El documento trata sobre la biosíntesis de compuestos orgánicos en plantas. Explica que la fotosíntesis produce ATP y NADPH que se usan en la fijación de carbono para formar carbohidratos. Describe los tipos de fijación de carbono en plantas C3, C4 y CAM. Finalmente, detalla la biosíntesis de compuestos derivados del ácido shikímico como fenilalanina, tirosina y ácidos cinámicos.

1. Farmacognosia Biosintesis

2. BIOSÍNTESIS Todos los compuestos orgánicos están constituidos por carbono e hidrógeno a menudo contienen oxígeno y nitrógeno y menos frecuentemente azufre, fósforo y halógenos. La formación de los productos naturales en plantas superiores, algas y algunas bacterias fotosintéticas; tiene como origen la fotosíntesis, la energía solar es utilizada por células que contienen clorofila la cual se encuentra en los cloroplastos. Los productos inmediatos de la absorción de energía lumínica son ATP y el reductor NADPH, compuestos que más tarde se utilizan en el proceso de fijación del carbono con la formación de enlaces carbono-carbono y la reducción del CO2 para formar los carbohidratos (CH2O)n.

3. FOTOSÍNTESIS Únicamente en las células que contienen clorofila Según la fuente de Energía que utilizan, las células se clasifican en: Fototróficas: Obtienen la energía directamente de la luz: células vegetales Quimiotróficas: Obtienen la energía de la oxidación de los alimentos: células animales y células vegetales en oscuridad

4. Fijaciòn del carbono La fijación del carbono es la incorporación fotosintética del CO2 atmosférico a compuestos orgánicos, mientras que la carboxilación es la adición de una unidad de CO2 a un compuesto orgánico. Ciclo de Calvin (Plantas C3) Melvin Calvin en 1946, incubó una micro alga verde Chlorellapyrenoidosa en presencia de luz y le burbujeó 14CO2, la incubación se llevaba a cabo en diferentes periodos de tiempo desde 3 segundos a sesenta segundos, suspendiendo la incubación con vapores de alcohol; se extraían los compuestos radioactivos y se cromatografiaban en papel, revelándose luego con una placa fotográfica que marcaba las sustancias radioactivas. A los tres segundos solo dio una sola mancha correspondiente a 3-fosfoglicerato, pero a los treinta segundos dio varias manchas

6. Toda la fijación fotosintética del carbono tiene lugar a través de la carboxilación de la ribulosa-1,5difosfato (C5), dando un compuesto C6, (esta reacción es catalizada por la enzima Ribulosa-1,5-difosfato carboxilaza conocida como rubisco), luego se hidroliza para producir dos moléculas de fosfoglicerato (C3). En las llamadas plantas C3, la anatomía de las hojas presenta las células del mesófilo distribuidas al azar en todo el tejido de la hoja y son los sitios primarios de fijación del CO2. Fig. 1 Anatomía de las hojas C3 (a) y C4 (b)

7. Plantas C4 Algunas plantas que crecen en regiones semi-áridas con elevada intensidad lumínica, poseen un sistema adicional de fijación de carbono; aunque es menos eficaz en la utilización de energia, si lo es para la utilización de CO2, reduciendo la fotorespiración y pérdida de agua, estas plantas son conocidas como plantas C4 donde el fosfoenolpiruvato es el aceptor inicial del CO2; produciendo un compuesto C4,el oxaloacetato; luego estas reacciones se invierten en otra parte de la planta para dar CO2 que se recombina con de la ribulosa-1,5 difosfato.

8. Las células de las plantas C4, a diferencia de las plantas C3 Las células del mesófilo, se encuentras organizadas en torno a las células de la vaina del haz, siendo estas, mas prominentes que sus equivalentes en las hojas C3; esta estructura se conoce como “anatomía de Kranz” o guirnalda. En ambos casos intervienen células del mesófilo con cloroplastos en la fijación del CO2. Sin embargo, en las hojas C3 la fijación de CO2 por el rubisco, tiene lugar en las células de la vaina del haz, mientras que en las células del mesófilo C4, se especializan en la incorporación inicial del CO2 en el ácido dicarboxílicooxaloacetato, el cual pasa al cloroplasto para reducirse a malato por medio de NADP-malato deshidrogenasa. El transporte de malato entre la célula del mesófilo y la célula de la vaina del haz, origina a la vez el transporte de CO2 entre ambas células.

9. plantas CAM Metabolismo Ácido de las Crasulaceas, se denomina asi por que fue inicialmente en la familia de las Crasulaceas donde se observó un incremento de ácido málico en horas de oscuridad. Otras grandes familias como Liliaceas, Cactaceasy Euphorbiaceasposeen especies con una bioquímica similar. Al igual que en las plantas C4, se trata de una adaptación del ciclo fotosintético en vegetales en situación de sequia, pues también capturan CO2 para producir inicialmente oxaloacetato, pero lo hacen de manera distinta que las plantas C4, pues el mecanismo es temporal (fase oscura y fase lumínica)

10. En la oscuridad el CO2 es fijado al fosfoenolpiruvato produciendo el oxaloacetato, este se oxida para dar malato, el cual se fija en la vacuola. En la luz el malato pasa la membrana entrar en los cloroplastos y descarboxilarse para ser fijado por las enzimas del ciclo de Calvin o reducirse a oxaloacetato. En general los tipos de fijación del dióxido de carbono CO2 son:

11. COMPUESTOS DERIVADOS DEL ACIDO SHIKIMICO El ácido shikímico se aisló inicialmente en 1885 de la planta asiática "SHIKIMI-NOKI” Illiciumsp. (Fam. Illiciaceae) y es reconocido como el compuesto punto de partida para un vasto número de sustancias naturales. Es el metabolito universal de las plantas superiores y de muchas clases de organismos no mamíferos Es el precursor de la mayoría de constituyentes vegetales que contienen anillos aromáticos; dando un patrón de oxigenación en el anillo aromático claro, que permite reconocer los compuestos derivados de este; así, en compuestos aromáticos derivados del ácido shikímico, las posiciones oxigenadas son de tipo catecol (orto) o pirogalol (diorto), y en el caso de los fenoles monooxigenadosson generalmente p-hidroxi-compuestos. En compuestos derivados de la ruta del Acetato- Malonatolos grupos oxigenados están en disposición meta entre sí, o sea que los polifenolesson derivados tipo resorcinol.

12. BIOSÍNESIS DEL ÁCIDO SHIKÍMICO La formación del ácido shikímico ocurre a partir de precursores de 3 y 4 átomos de carbono como son el ácido fosfoenolpirúvico (PEP) y la eritrosa 4-fosfato (E4P) por una condensación de tipo aldólica, produciendo un compuesto C7 a través de una serie de etapas

13. Biosíntesis de fenilalanina y tirosina (Aminoácidos aromáticos). Los aminoácidos fenilalanina y tirosina, se sintetizan por reacciones posteriores del ácido shikímico con PEP, Vía del ácido corísmico como intermediario del ácido prefénico para luego formar el fenilpirúvico. En microorganismos y plantas, estos aminoácidos, se forman separadamente a partir del ácido prefénico, Los ácidos prefénico, fenilpirúvico y el p-hidroxifenilpirúvico son los precursores de fenilalaninay tirosina, estos aminoácidos son los constituyentes universales de proteínas y es punto de partida de la secuencia biosintética que lleva a los llamados compuestos C6C3

14. Biogénesis de los ácidos cinámicos La ruta principal para la producción de los ácidos cinámico a partir de fenilalaninao tirosina, se reveló cuando se encontró que los tejidos vegetales contienen sistemas enzimáticos capaces de catalizar la remoción de amoníaco de estos aminoácidos. En los mecanismos PAL (fenilalanina-amonioliasa) o el TAL (tirosina-amonioliasa) las enzimas actúan sobre los grupos salientes en posición trans, como una eliminación de tipo Hoffmann

15. Las evidencias experimentales muestran al parecer que la enzima (PAL) se encuentra ampliamente distribuida en los vegetales, mientras que la (TAL) se encuentra principalmente en ciertas gramíneas. Estas enzimas son esteroespecíficas ya que son capaces de desaminar los L-aminoácidos pero no los D-aminoácidos. Los ácidos cinámicos producidos por acción de los aminoliasas, constituyen el punto de partida para una cantidad enorme de procesos metabólicos secundarios.

16. Fenilpropanoides C6C3, C6C2 Y C6C1. Compuestos C6C3 (Ácidos cinámicos) La importancia fundamental de la secuencia de reacciones ácido shikímico -> ácido prefénico-> fenilalanina (o tirosina) -> ácidos cinámicos, y la amplia distribución natural de los ácidos cinámicos y sus productos de biodegradación, lleva a la conclusión de que muchos compuestos naturales que contienen cadenas laterales de 3 átomos de carbono ligados a núcleos fenólicos, son productos de reducciones biológicas de los ácidos cinámicos; la naturaleza ofrece muchos ejemplos de casi todos los niveles de oxidación de la cadena lateral de estos compuestos.

17. Compuestos C6C2 Una clase de compuestos C6C2 que provienen de compuestos C6C3 por un proceso de descarboxilación, estos compuestos son derivados tipo estireno, feniletanoidey acetofenona.

18. Compuestos C6C1 A partir de los ácidos cinámicos las plantas pueden generar compuestos aromáticos C6C1, formando inicialmente el éster de la coenzima A del ácido cinámico, el cual puede sufrir degradación de la cadena lateral, mediante un proceso enzimático similar a la β oxidación de los ácidos grasos. El derivado del ácido benzoico así originado, puede descarboxilarse para generar compuestos C6, o sufrir una o varias etapas de reducción para generar derivados tipo benzaldehído, alcohol bencílico y compuestos derivados del tolueno.

19. Compuestos C6 Son pocos los compuestos C6, que han sido aislados en la naturaleza, los más comunes son la arbutina (el β-D-glucopiranósido de la hidroquinona) y su éter metílico. La arbutinaes derivada de la ruta del ácido shikímico->fenilalanina; esto se comprobó por experimentos en los cuales se administró fenilalanina, ácido cinámico, tirosina y ácido shikímicomarcados con 14C, a hojas de Pera, Pyruscommunis (familia Rosaceae), demostrando que la arbutina era originada a partir de estos precursores ya que efectivamente se aisló arbutina radiactiva. Estos resultados y la posterior demostración experimental de la formación de arbutina a partir de fenilalanina marcada en Grenvillea robusta (Fam. Proteaceae) confirmaron este hallazgo.

20. COMPUESTOS C6C2C6 (ESTILBENOS) Los eltilbenos son compuestos naturales de frecuente aparición en diferentes familias de plantas como Cyperaceae, Dipterocarpaceae, Gnetaceae y Vitaceae, pueden encontrarse libres o como glicósidos. Pertenecen al grupo de los polifenóles no flavonóidicos, su esqueleto estructural comprende dos anillos bencénicos unidos por un puente etileno (C6-C2-C6) donde el resveratrol (3, 5, 4’-trihidroxiestilbenceno), con gran actividad antioxidante; es de anotar que el resveratrol proviene de dos vías metabólicas diferentes, vía acetato (el primer anillo) y vía ácido shikímico el segundo anillo. El resveratrol de Vitusvinifera (Vitaceae) y otros estilbenos como la combrestastatinaA-4, del sauce africano Rhus lancea (Anacardiaceae) mediante inhibiciones enzimáticas, se ha demostrado que actúan como compuestos quimiopreventivos del cancer, capaces de prevenir, inhibir o reversar procesos de carcinogénesis.

21. COMPUESTOS (C6C3)2 (LIGNANOS) Los lignanos son una clase de compuestos derivados de fenilpropanosampliamente distribuidos en la naturaleza, formados por dimerización oxidativa de unidades C6C3. Dentro de esta clase de compuestos, se pueden distinguir varios grupos: Los lignanos propiamente dichos: son dímeros oxigenados de fenilpropanossencillos con puente β-β' en la cadena lateral. Los lignanos propiamente dichos, dependiendo de las cadenas laterales, se pueden dividir en cinco grupos de estructuras fundamentales: Diaril butanos cuando las cadenas laterales no son sustituidas como el caso del ácido guairético Butirolactonas, una de las cadenas es un ácido carboxílico y la otra un alcohol que al deshidratarse forman una lactona, pueden ser saturadas o insaturadas. Furanos y Furanoides Furofuranos o Difuranos Ariltetrahidronaftalenos (Tetralinas) Neolignanos: son compuestos cuyas uniones son diferente a β-β‘ Lignanosconjugados: Dentro de esta clase de sustancias existen los lignanos conjugados con otros compuesto fenólicoscomo los flavolignanos: condensación entre un lignano y un flavonoide, constituyentesde Sylibummarianum (Asteraceae) o cardo mariano.

22. EXTRACCIÓN DE LIGNANOS Los lignanos se pueden aislar por extracciones con metanol seguidas por particiones con solventes de diferentes polaridades. Los lignanos que poseen grupos fenólicos, se pueden separar por precipitación; a las soluciones alcohólicas se les adiciona KOH acuoso concentrado, estos se precipitan como sales de potasio o con acetato de plomo, precipitan como sales de plomo, en este último caso, los fenoles se liberan por la adición de H2S a la suspención alcohólica. Una vez obtenido el extracto, se monitorea por cromatografía en capa fina (ccf) y las manchas se observan en UV a 254 nm o con vapores de yodo

23. INTERÉS BIOLÓGICO DE LOS LIGNANOS Gran número de lignanos y neolignanos poseen diferentes usos terapéuticos, en especial como inhibidores enzimáticos y antihipertensivos como los derivados del pinoresinol, potencializadoresde la acción de piretros, como el aceite de sésamo, hepatoprotector como la schisandrina B aislado de los frutos de SchisandrachinensisFam. Magnoliaceae, etc. pero solo los derivados hemisintéticos de la podofilotoxina, con propiedades citostáticas y antimitóticas, y los flavolignanos del cardo mariano, con propiedades antioxidantes y hepatoprotectoras, se encuentran con formulaciones farmacéuticas y son explotadas terapéuticamente.

24. Taninos Son sustancias de origen vegetal y de estructura polifenólica, peso molecular entre 500 y 3000; son amorfas, de sabor astringente, solubles en agua, en alcohol y en acetona en forma de soluciones coloidales, pero su solubilidad depende del grado de polimerización, son insolubles en solventes apolares;, por su capacidad de precipitar proteínas, se usan para curtir la piel. Se encuentran repartidos en la mayoría de las especies vegetales, especialmente en familias como: Coniferae, Ericaceae, Labiadas, Leguminosae, Myrtaceae, Poligonaceae, RosaceaeRubiaceae, Fagaceae, fabaceae, etc. Desde el punto de vista farmacológico, presentan acciones derivadas de su capacidad de formar complejos y precipitar metales, alcaloides y proteínas: Astringentes y antidiarreicos, se unen y precipitan las proteínas presentes en las secreciones. Antimicrobianos y antifúngicos. Antídotos para el envenenamiento con alcaloides y metales pesados. Su toxicidad en general es baja y deriva de la posible intolerancia gástrica y estreñimiento que pueden causar. Se localizan en vacuolas, combinados con alcaloides y proteínas y desempeñan una función defensiva frente a insectos: agallas, maduración de los frutos. Se pueden encontrar en todos los órganos de la planta: Corteza: roble (Quersus colombiana), castaño (Sterculiaapetala), eucalipto (Eucalyptusglobulus), granada (Punicagranatum), canela (Cinnamomumzeilanicum), quina (Cinchonasp.) Madera: mangle (Rhysophora mangle), acacia (Delonix regia). Hoja: hamamelis (Hamamelis virginiana), té (Theasinensis), guayaba (Psidiumguajava), almendro (Terminaliacatappa). Flores: rosa roja (Rosa canina). Granos o semillas: café (Coffeasp.), kola (Cola nitida). Tejidos patológicos y órganos viejos: agallas de alepo (corteza de roble resultado de la descomposición debido a la ovoposición de las avispas

25. Taninos hidrolizables: galotaninos y elagitaninos, que pueden ser hidrolizados por ácidos o enzimas, son formados por varias moléculas de ácidos fenólicos derivados del shikímicounidos por enlaces éster a un núcleo central de glucosa. Taninos condensados o proantocianinas o también llamados catecol taninos, son moléculas más resistentes a la ruptura y cuyas unidades son derivados flavonóidicos. Algunos ejemplos Eucalipto, castaño, corteza de roble. Estos taninos pueden ser hidrolizados por enzimas cono la tanasa, secretada por Aspergillussp. y Penicillumsp., hidrolizando la glucosa y liberando los ácidos que los conforman. Las soluciones acuosas de los taninos precipitan con sales de metales pesados Cu, Fe, Hg, Pb, Zn. Con sales férricas los taninos hidrolizables producen una coloración azul oscura y los taninos condensados una coloración verdosa.

26. CUMARINAS Las cumarinas su nombre viene de “Coumarou” nombre común de la haba tonca (DipteryxodorataWilld., CoumarounaodorataAubl. Fam. Leguminosae/Fabaceae), son metabolitos típicos de plantas superiores y algunos pocos microorganismos, su núcleo es benzo 2 pirona o benzo α pirona. En general son lactonas insaturadas y comprenden otra clase de compuestos C6C3, prácticamente todas las cumarinas, a excepción de la cumarina propiamente dicha, poseen un sustituyente oxigenado en posición 7, ya sea hidroxilado como sucede en la umbeliferona, o combinado (metilo, azúcares, etc.). Se han aislado unas 1000 cumarinas naturales en unas 150 especies distribuidas en aproximadamente 30 familias, principalmente en Umbeliferae/Apiaceae, Rutaceae, Leguminosae/Fabaceae, Papilionaceae, Rubiaceae, Lamiaceae, Asteraceae, Solanaceae, Gramineae, etc. En forma libre o como glicósidos. La propiedad física mas importante de estos compuestos es la fluorescencia generada con la luz ultravioleta (365 nm), propiedad ampliamente usada para su detección. Estos compuestos presentan un amplio rango de actividad biológica, podemos citar: la acción anticoagulante y antibacterial del dicumarol, la acción antibiótica de la novobiocina, la hepatoxicidad y carcinogenicidad de ciertas aflatoxinas, la acción estrogénicadel cumestrol, la acción fotosensibilizadora de ciertas furanocumarinas, etc., se destaca además, el uso de cumarinas como saborizantes y en perfumería Las cumarinas se clasifican en: Cumarinassimples Cumarinas complejas Estas a su vez, se clasifican en Furanocumarinas y Piranocumarinas, las cuales, dependiendo de la posición del anillo furano o pirano, se subclasifican en lineales y angulares. Cumarinasdiversas

27. Las cumarinas simples

28. Cumarinas complejas También se originan a partir del ácido shikímico las llamadas cumarinaspiránicas y furánicas, que se dividen en lineales y angulares . Furanocumarina: El bergapteno(psorolenometoxilado en posición 5) de Citrus bergamia y posteriormente la xantotoxina(8 metoxipsoroleno); en 1940 se identificaron estos compuestos como los responsables de producir fotodermatitis, estos compuestos son altamente fluorescentes bajo luz UV y aun en la región visible. Los Psoralenos o furanocumarinaslineales, son ampliamente distribuidas en plantas como: Umbeliferae(Apiaceae) y Rutaceae. Psoraleno, bergapteno (visnagina), xantotoxina (metoxaleno) e isopimpinelina (kelina), son usadas para ratamientofotoquimioterapeutico donde se utiliza el Psoraleno con la luz ultravioleta A –cercana al visible- vitiligo, y otras afecciones de la piel o para producir bronceado. El metoxalenoo xantotoxina: AmmimajusUmbeliferae(Apiaceae), (apio cimarrón) es usado para facilitar la repigmentación de la piel, en casos de vitiligo y psoriasis, administrado via oral y luego exposición a la luz UV, minimiza el riesgo de quemaduras extremas y cáncer de piel, el metoxaleno reacciona con las bases pirimídicas del DNA inhibiendo la replicación y reduciendo la rata de división celular.

29. Cumarinas diversas El dicumarol se forma por fermentación bacteriana de tréboles y pasto, se aisló de hojas descompuestas de MelilotusalbusLeguminosae/Fabaceae. El dicumarol(bishidroxicumarina) antogoniza con la protombinay otras proteínas necesarias para la coagulación de la sangre. Análogos sintéticos del dicumarol son utilizados vía oral como anticoagulantes para el tratamiento de la trombosis, como es el caso de las sales de warfarina y acenocumarol (nicumalona). Las aflatoxinas son un grupo de sustancias relacionadas estructuralmente con las cumarinas; son micotoxinas producidas por Aspergillusflavum y A. versicolor y que han sido la causa de mortalidad animal por ingestión de alimentos enmohecidos, provocando lesiones hepáticas

30. Técnicas de extracción de cumarinas La extracción de las cumarinas puede realizarse tanto sobre material seco como fresco, con solventes de polaridades diferentes, dependiendo de los tipos de estructura, algunas son ligeramente solubles en solventes apolares y a menudo pueden cristalizar directamente en ellos por enfriamiento o concentración del solvente.

31. Gracias