Biossíntese de Principios Ativos Naturais e Fatores de Influencia 2017

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Biossíntese de Princípios
Ativos Naturais
e
Fatores de Influência
Prof. Marcio Adriano Andreo
Diadema - SP 1
Universidade Federal de São Paulo
Instituto de Ciências Ambientais, Químicas e Farmacêuticas
Tópicos da Aula
2
Introdução
Principais Classes de metabólitos
Rotas Biossintéticas
Fatores de influência
Conclusões
Introdução
Metabolismo Vegetal
3
Didaticamente - metabolismo primário e metabolismo secundário
Não existe uma divisão exata
Processos fotossintéticos
↓
substâncias do metabolismo primário
↓
metabólitos secundários
Reações fotossintéticas
Reações de claro → produção de ATP e NADPH
Reações de escuro → processo de fixação do CO2
→ produção de glicose
Introdução
Metabolismo Primário
4
Lipídios
Proteínas
Carboidratos
Ácidos nucléicos
Comuns aos seres vivos e essenciais para a manutenção das células
Introdução
Metabolismo Secundário
5
Substâncias originadas a partir de rotas biossintéticas diversas, e
que estão restritas a determinados grupos de organismos, são
produtos do metabolismo secundário. (Wink, 1990 apud Santos,
2001).
Baixo peso molecular
Considerados antigamente como produtos de excreção
Otto Gottlieb – “Metabólitos especiais”
Para o homem – Atividades biológicas
Introdução
Metabolismo Secundário
6
Fatores de interação planta meio ambiente
Defesa (herbivoria e microrganismos)
Proteção contra raios UV-B
Atração de polinizadores
Alelopatia
Principais Classes
Principais Classes
Principais Classes
Principais Classes
Principais Classes
Rotas Biossintéticas
• Via do acetato
Rotas Biossintéticas
• Via do acetato
Claisen
aldol 
estereoespecífica
redução do tioéster 
a aldeído via 
tiohemicetal
redução do 
aldeído a álcool
ácido mevaldicoácido mevalonico
(MVA)
dimetilalil PP
(DMAPP)
isopentenil PP
(IPP)
isomerização alílica 
estereoespecífica
ATP facilita a 
descarboxilação-
eliminação
fosforilação 
sequencial
Rotas Biossintéticas
C10
C15
C20
C25
C30
C40
Rotas Biossintéticas
• Via do acetato
Rotas Biossintéticas
MONOTERPENOS (C10)
DMAPP
geranil PP
(GPP)
adição eletrofílica
formando cátion terciário
perda estereoespecífica
do próton
Rotas Biossintéticas
Rotas Biossintéticas
Rotas Biossintéticas
Rotas Biossintéticas
Rotas Biossintéticas
Rotas Biossintéticas
Rotas Biossintéticas
Saponinas
Rotas Biossintéticas
Glicosídeos cardiotônicos
Rotas Biossintéticas
Originados no ciclo 
do ácido cítrico
Rotas Biossintéticas
Alcaloides da Via do acetato
Rotas Biossintéticas
O
OH
HO
PO
eritrose-4-fosfato
H
CO2H
O
P
H
fosfoenolpiruvato (PEP)
Reação do tipo
aldol
OH
OH
HO
PO
H
O
CO2H
DAHP
(desoxiarabino-heptulosonil-fosfato)
OH
OH
HO
O
CO2H
H
-HOP
CO2H
OH
OH
HO
CO2H
OH
OH
O
HO2C
OH
OH
O
OH
CO2H
OH
OH
HO
-H2ONADPH
-2H
ácido gálico
ácido chiquímico ácido 3-desidrochiquímico ácido 3-desidroquínico
R
e
a
çã
o
 d
o
 t
ip
o
a
ld
o
l
NAD
GLICÓLISE
CICLO DAS PENTOSES
+ glicose
taninos hidrolisáveis
Taninos Hidrolisáveis
O
O
O
O
O
OH
OH
OH
O
OH
HO OH
O
HO
OH
HO
O
O
OH
OHHO
O
OH
OH
OH
O
galitanino
-1,2,3,4,6-pentagaloil-D-glicose)
Rotas Biossintéticas
Rotas Biossintéticas
CO2H
OH
OH
HO
ácido chiquímico
CO2H
OH
OH
PO
ácido chiquímico-3-fosfato
CO2HPO
H
PEP
EPSP
sintase
CO2H
O
OH
PO
OP
CO2H
H H
H
CO2H
O
OH
PO CO2H
CO2H
O
OH
CO2H
-HOP
-HOP
Eliminação 1,4 
do ácido fosfórico
Eliminação 1,2 
do ácido fosfórico
EPSPácido corísmico
ATP
Rotas Biossintéticas
CO2H
O
OH
CO2H
ácido corísmico
O
CO2H
OH
O
O
CO2H
O
H
H
PLP
OH
O
O
CO2HH
NH2
ácido prefênico ácido L-arogênico
NH2
HO O
 L-fenilalaninaácido fenilpirúvico
PLP
1) fenilalanina-amônia-liase 
(PAL; desaminação)
2) hidroxilação
CoAS O
4-hidroxicinamoil-CoA
OH
Rotas Biossintéticas
Fenilpropanóides
Rotas Biossintéticas
Cinnamomum zeylanicum 
(Lauraceae)
CHO
cinamaldeído
OCOCH3
acetato de cinamila
Pimpinella anisum (Umbelliferae)
OMe
anetol
Rotas Biossintéticas
Syzigium aromaticum 
(Myrtaceae)
OH
MeO
eugenol
Sassafras albidum (Lauraceae)
O
O
safrol
Rotas Biossintéticas
Lignanas 
e
Ligninas
Rotas Biossintéticas
Rotas Biossintéticas
Fenois simples
Rotas Biossintéticas
O
OH
HO
O
OH
HO OH
o-hidroxilação
fotoisomerização
da ligação dupla
 E Z
HO OH
COOH
O OHO
lactonização
espontânea
Umbeliferona
Cumarinas
Rotas Biossintéticas
Produtos Naturais
de via biossintética mista
OH
O
CoAS
OH
O
O
O
SCoA
O
3x malonil-CoA
4-hidroxicinamoil-CoA
OH
OO
O SCoA
O
OOH
HO O
OH
OOH
HO OH
OH
narigenina
(flavanona)
narigenina-chalcona
(chalcona)
Claisen
(chalcona sintase)
Rotas Biossintéticas
Rotas Biossintéticas
OOH
HO O
OH
OOH
HO O
OH
OH
OHOH
HO O
OH
OH
OH
HO O
OH
OH
O2
2-oxoglutarato
NADPH
NADPH
narigenina
(flavanona)
diidrocaempferol
(diidroflavonol)
leucopelargolidina
(flavan-3,4-diol; leucoantocianina)
afzalequina
(catequina)
TANINOS CONDENSADOS
Rotas Biossintéticas
Rotas Biossintéticas
Taninos Condensados
O
O O O
O O O O
SEnz
CO2H
O
O O O
reação aldólica
- H2O
NADPH
NADPH
OH O
O
OH
HO
OH O
O
OH
OH O
O
OH
OH
OH O
O
OH
CO2H
CO2H
O O O
HO
CO2H
O O O
HO
HO
OH O
O
OH
CO2H
OH O
O
OH
OH
OH O
O
OH
MeO
ANTRAQUINONAS
O -H2O -H2O
O O
endocrocina
emodinaphisciona rheina
chrysophanol islandicina
Rotas Biossintéticas
Diantronas: acoplamento oxidativo
OH
HO
OHO OH
HO
OHO
OH
HO
OHOH
-H
-1e
-1e
-H
OH
HO
OHO
OH
HO
OHO
OHOH
HO
O
acoplamento
radicalar
antrona
antranol
diantrona
Rotas Biossintéticas
Biossíntese do L-tryptophan
Rotas Biossintéticas
Alcaloides da Via do Ácido Chiquimico
Rotas Biossintéticas
Alcaloides da Via do Ácido Chiquimico
Rotas Biossintéticas
Alcaloides da Via do Ácido Chiquimico
Rotas Biossintéticas
Alcaloides da Via do Ácido Chiquimico
• Heterosídeos
Substâncias resultantes da ligação covalente de uma ou mais unidades 
de açúcar e outra estrutura diferente chamada de aglicona.
UTP + açúcar-1-fosfato UDP-açúcar + Pi
UDP-açúcar + aglicona Heterosídeo + UDP
N-heterosídeo
O-heterosídeo
C-heterosídeo
Rotas Biossintéticas
• Polissacarídeos
Substâncias resultantes da condensação de moléculas de açúcar
Oligossacarídeos (até 10C)
Polissacarídeo (mais que 10 C)
Rotas Biossintéticas
Fatores de influência no controle do 
metabolismo secundário
Prof. Marcio Adriano Andreo
Diadema - SP 55
Universidade Federal de São Paulo
Instituto de Ciências Ambientais, Químicas e Farmacêuticas
Fatores de Influência
56
Século IV a.C. 
Grécia
veneno cicuta (Conium maculatum) 
Coléta pela manhã
Maiores níveis de coniina.
Coniina - alcalóide
A morte de Sócrates (1787)
Jacques-Louis David (1748-1825), pintor francês
Importância do estudo dos fatores de influência57
Qualidade das matérias-primas vegetais;
Influência na qualidade e, conseqüentemente no valor terapêutico 
de preparados fitoterápicos;
Análise química detalhada de plantas destinadas ao uso 
terapêutico;
Detectar as condições e épocas para cultivo e/ou coleta que 
conduzam a uma matéria-prima vegetal com concentrações 
desejáveis de princípios ativos.
Entender interações ecológicas:
Planta X Planta
Planta X Insetos
Principais fatores
58
Fonte: Gobbo-Neto, L.; Lopes, N. P. Quim. Nova, Vol. 30, No. 2, 374-381, 2007 
Inter-relação entre os fatores
59
Conteúdo total e concentração
Desenvolvimento foliar e/ou surgimento de novos órgãos 
↓
Diluição na concentração
↓
Pode ter maior quantidade total, devido ao aumento de biomassa.
Alguns dos fatores apresentam correlações entre si e não atuam 
isoladamente:
desenvolvimento e sazonalidade;
índice pluviométrico e sazonalidade;
temperatura e altitude.
Fatores de Influência
Sazonalidade
60
Variações durante o ano
Quantidade ou natureza dos constituintes ativos
Praticamente todas as classes de metabólitos secundários:
Óleos essenciais;
Lactonas sesquiterpênicas;
ácidos fenólicos;
Flavonóides;
Cumarinas;
Saponinas;
Alcalóides;
Taninos;
Graxas epicuticulares;
Iridóides;
Glucosinolatos;
Glicosídeos cianogênicos.
Fatores de Influência
Sazonalidade
61
Hypericum perforatum (erva de São João):
hipericina e pseudo-hipericina
100 ppm – Inverno
3000 ppm - Verão.
Digitalis obscura: [ ] cardenolídeos
↓ na Primavera
Acumulo no verão
↓ no Outono
Lanatosídeo A
Hipericina
Fatores de Influência
Ritmo circadiano
62
Ciclo dia/noite - variações circadianas
Classes de metabólitos secundários:
Óleos essenciais;
Alcalóides;
Iridóides;
Glucosinolatos;
Glicosídeos cianogênicos;
tiocianatos
Fatores de Influência
Ritmo circadiano
63
Ocimum gratissimum (alfavaca):
variação de mais de 80%
Eugenol
[ ] máxima ao meio dia
[ ] mínima ao entardecer
Papaver somniferum:
variação de água no látex
↓ [ ] morfina e codeína
não varia o conteúdo final
Eugenol
Morfina
Fatores de Influência
Idade e desenvolvimento da planta
64
Tecidos jovens - ↑ taxa metabólica
Precisam de maior proteção
Planta Metabólito secundário Variação (desenvolvimento)
Arnica montana Lactonas
sesquiterpênicas
Jovens - ↑helenalina
6 semanas – 0%
Gentiana lutea Mangiferina Floração - ↑
Papaver soniferum Morfina Até 50° dia – 20 μg/g
50-75° dia – 120 μg/g
Tanacetum partenium partenolídeos ↑ Planta jovem
Mangiferina Partenolídeo helenalina
Fatores de Influência
Temperatura
65
Consequência de outros fatores
Baixas temperaturas – influência importante
Em geral - ↑ Temperatura - ↑ Óleos volateis
Planta Metabólito secundário Variação (temperatura)
Zea mays (milho) Antocianinas ↓Temp - ↑ mRNA p/ PAL
↑fenilpropanóides
Nicotiniana tabacum Escopolina
Ácido clorogênico
↓Temp - ↑ 4 a 5X 
Artemísia anua artemisina ↓Temp - ↑ 60%
↓precursor 
Escopolina
Artemisina
Ác. clorogênico
Fatores de Influência
Disponibilidade hídrica
66
Afeta fatores fisiológicos críticos
Indice anual de chuva
Em geral - estresse hídrico leva a aumento de metabólitos
Efeito varia com o grau de estresse
Chuva prolongada - lixiviação
Planta Metabólito secundário Variação (disp. hídrica)
Santolina rosmarinifolia Óleos essenciais ↑ água - ↑ Óleos
Phytolacca dodecandra Saponinas ↑ água - ↓ saponinas
Hypericum perfloratum diversos ↓ água - ↑ flavonóides
↑ hipericinas
↑ ác. Clorogênico
↓ hiperforinas
Fatores de Influência
Radiação Ultravioleta
67
correlação positiva :
Intensidade de radiação solar e produção de compostos fenólicos
(flavonóides, taninos e antocianinas).
Controle enzimático
flavonóides e fenilpropanóides :
Proteção contra a foto-destruição  absorver e/ou dissipar a energia
solar, dificultando assim a danificação dos tecidos mais internos pela
radiação UV-B.
Flavonóides:
Tecidos superficiais
Filtros UV (radiação UV-B) - sem alterar a radiação
fotossinteticamente ativa
Sequestradores de radicais e antioxidantes.
Fatores de Influência
Radiação Ultravioleta
68
Catharanthus roseus (vinca):
Radiação UV na faixa entre 290-380 nm
estimula a dimerização dos alcalóides
catarantina e vindolina em vimblastina
aumentando sua produção, bem como
de outros alcalóides diméricos.
Helianthus annuus (Girassol): 
uma exposição intensa leva a um maior nível biossintético de
lactonas sesquiterpênicas nos tricomas.
Fatores de Influência
Radiação Ultravioleta
69Metabólitos influenciados pela radiação ultravioleta
Fatores de Influência
Nutrientes - macronutrientes
70
Em geral:
Estresse nutricional resulta em aumento nas concentrações de
metabólitos secundários.
A produção global de metabólitos nitrogenados é aumentada com a
maior disponibilidade de nitrogênio no solo. (alcalóides, glicosídeos
cianogênicos e glucosinolatos)
Porem,
Aumento da biomassa da planta, a concentração destes nos tecidos
pode diminuir.
Fatores de Influência
Nutrientes - macronutrientes
71
Solos ácidos:
Redução na taxa de conversão de amônio a nitrato
Incorporação de nitrogênio inibida
Altos níveis de produção de metabólitos secundários (especialmente
compostos fenólicos).
Deficiências em N, P, S e K:
Maiores concentrações de derivados do ácido chiquímico
(especialmente ácidos cinâmicos simples e taninos hidrolisáveis e
condensados) .
Metabólitos derivados do mevalonato parecem não mostrar
correlações consistentes com estas mudanças
Fatores de Influência
Nutrientes - micronutrientes
72
Catharanthus roseus:
Tratamento de suspensões celulares
com cádmio pode aumentar em mais
de três vezes a produção de ajmalicina,
um dos alcalóides de interesse
comercial da planta, e sua excreção
para o meio de cultura.
Micronutrientes
Digitalis grandiflora (dedaleira):
Fornecimento de manganês e molibdênio
(borrifamento das folhas com soluções de sais
destes elementos)  aumento de mais de duas
vezes no conteúdo de heterosídeos cardioativos.
Fatores de Influência
Altitude
73
Altitudes maiores:
Maior susceptibilidade à radiação UV
Correlação positiva geralmente existente entre o conteúdo total de
flavonóides.
gênero Leontodon:
Correlação positiva entre a altitude do local de coleta (entre 30 e
2950 m) e conteúdo total de flavonóides.
aumento de altitude
↓ alcalóides diterpênicos de Aconitum napellus
↓ alcalóides piperidínicos de Lobelia inflata
↓óleos voláteis de tomilho e hortelã pimenta.
Aconitum napellus
Fatores de Influência
Poluição atmosférica
74
Glycine max (soja):
Fumigação das folhas com O3 : danos foliares e maior acúmulo dos
isoflavonóides cumestrol, daidzeína e sojagol.
NO2 e SO2: também causaram um acúmulo, porém bem menor,
destes isoflavonóides
Pinosilvina
Pinus sylvestris:
↑ O3 - forte indução na formação dos
estilbenos pinosilvina e pinosilvina-3-
metiléter. (aumento de centenas de vezes)
Cumestrol Daidzeina
Fatores de Influência
Poluição atmosférica
75
Digitalis lanata:
cultivada em casas de vegetação com atmosfera
enriquecida com CO2 (1000 ppm) produziu 3,5 vezes mais
digoxina .
Digoxina
Fatores de Influência
Estímulos mecânicos / Ataque de patógenos
76
Ferimentos (chuva, granizo, vento, areia, invasão por
patógenos e pastagem de herbívoros): podem influenciar a
expressão do metabolismo secundário.
Danos causados por ferimentos ou ataque de herbívoros ou
patógenos frequentemente levam a uma resposta bioquímica,
que reduz a aceitabilidade do órgão ou de todo o organismo a
ataques futuros.Fatores de Influência
Estímulos mecânicos / Ataque de patógenos
77
Fitoalexinas
resposta à invasão de patógenos.
Injúria causada por alimentação de insetos: a expressão gênica e/ou
formação de metabólitos secundários é induzida especificamente ou
mais rapidamente, devido a eliciadores presentes na saliva do inseto.
Tomate e batata:
Em resposta à alimentação por insetos
produzem rapidamente peptídeos inibidores
de proteinase, o que pode diminuir
significantemente a palatabilidade da planta
ou parte dela.
Abordagens na pesquisa
Estudos multidiciplinares
78
Estudos de Variações temporais e Espaciais
Coleta e estabilização da amostra
Preparo e analise das amostras
rapidez, reprodutibilidade e uma extração de metabólitos secundários o
mais próximo possível de 100%
Desenvolvimento e validação de metodologia analítica
Utilização de Técnicas hifenadas
HPLC-DAD e/ouHPLC-MS
Abordagens na pesquisa
Estudos multidiciplinares
79
SACRAMENTO, L. V. S. ; APPEZZATO-DA-GLORIA, B. In: 7º Simpósio Brasileiro de 
Farmacognosia, 2009, Maringá - PR. CD-ROM, 2009
Baccharis trimera (Less.) DC - Carqueja
Síntese de compostos fenólicos associada à 
infecção fúngica
Fitoalexinas
Coloração esverdeada pode ser 
atribuída reação de compostos
fenólicos com azul de toluidina.
Microscopia fotônica - cortes histológicos da ala
caulinar de Baccharis trimera (seta indica a
presença de infecção fungica)
80
Importância na indústria
Nacional e Internacional
La fora...
Estabelecimento das condições ideais para cultivo
Procura pelo local com as condições estabelecidas
Produção em escala industrial
Brasil...
Impera o Extrativismo
Conclusões
81
Metabolismo secundário de plantas pode variar
Constância de concentrações de metabólitos secundários é 
praticamente uma exceção. Contudo, há exceções.
Influência na qualidade da matéria prima, conseqüentemente no 
valor terapêutico de preparados fitoterápicos
Aprimoramento e investimento
estudos de domesticação
produção biotecnológica e melhoramentos genéticos
matérias-primas uniformes e de alta qualidade
Estudos visando detectar as condições e épocas para cultivo e/ou 
coleta que conduzam a uma matéria-prima vegetal com 
concentrações desejáveis de princípios ativos.
Plantas nativas do Brasil
Referências bibliográficas
GOBBO-NETO, L.; LOPES, N. P. Plantas medicinais: fatores de influência no 
conteúdo de metabólitos secundários. Quimica Nova, Volume 30, No. 2, 374-381, 
2007
SIMÕES, C. M. et al. Farmacognosia da planta ao medicamento. 5.ed. Porto 
Alegre: UFRGS/UFCS, 2003.
SACRAMENTO, L. V. S.; APPEZZATO-DA-GLORIA, B. Depósito de cera 
epicuticular anômalo em exsicatas de Baccharis trimera e síntese de compostos 
fenólicos associada à infecção fúngica. In: 7º Simpósio Brasileiro de 
Farmacognosia, 2009, Maringá - PR. CD-ROM, 2009.
Leituras complementares
DEWICK, P. M. Medicinal Natural Products: a biosynthetic Approach. John Wilwy
& Sons: New York, 1999.
82