ROTAS METABÓLICAS E METABÓLITOS DE INTERESSE VEGETAL

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ROTAS METABÓLICAS E METABÓLITOS DE INTERESSE VEGETAL
Metabolismo
Conjunto de reações químicas que ocorrem continuamente na célula. A direção dessas reações é condicionada por enzimas específicas e os produtos formados são chamados de metabólitos. As reações podem ser anabólicas (reações de síntese, como por exemplo a união de aminoácidos para construção de uma proteína) ou catabólicas (a quebra de moléculas maiores em fragmentos menores, como a quebra de açucares em monossacarídeos menores).
Visam o aproveitamento de nutrientes para suprir as necessidades da célula: Produção de energia (ATP), poder de quebra (NADPH) e biossíntese de macromoléculas essenciais a sobrevivência.
De acordo com a teoria evolucionista, todos os seres vivos derivam de um precursor comum, do qual conservam algumas características. Portanto as principais macromoléculas dos seres vivos são basicamente as mesmas (carboidratos, lipídeos, ácidos nucleicos);
Por serem essenciais a sobrevivência e comuns aos seres vivos, essas reações fazem parte do metabolismo primário.
Entretanto, os seres vivos também produzem outras substâncias, que não estão relacionadas com a manutenção da vida, mas conferem diversas vantagens: Metabolismo secundário.
Os matabólitos secundários possuem uma elevada capacidade biossintética, tanto em número quanto em diversidade de produção. Eles são produzidos de acordo com necessidades ecológicas, ou seja, sobrevivência e adaptação: Proteção aos raios UV do sol; ataque de fungos e bactérias, proteção contra herbívoros, alelopatia, etc.
Os secundários são os principais metabólitos de interesse Farmacêutico, também na área alimentar, cosmética... devido a grande variedade de substâncias e as ações farmacológicas interessantes.
Devido a importância dos metabólitos secundários, se faz necessário o estudo da biogênese e regulação dos mesmos, para que o homem possa direcionar a produção desses metabólitos.
Rotas biossintéticas
Primeiramente é necessário relembrar alguns conceitos importantes.
Célula: Compartimento delimitado por uma membrana lipoprotéica, dentro da qual encontra-se uma solução aquosa contendo substâncias essenciais, sendo capaz de autorreplicação e crescimento. Em outras palavras: Menor unidade estrutural e funcional dos organismos. São divididas em dois grandes grupos: Procariontes (Sem membrana nuclear bactérias, micoplasmas) eucariontes (com membrana, mais complexas como células animais, vegetais...)
Todas as células possuem as mesmas moléculas orgânicas: açucares, ácidos graxos, aminoácidos e nucleotídeos, que dará origem a moléculas maiores, as macromoléculas: carboidratos, lipídeos, proteínas e ácidos nucleicos.
As reações metabólicas ocorrem em órgãos específicos das células (eucariontes). Uma função importante do núcleo, além de conter as informações genéticas, é a produção de NAD+.
Mitocôndrias: A casa de força das células, lá são é produzido o ATP (adenosida trifosfato libera energia quando quebrado), também é nas mitocôndrias que ocorre a cnversão do piruvato em acetilCoA, ciclo do ácido cítrico, ciclo de Krebs.
Retículo endoplasmático: produção de proteínas;
Aparelho de Golgi: Modificação, seleção e transporte das proteínas;
Lisossomas: contém enzimas que degradam componentes indesejados;
Peroxissomas: Produzem peróxido de hidrogênio (utilizado em algumas reações metabólicas) possuem enzimas que degradam ácidos graxos de cadeia longa;
Endossomas e exossomas: trocas de materiais entre as células;
Citoesqueleto: Constituido de actina e microtúbulos – forma e movimento as células;
Cloroplastos: células vegetais – onde ocorre a fotossíntese e estocagem.
Fotossíntese
Oganismos heterotróficos: necessitam da obtenção de nutrientes através da dieta;
Autotróficos: Capazes de sintetizar compostos orgânicos necessários a sobrevivência a partir de compostos inorgânicos, utilizando energia solar.
Fase luminosa: moléculas de clorofila absorvem quantum da luz, excitando os elétrons, tornando a molécula ativada – esses elétrons são transportados até NADP, formando NADPH. A clorofila que perdeu um elétron, fica carregada positivamente e recebe um elétron de uma molécula de água, gerando um gradiente eletroquímico, utilizado na produção de ATP;
Fase escura: O NADPH formado é utilizado para redução do CO2, depois de uma série de reações, é formada a sacarose, que é distribuída aos tecidos.
Fisiologia vegetal e compartimentos
Fatores que influenciam processos metabólicos: Hereditariedade, ontogenia (estágio de desenvolvimento) e ambiente.
As células possuem mecanismos para condução dos componentes formados aos locais de estocagem.
Os metabólitos secundários mais hidrofílicos tendem a ser armazenados nos vacúolos, enquanto que os lipofílicos se acumulam em ductos de células mortas ou ligam-se a membranas, ceras e lignina.
A compartimentalização é de importância para a sobrevivência do vegetal. Ex: glicosídeos cianogenéticos são armazenados em vacúolos de células epidérmicas, isolados de hidrolases. Somente em situações onde os tecidos são danificados (mastigação) ocorre interação dessas substâncias e formação de HCN (cianureto). Proteção contra herbívoros.
Metabolismo secundário
As reações bioquímicas não ocorrem de forma independente, o metabolismo primário está diretamente relacionado a produção dos metabólitos secundários.
O metabolismo secundário pode ser resumido com o metabolismo d glicose (figura) via dois intermédios principais: Via ácido chiquímico e acetato. 
O chiquímico origina aminoácidos aromáticos, precursores da maioria dos metabolitos secundários aromáticos.
Alguns grupos de substâncias se originam não apenas de uma das vias, mas da combinação de unidades do ácido chiquímico e acetato (antraquinonas, taninos condensados e flavonoides).
Os derivados do acetato podem ser classificados segundo a rota metabólica em: Derivados do acetato bia ciclo ácido cítrico – derivados do acetato via mevalonato – produtos de condensação do acetato. 
Também podem ser encontrados de forma livre, chamados de Agliconas, ou estar ligados a açucares, formando heterosideos.
Derivados do chiquimato
o ácido chiquimico pode ser metabolizado em ácido corísmico ou ácido gálico. Como o pH da planta torna os ácidos ionizáveis, tem-se: chiquimato, corismato e galato.
Taninos hidrolisáveis
O 3-desidrochiquimato é precursor do ácido gálico, uma das unidades dos taninos hidrolisáveis, polímeros de alto peso molecular constituídos de unidades de açúcar, ácido gálico e seus derivados.
Alcalóides derivados de aminoácidos aromáticos
Derivados do triptofano: alcaloides indólicos e quinolínicos – O ácido corísmico origina os aminoácidos aromáticos, precursores de vários tipos de alcaloides. As vias formadoras dos aminoácidos aromáticos estão presentes em plantas, fungos e bactérias, mas não em animais. Por isso os aminoácidos aromáticos, fenilalanina e tirosina são nutrientes essenciais na dieta.
Os alcaloides são uma classe representada por um número muito grande de substâncias, sendo difícil de ser definida quimicamente. Originam-se de aminoácidos, entretanto outras substâncias como terpenos e esteroides são necessários, tornando difícil a localização dentro de uma das rotas metabólicas citadas, portanto eles são classificados de acordo com o aminoácido precursor.
O triptofano é essencial a formação dos alcaloides e também unidades C2 provenientes do piruvato ou unidades C9 e C10 do mevalonato.
Os alcaloides indólicos mais complexos derivam de 3 esqueletos monoterpênicos formando os tipos aspidospermano, corinano e ibogano.
Os alcaloides quinolínicos também derivam parcialmente do triptofano, outra parte da loganina.
Derivados da fenilalanina/tirosina: protoalcalóides, alcaloides isoquinolínicos e benzilisoquinolínicos
O ácido corísmico produz o ácido prefênico, que por sua vez produz a fenilalanina. Uma rota alternativa do prefênico produz tirosina. Fenilalanina e tirosina originam vários protoalcalóides. Ex: efedrina (dopping) produzida a partir da fenilalanina;A tirosina é precursor de vários aminoácidos e alcaloides isoquinolínicos, presentes no cactos conhecido como peiote, que tem ação alucinógena devido ao protoalcaloide mesalina;
Dentre os alcaloides isoquinolinicos, pode-se destacar um grupo de interesse em farmacologia: os alcaloides benzilisoquinolínicos, também denominados alcaloides do ópio, fazem parte desse grupo a morfina e codeína.
Fenilpropanóides
A fenilalanina, pela ação da enzima fenilalanina amonialiase (PAL) perde uma molécula de amônia originando o ácido cinâmico. A regulação dessa enzima PAL é um fator crítico na produção de metabólitos do chiquimato. Nas plantas, a atividade da PAL está sob controle de vários fatores, como hormônios, nutrientes, luz, infecção por patógenos, lesões. A infecção por fungos por exemplo, estimula a síntese de PAL, estimulando a produção de compostos fenólicos.
Os ácidos cinâmicos são precursores da maioria dos fenilpropanóides. O próprio ácido cinâmico é classificado como um fenilpropanoide.
A redução da cadeia lateral dos ácidos cinamicos também conduz a formação de compostos importantes dos óleos voláteis, como o eugenol e anetol
Muitos fenólicos simples desempenham papel de proteção do vegetal contra insetos, herbívoros, outros também são citados com propriedades alelopáticas. Os fenilpropanoides são unidades formadoras de fenóis mais complexos.
Lignóides
A biossíntese resulta do acoplamento oxidativo de unidades de ácido cinâmico e seus derivados.
Dentre eles encontra-se a lignina, que depois da celulose é a substância mais abundante nos vegetais. São polímeros de fenilpropanos, altamente ramificado. Uma das funções principais é proporcionar dureza ao vegetal.
Cumarinas
São derivados do alfa-cromona, originados do ácido trans-cinâmico, resultado no ácido o-cumárico, cuja hidroxila condensa com uma glicose, formando a cumarina, que é conduzida a formação de pirano ou furanocumarinas.
Produtos derivados do ácido chiquímico e acetato
Antraquinonas
Podem ser formadas via ácido chiquímico e acetato ou totalmente via acetato.
No caso de ac chiquimico+acetato, o ac chiquimico reage acido alfa-cetoglutárico, produzindo o ácido O-succinilbenzóico. Este produto juntamente com o acido mevalonico (proveniente do acetato) originam uma antraquinona.
Flavonoides
Grupos de pigmentos de ampla distribuição. Estão associados com função de defesa e atração de polinizadores.
O esqueleto é composto de 2 anéis aromáticos conectados por uma ponte de 3 átomos de carbono, que resulta de rotas separadas: acido chiquimico e a do acetato, via ácido mevalônico. A primeira origina fenilalanina, o precursor do ácido cinâmico, que por sua vez origina o ácido cumárico, responsável pelo anel aromático B e a ponte de 3 carbonos. A segunda resulta no anel A do esqueleto básico. Figura 8 livro
Taninos condensados
Polifenois de alto peso molecular, que também possuem papel de defesa, principalmente contra herbívoros. São formados geralmente por unidades de flavan-3-óis ou flaval-3,4-dióis. São formados por uma hidroxilação no anel C3 de uma flavona, seguida por redução.
Derivados de acetato
O acetato fornece unidades acetila que compõem o ativo Acel-coA, o verdade precursor de vários grupos de substâncias, como aminoácidos alifáticos, terpenóides, esteróis, ácidos graxos e triglicerídeos.
Produtos originados a partir do ciclo do ácido cítrico
O ciclo ocorre na matriz mitocondrial, apresentando funções anabólicas e catabólicas. Os metabólitos produzidos são utilizados na fosforilação oxidativa para produção de ATP. Fornece também precursores da glicose e unidades de acetil-CoA para biossíntese de ácidos graxos.
Aspartato e glutamina são aminoácidos importantes originados nessa vida, além de seus derivados lisina e orinitina, importantes precursores de vários alcaloides.
Glicosinolatos e glicosídeos cianogenéticos também são derivados de animonácidos da via do acido cítrico.
Alcaloides derivados dos aminoácidos alifáticos ornitina e lisina
Alcaloides são uma classe grande e heterogênea.
Os alacaloides pirrolidínicos, tropânicos e pirrolizinidínicos são derivados da ornitina.
Os tropânicos são uma classe importante, como por ex. a escopolamina (buscopan).
Os pirrolizinidínicos, ou alcaloides do senécio, derivam de duas moléculas de ornitina.
Os piridínicos e piperidínicos são originados de várias rotas metabólicas, uma parte da lisina, outra de 4 resíduos do acetato. Ainda há possibilidade da biossíntese partindo do glicerol e ac aspártico, tendo o ac nicotínico como intermediário.
Duas moléculas de lisina originam o alcaloide lupinina, um dos precursores dos alcaloides quinolizidínicos, que podem reagir entre si formando os tetracíclicos
Glicosídeos Cianogenéticos e glicosinolatos
Também tem função de proteção. Isolados não são tóxicos, mas podem hidrolisar facilmente liberando substância voláteis tóxicas;
Os vegetais que produzem esse grupo de substância também produzem enzimas necessárias para a hidrólise e liberação de toxinas, como o HCN. Os glicosídeos e enzimas necessárias para hidrólise ficam em compartimentos separados, sendo liberadas no processo de mastigação das plantas por herbívoros.
Os glicosinolatos também derivam de aminoácidos, e a biossíntense é análoga a das agliconas, sendo responsáveis pelo aroma e gosto dos vegetais como repolho e brócolis.
Produtos da via mevalonato
Derivados do isopreno (óleos voláteis, saponinas e heterosídeos cardiotônicos)
O mevalonato é formado da condensação de uma unidade de acetoacetil-CoA com uma molécula de acetil-CoA, depois ocorrem reações irreversíveis de hidrólise e redução formando o mevalonato. Esse é depois convertido em isopreno ativo, que é a unidade básica de formação do esteroides e terpenos. A polimerização do mevalonato origina moléculas de cadeiras cabonadas, a reação aumenta de 5 em 5 carbonos, dando origem a monoterpenos – sesquiterpenos – diterpenos, terminando em esteroides, triterpenos modificados e triterpenos pentacíclicos.
Mono e sesquiterpenos são as principais substâncias que compõem os óleos voláteis;
Dentre os triterpenos e esteroides de origem vegetal de importância, estão as saponinas;
Os heterosídeos cardiotônicos tem seu núcleo fundamental originado do colesterol, também derivado da ciclização do esqualeno.
Produtos de condensação da acetilCoA
Condensação de unidades de acetato, também chamada de via do acilpolimalonato, origina substancias de longas cadeias carbonadas, que são ácidos graxos, e acetogeninas
Ácidos graxos
A síntese começa com a complexação de um resíduo de acetila a um de malonila, a uma proteína especial. A segunda etapa consiste no acoplamento dos mesmos resíduos, com liberação de CO2, numa sequencia que se repete 7 vezes, onde a cadeia carbonada aumenta de 2 em 2 C até a formação do ácido plamítico.
A desidrogenação e exidação dos ácidos graxos dará origem a outros produtos de cadeia longa. Os esterificados com álcoois dão origem a triglicerídeos e lipídeos.
Acetogeninas
A condensação de C2 derivadas do acetato forma um ácido beta-policeto, que por eliminação de água pode cliclar de vários modo, originando anéis benzênicos ou pirrônicos.
Heterosídeos
Estruturas formadas pela ligação de uma ou mais unidades de açúcar a uma aglicona. A rota de várias agliconas já foram mencionadas, como flavonoides e antracênicos.
O açúcar da estrutura deve estar em sua forma cíclica, sendo a hidroxila responsável pelo ponto de ligação, que gerará alfa ou beta heterosídeos. Se a ligação estiver num grupo amina, será um N-heterosídeo, se for resultante de uma ligação C-C, será C-heterosídeo, também há os O-heterosídeos.
Muitas substâncias farmacologicamente ativas são heterosídeos. A atividade vem provavelmente da aglicona, entretanto a molécula de açúcar pode alterar algumas características e atividades da substância.