Lezione di fitochimica.

Documento da stampare per seguire meglio prossima lezione del 12 MARZO 2023

 Le classe principali di metaboliti secondari sono:

• alcaloidi,
• terpeni,
• acidi organici alifatici o aromatici o eteroaromatici,
• fenoli,
• steroidi,
• oli volatili,
• resine e balsami,
•  

BIOGENESI E CARATTERISTICHE DEI PRINCIPI ATTIVI

Esistono particolari vie metaboliche che possono essere definite per identificare la costruzione di specifiche molecole.

L’acido shikimico (o acido scichimico), più comunemente noto nella forma anionica shikimato, è un importante intermedio biochimico in piante e microrganismi. Il suo nome deriva dal fiore giapponese shikimi (Illicium anisatum) da cui è stato isolato per la prima volta.

L’acido shikimico è un precursore biosintetico delle seguenti classi di composti:

• gli amminoacidi aromatici fenilalanina e tirosina,
• l’indolo, derivati indolici e l’amminoacido aromatico triptofano,
• molti alcaloidi e altri metaboliti aromatici,
• tannini, flavonoidi e lignani.

Nell’industria farmaceutica, l’acido shikimico ottenuto dall’anice stellato cinese viene utilizzato per la produzione dell’antivirale Tamiflu (oseltamivir). Sebbene l’acido shikimico sia presente in molti organismi autotrofi, rappresenta pur sempre un intermedio biosintetico e generalmente viene riscontrato in concentrazioni molto basse. L’acido shikimico può essere estratto anche dai semi dei frutti di liquidambar, pianta abbondantemente presente in Nord America, con resa del 1,5%. A livello comparativo, l’anice stellato ha una resa produttiva in acido shikimico del 3-7%. Recentemente la produzione di acido shikimico da colture di Escherichia coli è stata sensibilmente migliorata^[2][3]

Via dell’acido scichimico: è la via metabolica secondaria che ha come precursore l’acido scichimico, molecola che racchiude in sé quelle caratteristiche strutturali e chimiche che si potranno ritrovare nei metaboliti secondari che da essa originano. La molecola dell’acido scichimico è costituita da: un anello a 6 termini, 1 gruppo carbossilico e 3 gruppi ossidrilici. Questa stessa architettura molecolare si può riscontrare nei metaboliti secondari che da esso originano, e che vengono chiamati, appunto, derivati dell’acido scichimico.

L’acido scichimico origina dall’unione di due intermedi di due diverse vie metaboliche primarie:

eritrosio-4-fosfato (3C): intermedio della fase oscura della fotosintesi, processo metabolico anabolico;
acido fosfoenolpiruvico (3C): intermedio della glicolisi, processo metabolico catabolico;

Pertanto:  eritrosio-4-fosfato + acido fosfoenolpiruvico = acido scichimico (primo precursore delle vie metaboliche secondarie).

La cellula sintetizza l’acido scichimico quando le necessità sono tali da poterlo permettere, ovvero quando le quantità dei due intermedi primari sono tante e tali da potersi accumulare; questo accade quando nella cellula vi è un quantitativo sufficiente di ATP e questo rallenta le reazioni di catabolismo e anabolismo primarie.

Via dell’acido malonico e mevalonico: entrambi i precursori derivano da una molecola di Acetil CoA, pertanto sottendono tutti e due ad un’unica via: la via dell’acetato. L’acetil CoA è una molecola di connessione tra la glicolisi e il ciclo di Krebs e possiamo quindi definirla un intermedio del metabolismo primario della cellula.

Gruppo acetato (gruppo con due atomi di carbonio) + CoA (coenzima A) = Acetil CoA:

molecola appartenente al metabolismo primario, che viene utilizzata come mattone biologico nella costruzione di metaboliti secondari.

La via dell’acetato si distingue, poi, in via dell’acido malonico e via dell’acido mevalonico. Il coenzima A funge da trasportare delle due unità carboniose dal citoplasma al mitocondrio della cellula, dove avviene il ciclo di Krebs. Le due unità di carbonio vengono invece trasportate altrove in caso di surplus energetico e possono andare a costituire i più svariati metaboliti secondari; questi hanno come caratteristica comune un numero pari di atomi di carbonio, tra i quali l’acido malonico (C4) e mevalonico (C6).

Le vie metaboliche dell’acido scichimico e dell’acetato possiedono pertanto una precisa architettura molecolare, che ci permette di individuare facilmente i loro derivati secondari.

Gruppo acetato (gruppo con due atomi di carbonio) + CoA (coenzima A) = Acetil CoA:

molecola appartenente al metabolismo primario, che viene utilizzata come mattone biologico nella costruzione di metaboliti secondari.

La via dell’acetato si distingue, poi, in via dell’acido malonico e via dell’acido mevalonico. Il coenzima A funge da trasportare delle due unità carboniose dal citoplasma al mitocondrio della cellula, dove avviene il ciclo di Krebs. Le due unità di carbonio vengono invece trasportate altrove in caso di surplus energetico e possono andare a costituire i più svariati metaboliti secondari; questi hanno come caratteristica comune un numero pari di atomi di carbonio, tra i quali l’acido malonico (C4) e mevalonico (C6).

Le vie metaboliche dell’acido scichimico e dell’acetato possiedono pertanto una precisa architettura molecolare, che ci permette di individuare facilmente i loro derivati secondari.

Per gli alcaloidi, che hanno architetture diversificate, l’individuazione del precursore non è invece altrettanto facile; non è così semplice classificare le singole categorie di alcaloidi riconducendo ciascuna ad un unico precursore. Gli alcaloidi hanno più di un precursore, poiché derivano dagli amminoacidi (composti azotati primari, che la cellula utilizza per produrre molecole azotate secondarie). I metaboliti secondari azotati sono principalmente gli  alcaloidi , ma vi sono anche altre molecole con un profilo salutistico inferiore al loro, come i glicosidi cianogenetici (contenuti nelle mandorle amare) e i β-ciani (pigmenti).

Gli amminoacidi sono composti azotati diversificati tra loro e tale diversità è specchio della diversificazione dei loro diretti derivati, quali sono gli alcaloidi. L’unico elemento chimico che accomuna le diverse categorie di alcaloidi è un atomo di azoto racchiuso in un anello eterociclico, o perlomeno un atomo di azoto con un doppietto di elettroni libero che conferisce loro proprietà basiche; la stessa reattività basica che ci consente di estrarre i singoli alcaloidi per spostamento. 

Possiamo riassumere dicendo che la via dei carboidrati è la via metabolica che sottende alla sintesi di tutti i metaboliti secondari, quindi comprende tutte le vie metaboliche precedentemente viste:

• l’acetato è il prodotto della completa demolizione della molecola di glucosio;
• gli amminoacidi derivano da processi metabolici di degradazione dei carboidrati;
• l’acido scichimico è precursore di metaboliti secondari, ma anche di amminoacidi aromatici (fenilalanina,triptofano e tirosina);
• il glicoside è un metabolita secondario composto da uno zucchero più un’unità non zuccherina, chiamata aglicone, la quale presumibilmente deriva da una delle vie metaboliche riassunte.

Tutti i mattoni biogenetici dai quali originano i metaboliti secondari derivano o dal catabolismo dei carboidrati o dal loro anabolismo. Questi zuccheri sono le stesse unità zuccherine che una volta legate all’aglicone costituiscono i glicosidi. 

La via metabolica dell’acetato si articola in un fitto albero biogenetico, contenente tutti i nomi dei metaboliti secondari a cui dà origine. L’acetato, ovvero le due unità carboniose trasportate all’interno del mitocondrio dal CoA, metabolicamente parlando può infatti intraprendere strade diverse, a seconda delle necessità della cellula stessa:

• ciclo di Krebs con produzione finale di ATP (metabolismo primario);
• β-ossidazione e sintesi degli acidi grassi (metabolismo primario);
• Sintesi  del malonato o acido malonico (4C), derivante dall’unione di due molecole di acetato, e del mevalonato o acido mevalonico (6C) derivante dall’unione di tre molecole di acetato. La cellula utilizza queste due molecole a numero pari di atomi di carbonio per costruire differenti categorie molecolari, costituite da catene lineari di unità idrocarburiche, quali per esempio: gli acidi grassi – utilizzati a loro volta per produrre gliceridi e cere – i terpenoidi, gli antrachinoni e gli steroidi.