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ALCALÓIDES ^ ESTEROIDALES ^ AUTORES Fernando A. Ferreira Chiesa Patrick Moyna SUMÁRIO DO CAPÍTULO . Introducción • Propiedades generales . Biosíntesis • Clasificación • Características químicas y presencia en la Naturaleza 6- Métodos de detección y cuantificación • Propiedades biológicas • Principales drogas vegetales 9- Referencias lo. Lecturas sugeridas iiiiiTiiiititritiwmitiirB 1. INTRODUCCIÓN '• r Tanto los alcalóides terpénicos como los esteroidales derivan bio- genéticamente dei acetato a través de la ruta dei isopentenilpirofosta- to. La incorporación del(de los) átomo(s) de nitrógeno ocurre en eta- pas tardias de la biosíntesis. Los procesos finales de modificación dei sistema formado por la ciclación dei escualeno lleva a estructuras con esqueletos de 20 a 30 átomos de car- bono según el grado de modifica- ciones sufridas por las estructuras precursoras. Se encuentran en la Naturaleza libres o como glicósi- dos, en cuyo caso son denominados glicoalcaloides esteroidales. 2. PROPIEDADES GENERALES Los alcalóides esteroidales comparten en general las propiedades de otros grupos de alcalóides, es de- cir, son compuestos naturales básicos, que en forma libre son solubles en solventes orgânicos, en tanto que sus sales son solubles en agua. Han sido aislados tanto de vege- tales como de animales, y en general son compuestos relativamente tóxicos o muy tóxicos, por lo que probable- mente cumplan un rol defensivo en los organismos que los producen. Los mecanismos de toxicidad son diver- sos. Entre ellos se hallan el bloqueo selectivo de los canales de sódio, como en el caso de las batrachotoxi- nas, y la despolarización de las mem- branas de neuronas y células muscu- lares, como en el caso de Ia veratridi- 707 na. Muchos alcalóides de Solanum y Veratrum son teratogénicos, además de producir intoxicaciones agudas en dosis mayores. 3. BIOSÍNTESIS La incorporación del(de los) átomo(s) de nitrógeno ocurre en etapas avan- zadas de la biosíntesis de los alcalóides esteroidales. Por esta razón pueden ser considerados tanto alcalóides como derivados aminados de sus precurso- res esteroidales. Sin embargo, las modificaciones sufridas son de importância crucial en la determinación dei destino y función de estos compuestos, por lo que se los considera como un grupo independiente. La incorporación de nitrógeno a la molécula puede ocurrir por tres me- canismos diferentes: 1) un mecanismo de óxido-reducción, 2) un mecanismo de sustitución, o 3) una reacción de adición a doble enlace, según se describe en la figura 1. Guando la incorporación de nitrógeno ocurre por el mecanis- mo de óxido-reducción, la configuracion dei carbono sustituido puede con- servarse o invertirse, en tanto que el mecanismo de sustitución siempre da como resultado la inversión de la configuracion absoluta (Torssell, 1997). NADP NADPH 0- Proceso redox NADPH^ NADP © i HOP INH3] Sustitución J [NH3] X X© Adición NHn Figura 1. Mecanismos de incorporación de nitrógeno en la biosíntesis de alcalóides esteroidales. HOP: fosfato o pirofosfato Se ha demostrado a través de estúdios de incorporación de precursores marcados que los alcalóides esteroidales son biosintetizados a partir dei co- lesterol. También es indicativo de ello el hecho de que algunos alcalóides como la tomatina, producida por la planta dei tomate, Lycopersicum esculentum MiH- 708 | l a solanina, producida por Ia planta de la papa, Solanum tuberosum L., po- sn un esqueleto esteroidal intacto (figura 2). ; Colesterol Solanidina Figura 2. Biosíntesis general de alcalóides esteroidales La incorporación de nitrógeno es precedida por la hidroxilación de la cadena lateral. El colesterol es hidroxilado especificamente sobre el carbono 26 o 27, lo que determinará posteriormente la configuracion definitiva dei carbono 25, como se muestra en la figura 3. proS proS — 25 S 25 R Figura 3. La hidroxilación primaria dei grupo metilo 26 o 27 ''\ determina la configuracion final en el carbono 25 '; En una segunda etapa puede ocurrir la sustitución dei grupo hidroxilo por un grupo amino, o la oxidación en posición C-22. Independientemente dei orden en que ocurran estas reacciones, tiene lugar con posterioridad una ci- 709 clación, como se muestra en la figura 4, que dará lugar a la formacion de el anillo F. La activación de la posición C-16 por hidroxilación permite una nue- va ciclación que puede dar origen a compuestos con dos anillos fusionados a través de un átomo de nitrógeno puente, o unidos a través de un carbono espi- rostánico (C-22) (Friedman y McDonald, 1997). . ' Figura 4. Formacion de los anillos E y F Estos alcalóides se encuentran tanto libres como bajo la forma de glicó- sidos. En este caso su biosíntesis no está totalmente definida, pero problable- mente se forman por unión con azúcares activados como UDP-glicósidos (Friedman y McDonald, 1997) 4. CLASIFICACIÓN Los alcalóides esteroidales se clasifican en base al hidrocarburo esteroi- dal que mejor representa la estructura general dei compuesto y su configura- cion. De acuerdo a este critério, se distinguen 4 grupos principales (figura 27- 5) (Marcano y Hasegawa, 1991): 1 Aminopregnanos: son compuestos esteroidales de 21 átomos de car- bonos producidos por la degradación de la cadena lateral dei coleste- rol, que contienen el esqueleto dei pregnano ( i ) . 2 Piperidilpregnanos: son compuestos que además de conservar la es- tructura de 27 átomos de carbono dei colesterol, presentan el átomo de nitrógeno formando parte de un ciclo de piperidina. Se clasifican a su vez en 4 subgrupos: 710 2.1 Espirosolanos (2): el anillo de piperidina está unida por un car- bono espirostánico a un anillo de tetrahidrofurano formado por ciclación de la cadena lateral. 2.2 Solanidanos (3): la cadena lateral se cicia formando dos anillos fusionados, con un átomo de nitrógeno puente. 2.3 Solanocapsinas: derivadas dei 22,26-epimino-hemiacetal (4), por lo que poseen un anillo piránico y un anillo de piperidina fusio- nados a través de una unión hemiacetálica. 2.4 Piperidinas sencillas: derivadas dei piperidil pregnano (5), en las que la cadena lateral dei colesterol da origen a un iínico ciclo de piperidina. 3 Alcalóides con esqueletos anormales, en los cuales la estructura de cicloperhidrofenantreno ha sido modificada. solanidano (3) 22,26-epiminohemiacetal (4) : piperidil pregnano (5) Figura 5. Principales grupos estructurales encontrados en alcalóides esteroidales 711 5. CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS Y PRESENCIA EN LA NATURALEZA ' 5.1. Aminopregnanos Estos alcalóides son producidos principalmente por espécies de la famí- lia Apocynaceae, y en menor medida, por espécies de 'as famílias Buxaceae y Solanaceae. El nitrógeno puede estar presente formando una amina alifática, ya sea en la posición C-3, o más frecuentemente, en la posición C-20. Even- tualmente, ambas posiciones pueden estar aminadas, como en la vaganina A. (6), aislada de Sarcococca vagans Stapf. (Buxaceae) (Atta-ur-Rahman y Choudhary, 1997). El nitrógeno puede formar parte de un heterociclo junto con los carbonos 20 y 21 de la cadena lateral y el carbono 18. Estos alcalóides se dicen pertenecientes a la serie de la conanina (7), y son típicos de la família Apocynaceae (Coutarei, 1964). También se encuentran frecuentemente deri- vados de la 3-amino-conanina, como la conessina (8), 3-dimetilaminoconanlna. El anillo heterocíclico puede encontrarse en estados de oxidación más altos, como en la kurchamida (9), aislada de Holarrhena antidysenterica Wall. (Be- gum et al, 1993), en la cual el nitrógeno se halla formando parte de una lacta- ma de 5 miembros. conessina(8) - kurchamida (9) Figura 6. Aminopregnanos 5.2.20-Plperidilpregnanos Con frecuencia los alcalóides esteroidales C-27 son análogos a las sapo- geninas oxigenadas encontradas en la misma planta. Al igual que estas, sue- len encontrarse bajo la forma de glicósidos, frecuentemente unidos a los mis- mos oligosacáridos presentes en otros glicósidos producidos por la planta. A pesar de su similitud estructural con las sapogeninas esteroidales, es- tos alcalóides poseen una distribución más restringida entre los vegetales y se encuentran solamente en las famílias Liliaceae y Solanaceae. Son particular- mente abundantes en los géneros Fritillaria y Veratrum (Liliaceae) y Solanum, Lycopersicum y Cestrum (Solanaceae). 5.2.1. Espirosolanos. Los espirosolanos se caracterizan por la presencia de dos anillos hetero- cíclicos unidos a través de un carbono espirostánico, y muchos de ellos se encuentran naturalmente como glicósidos. El esqueleto de ciclopentanoper- hidrofenantreno presenta la misma estereoquímica que en las hormonas natu- rales {trans, trans, trans) que los convierten en posibles materiales de partida para la semisíntesis de hormonas esteroidales. La tomatina ( l i ) , el glicoalcaloide principal dei tomate (L. esculentum), es común en otras espécies de tomates salvajes y en otros géneros relaciona- tomatidina: R=H (10) tomatina: R= licotetraosa ( i l ) solasodina (V2) HO A'-deliidrotomatideno (13) so!adulcidina(i4) icotetraosa=P-D-Glcp-(I->2)-[P-D-Xyl/7-(l->3)]-P-D-Glcp-(1^4)-|3-D-galactopiranosa Figura 7. Espirosolanos ' 713 dos. Está formada por un tetrasacárido, la licotetraosa, unido por un enlace acetálico a la posición C-3 de la tomatidina, la que presenta la estereoquímica (255, 22-(3-N) (10). También es común su esteroisómero en C-22, la solasodina (25/?, 22 a- N) (12), la cual es empleada para la síntesis de hormonas esteroidales (Samuel- son, 1992). Se encuentra también el análogo A'-insaturado de la tomatidina, el A^-dehidrotomatideno (13). y el análogo saturado de la solasodina, la sola- dulcidina (14). entre otros muchos. 5.2.2. Solanidanos Los solanidanos con una estereoquímica (22-a-H, 255) son los más comunes, y dentro de este grupo se incluyen la solanidina (22/?) (15). la demissidina (22 /?) (16) y la leptinidina (225) (17), entre otros, los cuales suelen encontrarse en la planta bajo la forma de glicósidos. La solanina (18) y la chaconina (19), que son los glicoalcaloides más comunes de la papa {Solanum tuberosum L.), están formados por el alcalóide esteroidal solanidina (17) unido a un trisacárido, la solatriosa (20) o la chacotriosa (21). respectivamente solanidina: R= H (15) demissidina (16) leptinidina (17) solanina: R= solatriosa (18) chaconina: R= chacotriosa (19) solatriosa (20)= P-D-Glc/7-(l->4)-[a-L-Rha;7-(1^2)]-3-D-galactopiranosa chacotriosa (21)= a-L-Rha/p-( l->4)-[a-L-Rha/>-( 1->2)]-P-D-glucopiranosa Figura 8. Espirostanos 5.2.3. Solanocapsinas La solanocapsina (22). obtenida de Solanum pseudocapsicum L. fue el primer alcalóide de este tipo que se logro aislar. Este grupo se caracteriza por poseer un sistema de dos anillos heterocíclicos fusionados a través de una unión hemiacetálica. La estereoquímica de la unión de los anillos heterocíclicos puede ser eis, como en el caso de la pimpifolidina (23), o trans, como en la 22-iso- pimpifolidina (24). ambos aislados de una espécie de tomate salvaje, Lyco- persicum pimpinellifolium Mi l l . (Ripperger y Porzel, 1994). 714 solanocapsina (22) j . ; pimpifolidina (23) isopimpifolidina (24) •i , . i . Figura 9. Solanocapsmas ; , 5.2.4. 20-Piperidilpregnanos sencillos. • Se han encontrado alcalóides esteroidales con el anillo E abierto, prin- cipalmente en los géneros Solanum y Veratrum. Son menos frecuentes que los pertenecientes a los grupos anteriores, y pueden, en algunos casos represen- tar precursores o intermediários biosintéticos de otros compuestos. Ejemplos de estos alcalóides son la veralkamina (25) aislada de Veratrum álbum L. (Tomko et al, 1968) en la que se observa un rearreglo por la migración dei grupo metilo sobre el carbono 13 al carbono 17, y la oblinginina (26). aislada e Veratrum oblongum O. Loes. (Kadota et al, 1995). ; veralkamina (25) oblinginina (26) Figura 10.22-Piperidilpregnanos sencillos 5.3. Alcaló ides esteroidales con esqueletos anómalos A diferencia de los grupos anteriores, en los cuales se mantiene el es- queleto de ciclopentanoperhidrofenantreno inalterado, en estos alcalóides se encuentran esqueletos esteroidales modificados. Dentro de este grupo se dis- tinguen dos clases: 1) alcalóides de Veratrum, que presentan un esqueleto 12- nor-D-homo, y 2) alcalóides de Buxus, que están estructuralmente relaciona- ' dos con el cicloartenol. 715 5.5.7. Alcalóides de Veratrum En los alcalóides de Veratrum, los anillos D y E poseen cinco y seis miem- bros, respectivamente. Estos, a su vez, se dividen en tres grupos: alcalóides de la jervanina, la veratramina y la cevanina. Los alcalóides de la jervanina, entre ellos la jervina (27), se caracterizan por posecr un anillo de tetrahidrofurano formado por una unión éter entre los carbonos 17 y 23. Los de la veratramina (28) no presentan el anillo tetrahidrofurano, pero poseen un grupo oxigenado, en general un alcohol, en posición C-23. HO' jervina (27) veratramina (28) - j i i Figura 11. Alcalóides de Vera/ram En los alcalóides de la cevanina el nitrógeno se halla unido al carbono 18 formando un anillo de piperidina. Suelen encontrarse como glicósidos al igual que los alcalóides de la jervanina. Los más importantes de este grupo son los ésteres de la protoverina (29), las protoveratrinas A (30) y B (31). Ambos alcalóides tienen un marcado efecto hipotensor y fueron empleados para tratar casos sérios de hipertensión. Sin embargo, actualmente se hallan en desuso debido a su alta toxicidad. Dentro de este grupo existen otros alcalóides que se diferencian fundamen- talmente en el número y tipo de ácidos ligados por uniones éster al núcleo este- roidal. También se encuentran alcalóides derivados de la germina (32), que se diferencia de la protoverina por carecer dei grupo hidroxilo en posición C-6. Estos alcalóides también se encuentran esterificados con diversos ácidos. 5.3.2. Alcalóides de Buxus Espécies de la família Buxaceae producen, entre otros, alcalóides bio- genéticamente derivados dei cicloartenol. Estos se caracterizan por la presen- cia de un anillo de ciclopropano fusionado al anillo B. Suelen presentar gru- pos amino primários, secundários o terciários en las posiciones C-20 y/o C-3, como en el caso de la cycloprotobuxina A (33). En lugar de los grupos metilo geminales en posición C-4 puede haber un grupo metilo, metileno o hidroxi- metileno en dicha posición. En algunos casos el anillo B puede hallarse ex- R2 R3 R,0' protoverina (29) H H H OH OR2 protoveratrina A (30) protoveratrina B (31) OH OH OH C - Ç - C H 2 C H 3 C - ( : - ( : H - C H 3 II I II I o CH3 o CH3 C-CH3 II ^ o C-CH3 11 o C-CH-CH2CH3 C-CH-CH2CH3 II I ^ II I o CH3 o CH3 Figura 12. Alcalóides de Veratrum, grupo de la cevanina pandido a 7 miembros, como en el caso de el papillotrieno (34) y la Nj^ -deme- tilharappamina (35) en la que se observa además un anillo formado por el grupo a-hidroximetileno sobre el carbono 4 y el grupo N-metileno sobre posición 3. Ambos alcalóides fueron aislados de Buxus longifolia Boiss. [Atta-ur-Rah- man etal, 1992]. : ^ > cycloprotobuxina A (33) papillotrieno (34) Nb-demetilharappamina (25) ' ' '" • Figura 13. Alcalóides de fií««í 6. MÉTODOS DE DETECCIÓN Y CUANTIFICACIÓN. Los alcalóides esteroidales poseen las características químicas de otrosalcalóides y por ello pueden emplearse para su estúdio los métodos generales de aislamiento y análisis de estos compuestos. Muchos de ellos suelen encon- trarse también como glicósidos, y para su detección puede emplearse la for- macion de espuma y la medida de la actividad hemolítica. Debido a su importância en agricultura y alimentación, el análisis de los alcalóides esteroidales de Solanum ha recibido gran atención. Se han reportado métodos gravimétricos, valoraciones ácido-base, ensayos enzi- máticos e inmunoensayos (Maga, 1994). También se han desarrollado mé- todos cromatográficos de análisis, que son más selectivos ya que presen- tan menos interferências por combinar la separación de los diferentes al- calóides y su cuantificación. Se han reportado numerosos métodos de iden- tificación y cuantificación por Cromatografia Líquida de Alta Presión (HPLC), y Cromatografia en Capa Fina (TLC). Estos íiltimos métodos permiten la separación de los distintos alcalóides, y su cuantificación, em- pleando reactivos de coloración específicos antes de la determinación den- sitométrica. Los alcalóides esteroidales pueden ser analizados por Cromatografia Gas- Líquido (GLC) ya sea como tales o de derivados más volátiles. Existen mo- nografias recientes que cubren extensivamente los aspectos analíticos de es- tos compuestos (Maga, 1994; Friedman y McDonald, 1997). 7. PROPIEDADES BIOLÓGICAS La mayoría de los alcalóides esteroidales, sean o no glicosilados, poseen diversos grados de toxicidad para mamíferos. Algunos, como los glicoalca- loides de Solanum, que están presentes en pequefías cantidades en la dieta hu- mana normal, pueden, en concentraciones mayores, dar lugar a intoxicacio- 718 es alimentarias. Los sintomas incluyen desordenes gastrointestinales y neu- ológicos. En casos extremos pueden, luego de un estado comatoso, producir muerte. Por esta razón se han establecido limites máximos para el conteni- de estos alcalóides en los alimentos, que oscilan, según la legislación de la país, entre 100 y 200 mg/kg (Maga, 1994). Otros alcalóides, en cambio, son muy tóxicos, y su ingestión puede fa- • ilmente provocar la muerte. Los alcalóides de Veratrum, por ejemplo, cau- san envenenamiento en el ganado cuando estas espécies son accidentalmente ingeridas junto con la pastura. Muchos de estos compuestos son teratogénicos. Los dei Veratrum cali- fomicum Durand llegan a producir formas extremas de malformaciones como la ciclopía en temeros nacidos de vacas que lo hayan ingerido de forma acci- dental durante la prefiez. Se ha demostrado que los alcalóides de esta planta interfieren con el colesterol en su rol de mensajero químico durante el desa- nollo dei embrión (Cooper et al, 1998). La toxicidad de los alcalóides esteroidales sugiere que cumplen un rol defensivo en el vegetal. Varias de las actividades biológicas reportadas para estos compuestos apoyarían esta hipótesis. En general poseen una actividad antibacteriana leve y una actividad an- tifúngica más pronunciada. Esta actividad está correlacionada con la capaci- dad de los glicoalcaloides de desestabilizar membranas biológicas. La toma- tina (11) posee un amplio espectro antifúngico y antimicrobiano, ya que es activa contra un amplio rango de hongos que incluyen Aspergillus, Cândida albincans y Trichophyton, hongos saprofíticos y aun bactérias Gram-positi- vas y protozoários. Los glicoalcaloides de la papa también son activos contra hongos, entre ellos Trichodemia virile, Helminthosporium carbonum, Fusa- rium caeruleum y Cladosporium fulvum (Hostettmann y Marston, 1995). La solanina (18) y la chaconina (19). que suelen encontrarse como mezclas en los vegetales, poseen una actividad antifúngica leve. Sin embargo, sus mez- clas presentan un efecto sinérgico que aumenta tanto su poder desestabilizan- te de membranas biológicas, como su actividad antifúngica (Roddick, 1988; Fewell y Roddick, 1993). También se ha observado actividad antialimentaria (antifeeding), inhi- bidora y tóxica en muchos insectos. La tomatina, y en menor grado la solani- na y la chaconina son activos contra Leptinotarsa decemlineata [Sanford, 1996], Empoboascafabae (Dahlman y Hibbs, 1967) y Macrosiphum euphor- biae (Guntner et al, 1997; Vazquez, 1997) entre otras plagas. El extracto crudo de los alcalóides de la semilla de la cebadilla, Schoenocaulon officinale A. Gray (Liliaceae), se utiliza como insecticida y antipediculoso. Tanto el eléboro blan- co, Veratrum álbum L. , como el verde, Veratrum viride Aiton., se utilizaron como insecticidas. 719 8. PRINCIPALES DROGAS VEGETALES Los alcalóides esteroidales se emplean en farmácia principalmente como fuente de matérias primas para síntesis. La solasodina (12). que posee un es- queleto esteroidal intacto y con la misma estereoquímica que las hormonas naturales, es el prinicpal compuesto de este grupo empleado como matéria prima para la síntesis de hormonas esteroidales. Los anillos E y F se pueden degradar en forma análoga a los de la diosgenina por la reacción de Marker, pero los rendimientos son algo menores (Samuelsson, 1992). Se encuentra como glicósido en Solanum laciniatum Aiton. (Solanaceae), el cual es culti- vado en Rusia, Hungria y Austrália. Los frutos verdes contienen entre el 2 % y el 3 % de solasodina, pero su contenido disminuye al madurar el fruto. En índia se cultiva Solanum khasianum C.B. Clarke con el mismo fm, ya que sus frutos son ricos en el alcalóide. 9. REFERENCIAS ATTA-UR-RAHMAN; ASSIF, E.; A L I , S.S.; NASIR, H.; JAMAL, S.A.; ATA, A,; FAROOQ, A.; CHOUDHARY, M. I . ; SENER, B.; TURKOZ, S. New steroidal alkaloids from the roots of Buxus papillosa. J. Nat. Prod.,\. 55, p.1063-1066, 1992. 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Plant Sei., v. 16, p. 55-132, 1997. !ompleta y actualizada monografia sobre los alcalóides de la papa, que abarca los ás diversos aspectos, tanto científicos como aplicados. Recomendable como intro- ucción y referencia en el tema. AMUELSSON, G. Drugs of natural origin. Stockholm: Swedish Pharmaceutical, 1992. esenta una amplia cobertura dei tema, en particular desde el punto de vista de la armacognosia y la Farmácia. íTORSSELL, K.B.G. Natural product chemistry. Stockholm: Swedish Pharmaceuti- cal, 1997. Completa referencia, con énfasis en los aspectos biosintéticos y ecológicos de los pro- ductos naturales. 721
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