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Tema 8. Vías del IPP

Metabolitos derivados de la Vía del mevalonato. Terpenos y esteroides

Bibliogafía• Paul M. Dewick. 1997. Medicinal Natural Products.

John Wiley & Sons, Nueva York.• Kurt B. G. Torssell. 1997. Natural Products

Chemistry. Apotekarsocieteten, SwedishPharmaceutical Society, Swedish PharmaceuticalPress, Estocolmo

Introducción

• Significado y distribución de los terpenos• Síntesis de terpenos a partir de dos precursores

universales de naturaleza isoprenoide (IPP y DMAPP)• Comparación de las rutas para la biosíntesis de terpenos

en plantas:-clásica del mevalonato-xilulosa-5-fosfato (no mevalonato)

• Significado del descubrimiento de la ruta no mevalonato• Investigación de los mecanismos propuestos para los

diferentes pasos en la ruta de la xilulosa-5-fosfato (ruta no mevalonato)

2

La familia de los terpenos

4-5 IPP

IPP

C25 PP

IPP

7-12 IPP

IPP

FPP

IPPDMAPP

Geranyl PP C10

Farnesyl PP C15

Geranylgeranyl PP C20

Monoterpenes

Sesquiterpenes

Triterpenes C30

Diterpenes

GGPPPhytoenes C40Carotenoids

Sesterterpenes

C85-110 PPDolichols

n IPP

Rubber

Steroids

Solanesyl PP C45-50Ubiquinone side chain

Diversidad en terpenos

AcO O OH

OHO

O

OBzH

OAc

O

N

O

Ph

Ph

OHH

HO

O

OMeO

MeO

HOH

Cholesterol

Paclitaxel

Ubiquinone

n

Rubber

α−Pinene

Coenzyme Q

HumuleneIsoprene

Carotenoids

Steroids

Diterpenes

Sesquiterpenes

Monoterpenes

Polymer

Polyprenoids

β−Carotene

3

La síntesis de terpenos utiliza la química de los carbocationes

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 con un doble enlace carbono-carbono.

Desde el punto devista químico, el paso limitante es el de generación de carbocationes.

La naturaleza ha seleccionado 3 estrategias para catalizar este proceso:

-ruptura del enlace carbono-oxígeno en un éster difosfato alílico-protonación de un doble enlace carbono-carbono-protonación de un epóxido

La síntesis de terpenos utiliza la química de los carbocationes

Una vez formados, los carbocationes pueden sufrir un rearreglopor migración de protones o grupos alquilos y luego ciclarse por alquilación en sitios cercanos a los dobles enlaces.

Diferentes familias de estructuras terpénicas, generalmente formadas a partir del mismo sustrato por mecanismos enzimo-específicos, se producen por diferencias en:

• la forma en que el sustrato se pliega en el sitio activo• la forma en que se estabilizan los intermediarios

carbocatiónicos para favorecer o no los rearreglos posteriores• la forma en que la carga positiva se neutraliza cuando se forma

el producto de reacción.

4

Diversidad en los terpenos

• Cómo un sustrato se pliega (encaja) en el sitio activo

• Cómo y qué tipo de rearreglos sufre el carbocatión (si ocurre) – migración (shift) de

alquilo– migración (shift) de

hidruro• Cómo se “neutraliza” una

carga positiva en el producto

SCoA

O

SCoA

O

O

SCoA

O

HO2CSCoA

OOH

SEnz

O

H

H

+ EnzSH

HMG-CoA

acetil-CoA EnzSHgrupo acetiloenlace-enzima

NADPHHMG-CoAreductasa

Claisen

reacción aldol estereoespecíficacon hidrólisis de la uniónecetilo-enzima

HO2CSCoA

OH

H

OH

HO2CO

OHHO2C

OH

OH

1

23

4

5

6

ác. mevalónico (MVA)

NADPH

reducción de aldehído a alcohol

ác. mevaldico tiohemiacetal del ác.mevaldico

reducción del tioéstera aldehído víatiohemiacetal

fosforilación secuencial delalcohol primario aldifosfato

Ruta delmevalonato

5

O OPP

O

HOH

P O ADPO

HOOH

2 x ATP

ATP-CO2

OPPHSHR

H1

23

4

5

OPP

el ATP facilita ladescarboxilación-eliminación(la fosforilación previa del alcoholterciario para crear un mejor grupo salienteaparentemente no ocurre)

isopentenil PP(IPP)

isomerasa

dimetilalil PP(DMAPP)

isomerización alílicaestereoespecífica: elequilibrio favorece a l DMAPP

DMAPP

OPP

reacción SN1

catión alílico estabilizado por resonancia

H-H

isopreno

CO2H

Oác. pirúvico

tiamina PP (TPP)

CO2

N S

COH

R2

H3C

R1

enamina derivada TPP/piruvato

O

OP

OHD-gliceraldehído-3-P

H

N S

R2

C

OH

OP

OH

OHR1

H3COP

O

OH

OH

1-deoxi-D-xilulosa-5-P

R1N S

R2

anión TPP regenerado

OP

O

O

OH

H

H

R

OH

OH

OP

O

OHOH

OP

O OH

H OH

OP

OH

H OH

OH

reducción de aldehído a alcohol; el aldehídointermediario permanece unido a la enzima

NADPH

2-C-metil-D-eritritol-4-P

N

N

O

NH2

(CTP)citidin trifosfato

Ruta de laxilulosa-5P

6

OPP

OH O

OPP

OHOH

OPP

OH

OPP

OPP

OH

NADPH -H2O NADPH

pasos sin determinar

isomerasa?

existe evidencia deque el DMAPP se podría formar independientemente

y no por isomerizacion del IPP

isopentenil PP(IPP)

dimetilalil PP

(DMAPP)

La familia de los terpenos

• Hormonas (giberelinasy ácido abscísico)

• Pigmentos carotenoides(carotenos y xantofilas)

• Esteroles• Derivados de los

esteroles (glicósidoscardíacos)

• Latex• Aceites esenciales• Citokininas y clorofilas

también contienen cadenas laterales de naturaleza terpenoide

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Hemiterpenos

• Los terpenos son generalmente sustancias lipofílicasderivados de la unidad simple de 5-carbonos (isopreno)

• El isopreno puede ser sintetizado por las plantas mediante la enzima isoprenosintasa

CH2 CHCH3

CH CH2

isopreno

Biosíntesis de terpenosMonoterpenos

OPP OPPHSHR

OPPHSHR

OPP

pérdidaestereoespecífica delprotón

geranil PP(GPP)

OPP

8

OPP

E

OPPOPP OPP

OPP

OPP

Z

neril PP(NPP)geranil PP

(GPP)linalil PP

(LPP)

el enlace simple en LPPpermite la rotación

catión alílico estabilizado por resonancia(catión geranilo) (catión nerilo)

catión alílico estabilizado por resonancia

Ciclación de monoterpenos

H

H

H 1,2 H-

shift

H

H

OH

CamfenoAlcanfor

Pineno

Careno

Thujeno

TerpinenoLimoneno

9

Posición del doble enlace enα- y β-pineno

OPPβ-pineno

α-pinene

- H+OPPOPP

β-pinenoβ-pineno

α-pineneα-pinene

- H+- H+

OPP

PPO

β-pineno

α-pineno

OPPOPP

PPOPPO

β-pinenoβ-pineno

α-pinenoα-pineno

GPP puede plegarse de 2 formas diferentes, generando moléculas

enantioméricas de LPP

OPP

OPPPPO

PPO

GPP GPP

OPP OPP

(-)-(3R)-LPP

OPP OPP

(+)-(3S)-LPP

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catión α-terpinilo (+)-(R)-limoneno (-)-(S)-limoneno

-H-H

catión α-terpinilo

catión pinilo

-H -H

catión pinilo(+)-α-pineno (-)-α-pineno

Los aceites esenciales son sintetizados en tricomas glandulares

(hojas) o glándulas (cáscaras)

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Función de los aceites esenciales en las plantas

• polinización. Atrayentes de insectos (intervención como semioquímicos)

• defensa contra depredadores (ej. irritantes)• sustancias de reserva de la planta• función protectora en procesos de cicatrización

(resinas y bálsamos) y actividad antimicrobiana• regulación de los procesos de evaporación de agua• deshechos del metabolismo vegetal• mecanismo de defensa contra otros vegetales

(alelopatía)

Ubicación de los aceites esenciales en vegetales

• pelos glandulares, ej. Labiatae (menta, lavanda)• células modificadas del parénquima, ej. Piperaceae

(pimienta)• tubos oleíferos ó vitas , ej. Lauraceae (canela)• tubos esquizógenos, ej. Umbelliferae (anis, hinojo)• canales lisígenos, ej. Pinaceae (pinos)• canales esquizógenos, ej. Rutaceae (ruda)

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Órganos vegetales en los que se encuentran aceites esenciales

• flores (rosa, jazmín)• hojas (menta, eucalyptus)• leños (alcanfor)• raíces (lirio, vetiver)• cortezas (canela)• frutos (anís, cítricos)• semillas (almendras)

Producción de aceites esenciales por destilación

Principales métodos utilizados para obtener aceites esenciales por procesos de destilación:

• destilación en agua• destilación con agua y vapor• destilación con arrastre por vapor• destilación - maceración• destilación por pirólisis o degradación térmica

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Extracción con fluidos supercríticos

Extracción de sustancias de interés o remoción de materiales indeseables utilizando fluidos en estado supercrítico. Proceso de SFE: la etapa de extracción y la etapa de separación

1. En la etapa de extracción el solvente fluye a través de un lecho estático formado por partículas sólidas y disuelve los componentes extraíbles del sólido. La concentración de componentes en el extracto se incrementa en la dirección de flujo en el solvente supercrítico y en el material sólido en extracción

Extracción con fluidos supercríticos

2. En la etapa de separación, el soluto que se separa y es precipitado, se deposita en el fondo de la celda de separación y el solvente retorna al proceso de extracción.

Otras consideraciones1. tratamientos previos (control del tamaño de partícula,

forma y distribución de las partículas)2. forma del lecho3. superficie de los poros

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Biosíntesis de terpenosSesquiterpenos

OPP OPPHSHR

OPPHRHS

OPP

geranil PP catión alílico

adición electrofílicadando un catión terciario

pérdida estereoespecífica deun protón

farnesil PP(FPP)

OPPE E

OPP

nerolidil PP

OPP

E Z

E,Z-FPP

E

E

E

Z

E,E-FPP E,Z-FPP

isómeros del farnesilo

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Ejemplos de sesquiterpenos

HO

OH

óx. α-bisabolol B

H

H

α-cadineno

O

O

O

OO

H

H

artemisinina

β-cariofileno

H H

partenolidoO

O

O

α-santonina

OO

O

H

OH

óx. α-bisabolol A

Biosíntesis de terpenos.Diterpenos

OPP OPP

IPPadición electrofílica resultaen un carbocatíon terciario

OPP

HSHR

OPP

pérdida estereoespecíficade un protón

geranil geranil PP(GGPP)

(C20)

farnesil PP(FPP)

catión alílico

Diterpenos

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Ciclación de diterpenos

A partir del geranilgeranil pirofosfato como sustrato, las ciclases pueden iniciar la formación de enlaces siguiendo 2 rutas:

•Tipo A: el grupo Pirofosfato se disocia, con ataque subsecuente por el doble enlace

•Tipo B: el doble enlace es protonado, generando un catión que es atacado por otro doble enlace

Ciclaciones Tipo A

Ciclación inicia con la ionización del difosfato

OPPH

H

H

GGPP Cembrene A

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Ciclaciones Tipo B

PPO

Enz-HH

PPOPPO

GGPP

LabdanesClerodanes

Ciclación inicia con la protonación del doble enlace 14,15

Ciclación del esqueleto del taxano

OPP

H

H

HHH H H

H

H H

H

H

HO

HO

BzOHAcO

O

OHOAcO

GGPP

:B-EnzH-B+-Enz

taxa-4,11-dieneBaccatin III

Type A Type B

Enz-B:

Ciclación de diterpenos Tipo A seguida por ciclación Tipo B

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Biosíntesis de terpenos.Triterpenos

OPP

*PPO

*

FPP

escualenosintasa

1' 2' 3'

1FPP

catíon alílicoadición electrofílicapara dar un catión terciario

*

*H HOPP

pérdida de un protón con formaciónde un anillo ciclopropano

*

*H OPP

H

pre-escualen PP

pérdida de PPcon formación de catión primario

W-Mdesplazamientoalquílico 1,3

carbocatión 3º mas estable

*

*

H

ruptura del enlaceproduceun alqueno y un catión

alílico más favorableH

**

HH(NADPH)

neutralización del catiónpor ataque del hidruro

escualeno

H

H

H

H

Biosíntesis de terpenos.Triterpenos

19

escualeno

O

H

O2

NADPH

óxido de escualeno

OH

silla-bote-silla-bote

óxido de escualeno

HO

H

H

HH

12

34

56 7

8

910 10 9

876

54

3

21

H

HH

H

HO

catión protosterilo catión protosterilo

HO

H

H

H

la pérdida de H9crea un doble enlace

HO

H

HHH

H

H

H

HO

H

HH

HH

formación del anillo ciclopropanoy pérdida del protón del metilo en C10

H

HHO

H

cicloartenol (plantas)

lanosterol (animales y hongos)

H

HHO

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Esteroles en plantas

• Función de los esteroles en plantas: aumento de la viscosidad y estabilidad de las membranas plasmáticas

• Estigmasterol y sitosterol son los 2 esteroles más abundantes en las plantas (>70%).

Esteroles en plantas. Fitosteroles

• Si bien las plantas pueden presentar más de 150 esteroles, el colesterol se encuentra sólo en trazas

• Algunos fitosterolescumplen un rol en el desarrollo de las plantas (ej. brasinolidos)

21

Biosíntesis del Colesterol

O

O OPP

IPP

HO

CholesterolSqualeneAcetate

(C20)(GGPP)

geranil geranil PP

OPP

PPO

GGPP

catión alílico

adición electrofílica daun catión terciario

OPPHH

H

H OPP

pérdida de un protón conformación de un anillo ciclopropano

Biosíntesis de terpenos.Tetraterpenos

22

H

H

pérdida de PP daun catión primario

H

H

W-M desplazamineto 1,3-alquilogenera un nuevo anillo ciclopropanoy un catión terciario mas estable

HH

H ruptura del enlace forma un alquenoy un catión alílico mas favorable

Z

la pérdida de un protóngenera un alqueno

Z-fitoeno (C40)

secuencia de reacciones de desaturaciónEn plantas y hongos el doble enlace central también sufre isomerización Z → E

E

licopeno (C40)

excepto por la pérdida final del protón, estasecuencia es análoga a la de la formacióndel pre-escualeno

Degradacióndetetraterpenos

a b

β-caroteno

O O

O2 O2

ruptura central a

rupturaexcéntrica b

la ruptura central genera2 moléculas de retinal

la ruptura excéntrica genera 1molécula de retinal

acortamientos de cadena oxidativos

retinal

OH

NADH

retinol(vitamina A1)

OH

dihidroretinol(vitamina A2)

desaturación extiendela conjugación

diterpeno formado en los mamíferos a partir del metabolismo oxidativode un tetraterpeno (β-caroteno) en la mucosa intestinal

23

OH

11 E

O

H11

E

retinol

retinal

Z11

OH NHopsina

11Z

H

N

H

opsina

H

NADPH

isomerización enzimáticatrans-cis del doble enlace11,12

hν

H2N-opsina

formación de una base de Schiff(imina) con el grupo amino deuna proteína

absorción de enerergía luminosa restaura la configuración trans del dobleenlace 11,12

11-cis-retinal rodopsina

ruptura hidrolíticade la base de Schiff

retinol retinal

11-cis-retinal

rodopsina

impulso nervioso al cerebrohν

H2N-opsina

Degradación de los carotenoides en C9, C10, C11, C13-norisoprenoides

O CHO

OO

O

C9 C10 C11 C13

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Preniltransferasas

• Prenilación: adiciones secuenciales de unidades C5al isopentenil pirofosfato (IPP), son catalizadas por preniltransferasas especiales (se nombran luego del nombre del producto formado)

• La prenilación no se limita sólo al alargamiento de cadena que involucra al IPP; puede ocurrir con átomos de C, O, N y S, en un amplio rango de compuestos no-terpenoides, incluyendo las proteínas

Ejemplo de preniltransferasas

H

O

On

n = 1-12

ubiquinonona -n(coenzima Qn)

n = 3-10

nH

O

O

plastoquinonona -n

R1

OH

R2

OH3

R1 = R2 = Me, α-tocoferolR1 = H, R2 = Me, β-tocoferolR1 = Me, R2 = H, γ-tocoferol

R1 = R2 = H, δ-tocoferol

(vitamina E)

H

O

O3

filoquinona

(vitamina K1, fitomenadiona)

H

O

On

n = 1-13

(vitamina K2)menaquinona-n

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Terpeno sintasas

• Los productos de la prenilación conducen a reacciones de las que se obtiene una amplia variedad de compuestos terpénicos

• Estas reacciones pueden estar relacionadas con ciclaciones, las que son catalizadas por terpeno sintasas

Mecanismo de reaccion de lasmonoterpeno sintasa

• Las monoterpeno, sesquiterpeno, y diterpenosintasas generalmente son llamadas ciclasas porque determinan las estructuras básicas (cíclicas y anillos multiples) de estos terpenos

• Las monoterpeno sintasas catalizan la formación de monoterpenos comenzando com la ionización del GPP (geranil difosfato)

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Terpenos.Polímeros superiores

ngoma

n

gutta

n = 103 - 105 n = 102- 104

Hevea brasiliensis (Euphorbiaceae) Palaquium gutta (Sapotaceae)

cis (Z) trans (E)