I Metaboliti Secondari delle Piante
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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 (12) 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
