Prof.Dr.Luis Carlos Figueira de Carvalho

METABOLISMO BÁSICO E ORIGEM DOS METABÓLITOS SECUNDÁRIOS

 1.    METABOLISMO

Dá-se o nome de metabolismo ao conjunto de reações químicas que continuamente estão ocorrendo em cada célula. A presença de enzimas específicas garante uma certa direção a essas reações, estabelecendo o que se denomina de rotas metabólicas. Os compostos químicos formados, degradados – ou simplesmente transformados- são chamados de metabólitos e as reações enzimáticas envolvidas, respectivamente, são designadas como anabólicas, catabólicas ou de biotransformação.

Essas reações almejam, primariamente, o aproveitamento de nutrientes para satisfazer as exigências fundamentais de cada célula: energia (ATP), poder produtor (NADPH) e biossíntese das substâncias essenciais à sua sobrevivência.

O metabolismo pode ser dividido em primário e secundário. Os processos metabólicos relacionados as principais macromoléculas (carboidratos, lipídeos, proteínas e ácidos nucléicos) apresentam um elevado grau de similaridade entre os diversos organismos, especialmente numa unidade sistemática, o que permite fazer generalizações. Por serem considerados processos essenciais à vida e comuns aos seres vivos, têm sido definidos como integrantes do metabolismo primário.

Vegetais, microorganismos e, em menor escala, animais, apresentam todo um arsenal metabólico capaz de produzir, transformar e acumular inúmeras outras substâncias não necessariamente relacionadas de forma direta à manutenção da vida do organismo produtor. Nesse grupo, encontram-se substâncias cuja produção e acumulação estão restritas a um número limitado de organismos, com bioquímica e metabolismo específicos e únicos, caracterizando-se como elementos de diferenciação e especialização (Wink, 1990). A todo este conjunto metabólico costuma-se definir como metabolismo secundário, cujos produtos, garantem vantagens para a sobrevivência e para a perpetuação da espécie, em seu ecossistema, embora não sejam essenciais para o produtor.

2.    ORGANIZAÇÃO E FISIOLOGIA CELULAR VEGETAL

Uma célula pode ser definida como um compartimento delimitado por uma membrana lipoproteica, dentro do qual encontramos uma solução aquosa concentrada de algumas substâncias essenciais à vida, sendo capaz de crescer e auto-replicar-se. Assim, a célula pode ser definida como a menor unidade estrutural e funcional dos organismos, sendo que, em todos eles, a sua constituição molecular é semelhante.

De maneira geral, todas as células contêm as mesmas moléculas orgânicas: os açúcares, os ácidos graxos, os aminoácidos e os nucleotídeos. Essas pequenas moléculas é que originarão as principais macromoléculas da célula: os carboidratos, os lipídios, as proteínas e os ácidos nucléicos.

2.1.        Organização celular

O que individualiza cada célula é a sua membrana. No interior de cada célula encontram-se macromoléculas (ribossomas, proteínas, ADN, ARN e carboidratos), moléculas orgânicas pequenas e íons inorgânicos, além de água.

As células eucariontes possuem várias organelas em seu citoplasma. As mitocôndrias são as casas de força das células, já que, através de reações oxidativas, convertem nutrientes em moléculas de trifosfato de adenosina (ATP). O reticulo endoplasmático (RE) consiste num sistema fechado de vesículas achatadas que se conectam formando uma rede de canais. O RE pode conter ribossomas na sua superfície, sendo, então, chamado de rugoso. É ali que as proteínas destinadas às membranas, aos lissosomas e as que serão liberadas da célula são sintetizadas. Outras proteínas são produzidas pelos ribossomas livres no citoplasma. O RE sem ribossomas é chamado de liso e está envolvido na síntese de lipídeos.

O complexo golgiense também é uma rede complexa de espaços delimitados por membranas, formando pilhas de vesículas achatadas que podem ser liberadas. Sua principal função está relacionada com a modificação e a classificação de proteínas para secretá-las ou transportá-las a outras organelas.

Os lissosomas são vesículas que contêm enzimas que degradam componentes celulares indesejados e estão envolvidos na degradação de substâncias obtidas pela célula por fagocitose ou pinocitose. Os peroxissomas contêm enzimas que utilizam oxigênio como agente de oxidação e produzem peróxido de hidrogênio, o qual, por sua vez, pode ser empregado como oxidante ou degradado por catalases também presentes nos peroxissomas.

Os endossomas e exossomas são vesículas envolvidas na troca de materiais entre a célula e seu entorno. As células vegetais ainda contêm cloroplastos, que são as organelas em que ocorre a fotossíntese, e vacúolos, os quais têm uma função estrutural e de estocagem, além da parece celular.

A célula eucariótica também contém um citoesqueleto para manter a estrutura das células e controlar seu movimento. Dá às células a organização e o transporte de suas organelas de uma parte à outra.

2.2.        Funções no organismo e importância dos metabólitos

Antigamente os metabólitos secundários eram considerados apenas como produtos da excreção do vegetal. Hoje se sabe que essa classe de metabólitos exercem funções como a defesa contra herbívoros e microorganismos, a proteção contra raios UV, a atração de polinizadores ou animais dispersores de sementes, bem como sua participação em alelopatias. Além disso, possuem elevada capacidade biossintética, tanto em relação ao número de substâncias produzidas quanto à sua diversidade numa mesma espécie.

Os metabólitos secundários, por serem fatores de interação entre microorganismos, frequentemente, apresentam atividades biológicas interessantes. Muitos são de importância comercial tanto na área alimentar, agronômica e da perfumaria, entre outras. Do ponto de vista farmacêutico, o maior interesse deriva principalmente do grande número de substâncias farmacologicamente importantes.

3.    METABOLISMO VEGETAL SECUNDÁRIO

            Na maioria das células e organismos, as rotas metabólicas de síntese, degradação e interconversão das moléculas essenciais, bem como as reações que visam à conservação de energia, são similares As rotas metabólicas dos metabólitos secundários, entretanto, não são tão gerais e talvez só sejam ativadas durante alguns estágios particulares de crescimento e desenvolvimento ou em períodos de estresse causados por limitações nutricionais ou ataques microbiológicos (Mann, 1987).

            Alterações no metabolismo primário podem afetar profundamente o secundário e, embora, o reverso não seja verdadeiro, alguns casos em que metabólitos secundários são convertidos em primários já foram descritos. Além disso, muitos metabólitos secundários são formados por seqüência de reações análogas àquelas do metabolismo primário. Portanto, a linha divisória entre metabolismo primário e secundário não é nítida.

            A origem de todos os metabólitos secundários pode ser resumida a partir do metabolismo da glicose, via dois intermediários principais, o ácido chiquímico origina os aminoácidos aromáticos, precursores da maioria dos metabólitos secundários aromáticos.

            Já os derivados do acetato podem ser classificados, segundo a via metabólica seguida em derivados do acetato, via ciclo do ácido cítrico; derivados do acetato, via mevalonato; produtos da condensação do acetato. Além disso, os metabólitos secundários podem ser encontrados na forma livre - as agliconas - ou estar ligados a uma ou mais unidades de açúcar, formando o que se denomina de heterosídeos.

            Embora não classificados como metabólitos secundários, os polissacarídeos, produtos da polimerização de unidades de açúcar, constituem uma importante classe de produtos naturais, de origem vegetal.

3.1.        Derivados do Ácido Chiquímico

            O ácido chiquímico é formado pela condensação aldólica de dois metabólitos da glicose: o fosfoenolpiruvato e a eritrose-4-fosfato. Uma vez formado, o ácido chiquímico pode ser metabolizado em ácido corísmico ou ácido gálico. Como o ph prevalente na planta torna os ácidos ionizados, tem-se, de fato, chiquimato, corismato e galato, respectivamente.

3.1.1.   Taninos Hidrolisáveis

            O 3-desidrochimato é o precursor imediato e preferencial do ácido gálico, uma das unidades de formação dos taninos hidrolisáveis, polímeros polifenólicos de elevado peso molecular, constituídos de unidades de açúcar e ácido gálico e/ou seus derivados.

3.1.2.   Álcaloides Derivados dos Aminoácidos Aromáticos

• Derivados do triptofano: alcalóides indólicos e quinolínicos

O ácido corísmico, resultante de uma molécula de ácido chiquímico e uma de fosfoenolpiruvato, origina os aminoácidos aromáticos, precursores de vários tipos de alcalóides. As vias biossintéticas que formam os aminoácidos aromáticos estão presentes em plantas, fungos e bactérias, mas não me animais.

Segundo Pelletier (1983) um alcalóide é um composto orgânico cílcico contendo um nitrogênio em um estado de oxidação negativo, que é de distribuição limitada entre os seres vivos.

Os alcalóides originam-se de aminoácidos, mas precisam de outros precursores. A redução do corismato e a incorporação de amônia conduzem, via ácido antranílico, ao aminoácido essencial triptofano, que é o precursor dos alcalóides indólicos. Os aminoácidos quinolínicos também derivam parcialmente do aminoácido triptofano. Outra parte da molécula deriva da logamina.

• Derivados de fenilalanina/tirosina: protoalcaloides, alcalóides isoquinolínicos e benzilisoquinolínicos

Um rearranjo intramolecular do ácido chiquímico produz o ácido prefênico. A descarboxilação deste, seguida de aromatização e aminação redutiva, produz o aminoácido fenilalanina. Uma rota alternativa, a partir do ácido prefênico, conduz à formação da tirosina. Esses aminoácidos originam vários protoalcaloides, substâncias que possuem o átomo de hidrogênio localizado num agrupamento amino, sem participar de um anel hetrocíclico, como nos demais alcalóides. Dentre os alcalóides isoquinolíicos pode-se destacar os alcalóides benzilisoquinolínicos.

3.1.3.   Fenilpropanoides

A fenilalanina, pela ação da enzima fenilalanina amonialiase (PAL), perde uma molécula de amônia, originando o ácido cinâmico. Os ácidos cinâmicos são precursores da maioria dos compostos classificados como fenilpropanóides (ArC3), compostos aromáticos com uma cadeia lateral de três átomos de carbono ligada ao anel aromático.

• Lignoides: Sob este termo encontram-se diversos grupos de substâncias, cuja origem biossintética resulta do acoplamento oxidativo de unidades de ácido cinânico ou seus derivados. Por isso também são considerados como dímeros de fenilpropanoides.
• Cumarinas: São derivados da 5,6-benzo-2-pirona (α-cromona). Originam-se do ácido trans-cinâmico que, por oxidação, resulta no ácido o-cumárico, cuja hidroxila fenólica condensa com um uma unidade de glicose.

3.2.        Produtos Derivados do Ácido Chiquímico e do Acetato

3.2.1.   Antraquinonas

As antraquinonas podem ser formadas via ácido chiquímico e acetato ou totalmente via acetato (acilpolimalonato). No primeiro caso, o ácido chiqímico reage com o ácido α-cetoglutárico, proveniente tanto da desaminação do ácido glutâmico quanto do ciclo do ácido cítrico, produzindo o ácido o-succinilbenzoico. Este produto mais o ácido mevalônico (proveniente do acetato) originam uma antraquinona.

3.2.2.   Flavonoides e taninos condensados

• Flavonoides: Constituem um grupo de pigmentos vegetais de ampla distribuição na natureza. Sua presença nos vegetais parece estar relacionada com funções de defesa e de atração de polinizadores. O esqueleto básico dos flavonóides, dois anéis aromáticos conectados por uma ponte de três átomos de carbono (C6-C3-C6), resulta de rotas biossintéticas separadas: a do ácido chiquímico e a do acetato, via ácido malônico.
• Taninos condensados: São polifenóis de elevado peso molecular, cuja função no organismo produtor é a defesa contra herbívoros, principalmente. São formados pela ligação de unidades de flavonóides. Eles são formados pela hidroxilação no C-3 de uma flavona, seguida por redução.

3.3.        Derivados do Acetato

            O acetato fornece as unidades acetila que compõem o intermediário reativo, acetil-tio-coenzima A, o verdadeiro precursor de vários grupos de substâncias, tais como os aminoácidos alifáticos, terpenóides, esteróis, ácidos graxos e triglicerídeos Os aminoácidos alifáticos origina-se no ciclo do ácido cítrico, enquanto que os demais derivam do mevalonato ou da condensação de unidades acetato.

3.3.1.   Produtos Originados a partir do Ciclo do Ácido Cíclico

            O ciclo do ácido cítrico ocorre na matriz mitocondrial e apresenta funções catabólicas. Muitas rotas metabólicas geram os intermediários desse ciclo, como o piruvato e a acetil-CoA, a qual é oxidada a . Os metabólitos reduzidos são usados na fosforilação oxidativa (síntese de ATP). Nesse ciclo também formam-se precursores da glicose, porfina e a maioria dos aminoácidos.

• Alcalóides derivados dos aminoácidos alifáticos ornitina e lisina

Os alcalóides pirrolidínicos, tropânicos e pirrolizínicos têm origem na ornitina. Compondo o grupo dos alcalóides pirrolidínicos podem ser encontradas substâncias relativamente simples, como, por exemplo, a higrina, e também alcalóides mais complexos, do tipo tropânico. Os alcalóides tropânicos constituem uma importante classe de substâncias de origem natural. Seu núcleo é formado pela condensação de um precursor pirrolidínico com três átomos de carbono derivados do acetato, os quais, por ciclização dão origem ao segundo anel do núcleo tropânico.

Os alcalóides pirrolidínicos derivam de duas moléculas de ornitina, as quais dão origem à estrutura pirrolizidínica que será esterificada por ácidos terpenóides estruturalmente complexos, formados de aminoácidos com uma cadeia carbonada ramificada (valina e isoleucina).

Os alcalóides piridínicos e piperidínicos podem ser originados através de diversas rotas metabólicas, dentre as quais uma que parte da lisina. Outra via parte de quatro resíduos do acetato, formando um policetoácido que, aravés de redução, transfromação e ciclização, origina o núcleo piperidina.

Glicosídeos cianogenéticos e glicosinolatos

Além dos alcalóides, outros compostos nitrogenados com função de proteção são encontrados nos vegetais. Os glicosídeos cianogenéticos e os glicosinolatos não são tóxicos como tal, mas podem hidrolisar facilmente, liberando substâncias voláteis altamente tóxicas. Os glicosídeos cianogenéticos formam ácido cianídrico, por hidrólise. Os glicosinolatos também derivam de aminoácidos e sua biossíntese é análoga a das angliconas dos glicosídeos cianogenéticos. O átomo de enxofre que liga a aglicona ao açúcar é fornecido por aminoácidos sulfurados, principalmente a cisteína.

3.3.2.   Produtos da Via Mevalonato

Derivados do isopreno (óleos voláteis, saponinas e heterosídeos cardiotônicos).

            O mevalonato é formulado da condensação de uma unidade da acetoaceti-CoA com uma molécula da acetil-CoA. Após a condensação aldólica, ocorre uma hidrólise originando 3-hidróxi-3-metilglutaril-CoA que é reduzida a mevalonato, numa reação irreversível. O mevalonato é então convertido em isopentil-pirosfato, ou isopreno ativo, a unidade básica na formação dos terpenos e esteroides.

3.3.3.   Produtos da Condensação da acetilCoA

            A condensação de unidade de acetato origina substâncias de longas cadeias carbonadas, os ácidos graxos, e estruturas cíclicas, as acetogeninas.

• Ácidos Graxos: uma etapa na biossíntese dos ácidos graxos é a carboxilação da acetil-CoA, mediada por biotina, a malonil-CoA, o verdadeiro substrato da etapa de alongamento da cadeia carbonada. A biossíntese inicia com complexação de um resíduo acetila e de um malonila a uma proteína especial. A segunda etapa consiste no acoplamento de um resíduo acetila e um malonila, com eliminações de  Numa sequência de ciclos que se repetem sete vezes a cadeia carbônica aumenta em dois carbonos por ciclo até a formação do ácido palmítico ( ). Os ácidos graxos insaturados geralmente são produzidos posteriormente por desidrogenação dos saturados.
• Acetogeninas: a condenação de unidades C2 derivadas do acetato, sem que haja redução, teoricamente forma um ácido β-policeto que, por eliminação de água, pode ciclizar de vários modos, originando anéis benzênicos ou pirônicos.

3.4.        Heterosídeos

Os heterosídeos são compostos resultantes da ligação covalente formada entre uma ou mais unidades de açúcar e outra estrutura diferente, chamada de aglicona. A rigor, a biogênese de um heterosídeo deve ser considerada desde a formação da aglicona até a ligação desta a uma ou mais unidades de açúcar.

A principal rota para a formação de heterosídeos envolve, em primeiro lugar, a fosforilação de um açúcar, que tanto pode ser uma pentose quanto uma hexose ou ainda um derivado de açúcar. O açúcar 1-fosfato formado reage, então, com uridina trifosfato (UTP), por ação das transferases, resultando em uridina difosfato-açúcar e fosfato inorgânico. Na etapa seguinte, mediada por uma glicosiltransferase, o UDP-açúcar reage com uma aglicona, resultando o heterosídeo e UDP livre. Uma vez que o heterosídeo foi formado, outras enzimas podem transferir outras unidades de açúcar à porção monossacarídica, convertendo-a em dissacarídeo. De forma análoga, pode haver a produção de tri e de tetrassacarídeos.

UTP + açúcar 1-fosfato→ UDP-açúcar + Pi

UDP-açúcar + aglicona → heterosídeo + UDP

3.5.        Polissacarídeos

            A condensação de moléculas de açúcar dá-se pelo estabelecimento de ligações osídicas formadas através de reações catalisadas por enzimas entre uma hidroxila hemiacetálica de um monossacarídeo e uma hidroxila alcoólica de outra.

 4.    REFERÊNCIAS

SIMÕES, C.M.; SCHENKEL, E.P.; GOSMANN, G.; MELO, J.C.P. Farmacognosia: da planta ao medicamento. 6ª ed. Porto Alegre: Ed da UFRGS/ Florianópolis: Ed. Da UFSC, 2007. 1104p.