Download TEMA 3 - BioScripts

TEMA 3
LOS FENOLES DAN SABOR Y OLOR
A LA VIDA
Buchanan et al, Box 24.6
Buchanan et al, Box 24.6
FENILPROPANOIDES
FLAVONOIDES
Buchanan et al, Fig 24.44 y 24.45
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS
COMPUESTOS FENÓLICOS
*Contienen un anillo aromático con un grupo -OH
(fenol)
*Familia heterogénea
*Suelen ser ácidos, solubles en agua, y pueden formar puentes
de H
*Pueden establecer interacciones con grupo peptídico (taninos)
*Los fenoles con grupo catecol pueden quelar metales
*Muy susceptibles a oxidación (antioxidantes)
*La mayoría son derivados fenilpropanoides
*Un grupo numeroso e importante: flavonoides
*Hay estructuras monoméricas, diméricas (lignanos) y
poliméricas (lignina y taninos)
PRINCIPALES FUNCIONES DE LOS FENOLES
*Pigmentos (antocianinas, flavonas y flavonoles)
*Sustancias defensivas
-tóxicas (taninos)
-fitoalexinas (furanocumarinas, isoflavonoides)
-disuasores alimentarios (taninos)
*Reguladores interacciones planta-microorganismos
-rizobios
-Agrobacterium
*Protectores frente a UV
*Sustancias alelopáticas (ácido cafeico, ácido ferúlico)
*Función estructural
-lignina
-suberina
FUNCIONES DE LOS COMPUESTOS FENÓLICOS
Pigmentos de flores
Pigmentos
de frutos
Petunidina
(antocianina) en
Atropa
belladonna
Cianidina
(antocianina)
en Rosa
Aureusina (aurona) en
Antirrhinum
Disuasores
nutritivos
Agentes anti-fúngicos
Sustancias
alelopáticas
Juglona en Juglans regia
Taninos en Quercus robur
Luteona en Lupinus
FUNCIONES DE LOS COMPUESTOS FENÓLICOS
Fitoalexinas
Pisatina
(isoflavona) en
Pisum sativa
Psoraleno
(furanocumarina)
en Petroselinum
crispum
Resveratrol
(estilbeno)
en Arachis
hypogaea
cacahuete
guisante
perejil
Infecta a
Produce
RESVERATROL
Botrytis cinerea
Gen de la ESTILBENO
SINTASA
Produce RESVERATROL
Resitencia aumentada a
Botrytis cinerea
PRINCIPALES FUNCIONES DE LOS
COMPUESTOS FENÓLICOS
SIMBIOSIS/PARASITISMO
Rizobios
Agrobacterium
PLANTAS PARÁSITAS
Orobanche (jopo)
Striga (hierba bruja)
SÍNTESIS DE LOS COMPUESTOS FENÓLICOS
LA RUTA DEL MALONATO-ACETATO
(Ruta de los policétidos)
Cebador (Acetil-CoA) + Malonil-CoA
Acetil-CoA:
CH3-CO-S-CoA
Malonil-CoA:
HOOC-CH2-CO-S-CoA
Cadena policétida:
ciclación
-CH2-CO- CH2-CO- CH2-CO-
Azcón-Bieto y Talón, Fig 17-9
COMPUESTOS FENÓLICOS DERIVADOS DE
LA RUTA DEL ÁCIDO MALÓNICO
THC = Tetrahidrocannabinol
Cannabis sativa sativa
Cannabis sativa indica
SÍNTESIS DE THC
TERPENO
Vía de los
policétidos
FENOL
GLÁNDULAS DE CANNABIS
RUTA DEL ÁCIDO
SIQUÍMICO
(plastos)
Buchanan et al, Fig 8.24
IMPORTANCIA DE LA RUTA DEL ÁCIDO SIQUÍMICO
EN EL METABOLISMO SECUNDARIO Y PRIMARIO
ERITROSA-4-P
PEP
DIANA DEL
GLIFOSATO
EPSP sintasa
Ácido Siquímico
EPSP sintasa
PEP
Ácido 5-enolpiruvilsiquímico-3-P
Phe
Trp
Tyr
SOJA RESISTENTE A GLIFOSATO
(EEUU, datos de Monsanto)
Azcón-Bieto y Talón, Fig 29-15
PLANTAS TRANSFORMADAS RESISTENTES A GLIFOSATO
ALGODÓN
EPSP sintasa insensible
SOJA
EPSP sintasa insensible
REMOLACHA
EPSP sintasa insensible
GLIFOSATO OXIDASA
METABOLISMO
PRIMARIO
PAL
METABOLISMO
SECUNDARIO
Buchanan et al, Fig 20.18
FENILALANINA AMONIO LIASA
(PAL)
Función catabólica
MICROORGANISMOS (permite el crecimiento con Phe
como fuente de N y C)
PLANTAS
Desvía Phe del metabolismo
primario al secundario
ANIMALES
No existe
FENILALANINA AMONIO LIASA (PAL) Y
SÍNTESIS DE FENILPROPANOIDES
PAL
COOH
COOH
NH2
NH3
Fenilalanina
Ácido trans-cinámico
NH3
FENILPROPANOS
RECICLAJE DEL N DE LA FENILALANINA
AROGENATO
L-Glu
Buchanan et al, Fig 24.51
SUSTRATOS DE LA PAL
L-Phe
Ácido trans-cinámico
L-Tyr
Ácido p-cumárico
*La enzima de DICOTILEDÓNEAS es altamente
específica para L-Phe
*La enzima de algunas MONOCOTILEDÓNEAS
puede usar también L-Tyr
*La enzima de algunas bacterias fotosintéticas tiene
mayor especificidad por L-Tyr
FENILALANINA AMONIO LIASA DE
PLANTAS
•Homotetrámero
•Varias isoenzimas con distinta regulación
•Inducción de de la síntesis de PAL
-agentes físicos (UV, baja T, daños en tejidos)
-agentes biológicos (patógenos, herbívoros)
-déficit de nutrientes (N, P)
•Activación de la PAL
-regulación por moduladores alostéricos
-inhibición por proteasas específicas
MacDonald MJ, D´Cunha GB (2007). A modern view of phenylalanine
ammonia lyase. Biochem Cell Biol, 85, 273-282.
COMPUESTOS
FENILPROPANOIDES Y ESTRÉS
ALTA LUZ/UV
HERIDAS
anti-herbívoro
antimicrobianos
Patógenos
Baja Temperatura
Déficit Fe
Déficit N
Déficit P
Plant Cell, 7, 1085-1097, 1995
USOS DE LA PAL
*Análisis cuantitativo de Phe en pacientes con
fenilcetonuria
*Preparación de dietas con bajo contenido en Phe
*Síntesis de Phe, revertiendo la reacción fisiológica
•Fenilcetonuria: enfermedad metabólica
derivada de la incapacidad de metabolizar
la Phe
•Defectos: En las enzimas fenilalanina
hidroxilasa o en la dihidropterina
reductasa
•Consecuencias: retraso mental
•Prevención: dietas bajas en Phe
Fenilalanina
RUTA DEL
MALONATOACETATO
PAL
Ácido trans-cinámico
Derivados del ácido
benzoico
Fenilpropanos simples
Coumarinas
FENILPROPANOIDES
CHALCONA
SINTASA
FLAVONOIDES
Precursores de la
lignina
Flavonas,
Isoflavonas y
Flavonoles
Antocianinas
Taninos
condensados
Fenilalanina
RUTA DEL
MALONATOACETATO
PAL
Ácido trans-cinámico
FENILPROPANOIDES
ESTILBENO
SINTASA
ESTILBENOS
(resveratrol)
Tyr
FENILPROPANOIDES
Fenilpropanos simples
*ácido cafeico
*ácido ferúlico
*ácido sinápico
Cumarinas
*hidroxicumarinas
*furanocumarinas
Derivados del ácido benzoico
*ácido salicílico
*vainillina
HIDROXICUMARINAS
CUMARINAS
-umbeliferona
-esculetina
-escopoletina
-comerciales:
DICUMAROL, WAFARINA
FURANOCUMARINAS
-Psoraleno
-Derivados del psoraleno:
Bergapteno
Xantotoxina
Isopimpinelina
PUVA
(psoraleno
+ UVA)
Melilotus alba
Heracleum mantegazzianum
FUENTES DE CUMARINAS
-Citrus bergamia
-Dipteryx odorata
-Ruta graveolans
Citrus bergamia
Dipteryx odorata
SÍNTESIS DE LIGNINA, LIGNANOS Y
POLÍMEROS RELACIONADOS
Phe
Ácido trans-cinámico
Tyr
Ácido p-cumárico
MONOLIGNOLES
ALCOHOL
ALCOHOL
ALCOHOL
p-CUMARÍLICO
SINAPÍLICO
CONIFERÍLICO
LIGNANOS
LIGNINA
Polímeros relacionados
(dímeros)
(polímero)
en tejidos suberizados
SÍNTESIS DE MONOLIGNOLES
ALCOHOL
CUMARÍLICO
Phe
Aldehido cumarílico
ÁCIDO
CUMARICO
Cumaril CoA
Cafeil CoA
Feruril CoA
Aldehido coniferílico
Tyr
Aldehido sinapílico
ALCOHOL
SINAPÍLICO
ALCOHOL
CONIFERÍLICO
*Ocurre en el citosol
GLUCÓSIDOS DE MONOLIGNOLES
*Monolignoles tóxicos e inestables
*Glucósidos
almacenamiento
transporte
*Enzimas:
UDP-glucosa glucosil transferasas
Glucosidasas
ACOPLAMIENTO OXIDATIVO DE
LOS FENOLES
isomerización
OXIDACIÓN
LIGNANOS
*Dímeros de monolignoles
*Al menos 55 familias, con más de 450 lignanos
*Abundantes en:
Asteraceae
Pinaceae
Rutaceae
PINORRESINOL
Forsythia intermedia
*Dímero de alcohol coniferílico
*Ópticamente activo
*Intervienen en la síntesis
-Oxidasa
-Proteína Directora
LIGNANOS DERIVADOS DEL PINORRESINOL
Cedro canadiense
Podófilo
Sésamo
Buchanan et al, Fig 24.57
De la resina de los
rizomas de Podophyllum
peltatum (podófilo) se
extrae el lignano
podofilotoxina, que se
usa para fabricar el
antitumoral tenipósido
IMPORTANCIA DE LOS LIGNANOS DE LA DIETA
Buchanan et al, Box 24.4
LIGNINA
Taiz and Zeiger, Fig 15.18
LIGNINA (lignum=madera)
*Polímero de fenilpropanos muy ramificado
*Mezcla racémica sin actividad óptica
*Segundo compuesto vegetal en abundancia (30% C biosfera)
*Deriva fundamentalmente de los monolignoles:
-Gimnospermas (madera blanda):
A. coniferílico > A. cumarílico
-Angiospermas (madera dura):
A. coniferílico = A. sinapílico
-Angiospermas herbáceas (monocot):
A. coniferílico= A. sinapílico= A. cumarílico
*Composición varía:
-con la especie
-con la fase de desarrollo
-entre los tipos celulares de una planta
-en diferentes puntos de una misma pared celular
FUNCIONES DE LA LIGNINA
*Lignificación => aumento rigidez y fuerza de
compresión, de impermeabilidad, y de resistencia a
microorganismos
*Función primaria:
-estructural: transporte de agua y nutrientes
minerales, crecimiento vertical
*Función secundaria:
-defensa: dureza y dificultad de digestión
LIGNIFICACIÓN
*Lignificación => proceso de unión de los monómeros
(monolignoles), dependiente de formación de radicales
libres por oxidación de éstos
*Enzimas que pueden oxidar los monolignoles:
-Peroxidasas (H2O2 dependientes)
-Lacasas (O2 dependientes)
-Otras
*Polimerización ocurre en la propia pared celular
*Inicio en sitios de nucleación
*¿Regulación?
SÍNTESIS DE LIGNINA
SÍNTESIS DE MONOLIGNOLES
TRANSPORTE A LA PARED
CELULAR
POLIMERIZACIÓN
IN SITU
MADERA Y TEJIDOS SUBERIZADOS
FLAVONOIDES
SÍNTESIS DE
FLAVONOIDES
-Esqueleto básico C6-C3-C6
*C6 de ruta ácido malónico
*C3-C6 de ruta ácido siquímico
RUTA DEL ÁCIDO
SIQUÍMICO
Fenilalanina
RUTA DEL
MALONATOACETATO
3 malonil-CoA
PAL
FENILPROPANOIDES
CHALCONA
SINTASA
FLAVONOIDES
ANTOCIANINAS
-Pigmentos flores y frutos
-Colores azul, púrpura y
rosado
-GLICÓSIDOS
-En vacuolas: cambio color
según pH y presencia metales
-Funciónes:
*polinización
*dispersión semillas
*disuasores
alimentarios
*protección frente a
exceso de radiación
Antocianidina
Antocianina
ANTOCIANINAS
Commelina
communis
*6 antocianinas
*6 flavonas
*2 Mg2+
Buchanan, Fig 24.66
The Plant Cell, Vol. 7, 1071-1083, July 1995
CHS:
Chalcona
sintasa
DFR:
dihidroflavonol
reductasa
FH: flavonoide
hidroxilasa
CHSns
DRFs rosa
F3´5´Hns
F3´5´Hs
Floral color change in Viola cornuta L. (Violaceae): a model
system to study regulation of anthocyanin production
M. Farzad , R. Griesbach , M.R. Weiss. Plant Science 162 (2002) 225–231
Luz
Blanco
Polinización
Púrpura
Síntesis de
malvidina
FLAVONAS Y FLAVONOLES
-Pigmentos florales
-Absorción UV
*Atracción insectos para
polinización
*En hojas, protección frente a UV
-Fijación N2
(Quimioatrayentes, Síntesis Nod)
Taiz and Zeiger, Fig 13.14
Arabidopsis Flavonoid Mutants Are Hypersensitive to UV-B lrradiation
J Li, TM Ou-Lee, R Raba, RG Amundson and RL Last
Plant Cell, 5, 171-179, 1993
PAL
tt4
tt5
CHS
CHI
AURONAS
DERIVADOS
DE
CHALCONAS
Aureusina en
Antirrhinum
sulfuretina
FLAVANONAS
naringenina
ISOFLAVONOIDES
-Anillo aromático en otra posición
-En leguminosas
-Funciones:
defensa:
*insecticidas
*antiestrogénicos
*fitoalexinas
FLAVONOIDES EN LA ALFALFA
isoflavona
flavonas
Buchanan et al, Fig 24.69
TANINOS
Barrio de los
curtidores
(Fez, Marruecos)
TANINOS
CONDENSADOS
Protoantocianidinas
TANINOS
TANINOS HIDROLIZABLES
Buchanan et al, Fig 24.47
TANINOS HIDROLIZABLES
castaña
Buchanan et al, Fig 24.47
FUNCIONES DE LOS TANINOS
A)CONTRA PATÓGENOS
-Fungicidas
-Antibacterianos
B) CONTRA HERBÍVOROS
-Disuasores
-Tóxicos
-Impacto negativo sobre nutrición
TANINOS EN EL SORGO
Buchanan et al, Figura 24.68
*Concepto
ALELOPATÍA
-Del griego: allelon (mutuo) y pathos (daño)
-En sentido amplio: Efecto de una planta sobre
otra mediante la liberación de compuestos
químicos al ambiente
*Actividad aleloquímica depende
-Composición suelo
-Estado desarrollo diana
-Interacciones con otros compuestos químicos
-Acción microorganismos del suelo
MECANISMO DE ACCIÓN DE LOS COMPUESTOS ALELOPÁTICOS
Inderjit, Duke SO (2003)
Ecophysiological
aspects of
allelopathy
Planta, 217, 529-539.
*Los compuestos
alelopáticos actúan
sobre procesos
fisiológicos básicos:
fotosíntesis,
respiración,
permeabilidad
membranas,
actividad enzimática
SORGOLEONA
atrazina
sorgoleona
Raíces de sorgo
FLUJO DE ELECTRONES EN EL FOTOSISTEMA II
Buchanan et al, Fig 12.23
CINEOLES
A) Germinación
B) Longitud del hipocotilo
C) Longitud de la raíz
ALELOPATÍA
*Mecanismos de liberación
3
-lavado foliar (1)
-exudado por raíces (2)
-volatilización (3)
1
-descomposición residuos (4)
1
4
2
4
ALELOPATÍA
*Detoxificación en donante
-secuestro (vacuolas, tricomas)
-detoxificación (conjugación)
-insensibilidad diana
*Detoxificación en diana
-disminución absorción
-secuestro
-detoxificación (conjugación, oxidación, excreción)
-insensibilidad diana
JUGLONA (Juglandaceae)
Juglans nigra
Juglans regia
ARTEMISINA
Lactuca sativa
Artemisia annua
Mikania
glomerata
Cephaelis
ipecacuanha
COUMARINA
(Expectorante, antiinflamatorio)
FRIEDELINA
(Triterpeno anti-úlceras)
EMETINA
Maytenus
aquifolium
(Alcaloide emético,
amebicida)
PLANTAS PARÁSITAS
*Dependen de la planta HOSPEDADORA (minerales, fotoasimilados,
agua, moléculas orgánicas)
-Holoparásitas (dependencia total)
-Hemiparásitas (fotosintéticas)
*Angiospermas parásitas: HAUSTORIO
*Familias que producen daños económicos:
tallos
raíces
-Convolvulaceae (Cuscuta)
-Viscaceae (Viscum)
-Scrophulariaceae (Striga)
-Orobanchaceae (Orobanche)
*http.//www.parasiticplants.siu.edu/
Haustorio de Striga
MUÉRDAGO
Hospedador: coníferas.
CÚSCUTA
Hospedador: alfalfa, trébol, otros.
STRIGA
Hospedador: Cereales y otros
OROBANCHE
¿Dónde están
los girasoles?
Hospedador: leguminosas ( haba, trébol, alfalfa), patata , tomate, girasol, tabaco.
Orobanche
Striga
XENOGNOSINAS
*Reconocimiento del hospedador
*Inducción de la germinación
ESTRIGOLACTONAS
-estrigol (i)
-orobancol (v)
*Inducción de formación del haustorio-quinonas
LAS PLANTAS PARÁSITAS RECONOCEN SEÑALES
DIRIGIDAS A HONGOS FORMADORES DE MICORRIZAS
Plant Physiol, 139, 920-934 (2005)
Nature, 435, 824-827 (2005)
ESTRIGOLACTONAS
estrigol
sorgolactona
orobancol
GR24 (sintético)
Annu. Rev. Phytopathol. (2004) 42: 430-464
OXIDACIÓN DE FENOLES
OXIDACIÓN
•Peroxidasas (H2O2)
Polímeros
marrones
•Polifenol oxidasas (O2)
FENOLES COMO
ANTIOXIDANTES
Buchanan et al, Figura 24.77
J Sci Food Agric, 80, 1094-1117
ANTIOXIDANTES
TANINOS DIETA
(previenen oxidación de LDL,
anticancerígenos)
•Cereales
•Semillas de leguminosas
•Frutas y zumos
QUELANTES METALES
(prevención efectos metales
pesados y variación
biodisponibilidad minerales)
Free Radic Biol Med, 36, 838-849, (2004)
Dieta
Flavonoides y
metabolitos
•Señalización por
proteín-quinasas
•Señalización por
quinasas de lípidos
PKC
MAP quinasas
PI 3-quinasa
Tyr quinasas
Akt/PKB
Efectos
Parametric analysis of gene set enrichment revealed
that resveratrol opposed the effects of the highcalorie diet in 144 out of 153 significantly altered
pathways. These data show that improving general
health in mammals using small molecules is an attainable
goal, and point to new approaches for treating obesityrelated disorders and diseases of ageing.
DIANAS PARA LA INGENIERÍA METABÓLICA DE
LA PRODUCCIÓN DE FENILPROPANOIDES
Madera
Forraje
LIGNINA
Pasta de papel
Aromatizantes
ADITIVOS
ALIMENTARIOS
Saborizantes
Antioxidantes
PIGMENTOS DE
FLORES
RESISTENCIA A
HERBICIDAS
SUSTANCIAS
ALELOPÁTICAS
MEJORA DE PLANTAS
FORRAJERAS
•CALIDAD DEL FORRAJE
-modificación lignina para aumentar digestibilidad
-aumento de carbohidratos no estructurales (fructanos)
-modificación del contenido en taninos
•TOLERANCIA A PLAGAS Y ENFERMEDADES
•TOLERANCIA A ESTRÉS ABIÓTICO
MODIFICACIÓN DE LA
COMPOSICIÓN DE LA LIGNINA
CCR: cinamoil-CoA
deshidrogenasa
CAD: alcohol cinamílico
deshidrogenasa
↓CCR
↓CCR
↓CAD
Lignina (50%)
Colapso xilema
Lignina (50%)
No colapso xilema
MODIFICACIÓN DEL CONTENIDO EN TANINOS
Baja cantidad (1-3%)
Alta cantidad (>5%)
BENEFICIOSOS
PERJUDICIALES
Transformaciones para aumentar
contenido en taninos
Trébol blanco
Transformaciones para disminuir
el contenido en taninos
Leguminosas forrajeras