Fisiología Vegetal - Metabolitos Secundarios

1. 1
UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA
FACULTAD DE AGRONOMIA
“METABOLITOS SECUNDARIOS”
INGº JAIME CHAVEZ MATIAS
Metabolitos primarios y metabolitos
secundarios
Primarios o esenciales, (son imprescindibles para mantener las
funciones vitales de los seres vivos, su crecimiento y reproducción.
Incluyen:
• Carbohidratos (azúcares),
• Lípidos (grasas y aceites),
• Péptidos (aminoácidos),
• Vitaminas,
• Acidos nucleicos, entre otros.
Secundarios: su presencia no tiene que ver con las funciones
vitales de cada individuo, se vinculan a la relación con el medio
ambiente y sus exigencias ecológicas.

2. 2
ESQUEMA DEL METABOLISMO PRIMARIO Y SECUNDARIO

3. 3
BIOSINTESIS DE LOS METABOLITOS SECUNDARIOS

4. 4
Terpenos
Los terpenos e isoprenoides son una vasta y diversa clase de
compuestos orgánicos derivados del isopreno (o 2-metil-1,3-butadieno),
un hidrocarburo de 5 átomos de carbono. El nombre proviene de que los
primeros miembros de esta clase fueron derivados del aguarrás
("turpentine" en inglés, "terpentin" en alemán). Cuando los terpenos son
modificados químicamente, por ejemplo por oxidación o reorganización
del esqueleto hidrocarbonado, suelen denominarse terpenoides (como la
vitamina A o retinol, que contiene un átomo de oxígeno).
Los isoprenoides son un tipo de lípidos al que pertenecen las vitaminas A,
E y K. Otros isoprenoides tienen olores y sabores característicos y forman
parte de los aceites esenciales de muchas plantas, como el limonero, el
naranjo, etc.
Los tetraterpenoides son los terpenoides de 40 carbonos (8 unidades de
isopreno). Los tetraterpenos más prevalentes son los pigmentos
carotenoides accesorios que cumplen funciones esenciales en la
fotosíntesis.
Terpenos
Los terpenos se originan por polimerización enzimática de dos o más unidades de
isopreno, ensambladas y modificadas de muchas maneras diferentes. La mayoría de los
terpenos tienen estructuras multicíclicas, las cuales difieren entre sí no sólo en grupo
funcional sino también en su esqueleto básico de carbono. Los monómeros generalmente
son referidos como unidades de isopreno porque la descomposición por calor de muchos
terpenos da por resultado ese producto; y porque en condiciones químicas adecuadas, se
puede inducir al isopreno a polimerizarse en múltiplos de 5 carbonos, generando
numerosos esqueletos de terpenos. Por eso se relaciona a los terpenos con el isopreno, si
bien se sabe ya desdes hace más de 100 años que el isopreno no es el precursor
biológico de esta familia de metabolitos.
Estos lípidos se encuentran en toda clase de seres vivos, y son sintetizados por las
plantas, donde son importantes en numerosas interacciones bióticas (Goodwin 1971). En
las plantas los terpenos cumplen muchas funciones primarias: algunos pigmentos
carotenoides son terpenos, también forman parte de la clorofila y las hormonas giberelina
y ácido abscísico. Los terpenos también cumplen una función de aumentar la fijación de
algunas proteínas a las membranas celulares, lo que es conocido como isoprenilación.
Los esteroides y esteroles son producidos a partir de terpenos precursores.
Los terpenos de las plantas son extensamente usados por sus cualidades aromáticas.
Juegan un rol importante en la medicina tradicional y en los remedios herbolarios, y se
están investigando sus posibles efectos antibacterianos y otros usos farmacéuticos. Están
presentes, por ejemplo, en las esencias del eucalipto, los sabores del clavo y el jengibre.
También en el citral, mentol, alcanfor, y los cannabinoides.

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Los terpenos e isoprenoides son una vasta y
diversa clase de compuestos orgánicos
derivados del isopreno (o 2-metil-1,3-
butadieno), un hidrocarburo de 5 átomos de
carbono.

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Politerpenos
• Latex
Hevea brasiliensis
El caucho es un polímero
elástico, cis-1,4-polisopreno,
polímero del isopreno o 2-
metilbutadieno. C5H8 que surge
como una emulsión lechosa
(conocida como látex) en la
savia de varias plantas, pero
que también puede ser
producido sintéticamente.

7. 7

8. 8

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Licopeno
FENOLES
Los fenoles o compuestos fenólicos son compuestos orgánicos en cuyas
estructuras moleculares contienen al menos un grupo fenol, un anillo aromático
unido a al menos un grupo funcional. Muchos son clasificados como metabolitos
secundarios de las plantas, aquellos productos biosintetizados en las plantas que
poseen la característica biológica de ser productos secundarios de su
metabolismo. En general son sintetizados por una de dos vías biosintéticas: la
ruta del ácido shikímico o la vía del ácido malónico (o por las dos, por ejemplo los
flavonoides).
Los compuestos fenólicos de las plantas son un grupo heterogéneo de productos
con más de 10.000 compuestos. Algunos son solubles en solventes orgánicos,
otros son glucósidos o ácidos carboxílicos y por lo tanto solubles en agua, y otros
son polímeros muy grandes e insolubles.
Este grupo también juega una variedad muy heterogénea de roles en las plantas,
roles que son atribuidos en general a los productos secundarios de las plantas:
muchos son productos de defensa ante herbívoros y patógenos, otros proveen
soporte mecánico a la planta, otros atraen polinizadores o dispersores de frutos,
algunos de ellos absorben la radiación ultravioleta, o actúan como agentes
alelopáticos (por ejemplo reducen el crecimiento de plantas competidoras que
estén cerca).

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FENOLES
Los fenoles de las plantas son sintetizados por muchas vías distintas y por lo
tanto también son un grupo heterogéneo desde el punto de vista metabólico,
pero dos vías básicas están involucradas: la vía del ácido shikímico y la vía
del ácido malónico.
La ruta del ácido shikímico participa en la biosíntesis de la mayoría de los
fenoles de las plantas superiores. Utiliza como sustratos la eritrosa-4-fosfato
(de la vía de las pentosas fosfato) y el ácido fosfoenolpirúvico (proveniente
de la glucólisis). Uno de los productos de esta vía es la fenilalanina, de la
que se deriva la mayoría de los fenoles. La fenilalanina, un aminoácido
esencial parte del metabolismo primario de las plantas y animales, entra al
metabolismo secundario cuando la enzima fenilalanina amonio liasa (PAL)
cataliza la eliminación de un amonio convirtiendo a la fenilalanina en ácido
cinámico.
La vía del ácido malónico es una importante fuente de fenoles en bacterias y
hongos, y en las plantas superiores existe aunque no es tan utilizada como
en aquéllos. Su sustrato es el acetil-CoA. Junto con la vía del ácido shikímico
participa en la biosíntesis de los flavonoides, la lignina y otros fenoles.
CLASIFICACIÓN
En base a su esqueleto químico:
Fenoles simples:
Fenilpropanoides simples: que tienen un esqueleto básico de fenilpropanoide (un anillo aromático
unido a una cadena de 3 carbonos). Ejemplos: ácido trans-cinámico, ácido p-cumárico, y sus
derivados como el ácido cafeico.
Lactonas fenilpropanoides (o "ésteres cíclicos"), también llamadas cumarinas. También poseen un
esqueleto fenilpropanoide pero el propano está ciclado. Ejemplos: la umbeliferona (una cumarina
simple), el "psolaren" (una furanocumarina: cumarina a la que se adicionó un anillo furano).
Derivados del ácido benzoico (el esqueleto es un anillo aromático unido a un carbono). Son
formados a partir de fenilpropanoides a los que se les delecionan dos carbonos de la cadena
propánica. Ejemplos: la vainillina, el ácido salicílico.
Fenoles complejos:
Lignanos: Los lignanos son metabolitos secundarios de las plantas encontrados en una gran variedad
de plantas que incluyen las semillas de lino, semillas de calabaza, semillas de ajonjolí, centeno, soya,
brócoli, frijoles, y en algunas bayas. Aunque están ampliamente distribuidos en las citadas semillas,
sus cantidades son muy reducidas, del orden de μg por cada gramo de producto seco
Flavonoides:Los flavonoides se biosintetizan en todas las "plantas terrestres" o embriofitas, y también
en algunas algas Charophyta, y aunque todas las especies comparten la vía biosintética central,
poseen una gran variabilidad en la composición química de sus productos finales y en los
mecanismos de regulación de su biosíntesis, por lo que la composición y concentración de
flavonoides es muy variable entre especies y en respuesta al ambiente.

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Los fenoles o compuestos fenólicos
son compuestos orgánicos en cuyas
estructuras moleculares contienen al
menos un grupo fenol, un anillo
aromático unido a al menos un grupo
funcional.
Algunos compuestos fenólicos
simples son activados por la luz UV
Las furanocumarinas contienen
un anillo furano y son activadas
por la luz UV. Una vez activadas se
introducen en el DNA y bloquean
la transcripción provocando la
muerte de la célula.
Apio
Perejil
Perejil

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Isoflavonoides
• Se encuentran en legumbres
• Funciones:
– Insecticidas (rotenoides)
– Regulador del sistema
hormonal en la mujer
– Anticancerígenos (soja)
– Antimicrobianos (de
hongos y bacterias)
(fitoalexinas)

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Compuestos fenólicos que se acumulan en las células
vegetales de la corteza de los tallos y en los frutos.
Las hojas de té, las semillas de café son ricas en
taninos, al igual que algunas maderas preciosas
(cedro, caoba, etc.).
Disuaden a los herbívoros de comer a la planta,
inactivan enzimas digestivos y forman complejos con
proteínas difíciles de diferir.
Taninos
Hoja de Té Café

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Cafeína

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Producto Tamaño de la ración
Cafeína por ración
(mg)
Cafeína por
litro (mg)
Pastillas de cafeína (normal) 1 pastilla 100 —
Pastillas de cafeína (extra fuerte) 1 pastilla 200 —
Excedrin pastillas 1 pastilla 65 —
Chocolate (45% cacao) 1 barrita (43 g) 31 —
Chocolate con leche (11% cacao) 1 barrita (43 g) 10 —
Café (cafetera doméstica) 207 mL 80–135 386–652
Café (cafetera de filtro) 207 mL 115–175 555–845
Café, descafeinado 207 mL 5-15 24-72
Café, express 44–60 mL 100 1691–2254
Té negro 177 mL 50 282
Té verde 177 mL 30 169
Coca-Cola 355 mL 34 96
Mountain Dew 355 mL 54.5 154
Jolt Cola 695 mL 280 402
Red Bull 250 mL 80 320
Contenido de cafeína de algunos alimentos y fármacos
La cafeína es un alcaloide del grupo de las xantinas, sólido cristalino, blanco y de sabor amargo, que actúa como una
droga psicoactiva, levemente disociativa y estimulante por su acción antagonista no selectiva de los receptores de
adenosina.

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La cafeína, es metabolizada en el hígado por el sistema enzimático del Citocromo P450 oxidasa
(específicamente, la isoenzima 1A2) en tres productos metabólicos de la dimetilxantina donde cada uno
posee sus propios efectos en el cuerpo, que son:
Paraxantina (84%): Incrementa la lipolisis induciendo el incremento de niveles de glicerol y ácidos grasos
libres en el plasma sanguíneo.
Teobromina (12%): Dilata los vasos sanguíneos e incrementa el volumen de orina. La teobromina es
también el principal alcaloide en el cacao.
Teofilina (4%): Relaja el músculo liso de los bronquios y es así usado para el tratamiento del asma. La dosis
terapéutica de teofilina es sin embargo de un múltiplo mayor al obtenido por el metabolismo de la cafeína.
Metabolitos
de la
cafeína
La teobromina (C7H8N4O2, de nombre químico 3,7-dimetilxantina o 3,7-
dihidro-3,7-dimetil-1H-purina-2,6-diona) es un alcaloide de la familia de las
metilxantinas, familia que incluye también a la teofilina y la cafeína. En estado
puro, es un polvo blanco. Es soluble en ácidos y bases, poco soluble en agua
y alcohol etílico, y prácticamente insoluble en éter etílico.
Se sabe que provoca mutaciones en bacterias y en eucariotas simples, pero
aparentemente no ocurre así en eucariotas complejas.
Esta sustancia se encuentra en la planta del cacao (Theobroma cacao),
principalmente en las semillas, las cuales contienen entre un 1% a un 4% de
ésta. Al fermentar y secar las semillas, y luego procesar el extracto obtenido,
se obtiene el chocolate. El chocolate negro contiene aproximadamente 1,5%
de teobromina, esto es diez veces más que el chocolate con leche común.
Estructura química de la teobromina
La teobromina

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El contenido en metabolitos secundarios y la relación entre distintos
constituyentes no son valores estáticos, sino que varían durante la vida de la
planta en relación a la interacción de factores internos o externos.
Variación en la concentración de los metabolitos
secundarios
Factores genéticos o endógenos
Mutaciones
La exposición a radiaciones
puede cambiar la morfología o la
naturaleza bioquímica de una
planta.
Poliploidismo
Aumento del Nº de cromosomas
sin reducción previa. Puede ser
natural o artificial. Se realiza
para aumentar la cantidad de
constituyentes activos.
Hibridación
Cruzar individuos de diferente
especie. Puede usarse para
aumentar la resistencia a
enfermedades, aumento del
tamaño de fruto, mayor cantidad
de componentes activos, cambio
de color, etc.

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Variación en la concentración de los metabolitos
secundarios
Efectos ecológicos o exógenos
Clima o luz
Por ejemplo: los carbohidratos
producido por las hojas están
en relación a la intensidad
luminosa recibida.
Las temperaturas bajas
disminuyen la velocidad de
las reacciones enzimáticas.
Altitud o latitud
La latitud es importante para
la producción de grasas. Por
ejemplo: las plantas tropicales
presentan mayor contenido de
ácidos grasos saturados que
las plantas de climas
subtropicales.
Alelopatía
Esta interacción puede ser
beneficiosa o perjudicial.
Cuando distintas plantas
crecen una al lado de la otra,
pueden afectar el desarrollo
de las hojas o la maduración
de los frutos.
Ej: el crecimiento de la
belladona es inhibido por
plantas cercanas de mostaza.
Nutrición
Se relaciona con la luz
debido a que son
organismos autótrofos.
Ej: el contenido de
glicósidos del digital es
mayor en la tarde que en la
noche, ya que hay mayor
cantidad de azúcares
disponibles para formar
glucósidos.
Variación en la concentración de los metabolitos
secundarios
Etapas del desarrollo de la planta
• Los órganos de las plantas jóvenes o viejas pueden variar en su contenido de
metabolitos secundarios.
• En muchos casos los aceites esenciales de las flores son producidos por
pelos glandulares y llegan al máximo justo antes de que la flor abra, más que
cuando el desarrollo de los pelos glandulares es máximo, para bajar luego de
abierta la flor.
• En algunos casos el contenido de alcaloides es mayor en plantas jóvenes;
pero en general aumenta con la edad de las plantas cuando son perennes.

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Variación en la concentración de los metabolitos
secundarios
EFECTO DE LA PRESERVACIÓN Y EL PROCESAMIENTO
Durante el secado
Actividad enzimática
En el material desecado, las enzimas no están
completamente destruidas y pueden recuperar
su actividad bajo condiciones apropiadas.
Ventajas: secado de vainilla, cacao, hojas de té.
Desventajas: algunas enzimas pueden
deteriorar la actividad de los componentes de
las plantas. Ej: en el opio una peroxidasa puede
producir la disminución del 50% de la morfina.
Oscurecimiento
La chinchona, cáscara
sagrada, canela y otras
cortezas son blanco
amarillentas en estado fresco,
pero pardas con el secado.
Algunas enzimas producen
oxidación de polifenoles
(taninos, flavonoides), a las
quinonas correspondientes, las
que se polimerizan
espontáneamente dando
compuestos coloreados
oscuros.
Evaporación
Durante el desecado
según el tiempo, sol,
calor, se puede perder
una parte de los aceites
esenciales por
evaporación, aún más si
se realiza un desecado
con calor.
Variación en la concentración de los metabolitos
secundarios
EFECTO DEL ALMACENAMIENTO
Las transformaciones que se producen en el procesamiento son más rápidas pero como
el tiempo de almacenamiento puede ser largo, las transformaciones pueden llegar a ser
importantes.
Procesos
enzimáticos
Si no se han usado
métodos de
estabilización, las
enzimas no son
totalmente
destruidas con el
secado.
El vegetal debe
almacenarse en
envases cerrados
con agentes
desecantes o en
envases sellados.
Procesos
oxidativos
Los aceites
esenciales por
exposición al aire,
pueden formar
aldehídos, cetonas,
ácidos y peróxidos.
Un importante
problema es la
oxidación del ácido
ascórbico,
carotenoides y
tocoferoles.
Enranciamiento de
las grasas
Durante este proceso
se forman nuevos
compuestos que
pueden cambiar la
consistencia, sabor y
aroma. la rancidez
puede ser:
a. Acida (agua, lipasas)
b. Cetónica o aldehídica
(oxígeno y m.o)
c. Peroxídica
Volatilización
Ejemplo: en los
aceites esenciales.
Este problema
puede evitarse con
un almacenamiento
hermético.
Racemización
La forma racémica
de la L hiosciamina
es la atropina que
tiene menor
actividad.
Los alcaloides del
ergot también se
racemizan durante
el almacenamiento,
perdiendo actividad.