TERPENOIDI Ormoni vegetali: ACIDO ABSCISSICO E GIBBERELLICO Pigmenti fotosintetici: FITOLO E CAROTENOIDI Trasportatori di elettroni: UBICHINONE E PLASTOCHINONE Componenti di membrana: FITOSTEROLI I terpenoidi insieme agli alcaloidi sono una delle classi più estese di composti chimici prodotti dalle piante. Le molecole terpeniche a basso peso molecolare (quelle che vanno da 10 a 20 unità di C) sono direttamente coinvolte nei meccanismi di difesa chimica della pianta agendo anche da molecole segnale. I terpenoidi sono importanti da un punto di vista economico in quanto costituenti di base di aromi, profumi e medicinali. La grande varietà di molecole terpeniche riscontrabili in diverse parti anche della stessa pianta implica un alto grado di specializzazione dei tessuti nella sintesi e controllo di questi metaboliti. Il precursore dei terpenoidi è l’acetil CoA, che rappresenta il mattone col quale vengono costruiti i complessi edifici terpenici. TERPENI circa 30.000 composti noti Wallach (1910) Regola dell’isoprene I terpeni possono essere ipoteticamente costruiti da unità ripetute di molecole di isoprene Isolati la prima volta dalla terpentin (trementina) TUTTI I TERPENOIDI DERIVANO DA UN LEGAME RIPETITIVO DI UNA UNITA’ A 5 ATOMI DI CABONIO RAMIFICATA BASATA SULLA STRUTTURA DELL’ISOPENTANO ACIDO MEVALONICO Acetil CoA Acetil-CoA acetiltransferasi ACIDO MEVALONICO Dalla condensazione di 3 molecole di acetil-CoA, si ha la formazione di un composto a 6 atomi di carbonio, definito (35)-3-idrossi-3-metilglutaril-CoA (HMGCoA). In realtà inizialmente due unità di acetilCoA si uniscono a formare l’acetoacetilCoA attraverso l’enzima acetil-CoA acetiltransferasi. L’azione dell’HMG-CoA sintasi permette l’addizione di una molecola di acetil-CoA per formare l’HMG-CoA. L’HMG-CoA viene irreversibilmente ridotto ad acido (3R)mevalonico in due tappe, attraverso la reazione NADPH dipendente, catalizzata dalla HMG-CoA reduttasi. Quest’ultimo enzima costituisce un punto di contatto nel metabolismo della via del mevalonato. Dal mevalonato si ha quindi la sintesi di molti metaboliti secondari molto importanti, come i terpeni. Acetil CoA Acetil-CoA acetiltransferasi ISOPENTENIL PIROFOSFATO Il mevalonato a sei atomi di carbonio viene trasformato in un composto a cinque atomi di carbonio l’isopentenil pirofosfato (IPP), attraverso l’azione di due enzimi, la mevalonato chinasi e la fosfomevalonato chinasi. Il terzo enzima coinvolto è la pirofosfatomevalonato decarbossilasi, che catalizza la decarbossilazione del mevalonato-5-pirofosfato e che richiede ATP, nonché metalli bivalenti come cofattori. Mevalonato chinasi Fosfomevalonato chinasi Dalla reazione si forma l’isopentenil pirofosfato che viene quindi isomerizzato dalla IPP isomerasi sino alla formazione del dimetilallil pirofosfato (DMAPP). Il dimetilallil pirofosfato (DMAPP) costituisce il mattone fondamentale per la biosintesi degli isoprenoidi, mediante l'azione dell'Isoprene Sintasi Pirofosfomevalonato decarbossilasi IPP isomerasi (IPP) (DMAPP) ER cyt plastidi Vie di Biosintesi dei terpeni PRENIL TRANSFERASI: determinano l’allungamento della catena: producono geranil pirofosfato (GPP; C10), Farnesil pirofosfato ( FPP;C15), geranilgeranilpirofosfato (GGPP; C20) TERPENE SINTASI: modificano i prodotti delle prenil transferasi (ciclizzazioni) producendo una gran varietà di terpeni. (Monoterpene sintasi, sesquiterpene sintasi, diterpene sintasi) La prenil transferasi più studiata è la Farnesil pirofosfato sintasi umana: biosintesi del colesterolo SINTESI DEI TERPENI DALL’UNITA’ BASE IPP C5 C10 C15 C20 C30 C40 monoterpeni diterpeni tetraterpeni C10 C20 C40 sesquiterpeni C15 triterpeni C30 plastidi citosol ER Tricomi ghiandolari presenti sulla superficie fogliare accumulano e secernono i terpeni (menta, timo , limone) MONOTERPENI C10 DMAPP + IPP GPP SOSTANZE VOLATILI Geranil-PP attrazione impollinatori repellenti insetti carvone aroma spearmint aroma peppermint - deterrente alimentare per erbivori - allelopatica MONOTERPENI A = reazione di deprotonazione B = ulterriore ciclizzazione per formare i monoterpeni biciclici MONOTERPENE SINTASI LIMONENE SINTASI Catalizza la più semplice delle reazioni di ciclizzazione dei terpenoidi e serve come modello per questo tipo di reazioni I MONOTERPENI (Salvia officinalis +) (Tanaceto-) +/Mentha piperita idrossilazione Carvone – resonsabile dell’odore menta verde. Carvone + del cumino Limonene+ arance Limonenelimoni (+) e (-) pinene nel pino I MONOTERPENI Nel genere Mentha sono stati caratterizzati i principali enzimi responsabili della formazione delle varie molecole analizzate. La prima grande distinzione riguarda l’ossigenazione dell’anello cicloesenico del limonene, considerato il precursore di tutti i cosiddetti p-mentani. Si può avere una idrossilazione nella posizione 3 che porta alla formazione del mentolo oppure una idrossilazione in posizione 6 che porta alla formazione del carvone. Nella Salvia officinalis il monoterpene principale è la (+)canfora, un composto biciclico che si forma per ciclizzazione del GPP catalizzata dalla (+)-bornil-PP ciclasi. La maggior parte dei monoterpeni è otticamente attiva la (+) canfora si trova nella salvia mentre la (-) canfora nel tanaceto (Tanacetum vulgare), il (+) carvone nel cumino e il (-) carvone nella mente verde. I singoli enantiomeri possono produrre risposte biologiche differenti soprattutto verso i recettori olfattivi nel naso. PRINCIPALI MONOTERPENI Terpina (1,8-diossimentano). E’ un alcol monociclico che esiste in due forme isomere, la cis e la trans-terpina. Si impiega in famacologia come anticatarrale e diuretico e per la preparazione dei terpineoli usati in profumeria. Cineolo (eucaliptolo). Anidride della cis-terpina, è il costituente fondamentale dell’Eucalyptus globulus. Ha proprietà antisettiche e balsamiche. Pinene. E’ un monoterpene biciclico. L’isomero a rappresenta il costituente fondamentale della trementina ottenuta dal genere Pinus, ma è diffuso in moltissime altre essenze (conifere, finocchio, lauro, rosmarino, geranio, cannella, timo). Con HCl forma un prodotto di addizione, il cloridrato di pinene che, per il suo odore, viene detto "canfora artificiale". Canfora. E’ uno dei più importanti monoterpeni. Si ottiene filtrando sotto vuoto e a bassa temperatura l’olio ottenuto a sua volta per distillazione delle varie parti di Laurus camphora. Pochissimo solubile in acqua, volatilizza facilmente a temperatura ordinaria. Si impiega in modo massiccio per la fabbricazione della celluloide e di prodotti disinfettanti e farmaceutici, come eccitante dei centri nervosi e sedativo per uso interno. La canfora sintetica risulta una miscela equimolecolare di canfora levogira e destrogira, quest’ultima corrispondente al prodotto naturale. PRINCIPALI MONOTERPENI Geraniolo. Costituente principale delle essenze di geranio e di rosa, ma presente in molti altri oli eterei. E’ un alcol alifatico che non presenta atomi di carbonio asimmetrici. Si trasforma facilmente in nerolo, il suo isomero in forma cis. Linalolo. Costituente principale dell’essenza di linaloe (Bursera delpechiana) e secondariamente di quella di coriandolo, noce moscata, arancio e bergamotto. A differenza del geraniolo presenta un atomo di carbonio asimmetrico. Citrale. Costituente principale dell’essenza di limone. Presente inoltre nelle essenze di zenzero, arancio e mandarino. Il citrale (aldeide alifatica) è importante industrialmente perché da esso si possono ottenere gli iononi, sostanze con intenso odore di violetta usate nella preparazione di profumi. Limonene. E’ uno degli idrocarburi terpenici monociclici più diffusi in natura. La forma destrogira è particolarmente diffusa negli agrumi (oltre il 90%), mentre quella levogira si trova nelle essenze di pino, menta, abete. Mentolo (3-mentanolo). Alcol ciclico con 3 atomi di carbonio asimmetrici. Costituente fondamentale dell’essenza di menta da cui si estrae. Artificialmente si ottiene per riduzione del mentone. Il mentolo viene usato ampiamente in farmacia come antisettico delle vie respiratorie. 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 Attacco di coleotteri al tronco di un pino Monoterpeni Insetticidi: pinene piretrina Attraenti per impollinatori: Linalolo, cineolo Deterrenti fogliari: canfora, cineolo SESQUITERPENI C15 GPP + IPP FPP Farnesil-PP usato come anti-infiammatorio lattoni sesquiterpenici (cicoria, carciofo, indivia, etc.) deterrenti alimentari (gusto amaro) usati per aromatizzare gli amari elanina ARNICA SESQUITERPENI (DMAPP) (IPP) (GPP) Farnesil pirofosfato sintasi (FPP) SESQUITERPENI FARNESIL PIROFOSFATO Composto che si forma per la condensazione di una molecola di isopentenil pirofosfato (IPP) con una di geranil pirofosfato, attraverso l’enzima farnesil pirofosfato sintasi. (DMAPP) (IPP) (GPP) Farnesil pirofosfato sintasi Dalla ciclizzazione di questo composto si originano composti a 15 atomi di carbonio, i sesquiterpeni. Il numero delle varie ciclizzazioni rende questa classe di terpeni estremamente estesa. Sono stati finora isolati più di 7000 sesquiterpeni naturali, la metà sono ossigenati. (FPP) I SESQUITERPENI I sesquiterpeni sono delle molecole a 15 atomi di carbonio che prendono origine da varie ciclizzazioni del farnesil pirofosfato (FPP). Quest’ultimo composto si forma per condensazione di una molecola di isopentenilpirofosfato (IPP) con una di geranil-pirofosfato (GPP), reazione catalizzata da una preniltrasferasi: la farnesil pirofosfato sintasi. La reazione avviene per un attacco di un carbocatione (che risulta dalla perdita di un gruppo difosfato) di una molecola di GPP su di un atomo di carbonio ricco di elettroni appartenente al doppio legame della molecola dell’IPP. La formazione del FPP avviene in due tappe tramite l’azione della FPP sintasi: nella prima tappa il dimetilallilpirofosfato (DMAPP) e l’IPP condensano a formare il GPP che rimane legato all’enzima, la seconda tappa prevede l’unione del GPP con un’altra molecola di IPP. I processi di ciclizzazione del FPP sono analoghi a quelli descritti per la ciclizzazione del GPP. L’attacco elettrofilo all’interno del catione farnesilico può avvenire sia sul doppio legame centrale (C6-C7) che su quello distale (C10-C11). Il numero delle varie ciclizzazioni possibili rende la diversità strutturale di questa classe di composti estremamente più estesa di quella dei monoterpeni. Sono stati finora isolati più di 7000 sesquiterpeni naturali e la metà di questi è rappresentata da sesquiterpeni ossigenati. I SESQUITERPENI Le sesquiterpene sintasi producono diverse fitoalessine Fitoalessina tabacco Fitoalessina ricino Fitoalessina patate IL GOSSIPOLO I suoi effetti anticoncezionali furono scoperti quando un’anomala e ridotta fertilità in alcune comunità rurali cinesi fu ricondotta alla presenza di gossipolo nell’olio di cotone utilizzato per l’alimentazione. Agisce come anticoncezionale maschile alterando la maturazione degli spermatozoi nonché la loro motilità ed inattivando gli enzimi spermatici necessari alla fecondazione. La molecola a causa dell’ingombro sterico e della rotazione impedita è chirale e può esistere come due atropoisomeri che non racemizzano facilmente. Solo il (-)-isomero è farmacologicamente attivo come anticoncezionale mentre la maggior parte dei sintomi tossici sembrano essere associati al (+)isomero. La maggior parte delle specie di Gossypium producono gossipolo con una predominanza dell’isomero (+) sull’isomero (-) in quantità variabili a seconda delle specie e delle coltivazioni. DITERPENI C20 FPP + IPP acido abietico (ambra) GGPP Geranilgeranil-PP Diterpene sintasi Fitoalessina ricino 2 diversi meccanismi di ciclizzazione Fitoalessina del ricino Precursore taxolo Acido abietico: componente resina conifere ambra TRITERTERPENI C30 FPP + FPP SQUALENE giunzione testa-testa squalene sitosterolo lupeolo saponine sostanze glicosilate tossiche prodotte dalle radici e dai fusti di molte specie LO SQUALENE La condensazione di due molecole di farnesil pirofosfato porta alla formazione di una molecola a 30 atomi di carbonio, lo squalene. L’enzima coinvolto in questa condensazione richiede NADPH come cofattore ed è la squalene sintetasi. SQUALENE: pregi e difetti Si trova in gran quantità nell’olio di oliva e nei semi di molte piante. La presenza negli alimenti è messa in relazione ai possibili effetti sui livelli ematici di colesterolo e sulla composizione delle lipoproteine ematiche. Fa parte della famiglia degli isoprenoidi o terpeni che hanno un’unità di base a 5 atomi di C. Lo SQ. è costituito da 6 unità isopreniche (è un triterpene). Nei vegetali la sintesi di squalene è meno definita rispetto a quella animale, ma la sua formazione è comunque un passaggio obbligato per la sintesi di fitosteroli. SQUALENE e Alimenti Il contenuto di squalene negli olii è correlato positivamente con il quantitativo di acidi grassi monoinsaturi e negativamente con quello degli acidi grassi poliinsaturi Lo squalene nei semi sembra essere correlato alla necessità dei semi di germogliare in condizioni sfavorevoli (in termini di temperatura) e mantenere la fluidità delle membrane su un range di temperatura di transizione sufficientemente largo necessario al mantenimento della struttura liquido-cristallina. Nelle olive la cui maturazione avviene in condizioni sfavorevoli di temperatura lo squalene molto probabilmente consente al frutto di raggiungere la sua consistenza finale mantenendolo vitale. Anche in questo caso il range di temperatura di transizione delle membrane cellulari è mantenuto sufficientemente ampio da mantenere la vitalità del frutto. SQUALENE come antiossidante Prove “in vitro” su culture cellulari indicano che lo squalene ha azione antiossidante simile a quella del retinolo all-trans. Lo squalene consiste di 6 unità di 2-metil-2 pentene, ciascuna delle quali ha la capacità di agire come quencer per l’ossigeno singoletto. La K di quencing (Kq) del 2 metil-2 pentene corrisponde a 4.91 x 105 M-1 s-1 , mentre il valore dello squalene risulta circa 6 volte maggiore del 2-metil-2 pentene (ovvero 2,66x106 M-1s1) essa rappresenta una sommazione dell’azione quencer della singola unità isoprenica pari all’idrossitoluene butilato (BHT) che è un antiossidante noto e che ha azione simile allo squalene mentre l’-tocoferolo si dimostra 200 volte più attivo. L’azione antiossidante è determinata dalla proprietà elettron-donatrice del gruppo metilico legato al C quaternario dell’unità isoprenica, infatti la sostituzione del gruppo metilico con un idrogeno nella posizione 2 induce una drastica riduzione della Kq. Quindi lo squalene può essere utilizzato sull’uomo come antiossidante sia per applicazione topica che per somministrazione sistemica In particolare a livello della cute, dove esso è presente a concentrazioni elevate grazie alla sua abbondante secrezione attraverso il sebo, lo squalene preserva gli acidi grassi insaturi dall’ossidazione prodotta dall’ossigeno singoletto. In altri termini esso si comporta come un antiossidante “chain breaker”, stabile all’attacco dei perossiradicali. La sua funzione a livello di epidermide è anche quella di barriera nei confronti dei raggi UV insieme con altri composti poliprenoidi quali il coenzima Q10 e la vitamina E, i quali possono essere escreti con il sebo. I TRITERPENI La via biosintetica di alcuni triterpeni pentaciclici a partire dal precursore squalene. Sulla molecola dello squalene la catalisi operata dalla squalene epossidasi forma lo squalene epossido. Le modificazioni secondarie sugli anelli che portano all’inserimento di gruppi OH sono NADPH dipendenti, richiedendo ossigeno molecolare per il completamente della reazione. Tutto ciò fa supporre la presenza di monossigenasi a funzione mista citocromo P-450 dipendenti. I TRITERPENI L’ e amirina si trovano spesso nelle strutture di saponine triterpenoidiche. Le saponine sono glicosidi che anche a concentrazioni basse inducono la formazione di schiuma in soluzione acquosa perché hanno proprietà tensioattive e sono simili ai saponi. Il nome deriva dal fatto che i materiali ottenuti da piante che contenevano saponine venivano usati per il lavaggio del bucato come la saponaria (Saponaria officinalis) ela quillaja. Queste estratti provocano l’emolisi dei globuli rossi in quanto aumentano la permeabilità della membrana plasmatica e sono perciò tossiche se iniettate in circolo. Sono innocue se assunte per via orale (fagioli, lenticchie, spinaci e avena Strutture di triterpeni Derivano tutte dallo squalene, generano regolatori di crescita (brassinosteroidi) e composti delle cere di superficie SQUALENE e fitosteroli si trova nelle cere dei frutti Limonoidi:Triterpeni responsabili del sapore amaro nei limoni; deterrenti per gli ebivori; azadiractina potente deterrente per gli insetti, scarsamente tossico per i mammiferi: insetticida venduto in Africa e Asia isolati da felci: steroidi vegetali simili agli ormoni della muta degli insetti, se ingeriti dagli insetti interferiscono con il processo di muta Reazioni simili a quelle responsabili della produzione di oli essenziali generano migliaia di composti di interesse biologico e farmaceutico TETRATERPENI La condensazione di due molecole di GGPP porta alla formazione di tetraterpeni composti formati da 8 unità isopreniche e quindi da 40 atomi di C. I tetraterpeni più importanti sono i carotenoidi che sono dei pigmenti gialli liposolubili che si trovano immersi nelle membrane dei cloroplasti e cromoplasti. GERANIL FARNESIL PIROFOSFATO 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 I CAROTENOIDI Fitoene sintasi (incolore) (giallo) (arancio) Licopene ciclasi FAD dipendente Geranil Geranil Pirosfofato (C20) + Geranil Geranil Pirosfofato (C20) Prefitoene Pirofosfato (C40) Fitoene sintasi Fitoene Fitoene desaturasi Fitofluene z-carotene z-carotene desaturasi neurosporene -zeacarotene Licopene ciclasi licopene -carotene Carotenogenesi durante lo sviluppo del frutto di pomodoro I carotenoidi sono essenziali per la dieta umana e l’alimentazione animale. Il -carotene è il precursore della vitamina A la cui assenza porta alla xeroftalmia, cecità e prematura morte. Luteina e zeaxantina servono contro la degenerazione maculare. Ci sono molte evidenze di un legame fra l’ingestione di licopene e la ridotta incidenza del cancro alla prostata e una riduzione dei danni al DNA dei linfociti del sangue e ai tessuti della prostata in individui portatori di cancro alla prostata. L’enzima fitoene sintasi è molto ben conservato, si trova nelle piante, nei batteri e negli organismi eucariotici. Il pomodoro contiene 2 geni: Psy-1 e Psy-2, il primo codifica l’isoforma specifica nel frutto in maturazione, mentre il secondo predomina nei tessuti verdi, includendo i frutti verdi maturi e non ha nessun ruolo nella carotenogenesi dei frutti in maturazione. Il pomodoro a differenza di altre piante contiene due licopene-ciclasi, LCY-B e anche CYC-B una ciclasi specifica dei cromoplasti. Sebbene i carotenoidi sono formati nei plastidi, è probabile che scambi di metaboliti citoplasmatici e plastidiali possano avvenire e che questi scambi varino in dipendenza del tipo e dello sviluppo del tessuto. La luce e la sua intensità è coinvolta nella regolazione della formazione dei carotenoidi nei cloroplasti. Nelle piante etiolate non avviene la biosintesi che parte quando le piante sono traferite alla luce. REGOLAZIONE DELLA FORMAZIONE DEI CAROTENOIDI DURANTE LA MATURAZIONE E SVILUPPO DEL POMODORO La carotenogenesi nei frutti è differente da quella dei tessuti vegetali. Durante la maturazione la concentrazione di carotenoidi aumenta tra 10 e 14 volte in seguito all’accumulo di licopene. Allo stadio invaiato il colore rosso del licopene inizia a comparire, il contenuto di clorofilla diminuisce e le proprietà organolettiche del frutto cambiano. Una più alta espressione dei geni è stata trovata a questo stadio di sviluppo e precisamente della DOXP sintasi: 1-deossi-D-xilulosio 5-fosfato sintasi. Questo indica che questo pathway piuttosto che quello della biosintesi degli isoprenoidi sia quello implicato nella complessiva regolazione della formazione del licopene nel frutto di pomodoro. A questo stadio di maturazione livelli di mRNA sia di Psy-1 (fitoene sintasi) che Pds (fitoene desaturasi) aumentano significativamente. Allo stesso tempo l’mRNA di entrambi le ciclasi scompaiono. Questi cambiamenti nell’espressione dei geni mostra che la regolazione dei trascritti è coinvolta nell’accumulo di licopene nel frutto. E’ presente anche una regolazione post-trascrizionale infatti sia PSY che PDS sono in forma inattiva nella frazione solubile mentre si ritrovano in quella attiva quando sono legati alle membrane. Il pathway può anche essere regolato da una inibizione a feedback. Infatti l’inibizione della ciclizzazione del licopene in foglie di pomodoro causa una aumentata espressione dei geni codificanti la fitoene desaturasi e la fitoene sintasi 1. Una nuova via biosintetica per gli isopreni XANTOFILLE Le xantofille sono degli idrossi, epossi, furanossi ed ossi derivati dei caroteni che si formano nelle ultime reazioni della via biosintetica. Le prime xantofille, come la Zeaxantina, si formano per ossidrilazione degli anelli iononici in posizione 3 e 3’, l’ulteriore epossidazione nelle posizioni 5,6 e 5’,6’ porta alla formazione di xantofille come la Violaxantina. Quest’ultima reazione, l’epossidazione, può avvenire nei cloroplasti in presenza di luce portando all’interconversione della violaxantina nella zeaxantina e viceversa (ciclo delle xantofille). Il catabolismo ossidativo delle xantofille porta infine alla formazione di un importante ormone, l’acido abscissico. Contenuto in carotenoidi in alimenti di uso comune (µg/100g) (Ottaway, 1993) Alimento -Carotene Equivalente (µg/100g) Alimento -Carotene Latte intero Formaggio Olio di palma Fava Fagiolini Piselli Asparago Barbabietola Broccoli Carota (vecchia) Carota (nuova) Cavolo riccio Peperone verde Peperone rosso Peperone giallo 12 126 500 170 315 300 315 20 685 8115 5330 3145 265 3840 185 Zucchino Spinacio Mais dolce Pomodoro Mela Albicocca Pera Arancia Pompelmo Pesca Banana Kiwi Uva Prugna Fragola 955 3535 97 640 12 560 17 48 4 115 20 45 33 460 9 Dai contenuti di -carotene e -Carotene e -criptoxantina