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Metabolismo Secundário Lázaro E. P. Peres 1

METABOLISMO SECUNDÁRIO

Lázaro E. P. Peres Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz -

lazaropp@esalq.usp.br

1. INTRODUÇÃO 2. COMPOSTOS FENÓLICOS 3. TERPENOS 4. ALCALÓIDES 5. IMPORTÂNCIA ECOLÓGICA 6. IMPORTÂNCIA ECONÔMICA 7. BIBLIOGRAFIA

1. INTRODUÇÃO

em primário e secundário

Uma das características dos seres vivos é a presença de atividade metabólica. O metabolismo nada mais é do que o conjunto de reações químicas que ocorrem no interior das células. No caso das células vegetais, o metabolismo costuma ser dividido

Entende-se por metabolismo primário o conjunto de processos metabólicos que desempenham uma função essencial no vegetal, tais como a fotossíntese, a respiração e o transporte de solutos. Os compostos envolvidos no metabolismo primário possuem uma distribuição universal nas plantas. Esse é o caso dos aminoácidos, dos nucleotídeos, dos lipídios, carboidratos e da clorofila.

Em contrapartida, o metabolismo secundário origina compostos que não possuem uma distribuição universal, pois não são necessários para todas as plantas. Como conseqüência prática, esses compostos podem ser utilizados em estudos taxonômicos (quimiosistemática). Um exemplo clássico são as antocianinas e betalainas, as quais não ocorrem conjuntamente em uma mesma espécie vegetal (Fig. 1). As betalainas são restritas a dez famílias de plantas, pertencentes a ordem Caryophyllales, que conseqüentemente não possuem antocianinas. Como a beterraba (Beta vulgaris) pertence a uma dessas famílias (Chenopodiaceae), a coloração avermelhada de suas raízes só pode ser atribuída à presença de betalainas, e não às antocianinas, como erroneamente costuma se pensar.

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Caryophyllales (Ex. Chenopodiaceae)

Figura 1. Exemplo de dois compostos do metabolismo secundário que podem ser utilizados em taxonomia. A betacianidina é um alcalóide com propriedades químicas (solubilidade em água) e físicas (coloração) semelhante às antocianinas. Contudo, as betacianidinas só ocorrem em famílias de plantas pertencentes a ordem

Embora o metabolismo secundário nem sempre seja necessário para que uma planta complete seu ciclo de vida, ele desempenha um papel importante na interação das plantas com o meio ambiente. Um dos principais componentes do meio externo cuja interação é mediada por compostos do metabolismo secundário são os fatores bióticos. Desse modo, produtos secundários possuem um papel contra a herbivoria, ataque de patógenos, competição entre plantas e atração de organismos benéficos como polinizadores, dispersores de semente e microorganismos simbiontes. Contudo, produtos secundários também possuem ação protetora em relação a estresses abióticos, como aqueles associados com mudanças de temperatura, conteúdo de água, níveis de luz, exposição a UV e deficiência de nutrientes minerais.

Existem três grandes grupos de metabólitos secundários: terpenos, compostos fenólicos e alcalóides (Fig. 2). Os terpenos são feitos a partir do ácido mevalônico (no citoplasma) ou do piruvato e 3-fosfoglicerato (no cloroplasto). Os compostos fenólicos são derivados do ácido chiquímico ou ácido mevalônico. Por fim, os alcalóides são derivados de aminoácidos aromáticos (triptofano, tirosina), os quais são derivados do ácido chiquímico, e também de aminoácidos alifáticos (ornitina, lisina).

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Figura 2. Principais vias do metabolismo secundário e suas interligações

A seguir iremos considerar cada um dos três grandes grupos de compostos do metabolismo secundário.

2. COMPOSTOS FENÓLICOS

Os fenólicos são um grupo de compostos bastante presentes no nosso dia a dia, embora nem sempre nos demos conta disso. Desse modo, muito do sabor, odor e coloração de diversos vegetais que apreciamos são gerados por compostos fenólicos. Alguns desses compostos, como o aldeído cinâmico da canela (Cinnamomum zeyllanicum) e a vanilina da baunilha (Vanilla planifolia), são inclusive empregados na indústria de alimentos.

Os compostos fenólicos não são apenas atrativos para nós, mas também para outros animais, os quais são atraídos para polinização ou dispersão de sementes. Além disso, esse grupo de compostos é importante para proteger as plantas contra os raios UV, insetos, fungos, vírus e bactérias. Há inclusive certas espécies vegetais que desenvolveram compostos fenólicos para inibir o crescimento de outras plantas competidoras (ação alelopática). Exemplos de compostos fenólicos com ação alelopática são o ácido caféico e o ácido ferúlico.

ambiente úmidos, como briófitas e pteridófitas, são pobres em compostos fenólicos

Além de sua importância na proteção das plantas contra fatores ambientais e bióticos adversos, acredita-se que os compostos fenólicos tenham sido fundamentais para a própria conquista do ambiente terrestre pelas plantas. Esse é o caso da lignina, a qual proporcional o desenvolvimento do sistema vascular, dando rigidez aos vasos. De modo coerente com essa hipótese, plantas primitivas que habitam principalmente

Quimicamente dizendo, os chamados compostos fenólicos são substâncias que possuem pelo menos um anel aromático no qual ao menos um hidrogênio é substituído por um grupamento hidroxila. Esses compostos são sintetizados a partir de duas rotas metabólicas principais: a via do ácido chiquímico (Fig. 3) e a vida do ácido mevalônico, a qual é menos significativa.

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Figura 3. Via do ácido chiquímico para biossíntese de compostos fenólicos e alguns alcalóides. Uma importante enzima nessa via é a fenilalanina amônio liase (PAL) a qual produz o ácido cinâmico. Uma importante classe de compostos derivada do ácido cinâmico são as ligninas, já que essas nada mais são do que um polímero de fenilpropanos altamente ramificado.

Como pode ser observado na figura 3, o ácido chiquímico é formado pela condensação de dois metabólitos da glicose, ou seja, o fosfoenolpiruvato e a eritrose-4- fostato. O próximo passo dessa via e a formação do ácido corísmico através da junção do ácido chiquímico e uma molécula de fosfoenolpiruvato. O ácido corísmico por sua vez gera os aminoácidos aromáticos (triptofano, fenilalanina e tirosina) que são precursores de vários alcalóides. Contudo, um dos primeiros grupos de compostos fenólicos formados a partir do ácido corísmico são os fenilpropanóides. Esses compostos costumam ser voláteis, sendo considerados, juntamente com os monoterpenos (ver adiante), óleos essenciais. Os fenilpropanóides são também precursores da lignina, já que esta nada mais é do que um polímero de fenilpropanos, altamente ramificado. Contudo, não se sabe ainda ao certo a estrutura molecular das ligninas.

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transgênicas resistentes a herbicidas, como por exemplo a soja Roundup Ready®

A via do ácido chiquímico é presente em plantas, fungos e bactérias, mas não em animais. Por isso, os aminoácidos triptofano e fenilalanina são considerados essenciais. Como a tirosina pode ser formada a partir da fenilalanina, ela não é considerada essencial na dieta humana. Uma importante enzima nessa via é 5-enolpiruvil-3- fosfochiquimato (EPSP sintase). O herbicida glifosato é um conhecido inibidor dessa enzima. Existe um gene que codifica uma forma mutante da enzima EPSP, a qual deixa de ser inibida pelo glifosato. Tal gene tem sido utilizado para produção de plantas

na defesa das plantas contra patógenos (Fig. 4)

Contudo, a principal enzima da via do ácido chiquímico é a fenilalanina amônio liase (PAL). Essa enzima retira uma amônia da fenilalanina formando o ácido cinâmico. A PAL é regulada por fatores ambientais como o nível nutricional, a luz (pelo efeito do fitocromo) e infecção por fungos. Entre as substâncias formadas após a ação da PAL estão o ácido benzóico, o qual dá origem ao ácido salicílico, um importante composto

Figura 4. Principais compostos fenólicos derivados da enzima fenilalanina amônio liase (PAL).

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Outra importante classe de compostos derivados da PAL é representada pelos flavonóides (Fig 4). Embora os flavonóides sejam quase ausentes em fungos, algas, briófitas e pteridófitas1 , sua importância nas angiospermas é muito grande. Esses

transportadores ABC

compostos estão envolvidos principalmente na sinalização entre plantas e outros organismos e na proteção contra UV. No que se refere à sinalização entre plantas e outros organismos, pode se incluir nesse item a relação entre os vegetais e seus agentes polinizadores, sendo a coloração das flores um dos principais atrativos. Exemplos de compostos que as plantas utilizam para colorir suas flores são as antocianinas, uma classe de flavonóides. As antocianinas são glicosídeos de flavonóides (Fig. 1). A aglicona (molécula sem o açúcar) é conhecida como antocianidina. As antocianinas são bastante solúveis e se acumulam nos vacúolos das células das pétalas. Elas são transportadas para os vacúolos por intermédio de glutationa-S-transferase (GST) e os

Além da ação da PAL, para que haja biossíntese de flavonóides, é necessária a atuação de uma outra importante enzima. Trata-se da chalcona sintase (CHS). Algumas espécies vegetais sofreram uma mutação nessa enzima, o que deu origem a acumulação de estilbenos, uma classe de compostos relacionados aos flavonóides (Fig. 5). O resveratrol é um estilbeno de grande importância, pois acredita-se que ele diminui o risco de doenças cardíacas. Fontes de resveratrol são a uva (Vitis vinifera) e o amendoim (Arachis hypogea).

Figura 5. Biossíntese de flavonóides. A enzima chalcona sintase (CHS) é a principal enzima envolvida na biossíntese de antocianinas, isoflavonóides e taninos. Uma forma mutada da CHS é representadas pela estilbeno sintase (STS), a qual dá origem ao resveratrol.

A enzima CHS é necessária para que haja formação de importantes flavonóides como as antocianinas, os flavonóis, os taninos condensados e os isoflavonóides (Fig. 5). Os flavonóis são os próprios precursores de antocianinas e dos taninos condensados. Contudo, ps flavonóis, por si só, já desempenham um importante papel absorvendo a vegetal.

Metabolismo Secundário Lázaro E. P. Peres 7 radiação UVB (280-320 nm) para proteção das plantas. Um conhecido exemplo de flavonól é a quercetina (Fig. 13).

Os isoflavonóides são também conhecidos como fitoalexinas, ou seja, uma classe de compostos com ação antipatógenos (e.g. medicarpina) ou inseticida (e. g. rotenóides).

(antocianidinas), após degradação

Os taninos condensados são compostos fenólicos solúveis em água com massa molecular entre 500 a 3.0 Daltons. Esses compostos são responsáveis pela adstringência de muitos frutos. Taninos são defesas contra pragas pois eles se ligam a proteínas digestivas dos insetos. Esses compostos também são denominados protoantocianidinas devido ao fato de produzirem pigmentos avermelhados

3. TERPENOS

com o número de unidades de isopreno que entraram em sua montagem (Tab. 1)

Pode se dizer que as plantas possuem dois tipos básicos de polímeros: os ácidos nucléicos (DNA e RNA) e as proteínas. Contudo existe uma terceira classe de compostos que se assemelham aos polímeros. Trata-se dos terpenos. Na verdade, cada unidade básica dos terpenos assemelha-se mais a uma peça de lego, do que propriamente um monômero. Aproveitando a analogia com esse conhecido brinquedo, o equivalente a cada peça de lego seria uma molécula de cinco carbonos denominada isopreno ou isopentenilpirofosfato. Desse modo, os terpenos são classificados de acordo

Tabela 1. Principais terpenóides encontrados nas plantas. Notar que os terpenóides são precursores de quatro classes hormonais: as citocininas (CKs), o ácido abscísico (ABA), as giberelinas (GAs), e os brassinoesteróides (BR).

# Isoprenos # Átomos de C Nome Exemplos 1 5 Isopreno Cadeia lateral das Cks 2 10 Monoterpeno piretróides e óleos essenciais 3 15 Sesquiterpeno ABA, lactonas 4 20 Diterpeno GAs, taxol 6 30 Triterpeno Esteróides (BR), saponinas 8 40 Tetraterpeno Carotenóides N N Polisopreno Borracha

vegetais

Como pode ser observado na tabela 1, muitos compostos vegetais importantes são terpenos ou possuem derivados de terpenos em partes de sua molécula. Entre esses compostos encontram-se, inclusive, quatro, das seis principais classes de hormônios

Como mencionado anteriormente, os terpenos são montados através da justaposição sucessiva de unidades de cinco carbonos denominado isopentenilpirofosfato (IPP). O IPP é derivado do ácido mevalônico ou mevalonato e dá origem a todos os outros terpenos (Fig. 6). Contudo, é necessário salientar que enquanto os monoterpenos (C10), sequiterpenos (C15) e diterpenos (C20) são montados pela adição de uma molécula C5 de cada vez, os triterpenos (C30) são o resultado da junção de duas moléculas C15 (FPP) e os tetraterpenos de duas moléculas C20 (GP).

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Figura 6. Biossíntese de terpenos. O isopreno é representado aqui como uma unidade básica, semelhante aos bloquinhos do brinquedo lego. A junção de duas unidades de isopreno ou isopentenilpirofosfato (IPP) forma o geranilpirofosfato (GPP), o qual é precursor dos monoterpenos. A adição de mais um IPP gera o farnesilpirofostato (FPP), o qual origina os sesquiterpenos. A adição de mais um IPP a um FPP origina o geranilgeranilpirofosfato (GP), sendo este o precursor dos diterpenos. A junção de dois FPPs dá origem aos triterpenos. De modo semelhante, são precisos dois GGPPs para obtermos um tetraterpeno.

A seguir iremos considerar cada um dos principais grupos de terpenos dando ênfase aos compostos vegetais mais importantes que fazem parte de cada grupo.

Os monoterpenos, devido ao seu baixo peso molecular, costumam ser substância voláteis, sendo portanto denominados óleos essenciais ou essências. Contudo nem todos os óleos voláteis são terpenóides; alguns podem ser compostos fenólicos (fenilpropanóides). Os monoterpenos podem ocorrer em pêlos glandulares (Lamiaceae), células parenquimáticas diferenciadas (Lauraceae, Piperaceae, Poaceae); canais oleíferos (Apiaceae) ou em bolsas lisígenas ou esquizolisígenas (Pinaceae, Rutaceae). Eles podem estar estocados em flores (laranjeira), folhas (capim-limão, eucalipto, louro) ou nas cascas dos caules (canelas), madeiras (sândalo, pau-rosa) e frutos (erva-doce).

A função dos óleos essenciais nas plantas pode ser tanto para atrair polinizadores (principalmente os noturnos) quanto para repelir insetos (pragas). Entre o primeiro grupo estão o limoneno e o mentol (Fig 7), os quais possuem cheiro agradável também para nós. Um exemplo clássico do segundo grupo são os piretróides (Fig 7). Esses compostos são inseticidas naturais derivado do cravo-de-defunto (Chrysanthemum spp).

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conhecidos inseticidas domésticos para repelir pernilongos
Figura 7. Estrutura de alguns óleos voláteis

A volatilidade desse inseticida tem sido bastante útil para o desenvolvimento dos

Muitos sesquiterpenóides também são voláteis e, assim como os monoterpenos, estão envolvidos na defesa contra pragas e doenças. Dois exemplo são o gossypol (dímero de C15), o qual está associado à resistência a pragas em algumas variedades de algodão, e as lactonas, presentes na família Compositae e responsáveis pelo gosto amargo de suas folhas. Alguns sesquiterpenos são considerados fitoalexinas, como a rishitina de tomateiro. Contudo, a maior parte das fitoalexinas são na verdade compostos fenólicos (isoflavonóides).

Os diterpenos normalmente estão associados às resinas de muitas plantas. Um exemplo é a resina cicatrizante de Hymenaea courbaril. Contudo, talvez o principal papel desempenhado por um diterpeno seja o das giberelinas, as quais são importantes hormônios vegetais responsáveis pela germinação de sementes, alongamento caulinar e expansão dos frutos de muitas espécies vegetais.

(testosterona, progesterona), plantas (brassinoesteróides) e insetos (ecdiesteróides)

Entre os triterpenos está uma importante classe de substâncias tanto para vegetais quanto para animais. Trata-se dos esteróides, os quais são componentes dos lipídios de membrana e precursores de hormônios esteróides em mamíferos

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