Metabólitos Secundários

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS
INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA
Importância do metabolismo secundário para as plantas
Laianne Lopes Rocha
Leidyane Souza e Sousa
Thyago Souza Caetano
Manaus-AM
2018/1
Introdução
O metabolismo secundário origina compostos que não possuem uma distribuição universal, pois não são necessários para todas as plantas. É importante na interação das plantas com o meio ambiente. Um dos principais componentes do meio externo cuja a interação é mediada por compostos do metabolismo secundário são os fatores bióticos.
Produtos secundários possuem um papel contra a herbivoria, ataque de patógenos, competição entre plantas e atração de organismos benéficos como polinizadores, dispersores de sementes e micro-organismos simbiontes. Produtos secundários também possuem ação protetora em relação a estresse abióticos, como aqueles associados com mudanças de temperatura, conteúdo de água, nível de luz, exposição a UV e deficiência de nutrientes minerais.
Os metabólitos secundários extraídos das plantas são subdivididos em três classes principais: terpenos, alcalóides e compostos fenólicos (Figura 1) (Savithramma et al., 2011). Os terpenos são feitos a partir do ácido mevalônico (no citoplasma) ou do piruvato e 3-fosfoglicerato (no cloroplasto). Os compostos fenólicos são derivados do ácido chiquímico ou ácido mevalônico. Por fim, os alcalóides são derivados de aminoácidos aromáticos (triptofano, tirosina), os quais são derivados do ácido chiquímico, e também de aminoácidos alifáticos (ornitina, lisina).
Figura 1: Principais vias do metabolismo secundário e suas interligações.
A biossíntese de metabólitos secundários é realizada por rotas metabólicas específicas do organismo, ocorrendo estreita relação entre essas rotas e aquelas responsáveis pela síntese de metabólitos primários. Estas rotas metabólicas são interligadas, e as rotas que sintetizam metabólitos primários fornecem moléculas que são utilizadas como precursoras nas principais rotas de síntese de metabólitos secundários.
Através do estudo do metabolismo das plantas, depreende-se que estas são capazes de produzir inúmeros compostos orgânicos, os quais são divididos em metabolitos primários e secundários, dependendo da via metabólica responsável pela sua síntese (Groenigen et al., 2015). Kabera et al. (2014) referiram que os metabolitos primários possuem função estrutural, plástica e de armazenamento de energia, enquanto os metabolitos secundários, produtos secundários ou produtos naturais, aparentemente não possuem relação com o crescimento e desenvolvimento da planta. No entanto, é fundamental realçar que os metabolitos primários são os grandes precursores dos metabolitos secundários.
Os metabolitos secundários têm origem no processo de conversão da energia luminosa em energia química, permitindo que a planta responda aos diferentes fatores ambientais, quer físicos, quer biológicos, permitindo comunicar e interagir com diferentes organismos, atraindo-os ou repelindo-os, sustentando-os ou destruindo-os (Castro et al., 2005; Maraschin e Vepoorte, 1999).
Embora muitos dados científicos afirmem que os metabolitos secundários não desempenham um papel crucial para o crescimento, desenvolvimento e reprodução das células vivas, eles são fundamentais na defesa e proteção da planta contra qualquer dano ecológico (Samuni-Blank et al., 2012). Portanto, estes compostos são geralmente sintetizados pelas plantas de acordo com as suas necessidades específicas, que incluem as condições ambientais, as interações com outras plantas e a proteção contra predadores (Savithramma et al., 2011). 
No entanto, na vida humana, estes compostos podem ser utilizados como medicamentos (princípios ativos ou excipientes), aromatizantes ou corantes. Pelos motivos supracitados, torna-se imperativo averiguar a relação existente entre o metabolismo primário e secundário das plantas, no sentido de compreender a origem da síntese dos metabolitos secundários.
As funções que os metabólitos desempenham no organismo que os produzem não são todas conhecidas. No entanto, os avanços científicos na área têm esclarecido muitas funções desses compostos. O esqualeno (um triterpeno), por exemplo, considerado originalmente um metabólito secundário e hoje conhecido como um dos produtos universalmente distribuídos e participante fundamental do metabolismo dos organismos vivos. Pode ser metabolizado e conduzido a formação de álcoois esteroides que originariam o colesterol, esse composto tem função vital na manutenção da integridade estrutural de membranas celulares em vários organismos, participando da regulação da sua permeabilidade (Mann, 1995; Gros et al., 1985).
Também deve ser considerado a possibilidade de que metabólitos secundários sirvam para manter o metabolismo básico nas circunstâncias em que seus substratos normais, por depauperamento de nutrientes, não possam ser explorados para crescimento replicação celulares normais. Outro aspecto está relacionado com a produção de metabólitos secundários como via alternativa ou de escape, na situação em que rotas de síntese de metabólitos primários sejam inibidas pelo seu produto excedente (inibição por retroalimentação).
Outra característica é a inserção desses metabólitos em caminhos oxidativos que protegem o metabolismo vegetal contra a ação do agente destruidor que as próprias células produzem: o oxigênio. O estresse por oxigênio é uma causa de toxidez que as plantas são incapazes de evitar, devido a sua capacidade fotossintética. O oxigênio molecular liberado passa frequentemente por transformações, produzindo radicais livres de alta reatividade capazes de deteriorar componentes celulares (rompimento de cromossomos, ruptura de proteínas, polissacarídeos e ácidos graxos). Como consequência, a captação eficiente de radicais é condição fundamental para a sobrevivência e manutenção da estabilidade da célula. Evidência experimental desse fato refere-se as substâncias produzidas pelas angiospermas, após o ferimento das folhas. Por exposição do tecido ao oxigênio atmosférico, a planta reage produzindo dois tipos de antioxidantes: as fitoalexinas e os alcoois cinamilicos (cujo o acoplamento oxidativo formará ligninas). Os polifenois de forma geral devem ser destacados como substâncias antioxidantes (Gootlieb et al.;1996).
A interação do ambiente com os mecanismos fisiológicos das plantas resulta no estímulo da síntese de metabólitos secundários. Estes já discutidos podem ser o resultado da adaptação as determinadas espécies e podem ser o resultado da adaptação as condições ambientais na sobrevivência e perpetuação dos indivíduos.
Os metabólitos secundários participam de importantes funções vitais, como mediadores de interações ecológicas. Tem a função de garantir a sobrevivência de organismos particulares em ambiente hostis, onde muitos organismos competem uns com os outros, dessa forma eles aumentariam a competitividade desses organismos.
Compostos Fenólicos
Os fenólicos são um grupo de compostos bastante presentes no nosso dia a dia embora nem sempre nos demos conta disso. Desse modo, muito do sabor, odor e coloração de diversos vegetais que apreciamos são gerados por compostos fenólicos.
Os compostos fenólicos não são apenas atrativos para nós, mas também para outros animais, os quais são atraídos para polinização ou dispersão de sementes. Além disso, esse grupo de compostos é importante para proteger as plantas contra os raios UV, insetos, fungos, vírus e bactérias. Há inclusive certas espécies vegetais que desenvolveram compostos fenólicos para inibir o crescimento de outras plantas competidoras (ação alelopática). Exemplos de compostos fenólicos com ação alelopática são o ácido caféico e o ácido ferúlico. Também funcionam como moléculas sinais, sendo componentes estruturais e funcionais da matéria orgânica do solo (Siqueira et al.,1991).
Além de sua importância na proteção das plantas contra fatores ambientais e bióticos adversos,acredita-se que os compostos fenólicos tenham sido fundamentais para a própria conquista do ambiente terrestre pelas plantas. Esse é o caso da lignina, a qual proporcional o desenvolvimento do sistema vascular, dando rigidez aos vasos. De modo coerente com essa hipótese, plantas primitivas que habitam principalmente ambiente úmidos, como briófitas e pteridófitas, são pobres em compostos fenólicos.
Quimicamente dizendo, os chamados compostos fenólicos são substâncias que possuem pelo menos um anel aromático no qual ao menos um hidrogênio é substituído por um grupamento hidroxila. Esses compostos são sintetizados a partir de duas rotas metabólicas principais: a via do ácido chiquímico e a vida do ácido mevalônico.
Compostos fenólicos comuns presentes nas plantas.
Estes compostos estão geralmente relacionados com as respostas de defesa da planta. Contudo, estes metabolitos secundários desempenham um papel importante noutros processos, como por exemplo, na ajuda da polinização, como agentes de coloração para camuflagem e de defesa contra herbívoros e no exercício de atividades antibacterianas e antifúngicas contra predadores naturais (Acamovic e Brooker, 2005; Alasalvar et al., 2001; Edreva et al., 2008; Velderrain-Rodríguez et al., 2014).
Terpenos
Pode se dizer que as plantas possuem dois tipos básicos de polímeros: os ácidos nucléicos (DNA e RNA) e as proteínas. Contudo existe uma terceira classe de compostos que se assemelham aos polímeros. Trata-se dos terpenos. Na verdade, cada unidade básica dos terpenos assemelha-se mais a uma peça de lego, do que propriamente um monômero. Aproveitando a analogia com esse conhecido brinquedo, o equivalente a cada peça de lego seria uma molécula de cinco carbonos denominada isopreno ou isopentenilpirofosfato. Desse modo, os terpenos são classificados de acordo com o número de unidades de isopreno que entraram em sua montagem.
Os monoterpenos, devido ao seu baixo peso molecular, costumam ser substância voláteis, sendo, portanto, denominados óleos essenciais ou essências. Contudo, nem todos os óleos voláteis são terpenóides; alguns podem ser compostos fenólicos (fenilpropanóides). Os monoterpenos podem ocorrer em pêlos glandulares (Lamiaceae), células parenquimáticas diferenciadas (Lauraceae, Piperaceae, Poaceae); canais oleíferos (Apiaceae) ou em bolsas lisígenas ou esquizolisígenas (Pinaceae, Rutaceae). Eles podem estar estocados em flores (laranjeira), folhas (capim-limão, eucalipto, louro) ou nas cascas dos caules (canelas), madeiras (sândalo, pau-rosa) e frutos (erva-doce).
A função dos óleos essenciais nas plantas pode ser tanto para atrair polinizadores (principalmente os noturnos) quanto para repelir insetos (pragas). Entre o primeiro grupo estão o limoneno e o mentol, os quais possuem cheiro agradável também para nós. Um exemplo clássico do segundo grupo são os piretróides. Esses compostos são inseticidas naturais derivado do cravo-de-defunto (Chrysanthemum spp).
Alguns desses compostos fazem parte do mecanismo de defesa química da planta. Espécies do gênero Iridomyrmex, por exemplo apresentam compostos iridodial, que é repelente de predadores, síntese de cardenolídeos pode conferir uma vantagem para as plantas que os produzem, quando estas são evitadas pelos herbívoros (Mann,1995).
Muitos sesquiterpenóides também são voláteis e, assim como os monoterpenos, estão envolvidos na defesa contra pragas e doenças. Dois exemplos são o gossypol (dímero de C15), o qual está associado à resistência a pragas em algumas variedades de algodão, e as lactonas, presentes na família Compositae e responsáveis pelo gosto amargo de suas folhas. Alguns sesquiterpenos são considerados fitoalexinas, como a rishitina de tomateiro. Contudo, a maior parte das fitoalexinas são na verdade compostos fenólicos (isoflavonóides).
Os diterpenos normalmente estão associados às resinas de muitas plantas. Um exemplo é a resina cicatrizante de Hymenaea courbaril. Contudo, talvez o principal papel desempenhado por um diterpeno seja o das giberelinas, as quais são importantes hormônios vegetais responsáveis pela germinação de sementes, alongamento caulinar e expansão dos frutos de muitas espécies vegetais.
Entre os triterpenos está uma importante classe de substâncias tanto para vegetais quanto para animais. Trata-se dos esteróides, os quais são componentes dos lipídios de membrana e precursores de hormônios esteróides em mamíferos (testosterona, progesterona), plantas (brassinoesteróides) e insetos (ecdiesteróides).
Uma outra classe importante de triterpenos são as saponinas. Como o próprio nome indica, as saponinas são prontamente reconhecidas pela formação de espuma em certos extratos vegetais. Nas plantas, as saponinas desempenham um importante papel na defesa contra insetos e micro-organismos. Isso pode ocorrer de diversos modos. Uma delas é a complexação das saponinas com esteróides dos fungos, tornando-os indisponíveis.
Os tetraterpenos mais famosos são sem dúvidas os carotenos e as xantofilas. Esses compostos lipossolúveis desempenham um importante papel tanto nas plantas quanto nos animais. Nas plantas, basta dizer que os carotenóides fazem parte das antenas de captação de luz nos fotossistemas. Sem os carotenóides não haveria, portanto, a fotossíntese. Além disso, esses compostos são importantes antioxidantes e dissipadores de radicais livres gerados pela fotossíntese.
As substâncias alelopáticas, de modo geral, atuam na prevenção da decomposição das sementes, na dormência de sementes e gemas e influenciam as relações das plantas com outras plantas, micro-organismos, insetos e animais superiores. Os taninos hidrolisáveis são conhecidos por suas propriedades alelopáticas, atuando como inibidor da germinação de sementes, do crescimento das plantas, das bactérias fixadoras de nitrogênio e das nitrificantes. Os taninos são efetivos como repelentes de predadores, por tornarem os tecidos menos palatáveis, devido à precipitação das proteínas salivares ou à imobilização de enzimas, impedindo a invasão dos tecidos do hospedeiro pelo parasita.
Alcalóides
Os alcalóides são compostos orgânicos cíclicos que possuem pelo menos um átomo de nitrogênio no seu anel. Na sua grande maioria os alcalóides possuem caráter alcalino, já que a presença do átomo de N representa um par de elétrons não compartilhados. Contudo, existem alcalóides de caráter ácido, como por exemplo a colchicina. Os alcalóides são sintetizados no retículo endoplasmático, concentrando-se, em seguida, nos vacúolos e, dessa forma, não aparecem em células jovens.
Essa classe de compostos do metabolismo secundário é famosa pela presença de substâncias que possuem acentuado efeito no sistema nervoso, sendo muitas delas largamente utilizadas como venenos ou alucinógenos. 
Exemplos de alcalóides. Notar que uma característica comum dos alcalóides é a presença de nitrogênio no anel carbônico. Essa estrutura indica que os alcalóides são derivados de aminoácidos.
Os alcalóides são caracterizados pela presença de átomos de N em moléculas orgânicas. Tal característica indica de certa forma sua origem química. Desse modo, quase a totalidade dos alcalóides é derivada de aminoácidos, como a ornitina, a lisina, a tirosina e o triptofano. Enquanto a ornitina é precursora dos alcalóides pirrolidínicos e tropânicos, a lisina dá origem aos alcaloides piperidínicos. A tirosina e o triptofano são formados na via do ácido chiquímico e dão origem aos alcalóides isoquinolínicos e indólicos, respectivamente.
Talvez o alcalóide pirrolidínico mais famoso seja a nicotina. A nicotina é formada nas raízes do tabaco (Nicotiana tabacum) e posteriormente translocada para as folhas nas quais é armazenada. Nas raízes, a biossíntese de nicotina envolve a junção do ácido nicotínico com uma molécula de ornitina. É interessante notar que o ácido nicotínico também é precursor de uma importante molécula do metabolismo primário. Trata-se do ácido nicotínico mononucleotídeo3 (NADP+). A nicotina pode ser utilizada de modobenéfico. Como nas plantas sua função é a defesa contra herbívoros, ela pode ser utilizada como inseticida natural, nas conhecidas caldas de fumo empregadas na agricultura.
Conclusão
Os metabólitos secundários, geralmente de estrutura complexa, baixo peso molecular, possuem atividades biológicas marcantes e, diferentemente dos metabólitos primários, apresentam-se em baixas concentrações e em determinados grupos de plantas (Berg e Lubert, 2008). Já foram considerados como produtos de excreção do vegetal no passado. No entanto, sabe-se que muitas dessas substâncias estão diretamente envolvidas nos mecanismos que permitem a adequação do produtor a seu meio. Assim, despertam grande interesse, não só pelas atividades biológicas exercidas pelas plantas em resposta aos estímulos do meio ambiente, mas também pela imensa atividade farmacológica que possuem. Muitos são de importância comercial não apenas na área farmacêutica, mas também nas áreas alimentar, agronômica, perfumaria e outras (Simões et al., 2007). Para este autor a origem de todos os metabólitos secundários pode ser resumida a partir do metabolismo da glicose, via dois intermediários principais: o ácido chiquímico e o acetato.
O ácido chiquímico é precursor de taninos hidrolisáveis, cumarinas, alcalóides derivados dos aminoácidos aromáticos e fenilpropanóides, compostos que tem em comum a presença de um anel aromático na sua constituição; ao passo que os derivados do acetato são os aminoácidos alifáticos e os alcalóides derivados deles; terpenóides, esteróides, ácidos graxos e triglicerídeos (Leite, 2008).
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