METAB SEC

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“Metabolismo secundário em plantas: definições e funções” 
Raphael Reis da Silva
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Lavras, MG
Agosto de 2017
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Christian Ernst Stahl (Jena): Alemão; botânico; 1888; seguidor das exposições de Darwin; um dos primeiros pesquisadores a na área de compostos secundários de plantas. 
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http://www1.biologie.uni-hamburg.de - alchetron.com
Ludwig Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel: Bioquímico; Alemão; Nobel 1910 de Fisiologia ou Medicina pela determinação da composição química do ácido nucléico: Sugeriu a divisão de MP e MS
Nossos avós
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 Metabolismo Secundário (MS) x Primário (MP)
 Uma das características dos seres vivos é a atividade metabólica....
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Fonte: Hartmann, 2007; Filho, 2010; Aharoni; Galili, 2011.
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Interação entre MP e MS (Respostas ao meio)
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Figura 1. Funções ecológicas do metabolismo secundário. Fonte: Hartmann, 2007.
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Figura 2. Adaptado de Pineda et al. (2010).
Polinizadores
IN de herbívoros 
Sugadores
Mastigadores
Benéficos
Herbívoros/patógenos
MS: vida social das plantas
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Fonte: Hartmann, 2007; Filho, 2010; Aharoni; Galili, 2011.
 Processos metabólicos não necessários para o crescimento e desenvolvimento ‘normal’ das plantas;
 Distribuição restrita;
 Embora não seja ‘essencial’, muitos produtos do MS permitem que as plantas sobrevivam e persistam em condições especiais;
 Podem ser derivados da modificação de aa ou conversões especializadas, como na via do ácido chiquímico.
 Produzidos em diferentes compartimentos celulares e são armazenados principalmente dentro dos vacúolos.
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Classes de MS
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 3 grupos principais:
 Compostos fenólicos; 
 Terpenóides/isoprenóides;
 Compostos contendo N ou S (alcalóides e glucosinolatos)
Cloroplasto
Citoplasma
(Triptofano e tirosina)
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MS x MP
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Figura 3. Produção de MS associados as vias de MP. Adaptado de Aharoni; Galili, 2011.
Etapas no estudo de produtos naturais
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Coleta do material:
 1.1 . Órgão
 1.2 . Fase do desenvolvimento
 1.3. Época do ano (sazonalidade); e.t.c. 
2. Extração físico-química dos compostos de interesse e posterior separação;
Determinação da atividade da fração de interesse (in vitro, in vivo);
Análise da estrutura (s) da (s) molécula (s) de interesse;
Análises complementares (variável de acordo a aplicação do metabólito)
Classes de MS: Terpenos
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Fonte: Hartmann, 2007; Filho, 2010; Aharoni; Galili, 2011.
 Maior classe de produtos secundários, sendo que a maioria é insolúvel em água;
 Atuam como toxinas e repelentes ou atrativos em insetos e mamíferos;
 Sintetizadas à partir da Acetil Co-A ou intermediários de glicólise;
 O isopentil difosfato (IPP) é a unidade ativa básica na formação dos terpenos;
 O IPP pode ser formado em 2 rotas, do ácido mevalônico (produzido no citoplasma) e metileritritol fosfato (MEP – produzido nos cloroplastos, ou outros plastos);
Terpenos
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Classificados pelo número de suas unidades isoprênicas em:
 Hemiterpenos (5 carbonos) - isopreno (óleo volátil formado nos plastídeos, cadeia lateral de CKs)
 Monoterpenos (10 carbonos) - essências voláteis de flores
 Sesquiterpenos (15 carbonos) - algumas fitoalexinas, ABA
 Diterpenos (20 carbonos) – fitol, taxol e giberelinas
 Triterpenos (30 carbonos) – estigmasterol, ácido oleanólico, brassinosteróides
 Tetraterpenos (40 carbonos) – carotenóides, xantofilas
 Politerpenos (mais de 40 carbonos) – ubiquinona, látex
Rota mevalonato e metileritritol fosfato
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Acreditava-se que a rota mevalônica produzia os precursores de sesq. e trite.
Enquanto que a rota do MEP produzia os precursores de Mono. Diter. E e tetra.
Hoje, sabe-se que não há uma separação restrita entre as duas rotas (Comunicação)
Terpenos
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Figura 4. Esquema da biossíntese de terpenos. Fonte: Taiz e Zeiger, 2009
A condensação dos isômeros deve-se a uma feniltransferase plastidial – precursor comum de todos os monoterpenos 
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 Produção e acúmulo de produtos terpênicos naturais, assim como sua secreção ou emissão estão associados à presença de estruturas altamente especializadas (tricomas glandulares, cavidades secretoras das folhas, epiderme das pétalas, ductos de resina ou laticíferos);
Nível celular:
Sesquiterpenos, triterpenos e politerpenos: citosol e retículo endoplasmático
Monoterpenos, diterpenos e tetraterpenos: plastídeos 
Caso especial: látex
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 De forma simplificada a biossíntese do látex ocorre de forma mais intensa na casca e envolve uma sequência de reações:
 A sequência de reações que participam da biossíntese de látex envolve a hidrólise da sacarose, cujo processo libera hexoses para iniciar a glicólise e gerar piruvato, o qual será convertido pela enzima piruvato desidrogenasse a acetil-CoA. A partir do acetil-CoA, inicia-se o anabolismo de isoprenos com o consumo de energia, nas formas de NADPH e ATP, o que permite a formação do isopentenil difosfato (IPP), unidade básica da borracha. 
 Se relacionam com as condições ambientais, produção e transporte de assimilados, disponibilidade de carboidratos de reserva e demanda por outros drenos.
Lima et al., 2002; Cairo et al., 2009; Nascimento, 2011
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Os terpenos agem na defesa de plantas contra herbívoros
 Monoterpenos: 
 Piretróides (folhas e flores de Chrysanthemum): atividade inseticida;
 Óleos essenciais (moterpenos + sesquiterpenos voláteis): conferem aroma característico às suas folhas;
 *Mentol: folhas de hortelã
 *Limoneno: folhas de limão
 Fitoecdisonas (esteróide): interrompem a muda de insetos, é semelhante à estrutura básica do hormônio responsável pela muda nos insetos;
 Cardenolídeos (triterpeno glicosilado): utilizadas, em doses controladas no tratamento de doenças cardíacas;
 Limonóides (triterpeno): i.e. azadiractina, utilizado como inseticida.
 
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Os monoterpenos:
 - baixo peso molecular: substâncias voláteis – óleos essenciais.
Ocorrência:
 - pêlos glandulares (Lamiaceae),
 - células parenquimáticas diferenciadas (Lauraceae, Piperaceae e Poaceae); 
 - canais oleíferos (Apiaceae)
 - bolsas lisígenas ou esquizolisígenas (Pinaceae e Rutaceae);
 - flores (laranjeira), folhas (capim-limão e eucalipto);
 - cascas dos caules (canelas), madeiras (sândalo, pau-rosa) e frutos (erva-doce).
Função:
 - atrair polinizadores (principalmente os noturnos);
 - repelir insetos (pragas).
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Sesquiterpenos: 
 - defesa contra pragas e doenças: gossypol (dímero 15C)  algodão, e as lactonas  responsáveis pelo gosto amargo de suas folhas. 
Diterpenos:
 - normalmente estão associados às resinas de muitas 	plantas. Um exemplo é a resina cicatrizante de Hymenaea 	courbaril. 
 - giberelinas: hormônios vegetais 
Triterpenos:
 - esteróides: lipídios de membrana e precursores de 	hormônios esteróides em mamíferos (testosterona, progesterona), plantas (brassinosteróides) e insetos (ecdiesteróides);
 - saponinas: espuma em certos extratos vegetais - defesa contra insetos e microorganismos. 
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 Contém um grupo fenol; um grupo hidroxila funcional em um anel aromático;
 Rotas metabólicas envolvidas: ácido chiquímico e ácido malônico (é menos significativa para plantas superiores); 
Figura 5. Esquema da biossíntese de fenólicos . Fonte: Taiz e Zeiger, 2009.
Compostos Fenólicos
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Fenilalanina amônio liase 	(PAL)
- A PAL é regulada por fatores ambientais como o nível nutricional, a luz (pelo efeito do
fitocromo) e infecção por fungos.
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Figura 6. Esquema da biossíntese de fenólicos à partir da fenilalanina. Fonte: Taiz e Zeiger, 2009.
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Compostos Fenólicos
 Alguns fenólicos simples apresentam funções importantes na linha de defesa contra insetos herbívoros e fungos, especialmente a furanocumarinas (cumarina), que são atóxicos até serem ativadas pela luz (faixa UV-A: 320-400nm). 
 Furanocumarinas fotoativadas podem se inserir na dupla hélice do DNA, bloqueando a transcrição e reparo do DNA, provocando
morte celular;
 Os fenilpropanóides simples e derivados do ácido benzóico podem inibir a germinação e crescimento de plantas;
 * Lignina: função primária e secundária bloqueia o crescimento de patógenos
Figura 7. Compostos fenólicos simples. Fonte: Taiz e Zeiger, 2009.
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Flavonóides
 Constituem a maior classe de compostos fenólicos vegetais;
 São divididos em antocianinas, flavonas, flavonóis e isoflavonas;
 As antocianinas possuem importância como atrativo para dispersores e polinizadores;
 As flavonas e flavonóis (flores*, caules e folhas) atuam na fotoproteção contra o excesso de radiação UV-B (280-320nm); se acumulam nas camadas epidérmicas das folhas e caules absorvendo intensamente luz UV-B; 
 Flavonas e flavonóis quando secretados no solo: simbiose
Figura 8. Esqueleto básico de Carbono dos flavanóides. Fonte: Taiz e Zeiger, 2009.
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Compostos Fenólicos
 Taninos: 
 São toxinas;
 Podem ser de 2 tipos, condensados (polimerização de unidades flavanóides) e hidrolisáveis (polímeros heterogêneos)
Figura 9. Estrutura geral dos taninos tipos condensado (A) e hidrolisável (B) Fonte: Taiz e Zeiger, 2009.
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Compostos Nitrogenados
 São aqueles que possuem Nitrogênio na sua estrutura;
 Incluem: alcalóides, glicosídeos, cianogênicos, glucosinolatos, e aminoácidos não-protéicos;
 Alcalóides
Figura 10. Principais tipos de alcalóides. Fonte: fisiologiavegetal.ufc.br
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Alcalóides
 A maioria dos alcalóides tem função de defesa contra predadores, especialmente mamíferos, devido sua toxicidade e capacidade inibitória 
Figura 11. Principais tipos de alcalóides. Fonte: fisiologiavegetal.ufc.br
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Glicosídeos cianogênicos (GCs)
 Não são tóxicos, bem como os glucosinolatos, porém, decompõem-se rapidamente quando a planta é lesionada, produzindo venenos voláteis 
Figura 12. Hidrólise enzimática do GCs, para liberar ácido cianídrico. R e R’ representam vários substituintes alquila ou arila (comumente encontrado em sementes amêndoa, damasco, cereja e pêssego. Fonte: fisiologiavegetal.ufc.br
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Glucosinolatos
 Encontrados abundantemente em Brassicaceae; liberam compostos responsáveis pelo odor e gosto característicos de vegetais como repolho e rabanete;
Figura 13. Hidrólise de glucosinolatos em compostos voláteis de mostarda. Fonte: fisiologiavegetal.ufc.br
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aa não-protéicos
 Aqueles que não são incorporados às proteínas, mas estão presentes na forma livre, atuando como substâncias protetoras; 
 Exercem toxicidade da seguinte maneira: 
 bloqueando a síntese ou absorção de aa protéicos;
 ou podem ser erroneamente incorporados à proteína, devido sua forma análoga, como é o caso as canavanina;
Figura 14. aa não-protéicos e seus AA protéicos análogos te encontrado em sementes amêndoa, damasco, cereja e pêssego. Fonte: fisiologiavegetal.ufc.br
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Como funciona a resposta a diferentes condições de ambiente
 Estímulos distintos regulam a biogênese de MSs, 
 Abióticos:
 	Cumarina (fenólico): torna-se tóxico mediante radiação UV
	*Resveratrol (fenólico): responsivo à radiação UV
	
Figura 15. Biossíntese do Resveratrol. Fonte: Moreno, 2009
Sinal químico, gerado pelo estresse, induz aumento da expressão do gene estibeno sintetase, que prome acúmulo de mRNA estilbeno sintetase (responsável pela formação da enzima estilbeno sintetase ). Este enzima cataliza a reação entre uma molécula de p-comaroil Co-A e 3 moléculas do malonil-Co-A, originando o resveratrol na área afetada. Resposta a estresse biótico e abiótico.
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Como funciona a resposta a diferentes condições de ambiente
	Estresse hídrico: diminuição da área foliar, abscisão e mudança no potencial osmótico, pode induzir biossíntese de alcalóides purina (i.e. cafeína), 
 Bióticos: 
	*herbivoria: produção de compostos voláteis em nível tritófico (planta-herbívoro-ambiente)
 Ciclo circadiano: estação, hora do dia, idade do tecido, temperatura;	
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 Há uma via postulada entre o metabolismo primário e secundaria, sob condições de estresse, acúmulo de prolina livre e a transferência de energia para a biossíntese de fenilpropanóides via oxidativa das pentoses fosfato (PPP) (Cheynier et al., 2013); 
 A síntese de prolina (citosólica) é acompanhada pela oxidação do NADPH; Um aumento na razão NADP+/NADPH, aumenta a atividade da PPP, proporcionando precursores para a biossíntese de fenólicos, através da via do ácido chiquímico.
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Eritrose 4 fosfato
Figura 16. Relação entre ciclo da prolina, passos oxidativos da via das pentoses fostato e via de fenilpropanóides. Lattanzio et al., 2008, in Cheynier et al., 2013.
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Tabela 1. Dados recentes de mudanças nos níveis de metabólitos secundários, de transcritos e proteínas relacionadas com vias biossintéticas de cada metabólito. Na coluna da esquerda, tabela exibe cada fator abiótico influenciar as respostas do metabolismo secundário. Adaptado de Pavarini et al., 2015
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Obrigado pela atenção !!!  
“O óleo é antioxidante e não deixa ocorrer a degradação dos pigmentos da carne, que continua com a cor vermelha”
http://www.ufla.br/ascom/2017/06/28/pesquisa-da-ufla-propoe-substituir-nitrito-por-oleos-essenciais-em-carneos-curados/
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Figura 18. Visão geral do transporte de glucosinolatos em diferentes partes da planta de Arabidopsis .Jorgensen et al., 2015.
MS: transporte
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http://www.fundep.ufmg.br/pagina/2031/cientistas-criam-tecnologia-para-eliminar-toxinas-de-plantas.aspx
Cientistas criam tecnologia para eliminar toxinas de plantas
Pesquisadores da Universidade de Copenhague (Dinamarca), desenvolveram um método para impedir a difusão de toxinas em partes comestíveis de plantas usadas na agricultura, como a CanOla (Colza).
“Engenharia de transporte“. Duas proteínas responsáveis pelo transporte de glucosinolatos em Arabidopsis thaliana foram isoladas. 
 
*Bayer CropScience, está negociando apoio à universidade e espera obter a transferência de tecnologia, para produzir canola com sementes livres de glucosinolato.
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