UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS

ESCOLA DE ENFERMAGEM E FARMÁCIA

CURSO DE FARMÁCIA

BIOSSÍNTESE DE PRODUTOS NATURAIS

Profa Dra Sâmia A.S. da Silva

Disciplina: Farmacognosia

MACEIÓ

2009

IINTRODUÇÃO

Metabolismo pode ser definido como o conjunto de reações químicas que estão ocorrendo

continuamente nas células. O conjunto de determinadas reações direcionadas por enzimas

específicas pode ser chamado de rota metabólica. Em grande parte, as rotas metabólicas visam,

primariamente, a transformação de nutrientes para o aproveitamento celular, cumprindo as

exigências fundamentais para a sobrevivência da célula: produção de energia (derivada basicamente

de ATP), poder redutor (NADPH) e biossíntese das substâncias essenciais a sua sobrevivência, as

macromoléculas (carboidratos, proteínas, etc).

Entretanto, vegetais, microorganismos e, em menor escala os animais, apresentam todo um

arsenal metabólico (coenzimas, enzimas e organelas) utilizado para produzir, transformar e

acumular inúmeras outras substâncias necessárias, indiretamente, a vida do organismo produtor.

Nesse grupo, encontram-se substâncias cuja produção e acumulação estão restritas a um número

limitado de organismos, caracterizando-se como elementos de diferenciação e especialização. A

todo esse conjunto metabólico costuma-se definir como metabolismo secundário, cujos produtos,

embora não sejam necessariamente essenciais para o organismo produtor, garantem vantagens para

a sua sobrevivência e para a perpetuação de sua espécie, em seu ecossistema.

A origem de todos os metabólitos secundários pode ser resumida a partir do metabolismo da

glicose, oriunda da fixação do carbono realizada na fotossíntese. A glicose, por meio de uma

cascata metabólica origina gliceraldeído-3P, que posteriormente é transformado em

fosfoenolpiruvato que, na presença de uma piruvato cinase, origina o piruvato (-OOC-CO-CH3).

Este, na presença de NAD+ e HSCoA sofre descarboxilação oxidativa resultando em acetil-SCoA

(CH3-CO-SCoA). A glicose, na via das pentoses, fornece outro metabólito importante, a 4-fosfato

de eritrose. A biossíntese de todos os metabólitos secundários conhecidos é iniciada pela

combinação do fosfoenolpiruvato, acetil-SCoA e 4-fosfato de eritrose, entre si ou não (Figura 1).

Desta forma, podemos dividir o metabolismo secundário em três vias principais (Figura 2):

a) A via do ácido chiquímico

b) A via do acetato

c) A via mista, pela combinação das vias acetato e ácido chiquímico

Os derivados do acetato podem ser classificados segundo três vias:

a) Via do ácido cítrico

b) Via da condensação do acetato

c) Via do mevalonato ou do ácido mevalônico

O

OH

OH

OH

OHPO

PO

HO2C OH

OPHO2C

OHO2C

OCoAS

POO

OH

OH

METABÓLITOS

SECUNDÁRIOS

6-fosfato de glicose

via das pentoses

ácido fosfoglicérico

fosfoenolpiruvato (PEP)

ácido pirúvico

NADHSCoA

acetil-SCoA

4-fosfato de eritrose

Figura 1: Blocos de construção dos metabólitos secundários

Figura 2: Rotas biossintéticas para a produção de metabólitos secundários.

Ciclo

CO2 hv

H2O

fotossíntese

Glicose

Mono, oligo, poliosídeos

Glicosídeos

Eritrose 4-fosfato

Fosfoenolpiruvato

Chiquimato

Cinamatos, lignanas,

cumarinas, quinonas

piruvato

Acetil-CoA

Flavonóides, antocianidinas,

taninos...

Aminoácidos

Alcalóides

Poliacetatos

Fenóis, quinonas, poliacetilenos, macrolídeos,

ácidos graxos, lipídeos

Mevalonato

Terpenos e esteróides

Óleos essenciais, sesqui e diterpenos, saponinas,

carotenos

VIA DO CHIQUIMATO: produção de substâncias aromáticas

A rota do chiquimato é uma via alternativa para a produção de compostos aromáticos,

particularmente, os aminoácidos aromáticos L-fenilalanina, L-feniltirosina e L-triptofano. Esta

via é utilizada por microorganismos e plantas, mas não por animais e, os aminoácidos aromáticos

felinalanina e triptofano produzidos por ela, são essenciais à dieta humana e por isso devem ser

consumidos.

A formação do ácido chiquímico começa pela condensação aldólica do fosfoenol piruvato

com a D-eritrose-4P, resultando no ácido 3-deoxi-D-arabinoheptulosonico-7-fosfato (DAHP)

que, posteriormente, na presença de NAD+ sofre desfosforilação e uma reação aldólica interna

formando o ácido 3-deidroquínico. A redução deste, leva ao ácido quínico, que é facilmente

encontrado como produto livre, na forma esterificada ou em combinação com alcalóides como a

quinina. Entretanto, a desidratação do ácido 3-deidroquínico leva à formação do ácido 3-

deidrochiquímico que, por redução (NADPH) é transformado em ácido chiquímico, ou por

desidratação seguida de enolização, em ácido protocatecúico; ou ainda, por oxidação seguida de

enolização, em ácido gálico, precursor dos galotaninos. Uma vez formado, o ácido chiquímico

também pode ser metabolisado em ácido corísmico, pela incorporação de uma molécula de

fosfoenol piruvato seguida de uma eliminação do tipo 1,4 do grupo fosfato. A redução do corismato

e a incorporação de amônia conduzem a via do antranilato, que forma o aminoácido triptofano,

precursor dos alcalóides indólicos. Um rearranjo intramolecular do ácido corísmico produz o ácido

prefênico. A descarboxilação deste, seguida de aromatização e transaminação produz o aminoácido

fenilalanina. Uma rota alternativa, a partir do ácido prefênico, conduz à formação da tirosina. Esses

aminoácidos originam vários protoalcalóides. A fenilalanina pela ação da PAL (fenilalanina

amonialiase) perde uma molécula de amônia, originando o ácido cinâmico. A regulação desta

enzima é um fator crítico na produção dos metabólitos do chiquimato. Nas plantas, a atividade da

PAL está sob o controle de vários fatores internos e externos, tais como: hormônios, níveis de

nutrientes, luz, infecção por fungos e lesões. A infecção por fungos resulta na síntese de compostos

fenólicos por indução da produção de PAL.

Figura 3: Formação dos ácidos chiquímico e corísmico.

PO

COO

PEP

H

PO

HO

OH

O

eritrose-4-fosfato

PO

OH

OH

HO

COO

O

DAHP

O

OH

OH

HO COO

DAHP sintase

NAD+

3-deidroquinato sintase

3-deidroquinato

(3-deoxi-D-arabinoheptulosonato-7-fostato)

O

OH

OH

COO

3-deidrocinase

3-deidrochiquimato

HO

OH

OH

COO

chiquimato

chiquimato oxiredutase

NAD+PO

OH

OH

COO

chiquimato-3-fosfato

chiquimato cinase

ATP

PO

OH

O

COO

COO

5-enolpiruvilchiquimato-3-fosfato

EPSP

OH

O

COO

COO

corismato

corismato sintase

EPSP sintase

PEP

O

OH

COO

OOC

OH

OOC

COO

O

COO

O

COO

NH2

L-fenilalaninafenilpiruvato

prefenatocorismato

corismato mutase corismato mutase-

prefenato desidratase

fenilpiruvato

aminotransferase

COO

O

OH

COO

NH2

OH

L-tirosina4-hidrofenilpiruvato

prefenato desidrogenase

NAD+

COOH

NH2

O COO

COOH

NH2

N

CO2H

NH2

L-triptofanoácido antranílico

CO2H

OH

O COO

O

ácido isocorismico

CO2H

O

CO2H

ácido O-succinilbenzoico

CO2H

OH

ácido salicílico

Figura 4: Formação dos aminoácidos aromáticos.

CO2H

NH2

CO2H COH OH

L-Phe ácido cinâmicoaldeído cinâmico ácool cinamílico

PAL HSCoA

NADPH

NADPH

CO2H

NH2

OH

L-tirosina

CO2H

OH

CO2H

OH

HO

CO2H

OH

MeO

CO2H

OH

MeO OH

ácido p-cumáricoácido ferúlicoácido caféico

O2

NADPH

SAMO2

NADPH

NADPHO2

COH

OH

aldeído p-cumárico

COH

OH

MeO

aldeído ferúlico

CO2H

OH

MeO OMe

ácido sinápico

CH2OH

OH

MeO OMe

CH2OH

OH

MeO

CH2OH

OH

álcool ferúlico álcool sinapílicoácool p-cumaroil

SAM[H][H]

LIGNINASLIGNANAS

XnX2

Figura 5: Formação dos ácidos, aldeídos e álcoois C3C6

Os ácidos cinâmicos são os precursores da maioria dos compostos classificados como

fenilpropanóides (Ar-C3): compostos aromáticos com uma cadeia lateral de 3 átomos e carbono.

Grande parte desses metabólitos são ácidos ou derivados destes, como por exemplo: ácido p-

cumárico, ácido caféico, ácido ferúlico, ácido sinápico, coniferol, sinapol, álcool cinamílico, etc. A

redução da cadeia lateral dos ácidos cinâmicos pode levar a alil ou propenilfenóis, como o eugenol

e isoeugenol, respectivamente, a cadeia lateral pode perder átomos de carbono, originando

derivados Ar-C2 ou Ar-C1. Os ácidos cinâmicos também são as unidades formadoras de compostos

mais complexos como as lignanas e as ligninas. As lignanas são dímeros oxidativos de álcoois

cinamílicos entre si, ou destes com ácidos cinâmicos; as neolignanas são dímeros oxidativos de alil

e propenilfenóis entre si ou cruzados; as alolignanas são dímeros mistos de arilpropanóides, onde

um dos monômeros apresenta o carbono γ oxigenado (álcool ou ácido cinâmico) e o outro não (alil

ou propenilfenol); as norlignanas, serão quaisquer substâncias descritas anteriormente, como 1

átomo de carbono a menos, etc. a lignina, depois da celulose, é a substância orgânica mais

abundante nos vegetais. Quimicamente é um polímero de fenilpropanóides, altamente ramificado.

Os metabolitos com estrutura ArC1 são substâncias polifenólicas que ocorrem na natureza na

forma de ésteres ou de glicosídos. Exemplos dos primeiros são a vanilina, o ácido gentísico e a

salicina. Metabolitos ArC2 são raros provenientes do ácido chiquímico, sendo a maioria destes

metabolitos resultante de acetato e malonato, (ex. ácido 6-metilsalicílico). Cabe ainda referir que as

unidades ArC1 e ArC2 provenientes de chiquimato, se incluem na estrutura de metabolitos mais

complexos (ex. unidades ArC1 incorporam as estruturas de antibióticos macrocíclicos e unidades

ArC2 estão incluídas em grande número de alcalóides, sob a forma de ArCH2CH2N -

feniletilamina).

Os metabolitos ArC3(C2)n (flavonóides) possuem estrutura derivada em parte do ácido

xiquímico (ArC3) e em parte de cadeias de poliacetato (C2)n, pelo que são considerados resultantes

de biossíntese mista.

VIA DO ACETATO

O ácido acético – na sua forma ativada de acetil-SCoA – tem uma posição central na

biossíntese de um grande número de moléculas complexas: uma série de condensações de Claisen

entre duas unidades de dois carbonos resulta em cadeias policetometilênicas, que por redução levam

a ácido graxos, ou por ciclizações futuras, a muitas classes de compostos aromáticos. A variação,

caracterizada por uma condensação aldólica, leva, via ácido 3-hidroxi-3-metilglutárico e ácido

mevalônico, ao mundo dos terpenos.

De fato, a acetil-SCoA age como unidade iniciadora do processo, e é a malonil-SCoA que o

faz prosseguir: uma descarboxilação concomitante ocorre durante o ataque a carbonila do grupo

cetônico da acetil-SCoA, e a maloni-SCoA resultante é um nucleófilo forte. Esta adição de duas

unidades de carbono não é –como acontece na formação dos ácidos graxos – precedida de redução

das carbonilas: o resultado é um poli-β-cetotioéster, que é altamente reativo por causa da presença

concomitante de centro nucleofílicos (os grupos metilênicos) e de centros eletrofílicos (os grupos

carbonílicos).

A estrutura deste poli-β-cetotioéster por ser altamente reativa, favorece reações

intramoleculares:

- condensação aldólica interna levando a ácidos 2,4 – diidroxi-6-alquilbenzóicos (ácido orselínico e

seus homólogos);

- condensação de Claisen interna induzindo a formação de 1-acil-2,4,6-triidroxibenzenos

(floroacetofenona e seus homólogos, os acilfloroglucinóis);

-algumas vezes ciclizações intramoleculares ocorrem por lactonização, formando as pironas. Ao

mesmo tempo, condensações aldólicas podem acontecer, levando a formação de cromonas,

isocumarinas, e outros compostos.

A diversidade estrutural resulta diretamente do número de unidades de acetato no precursor,

o modo de ciclização, a identidade do grupo iniciador e as transformações secundárias: oxidações,

reduções, alquilações, rearranjos, clivagem de anéis, glicosilações, etc.

A formação de compostos aromáticos a partir de poli-β-cetotioéster é particularmente

comum em bactérias, liquens e fungos: toxinas e antibióticos são freqüentemente elaborados por um

processo deste tipo. Em plantas superiores, este caminho só é aplicado para um limitado número de

compostos, incluindo naftoquinonas, antraquinonas, cromonas e depsídeos. Por outro lado, é

comum a ocorrência de compostos oriundos da via mista que possuem uma parte vinda da via

acetato: flavonóides, xantonas, estilbenóides, terpenofenóis de Cannabis, certas antraquinonas, e

alguns alcalóides (por exemplo, tropânicos, armanos e tetraidroquinolinas de Cactaceae).

Figura 6: Esquema das vias que utilizam o acetato como bloco de construção.

Acetil-CoA

Policetídeos Ácidos graxos

Ácidos tricarboxílicos

Terpenóides

1

2 3

Compostos aromáticos energia

Aminoácidos alifáticos

Alcalóides

Esteróides e

saponinas

4 5

1: Condensação do acetato 2: Condensações de Claisen 3: Condensação de Claisen seguida de condensações aldólicas e reduções 4: Ciclo do ácido cítrico 5: Via do ácido mevalônico

a) Via do ácido cítrico

No ciclo do ácido cítrico, a acetil-SCoA vai levar a formação de ácido aspártico e ácido

glutâmico, que posteriormente, serão metabolizados a LISINA e ORNITINA, respectivamente,

importantes precursores de vários grupos de alcalóides. Os alcalóides pirrolidínicos, tropânicos e

pirrolizidínicos têm origem da ornitina; enquanto que, os alcalóides piridínicos e piperidínicos

podem ser originados de várias rotas, dentre as quais, uma que parte da lisina. Duas moléculas de

lisina originam o alcalóide lupinina, precursor dos demais alcalóides quinolizidínicos.

2-cetoglutarato

ácido oxolacético

CICLO DO ÁCIDOCÍTRICO

ácido glutâmico

ornitinaH2N NH2

COOH

AcetilCoA

N

H

N

NCH3

tropano

pirrolizidina

pirrol

ácido aspártico

NH2HOOC NH2

lisina

N

N

N

H

piperidina

piridina

quinolizidina

Figura 7: Esquema da via do ácido cítrico.

b) Via da condensação do acetato

Os policetídeos constituem uma grande classe de produtos naturais agrupados unicamente

por características biossintéticas. Suas estruturas diversas podem ser explicadas como sendo

derivadas de cadeias poli-β-cetônicas, formadas pela condensação de unidades de ácido acético

[nCH3CO2H → (CH2CO)n-], incluindo os ácidos graxos, poliacetilenos, prostaglandinas,

antibióticos macrolídeos e muitos compostos aromáticos (ex. antraquinonas e tetraciclinas).

A via que gera estes policetídeos e ácidos graxos é iniciada pela carboxilação de uma acetil-

SCoA formando assim a malonil-SCoA, esta reação envolve ATP, CO2 (como bicarbonato) e a

coenzima biotina como carreadora do CO2. a conversão de acetil-SCoA a malonil-SCoA aumenta

a acidez dos hidrogênios α, resultando em um nucleófilo melhor para a condensação de Claisen.

Posteriormente, ocorre a reação de Claisen entre uma unidade de acetil-SCoA e malonil-SCoA,

seguida da descarboxilação da malonil para formação da acetoacetil-SCoA. O processo de

alongamento da cadeia continua pela condensação de unidades de malonil-SCoA ao produto

formado (acetoacetil-SCoA) tantas vezes de façam necessárias, e sempre com a descarboxilação

da malonil-SCoA (Figura 8).

Para a biossíntese dos ácidos graxos, a acetil-SCoA e a malonil-SCoA são inicialmente

transformadas em tioésteres com uma proteína carreadora de grupo acila (ACP). O processo da

condensação de Claisen da acetil-ACP e malonil-ACP é semelhante a formação das cadeias poli-

β-cetônicas, entretanto, para os ácidos graxos, os grupos carbonilas são reduzidos antes do ataque

da próxima malonil_ACP. Os ácidos graxos insaturados geralmente são produzidos

posteriormente por desidrogenação dos ácidos saturados (Figura 8).

CH3 C

O

SCoA

acetil-SCoAClaisen

CH3COSCoA

CH3C CH2

O

C

O

SCoA

acetoacetil-CoA

Claisen CH3COSCoA

CH2COSCoAC

O

H2CH3CO

poli-β-ceto éster

CH3 C

O

SCoA

H2C C

O

SCoA

CO O H

malonil-SCoA

acetil-SCoA

CH3 C

O

SCoA

CH2 C SCoA

OCO2

Claisen

CH3C CH2

O

C

O

SCoA

acetoacetil-CoA

malonil-SCoA

CO2

n

CH2COSCoAC

O

H2CH3CO

poli-β-ceto éster

n

n x Claisen

Figura 8: Formação de cadeiras poli-β-cetônicas

SCoAOCH2C

CO2H

malonil-SCoA

proteína careadora de grupo acil (ACP)

SCH2C

CO2H

O

ACP

malonil-ACP

RH2C COCH2CO S ACPβ−ceto acil-APC

RH2C CH2O S ACP

OHH

R

β−hidróxi-acil-APC

- H2O

RH2CCO S ACPE

α,β−insaturado acil-APC

NADPH

NADPHCH2 CH2CH2COR S ACP

HSCoA H2O

CH2 CH2CH2COR SCoA CH2 CH2CH2CO2HR

ácido graxo

SCRH2C

O

ACP

acil-ACP

CH3CO SCoA

acetil-SCoA

Figura 9: Formação de ácidos graxos.

c) Via do ácido mevalônico

Os terpenóides e seus derivados (ex: saponinas e esteróides) são substâncias formadas pela

junção de moléculas de isopreno, derivado do ácido mevalônico. Este, por sua vez, é formado pela

condensação de Claisen de duas moléculas de acetil-SCoA, formando a acetoacetil-SCoA, seguida

de uma redução, dependente de NADPH. A conversão de ácido mevalônico em isopreno começa

com uma fosforilação dupla na hidroxila do C5, seguida de uma nova fosforilação na hidroxila

remanescente, que é transformada em um bom grupo abandonador. A eliminação desta será

acompanhada por uma descarboxilação, induzindo a formação do isopentenilpirofosfato (IPP), que

pode ser isomerizado a dimetilalilpirofosfato (DMAP). O DMAP é altamente reativo, sendo

susceptível ao ataque nucleofílico no C1, com saída simultânea do grupo pirofosfato. A

condensação do IPP com o DMAP, entre as extremidades inferior e superior, respectivamente

(cabeça-cauda), sob a influência de preniltransferases, dá origem ao pirofosfato de geranila (C10).

Este serve como substrato para as sínteses de vários dos monoterpenóides. O pirofosfato de

geranila (GPP) também pode sofrer alongamento com a adição seqüencial de IPP por conjugação

entre as extremidades superior e inferior (cabeça-cauda), produzindo pirofosfato de farnesila (C15) e

geranila (C20), através das prenilases correspondentes, e esses intermediários dão origem aos

sesquiterpenóides e aos diterpenóides, respectivamente. A formação de ttriterpenos implica na

condensação cabeça-cauda de duas unidades de pirofosfato de farnesila para a formação do

esqualeno. Os esteróides (C27), as saponininas e os glicosídeos cardiotôncos são metabólitos

resultantes de modificações estruturais em esqueletos triterpênicos. Já a ligação cabeça-cauda de

duas moléculas de pirofosfato de geranilgeranila levam a formação do fitoeno, precursor dos

carotenos (C40).

CH3 C

O

SCoA

H2C C

O

SCoA

CO O H

malonil-SCoA

acetil-SCoA

CH3 C

O

SCoA

CH2 C SCoA

OCO2

Claisen

CH3C CH2

O

C

O

SCoA

acetoacetil-CoA

SCoACO2H

O

OH

3-hidróxi-3-metilglutaril-CoAHMG

condensação aldólicaHMG-CoA sintase

CO2HHO

OH

(3R)-ácido mevalônico

HMG-CoA redutase

NADPHCO2HPPO

OH2ATP2ADP

*

OPPO O

OP

H

ATP

ADP

mevalonato5-difosfato

descarboxilase

PPOIPP

PPODMAPP

Figura 10: Formação do isopentenilpirofosfato (IPP) e difosfato dimetilalilpirofosfato (DMAPP)

OPP

DMAPP

OPP

IPP

+

DMAPP

OPP

H

OPP

-H

GPP

GPP sintase

Figura 11: Condensação de unidades de IPP e DMAPP.

Quadro 1: Precursores dos terpenóides.

Cn Classe Precursor sigla C5 Hemiterpenóide Isopentilpirofosfato IPP C10 Monoterpenos Geranilpirofosfato GPP C15 Sesquiterpenos Farnesilpirofosfato FPP C20 Diterpenos Geranilgeranilpirofosfato GGPP C25 Sesterpenos Geranilfarnesilpirofosfato GFPP

C30 Triterpenos e esteróides

Esqualeno 2 x FPP

C40 Carotenóides Fitoeno 2 x GGPP n =45 a 105 Poliisoprenóides Geranilgeranilpirofosfato n x GGPP

MONOTERPENOS (C10)

PPO

farnesilpirofosfato

geranilpirofosfato

SESQUITERPENOS (C15)

OPP

geranilgeranilpirofosfato

DITERPENOS (C20)

ESQUALENO

TRITERPENÓIDES ESTERÓIDES (C27)

SAPONINAS

IPP

IPP IPP

FPPIPP

(C30)

Figura 12: Precursores das classes terpênicas.

1a

2a3a

4a

5a

6a

7a

8a

9a

10a

11a

12a

13a

14a15a

1b2b

3b

4b

5b6b

7b

8b

9b

10b

11b

12b

13b

14b

15b

OPP1a2a

3a4a

5a

6a7a

8a

9a

10a

11a

12a

13a14a15aPPO 1b

2b3b

4b 5b

6b7b

8b 9b

10b 11b

12b

13b

14b

15b

X-Enz

R

H

OPP

R1

X-EnzH

1a2a

3a

13a 1b

2b

3b

13b

R1

H

R

OPP

1a

2a3a

13a

1b

2b

3b13b

R

R1

H

1a

2a3a

13a

1b 2b

3b

13b

H

H

H

1a

2a3a

13a 1b 2b

3b

13b

ESQUALENO

ESQUALENO

FAPP

FAPP

Figura 13: Biossïntese do esqualeno, precursor dos triterpenos.