biossíntese de metabólitos secundários

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Nos anos mais recentes, tem havido um renascimento no interesse pela 
bioquímica vegetal e investimentos globais em pesquisa nesse importante setor é uma 
tendência. As plantas são uma fonte renovável de energia e seus produtos são 
essenciais para a sobrevivência da humanidade neste planeta. A expansão atual em 
biologia molecular vegetal tem mostrado que nosso conhecimento sobre o metabolismo 
básico vegetal necessita ser refinado para manter-se ao nível dos avanços que são 
possíveis na engenharia genética. Este conhecimento torna-se particularmente 
importante quando se observa a taxa de crescimento populacional global e a 
consequante demanda de alimentos, medicamentos e outros produtos vegetais de 
importância comercial. 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
 O organismo vivo pode ser considerado um laboratório biossintético não só no 
que se refere aos compostos químicos (carboidratos, proteínas, lipídios) utilizados como 
alimentos pelos seres humanos e pelos animais, mas também no que se refere a uma 
infinidade de compostos (glicosídeos, alcalóides, terpenóides) que exercem efeitos 
fisiológicos. Na maioria das vezes são estes últimos os responsáveis pelas atividades 
terapêuticas de plantas e animais. São chamados de substâncias do metabolismo 
secundário, ou, metabólitos secundários, ou, quando responsáveis por efeitos 
terapêuticos, princípios ativos. 
 
 
 
 
 
COMPLEMENTANDO: os princípios ativos são distingüidos dos componentes inertes, que também 
estão presentes nos medicamentos de origem vegetal e animal. A celulose, a lignina, a suberina e a cutina 
costumam ser consideradas componentes inertes dos medicamentos de origem vegetal. Além disso, o 
amido, a albumina, os corantes e outras substâncias podem não desempenhar atividade farmacológica 
definida, sendo também considerados componentes inertes. Nos medicamentos de origem animal, a 
queratina, a quitina, as fibras musculares e o tecido conjuntivo são considerados inertes. Muitas vezes a 
presença de substâncias inertes pode modificar ou impedir a absorção ou a potência dos princíp ios ativos. 
Para eliminar os efeitos indesejáveis dos materiais inertes no medicamento em estado natural ou em suas 
preparações, extraem-se os princípios ativos, que são cristalizados e purificados para fins terapêuticos. 
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2. METABOLISMO PRIMÁRIO E METABOLISMO SECUNDÁRIO 
 
 Metabolismo primário é aquele que se refere a todas as vias metabólicas 
necessariamente envolvidas com o metabolismo essencial, vital para a célula. Já o 
metabolismo secundário, como o próprio nome diz, é secundário, não essencial para a 
sobrevivência do organismo. 
 O estudo do metabolismo fundamental e vital para organismos viventes tem 
levado ao conhecimento detalhado dos processos envolvidos. Uma complexa rede de 
reações catalisadas por enzimas é agora evidente, o qual começa com dióxido de 
carbono e fotossíntese e leva até diversos compostos denominados metabólitos 
primários, por ex., aminoácidos, acetil-coenzima A, ácido mevalônico, acúcares e 
nucleotídeos. Esta intricada rede de reações bioquímicas vitais é conhecida como 
metabolismo primário. 
 Para facilitar o entendimento pode-se imaginar o metabolismo geral como um 
complexo e moderno projeto de rede ferroviária, onde as principais estações 
intermediárias das linhas são os compostos orgânicos primários e os terminais das 
ramificações são os compostos secundários. 
 Os metabólitos secundários são distinguidos mais precisamente dos 
metabólitos primários pelos seguintes critérios: eles têm uma distribuição restrita, sendo 
encontrados principalmente em plantas e microorganismos e são muitas vezes 
característicos de determinados gêneros, espécies ou cepas. Eles são formados através 
de vias especializadas a partir de metabólitos primários. Metabólitos primários, ao 
contrário, têm uma ampla distribuição em todos os organismos viventes e são 
intimamente envolvidos nos processos essenciais para a vida. Os metabólitos 
secundários não são essenciais à vida, embora sejam importantes para os organismos 
que os produzem.. Qual é essa importância, entretanto, permanece ainda em grande 
parte desconhecida. 
 É interessante notar que os metabólitos secundários são biossintetizados a partir 
de um punhado de metabólitos primários: -aminoácidos, acetil-coenzima A, ácido 
mevalônico e intermediários do ácido shikímico. São estes “pontos iniciais” para a 
elaboração dos metabólitos secundários que permitem a sua classificação e também a 
sua discussão como pequenos grupos. 
 
3. FOTOSSÍNTESE 
 Na fotossíntese, a energia luminosa é 
convertida em energia química e o carbono é 
“fixado” em compostos orgânicos. Ela é 
realizada em duas séries de reações químicas 
que ocorrem em seqüência. Na primeira, 
conhecida como fase luminosa, a clorofila e 
outros pigmentos absorvem a luz do sol e 
utilizam sua energia para produzir as 
moléculas que transferem energia - trifosfato 
de adenosina (ATP) e adenina dinucleotídeo 
fosfato, coenzima II (NADPH2). Tais reações 
químicas consomem água (H2O) e liberam 
 
 3 
oxigênio (O2). Na segunda série, também chamada fase escura, as enzimas utilizam a 
energia armazenada no ATP e NADPH2 para combinar dióxido de carbono (CO2) com 
água, produzindo açúcares. 
 O primeiro produto da fotossíntese, a glicose, sofre ação rapidamente de enzimas 
que a convertem em amido, que não se dissolve em água e fica armazenado em 
minúsculos grãos, dentro das células vegetais. Outras enzimas convertem o amido em 
sacarose, que vai pelo floema para as raízes, os ramos e as flores, partes da planta nas 
quais não ocorre fotossíntese. As enzimas das raízes e dos frutos convertem a sacarose 
em amido para ser armazenado. 
 A fotossíntese ocorre em estruturas lentiformes chamadas cloroplastos; dentro 
deles se empilham finos discos, chamados tilacóides. As regiões do cloroplasto que 
contêm pilhas de tilacóides são chamadas grana. A fase luminosa da fotossíntese ocorre 
nos tilacóides, que contêm clorofila e as enzimas necessárias para produzir ATP e 
NADPH2. As moléculas dessas substâncias se deslocam dos tilacóides para o líquido 
circundante, chamado estroma, onde ocorrem as reações no escuro. Uma membrana 
dupla envolve o cloroplasto inteiro. 
O mecanismo de acoplamento quimio-
osmótico da fosforilação. Neste processo os 
prótons são bombardeados através da 
membrana dos tilacóides, do exterior 
(estroma) para o interior ((espaço do 
tilacóide), como resultado do arranjo doa 
carreadores de elétrons na membrana. A 
concentração de prótons no espaço dos 
tilacóides eleva-se, em parte, devido à lise 
da água e em parte devido à oxidação da 
plastoquinona (PQ) na face mais interna da 
membrana. Quando os prótons fluem a favor 
do gradiente do espaço do tilacóide 
retornando ao estroma, o ADP é fosforilado 
à ATP pela ATPsintase. Para cada três 
prótons que passam através da ATP sintase, 
um ATP é sintetizado. O C de CF0 e CF1 
significa "cloroplasto". Em: RAVEN, P.H. Biologia 
Vegetal, Guanabara Koogan, 1996. 
Um resumo do ciclo de Calvin. A cada volta completa, 
uma molécula de dióxido de carbono entra no ciclo. Seis 
voltas são resumidas aqui - o número necessário para 
produzir duas moléculas de gliceraldeído 3-fosfato e 
portanto uma molécula de glicose. Seis moléculas de 
ribulose 1,5-bisfosfato (RuBP), um composto de cinco 
carbonos, combinam-se com seis moléculas de dióxido 
de carbono produzindo 12 moléculas de 3-fosfoglicerato, 
um composto de três carbonos. Estes são reduzidos a 
12 moléculas de gliceraldeído 3-fosfato. Então estas 
moléculas de três carbonos são rearranjadas para 
formar as seis moléculas decinco carbonos da RuBP. 
As moléculas "extras" de gliceraldeído 3-fosfato 
representam o ganho líquido do ciclo de Calvin; elas 
servem como ponto de partida para a síntese de 
açúcares, amido e outros componentes celulares. A 
energia que "movimenta" o ciclo de Calvin é o ATP e o 
NADPH produzidos pelas reações dependentes de luz. 
Em: RAVEN,P.H., Biologia Vegetal, Guanabara 
Koogan, 1996. 
 
 
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4. BIOSSÍNTESE DOS METABÓLITOS SECUNDÁRIOS 
 
 Os processos de biossíntese que levam à formação dos componentes 
secundários usados como medicamentos foram objeto da investigação científica durante 
quase todo o século XX. Já em 1912, o químico suiço G. Trier afirmava que os 
aminoácidos e seus derivados simples servem de precursores para os alcalóides 
estruturalmente complexos. No entanto, foi só quando se teve acesso aos compostos 
orgânicos marcados por isótopos, na segunda metade do século, que se obteve a 
confirmação de que esta e outras hipóteses químicas sugeridas poderiam ser 
concretizadas. 
FIQUE POR DENTRO DA FOTOSSÍNTESE: a equação geral da fotossíntese é: 
CO2 + 2H2A + energia luminosa  (CH2O) + H2O + 2A 
na qual H2A representa a água ou alguma outra substância que possa ser oxidada (isto é, a partir da qual 
elétrons possam ser removidos) e o (CH2O) representa carboidrato. 
A primeira etapa da fotossíntese é a absorção da energia luminosa pelas moléculas dos pigmentos. Os 
pigmentos envolvidos na fotossíntese dos eucariontes incluem as clorofilas e os carotenóides, que se 
encontram empacotados nos tilacóides dos cloroplastos constituindo unidades fotossintetizantes 
denominadas fotossistemas. A luz absorvida pelas moléculas dos pigmentos impulsiona os seus elétrons 
para níveis mais elevados de energia. A maneira pela qual moléculas dos pigmentos se organizam nos 
fotossistemas permite que elas sejam capazes de transferir esta energia para as moléculas especiais de 
pigmentos encontradas nos centros de reação. A maioria dos organismos fotossintetizantes possui dois 
fotossistemas, o Fotossistema I e o Fotossistema II. 
Nem todas as reações fotossintetizantes exigem luz; há as “reações dependentes de luz” e as “reações 
independentes de luz”. No modelo atualmente mais aceito sobre as reações dependentes de luz, a energia 
luminosa entra no Fotossistema II, onde é aprisionada pelas moléculas de clorofila P680 do centro de reação. 
A partir de P680, os elétrons são impulsionados para níveis mais elevados de energia, onde são aceitos por 
um aceptor de elétrons. À medida que os elétrons são removidos de P680, eles são substituídos por elétrons 
de baixa energia das moléculas da água, havendo a produção de oxigênio. Os pares de elétrons, à medida 
que têm sua energia dissipada, passam para o Fotossistema I percorrendo uma cadeia transportadora de 
elétrons; esta passagem gera um gradiente de prótons que direciona a síntese de ATP a partir de ADP e 
fosfato (fosforilação). Enquanto isso, a energia absorvida pelo Fotossistema I é transferida para as 
moléculas de clorofila P700 dos centros de reação do Fotossistema I. Os elétrons energizados são finalmente 
aceitos pela molécula da coenzima NADP+ e os elétrons removidos de P700 são substituídos por elétrons 
provenientes do Fotossistema II. A energia produzida pelas reações dependentes de luz é armazenada em 
moléculas de NADPH e no ATP formado na fotofosforilação. A fotofosforilação também ocorre no fluxo 
cíclico de elétrons, um processo que não necessita do Fotossistema II. 
Nas reações independentes de luz, que ocorrem no estroma dos cloroplastos, o NADPH e o ATP 
produzidos pelas reações dependentes de luz são utilizados para reduzir o dióxido de carbono à forma de 
carbono orgânico. Este processo de redução é conseguido através do ciclo de Calvin, onde a molécula de 
dióxido de carbono é combinada com um composto inicial, um açúcar de 5 átomos de carbonos chamado 
1,5-bifosfato (RuBP), para formar 2 moléculas do composto de 3 átomos de carbono, o 3-fosfoglicerato 
(PGA). A cada volta do ciclo, um átomo de carbono é incorporado ao ciclo. 6 voltas no ciclo produzem 2 
moléculas de 3 carbonos, o gliceraldeído 3-fosfato. A cada volta do ciclo, RuBP é regenerada. Embora a 
glicose comumente seja representada como um produto final da fotossíntese, a maior parte do carbono 
fixado é convertida em sacarose ou amido. 
 5 
 Um exame mais detalhado desse metabolismo vegetal revela numerosas 
interconexões metabólicas entre as várias classes de produtos naturais, conforme 
representado na figura abaixo (baseado em esquema apresentado em Robbers e outros, 
Farmacognosia e Farmacobiotecnologia, 1997): 
 
 
 Processo metabólico Produtos do Metabólitos 2
arios 
 1
ario
 do carbono metabolismo 1
ario
 correspondentes 
Fotossíntese
Glicólise
açúcares
Fosfoenolpiruvato
Piruvato
Acetil-CoA
Ciclo dos ác. tricarboxílicos
CO2
CO2 O2
Eritrose
PO4
Ácido chiquímico
a.a aromáticos
a.a. alifáticos
Malonil-CoA
Isopreno
Esqualeno
Carboidratos
Proteínas
Ácidos graxos
(lipídeos)
Glicosídeos
Polissacarídeos complexos
Antibióticos aminoglicosídeos
Fenilpropanóides
Alcalóides
Peptídeos
Penicilinas
Cefalosporinas
Gorduras e ceras
Eritromicinas
Tetraciclinas
Antraquinonas
Terpenóides
Esteróides
 
 
 
4.1. VIA DO ÁCIDO CHIQUÍMICO 
Um composto de importância indiscutível foi isolado em 1885 a partir do fruto de 
Illicium religiosum. Foi dado o nome de ácido chiquímico a este composto, nome este 
derivado de "shikimi-no-ki" , o qual era o nome em japonês da planta. Ácido chiquímico é 
um intermediário chave na biossíntese de aminoácidos aromáticos, L-fenilalanina, L-
tirosina e L-triptofano, em plantas e microorganismos. Estes três aminoácidos são 
precursores individualmente importantes para numerosos metabólitos secundários. 
A via biossintética para aminoácidos aromáticos através do ácido chiquímico é 
denominada via do chiquimato ou via do ácido chiquímico. Tem sua origem no 
metabolismo dos carboidratos e apresenta diversas características interessantes. Talvez 
esta via pudesse ser chamada de via do clorismato uma vez que no ácido clorísmico 
que a via biossintética fragmenta em diferentes linhas que terminam nos aminoácidos 
aromáticos vitais e diversos outros compostos. Parece, entretanto, que a biossíntese de 
metabólitos microbianos divergem um tanto na linha principal no estágio próximo ao 
ácido dehidroquínico. 
 6 
Em plantas superiores o polímero lignina e vários metabólitos secundários 
aromáticos, notadamente muitos alcalóides e flavonóides, são formados a partir dos 
aminoácidos aromáticos L-fenilalanina e/ou L-tirosina (para alguns alcalóides bem como 
alguns metabólitos microbianos, o triptofano é a fonte para seus particulares anéis 
aromáticos). Há, para esses metabólitos, vias comuns que levam à biossíntese de inter 
intermediários fenilpropanóicos (C6-C3). 
 
Biossíntese dos compostos aromáticos pela via do ácido chiquímico 
Extraído de EVANS, W.C., Trease and Evans ' Pharmacognosy, 14 ed., WB Saunders Company Ltd, 1996 
 
 
A via do ácido chiquímico é também importante na formação de alguns taninos, 
vanilina e unidades de fenilpropano das flavonas e cumarinas. 
 
 
 7 
4.2. VIA DOS POLICETÍDEOS 
O ácido acético é 
encontrado nos sistemas 
viventes como seu éster de 
coenzima A. Este é um tioéster 
reativo e um composto pivô na 
biossíntese. Por outro lado é 
envolvido na formação de 
importantes ácidos graxos de cadeia longa e seus produtos de transformação. Por outro 
lado ainda, é a fonte de pequenos fragmentos na biossíntese de numerosos metabólitossecundários. Há, portanto, um grande grupo de metabólitos cujas estruturas são 
simplesmente baseadas, assim como os ácidos graxos, na quase exclusiva repetição de 
unidades de acetato. 
A condensação linear de Claisen envolvendo diversos resíduos acetil derivados 
do malonil-CoA leva, com concomitante perda de CO2, a estruturas policetídeas 
(acetogenina) - -(CH2-CO)n-. A condensação direta (sem redução) e ciclização origina 
várias estruturas aromáticas. A biossíntese dos policetídeos aromáticos tem que ser 
distingüida da via biossintética dos ácidos graxos, onde os policetídeos sofrem redução 
e desidratação para formar hidrocarbonetos alifáticos. As estruturas policetídeas ligadas 
a enzimas são muito reativas e devem ser temporariamente estabilizadas por ligação 
com hidrogênio ou quelação sobre as enzimas de superfície. 
Diferentes mecanismos de ciclização são provavelmente guiados pela topologia 
das diferentes enzimas que catalisam a 
formação de diferentes fenólicos. Os sistemas de 
anéis aromáticos são ou formados por 
condensação aldólica, isto é, reação do grupo 
carbonila com grupo CH2, ou condensação de 
Claisen, isto é, reação do grupo tioéster com um 
grupo CH2. 
 
 
 
Dois exemplos de ciclização de policetídeo por condensação aldólica 
(isto é, C-3 para C-8) ou condensação de Claisen (isto é, C-1 para C-6). 
Em : Trease and Evans' Pharmacognosy. 
 
Um mecanismo típico envolvendo condensações aldólicas de um hipotético 
composto policetometileno pode levar à antraquinona crisofanol em Rhamnus frangula 
(Rhamnaceae). 
As variações entre as estruturas fenólicas derivadas de policetídeos decorrem de 
1) a unidade inicializadora da cadeia, isto é, uso de propionil-CoA, butiril-CoA, malonil-
CoA ou hidroxicinamoil-CoA (por exemplo, 4-cumaroil-CoA na biossíntese de 
flavonóides); 
2) o número de unidades de malonil-CoA envolvidas; 
3) modificações posteriores por oxidação ou redução; 
4) introdução de substituintes e conjugações (por exemplo, O- ou C- glicosilações). 
 
 
 8 
 
4.3. VIA DO ÁCIDO MEVALÔNICO (ou, do isopreno) 
 Os policetídeos formam um grupo de metabólitos que são baseados em padrões 
de repetição de unidades de acetato. Há um outro grupo de metabólitos, amplamente 
espalhados na natureza e ricos em diversidade química, que é baseado em outra 
unidade repetidora: o isopreno. 
Cerca de 100 anos atrás, começou a ser identificado como um produto da 
decomposição térmica da borracha e outros, compostos naturais de fragrância de baixo 
peso molecular. Como resultado de extensa investigação, Ruzicka publicou, em 1953, 
sua "regra biogenética de isopreno", a qual preconizava que a aposição de unidades de 
isopreno, ligadas cabeça a cauda, poderia ser usada para explicar não somente a 
formação de borracha e de monoterpenos mas também muitos outros produtos naturais, 
incluindo alguns tais como esteróis e triterpenos, de constituição complexa. 
Exemplos de sínteses 
envolvendo a via dos 
policetídeos. 
Em: Trease and Evans 
Pharmacognosy 
cabeça 
cauda 
Molécula de isopreno: 
 9 
 Com o objetivo de investigar a validade da regra do isopreno, pesquisadores 
iniciaram aprofundados estudos bioquímicos. Dentre os grandes avanços, um dos 
principais foi a descoberta em 1956 do ácido mevalônico e a demonstração de sua 
incorporação, pelos tecidos vivos, em todos os compostos para os quais a regra do 
isopreno era aplicada. Ácido mevalônico (ácido 3,5-dihidroxi-3-metilvalérico) é um ácido 
de 6 átomos de carbono e, como tal, não é a unidade de "isopreno ativa" que forma os 
blocos construtores básicos dos compostos isoprenóides. Em virtude dos estudos 
posteriores, foi estabelecido que o composto de 5 átomos de carbono que se estava 
buscando há tanto tempo era o isopentenil pirofosfato; é derivado do ácido mevalônico 
pirofosfato por decarboxilação e desidratação. A síntese isoprenóide então procede pela 
condensação do isopentenil pirofosfato com o isomérico dimetilalil pirofosfato para 
produzir geranil pirofosfato. Posteriores unidades de C5 são adicionadas por adição de 
mais isopentenil pirofosfato. 
Estágios preliminares na biossíntese de compostos isoprenóides. 
Em: Trease and Evans' Pharmacognosy 
 
 10 
 Os múltiplos de unidades de isopreno em terpeno (terpeno = 2 isoprenos) servem 
para classificar em: C10, monoterpenos; C15, sesquiterpenos; C20, diterpenos; C30, 
triterpenos, aos quais os esteróides são intimamente relacionado; C25, sesterpenos. 
Aplicação da regra do isopreno, ilustrando a incorporação de unidades C5. 
Em: Trease and Evans' Pharmacognosy. 
 
 
prof 
a 
Nilce Nazareno de Caetano 
Disciplina de Farmacognosia I 
Departamento de Farmácia 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ