Alcaloides

Jaime Garrido
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Se llaman alcaloides (de álcali, carbonatos de alcalinos, y -oide, parecido a, en forma de) a aquellos metabolitos secundarios de las plantas sintetizados, generalmente, a partir de aminoácidos. Los alcaloides verdaderos derivan de un aminoácido, son por lo tanto nitrogenados. Son básicos (excepto colchicina), y poseen acción fisiológica intensa en los animales aun a bajas dosis con efectos psicoactivos.

Características de los Alcaloides

Las principales características son las siguientes:

  • Son numerosos, heterogéneos y su presencia en plantas está limitada a ciertos grupos taxonómicos
  • Con en un anillo heterocíclico
  • Derivados de aminoácidos
  • Muchos, con parte terpenoide
  • La mayoría son alcalinos excepto la colchicina
  • Primero fue descubierto en 1806: morfina

Funciones de los Alcaloides

Los alcaloides son eminentemente metabolitos secundarios pero pueden tener funciones de metabolitos primarios si actúan en alguna circunstancia como fuente o reserva de nitrógeno, pero este es un extremo aun no verificado.

FUNCIONES PRIMARIAS

  • Reserva de Nitrógeno

FUNCIONES SECUNDARIAS

  • Defensa
  • Tóxicos para mamíferos herbívoros (Como los alcaloides de senecios y lupinos)
  • Antibióticos (Como la berberina)
  • Insecticidas (Como la nicotina)
  • Disuasorios alimentarios (Como la estricnina)
  • Pigmentos (Como las betalaínas ó betanina)

Clasificación de los Alcaloides

Se conocen alrededor de 12.000 alcaloides verdaderos que se clasifican en tres grupos en función del aminoácido del que derivan. Estos grupos son los formados por:

  • Derivados de arginina, lisina y ornitina (nicotina)
  • Derivados de fenilalanina y tirosina (papaverina, codeína, morfina)
  • Derivados del triptófano (ácido lisérgico)

Los alcaloides tropánicos son agentes anticolinérgicos. Se utilizan como droga de abuso, anestésico y como narcótico.

Los alcaloides de Pirrolicidina (Senecio) actúan como disuasores alimentarios, como hepatotóxicos en vertebrados y como mutagénicos en insectos. Pero la función defensiva no la ejerce directamente en la planta, sino que tienen que ser activados por las enzimas monoxigenasas dependientes de P450, que poseen los animales herbívoros.

Los alcaloides de bencilisoquinolina ejercen acción bactericida y bacteriostático.

Farmacología de los Alcaloides

Hay herbívoros que consumen plantas no para alimentarse sino para obtener sus productos químicos, tanto de defensa como incluso para fabricar feromonas sexuales.

Algunas polillas se han vuelto dependientes de la acumulación de alcaloides hasta el punto que de esto depende su éxito reproductivo. Para evitar la toxicidad de los alcaloides, este tipo de insectos posee una serie de mecanismos de detoxificación como pueden ser la oxidación, la conjugación, el bloqueo de la reducción, la excreción rápida o el secuestro.

En las plantas los alcaloides se suelen encontrar en forma no reducida N-óxido que no es tóxica. La forma tóxica del alcaloide la alcanza cuando es reducido en el digestivo del herbívoro.

Los protoalcaloides (ej: colchicina, taxol) y pseudoalcaloides (ej: aconitina, coniina) son compuestos con la estructura de los alcaloides cuyos nitrógenos no derivan de un aminoácido. Los protoalcaloides tienen el N en la cadena lateral y los pseudoalcaloides en el anillo heterocíclico.

Los alcaloides no son exclusivos de plantas. Varias especies de ranas del Amazonas producen batracotoxina, y también algunas serpientes producen bungarotoxina.

Biosíntesis de Alcaloides

Los alcaloides son muy numerosos (unos 12.000) aunque provienen de unos pocos aminoácidos. Se distinguen:

  • Alta especificidad enzimas biosintéticas. Ejemplo: monooxigenasas dependientes de P450
  • Cultivos de células como herramientas
  • Primera ruta completa enzima a enzima: síntesis de berberina

Ramas principales

  • Síntesis de alcaloides tropánicos y nicotínicos
  • Síntesis de alcaloides de bencilisoquinolina
  • Síntesis de alcaloides indólicos terpénicos

Localización de la biosíntesis de alcaloides

  • En diversos compartimentos subcelulares: citosol, tonoplasto, vacuola, cloroplastos, vesículas del RE liso (vesículas de alcaloides)
  • En diversos tipos celulares especializados en cuyo caso se realiza el transporte mediante intermediarios
Alcaloides Nicotina y opio
En la tabla se muestran unos ejemplos de los lugares de síntesis de algunos alcaloides y la fuente de procedencia.

Regulación de la síntesis de alcaloides

  • Sistema de defensa CONSTITUTIVO (Continuo en el tiempo)
  • Sistema de defensa INDUCIBLE (Tras un estimulo)
    • por depredación de herbívoros: síntesis nicotina
    • en respuesta a Manduca sexta
    • por elicitores de patógenos
    • por condiciones ambientales
    • por factores endógenos: auxinas
  • Expresión enzimas biosintéticas puede: tener especificidad de tejido y exigir diferenciación celular.
Biosíntesis de Alcaloides Tropánicos y Nicotínicos

La hiosciamina se sintetiza en la raíz de la planta y posteriormente es transportada a las hojas. En las hojas y mediante la acción de la enzima hiosciamina-6β-hidroxilasa (H6H) es transformada en escopolamina.

Mediante transformación se ha conseguido que Atropa belladona sintetice escopolamina, al transferirle los genes que expresan la enzima H6H de Hyoscyamus niger. El mismo resultado se ha conseguido al transformar células cultivadas de 6icotiana tabacum con los mismos genes de H. niger.

La ruta de síntesis de alcaloides de bencilisoquinolina se muestra en la siguiente:

Tirosina descarboxilasa

En la figura se observa que la L-tirosina mediante la acción de la enzima tirosina descarboxilasa genera dos productos distintos, L-DOPA y Tiramina. Ambos productos y mediante la acción de la norcoclaurina sintasa producen norcoclaurina, que es transformada posteriormente en S-RETICULINA. Este compuesto es transformado en el interior de vesículas en Berberina mediante las enzimas del puente de Berberina. Por otro lado, la S-RETICULINA es transformada también en morfina y posteriormente en codeína.

La norcoclaurina es el precursor de todos los alcaloides de este grupo.

Un ejemplo de transformación se ha efectuado en la colza. Se han transformado plantas de colza con los genes de la tyrosina descarboxilasa haciendo que las plantas contengan menos Tyr y más tiramina. Este compuesto va a la pared celular formando amidas del ácido hidrocinamico, con el resultado de que la planta es menos digestible y más resistente a los herbívoros.

La Biosíntesis de alcaloides Indólicos Terpénicos se muestra en la siguiente imagen:

Triptófano descarboxilasa

La estrictosidina sintasa cataliza el paso limitante en la biosíntesis de los alcaloides de este tipo, en cultivos celulares.

Glucósidos Cianogénicos

Los glucósidos cianogénicos son derivados de aminoácidos que en algunas plantas se encuentran en forma de glucósidos. Son metabolitos secundarios de las plantas que cumplen funciones de defensa, ya que al ser hidrolizados por algunas enzimas liberan cianuro de hidrógeno (Hegnauer 1977), en el proceso llamado cianogénesis.

Glocósidos Cianogénicos

El glúcido del glucósido se conoce como glicona y el grupo ajeno al glúcido, aglicona glucósido. La glicona puede consistir en un solo monosacárido o varios unidos entre sí formando un oligosacárido.

La aglicona puede ser aromática si deriva de Phe, como en la prunasina (en especies de Prunus), o bien alifática si deriva de Val, como en la linamarina (en especies de Trifolium).

Algunos «tipos biosintéticos» de glucósidos cianogenéticos parecen haberse originado muchas veces evolutivamente, mientras que otros parecen haber aparecido una sola vez, y tienen por lo tanto una distribución restringida a sólo algunos taxones emparentados de plantas.

Se han llevado a cabo experimentos transgénicos transfiriendo a A. thaliana la ruta completa de síntesis de dhurrina (glucósido cianogénico) del Sorghum bicolor. Las plantas transformadas han sido capaces de producir de forma natural la dhurrina confiriéndole con ello una buena resistencia contra el coleóptero Phyllotreta nemorum.

La enzima glucosidasa se encuentra en las paredes celulares de la planta y el glucósido cianogénico en el citoplasma. Ambos compuestos se ponen en contacto y se produce la cianogénesis cuando el herbívoro rompe los tejidos celulares.

En la hoja de la Yuca (Manihot esculenta) se produce la síntesis de linamarina y la formación de cianuro cuando es triturada por el herbívoro. La presencia de elementos cianogénicos en la raíz hace que la misma sea inutilizable y venenosa sin una prolongada cocción, necesaria además para reducir la rigidez de la pulpa. La yuca se utiliza extensamente en la cocina latinoamericana. La ingestión de la yuca defectuosamente tratada provoca parálisis y trastornos neurológicos.

Efectos biológicos

EN  PLANTAS

  • Germinación
  • Reserva Nitrógeno
  • Defensa (disuasores y tóxicos)

EN ANIMALES

  • Intoxicaciones (vacas, burros, ovejas)

EN  HUMANOS

  • 2/3 plantas cultivables contienen glucósidos cianogénicos

Existen enzimas que detoxifican el cianuro tanto en plantas como en mamíferos. En plantas, la β-ciano-alanina sintasa lo transforma en L-asparagina, y en mamíferos, la rodanasa transforma el cianuro en tiosulfato más tiocinato.

Algunos insectos, como Heliconius sara, son capaces también de detoxificar los glucósidos cianogénicos para usarlos como fuente de nitrógeno. Otros herbívoros almacenan los glucósidos cianogénicos y los utilizan en su defensa.

Glucosinatos

Los Glucosinolatos son metabolitos secundarios de las plantas derivados de aminoácidos, de los que se obtienen los aceites de mostaza, al ser hidrolizados por las enzimas myrosinasas. Al igual que los glucósidos cianogénicos, químicamente son glucósidos que contienen una molécula de tiosulfato y otra de glucosa formando la J-D-Thioglucosa, por ello también se les denomina tioglicósidos.

Se encuentran en plantas dicotiledóneas, y son especialmente abundantes en la familia de las Brassicaceae (crucíferas). Constituyen un mecanismo de defensa para la planta. Se almacenan en la vacuola.

Los glucosinolatos son inocuos, pero cuando la planta está siendo devorada por un animal o digerida por un rumiante, enzimas como la myrosinasa (que se encuentra separada físicamente de los glucosinolatos) entran en contacto con estos compuestos, generando glucosa, ácido sulfúrico y compuestos volátiles. Cuando los glucosinolatos son hidrolizados el azúcar se separa y se forma un compuesto inestable (aglicona) que de forma espontánea forma compuestos tóxicos (nitrilo, isotiocianato, tiocianato).

Glucosinolatos

Sólo los lepidópteros de la especie Pieris rapae (mariposa de la col) tienen mecanismos de detoxificación de los nitrilos mediante la NSP (nitrile specifier proteína) que impide la producción de isotiocianatos (muy tóxicos) derivando la acción de la myrosinasa a la síntesis de nitrilo.

Funciones de los glucosinolatos

Se le conocen dos funciones principales:

  • Defensa
    • Disuasores (repelentes microorganismos e insectos)
    • Tóxicos (isotiocianatos)
  • Atrayentes para especialistas alimentación
    • Puesta de huevos
  • En humanos: asociados a prevención de cáncer

Se han realizado transformaciones en la colza para obtener plantas productoras de semillas con bajo contenido en glucosinolatos, lo cual las hace más apetecibles para el ganado, pero manteniendo el nivel original de glucosinolatos en hojas como defensa efectiva ante herbívoros.

Aminoácidos no proteicos

Los Aminoácidos no proteicos son aminoácidos naturales que no forman parte de proteínas. Algunos, como la homoserina y la ornitina son primarios, pero la mayoría son secundarios.

La función principal es la de defensa, actuando como tóxicos en animales, plantas y microorganismos, y como disuasores en insectos.

Su forma de actuar es sustituyendo a aminoácidos proteicos en la síntesis de proteínas. Por ejemplo, la canavanina sustituye a la arginina en la síntesis proteica haciendo que el péptido formado sea anómalo o no funcional.

En general actúan bloqueando la síntesis de proteínas y de enzimas biosintéticas. Las plantas que los contienen y los herbívoros especialistas que los ingieren necesitan sistemas de autodefensa. Por ejemplo, Canavalia ensiformis (Fabácea) tiene mucha canavanina en semillas, pero posee la enzima arginil-ARNt-sintasa que discrimina entre canavanina y Arg.

Inhibidores de proteasas

En las plantas en inhibidores de proteasas forman parte del sistema de defensa inducible frente a herbívoros. Disminuyen la tasa de crecimiento de los insectos porque dificultan o impiden la digestión de las proteínas vegetales.

Existen herbívoros resistentes a los inhibidores de proteasas porque:

  • Aumentan la producción de proteasas
  • Sintetizan proteasas insensibles a los inhibidores de la planta
  • Sintetizan proteasas que degradan los inhibidores.

Otros compuestos con nitrógeno

Entre los más conocidos se encuentran la proteínas inactivadotas de los ribosomas (RIP Ribosome-Inactivating Protein) cuyo máximo exponente es la ricina (de Ricinus comunis) seguido de otros tóxicos como la abrina (Abrus precatorius), la mormodina II (Mormodica balsamina), o la α-Lufina (Luffa cylindrica) y la briodina 1 (Bryonica dioica).

Se unen a los ribosomas de las células eucariotas paralizando la síntesis de proteínas, lo que causa su muerte por apoptosis. La dosis letal en un adulto que ingiera la ricina es de un miligramo. Si es inhalada o inyectada, la dosis letal es de apenas 500 microgramos.

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