4Metabolismo Secundario Ok

8/13/2019 4Metabolismo Secundario Ok

http://slidepdf.com/reader/full/4metabolismo-secundario-ok 1/35

METABOLISMO SECUNDARIO

Bioquímica aplicada





METABOLITOS SECUNDARIOS

Entre las características comunes que presentan estos metabolitossecundarios destacan (Vining, 1992):

• La especificidad de la cepa productora.

• La variabilidad de estructuras químicas y actividades biológicas.

• Su síntesis en la etapa final del crecimiento exponencial ydurante la fase estacionaria, a partir de intermediarios delmetabolismo primario y mediante rutas biosintéticas largas ycomplejas.

• El control fisiológico de su producción como respuesta a factores

ambientales.• La agrupación en el cromosoma de los genes implicados en la

biosíntesis de dichos metabolitos en forma de clusters (Martín yLiras, 1989), asociados a genes reguladores de su expresión.



Esquema general del metabolismo



Relación: metabolismo primario y secundario• Trofofase. fase de crecimiento de los microorganismos. (el

prefijo trofos significa “crecimiento”).

• Idiofase. Fase de no crecimiento celular, en ella se dan procesos

que pueden usar los metabolitos primarios u otras moléculas

inductoras del medio para producir moléculas que parecen estar

relacionadas a favorecer su subsistencia en condiciones

desfavorables (de stress) para su desarrollo.



Causas del metabolismo secundario

• No se conocen bien los factores que disparan laproducción de metabolitos secundarios.

• Se sabe que el paso de trofofase a idiofase, se

produce cuando algún nutriente del medio eslimitante. Suele tratarse de C, N o P.

• Al faltar algunos de estos factores, se altera laproducción de metabolitos primarios y se originaninductores de enzimas que darán lugar ametabolitos secundarios.



RELACIONES ENTRE METABOLITOSPRIMARIOS Y SECUNDARIOS

Glucosa (C6)

Triosa (C3)

Piruvato (C3)

Acetato (C2)

Pentosa (C5)

Citrato (C6)

a-cetoglutarato (C5)

Oxalacetato (C4)

CO2CO2

Tetrosa (C4)

Ácido glutámico (C5 N)

Sikimato (C7)

Metabolitos secundariosaromáticos

Aminoaácidos aromáticos

Alanina (C3 N)

Malonato (C3)

CO2

CO2

Policétidos (nC2)

Ácidos grasos (nC2)

Metabolitossecundarios

Metabolitossecundarios

CO2

Mevalonato (C6) Pirofosfato de isopentenilo (C5)

CO2

Terpenos/Esteroides (nC5)

Valina (C5 N)

Serina (C3 N)

cido kójicoSacáridos

Glucósidos

Glicocola (C3 N)

C1-pool



Tipo de metabolismo y consumo de sustrato

Sustrato de

crecimiento

MetabolitoPrimario

Células

Las células y el metabolito seproducen más o menossimultáneamente

Sustrato de

crecimiento

Metabolito

Primario

Células

MetabolitoSecundari

o

Después de producidas las célulasy el metabolito primario, las célulasconvierten el metabolito primarioen uno secundario

Sustrato de

crecimiento

MetabolitoPrimario

Células

MetabolitoSecundari

o

Después de producidas las célulasel sustrato se convierte en unmetabolito secundario durante unposterior crecimiento



Elementos básicos del metabolismo primario y en relación con el metabolismosecundario de plantas.



Principales Metabolitos secundarios

•Los principales metabolitos secundarios comprenden:•Policétidos y metabolitos secundarios de ácidos grasos•Terpenos•Metabolitos secundarios del ácido shikímico• Aminoácidos no proteínicos• Antibióticos peptídicos•Glucósidos cianogénicos y glucosinolatos

•Metabolitos secundarios de la ruta del ácido cítrico•Ciclitoles• Alcaloides



Ruta Del Ácido Siquímico• es responsable de la biosíntesis de la mayoría de los

compuestos fenólicos de plantas.• A partir de eritrosa-4-P y de ácido fosfoenolpirúvico se inicia

una secuencia de reacciones que conduce a la síntesis deácido siquímico y, derivados de éste, aminoácidos

aromáticos (fenilalanina, triptófano y tirosina).• La mayoría de los compuestos fenólicos derivan de la

fenilalanina. Esta ruta está presente en plantas, hongos ybacterias, pero no en animales.

• La fenilalanina y el triptófano se encuentran entre losaminoácidos esenciales para los animales que se incorporanen la dieta.

• La tirosina no es esencial en el sentido de que los animalespueden sintetizarla por hidroxilación de fenilalanina.



La ruta del ácido shikímico

• El ácido shikímico es precursor de diversos intermediarios

metabólicos aromáticos, tales como los taninos, elcloranfenicol, el ácido 4-aminobenzoico, losfenilpropanoides, los lignanos, los aminoácidos aromáticos(tirosina, fenilalanina y triptófano), así como sus derivados:

glucósidos cianogénicos aromáticos, aminas biógenasaromáticas, catecolaminas, betalaínas, melaninas,bisindoles, los flavonoides, las fenazinas y diversosalcaloides tales como los tetrahidroisoquinolínicos, losalcaloides del ergot y los morfinanos, entre otros.

• El intermediario principal es el ácido shikímico.



VÍA METABÓLICA PRIMARIA PARA LA SÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS YMETABOLITOS SECUNDARIOS CON ANILLOS AROMÁTICOS

Glucosa

Eritrosa Fosfoenol-piruvato

3-Desoli-7-fosfoD-arabinoheptulosonato

Ácido shikímico

Ácido corísmico

Ácido prefénico

Ácidoantranílico

Candicidina Nistatina

Cloranfenicol

AnsamicinaRifamicina

Nocardicina

FenilalaninaPolimixina Tirosina Novobiocina

Triptófano

Actinomicina

Piocianina

Metabolito primario

Metabolitosecundario



Ruta de los fenilpropanoides

•La L-fenilalanina y la L-tirosina, inician lacontrucción de varios metabolitos

secundarios: los fenilpropanoides(Compuestos tipo C6C3).•En plantas, el primer paso es la eliminacióndel nitrógeno de la fenilalanina en forma deamoniaco para generar el ácido trans-

cinámico, por medio de la fenilalaninaamoniaco liasa (PAL)•La desanimación de tirosina parece ser másrestringida a miembros de la familiaPoaceae, y bacterias por acción de la tirosinaamoniaco liasa (TAL). se forma Ácido p-

coumárico.• Aquellos organismos que no puedendesaminar la tirosina obtienen el ácido p-coumárico por hidroxilación del ácidocinámico.



Las cumarinas• Son compuestos fenólicos procedentes de la ruta del ácido sikímico, son

benzopiran-2-onas, considerables como las lactonas de los ácidos 2-

hidroxi-Z-cinámicos.• Las cumarinas se consideran un grupo de metabolitos secundarios de las

plantas

• Son una amplia familia de lactoras, más de 1500 identificadas en más de800 especies de plantas, que actúan como agentes antimicrobianos y

como inhibidores de germinación.• Algunas muestran fototoxicidad frente a insectos (es el caso del

psoraleno) tras activarse por luz UV, acción llevada a cabo por bloqueo dela transcripción y de la reparación de DNA, provocando la muerte celular.

• La cumarina más simple es la que se encuentra como constituyente en elaceite de bergamota, un aceite esencial que aporta aroma al tabaco depipa, el te y a otros productos.

• Las más tóxicas son producidas por hongos, por ejemplo, la aflatoxinaproducida por Aspergillus flavus (puede infectar cacahuete o maíz), quizáel carcinogénico más potente de las toxinas naturales.



Cumarina• La cumarina se usa como

antioxidante y base para la sintesisde anticoagulantes.

• Se transforma por acción de granvariedad de hongos en elanticoagulante natural dicumarol.

• Esto ocurre como resultado de laproducción de la 4-

hidroxicumarina, además (enpresencia de formaldehido deorigen natural) da lugar aldicumarol, un producto defermentación y micotoxinas.

• Esta sustancia fue responsable de

la enfermedad hemorrágica,"enfermedad del trébol dulce" delganado que se alimenta de esteforraje.



Cumarina

• En plantas se encuentran en los tegumentos de las semillas, frutos, flores,raíces, hojas, y tallos, pero especialmente en frutos y flores.

• La cumarina funciona como defensor para la planta ya que posee propiedadessupresoras del apetito, lo que explicaría su extensión generalizada,especialmente en pastos y tréboles. Esto provoca la disminución del impacto delpastoreo sobre el forraje. Además, tiene propiedades antimicrobianas,captadoras de radiación UV e inhibidoras de la germinación. A pesar delagradable olor dulce de este compuesto y de ser responsable de nombres de

plantas como el trébol dulce o la grama dulce, a las plantas no se las hadenominado así por su sabor.

• La cumarina tiene un sabor amargo y los animales la evitan siempre que puedenpues produce hemorragias internas.

• A raíz del estudio de esta enfermedad se han podido sintetizar gran variedad deagentes anticoagulantes, similares al dicumarol, como por ejemplo la warfarina.

• La cumarina tiene valor clínico en sí misma, como modificador de edemas. Sesabe que las benzopironas cumarínicas como la 5,6 benzopirona, benzopirona1,2, diosmina estimulan los macrófagos para degradar el albumen extracelular, loque permite una reabsorción más rápida de los líquidos edematosos.



Rutas del ácido antranílico

• Acridinas y quinolinas

• El ácido antranílico es precursor de varios metabolitossecundarios por condensación o conjugación conmoléculas provenientes de otras rutas.

• Cuando el ácido antranílico se esterifica con una

molécula de coenzima A, puede participar como unidadde iniciación en la formación de un policétido mixto con2 unidades.

• Mediante los mismos mecanismos de los policétidos se

pueden formar sistemas aromáticos policíclicosfusionados, tales como los alcaloides quinolónicos.

R t d i t i d t b lit d i



Rutas de sintesis de metabolitos secundarios



EN PLANTAS

P li étid

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Metabolismo-secundario.svg



Poliquétidos: • Los poliquétidos son metabolitos secundarios, producidos

mayoritariamente por actinomicetos, que engloban gran número de

compuestos con estructuras químicas diversas aunque compartenun patrón común de biosíntesis.

• Las enzimas encargadas de la síntesis de estos compuestos seconocen como poliquétido sintasas (PKSs): mediante la adición

sucesiva de unidades de ácido carboxílico se construye unacadena carbonada.

• Las unidades de construcción son de varias clases: acetato,propionato o butirato, aunque a veces pueden ser más complejas.

• son compuestos con estructuras químicas muy variadas, cuya

síntesis deriva de una serie de condensaciones sucesivas demetabolitos esenciales catalizadas por una actividad enzimáticaconocida como poliquétido sintasas (PKSs).

• En este grupo se engloban compuestos como la eritromicina, la

ctinorrodina, la anfotericina B, la oleandomicina, etc.



Poliquétidos:

•Están presentes en bacterias, hongos y en plantas. Sirven para

la producción de metabolitos secundarios.•• Parte del malonil-CoA que forma el primer paso en la síntesisde ácidos grasos.Ejemplos:• griseofulvina (antibiótico producido por Penicillium

griseofulvum)•aflatoxinas (toxinas producidas por Aspergillus flavus y por A.

parasiticus)• ocratoxinas (toxinas producidas por algunos tipos de Aspergillus y de Penicillium)• lovastatina (producida por A. terreus). El β-hidroxiácido delovastatina es un inhibidor de la 3-hidroxi-3-metilglutaril-coenzima A (HMG-CoA) reductasa. Esta enzima cataliza laconversión de la HMG-CoA a mevalonato, que es un metabolitoclave en la biosíntesis de colesterol



Alcaloides

• (de álcali , carbonatos de alcalinos, y -oide,

parecido a) son sintetizados, generalmente,a partir de aminoácidos.

• Los alcaloides verdaderos derivan de unaminoácido, son por lo tanto nitrogenados.

• Todos los que presentan el grupo funcional

amina o imina son básicos.• La mayoría de los alcaloides poseen acción

fisiológica en los animales aun a bajasdosis con efectos psicoactivos.

• Son usados en medicina para tratar

problemas de la mente y calmar el dolor.• Ejemplos conocidos son la cocaína, la

morfina, la atropina, la colchicina, laquinina, cafeína, la estricnina y la nicotina.





Terpenos

• Los terpenos, o terpenoides, constituyen el grupo másnumeroso de metabolitos secundarios (más de 40.000moléculas diferentes).

• La ruta biosintética de estos compuestos da lugar tanto ametabolitos primarios como secundarios de granimportancia para el crecimiento y supervivencia de lasplantas.

• Entre los metabolitos primarios se encuentran hormonas(giberelinas, ácido abscísico y citoquininas), carotenoides,

clorofilas y plastoquinonas (fotosíntesis), ubiquinonas(respiración) y esteroles (de gran importancia en lasestructura de membranas).



Terpenos•Se inician a partir del Acetil-CoA.• Produce tanto metabolitos primarios (carotenos, esteroles) como

secundarios.Ejemplos:•Ciertos carotenos.•Toxinas como la toxina T2 y los tricotecenos (producidos por algunaespecie de Fusarium).

Los terpenos e isoprenoides son compuestos orgánicos derivadosdel isopreno (o 2-metil-1,3-butadieno), un hidrocarburo de 5 átomosde carbono.•El nombre proviene de que los primeros miembros de esta clasefueron derivados del aguarrás ("turpentine" en inglés).•Los isoprenoides son un tipo de lípidos al que pertenecen lasvitaminas A, E y K.•Otros isoprenoides tienen olores y sabores característicos y formanparte de los aceites esenciales de muchas plantas, como ellimonero, el naranjo, etc

El t d l t b li d l b l ió l t d í t i



Elementos del metabolismo del carbono en relación con las rutas de síntesisde metabolitos secundarios.



Toxina HongoDL50

(mg /kg PV )1 Principales efectosCultivos más

sensibles

Aflatoxina Aspergillus sp. 3 Crecimiento reducido, daños

de hígado, ictericia, reducción

de inmunidad

Todos los cereales,

Semilla de

algodón, Maní,

grano de soja

Zearalenona Fusarium sp. 10

Infertilidad, anestros,

mortalidad embrionaria,

prolapso rectal, calidad del

semen

Todos los cereales,

alfalfa, yuca, maníy sorgo

Tricotecenos

(T2, DAS,DON)Fusarium sp. 10

Inapetencia, vómito,

reducción de inmunidad Todos los cereales

Ocratoxina y

Citrinina

Aspergillus sp.

Penicillum sp.10

Crecimiento reducido,

daños bazo/hígado

Cereales, maní y

sorgo

Fumoninisina Fusarium sp. 19

Reduce ingesta y crecimiento,

problemas respiratorios,

edema pulmonar Todos los Cereales

1= En caso de cerdos

Fuente: Devegowda et al (1998)

Micotoxinas de mayor interés ...



Ejemplo. Producción de penicilina

• Los antibióticos son metabolitos secundarios de bajo peso molecular,cuya actividad biológica se orienta a inhibir el crecimiento demicroorganismos distintos a los productores a bajas concentraciones,confiriendo una ventaja selectiva para éstos.

• son producidos en idiofase.

• fermentación y separación. El proceso a grandes rasgos implica elcultivo de P. chrysogenum en reactores de volumen creciente hastauna escala de 500.000 l, separación del micelio por filtración yextracción del antibiótico del caldo, seguida por la cristalización oprecipitación ácida del mismo.

• La principal fuente nitrogenada empleada hasta la década del 70 fue"corn steep liquor ”. Los productos alternativos son la harina de semillade algodón, extractos y peptonas, y la harina de soja.



…Proceso

• En 1976 se demostró la importancia de un suministrocontinuo de amonio (por alimentación con (NH4)2SO4 ),hasta niveles de mM.

• Se comprobó que cuando el cultivo estaba limitado en

nitrógeno cesaba la producción de penicilina, la cual serestablecía al ser la fuente de carbono la limitante.

• El requerimiento de grandes cantidades de NH4+ podría

reflejar su necesidad para la síntesis de glutamato, el

cual es requerido para producir valina y cisteína.

KETOGLUTARATE + ACETYL - CoA



Inducción delmetabolismo secundario

HOMOCITRATO

Cis – HOMOACONITATE

HOMOCITRATO

a - KETOADIPATE

a – AMINOADIPATE (a – AA)

b – ADENYL – a – AA

b – ADENYL – a – AA

b - SEMIALDEHYDE

a – AA – a - SEMIALDEHYDE – a – AA

SACCHAROPINE

LISINA

L – a - AA – L – CYS – D – VAL

L – a AAA – GAPA

(ISOPENICILLIN N

PHENYLACETYL – 6APA

(BENZYLPENICILLIN)



…proceso

• Si se desea obtener un determinado tipo depenicilina, se debe incluir inicialmente, unacantidad relativamente grande de precursor.fenilacetato sódico, 0.47 g g-1 para penicilina G

ácida, y de fenoxiacetato de sodio, 0.50 g g-1 para penicilina V ácida.

• Temperatura, el valor óptimo para crecimiento es

de aproximadamente 30 °C, el óptimo deproducción oscila entre 20 y 25 °C.



Factores

• El crecimientocelular serepresenta por

X.• La eficiencia en

la formacion deproducto es qp.



• En una fermentación de penicilina típica, la mayoría de

la masa celular es obtenida durante las primeras 40horas de fermentación, a partir de un inóculo de 10%(v/v) de un cultivo vegetativo de 20 g.

• Luego el crecimiento continúa a un valor mínimo de

peso, el cual se debe regular si se quiere mantener unqp elevado.

• Durante la fermentación se debe controlar si elsuministro de oxígeno es el requerido para mantener el

valor deseado de qp.



Proceso

Documents

4Metabolismo Secundario Ok