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Metabolito secundario

Fórmula estructural del aminoácido ácido pipecolínico , que, a diferencia de otros aminoácidos, no se utiliza como componente básico en las proteínas. En algunas plantas, el áci...

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Fórmula estructural del aminoácido ácido pipecolínico , que, a diferencia de otros aminoácidos, no se utiliza como componente básico en las proteínas. En algunas plantas, el ácido pipecolínico actúa como un compuesto de defensa contra los microorganismos. [ 1 ] Debido a su presencia limitada, el ácido pipecolínico 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 , productos secundarios o productos naturales , son compuestos orgánicos producidos por cualquier forma de vida, como bacterias , arqueas , hongos , animales o plantas , que no participan directamente en el crecimiento , desarrollo o reproducción normales del organismo. En cambio, generalmente median en interacciones ecológicas , lo que puede generar una ventaja selectiva para el organismo al aumentar su supervivencia o fecundidad . [ 2 ] Los metabolitos secundarios específicos suelen estar restringidos a un conjunto limitado de especies dentro de un grupo filogenético . Los metabolitos secundarios a menudo desempeñan un papel importante en la defensa de las plantas contra la herbivoría y otras defensas entre especies. Los humanos utilizan metabolitos secundarios como medicamentos, saborizantes, pigmentos y drogas recreativas. [ 3 ]

El término metabolito secundario fue acuñado por Albrecht Kossel , laureado con el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1910. [ 4 ] Treinta años después, el botánico polaco Friedrich Czapek describió los metabolitos secundarios como productos finales del metabolismo del nitrógeno . [ 5 ]

Los metabolitos secundarios suelen mediar en interacciones antagónicas, como la competencia y la depredación , pero también en mutualismos como la polinización y los mutualismos de recursos . Por lo general, los metabolitos secundarios se limitan a un linaje o incluso especie específicos, [ 6 ] aunque hay evidencia considerable de que la transferencia horizontal entre especies o géneros de vías metabólicas completas juega un papel importante en la evolución bacteriana (y, probablemente, fúngica). [ 7 ] La ​​investigación también muestra que el metabolismo secundario puede afectar a diferentes especies de maneras variables. En el mismo bosque, cuatro especies distintas de marsupiales folívoros arborícolas reaccionaron de manera diferente a un metabolito secundario en los eucaliptos. [ 8 ] Esto muestra que diferentes tipos de metabolitos secundarios pueden ser la división entre dos nichos ecológicos de herbívoros . [ 8 ] Además, ciertas especies evolucionan para resistir los 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 . [ 9 ] 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. [ 9 ]

metabolitos secundarios de las plantas

Las plantas son capaces de producir y sintetizar diversos grupos de compuestos orgánicos y se dividen en dos grupos principales: metabolitos primarios y secundarios. [ 10 ] Los metabolitos secundarios son intermediarios o productos 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 UV . [ 11 ] Los efectos biológicos de los metabolitos secundarios de las plantas en los humanos se conocen desde la antigüedad. La hierba Artemisia annua , que contiene artemisinina , se ha utilizado ampliamente en la medicina tradicional china hace más de dos mil años. [ 12 ] Los metabolitos secundarios de las plantas se clasifican por su estructura química y se pueden dividir en cuatro clases principales: terpenos , fenilpropanoides (es decir, fenoles ), policétidos y alcaloides . [ 13 ]

Clases químicas

Terpenoides

Fórmula estructural del pirofosfato de isopentenilo (IPP), cuyos átomos de carbono constituyen los bloques de construcción 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 estructural del terpenoide taxol , un fármaco anticancerígeno.

Los terpenos constituyen una amplia clase de productos naturales compuestos porunidades de isopreno.Los terpenos son hidrocarburos puros, mientras que los terpenoides son hidrocarburos oxigenados. La fórmula molecular general de los terpenos es un múltiplo de (C₅H₈ ) ₙ , donde 'n' es el número de unidades de isopreno enlazadas. Por lo tanto, los terpenos también se denominan compuestos isoprenoides. Su clasificación se basa en el número de unidades de isopreno presentes en su estructura. Algunos terpenoides (como muchos esteroles ) son metabolitos primarios. Algunos terpenoides que pudieron haberse originado como metabolitos secundarios se han incorporado posteriormente como hormonas vegetales, como las giberelinas , los brasinoesteroides y las estrigolactonas .

Ejemplos de terpenoides formados a partir de la oligomerización de hemiterpenos son:

compuestos fenólicos

Los compuestos fenólicos son compuestos químicos caracterizados por la presencia de una estructura de anillo aromático con uno o más grupos hidroxilo . Son los metabolitos secundarios más abundantes en las plantas, abarcando desde moléculas simples como el ácido fenólico hasta sustancias altamente polimerizadas como los taninos . Las clases de compuestos fenólicos se han caracterizado en función de su estructura básica.

Un ejemplo de fenol vegetal es:

alcaloides

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 )- [ 14 ].
Fórmula molecular de la solanina , un alcaloide tóxico que se acumula en las patatas.

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

Ejemplos de alcaloides producidos por las plantas son:

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

Glucosinolatos

Fórmula estructural de los glucosinolatos . El grupo lateral R puede variar. La estructura incluye una molécula de glucosa (a la izquierda), un átomo de nitrógeno derivado de un aminoácido y dos átomos de azufre , uno derivado del glutatión y el otro del sulfato (visto a la izquierda). [ 15 ]

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 las plantas es la glucorafanina , presente en el brócoli ( Brassica oleracea var. italica ).

Metabolitos secundarios de las plantas en medicina

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

Extracción de taxol de la corteza del tejo del Pacífico.

Los dos terpenoides más conocidos son la artemisinina y el paclitaxel . La artemisinina se utilizó ampliamente en la medicina tradicional china y posteriormente fue redescubierta como un potente antipalúdico por la científica china Tu Youyou . [ 16 ] En 2015 , recibió el Premio Nobel por este descubrimiento. [ 17 ] 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 fármacos antipalúdicos para un tratamiento eficaz. El paclitaxel , el compuesto activo del Taxol, es un fármaco quimioterapéutico utilizado para tratar diversos tipos de cáncer, como el de ovario , mama , pulmón , sarcoma de Kaposi , cuello uterino y páncreas . [ 18 ] El Taxol se aisló por primera vez en 1973 de la corteza de un árbol conífero, el tejo del Pacífico . [ 19 ]

La morfina y la codeína pertenecen a la clase de los alcaloides y se derivan de las amapolas de opio . La morfina fue descubierta en 1804 por el farmacéutico alemán Friedrich Sertürner.t. [ 20 ] Fue el primer alcaloide activo extraído de la amapola del opio . Es conocido principalmente por sus fuertes efectos analgésicos ; sin embargo, la morfina también se usa para tratar la disnea y la adicción a opiáceos más fuertes como la heroína . [ 21 ] [ 22 ] A pesar de sus efectos positivos en los humanos, la morfina tiene efectos adversos muy fuertes, como adicción, desequilibrio hormonal o estreñimiento. [ 22 ] [ 23 ] Debido a su naturaleza altamente adictiva, la morfina es una sustancia estrictamente controlada en todo el mundo, utilizada solo en casos muy graves, y algunos países la subutilizan en comparación con el promedio mundial debido al estigma social que la rodea. [ 24 ]

Campo de opio en Afganistán, el mayor productor de opio. [ 25 ]

La codeína, también un alcaloide derivado de la amapola del opio, es considerada la droga más utilizada en el mundo según la Organización Mundial de la Salud . Fue aislada por primera vez en 1832 por el químico francés Pierre Jean Robiquet , conocido también por el descubrimiento de la cafeína y el colorante rojo alizarina , ampliamente utilizado . [ 26 ] La codeína se usa principalmente para tratar el dolor leve y aliviar la tos [ 27 ], aunque en algunos casos se usa para tratar la diarrea y algunas formas del síndrome del intestino irritable . [ 27 ] La ​​codeína tiene una potencia de 0,1 a 0,15 veces mayor que la morfina ingerida por vía oral, [ 28 ] por lo que su uso es mucho más seguro. Si bien la codeína se puede extraer de la amapola del opio, el proceso no es económicamente viable debido a la baja abundancia de codeína pura en la planta. El principal método de producción es la metilación química de la morfina, mucho más abundante. [ 29 ]

La atropina es un alcaloide que se encontró por primera vez en la Atropa belladonna , una planta 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., cuando se utilizaba para tratar heridas, gota e insomnio. Actualmente, la atropina se administra por vía intravenosa para tratar la bradicardia y como antídoto para la intoxicación por organofosforados . Una sobredosis de atropina puede provocar intoxicación por atropina, cuyos efectos secundarios incluyen visión borrosa , náuseas , falta de sudoración, sequedad bucal y taquicardia . [ 30 ]

El resveratrol es un compuesto fenólico de la clase de los flavonoides. Es muy abundante en uvas , arándanos , frambuesas y cacahuetes . Se suele tomar como 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. [ 31 ] [ 32 ] No obstante, en general se cree que los flavonoides tienen efectos beneficiosos para los humanos. [ 33 ] Algunos estudios han demostrado que los flavonoides tienen actividad antibiótica directa. [ 34 ] Varios estudios in vitro y estudios in vivo limitados han demostrado que flavonoides como la quercetina tienen actividad sinérgica con antibióticos y son capaces de suprimir la carga bacteriana. [ 35 ]

La digoxina es un glucósido cardíaco que William Withering obtuvo por primera vez en 1785 de la planta digital (Digitalis) . Se utiliza habitualmente para tratar afecciones cardíacas como la fibrilación auricular , el aleteo auricular o la insuficiencia cardíaca . [ 36 ] Sin embargo, la digoxina puede tener efectos secundarios como náuseas , bradicardia , diarrea o incluso arritmia potencialmente mortal .

metabolitos secundarios de hongos

Las tres clases principales de metabolitos secundarios fúngicos son: policétidos , péptidos no ribosomales y terpenos . Aunque los metabolitos secundarios fúngicos no son necesarios para el crecimiento, desempeñan un papel esencial en la supervivencia de los hongos en su nicho ecológico. [ 37 ] El metabolito secundario fúngico más conocido es la penicilina, descubierta por Alexander Fleming en 1928. Posteriormente, en 1945, Fleming, junto con Ernst Chain y Howard Florey , recibió el Premio Nobel por su descubrimiento, que fue fundamental para reducir el número de muertes en la Segunda Guerra Mundial en más de 100 000. [ 38 ]

Otros ejemplos de metabolitos secundarios de hongos son:

La lovastatina fue el primer metabolito secundario aprobado por la FDA para reducir los niveles de colesterol. La lovastatina se encuentra naturalmente en bajas concentraciones en los hongos ostra , [ 39 ] el arroz de levadura roja , [ 40 ] y el Pu-erh . [ 41 ] El modo de acción de la lovastatina es la inhibición competitiva de la HMG-CoA reductasa , 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 que suele crecer en el centeno, provoca la muerte si se ingiere. La acumulación de alcaloides venenosos presentes en C. purpurea produce síntomas como convulsiones y espasmos , diarrea , parestesias , picazón , psicosis o gangrena . Actualmente, la eliminación de los cuerpos de cornezuelo requiere sumergir el centeno en una solución salina, donde los granos sanos se hunden y los infectados flotan. [ 42 ]

metabolitos secundarios bacterianos

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 permite interactuar mejor con su nicho ecológico. Las principales vías sintéticas de producción de metabolitos secundarios en bacterias son: vías de β-lactamas, oligosacáridos, shikimatos, policétidos y no ribosomales. [ 43 ] Muchos metabolitos secundarios bacterianos son tóxicos para los mamíferos . Cuando se secretan, estos compuestos venenosos se conocen como exotoxinas, mientras que los que se encuentran en la pared celular procariota son endotoxinas .

Ejemplos de metabolitos secundarios bacterianos son:

Fenazina

Policétidos

Péptidos no ribosomales

Péptidos ribosomales

Glucósidos

alcaloides

Terpenoides

  • Carotenoides , un pigmento producido por diferentes especies de bacterias, como Micrococcus sp. [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]
  • El estrepsesquitriol, compuesto producido por Streptomyces sp. que puede reducir la inflamación sin ser tóxico para las células, lo que lo convierte en un candidato prometedor para el desarrollo de medicamentos antiinflamatorios. [ 47 ]
  • Micromonohalimane B., un diterpeno identificado en Micromonospora sp. , muestra una actividad antibacteriana moderada contra algunas bacterias Gram positivas resistentes a los antibióticos. [ 47 ] [ 48 ]
  • Las ciclomarinas, un potente compuesto antiinflamatorio y antiviral producido por un Streptomyces marino, presentan una fuerte citotoxicidad contra líneas celulares cancerosas y también son eficaces contra los herpesvirus. [ 47 ] [ 49 ]

metabolitos secundarios de las arqueas

Las arqueas son capaces de producir una variedad de metabolitos secundarios, que pueden tener importantes aplicaciones biotecnológicas. [ 50 ] A pesar de ello, las rutas biosintéticas de los metabolitos secundarios en las arqueas se comprenden menos que las de las bacterias. Cabe destacar que las arqueas suelen carecer de algunos genes de biosíntesis presentes comúnmente en las bacterias, lo que sugiere que podrían poseer rutas metabólicas únicas para sintetizar estos compuestos. [ 50 ]

sustancias poliméricas extracelulares

Las sustancias poliméricas extracelulares pueden adsorber y degradar eficazmente compuestos orgánicos peligrosos. Si bien estos compuestos son producidos por diversos organismos, las arqueas son particularmente prometedoras para el tratamiento de aguas residuales debido a su alta tolerancia a las concentraciones salinas y su capacidad de crecer en condiciones anaeróbicas. [ 51 ]

Enfoques biotecnológicos

Cultivo de tejidos vegetales Oncidium leucochilum.

La selección genética se utilizó como una de las primeras técnicas biotecnológicas empleadas para reducir los metabolitos secundarios no deseados en los alimentos, como la naringina que causa el amargor en el pomelo. [ 52 ] En algunos casos, el resultado deseado es aumentar el contenido de metabolitos secundarios en una planta. Tradicionalmente, esto se hacía utilizando 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. [ 53 ] La síntesis de metabolitos secundarios puede mejorarse aún más introduciendo elicitores en un cultivo de tejido vegetal, como el ácido jasmónico , la radiación UV-B o el ozono . Estos compuestos inducen estrés en una planta que conduce a una mayor producción de metabolitos secundarios.

Para aumentar aún más el rendimiento de los metabolitos secundarios, se han desarrollado nuevos enfoques. Un método innovador utilizado por Evolva emplea cepas recombinantes de levadura S. cerevisiae para producir metabolitos secundarios que normalmente se encuentran en las plantas. El primer compuesto químico sintetizado con éxito mediante Evolva fue la vainillina, ampliamente utilizada en la industria de alimentos y bebidas como aromatizante. El proceso consiste en insertar el gen del metabolito secundario deseado en un cromosoma artificial de la levadura recombinante, lo que da lugar a la síntesis de vainillina. Actualmente, Evolva produce una amplia gama de compuestos químicos como la estevia , el resveratrol o la nootkatona .

Protocolo de Nagoya

Con el desarrollo de las 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, incorporado al Convenio sobre la Diversidad Biológica. Este protocolo regula la conservación y protección de los recursos genéticos para prevenir la explotación de los países más pequeños y pobres. Si los recursos genéticos, proteicos o de moléculas pequeñas procedentes de países con gran biodiversidad resultan rentables, se estableció un sistema de compensación para los países de origen. [ 54 ]

Véase también

Referencias

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