di diversa natura
1. Tannini idrolizzabili
Residui di acido gallico legati al
glucosio via legami glicosidici
2. Tannini condensati (non idrolizzabili)
Condensati bifenilici di fenoli

Effetti anti-nutrizionali
 Si combinano con proteine, cellulosa,
emicellulosa, pectina e minerali
 Possono inibire microorganismi e
enzimi

Nelle piante
• Le piante più addomesticate sono state selettivamente coltivate per basse
concentrazioni di tannini – il sorgo resistente agli uccelli è un’eccezione
• Molti legumi estivi e piante da pascolo contengono tannini
• I rivestimenti colorati dei semi sono indicativi di tannini - Ghiande
Attilio Citterio
P
Diapositiva 70
PAC1
Prof. Attilio Citterio; 12/03/2012
PAC2
Prof. Attilio Citterio; 12/03/2012
71
Biomassa come Fonte Alternativa di Fenoli
•
I fenoli sono presenti in
natura nelle piante e nelle
felci mentre sono quasi
assenti negli animali.
Flavanoli
Flavanoni
Catechine
Antiossidanti
trovati in:
Frutta
Vegetali
Granaglie
Flavonoidi
•
•
I fenoli sono caratteristici
e specifici di ogni tipo di
biomassa.
3 –8 % in peso della
biomassa
presenti in foglie di te
Antocianine
frutti e vegetali
coloranti
Genisteina
Diectzeina
presenti nella soia
convertiti a fitoestrogeni
proprietà di
potenti anti-cancro
e anti-malattie cardiache
Isoflavoni
Diidroflavonoli
Calconi
Quercetina presenti in cipolle
Vino rosso, te verde, cipolle
forti antiossidanti
Acido Elagico
Acidi Fenolici
Presente nelle bacche
Acido Tannico Te rosso e verde
Vanillina
Composti Fenolici
derivati dell’acido
idrossicinnamico
Acido caffeico frutti, vegetali
Acido clorogenico
Acido ferulico frutti, vegetali
curcumina
cumarine
Lignani
Attilio Citterio
diventano fitoestrogeni
Semi di lino e altre granaglie
Acido tumerico e senape
Frutti citrus
72
ALCALOIDI
•
Gli alcaloidi in generale includono sostanze alcaline perché contenti
un azoto come parte della struttura che si originano da amminoacidi.
Sono noti più di 20000 alcaloidi e costituiscono una della più ampie e
differenziate classi di metaboliti secondari. Sono molto comuni in
certe famiglie di piante, specialmente:
 Fabacee – piselli e fagioli
 Asteracee - girasole
 Papaveracee - papaveri
 Solanacee – belladonna, pomodoro
 Apocinacee – liane, oleandro pervinca
 Asclepiadacee – pianta dei pappagalli (Asclepias syriaca L.)
 Rutacee – limone, arancio
•
Sono composti non-peptidici, non-nucleosidici contenenti azoto e
sono alla base del 25% dei farmaci sul mercato..
Attilio Citterio
ALCALOIDI: Generalità
•
•
73
Isolati comunemente dalle piante ma noti in molti altri ordini di
organismi dai funghi ai mammiferi
Specifici alcaloidi sono stati usati come:
Veleni (caccia, omicidi, eutanasia)
 Euforizzanti, psichedelici, e stimolanti (morfina, cocaina)
 Medicine (efedrina)

•
•
•
•
•
Una buona parte delle moderne medicine contengono alcaloidi o
analoghi sintetici
Originariamente definiti come composti azotati di origine vegetale di
struttura molecolare complessa ed attività farmacologica significativa.
Più recentemente definiti come composti ciclici contenenti azoto che
sono veri metaboliti secondari
La maggior parte dei composti in questa classe derivano parte della
loro struttura dagli amminoacidi o loro derivati.
Essendo delle basi, formano sali in mezzo acido.
Attilio Citterio
74
Proprietà Biologi degli Alcaloidi
Gli alcaloidi possono agire da:
Coniina
• veleni
Cicuta
•
stimolanti
Caffeine
caffè e tè
•
allucinogeni
Mescalina
Cactus Peyote
•
farmaci
N
O
Chinina
O
anti-malarico
N
Attilio Citterio
Basicità degli Alcaloidi
75
• Come implicato dal nome, gli alcaloidi sono di natura basica (pKa >7)*
• Gli alcaloidi farmacologicamente importanti sono normalmente
somministrati come sali di ammonio
CH3
N
COOCH3
pKa
+ HX
OOCC6 H5
Cocaina
fumabile
•
•
Cloridrato di cocaina
non fumabile ma solubile in acqua
(cioè sniffabile)
Il cloridrato è venduto come “Coca”
La basificazione del cloridrato porta alla “Base libera” nota come
“Crack”
Attilio Citterio
Funzioni degli Alcaloidi nelle Piante
•
•
•
•
•
76
Possono agire da agenti protettivi contro gli insetti e gli erbivori a
causa del loro gusto amaro e tossicità.
Essi sono, in alcuni casi, prodotti finali di detossicazione (prodotti
di scarto).
Costituiscono una fonte di azoto in caso di scarsità di azoto.
Talvolta, agiscono da regolatori della crescita in certi sistemi
metabolici.
Si possono usare come fonte di energia in caso di insufficiente
assimilazione di biossido di carbonio.
Attilio Citterio
Classificazione degli Alcaloidi
Nel sistema di classificazione di Hagnauer si suddividono in:
 Veri alcaloidi (azoto in anelli eterociclici. (per es. Atropina).
 Proto alcaloidi (amfetamine, aconitine, ..., no anello eterociclico)
 Pseudo alcaloidi (caffeina, teobromina, … non derivati da
amminoacidi)
•
Altre classificazioni:
 Biogenetica
• In base alla via biogenetica che forma l’alcaloide.
 Fonte Botanica
• In funzione della pianta che produce l’alcaloide.
 Tipo di Ammina
• Primaria, Secondaria, Tertiaria.
 Scheletro chimico di base
Attilio Citterio
Classificazione Basata su uno Scheletro
Molecolare di Riferimento
•
78
Principali motivi strutturali nei veri alkaloidi:
Amminoacido
di partenza
 Alcaloidi tropanici
ornitina
R
 Alcaloidi chinolinici
triptofano
N
[piridina]
 Alcaloidi piridinici, piperidinici
lisina
 Alcaloidi imidazolici
triptofano
 Alcaloidi indolici
R'
 Alcaloidi isochinolinici
N
R
Attilio Citterio
tirosina
Classificazione degli Alcaloidi.
Alcaloidi da Ornitina e Lisina
•
79
Classificati in base all’amminoacido da cui si formano
Ornitina
•
Lisina
Biosintesi tramite diammine simmetriche
Putrescina
•
Alcaloidi: sempre di natura basica debole (amminica)
Attilio Citterio
Cadaverina
80
Esempi di Alcaloidi da Ornitina e Lisina
•
Due esempli tipici di questi alcaloidi sono:
O
N
Me
Me
Nicotina
N-Metilpelletierina
ex lisina
Alcaloidi piperidinici
ex ornitina
Alcaloidi del Tabacco
4
4
5
5
3
6
2
6
4
3
5
pseudo-pelletierina
4
4
6
2
6
sedamina
pelletierina
5
3
2
3
2
N
OH
5
6
3
2
H
alosalina
Attilio Citterio
licopodina
81
Alcaloidi dalla Fenilalanina e Tirosina
Fenilalanina
Tirosina
•
Tutti questi alcaloidi hanno il motivo Ar-C-C-N
•
Intermedi coinvolti nella biosintesi:
H
HO
HO
HO
Esempi:
NH2
Dopamina
Mescalina
Morfina
ex tirosina
O
Papaver somniferum L.
Attilio Citterio
82
Alcaloidi dal Triptofano
•
Gli alcaloidi derivati dal triptofano passano dall’intermedio triptamina:
Triptofano
•
Triptamina
Due esempi di tali alcaloidi sono:
O
OH
Et2 N
N
H
NMe
H
NH 2
Pscilocina
Attilio Citterio
NH
Dietilammide
dell’acido lisergico
LSD
83
Alcaloidi Psicoattivi
•
•
L’acido lisergico (precursore di alcaloidi dell’ergot ) è un alcaloide
indolico isolato dal fungo Claviceps purpurea che cresce sulla segale
La Cocaina è un alcaloide a struttura tropanica presente nelle foglie
della pianta Sud Americana Erythroxylon coca.
CH3
N
COOCH3
OOCC6 H5
Cocaine
O
Et2 N
NMe
H
NH
Attilio Citterio
Dietilammide del
acido lisergico (LSD)
84
Altri Esempi degli Alcaloidi
•
La tossina dei nervi fisostigmina (alcaloide indolico) viene isolata dai
“semi di Calabar” Physostigma venenosum
Fisostigmina
•
Gli alcaloidi della Cincona (derivati chinolinici)
sono isolati dalla corteccia secca della
Cinchona succirubra (Rubeaceae).
H
HO
N
Attilio Citterio
H
N
Cinconidina
HO
N
N
Cinconina
85
Biosintesi di Alcaloidi: I “Reagenti”
•
Aldeidi e Ammine sono gli intermedi comuni a partire dagli amminoacidi
O
H 2N
H 2N
OH
ornitina
O
O
H
H 2N
H 2N
H 2N
H 2N
OH
lisina
H 2N
O
H
OH
O
NH 2
fenilalanina
tirosina
triptofano
Attilio Citterio
HO
NH 2
86
Altri Mattoni Biosintetici
•
•
•
Precise vie biosintetiche: frequentemente non note
La maggior parte usa un piccolo numero dei strutture fondamentali
Gli amminoacidi (vedi quanto detto precedentemente) e:
O
H 3C
Trasformazioni Biosintetiche:
Maggiori reazioni a catalisi enzimatica:
C
Unità acetato
Acido mevalonico
1)
2)
3)
4)
5)
Decarbossilazioni
Transaminazioni
Metilazioni
Ossidazioni/Riduzioni
Formazione di legami carboniocarbonio
Acido scichimico
Molti, molti altri enzimi catalizzano
queste reazioni.
Acido antranilico
Acido nicotinico
Attilio Citterio
Attività Farmacologica
1. Analgesici e narcotici: morfina e codeina.
2. Stimolanti del CNS: caffeina e strichnina.
3. Anticancro: vincristina, vinblastina e tassolo.
4. Midriatici: atropina.
5. Anti-asmatici: efedrina.
6. Anti-tosse: codeina.
7. Espettoranti: lobelina.
8. Anti-ipertensivi: reserpina.
9. Rilassanti della muscolatura liscia: atropina e papaverina
10. Rilassanti muscolo-scheletrici: -tubocurarina.
11. Antielmintici: pelletierina e arecolina.
12. Antiparassitari: chinina e emetina
Attilio Citterio
87