ISOPRENOIDES (Resumen) Los isoprenoides, terpenos o

ISOPRENOIDES (Resumen)
Los isoprenoides, terpenos o terpenoides son un grupo muy numeroso, y de gran
importancia, de compuestos que participan del metabolismo tanto primario como
secundario de plantas y de otros organismos eucariotas, como hongos y animales, y de
bacterias. Desde un punto de vista químico se clasifican como lípidos insaponificables que
derivan del isopreno (metilbutadieno). El nombre de terpenos surge de ser muy abundantes
en el árbol de la trementina (Pistacia terebinthus) conocida como turpen oil por su riqueza
en aceites usados como disolventes (trementina chipriota).
Se conocen alrededor de 30.000 compuestos isoprenoides que cumplen variadas
funciones y que se encuentran ampliamente distribuidos en el Reino Plantae, siendo
abundantes especialmente en algunas familias como Coniferae, Rutaceae y Lamiaceae.
La nomenclatura de las principales clases refleja el número de unidades
isoprenoides:
• Hemiterpenos: 1 unidad de isopreno (5 C)
• Monoterpenos: 2 unidades (10 C)
• Sesquiterpenos: 3 unidades (15 C)
• Diterpenos: 4 unidades (20 C)
• Triterpenos: 6 unidades (30 C)
• Tetraterpenos: 8 unidades (40 C)
• Politerpenos: más de 10 unidades isoprenoides.
Los meroterpenos son metabolitos secundarios que se originan sólo parcialmente de
terpenos y todos los tipos se encuentran en forma de heterósidos, ésteres o libres. Cuando el
número de subunidades isoprenoides es bajo (hasta 15 carbonos), son compuestos volátiles
y pueden ser olorosos y servir de intermediarios para la comunicación entre organismos.
Otros compuestos son polímeros de diversos tamaños y pueden llegar a ser muy grandes
como el caucho (PM ca 5000 Da).
BIOSÍNTESIS
El número de metabolitos encontrados en una especie puede ser muy superior al de
los genes involucrados en su biosíntesis. La biosíntesis de terpenoides es un ejemplo de
esto, ya que permite producir muchos compuestos distintos con un número de genes
relativamente pequeño. Contribuye a ello la estructura modular de los terpenoides, cuyo
esqueleto se fabrica con un cierto número de repeticiones de una molécula de cinco átomos
de carbono, el pirofosfato de isopentenilo (IPP), y la maleabilidad de los productos
primarios, que admiten multitud de modificaciones, algunas de ellas espontáneas y otras
catalizadas por enzimas de especificidad limitada, que les permite actuar sobre distintos
sustratos y no necesariamente en un orden fijo.
El IPP puede ser sintetizado por dos rutas diferentes. La ruta del mevalonato (MVA)
de la que derivan los isoprenoides mitocondriales y citosólicos (ubiquinona, esteroles,
citoquininas y brasinosteroides) que parte de Acetil-CoA y que tiene lugar en el citosol y/o
en el retículo endoplasmático, y la ruta alternativa que consiste en la condensación de
gliceraldehído-3-fosfato e hidroxietilamina, producto de la desacrboxilación del piruvato.
Esta última vía, independiente de MVA, que ha sido encontrada en eubacterias y en
cloroplastos de algas y de plantas superiores, pero no en hongos ni en animales, produce el
IPP plastídico y sus derivados isoprenoides: carotenoides, monoterpenos, la cadena lateral
de las clorofilas, plastoquinona y tocoferoles, y las hormonas giberelinas y ácido abscísico.
Ruta del Mevalonato (citosólica): El mevalonato procede de tres moléculas de Acetil-CoA.
Una de ellas y el acetoacetil-CoA formado por las otras dos se convierten en 3-hidroxi-3metilglutaril CoA (HMG-CoA) que se reduce a mevalonato. La conversión de MVA en IPP
ocurre en tres pasos que requieren cada uno un mol de ATP por mol de sustrato. El
mevalonato sufre dos fosforilaciones sucesivas, con la participación de ATP, y una
descarboxilación para convertirse en IPP, la primera unidad de isopreno.
Ruta alternativa (plastídica): Se inicia con la producción de 1-desoxi-D-xilulosa-5 fosfato
(DXP) a partir de Gliceraldehído -3-fosfato e hidroximetil tiamina derivada del piruvato,
mediante una condensación catalizada por la DXP sintasa. Luego se produce 2-MetilEritritol-4-fosfato mediante un reordenamiento intramolecular y reducción del DXP. Esta
molécula mediante numerosos cambios catalizados por diferentes enzimas origina una
mezcla de IPP y DMAPP (dimetil-alil-pirofosfato).
En ambas rutas, el IPP es convertido en DMAPP por acción de la IPP isomerasa y la
unión de una molécula de IPP con su isómero (DMAPP) forma una molécula de diez
átomos de carbono, el pirofosfato de geranilo y posteriores adiciones de IPP dan lugar a
moléculas de quince (el pirofosfato de farnesilo) y de veinte (el pirofosfato de gernilgeranilo) átomos de carbono, mediante reacciones catalizadas por prenil-transferasas. La
adición sucesiva de IPP produce terpenoides de varios tamaños, como el pirofosfato de
solanesilo, C45, que es el precursor de la cadena lateral de la ubiquinona Q9 de
Phycomyces.
Las reacciones de alargamiento de cadena y ciclación del metabolismo de los
terpenos son alquilaciones electrofílicas en las que se forma un nuevo enlace simple
carbono-carbono por reacción de un carbocatión altamente reactivo (electrófilo) con un
doble enlace carbono-carbono (nucleófilo). Desde el punto de vista químico, el paso
limitante es el de generación de carbocationes. Este proceso es catalizado mediante ruptura
del enlace carbono-oxígeno de un éster difosfato alílico y una protonación de un doble
enlace carbono-carbono. La elongación de las cadenas isoprenoides es catalizadas por
preniltransferasas (farnesil-PP tranferasa, geranil-PP transferasa, etc.) para producir todotrans prenil-pirofosfatos. Estas enzimas también pueden transferir grupos isoprenoides a
otro tipo de moléculas (proteínas, alcaloides, etc.) en reacciones llamadas de prenilación.
Las sesquiterpeno sintasas, también conocidas como terpeno ciclasas, catalizan la
conversión del sustrato farnesil difosfato en más de 300 productos de ciclación, los cuales
presentan gran diversidad estructural y estereoquímica. Estas enzimas se caracterizan por su
homología estructural, mostrando todas ellas la procedencia de un antecesor común a pesar
de la escasa similitud entre sus secuencias de aminoácidos. Entre ellas se encuentran
enzimas altamente específicas y otras que producen numerosos sesquiterpenos a partir de
un mismo sustrato.
FUNCION BIOLOGICA
Los terpenoides poseen diversas funciones tanto dentro del metabolismo primario
como secundario de las plantas. Entre las funciones primarias se encuentran aquellas
relacionadas con procesos reguladores del crecimiento y desarrollo del vegetal como por
ejemplo el Acido Abscícico (ABA), las Giberelinas (Gas), las Citoquininas y los
Brasinoesteroides, las que
que cumplen funciones estructurales por ser parte de las
membranas celulares (esteroles) o participar de la fotosíntesis (cadena lateral de clorofila,
carotenoides). Dentro del metabolismo secundario intervienen como moléculas de defensa.
Son compuestos tóxicos (aceites esenciales, piretrinas) o disuasores alimentarios (lactonas
sesquiterpénicas) para insectos o al actuar como fitoalexinas (sesquiterpenos de Solanáceas)
o como compuestos alelopáticos. Además, en algunos casos estos compuestos favorecen la
atracción de polinizadores o de dispersores de frutos.
HEMITERPENOS (C5)
El hemiterpeno o isopreno es un producto volátil liberado en tejidos
fotosintéticamente activos. La emisión de isopreno que aumenta con la temperatura y la
luz, favorece la formación de O3 en la troposfera y de otros compuestos que tienen efecto
invernadero.
MONOTERPENOS (C10)
Los monoterpenos derivan del pirofosfato de geranilo. Son metabolitos lipofílicos,
volátiles e incoloros, componentes de aceites esenciales (junto a sesquiterpenos), ubícuos
en plantas superiores y algas. Se acumulan especialmente en Apiaceas (Umbelíferas) y
Pináceas. Poseen um importante rol en las interacciones planta-insecto y planta-planta. Sus
olores (aromas florales) son efectivos atrayentes de polinizadores, mientras que otros
compuestos debido a su sabor amargo son disuasores alimentarios. Numerosos terpenoides
poseen actividad antimicrobiana o son citotóxicos para plantas. Así por ejemplo, α- y βpineno, limoneno y citronelol inhiben el crecimiento de Amaranthus retroflexus en la
proximidad de los naranjos (Citrus aurantifolia). Otros compuestos monoterpénicos con
actividad alelopática son alcanfor (del alcanforero), mirtenal (eucalipto) y mentofurano
(menta).
Presentan una amplia distribución entre las plantas superiores. Se los encuentra en
las familias Myrtaceae (eucalipto, clavo de olor), Asteraceae (manzanilla) Zingiberaceae
(caradmomo), Lauraceae (alcanforero) Apiaceae (cilantro), Piperaceae (pimienta),
Rutaceae (limonero), Cupressaceae (tuya), Lamiaceae (menta), Poaceae (citronela), etc.,
en diferentes partes de la planta como flores (bergamota, nardo), hojas (melisa, eucalipto,
laurel), cortezas (canela), leño (rosa, sándalo), raíces (vetiver), rizomas (cúrcuma, jengibre),
frutos (anís verde, anís estrellado) y semillas (nuez moscada), donde se sintetizan y
acumulan en diferentes estructuras histológicas tales como células o idioblastos, pelos
secretores, glándulas secretoras, canales resiníferos, etc.
Los monoterpenos tienen diversos usos en perfumería, en la industria alimenticia
como saborizantes y las relativas a sus propiedades farmacológicas. Existen variadas
formulaciones farmacéuticas en forma de linimentos en las cuales se utilizan compuestos
monoterpénicos como el mentol y el alcanfor mezclados con otros aceites esenciales como
la menta y el romero. Sus efectos principales están asociados a la irritación de la piel y
mucosas, como rubefacientes, digestivos, bactericidas, tranquilizantes, antiagregantes
plaquetarios, anticancerígenos, hipolipemiantes, descongestivos nasales y otros.
SESQUITERPENOS (C10)
Derivan del pirofosfato de farnesilo y son el grupo más abundante de compuestos
terpénicos. Se presentan en plantas superiores y también en hepáticas, musgos, hongos y
algas. En las plantas superiores se encuentran en aceites esenciales junto a monoterpenos y
su acumulación está frecuentemente asociada a estructuras secretoras como glándulas
oleíferas. Una serie muy amplia de funciones han sido informadas para los sesquiterpenos,
la cual incluye a sustancias antialimentarias, fitoalexinas, micotoxinas, antibióticos y
reguladores del crecimiento vegetal.
El interés en estos compuestos surgió tempranamente debido a los principios
amargos de numerosas hierbas medicinales que se vio que contenían lactonas
sesquiterpénicas. Además, estas sustancias pueden ser usadas como marcadores
quimiotaxonómicos y algunas poseen aplicaciones farmacológicas debido a sus actividades
como citotóxicas y antitumorales, antiinflamatorios, antipalúdicos, antimigrañosos,
antimicrobianos y también son alergenos por contacto.
El ácido abscícico (ABA), encontrado sólo en plantas superiores, se acumula
principalmente en plastidios y es un regulador del crecimiento vegetal. El ABA es capaz de
iniciar el cierre de los estomas actuando como un antitranspirante endógeno.
Los sesquiterpenos participan de los mecanismos de defensa de la planta: las
fitoalexinas de Solanáceas consisten en sesquiterpenos cíclicos que se biosintetizan ante el
estímulo de elicitores fúngicos que aumentan la actividad de sesquiterpeno ciclasa y
disminuyen la de escualeno sintasa favoreciendo la formación de los compuestos de
defensa. La artemisina es una lactona sesquiterpénica obtenida de Artemisia annua
empleada para combatir la malaria. El gosipol es un dímero de sesquiterpenos, con
funciones de defensa contra insectos y patógenos (hongos y bacterias); además es activo
como compuesto antifertilidad masculina, actualmente en ensayo, y tendría actividad para
tratar las endometriosis.
Otros ejemplos de sesquiterpenos son: farnesol (en citronela, rosa y acacias),
jubaviona (pino) que tiene actividad de feromona usada como insecticida, β.cadieno (cedro,
ciprés y abeto), eudesmol (eucaliptos), azuleno (manzanilla), etc.
DITERPENOS (C20)
Los diterpenos se originan a partir del pirofosfato de geranil-geranilo que
frecuentemente sufren reordenamientos moleculares. Se encuentran principalmente en
plantas superiores y hongos e incluyen a las giberelinas (GAs) y a los ácidos resínicos de
las resinas de gimnospermas. La mayoría son compuestos cíclicos con pocas excepciones
(fitol).
Las GAs son diterpenoides tetracíclicos esenciales para el crecimiento y desarrollo
normales de las plantas. Pueden tener 19 (GA19 -GAs) ó 20 (GA20 -GAs) átomos de carbono.
Su concentración en embriones o endosperma es mayor que la encontrada en los brotes
vegetativos. Poseen actividad hormonal capaz de controlar la elongación de internodos
caulinares, desarrollo, germinación y dormancia de la semilla y desarrollo del fruto.
Los ácidos resínicos, ac. pimárico y sus isómeros, y ácidos abiéticos se encuentran
en la resina de pino. La resina y sus derivados (trementina y colofonia) se utilizan
ampliamente en pinturas, barnices, mezclas impermeabilizantes, tintas para impresión y
para la generación de materiales poliméricos y películas con propiedades reológicas y
químicas específicas. Han sido utilizados como base en la obtención de gomas de mascar,
pastas dentales y cosméticos. Los derivados de la resina y colofonia (residuo de la
destilación de las resinas) y sus sales han sido extensivamente evaluados por sus
propiedades y aplicaciones farmacéuticas, incluyendo bases para materiales de
microencapsulación.
En este grupo de compuestos también se encuentran moléculas con interesantes
propiedades como los ésteres del forbol (de algunas euforbiáceas) que son promotores
tumorales por activación de la proteín-quinasa (segundo mensajero), el taxol (de Taxus
baccata) empleado como antitumoral, las podofilotoxinas (Podophyllum peltatum) con
propiedades citotóxicas, antimicóticas y antivirales, entre otras.
TRITERPENOS (C30)
La unión cabeza-cabeza de dos moléculas de Farnesil-PP produce escualeno que es
el precursor de todos los triterpenoides. En este grupo encontramos los fitosteroles que
tienen una importante función estructural al formar parte de las membranas, en un rol
análogo al colesterol en células animales. Los esteroles son importantes para el crecimiento
de la planta.
Estos compuestos terpénicos también forman parte de las saponinas (glicósidos
triterpénicos) ampliamente encontradas en el reino vegetal. Las saponinas son solubles en
agua produciendo espumas estables. Estas moléculas protegen a las plantas del ataque de
hongos. Son capaces de lisar eritrocitos y éste constituye el método estándar para su
detección. Algunas saponinas se emplean por sus propiedades expectorantes y diuréticas.
Los cardenólidos son derivados esteroides de C23 con actividad cardíaca,llamados
por lo tanto glicósidos cardíacos. La digitoxina, un componente de Digitalis purpurea o
dedalera es empleada clínicamente como estimulante cardíaco. Aparecen en diversas
familias vegetales y también en insectos tal como la mariposa Monarca que consume partes
aéreas de Asclepias spp, productoras de cardenólidos, y que se tornan desagradables para
sus depredadores. Son moléculas tóxicas como las encontradas en Nerium oleander (laurel ,
adelfa) cuya intoxicación digitálica produce alteraciones gastrointestinales acompañadas de
náuseas y vómitos, con deposiciones diarreicas sanguinolentas, vértigo, ataxia, midriasis,
excitación nerviosa seguida de depresión, disnea y convulsiones tetaniformes entre 4 y 12
horas después de la ingesta.
TETRATERPENOS (C40) y POLITERPENOS
Se forman a partir de dos moléculas de Geranil-geranil-PP. En este grupo se
encuentran sustancias tan importantes como los carotenoides. Los carotenoides son un
amplio grupo de pigmentos presentes en todos los tejidos verdes, donde forman parte de los
cloroplastos, y también responsables de la mayoría de de los colores amarillo a rojo de
flores y frutos. Los carotenoides formados por C e H son llamados carotenos, mientras que
aquellos que poseen además funciones oxigenadas se denominan xantofilas. Algunos
carotenoides mayoritarios asociados a la fotosíntesis, presentes en hojas, son β-caroteno,
luteína (carotenos), violaxantina y neoxantina (xantinas). Los carotenoides también se
encuentran en tejidos no-fotosintéticos como pétalos florales (auroxantina, flavoxantina) y
frutos, donde su distribución es extremadamente compleja y variable. Los carotenoides
también están presentes en anteras y polen de las flores, semillas (trazas, salvo el maíz) y
raíces (zanahoria).
En tejidos fotosintéticos es los carotenoides ejercen una fotoprotección mediante la
depuración de especies reactivas de oxígeno como el oxígeno singulete (estado excitado del
O). Esta función está
asociada
a la capacidad de los carotenoides de participar en
reacciones fotoquímicas. Por otro lado, actúan como pigmentos fotosintéticos accesorios y
son precursores del ABA. En frutos y
flores son responsables de la atracción de
polinizadores y dispersores.
Pueden ser clasificados de la siguiente manera:
Los politerpenos (C5H8)n son moléculas de elevado peso molecular, ampliamente
distribuídas en la naturaleza. Son polímeros de multiples aplicaciones como el caucho
(polímero con uniones cis) derivado del látex de Hevea brasiliensis y la gutapercha
(polímero con uniones trans) de Palaquium guta.