https://doi.org/10.53287/txcy7580ba27a
REVISTA CON-CIENCIA Nº2/VOL. 9, NOVIEMBRE 2021, ISSN: 2310-0265
Biosíntesis y optimización de la producción de alcaloides en la familia Amaryllidaceae
Biosynthesis and enhancement of alkaloid production in the Amaryllidaceae family
RUIZ MACHICAO, JOSÉ ANTONIO1 * MOLLINEDO, PATRICIA1
FECHA DE RECEPCIÓN: 31 JULIO 2021 FECHA DE ACEPTACIÓN: 7 NOVIEMBRE 2021
Introducción: La presente revisión bibliográ- fica referencia diversos estudios que describen la biosíntesis de alcaloides en la familia Amary- llidacea. Se toman en cuenta los procesos enzi- máticos que rigen la biosíntesis de los metabo- litos secundarios y los métodos de estimulación y mejoramiento de la producción de alcaloides.
Objetivo: Determinar, mediante una am- plia revisión bibliográfica, los posibles méto- dos de mejora de la producción de alcaloides.
Metodología: Se realizo una revisión biblio- gráfica de los documentos más relevantes sobre la biosíntesis de alcaloides de Amaryllidaceae.
Resultados: En esta revisión, es posible esta- blecer una metodología de mejoramiento de la producción de alcaloides tipo crinina/haemanta-
Abstract
Introduction: The referenced studies in this bibliographic review show the alkaloid biosyn- thesis in the Amaryllidaceae family. Some of the processes involved in the improvement and stimu- lation of alkaloid production are also taken into account and the enzymatic processes that rule secondary metabolites synthesis are described.
Objective: To determine, throu- gh a bibliographic review, possible me- thods of improving alkaloid production.
Methods: A wide bibliographic review of the most relevant articles about the Amarylli- daceae family alkaloid production was applied.
Results: It was possible to demonstrate that there is the possibility to stablish and develop a successful method to improve the produc-
1 CARRERA DE CS. QUÍMICAS, FACULTAD DE CIENCIAS PURAS Y NATURALES, UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS CAMPUS DE COTA COTA. LA PAZ, BOLIVIA.
* AUTOR PARA CORRESPONDENCIA: JRM.QMC@GMAIL.COM ORCID: HTTPS://ORCID.ORG/0000-0001-7494-1354 ORCID: HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-3808-2043
mina en plantas de la familia Amaryllidaceae nativas de Bolivia y evaluar la posibilidad de aplicarla con éxito para la obtención de mejores rendimientos.
PALABRAS CLAVE
Amryllidaceae, alcaloides, biosíntesis de alcaloides, estimulación, norbella- dina.
tion of crinine/haemanthamine type alka- loids in the Bolivian native family Amary- llidacea and to evaluate the possibility of applying it successfully to obtain better yields
KEYWORDS
Amaryllidaceae alkaloids, Alkaloid Biosynthesis, Stimulation, norbella- dine
Las rutas biosintéticas de alcaloides son uno de los retos más grandes que ha tenido la química desde el siglo XX hasta la actualidad debido a su diversidad estructural y a la diversidad de plantas que los producen. Los avances en estudios enzimáticos han significado una gran evolución para la elucidación en las rutas biosintéticas para la formación de alcaloides en la naturaleza: Sin embargo, no todas han sido elucidadas. Solo se conocen algunas de las rutas biosintéticas.
Los alcaloides pueden ser clasificados desde el punto de vista biosinté- tico dentro de los siguientes grupos i) Alcaloides derivados de aminoácidos como arginina, lisina, histidina, triptofano, ácido antranpilico y ácido nicoti- nico ii) Alcaloides puricos iii) Terpenos aminados iv) alcaloides policetidos. (Roberts & Wink, 1998). Debido al interés especifico
alcaloides derivados de aminoácidos, en adelante se discutirán las rutas bio- sintéticas de estos.
La ruta básica de la biosíntesis de la mayoría de alcaloides está definida por las siguientes reacciones: i) condensación de un aldehído o cetona con una amina para formar una base de Schiff, ii) el cierre de un anillo acoplado a un sistema aromático y iii) oxidación del grupo hidroxilo de un compuesto fenólico se oxida para formar un radical intermediario altamente reactivo (Cordell, 2011).
La formación de una base de Schiff se da cuando una molécula de ceto- na o un aldehído se condensa con una amina eliminando agua (figura 1). El producto es capaz de atraer nucleófilos de distintas fuentes (Cordell, 2011).
La reacción de Mannich se inicia mediante la adición nucleofílica de la amina al carbonilo del aldehído o cetona para formar el ión iminio. En se- gundo lugar, se da la enolización por catálisis ácida de un aldehído o cetona y se obtiene un enol que se adiciona al ion iminio para dar el producto final (Base de Schiff).
La base de Schiff puede ser atacada por un anillo aromático, esta reacción se denomina Condensación de Pictet-Spengler (figura 2)
Se trata del cierre de un anillo en una estructura piperidinica por catálisis ácida de una base de Schiff en presencia de un anillo aromático.
El grupo hidroxilo de un compuesto fenólico se puede oxidar por la pér- dida de un radical hidrógeno formando un radical altamente reactivo que puede unirse a otros radicales para formar una amplia variedad de estructu- ras mediante enlaces orto-orto, orto-para y para-para (Figura 3).
Formación de radicales libres y de las especies conjugadas A, B y C por re- sonancia. Las especies formadas pueden reaccionar entre sí, o con diferen- tescompuestos para generar nuevas estructuras. Este mecanismo es esencial para la formación de distintos esqueletos de alcaloides.
Estas reacciones son la base de las diferentes rutas de biosíntesis de alca- loides en plantas y que puedan ramificarse dependiendo de los precursores de los grupos de estructuras o esqueletos de alcaloides y los mecanismos específicos de cada especie. (Desgagné-Peenix, 2020).
Las reacciones descritas en las figuras 1, 2 y 3 son el núcleo para la for- mación de fenilalanina (Ph) y tirosina (Tyr) a partir de los cuales se forman esqueletos precursores como la norbelladina y la 4’O-metilnorbelladina. (Fi-
gura 4).
En la figura 4 se describe el mecanismo propuesto por Kilgore y Kutchan para la obtención de norbelladina y 4’O-metilnorbelladina a partir de Tyr y Ph. A partir de estos se pueden seguir una serie de rutas, que dan como resultado diversas estructuras conocidas de alcaloides típicos de la familia Amaryllidaceae como hemantamina, galantamina y licorina, entre otros.
(Cabezas. 2013) La figura 5 muestra algunos de los diferentes esqueletos que se pueden obtener a partir de norbelladina (Desgagné-Peenix, 2020).
Se desarrolla la biosíntesis de precursores norbelladina y 4’O-metilnorbella- dina. (Kilgore & Kutchan, 2015).
Diferentes esqueletos de alcaloides de Amaryllidaceae derivados de norbelladina. (Desgagné-Penix, 2020)
La formación de la estructura del esqueleto de norbelladina, ha sido descrito por diversos autores (Singh et al., 2018; Kilgore, 2015; Cabezas et al., 2013). Una propuesta es la de Kilgore y Kutchan , que muestran que, por un lado, la Ph se transforma en ácido trans cinámico por acción de la L-fe- nilalanina amino liasa (PAL) y luego se transforma en ácido 4-hidroxicinámi- co por acción de la trans-cinamato 4- monooxigenasa (CYP73A1). El ácido 4-hidroxicinámico puede transformarse en ácido 3,4- dihidoxicinámico por acción de la hidrogenasa CYP98A3 o convertirse en 4-hi-
droxibenzaldehido. A partir de ambas estructuras se obtiene 3,4-dihidroxi- benzaldehido. Por otro lado, la Tyr se transforma en tiramina por acción de la tirosina decarboxilasa. La tiramina y el 3,4-dihidroxibenzaldehido sufren un acoplamiento para formar una base de Schiff y mediante una enzima reductasa se forma la norbelladina, que, a su vez, se puede transformar en 4’O-metilnorbelladina por acción de la norbelladina 4’O-metiltransferasa (N4OMT). (Ghosal et al. 1988; Liscombe et al., 2012; Singh & Desgagné-Pe- nix, 2014)
Uno de los pasos esenciales en la biosíntesis de alcaloides en la fa- milia Amaryllidaceae es el acoplamiento fenol oxidativo de la 4’O-metil- norbelladina (Desgagné-Penix, 2020) El acoplamiento se puede dar en las posiciones ortho-para (o,p), dando como resultado esqueletos tipo licorina; en posiciones para-orto (p,o), resultando en esqueletos tipo galantamina; y en posición para-para (p,p’), lo que da como resultado estructuras de tipo crinina. El especial interés en compuestos tipo crinina llevan a profundizar en el acoplamiento p,p’ de la 4’O-metilnorbelladina.
En la figura 6 se observa el mecanismo general de obtención de crinina donde se muestran las estructuras intermediarias esenciales cuya formación se explica a través de acoplamiento fenol oxidativo p,p’ de la 4’O-metilnor- belladina. (Berkov, 2020)
Se ha reportado por Kilgore et al, el año 2015 que la enzima CYP96T1 y otras enzimas tipo CYP catalizan acoplamientos fenólicos C-C (Cross
coupling Carbon-Carbon) para-para, orto- para y para-orto que dan como resultado los esqueletos Noroxomaritidina, Noroxopluviina y N-Dimeti- lnarwedina, respectivamente. Por otro lado, las publicaciones de Barton, 1963 y Wildman et al. 1962 demuestran mediante incorporación de Ph do- pada con C14 que la Noroxomaritidina es un precursor de la hemantamina y que la N-dimetilnarwedina es un precursor de la Galantamina. (Barton et al., 1963; Wildman & Fales, 1963).
Según Singh y Desgagné, 2014, se han descubierto una serie de enzimas responsables de los acoplamientos C-C en la biosíntesis de alcaloides y se ha visto que ellas pertenecen al citocromo P450 de las plantas (Sato, 2011). Por ejemplo, el CYP450s cataliza una serie de reacciones de monooxigenación/ hidroxilación, participando en acoplamientos fenólicos C-C.
Ikezawa, (2008), describe que la enzima CYP80G2 participa en la forma- ción de alcaloides tipo aporfina y otra enzima, la salatudirina sintasa, cata- liza un acoplamiento para-orto en la biosíntesis de alcaloides tipo morfina. (Bastida et al., 2011). No se han descrito enzimas específicas que intervengan en el acoplamiento orto-para, que genera alcaloides tipo licorina. Sin em- bargo, se describe que la enzima CYP96T1, juega un papel importante en el acoplamiento C-C, en la susutitucion para-para del anillo bencénico, que da como resultado (10bR,4aS)-noroxomaritidina y (10bS,4aR)-noroxomaritidi- na, ambos precursores de alcaloides tipo crinia/haemantamina que son de interés dentro de la familia Amarilladeceae (Lopez et al., 2002; Elgorashi & van Staden, 2009; Singh & Desgagné-Penix 2017).
Estudios llevados por Boycheva et al. 2014 han encontrado grupos de ge- nes (gene clusters) en distintas especies como Avena spp., Oryza sativa, Sor- ghum bicolor, Manihot esculenta, Papaver somniferum, Solanum spp, entre otros (Boycheva et al., 2014) que son responsables de la síntesis de alcaloi- des. Se postula que estos grupos de genes como los reportados en (Chu et al., 2011) juegan un papel importante en la biosíntesis de alcaloides, ya que se sabe que estos grupos de genes, son activados como un mecanismo de adaptación o defensa para las plantas en condiciones medio ambientales extremas. (Walton, 2000).
Además, se conoce que la síntesis de alcaloides de las especies de la familia Amaryllidaceae tiene una gran dependencia de las condiciones medioam- bientales y, por ende, es posible una alteración del metabolismo secundario de estas plantas al exponerla a distintos tipos de estrés. (Takos et al., 2011; Takos & Rook, 2013).
La expresión de la información genética en la transcripción y traducción del ARN aislado deN. pseudonarcissus, ha logrado desarrollar una base de datos del transcriptoma de especie. Mediante técnicas de secuenciación BLASTx (Basic Local Alignment Search Tool) se ha logrado analizar y encon- trar tres secuencias de nucleótidos candidatas de la síntesis de alcaloides. Entre ellas, la secuencia más larga, de 492bp, ha sido denominada N. Pseu- donarcissus norbelladina sintasa y el reporte de Signh et al, 2018 ha deter- minado que codifica una proteína de 163 aminoácidos de peso molecular
aproximado de 19kDa.
Por otro lado, mediante extracción y secuenciado ARN de N. papyra- ceus, se ha obtenido el transcriptoma de esta especie y mediante análisis por BLASTx, se han obtenido las enzimas codificantes de alcaloides. La com- paración de secuencias codificantes entre distintas especies ha dado como resultado que N. papyraceus comparte un 57% de pares homologas de una variante del gen codificante de tiramina decarboxilasa 1 (TYDC1), con la especie N. pseudonarcissus y 90% de pares homólogos a un segundo tipo de gen codificante de tiramina decarboxilasa 2 (TYDC2). También se ha visto que N. papyraceus tiene un 70% de genes homólogos con TYDC de Papaver somniferum. (Hotchandani et al., 2019).
El análisis BLASTx del transcriptoma de ARN de N. papyraceus ha logra- do identificar dos variantes de tiramina decarboxilasa TYDC, tres variantes completas de codificadores de fenilalanina amonio liasa PAL, al igual que diversas variantes de codificantes de hidrolasa de ácido cinámico C4H, cu- marato-CoA ligasa 4CL y de hidroxicinamoil transferasa. (Hotchandani et al., 2019).
Algunas rutas biosintéticas de alcaloides pueden ser estimuladas con elicitores fúngicos, iones metálicos y radiación UV como, por ejemplo, la
síntesis de alcaloides tipo indol en la especie Catharantus roseus (Facchini, 2006). Las enzimas TYDC y PAL, tirosina decarboxilasa y fenilalanina amonia liasa, respectivamente, se pueden estimular por tratamiento con elicitores fúngicos para estimular la ruta biosintética de Fachinni, 1996. Este procedi- miento ha sido efectivo en pruebas en Papaver somniferum. (Luca, 1996) y en Catharanthus roseus (Binder, 2009).
Baldi en 2009 reporta que los elicitores fúngicos promueven la formación de metabolitos secundarios en general. Por otro lado, Pasquali et al. 1992 reportan que algunos elicitores fúngicos estimulan la expresión de genes TYDC y estrictosidina sintasa STR, mediante la activación de factores de transcripción pre existentes (Pasquali et al., 1992). Además, algunas pruebas muestran una mayor producción de enzimas modificadoras de la pared ce- lular vegetal (Menke et al., 1999) y, al mismo tiempo, se observa que plantas tratadas con enzimas TYDC y STR han mostrado un incremento de activi- dad enzimática codificada por CYTD y STR. (Vázquez-Flota et al., 2000). Del mismo modo, reportes de Zhou, et al. 2020 muestran que algunos elicitores fúngicos tienen un efecto positivo en la acumulación de alcaloides de la es-
pecie perteneciente a la familia Amaryllidaceae Lycoris radiata.
La producción de enzimas codificadas por TYDC y C4H, pueden ser es- timuladas por exposición a la luz. (Vázquez-Flota et al., 2000) (Power et al., 1990) verifican una mayor acumulación de intermediarios de las rutas bio- sintéticas de alcaloides en plantas irradiadas (Power et al., 1990). Se estima que la regulación de algunas enzimas inducidas por exposición a la luz se da a nivel de la transcripción, es decir en la regulación de la cantidad de ARNm producido. (St-Pierre & De Luca, 1995).
La biosíntesis de alcaloides de la familia Amaryllidacea, concretamente de alcaloides tipo crinina/hemantamina, se conoce y depende de precursores y procesos enzimático específicos (Desagné-Penix, 2020; Kilgore y Kutchan, 2015 y Liscombe et al., 2012). Se ha determinado que la biosíntesis de alca- loides de estructura molecular tipo crinina, siguen una ruta biosintética que tiene como precursor común la norbelladina y la metilnorbelladina como
intermediarios principales. Dichos precursores siguen un acoplamiento fenólico para-para que permite la formación de las moléculas de interés.
(Berkov, 2020). Además, se tiene una propuesta del proceso enzimático que permite este acoplamiento donde la enzima principal es CYP96T1 (Kilgore et al., 2015).
Bajo la evidencia citada, se establece que es posible que se mejore la capacidad productora de alcaloides de plantas de la familia Amaryllidaceae mediante la aplicación de diversos métodos.
Los estudios de Luca, (1996) respecto de esta ruta biosintética proponen que la estimulación de una mayor producción de este tipo de alcaloides en plantas de la familia Amaryllidacea, podría darse por la estimulación de la actividad de las enzimas TYDC y PAL que influyen en el proceso de biosín- tesis de la norbelladina. De esta manera, el método más sencillo de estimu- lación de dichas enzimas en el de exposición de la planta a luz UV (Facchini, 2006).
Por otro lado, un método que ha mostrado buenos resultados en la esti- mulación de la producción de alcaloides es el tratamiento con elicitores fún- gicos. (Pasquali et al., 1992). Este método permite la expresión de distintos genes de manera simultánea y la activación de mecanismos de transcripción que son propios de la planta. (Menke et al., 1999).
En vista de la evidencia citada y del potencial que tienen los alcaloides tipo crinia/hemantamina como medicamentos, se propone la potenciación de la síntesis y almacenamiento de este tipo de alcaloides en plantas de la familia Amaryllidacea mediante los métodos previamente citados. Además, entre las plantas de mayor interés de esta familia, en Bolivia se encuentran las especies Stenomesson spp. Las cuales se conocen por producir alcaloi- des tipo crinina/hmantamina.
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