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Fórmula estructural para el aminoácido ácido pipecólico , que a diferencia de otros aminoácidos no se utiliza como componente básico de las proteínas. En algunas plantas, el ácido pipecólico actúa como un compuesto de defensa contra los microorganismos. [1] Debido a su presencia limitada, el ácido pipecólico se considera un metabolito secundario .
Fórmula estructural del aminoácido prolina , que en todos los seres vivos es un componente básico de las proteínas. Debido a su presencia universal, la prolina se considera un metabolito primario .

Los metabolitos secundarios , también llamados metabolitos especializados, toxinas , productos secundarios o productos naturales , son compuestos orgánicos producidos por bacterias , hongos o plantas que no están directamente involucrados en el crecimiento , desarrollo o reproducción normal del organismo. En cambio, generalmente median interacciones ecológicas , que pueden producir una ventaja selectiva para el organismo al aumentar su capacidad de supervivencia o fecundidad . Los metabolitos secundarios específicos a menudo se restringen a un conjunto reducido de especies dentro de ungrupo filogenético . Los metabolitos secundarios a menudo juegan un papel importante en la defensa de las plantas contra la herbivoría y otras defensas entre especies. Los seres humanos utilizan metabolitos secundarios como medicinas, aromatizantes, pigmentos y drogas recreativas. [2]

El término metabolito secundario fue acuñado por primera vez por Albrecht Kossel , premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1910. [3] 30 años después, un botánico polaco Friedrich Czapek describió los metabolitos secundarios como productos finales del metabolismo del nitrógeno . [4]

Los metabolitos secundarios comúnmente median interacciones antagónicas, como la competencia y la depredación , así como las mutualistas como la polinización y los mutualismos de recursos . Por lo general, los metabolitos secundarios se limitan a un linaje específico o incluso a una especie, [5] aunque hay pruebas considerables de que la transferencia horizontal entre especies o géneros de vías completas juega un papel importante en la evolución bacteriana (y, probablemente, fúngica). [6] La investigación también muestra que el metabolismo secundario puede afectar a diferentes especies de diversas formas. En el mismo bosque, cuatro especies distintas de folívoros marsupiales arbóreos reaccionaron de manera diferente a un metabolito secundario en los eucaliptos. [7]Esto muestra que diferentes tipos de metabolitos secundarios pueden ser la división entre dos nichos ecológicos de herbívoros . [7] Además, ciertas especies evolucionan para resistir metabolitos secundarios e incluso usarlos para su propio beneficio. Por ejemplo, las mariposas monarca han evolucionado para poder comer algodoncillo ( Asclepias ) a pesar de la presencia de glucósidos cardíacos tóxicos . [8] Las mariposas no solo son resistentes a las toxinas, sino que en realidad pueden beneficiarse al secuestrarlas activamente, lo que puede conducir a la disuasión de los depredadores. [8]

Metabolitos secundarios de plantas [ editar ]

Las plantas son capaces de producir y sintetizar diversos grupos de compuestos orgánicos y se dividen en dos grandes grupos: metabolitos primarios y secundarios. [9] Los metabolitos secundarios son productos o productos intermedios metabólicos que no son esenciales para el crecimiento y la vida de las plantas productoras, sino que son necesarios para la interacción de las plantas con su entorno y se producen en respuesta al estrés. Sus propiedades antibióticas, antifúngicas y antivirales protegen a la planta de los patógenos. Algunos metabolitos secundarios, como los fenilpropanoides, protegen a las plantas del daño de los rayos UV . [10] Los efectos biológicos de los metabolitos secundarios de las plantas en los seres humanos se conocen desde la antigüedad. La hierba Artemisia annua que contieneLa artemisinina se ha utilizado ampliamente en la medicina tradicional china hace más de dos mil años. [ cita requerida ] Los metabolitos secundarios de las plantas se clasifican por su estructura química y se pueden dividir en cuatro clases principales: terpenos , fenilpropanoides (es decir, fenólicos ), policétidos y alcaloides . [11]

Terpenoides [ editar ]

Fórmula estructural del pirofosfato de isopentenilo (IPP), cuyos átomos de carbono constituyen los componentes básicos de los terpenos . Debido a la presencia de cinco átomos de carbono, el bloque de construcción derivado se denomina unidad C5.
Fórmula estructural del humuleno , un sesquiterpeno monocíclico (llamado así porque contiene 15 átomos de carbono) que se construye a partir de tres unidades C5 derivadas del pirofosfato de isopentenilo (IPP).
Fórmula esquelética del taxol terpenoide , un fármaco contra el cáncer.

Los terpenos constituyen una gran clase de productos naturales que se componen de unidades de isopreno . Los terpenos son solo hidrocarburos y los terpenoides son hidrocarburos oxigenados. La fórmula molecular general de los terpenos son múltiplos de (C 5 H 8 ) n, donde 'n' es el número de unidades de isopreno enlazadas. Por lo tanto, los terpenos también se denominan compuestos isoprenoides. La clasificación se basa en el número de unidades de isopreno presentes en su estructura. Algunos terpenoides (es decir, muchos esteroles ) son metabolitos primarios. Algunos terpenoides que pueden haberse originado como metabolitos secundarios se han reclutado posteriormente como hormonas vegetales, como las giberelinas ,brasinoesteroides y estrigolactonas .

Número de unidades de isoprenoNombreÁtomos de carbón
1HemiterpenoC 5
2MonoterpenoC 10
3SesquiterpenosC 15
4DiterpenoC 20
5EsterterpenoC 25
6TriterpenoC 30
7SescuarterterpenoC 35
8TetraterpenoC 40
Más de 8Politerpeno

Ejemplos de terpenoides construidos a partir de la oligomerización de hemiterpeno son:

  • Azadirachtin , presente en Azadirachta indica , el ( árbol de Neem )
  • Artemisinina , presente en Artemisia annua , ajenjo chino
  • Tetrahidrocannabinol , presente en Cannabis sativa , cannabis
  • Saponinas , triterpenos glicosilados presentes en, por ejemplo, Chenopodium quinoa , quinua .

Compuestos fenólicos [ editar ]

Los fenólicos son un compuesto químico caracterizado por la presencia de una estructura de anillo aromático que lleva uno o más grupos hidroxilo . Los fenólicos son los metabolitos secundarios más abundantes de las plantas que van desde moléculas simples como el ácido fenólico hasta sustancias altamente polimerizadas como los taninos . Las clases de fenólicos se han caracterizado sobre la base de su esqueleto básico.

No. de átomos de carbonoEsqueleto básicoClase
6C 6Fenoles simples
7C 6 - C 1Ácidos fenólicos
8C 6 - C 2Acetofenona , ácido fenil acético
9C 6 - C 3Fenilepropanoides , ácido hidroxicinámico , cumarinas
10C 6 - C 4Naftoquinona
13C 6 - C 1 - C 6Xanthone
14C 6 - C 2 - C 6Estilbeno , antraquinona
15C 6 - C 3 - C 6Flavonoides , isoflavonoides
18(C 6 - C 3 ) 2lignanos , neolignos
30(C 6 - C 3 - C 6 ) 2Biflavonoides

Un ejemplo de fenol vegetal es:

  • Resveratrol , un estilbenoide C 14 producido, por ejemplo, por uvas .

Alcaloides [ editar ]

Fórmula estructural del alcaloide nicotina . La estructura incluye dos átomos de nitrógeno , ambos derivados de aminoácidos . El átomo de nitrógeno en el anillo de piridina (a la izquierda) deriva del aspartato , mientras que el del anillo de pirrolidina (a la derecha) deriva de la arginina (u ornitina ) - [12]
Fórmula esquelética de solanina , un alcaloide tóxico que se acumula en las patatas.

Los alcaloides son un grupo diverso de compuestos básicos que contienen nitrógeno. Normalmente se derivan de fuentes vegetales y contienen uno o más átomos de nitrógeno. Químicamente son muy heterogéneos. Según las estructuras químicas, se pueden clasificar en dos categorías amplias:

  • Alcaloides no heterocíclicos o atípicos, por ejemplo, hordenina o N -metiltiramina , colchicina y taxol.
  • Alcaloides heterocíclicos o típicos, por ejemplo , quinina , cafeína y nicotina.

Ejemplos de alcaloides producidos por plantas son:

  • Hiosciamina , presente en Datura stramonium
  • Atropina , presente en Atropa belladonna , belladona mortal
  • Cocaína , presente en Erythroxylum coca la planta de Coca
  • Escopolamina , presente en la familia de plantas de las solanáceas (solanáceas)
  • Codeína y morfina , presente en Papaver somniferum , la adormidera
  • Vincristina y vinblastina , inhibidores mitóticos que se encuentran en Catharanthus roseus , el bígaro rosado

Muchos alcaloides afectan el sistema nervioso central de los animales al unirse a receptores de neurotransmisores .

Glucosinolatos [ editar ]

Fórmula estructural para glucosinolatos . El grupo lateral '' R '' puede variar. La estructura incluye moléculas de glucosa (a la izquierda), un átomo de nitrógeno derivado de un aminoácido y dos átomos de azufre , entre los cuales uno deriva del glutatión y el otro del sulfato (visto a la izquierda). [13]

Los glucosinolatos son metabolitos secundarios que incluyen átomos de azufre y nitrógeno , y se derivan de la glucosa , un aminoácido y sulfato .

Un ejemplo de glucosinolato en plantas son:

  • Glucorafanina de brócoli ( Brassica oleracea var. Italica ).

Planta de metabolitos secundarios en medicina [ editar ]

Muchos fármacos utilizados en la medicina moderna se derivan de metabolitos secundarios de plantas.

Extracción de taxol de cortezas de tejo del Pacífico.

Los dos terpenoides más conocidos son la artemisinina y el paclitaxel . La artemisinina fue ampliamente utilizada en la medicina tradicional china y luego redescubierta como un poderoso antipalúdico por un científico chino Tu Youyou . Más tarde recibió el Premio Nobel por el descubrimiento en 2015. Actualmente, el parásito de la malaria , Plasmodium falciparum , se ha vuelto resistente a la artemisinina sola y la Organización Mundial de la Salud recomienda su uso con otros medicamentos antipalúdicos para una terapia exitosa. Paclitaxel el compuesto activo que se encuentra en Taxol es una quimioterapiaMedicamento que se usa para tratar muchas formas de cáncer, incluido el cáncer de ovario , el cáncer de mama , el cáncer de pulmón , el sarcoma de Kaposi , el cáncer de cuello uterino y el cáncer de páncreas . [14] El taxol se aisló por primera vez en 1973 de las cortezas de un árbol conífero, el tejo del Pacífico . [15]

La morfina y la codeína pertenecen a la clase de alcaloides y se derivan de la amapola de opio . La morfina fue descubierta en 1804 por un farmacéutico alemán Friedrich Sertürner t. Fue el primer alcaloide activo extraído de la adormidera . Es principalmente conocida por sus fuertes efectos analgésicos , sin embargo, la morfina también se usa para tratar la dificultad para respirar y el tratamiento de la adicción a opiáceos más fuertes como la heroína . [16] [17] A pesar de sus efectos positivos en los seres humanos, la morfina tiene efectos adversos muy fuertes, como adicción, desequilibrio hormonal o estreñimiento. [17] [18]Debido a su naturaleza altamente adictiva, la morfina es una sustancia estrictamente controlada en todo el mundo, que se usa solo en casos muy graves y algunos países la infrautilizan en comparación con el promedio mundial debido al estigma social que la rodea. [19]

Campo de opio en Afganistán, el mayor productor de opio. [20]

La codeína, también un alcaloide derivado de la adormidera, se considera la droga más utilizada en el mundo según la Organización Mundial de la Salud . Fue aislado por primera vez en 1832 por un químico francés Pierre Jean Robiquet , también conocido por el descubrimiento de la cafeína y un tinte rojo alizarina ampliamente utilizado . [21] Principalmente, la codeína se usa para tratar el dolor leve y aliviar la tos [22], aunque en algunos casos se usa para tratar la diarrea y algunas formas de síndrome del intestino irritable . [22] La codeína tiene una concentración de 0,1-0,15 en comparación con la morfina ingerida por vía oral, [23]por lo tanto, es mucho más seguro de usar. Aunque la codeína se puede extraer de la adormidera, el proceso no es viable económicamente debido a la escasa abundancia de codeína pura en la planta. Un proceso químico de metilación de la morfina, mucho más abundante, es el principal método de producción. [24]

La atropina es un alcaloide que se encontró por primera vez en Atropa belladonna , un miembro de la familia de las solanáceas . Si bien la atropina se aisló por primera vez en el siglo XIX, su uso médico se remonta al menos al siglo IV a.C., donde se usaba para heridas, gota e insomnio. Actualmente, la atropina se administra por vía intravenosa para tratar la bradicardia y como antídoto para la intoxicación por organofosforados . La sobredosis de atropina puede provocar una intoxicación por atropina que produce efectos secundarios como visión borrosa , náuseas , falta de sudoración, sequedad de boca y taquicardia . [25]

El resveratrol es un compuesto fenólico de la clase de flavonoides. Es muy abundante en uvas , arándanos , frambuesas y cacahuetes . Se toma comúnmente como un suplemento dietético para prolongar la vida y reducir el riesgo de cáncer y enfermedades cardíacas; sin embargo, no hay evidencia sólida que respalde su eficacia. [26] [27] No obstante, en general se cree que los flavonoides tienen efectos beneficiosos para los seres humanos. [ cita requerida ] Ciertos estudios demostraron que los flavonoides tienen actividad antibiótica directa. [28] Varias pruebas in vitro y limitadas in vivoLos estudios han demostrado que los flavonoides como la quercetina tienen actividad sinérgica con los antibióticos y pueden suprimir las cargas bacterianas. [29]

La digoxina es un glucósido cardíaco derivado por primera vez por William Withering en 1785 de la planta dedalera (Digitalis) . Por lo general, se usa para tratar afecciones cardíacas como fibrilación auricular , aleteo auricular o insuficiencia cardíaca . [30] Sin embargo, la digoxina puede tener efectos secundarios como náuseas , bradicardia , diarrea o incluso arritmias potencialmente mortales .

Metabolitos secundarios fúngicos [ editar ]

Las tres clases principales de metabolitos secundarios de hongos son: policétidos , péptidos no ribosomales y terpenos . Aunque los metabolitos secundarios de los hongos no son necesarios para el crecimiento, juegan un papel esencial en la supervivencia de los hongos en su nicho ecológico. [31] El metabolito secundario fúngico más conocido es la penicilina, descubierto por Alexander Fleming en 1928. Más tarde, en 1945, Fleming, junto con Ernst Chain y Howard Florey , recibió un Premio Nobel por su descubrimiento, que fue fundamental para reducir el número de muertes en la Guerra Mundial. II por más de 100.000. [32]

Ejemplos de otros metabolitos secundarios de hongos son:

  • Lovastatina , un policétido de, por ejemplo, Pleurotus ostreatus , hongos ostra .
  • Aflatoxina B1 , un policétido de Aspergillus flavus .
  • Ciclosporina , un péptido cíclico no ribosómico de Tolypocladium inflatum .

La lovastatina fue el primer metabolito secundario aprobado por la FDA para reducir los niveles de colesterol. La lovastatina se produce naturalmente en bajas concentraciones en los hongos ostra , [33] arroz de levadura roja , [34] y Pu-erh . [35] El modo de acción de la lovastatina es la inhibición competitiva de la HMG-CoA reductasa y una enzima limitante de la velocidad responsable de convertir la HMG-CoA en mevalonato .

Los metabolitos secundarios de los hongos también pueden ser peligrosos para los humanos. Claviceps purpurea , un miembro del grupo de hongos del cornezuelo de centeno que suele crecer en el centeno, provoca la muerte cuando se ingiere. La acumulación de alcaloides venenosos que se encuentran en C. purpurea produce síntomas como convulsiones y espasmos , diarrea , parestesias , picazón , psicosis o gangrena . Actualmente, la eliminación de los cuerpos del cornezuelo de centeno requiere poner el centeno en una solución de salmuera con granos sanos hundiéndose y flotando infectados. [36]

Metabolitos secundarios bacterianos [ editar ]

La producción bacteriana de metabolitos secundarios comienza en la fase estacionaria como consecuencia de la falta de nutrientes o en respuesta al estrés ambiental. La síntesis de metabolitos secundarios en bacterias no es esencial para su crecimiento, sin embargo, les permiten interactuar mejor con su nicho ecológico. Las principales vías sintéticas de producción de metabolitos secundarios en bacterias son; b-lactámicos, oligosacáridos, shikimatos, policétidos y vías no ribosómicas. [37] Muchos metabolitos secundarios bacterianos son tóxicos para los mamíferos . Cuando se secretan, esos compuestos venenosos se conocen como exotoxinas, mientras que los que se encuentran en la pared celular procariota son endotoxinas .

Un ejemplo de un metabolito secundario bacteriano con un efecto positivo y negativo en los seres humanos es la toxina botulínica sintetizada por Clostridium botulinum . Esta exotoxina a menudo se acumula en alimentos enlatados incorrectamente y cuando se ingiere bloquea la neurotransmisión colinérgica que conduce a la parálisis muscular o la muerte. Sin embargo, la toxina botulínica también tiene múltiples usos médicos, como el tratamiento de la espasticidad muscular, la migraña y el uso de cosméticos.

Ejemplos de otros metabolitos secundarios bacterianos son:

Fenazina [ editar ]

  • Piocianina , de Pseudomonas aeruginosa .
  • Otras fenazinas de Pseudomonas ssp. y Streptomyces ssp.

Policétidos [ editar ]

  • Eritromicina , Saccharopolyspora erythraea .
  • Avermectina , de Streptomyces avermitilis .
  • Nistatina , de Streptomyces noursei .
  • Rifamicina , de Amycolatopsis rifamycinica .
  • Epotilonas , macrolactonas de la myxobacterium Sorangium cellulosum que habita en el suelo .

Péptidos no ribosomales [ editar ]

  • Vancomicina , de la bacteria del suelo Amycolatopsis orientalis .
  • Ramoplanina , de la cepa Actinoplanes ATCC 33076.
  • Teicoplaninas , de Actinoplanes teicomyceticus .
  • Gramicidina , de Brevibacillus brevis .
  • Bacitracina , de Bacillus subtilis (cepa Tracy).
  • Polimixina , de Paenibacillus polymyxa .

Péptidos ribosomales [ editar ]

  • Thiostrepton , de varias cepas de estreptomicetos, por ejemplo, Streptomyces azureus .
  • Microcinas , bacteriocinas como la microcina V de Escherichia coli .

Glucósidos [ editar ]

  • Nojirimicina , un iminoazúcar de una clase de especies de Streptomyces .

Alcaloides [ editar ]

  • Tetrodotoxina , una neurotoxina producida por Pseudoalteromonas y otras bacterias que viven en simbiosis con animales como, por ejemplo, el pez globo .

Enfoques biotecnológicos [ editar ]

Cultivo de tejidos vegetales Oncidium leucochilum.

La cría selectiva se utilizó como una de las primeras técnicas biotecnológicas utilizadas para reducir los metabolitos secundarios no deseados en los alimentos, como la naringina, que causa amargor en la toronja. [38] En algunos casos, el resultado deseado es aumentar el contenido de metabolitos secundarios en una planta. Tradicionalmente esto se hacía usando técnicas de cultivo de tejidos vegetales in vitro que permiten: controlar las condiciones de crecimiento, mitigar la estacionalidad de las plantas o protegerlas de parásitos y microbios dañinos. [ cita requerida ] La síntesis de metabolitos secundarios se puede mejorar aún más mediante la introducción de inductores en un cultivo de plantas de tejidos, como ácido jasmónico , UV-B oozono . Estos compuestos inducen estrés en una planta, lo que aumenta la producción de metabolitos secundarios.

Para aumentar aún más el rendimiento de los SM, se han desarrollado nuevos enfoques. Un enfoque novedoso utilizado por Evolva utiliza cepas de levadura recombinante de S. cerevisiae para producir metabolitos secundarios que normalmente se encuentran en las plantas. El primer compuesto químico exitoso sintetizado con Evolva fue la vainillina, ampliamente utilizada en la industria de bebidas alimenticias como aromatizante. El proceso implica insertar el gen del metabolito secundario deseado en un cromosoma artificial en la levadura recombinante que conduce a la síntesis de vainillina. Actualmente, Evolva produce una amplia gama de productos químicos como stevia , resveratrol o nootkatone .

Protocolo de Nagoya [ editar ]

Con el desarrollo de tecnologías recombinantes, en 2010 se firmó el Protocolo de Nagoya sobre acceso a los recursos genéticos y participación justa y equitativa en los beneficios derivados de su utilización para el Convenio sobre la Diversidad Biológica . El protocolo regula la conservación y protección de los recursos genéticos para prevenir la explotación de países más pequeños y más pobres. Si los recursos genéticos, proteicos o de moléculas pequeñas procedentes de países con biodiversidad se vuelven rentables, se establece un plan de compensación para los países de origen. [39]

Ver también [ editar ]

  • Producto natural
  • Metabolismo secundario
  • Cultivo de raíces pilosas , una estrategia utilizada en el cultivo de tejidos vegetales para producir cantidades comercialmente viables de valiosos metabolitos secundarios
  • Metabolito
  • Metabolito primario
  • Fisiología de las plantas
  • Toxina
  • Compuestos orgánicos volátiles
  • Ecología química

Referencias [ editar ]

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External links[edit]

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