Metaboliti Secondari - ISCaMaP

School of Industrial and Information Engineering
Course 096125 (095857)
Introduction to Green and Sustainable Chemistry
I Metaboliti Secondari delle Piante
Prof. Attilio Citterio
Dipartimento CMIC “Giulio Natta”
http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/edu
cation/course-topics/
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.
Secondary metabolite
Primary metabolite
CH2
O
O
HO
HO
Kaurenoic acid
Abietic acid
O
H
Proline
O
N
N
OH
H
OH
Pipecoline
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,
energia
luminosa
caffeina, nicotina, mentolo e gomma. Questi
composti sono i prodotti del metabolismo
organi di stoccaggio
fotosintesi,
secondario, che è il metabolismo dei prodotti respirazione
di amido o zucchero
e
fotorespirazione
chimici che si trovano irregolarmente o
O
CO
raramente nelle piante, e che spesso non
H O vapore
zuccheri
hanno un ruolo generale metabolico noto.
amido
HO
• I metaboliti secondari o composti secondari
di stoccaggio
sono composti che non sono richiesti per la organo
di zuccheri e amido
crescita normale e lo sviluppo e non sono
sintetizzati secondo le strade metaboliche
respirazione, no
fotorespirazione
HOe
O
comuni a tutte le piante.
minerali
CO
• La maggior parte delle piante non sono state
Fotosintesi, respirazione, scambio idrico e
traslocazione di zuccheri (fotosintetizzati)
esaminate per i metaboliti secondari e si
in una pianta
scoprono ogni giorno nuovi composti.
zuccheri
2
2
2
2
zuccheri
2
2
Attilio Citterio
2
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.
CH3
H
OH
H
H
H
N
N
H
H
CH3
H3C
H3C
nicotina
CH3
O
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 specie 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
Aflatossina
O
CH3
O
O
O
attivazione nel fegato
O
O
Incorporazione nel DNA
H
N
O
O
HO
H2N
CH3
+
N
N
N
R
Attilio Citterio
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
CHO
O
prodotti nelle radici
dell’avena
(difesa dai funghi)
O
O
β-D-glu (1→2)
3
OH
α-L-ara (1→) O
β-D-glu (1→4)
NHCH3
OH
Avenicin A-1
S-b-D-glu
Glucosinolati
preformati
R
NOSO3
Prodotti di rottura dei Glucosinolati:
1-isotiocianati
2-nitrili e zolfo elementare
3-tiocianati
4-ossazolidine-tioni
5-epitionitrili→
C
Le ferite aumentano
l’attività della
mirosinasi
Mirosinasi
H2O
SH
Instabile
Intermedio
aglicone
Glucosinolati
R
N
R
+ D-glucosio
C
NOSO3
C
Isotiocianato
S
R
C
Nitrile
N
R
S
C
Tiocianato
Si rilasciano vari composti bioattivi tossici
Attilio Citterio
N
Esempi di Metaboliti di Difesa Glicosidi Cianogenici
O
Gluc-Gluc
C
N
O
Gluc
C
H
H
N
11
HO
C
H
N
CHO
+ HCN
Prunasina
Amigdalina
Mandelonitrile
H OH
HO
HO
HO
H
H
due molecole
di glucosio
O
H
OH
H
HO
HO
gruppo cianuro
HO
H
H
O
OH
H
C N
H
Amigdalina
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
O
juglone
O
13
Confine tra Metaboliti Primari-Secondari??
Metabolita primario
Metabolita secondario
CH3
CH2
CH3
biosintesi
Gibberellina
CH3
CH3
H
H3C
COOH
H3C
Acido kaurenoico
Componente
resina
COOH
Acido abietico
amminoacido
essenziale
Alcaloide
Prolina
Attilio Citterio
Acido pipecolico
14
Metaboliti Secondari – I Tre Gruppi Principali:
 Terpeni
 Composti Fenolici

Alcaloidi
Spesso sono sintetizzati dai metaboliti primari.
Attilio Citterio
15
Principali Metaboliti Secondari (SM)
Contenenti Azoto:
 Alcaloidi (20,000)
 Amminoacidi non proteici (600)
 Ammine (100)
 Glicosidi cianogenici (100)
 Glucosinolati(100)
Attilio Citterio
16
Principali Metaboliti Secondari (SM)
Senza Azoto:
 Terpenoidi (29,000):
Mono-1000
Sesquiterpeni - 3000
Diterpenii - 1000
Triterpeni, steroidi, saponine - 4,000
s-4,000
 -Fenolici (8,000):
Flavonoidi - 2000
Poliacetileni - 1000
Polichetidi - 750
Fenilpropanoidi - 500
Attilio Citterio
Co-evoluzione negli SM di Piante –
Nemici Naturali
17
Difesa Pianta
Taxon Pianta
Nemico naturale
Contro resistente
Amminoacidi
tossici
Varie
Leguminose
Bruchid weevil
t-RNA sintasi
modificata
Semi di Dioclea
L-canavanina
(simile a arginina, amminoacido
non proteico)
Attilio Citterio
Curculionide
(Weevil)
Co-evoluzione negli SM di Piante –
Nemici Naturali
18
• La Canavanina è tossica a seguito del suo incorporamento in proteine
facendo aumentare i polipeptidi funzionalmente aberranti
• La tRNA-Arginina negli insetti usa anch'essa la Canavanina
• L'insetto muta il suo tRNA e non incorpora più la Canavanina al posto
dell'Arginina.
Adattamenti di erbivori specializzati e patogeni:
Si pensa che il processo di co-evoluzione tra piante e i loro nemici
naturali abbia generato la maggior parte della diversità biologica della
terra, inclusa la diversità chimica!!
Attilio Citterio
19
Principali Vie ai Metaboliti Secondari
clorofilla + CO2 + H2O + luce
Fotosintesi
Respirazione
O2
O2
polisaccaridi
OH
COOH
O
CH3
monosaccaridi
O
HO
O
H3C
OH
acido prefenico
OH
C
H3C
OH
OH
C
acido scichimico
H
OH
O
H3C
COOH
HO
acido piruvico
peptidi
amminoacidi aromatici
O
acido mevalonico
acido acetico
(acetil CoA)
C
O
C
H
3,3-dimetilallil pirofosfato
terpenoidi
amminoacidi alifatici
fenolici
acidi cinnamici
CH2 OP
H3C
H3C
OH
C
C
HO
O
C
CH2 OH
alcaloidi
acido malonico
polichetidi
cumarine
Acidi grassi, grassi
Attilio Citterio
Principali Vie Metaboliche ai Metaboliti
Secondari
20
clorofilla + CO2 + H2O + luce
carboidrati
COOH
ciclo dei pentosi
HO
OH
OH
Acido scichimico
acido fosfoenolpiruvico
acido piruvico
ALCALOIDI
Acetil Coenzima A
amminoacidi aromatici
amminoacidi
acidi tricarbossilici
acidi cinnamici
Malonil
Coenzima A
acido mevalonico
FENILPROPANOIDI
FLAVONOIDI
Attilio Citterio
COMPOSTI
FENOLICI
TERPENOIDI
CAROTENOIDI
STEROIDI
21
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
22
TERPENI
• 30.000 composti noti
Unità C5
Wallach (1910) Regola dell’isoprene
H2C
CH2
C
I terpeni possono essere ipoteticamente
costruiti da unità C-5 ripetute di
molecole di isoprene
Isopentano
H3C
C
H
isoprene
Isoprene
Isolati la prima volta dalla
trementina (da conifere)
Testa-coda
Attilio Citterio
Testa-testa
Testa-interno
23
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
o
o
24
I Terpenoidi di Origine Vegetale
Ruolo Biologico (volatili e non volatili):
 Aromi, fragranze, profumi
 Antibiotici
 Ormoni
 Lipidi di membrana
 Attrattori di Insetti
 Dissuasori di insetti
 Mediano i processi di trasporto elettronico (nella respirazione e
nella fotosintesi)
Attilio Citterio
25
Terpenoidi e Comunicazione
Protezione sopra il
terreno : repellenti,
dissuasori, attrazione
predatori
(volatili/non-volatili)
Attrazione sopra il
terreno : fragranze
(volatili)
Protezione sotto il
terreno : antimicrobici, dissuasori
(non-volatili)
Attrazione sotto il
terreno : traccianti di
orientamento (nonvolatili)
Attilio Citterio
26
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.
Acidi biliari
Steroidi
Ormoni
Vitamina D
Colesterolo
Gomma
Vitamina A
Catena Fitilica
della clorofilla
Vitamina E
CH2
Vitamina K
C
CH3
CH2
Carotenoidi
CH2
O
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
O
P
O
-
Dolicoli
Chinoni di
trasporto
elettronico:
ubichinone,
plastochinone
Isoprene
O
O
P
O
O
-
-
∆3-Isopentenil
pirofosfato
27
Accesso all’IPP via Acido Mevalonico
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)
HO CH3 O
HO
acido mevalonico
OH
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
28
Accesso all’IPP via Acido Piruvico
O
H3C
Acetyi-CoA
C
S
OH
CoA
H3C
Tiolasi
C
H3C
Acetil-CoA
O
S
C
COOH
H2C
CoA
Acido Mevalonico
(MVA)
CH2 OH
CH2
ATP
CoASH
MVA chinasi
H3C
ADP
O
O
C
CH2
C
S
Acetoacetil-CoA
CH3
HMG-CoA
sintasi
H3C
C
H2C
S
H3C
CoA
O
CH2
C
S
CH3
COOH
C
CH2
H2C
CoASH
OH
H3C
C
OH
Acetil-CoA
O
COOH
ATP
3-Idrossi
3-metil
glutaril-CoA
(HMG-CoA)
MVAP chinasi
ADP
OH
2 NADPH
HMG-CoA
riduttasi
H3C
C
H2C
2 NADP+
CH2
C
H2C
CH2
COOH
CH2 OH
CH2 O P
P
COOH
CoASH
Acido Mevalonico
5-difosfato (MVAPP)
ATP
OH
H3C
Acido Mevalonico
5-fosfato (MVAP)
CH2 O P
Acido Mevalonico
(MVA)
MVAPP
decarbossilasi
ADP
CO2 + H2O
H3C
C
H2C
Attilio Citterio
+ P
CH2
CH2 O P
P
Isopentenil
Difosfato (IPP)
29
Vie Biosintetiche dei Terpeni
O
O
ER cit.
H3C
C
H
C
S
CoA
H
O
C
H3C
OH
H3C OH
OH
H3C
C
H2C
CH2
CH2 OH
COOH
CH
H2C
OH
CH2
CH2 O P
H2C
Isopentenil difosfato
OH
PRENILTRANSFERASI:
determinano l’allungamento
della catena: producono Geranil
pirofosfato (GPP; C10), Farnesil
pirofosfato (FPP; C15),
Geranilgeranil pirofosfato
(GGPP; C20)
Metileritritolo
fosfato
H3C
C
plastidi
Strada del
Metileritritolo
fosfato
CH2 CH2O P
C
Acido mevalonico
H3C
OH
Piruvato
Gliceraldeide
3-fosfato
Strada del
mevalonato
C
O
CH2OP
3×Acetil-CoA
C
P
CH2 CH2O P
C
Isoprene
CH
H3C
Dimetilallil difosfato
CH2O P P
Monoterpeni
Geranil difosfato
CH2O P P
2x
Sesquiterpeni
Triiterpeni
Farnesil difosfato
TERPENE SINTASI: modificano i prodotti
delle prenil transferasi (ciclizzazioni)
producendo una gran varietà di terpeni.
(monoterpene sintasi, sesquiterpene sintasi,
diterpene sintasi)
Attilio Citterio
CH2O P P
Geranilgeranil difosfato
Politerpenoidi
Diiterpeni
2x
Tetraterpeni
30
SINTESI DEI TERPENI DALL’UNITA’ BASE IPP
CH2O P P
C5
Isopentenyl
diphosphate
CH2O P P
IPP Isomerasi
PP
C10
Dimethylallyl
diphosphate
CH2O P P
Geranil
difhosfato
CH2O P P
PP
Monoterpeni
(IPP)
CH2O P P
C15
Farnesil
difosfato
2x
Sesquiterpeni
CH2O P P (IPP)
PP
C20
CH2O P P
Geranilgeranil
difosfato
2x
2
Diterpeni
PP
C30
Squalene
2
Triterpeni
PP
C40
Fitoene
Tetraterpeni
Attilio Citterio
Hemiterpenes
31
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
32
Comuni Precursori dei Tepenoidi
Attilio Citterio
33
MONOTERPENI C10
CH2O P P
≡
CH2O P P
DMAPP + IPP
GPP
SOSTANZE VOLATILI
Geranil-PP
• attrazione impollinatori
• repellenti insetti
Monoterpeni
O
CHO
CH2OH
(R)-Carvone;
Aroma
menta verde
CH2OH
OH
Mircene
Limonene
Nerolo
Geraniolo
Citrale
O
CHO
Citronellale
α-Pinene
Mentolo
O
Canfora
- deterrente alimentare per
erbivori - allelopatica
Attilio Citterio
Aroma
menta piperita
34
MONOTERPENE SINTASI
-O P P
• LIMONENE SINTASI
CH2O P P
+-
M2+
Catalizza la più semplice delle
reazioni di ciclizzazione
dei terpenoidi e serve come
modello per questo tipo di reazioni
Geranil
pirofosfato
O P P
(3S)-Linalil
pirofosfato (trans)
O P P
(3S)-Linalil
pirofosfato (cis)
CH3
-O P P
-
+
(-)-Limonene
H3C
CH2
Catione α-Terpinile
Limonene
PP
Attilio Citterio
-O P P
+
35
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
CH3
CH3
OH
H3C
CH2
Limonene
H3C
CH3
Mentolo
Attilio Citterio
Attacco di coleotteri al
tronco di un pino
36
Monoterpeni
Insetticidi: pinene
piretrina
Mircene
α-Pinene
OH
Attraenti per impollinatori:
Linalolo, cineolo
Linaloolo
Deterrenti fogliari:
canfora, cineolo
Limonene
O
β-Pinene
1,8-Cineole
COOR
OP P
Bornil difosfato
Attilio Citterio
Piretrina I
37
SESQUITERPENI C15
CH3
CH3
CH3
OH
H3C
O
P
OH
O
O
P
OH
GPP + IPP
O
Farnesyl-pyrophosphate
FPP
Farnesil-PP
Sesquiterpeni
usato come
antiinfiammatorio
O
CH2OH
Farnesolo
Bisabolene
Cadinene
Selinene
Vetivone
OH
H
O
OH
OH
OH
Patchoulol
(Parfum)
O
H3C
H3C
HO
O
CH2
(-)-α-Bisabololo
lattoni sesquiterpenici (cicoria, carciofo, indivia, etc.) sono
deterrenti alimentari (gusto amaro usati per aromatizzare gli amari
O
O
Acido abscissico
(Fito-ormone)
Elanina dell’ARNICA
Attilio Citterio
Le Sesquiterpene Sintasi
Producono Diverse Fitoalessine
38
OH
Fitoalessina
del tabacco
HO
Capsidiolo
epi-Aristolochene
epi-Aristolochene
sintasi
δ-Cadinene
sintasi
CH2O P P
FPP
δ-Cadinene
O
Vetispiradiene
sintasi
Vetispiradiene
O
OH
OH
CHO
HO
OH
HO
OH
HO
Gossipol
(dimero sesquiterpene)
Attilio Citterio
Lubimina
Fitoalessina
patate
39
Acido Abscissico
OH
O
O
OH
Cellule flaccide / Stomi chiusi
Cellule turgide / Stomi aperti
ABA
Acido Abscissico
Attilio Citterio
40
DITERPENI C20
FPP + IPP
CH3
CH3
CH3
CH3
OH
O
H3C
P
OH
O
P
O
GGPP
Geranilgeranil-PP
OH
O
Ph
Diterpeni
O
NH
HO
Casbene
AcO
O OH
O
Ph
O
O
(Fitoalessina)
H
OAc
OH OBz
Tassolo (anti-cancro)
OH
O
Acido Giberellico
(Fitoalessina)
O
HO
OH
HO
O
acido abietico
(ambra)
Attilio Citterio
O
41
Diterpene Sintasi
Fitoalessina ricino
• 2 diversi meccanismi
di ciclizzazione
Casbene
sintasi
OP P
Geranilgeranil
difosfato
Taxadiene
sintasi
Casbene
Fitoalessina del ricino
Abietadiene
sintasi
H
Taxadiene
Precursore taxolo
OP P
CH2
Acido abietico:
componente resina
conifere, ambra
Abietadiene
sintasi
Labdadienile
(copalile) difosfato
Attilio Citterio
Abdetaiene
42
TRITERTERPENI C30
CH2O P P
FPP + FPP
SQUALENE
giunzione testa-testa
Testa-testa
CH3
H3C
H3C
CH3
H3C
H3C
CH3
CH3
H
H
CH3
HO
squalene
H
CH3
CH3
CH3
H3C
CH3
H
sitosterolo
CH2
H3C
H
CH3
lupeolo
H
CH3
CH3
sostanze glicosilate tossiche
prodotte dalle radici e dai fusti
di molte specie
CH3
HO
H3C
Saponine
H
CH3
Attilio Citterio
43
Strutture dei Triterpeni
• Derivano tutte dallo squalene, generano regolatori di crescita
(brassinosteroidi) e le cere protettive delle superfici di fogli e frutti.
OH
H3C
CH3
CH3
H3C
H
CH3
CH3
H3C
H3C
H
CH3
H
O
HO
O
e fitosteroli
Brassinolide
CH3
H3C
CH3
H3C
CH3
H3C
CH3
CH3
O
CH3
O
H3C
CH3
H
H
Cicloartenolo
H3C
OH
H
CH3
HO
HO
H3C
CH3
H
SQUALENE
CH3
CH3
CH3
CH3
H
CH3
H
OH
CH3
H
Squalene ossido
CH3
HO
H3C
H
CH3
β-Amirina
H
CH3
HO
H3C
H
CH3
Acido oleanolico
si trova nelle cere dei frutti
Attilio Citterio
44
Strutture di Triterpeni
(A) Azadirachtina, un limonoide
OCH3
O
O
HO
O
H
O
O
H
O
H
Limonoidi: Triterpeni responsabili del sapore
amaro nei limoni;
deterrenti per gli erbivori;
OH
O
HO
O
H3CO
azadiractina potente deterrente per gli insetti,
scarsamente tossico per i mammiferi:
insetticida venduto in Africa e Asia.
O
O
(B) α-Ecdisone, un ormone della muta degli insetti
OH
OH
H
isolati da felci: steroidi vegetali simili agli ormoni
della muta degli insetti, se ingeriti dagli insetti
interferiscono con il processo della muta.
OH
HO
H
O
Attilio Citterio
45
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
46
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.
α-Carotene
β-Carotene
γ-Carotene
Attilio Citterio
47
Modificazioni Successive
• Modificazioni degli scheletri
base come ossidazioni,
riduzioni, isomerizzazioni,
coniugazioni, producono
migliaia di differenti terpenoidi
con svariate attività biologiche
in piante e animali
Esempio:
• Componenti dell’olio
essenziale della menta
derivati da modificazioni del
limonene
menta romana
menta piperita
Attilio Citterio
Composti di Interesse Biologico e
Farmaceutico
H
H
Reazioni simili a
quelle
responsabili
della produzione
di oli essenziali
generano
migliaia di
composti di
interesse
biologico e
farmaceutico.
48
H
H
O
O
O
O
OH
O
H
H
HO
O
Juvabione
(analogo dell’ormone
di muta di insetti)
Sirenina
(attraente sessuale
di muffe d’acqua)
O
OH
H
NH
H
O
O
OH
O
O
OCOCH3
HO
HO
OH
Forbolo
(irritante e co-cancerogeno
O
Tassolo
(farmaco anticancro)
O
O
O
O
OH
H
O
O
O
H
OH
O
HO
H
H
H
OH
O
Nepetalattone
(principio attivo
dell’erba gatta)
O
HO
Azadiractina A
(antifeedant di insetti)
H
O
O
H
HO
H
O
H
H
H
OH
α-Ecdisone
O (altera il ciclo di muta degli insetti)
O
O
O
Costunolide
(repellente per insetti
antifeedant di mammiferi)
OH
HO
H
H
O
H
OH
H
Artemisinina
(farmaco antimalarico)
OH
OH
O
O
H
O
Ecogenina
H
(aglicone del
detergente saponina)
Attilio Citterio
HO
H
OH
Digitossigenina
(aglicone della digitossina, un cardiolide per
il trattamento dell’insufficienza cardiaca)
49
Composti Aromatici nei Fiori Comuni
Flowers
Attilio Citterio
50
GOMMA NATURALE
C
*
CH2
H
H3C
H
H3C
C
CH2
CH2
C
CH2
CH2
C
H3C
C
Attilio Citterio
CH2
*
n
H
Gomma Naturale
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.
C
51
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
H C
12 3
19 11
1
CH3
2
10
A
3
B
7
6
Attilio Citterio
16
15
14
8
5
4
D
C
9
17
52
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.
CH3
A
CH3
CH3
C
CH3
D
C
D
B
B
H
A
H
Tutte le giunzioni di anello sono trans
H
H
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
53
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
H3C
19
R
H
20
-H
17
CH3
20
H
21
Androstano - CH CH
2
3
21
22
23
24
-CH(CH3)CH2CH2CH3
H
H
18
17
19
H
3
17
19
CH3
H
H3C
H
H
O
H
H
O
H
Colano
CH(CH3)(CH2)3CH(CH3)2
H
CH
CH2CH3
H
H3C
18
Esempi
Pregnano
H
5α-Pregnan-3-one
Attilio Citterio
5α-Colest-1-en-3-one
54
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
H3C
H
H
HO
H
H
H
Il colesterolo è noto servire da intermedio nella biosintesi di tutti gli
steroidi del corpo.
Attilio Citterio
55
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.
O
OH
H
H
H
H
H
HO
HO
Estradiolo
Attilio Citterio
Estrone
H
56
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.
H3C
H
H3C
H
H
Androsterone
H3C
H3C
H3C
H
H3C
HO
O
H
H
H
O
Testosterone
COCH3
H3C
H3C
H
H
OH
H
H
H
H
O
O
Progesterone
Noretindrone
Attilio Citterio
OH
C
CH
57
Ormoni Adrenocorticali
Almeno 28 diversi ormoni sono stati isolati dalla corteccia surrenale.
Inclusi in questo gruppo sono i seguenti due steroidi:
COCH2OH
COCH2OH
OH
O
OH
HO
H
H
H
H
H
H
O
O
Cortisol
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
58
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.
H3C
H3C
Luce UV
CH3
H
CH2
Temp. Ambiente
H
HO
HO
Attilio Citterio
Vitamina D2
59
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.
O
O
CH2CH2COOH
OH
H
H
H
H
H
OH
HO
HO
H
H
H
OH
Acido Colico
Digitossigenina
Attilio Citterio
60
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.
O
H
O
H
OH
H
HO
H
Stigmasterolo
HO
Attilio Citterio
H
Diosgenina
61
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.
H3C
H
H3C
H
HCl
H
H
HO
HO
O
O
H
+ Cl-
H
HO
+
HO
Cl
5α,6α-Epossicolestan-3β-olo
H
La relativa apertura dei gruppi equatoriali influenza anch’essa il corso
stereochimico delle reazioni degli steroidi .
HO
H
3
H
H
OH
C2H5OCOCl
in eccesso
Attilio Citterio
C2H5OOCO
H
H
H
OH
62
Reazioni degli Steroidi
H
CH3
Ma molti reagenti
reagiscono
preferenzialmente
alla faccia α.
H2 , Pt
H
HO
H
5α-Colestan-3β-olo (85-95%)
CH3
H3C
H3C
C6H5COOOH
H
H
HO
H
O
5α,6α-Epossicolestan-3β-olo (100%)
H
H
HO
Colesterolo
H3C
1) THF.BF3
H
H
-
2) H2O2, OH
HO
H
OH
5α-Colestan-3β,6α-diolo (78%)
Attilio Citterio
63
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.
O
HO
H
6
5
COOH
COOH
9
10
HO
H
1
CH3
CH3
15
20
H
HO
OH
H
OH
Prostaglandina F1α
Prostaglandina E2
La biosintesi delle prostaglandine della serie 2 inizia dall’acido poliinsaturo
C20 arachidonico.
COOH
2 O2
H
COOH
O
cicloossigenasi O
CH3
CH3
H
OH
Acido arachidonico
Attilio Citterio
PGC2
molti
stadi
PGE1
64
COMPOSTI FENOLICI
• Colonizzazione delle piante degli ambienti terrestri: necessità di
sostegno meccanico ed impermeabilizzazione
PARETE CELLULARE
LIGNINA
COMPOSTI FENOLICI
Più di 8,000 composti fenolici formati passando dallo scichimato o dalla
via malonato/acetato. Hanno un ruolo strutturale e adattativo.
Attilio Citterio
65
Funzioni dei Composti Fenolici
 difesa contro erbivori e patogeni
 supporto meccanico (lignina)
 attrazione impollinatori
 assorbimento radiazioni UV dannose
 sostanze allelopatiche
Attilio Citterio
66
Unità Strutturali dei Composti Fenolici
LA MAGGIOR PARTE DEI COMPOSTI FENOLICI DERIVA DA DUE VIE
OH
1) DAL FENILPROPANOIDE
C6C3
o
2) DAL FENILPROPANOIDE –ACETATO C6C3-C3
(sono composti fenolici anche i derivati degli acidi benzoici C6C1)
Attilio Citterio
67
Unità Strutturali dei Composti Fenolici
C
C
C3
C
C6
3 × C2
Scheletro di
Fenilpropanoidi
(C6C3)
C6C3
Scheletro di Fenilpropanoidi-acetato (C6C3-C6),
con le unità derivate fenilpropanoide (C6C3) e
anelli derivati dall’acetato (3 × C2)
OH
OH
HO
O
OH
OH
H3CO
OH
O
OH
Alcool Coniferilico,
un componente della
lignina e di molti lignani
Quercetina, un flavonoide
(C6C3-C6)
Scheletro fenilpropanoide
Anelli derivati dall’acetato
Attilio Citterio
68
Metabolismo dei Composti Fenolici
COOH
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
n
lignina
Attilio Citterio
C6
Flavonoidi
C6
C3
C3
C3
C6
n
Tannini condensati
Via dell’Acido Scichimico o degli
Aminoacidi Aromatici
COOH
HO
OH
COOH
P
O
P
+
C
H
O
DAHP sintasi
C
O
CH2
CH2
H2O
OH
Fosfoenolpiruvato
69
P
O
Pi
OH
H2
OH
Acido 3-deossi-D-arabinoeptulosonico-7-fosfato
Eritrosio-4-fosfato
HOOC
CH2
HO
COOH
COOH
O
3-deidrocinato
deidratasi
3-deidrocinato
sintasi
H2O
OH
O
COOH
OH
OH
OH
Acido L-arogenico
Acido prefenico
NADP+
arogenato
deidratasi
NADPH + CO2
OH
arogenato
deidrogenasi
Acido 3-deidroscichimico
Acido 3-deidrochinico
COOH
corismato mutasi
COOH
OH
O
COOH
H2N
COOH
COOH
NADP
H2O
OH
HO
P
OH
Acido scichimico
Acido 3-fosfoscichimico
OH
Tirosina
COOH
COOH
corismato sintasi
CH2
CH2
PEP
Pi
Pi
P
O
O
H
CO2 + H2O
COOH
H2N
C
H
CH2
OH
O
OH
EPSP sintasi
C
CH2
3-dehydrochinate
dehydratasei
scichimato
deidrogenasi
NH2
HOOC
corismato mutasi
OH
Acido corismico
Pi
H
O
COOH
O
COOH
COOH
OH
OH
Attilio Citterio
Fenilalanina
70
Unità Strutturali della Lignina
COOH
COAMP
COOH
COOH
OH
CHO
COSCoA
NH2



OH
OH
Fenilalanina
Acido Cinnamico


OH
OH
p-Cumaroil-CoA
Acido p-Cumarico

OH
p-Cumaraldeide
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
H3CO
OH
OCH3
H3CO
OH
Alcool Coniferilico
OH
Alcool Sinapilico
Catalisi Enzimatica nella Biosintesi dei
Composti Fenolici
71
COOH
Le vie biochimiche che
portano alla biosintesi delle
varie classi di composti
fenolici hanno molte
caratteristiche comuni
NH2
Fenilalanina
NH3
Fenilalanina ammonica liasi
COOH
C6-C1
Derivati del
acido benzoico
Acido trans-Cinnamico
L’ enzima PAL:
Fenilalanina ammonio liasi
è l’enzima centrale nella
sintesi dei composti fenolici
COOH
HO
Acido caffeico
ed altri semplici
fenilpropanoidi
Acido p-Cumarico
CoA-SH
Cumarine
COSCoA
Precursori lignina
HO
p-Cumaroil-CoA
(Vedi seguito)
Attilio Citterio
3 molecole di Malonil-CoA
72
Antociani e Flavonoidi
Calcone sintasi
OH
HO
OH
OH
HO
OH
O
O
Calconi
OH
HO
OH
O
Flavoni
O
O
HO
OH
O
Flavanoni
OH
O
OH
OH
Isoflavoni
HO
O
OH
OH
OH
HO
O
O
Diidroflavonoli
OH
OH
Antocianine, Tannini condensati
Attilio Citterio
O
Flavonoli
73
Tipici Isoflavoni
HO
O
HO
O
O
OH
OH
O
Genisteina
Daidzeina
O
HO
H3CO
OH
O
Gliciteina
Attilio Citterio
OH
OH
74
Derivati dell’Acido Benzoico C6C1
(C)
CHO
O
OH
HO
OCH3
OH
Vanillina
Acido Salicilico
Derivati dell’acido benzoico
Attilio Citterio
[
C6
C1
]
75
Composti Fenolici Semplici C6C3
(A)
O
O
OH
OH
HO
HO
OCH3
OH
Acido ferulico
Acido caffeico
Semplici fenilpropanoidi
[
C6
C3
]
(B)
HO
O
O
O
O
Psoralene,
una furanocumarina
Umbelliferone,
una semplice cumarina
Cumarine
O
[
Attilio Citterio
C6
C3
]
76
Flavonoidi C6C3-C6
Dalla via dell’acido scichimico
tramite la fenilalanina
[
C6
C3
]
3’
2’
Dalla via dell’acido
malonico
[
C6
8
7
]
A
1
O
O
C
1’
4’
B
5’
2
6’
3
6
5
4
Ponte a tre-carboni
Scheletro di base dei flavonoidi
Attilio Citterio
77
Il Complesso Albero dei Flavonoidi
Attilio Citterio
Tannini, Polifenoli e Flavonoidi
OH
HO
OH
HO
HO
OH
HO
OH
Tannini idrolizzabili
O
O
(impermeabilizzanti
del cuoio)
O
O
HO
O
O
O
OH
Acido gallico
OH
O
OH
OH
Acido ellagico
OH
Tannini condensati
Acido digallico
OH
Flavonoidi
OH
OH
HO
O
OH
HO
O
OH
OH
OH
OH
Mimosa
Pino
Attilio Citterio
+ formaldeide = adesivi
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
81
Biomassa come Fonte Alternativa di Fenoli
Flavanoli
Flavanoni
Catechine
• I fenoli sono presenti in
natura nelle piante e nelle
felci mentre sono quasi
assenti negli animali.
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
Isoflavoni
frutti e vegetali
coloranti
Genisteina
Diectzeina
presenti nella soia
convertiti a fitoestrogeni
proprietà di
potenti anti-cancro
e anti-malattie cardiache
Diidroflavonoli
Calconi
Quercetina presenti in cipolle
Vino rosso, te verde, cipolle
forti antiossidanti
Acidi Fenolici
Acido Elagico 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
82
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
83
ALCALOIDI: Generalità
• 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
84
Proprietà Biologi degli Alcaloidi
Gli alcaloidi possono agire da:
Coniina
• veleni
H
N
Cicuta
CH3
H
O
• stimolanti
H3C
N
N
Caffeina
O
caffè e tè
CH3
N
N
CH3
H3CO
• allucinogeni
Mescalina
Cactus Peyote
• farmaci
NH2
H3CO
OCH3
N
HO
Chinina
O
anti-malarico
N
Attilio Citterio
85
Basicità degli Alcaloidi
• Come implicato dal nome, gli alcaloidi sono di natura basica (pKa >7)*
• Gli alcaloidi farmacologicamente importanti sono normalmente
somministrati come sali di ammonio
H
CH3
N
COOCH3
pKa
X
- N
+ HX
OCOC6H5
Cocaina
fumabile
+
CH3
COOCH3
COOC6H5
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”
*Warhurst et al. Malaria Journal 2003 2, 26.
Attilio Citterio
86
Funzioni degli Alcaloidi nelle Piante
• Possono agire da agenti protettori 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, Terziaria.
 Scheletro chimico di base
Attilio Citterio
Classificazione Basata su uno Scheletro
Molecolare di Riferimento
88
• Principali motivi strutturali nei veri alkaloidi:
N
Amminoacido
di partenza
CH3
 Alcaloidi tropanici
ornitina
R
 Alcaloidi chinolinici
triptofano
R
N
R
 Alcaloidi piridinici, piperidinici
R
N
N
lisina
R1
 Alcaloidi imidazolici
[piridina]
N
H
N
R1
 Alcaloidi indolici
triptofano
R2
N
 Alcaloidi isochinolinici
R
R1
N
R
Attilio Citterio
tirosina
Classificazione degli Alcaloidi.
Alcaloidi da Ornitina e Lisina
89
• Classificati in base all’amminoacido da cui si formano
O
O
H
H2N
H2N
OH
OH
H2N
H2N
Ornitina
Lisina
• Biosintesi tramite diammine simmetriche
H2N
H2N
H2N
H2N
Putrescina
• Alcaloidi: sempre di natura basica debole (amminica)
Attilio Citterio
Cadaverina
90
Esempi di Alcaloidi da Ornitina e Lisina
• Due esempli tipici di questi alcaloidi sono:
H
H
H
O
H
N
N
H
N
CH3
CH3
N-Metilpelletierina
(ex lisina)
CH3
Nicotina
Alcaloidi piperidinici
(ex ornitina)
4
Alcaloidi del Tabacco
4
5
3
O
N
3
6
2
N
CH3
2
6
5
CH3
4
5
3
6
2
OH
N
H
H
sedamina
O
pelletierina
pseudo-pelletierina
H3C
4
4
5
3
6
2
OH
N
5
H
3
2
6
N
H
alosalina
Attilio Citterio
licopodina
O
91
Alcaloidi dalla Fenilalanina e Tirosina
NH2
CH2
C
H
NH2
O
C
HO
CH2
OH
C
O
C
OH
H
Tyrosine
Phenylalanine
H
• Tutti questi alcaloidi hanno il motivo Ar-C-C-N
• Intermedi coinvolti nella biosintesi:
O
HO
NH2
HO
HO
Dopamina
Esempi:
HO
H3CO
O
CH3
N
H H
HO
NH2
H3CO
OCH3
Mescalina
Morfina
ex tirosina
Papaver somniferum L.
Attilio Citterio
92
Alcaloidi dal Triptofano
• Gli alcaloidi derivati dal triptofano passano dall’intermedio triptamina:
COOH
H
NH2
N
H
N
H
Triptofano
Triptamina
• Due esempi di tali alcaloidi sono:
O
OH
H3C
N
H
Pscilocina
NH2
N
CH3
H
NH2
Dietilammide
dell’acido lisergico
LSD
Attilio Citterio
NH
93
Alcaloidi Derivati del Triptofano
• Alcaloidi contenenti una subunità indolica:

Scheletro costruito per amminazione riduttiva , decarbossilazione e
idrossilazione)
 Principali classi:
 Derivati semplici (p.es. serotonina, bufotenine)

Alcaloidi misti Trp/mevalonato quali:
• ergot [derivati DMAPP] (p.es. ergolina, lacido liergico)
• vinca [derivati secologanina]
• yoimbina [derivati secologanina]
• stricnina [derivati secologanina]
• chinina [derivati secologanina]
Attilio Citterio
Lysergic
acid (ergot)
94
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
CH3
CH3
O
H3C
Cocaine
N
CH3
H
N
H
Attilio Citterio
Dietilammide del
acido lisergico (LSD)
95
Altri Esempi degli Alcaloidi
• La tossina dei nervi fisostigmina (alcaloide indolico) è isolata dai
“semi di Calabar” Physostigma venenosum
H
H3C
N
O
H3C
N
O
CH3
N
H
CH3
Fisostigmina
• Gli alcaloidi della Cincona (derivati chinolinici)
sono isolati dalla corteccia secca della
Cinchona succirubra (Rubeaceae). H C
2
H2C
H
N
HO
N
Attilio Citterio
H
N
HO
Cinconidina
N
Cinconina
96
Biosintesi di Alcaloidi: I “Reagenti”
•
Aldeidi e Ammine sono gli intermedi comuni a partire dagli amminoacidi
O
O
H
H2N
H2N
H2N
OH
H2N
ornitina
H2N
O
O
H
H2N
H2N
H2N
OH
H2N
H2N
lisina
O
H
OH
NH2
NH2
O
fenilalanina
O
H
OH
O
HO
NH2
HO
NH2
H O
tirosina
O
H
OH
O
NH2
N
N
H
H
Attilio Citterio
triptofano
NH2
N
H
97
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
Trasformazioni Biosintetiche:
Maggiori reazioni a catalisi enzimatica:
H3C
Unità acetato
CH3
HO CH O
3
HO
OH
Acido mevalonico
HO
OH
OH
Acido scichimico
O
O
OH
OH
NH2
Acido antranilico
N
Acido nicotinico
Attilio Citterio
1)
2)
3)
4)
5)
Decarbossilazioni
Transaminazioni
Metilazioni
Ossidazioni/Riduzioni
Formazione di legami carboniocarbonio
Molti, molti altri enzimi catalizzano
queste reazioni.
98
Attività Farmacologica
1. Analgesici e narcotici: morfina e codeina.
2. Stimolanti del CNS: caffeina e stricnina.
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: δ-tubocurarina.
11. Antielmintici: pelletierina e arecolina.
12. Antiparassitari: chinina e emetina
Attilio Citterio
99
Antibiotici: Penicilline
H
posizione-6
H
N
R
O
H
5 4
3
1
N 2
O
H
N
H
S
CH3
CH3
O
HO
R-catena laterale
Anello
(R-CONH-)
β-lattame
H
R1
S
6
7
H
posizione-7
Anello
Tiazolidina
O
N
R2
O
posizione-3
O
R-catena laterale
Anello
(R-CONH-)
β-lattame
OH
Anello
Diidrotiazina
R2-catena
laterale
Cefalosporine
Penicilline
Attilio Citterio
100
Biosintesi della Penicillina
α-adipato
+
cisteina
+
valina
H
H
+
H3N
H
H
S
H
N
H
COO-
O
H
O
N
H
tripeptide
H
HOOC
H3C
CH3
- Parte con un peptide fatto
di 3 amminoacidi
(incluso un non-standard
a.a., l'α-adipato)
Benzilpenicillina
(1'-Dietil Carbonato Estere)
Attilio Citterio
101
Biosintesi della Penicillina
H
+
α-adipato
+
cisteina +
valina
H
H
S
H3N
H
H
COO
-
O
H
O
N
H
H
HOOC
H3C
isopenicillina
H
H
+
H3N
penicillina N
-
H3N
S
O
H
+
H
N
COO
CH3
sintasi
H
H
H
N
CH3
N
CH3
O
H
COOH
N
H
Epimerasi
COO
-
H
S
O
N
CH3
CH3
O
H
COOH
isopenicillina N
H
H
H
+
H3N
N
H
COO
-
O
H
H
S
N
R
O
cefalosporine
R
COOH
-
N
O
H
S
N
CH3
CH3
O
H
COOH
penicilline
Attilio Citterio
102
Penicilline: Meccanismo d'Azione
• Questa classe di antibiotici interferisce con la sintesi della parete
cellulare dei batteri Gram-positivi (Stafilococchi, Streptococchi)
• La parete cellulare è un polimero ripetitivo di disaccaridi, tetrapeptidi
che si reticolano ripetutamente in una matrice 3D.
(1) spezza qui
zucchero - zucchero - fosfolipide
(transpeptidasi)
L-ala — D-glu — L-lys — D-ala — D-ala
(glicina)5
(2) reticola qui
Le Penicilline inibiscono l'enzima batterico transpeptidasi mimando il suo
naturale substrato, il terminale D-ala—D-ala
La transpeptidasi attacca l'anello β-lattamico della penicillina, formando un
legame covalente; L'enzima è così disattivato.
Attilio Citterio