TEMA 2

Terpenoids, also known as isoprenoids, are perhaps the most diverse family of natural products synthesized from plants, serving a range of important physiological and societal functions. Over 40,000 different terpenoids have been isolated from plant, animal and microbial species

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS TERPENOS *Naturaleza lipídica *Insolubilidad en agua *Origen biosintético común *Formados por unidades de 5 C

Unidades 5 C 2 3 4 6 8 >20

Nombre Monoterpenos Sesquiterpenos Diterpenos Triterpenos Tetraterpenos Politerpenos

Total carbonos 10 15 20 30 40 >100

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS TERPENOS *Liberación de isopreno a alta T *La mayoría son cíclicos *Muchos derivados oxidados *Muchas estructuras compuestas: -ésteres (ésteres de forbol) -alcaloides isoprenoides (taxol) -glucósidos (cardenólidos, saponinas) -moléculas preniladas (clorofila, citoquininas)

FITOL

ESTRUCTURAS ESPECIALIZADAS EN LA SÍNTESIS Y ACUMULACIÓN DE TERPENOS *Tricomas glandulares (hoja de orégano) *Cavidades secretoras (hojas limonero) *Epidermis glandular (pétalos flores) *Epidermis especializadas (ceras) *Canales de resina (pinos) *Canales de látex (árbol del caucho)

ESTRUCTURAS ESPECIALIZADAS PARA ACUMULAR TERPENOS Tricoma glandular (tomillo)

Tricoma glandular (menta)

Cavidad secretora (limonero)

Conducto de resina (pino)

Buchanan et al, Figura 24.3

PELO GLANDULAR

CANALES DE RESINA

Taiz and Zeiger (3ed), Figura 13.7

DESARROLLO DE UN PELO GLANDULAR EN Origanum dictamnus

BIOSÍNTESIS DE LOS TERPENOS *Síntesis del precursor fundamental IPP (isopentenil difosfato) -ruta del ácido mevalónico -ruta plastídica *Fases intermedias: -preniltransferasas (elongación) -terpeno sintasas (síntesis terpenos) *Modificaciones secundarias y transformaciones

EUCARIOTAS

PROCARIOTAS

SÍNTESIS DE LOS TERPENOS: RUTA CITOSÓLICA DEL ÁCIDO MEVALÓNICO

AcetilCoA acetiltransferasa

Buchanan et al, Figura 24.7

DISTINTAS ISOENZIMAS DE LA HIDROXIMETILGLUTARILCoA REDUCTASA ASOCIADAS A LA SÍNTESIS DE DIVERSAS CLASES DE TERPENOS

Buchanan et al, Figura 24.5

SÍNTESIS DE LOS TERPENOS: RUTA CLOROPLÁSTICA DEL PIRUVATO/GLICERALDEHIDO-3-FOSFATO

PIRUVATO

GLICERALDEHIDO-3-P

Otros nombres: DOXP: De-oxi-xilulosa-fosfato MEP: Metil-eritritol-fosfato Buchanan et al, Figura 24.6

ISOPENTENIL-P-P

DIMETILALIL-P-P

+ 5C

10 C

+ 5C

15 C

escualeno

30 C

+ 5C

20 C fitoeno

+(n 5C)

>100 C

40 C

PRENILTRANSFERASAS •Catalizan la transferencia de un isoprenoide difosfato a: otro isoprenoide difosfato (elongación) otro aceptor no isoprenoide (prenilación) •La más estudiada: farnesil difosfato sintasa

TERPENO SINTASAS •Catalizan la formación de terpenos a partir de: GPP

monoterpeno sintasas

FPP

sesquiterpenos sintasas

GGPP diterpeno sintasas •En muchos casos, se emplean como sinónimos CICLASAS y SINTASAS

SÍNTESIS DE LOS TERPENOS Ruta del Ácido Mevalónico (citosol)

Ruta del piruvato/PGA (plastos)

IPP GPP

MONOTERPENOS (10)

PLASTOS GGPP

IPP

DITERPENOS (20) TETRATERPENOS (40) PLASTOQUINONA

CITOSOL MITOCONDRIAS FPP UBIQUINONA

SESQUITERPENOS (15) TRITERPENOS Y ESTEROIDES (30) POLITERPENOS

SÍNTESIS DE TERPENOS EN PLASTOS

*Monoterpenos de los aceites esenciales linalool

*Fitol de la clorofila *Carotenoides fotosintéticos *Parte isoprenoide de la plastoquinona

*Carotenos licopeno (tomate) β-caroteno (zanahoria) *Xantofilas

REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS DE LOS TERPENOS -POR ELICITORES

FITOALEXINAS inducen

Farnesil-PP

Sesquiterpeno ciclasa

ELICITORES FÚNGICOS

Escualeno sintasa reprimen

ESCUALENO

-POR EL PROGRAMA DE DESARROLLO FRUTO VERDE

Síntesis licopeno

FRUTO ROJO

FUNCIONES DE LOS TERPENOS FUNCIONES PRIMARIAS -Hormonas: ABA, GAs, brasinoesteroides -Esteroles (membranas) -Dolicoles (transporte de azúcares) -Carotenoides (pigmentos fotosintéticos

FUNCIONES SECUNDARIAS -Tóxicos (piretrinas, resinas, aceites esenciales) -Fitoalexinas (sesquiterpenos de Solanáceas) -Disuasores alimentarios (lactonas de sesquiterpenos) -Atrayentes polinizadores y dispersores (carotenoides) -Alelopatía

TERPENOS CON ACTIVIDAD ALELOPÁTICA

Ceratiola ericoides

Calamintha ashei

Monoterpenos

Monoterpenos

(canfor, mirtenal, cavanona)

(mentofurano, epievodona, calamintona)

TERPENOS CON ACTIVIDAD ALELOPÁTICA

Ácido ursólico

Ácido oleanoico

Common Name

Botanical Name

Family

Holy Basil (Tulsi)

Ocimum sanctum L.

Lamiaceae

Bilberry

Vaccinum myrtillus L.

Vacciniaceae

Devil's Claw

Harpagophytum procumbens DC

Pedaliaceae

Elder Flowers (European Variety)

Sambucus nigra L.

Caprifoliaceae

Peppermint leaves

Mentha piperita L.

Lamiaceae

Periwinkle

Vinca minor L.

Apocynaceae

Lavender

Lavandula augustifolia Mill.

Lamiaceae

Oregano

Origanum vulgare L.

Lamiaceae

Thyme

Thymus vulgaris L.

Lamiaceae

Hawthorn

Crataegus laevigata (Poir) DC

Rosaceae

Cherry laurel leaves

Prunus laurocerasus L.

Rosaceae

HEMITERPENOS (5C) 500 1012 g de C año-1

ISOPRENO

ISOPRENO SINTASA *Presente en el cloroplasto de muchas especies C3 *Aislada una isoforma soluble en el estroma y una ligada a tilacoides *Cataliza la síntesis de isopreno a partir de dimetilalildifosfato

AGOSTO

ENERO

LA EMISIÓN DE ISOPRENO: -Aumenta con la temperatura -Es mayor en la luz -Favorece la formación de O3 (en la troposfera) y de otros compuestos que tienen efecto invernadero

ISOPRENO OZONO

DERIVADOS DE HEMITERPENOS

Humulona Lúpulo

Ácido lisérgico Cornezuelo del centeno

MONOTERPENOS (10C) UNIDADES BÁSICAS DE LAS QUE DERIVA LA NOMENCLATURA DE LOS TERPENOS •Metabolitos lipofílicos, volátiles e incoloros •Principales funciones: interacciones planta-insecto -atraen polinizadores (aromas florales) -defensa (partes vegetativas) *tóxicos *disuasores *atraen depredadores -alelopatía (canfor, mirtenal, mentofurano)

PIRETRINAS *insecticidas naturales (Chrysanthemum y Tanacetum)

Fracción monoterpénica de la RESINA

α pineno

mirceno

•ACEITES ESENCIALES -mezcla de mono y sesquiterpeno Hierbabuena

Albahaca

Azahar

Espliego

Salvia

Menta

•Disuasores alimentarios •Industria alimentaria •Perfumería

Taiz and Zeiger (3ed), Figura 13.7

Principales componentes de los aceites esenciales del limón y de la menta

Taiz and Zeiger (3ed), Figura 13.6

ATRAYENTES de polinizadores -linalool -1,8-cineol (eucaliptol)

Gran importancia INDUSTRIAL -perfumes -insecticidas -aditivos alimentarios -resinas -medicamentos

SESQUITERPENOS (15C) •Muchos se encuentran en los aceites esenciales •Fitoalexinas de SOLANÁCEAS: sesquiterpenos cíclicos -elicitores fúngicos se ha visto que aumentan la actividad sesquiterpeno ciclasa y disminuyen la escualeno sintasa •Ejemplos: *lactonas de sesquiterpenos

Artemisia annua

*gosipol

ACCIÓN ANTI-MALARIA DE LA ARTEMISINA (lactona de sesquiterpeno)

SERCA Ca2+-ATPasa del retículo sarcoendoplásmico de Plasmodium falciparum

artemisina

DITERPENOS (20C) -Ácidos diterpénicos de la resina (ácido abiético) -Ésteres de forbol (euforbias)

-Taxol (Taxus brevifolia)

TRITERPENOS Y ESTEROIDES (30C) ESTEROIDES -Metabolitos primarios: esteroles (sitoesterol, estigmasterol y campesterol) y brasinoesteroides -FITOECDISONAS (análogas a hormonas de insectos) -Progestágenos (precursores carotenos) -Estrógenos y andrógenos (estradiol, testosterona)

TRITERPENOS -limonoides (tóxicos o disuasores alimentarios). Ejemplo: azadiractina y sustancias amargas de los limones -cardenólidos: *de Digitalis (dedalera): activas sobre el músculo cardiaco *de Asclepias (algodoncillo): uso en defensa por mariposa monarca -saponinas (glucósidos de triterpenos y esteroides *yamogenina, del ñamé (Dioscorea)

Limonoides en cítricos

La yamogenina es una saponina de Dioscorea (ñame) que se emplea para fabricación de anticonceptivos

Sapindus saponaria (árbol del jabón) -Especie de América. Contiene saponinas, que se utilizan como jabones naturales y en la industria farmacéutica, y que le protegen de muchas plagas

Mariposa monarca. Adulto y larva comiendo algodoncillo

ARRENDAJO

GLUCÓSIDOS CARDIACOS *Digitoxina *Digitoxigenina *Gilatoxigenina

Digitalis purpurea

Nerium oleander (adelfa)

TETRATERPENOS (40C) Principales tetraterpenos: carotenoides

CAROTENOS CAROTENOS XANTOFILAS XANTOFILAS *CON FUNCIÓN PRIMARIA-pigmentos en el aparato fotosintético -protección frente a especies activadas de oxígeno -disipación exceso de E (ciclo de las xantofilas) -pigmentos accesorios -precursores del ABA *CON FUNCIÓN SECUNDARIA-pigmentos de flores y frutos

S0 S1

S1

hν ν

S2

T1

S0

FLUORESCENCIA

S0

FOSFORESCENCIA

hν ν

T1

Carotenoides en fotosínteis Car*

3Cl*

1O 2

Car*

calor

calor

Car

Cl

O2

Car

Bassi R, Caffarri S (2000). Lhc proteins and the regulation of photosynthetic light harvesting function by xantophylls. Photosynth Res, 64, 243-256.

EPOXIDACIÓN

DE-EPOXIDACIÓN

CICLO DE LAS XANTOFILAS

Taiz and Zeiger, Fig 7.36

Variación diurna del contenido en xantofilas

Taiz and Zeiger, Fig 9.13

capsantina

β-caroteno

licopeno

Síntesis de carotenoides

FITOENO (40 C)

LICOPENO

Precursor de los tetraterpenos

Precursor de los carotenoides Buchanan et al, Fig 12.7

CAROTENOS

XANTOFILAS

Buchanan et al, Fig 12.7

Mutantes de E. coli que expresan genes de la síntesis de carotenoides. El nombre de cada producto está escrito con colonias de bacterias que expresan ese producto Buchanan et al, Figura 12.8

INTERÉS COMERCIAL DE LOS CAROTENOIDES

*Precursores de la Vitamina A retinal (pigmento visual) retinol (Vit A) ácido retinoico (control morfogénesis) *Aditivos alimentarios (saborizantes, colorantes) *Cosmética (colorantes) *Agentes anti-tumorales

POLITERPENOS •Metabolitos primarios: parte terpénica de quinonas (ubiquinona y plastoquinona) y poliprenoles como los dolicoles

•Metabolitos secundarios: Caucho Gutapercha Chicle

Árbol del caucho (Hevea brasiliensis)

MEROTERPENOS *Productos naturales de origen biosintético mixto CITOQUININAS

ALCALOIDES TERPÉNICOS Vinblastina Vincristina

Catharanthus roseus (vinca de Madagascar)

INTERACCIONES COMPLEJAS PLANTAARTRÓPODO EN LAS QUE PARTICIPAN LOS TERPENOS

LOS TERPENOS MEDIAN MUCHAS INTERACCIONES ENTRE PLANTAS E INSECTOS *ATRAYENTES DE POLINIZADORES -Ophrys sphegodes (orquídea) y Andrena nigroaenea (abeja) *SUSTANCIAS DEFENSIVAS -Disuasores -Insecticidas -Defensa indirecta inducible

Terpenos atrayentes y disuasores de polinizadores Ophrys sphegodes

Andrena nigroaenea

(orquídea)

(abeja)

FLOR NO POLINIZADA *emite compuestos que utilizan como feromonas sexuales ATRACCIÓN las abejas hembras FLOR POLINIZADA *emite compuestos disuasores similares a los que emiten las abejas hembras después de aparearse REPULSIÓN

Terpenos que interfieren en la comunicación entre herbívoros INSECTOS

Usan terpenos como FEROMONAS *sexuales *de agregación *de alarma *marcas de ruta

AFIDOS

Terpenos que interfieren en la comunicación entre herbívoros Feromona emitida durante el ataque de un predador *Cese de la alimentación *Dispersión *Nacimiento de individuos con alas

(E)-β β-farneseno emitido por la planta *Repele áfidos *Atrae a predadores de áfidos Kunert et al (2005). Ecol Lett, 8, 596-603

Terpenos atrayentes de parásitos de herbívoros PARÁSITOS DE INSECTOS (Himenópteros)

INSECTOS HERBÍVOROS (Esfíngidos)

Spodoptera frugiperda Cotesia marginiventris

Spodoptera exigua

Interacción tritrófica

Microplitis croceipes

Terpenos atrayentes de parásitos de herbívoros VOLICITINA N-(17-hydroxylinolenoyl)L-glutamina

Spodoptera exigua, gusano de la remolacha, gardama, gusano soldado COMPUESTOS VOLÁTILES (terpenos como linalool, βfarneseno y otros)

Cotesia marginiventris

Planta de maíz de la que se alimenta el gusano soldado

Terpenos atrayentes de parásitos de herbívoros

CLARIDAD

SEÑAL ÚTIL

ESPECIFICIDAD AJUSTE TEMPORAL

Terpenos atrayentes de parásitos de herbívoros

CLARIDAD DE LA SEÑAL

A. Plantas de algodón sin daños B. Plantas de algodón recién dañadas C. Plantas de algodón después de 6 horas de alimentación 1=Hexenal (2,3,4-compuestos relacionados) 5=linalool 6=dimetil nonatrieno 9=farneseno

Terpenos atrayentes de parásitos de herbívoros

AJUSTE TEMPORAL

algodón

Spodoptera exigua

Terpenos atrayentes de parásitos de herbívoros EMISIÓN DESENCADENADA POR OVIPOSICIÓN

oviposición

Diprion pini emite terpenos que atraen a Parasita los huevos de

Pinus sylvestris

Mumm y Hilker (2005). Chem Senses, 30, 337-343

Chrysonotomyia ruforum

Terpenos atrayentes de parásitos de herbívoros EMISIÓN POR LAS RAÍCES

Zea mays

Diabrotica virgifera virgifera daña las raíces de

parasita a las larvas de

que atrae a

emiten

controles

Heterorhabditis megidis

(E)-β β-cariofileno Rasman et al (2005). Nature, 434, 732-737

Terpenos atrayentes de herbívoros

Terpenos atrayentes de depredadores de herbívoros

DEPREDADORES DE HERBÍVOROS HERBÍVORO

Tetranychus urticae

DEPREDADOR

Phytoseiulus persimilis

Isolation and identification of volatile kairomone that affects acarine predator-prey interactions. Involvement of host plant in its production M. Dicke, T. A. Van Beek, M. A. Posthumus, N. Ben Dom, H. Van Bokhoven and Ae. De Groot

J Chem Ecol, 16, 381-396 , 1990

Ecología de las resinas

RESINAS DE CONÍFERAS FRACCIÓN VOLÁTIL *Monoterpenos y sesquiterpenos *α α y β pineno, mirceno *Disolvente y vehículo de la fracción polimerizable *Disuasor *Insecticida *Atrayente *Precursor de feromonas

FRACCIÓN POLIMERIZABLE *Ácidos diterpénicos *Ácido abiético (ambar) *Se solidifica al aire *Sella heridas *Atrapa insectos *Insecticida

Ecología de las resinas

Ecología de las resinas

ESCARABAJO DE LA CORTEZA (Dendroctonus, Ips, Scolytus)

Defensive resin biosynthesis in conifers Susan Trapp; Rodney Croteau Annual Review of Plant Biology; 2001; 52, 689-724 Figure 2 Physical and ecological aspects of bark beetle-conifer interactions. (A) Scanning electron micrograph of a Southern pine beetle depicting the mycangia (M), a specialized anatomical structure employed to vector fungal spores (adapted from Barras (5). (B) ”Pitching out“ of a pair of mountain pine beetles (D. ponderosae) on ponderosa pine (P. ponderosa). (C) Mass attack by mountain pine beetles (D. ponderosae) on a lodgepole pine (P. contorta) bole. Each white spot on the trunk represents a beetle entry point. (D) hotomicrograph of a resin duct (transverse section) from Jeffery pine (P. jeffreyi) showing lumen (L), secretory cells (S); sheath cells (Sh); and xylem cells (X). (E) Photomicrograph of a resin duct (radial section, safranin-fast green stained) from Pinus sylvestris stem showing resin duct (r) length and parenchyma cells (p) (courtesy of Vincent Franceschi). (F) Forked tunnel beetle galleries typical of Scolytus spp. [redrawn from Stark (105)]. (G) Fir engraver (Scolytus ventralis) galleries below the bark of a colonized grand fir (Abies grandis). Note that the galleries are filled with mycelia of the symbiotic fungal pathogen Trichosporium symbioticum. (Figures 2B, 2C, 2D and 2G are from the authors’ laboratory.)

Ecología de las resinas

MICANGIA

Ecología de las resinas

GALERÍAS

Micelio del hongo

Ecología de las resinas

PRUEBA DE LA FUNCIÓN DEFENSIVA DE LOS TERPENOS EN CONÍFERAS Picea abies (abeto rojo)

Ips typographus (escarabajode la corteza)

Erbilgin N, Krokene P, Christiansen E, Zeneli G, Gershenzon J (2005). Exogenous application of methyl jasmonate elicits defenses in Norway spruce (Picea abies) and reduces host colonization by the bark beetle Ips typographus. Oecologia, 148, 426-436

Ecología de las resinas

TRATAMIENTO CON METIL-JASMONATO

Erbilgin N, Krokene P, Christiansen E, Zeneli G, Gershenzon J (2005). Exogenous application of methyl jasmonate elicits defenses in Norway spruce (Picea abies) and reduces host colonization by the bark beetle Ips typographus. Oecologia, 148, 426-436

Ecología de las resinas

TRATAMIENTO CON METIL-JASMONATO Agujeros de entrada (número)

Galerías excavadas (número)

Longitud galerías (cm)

Nichos con huevos (número)

Control

5.47 ± 0.26

3.60 ± 0.35

19.8 ± 2.9

36.7 ± 8.7

Tratados con MeJ

5.53 ± 0.24

2.47 ± 0.31*

9.3 ± 1.3**

10.8 ± 3.1**

Erbilgin N, Krokene P, Christiansen E, Zeneli G, Gershenzon J (2005). Exogenous application of methyl jasmonate elicits defenses in Norway spruce (Picea abies) and reduces host colonization by the bark beetle Ips typographus. Oecologia, 148, 426-436

Ecología de las resinas

Emergen adultos del árbol muerto ATRAYENTES Búsqueda huesped Eclosión, metamorfosis ATRACCIÓN PARÁSITOS DEPREDADORES Y SAPROFITOS

Puesta huevos en galerías

FEROMONAS AGREGACIÓN

Ataque masivo FEROMONAS ANTIAGREGACIÓN Fin del ataque masivo

LOS TERPENOS FUNCIONAN COMO SEÑALES ENTRE LOS TEJIDOS DE UNA PLANTA

Hoja dañada Emisión volátiles

Escarabajos

Atracción de predadores de Hoja no dañada

Phaseolus lunatus

Producción néctar extraflorar

LOS TERPENOS MEDIAN INTERACCIONES ENTRE ESPECIES VEGETALES: comunicación entre plantas

cineol

Las plantas de tabaco silvestre que crecen cerca de plantas de

metacroleina trans-2-hexenal

cis-3-hexenal Metil-jasmonato

Artemisia tridentata dañadas por insectos, sufren menos daños por herbivoría

LAS PLANTAS PARÁSITAS RECONOCEN SEÑALES DIRIGIDAS A HONGOS FORMADORES DE MICORRIZAS

Nature, 435, 824-827 (2005)

Plant Physiol, 139, 920-934 (2005)

ESTRIGOLACTONAS

estrigol

sorgolactona

orobancol

GR24 (sintético)

INGENIERIA METABÓLICA DE TERPENOS OBJETIVOS •Producción de terpenos con actividad contra enfermedades

humanas:

taxol

(cáncer),

artemisina (malaria), vincristina (cáncer) •Mejorar las propiedades del producto: aromas florales, color de frutos comestibles, contenido en vitaminas o provitaminas •Producción de terpenos con usos en la industria alimentaria: aromas, colorantes

INGENIERIA METABÓLICA DE TERPENOS -β β-caroteno (provitamina A) *tomate *arroz *semillas de colza -linalool (aroma floral) *Petunia hibrida *Dianthus caryophyllus -α-tocoferol (vitamina E) *soja

ISOPENTENIL-P-P

DIMETILALIL-P-P

+ 5C

10 C

+ 5C

15 C

escualeno

30 C

+ 5C

20 C fitoeno

+(n 5C)

>100 C

40 C

GGPP

DITERPENOS GAs

FITOENO SINTASA

TETRATERPENOS FITOENO

Licopeno

INTERÉS DEL β-CAROTENO *Precursor de retinal (pigmento visual) retinol (Vit A) ácido retinoico (control morfogénesis) *No es sintetizado por animales

FUENTES DE VITAMINA A *HÍGADO *HUEVOS *PESCADO *β β-CAROTENO DE PLANTAS

AVITAMINOSIS A *CEGUERA NOCTURNA *XEROFTALMIA (sequedad córnea) *CEGUERA IRREVERSIBLE *AUMENTO DE LA MORTALIDAD INFANTIL *DEPRESIÓN DEL SISTEMA INMUNE *MUERTE ASOCIADA AL PARTO

PRIMERA CAUSA DE CEGUERA INFANTIL A NIVEL MUNDIAL

EL ARROZ DORADO