1 ALCALOIDES Corresponden al grupo más numeroso de metabolitos secundarios. Desde la identificación del primer alcaloide, la morfina en 1806, se han descripto más de 12.000 alcaloides y se ha dilucidado la estructura de cerca de 1.000 compuestos pertenecientes a este grupo. Según Pelletier (1883), alcaloide es un compuesto orgánico cíclico que contiene nitrógeno (compuesto heterocíclico) en un estado de oxidación negativo con una distribución limitada entre los organismo vivos. Actualmente existe una definición de alcaloides mucho más amplia, que incluye a todos los productos naturales que contienen nitrógeno que no son clasificados como péptidos, aa no proteicos, aminas, glicósidos cianogénicos, glucosinolatos, cofactores, fitohormonas o metabolitos primarios (tales como bases púricas o pirimídicas). Como su nombre lo sugiere, la mayoría son sustancias alcalinas que a valores de pH citosólico (pH: 7,2) o vacuolar (pH: 5 a 6), protonizan el átomo de nitrógeno, por lo que la mayoría de los alcaloides están cargados positivamente y generalmente forman sales solubles en agua como citratos, malatos, tartratos, benzoatos, etc. Existen tres tipos principales de alcaloides: 1) Alcaloides verdaderos: son aquellos en los que el átomo de nitrógeno forma parte de un anillo heterocíclico, poseen una significativa actividad farmacológica y biosintéticamente derivan de aminoácidos. 2) Protoalcaloides: son aminas simples en las que el átomo de nitrógeno no forma parte de un anillo heterocíclico, son básicos y son elaborados in vivo a partir de aminoácidos. 3) Pseudoalcaloides: Presentan las características de los alcaloides verdaderos, tienen un anillo heterocíclico con N, pero no derivan de aminoácidos. 1 2 Algunos ejemplos: Efedrina (protoalcaloide) Coniína (seudoalcaloide) Algunos son isoprenoides, por ejemplo la aconitina que es un diterpenoide y otros como la coniína (figura) son sustancias nitrogenadas heterocíclicas que provienen del metabolismo del acetato. Características más relevantes de los alcaloides  Productos naturales nitrogenados.  La mayoría presenta estructura de heterocíclicos.   Se encuentran fundamentalmente en plantas (insectos, bacterias, hongos, etc.). Muchos tienen actividad farmacológica.  Muchos son, o fueron utilizados por poblaciones indígenas con propósitos religiosos o medicinales.  Muchos son básicos (“alcalino”, debido a un par de electrones desapareados en el N) el cual se encuentra protonizado al pH vacuolar y citosólico formando sales solubles en agua (benzoatos tartratos, citratos).  Aquellos compuestos nitrogenados que se pueden encontrar en todos los organismos (ej. aminoácidos, ácidos nucleicos, etc.) no son considerados alcaloides.  Los alcaloides son “metabolitos secundarios”. No están involucrados en el metabolismo primario.  Derivan biosintéticamente de aminoácidos. 2 3  Forman un grupo de compuestos muy numeroso (≈20.000 conocidos).  Representan el grupo de productos naturales más estudiado.  Son la base del 25% de las drogas presentes en el mercado.  Son clasificados de acuerdo al aminoácido a partir del cual son biosintetizados. La morfina es un alcaloide típico cuya estructura responde completamente a la definición de alcaloide verdadero. Distribución y localización Los alcaloides se producen sólo excepcionalmente en bacterias (pyocejanina en Pseudomonas aeuruginosa) y raramente en hongos (pcylocina en hongos alucinógenos del género Pcilocibe). Dentro del reino vegetal encontramos alcaloides en grupos primitivos como Lycopodium y Equisetum. También están presentes en plantas superiores, tanto en Gimnospermas como en Angiospermas, en estas últimas en mayor cantidad. Ciertas familias tienen una marcada tendencia a elaborar alcaloides, esto ocurre tanto en monocotiledóneas (Amarilidáceas y Liláceas) como en dicotiledóneas (Papaveráceas, Berberidáceas, Leguminosas, Liliáceas, Solanáceas y Rubiáceas, entre otras). Algunas plantas como el Catharanthus roseus tiene más de 100 alcaloides derivados del indol. La concentración de alcaloides tiene una amplia variación, desde unas pocas ppm como en el caso del alcaloide antitumoral del Catharanthus hasta un 15 3 4 % con respecto a todo el vegetal en el caso de la quinina. La concentración también varía en las distintas partes del vegetal, así la quinina se acumula solo en la corteza y está ausente en las hojas. Los alcaloides se detectan en distintos tipos de tejidos, primariamente en tejidos de activo crecimiento para luego ser translocados y acumulados en tejidos de almacenamiento. Raramente aparecen en tejidos muertos. Históricamente se han usado extractos de plantas como medicina, pócimas o venenos y actualmente el 25% de las sustancias usadas en medicina derivan de vegetales. El interés en el desarrollo de drogas provenientes de plantas medicinales, tiene importancia desde el punto de vista de la producción en cantidades suficientes para su uso comercial. Por sus propiedades medicinales y toxicológicas los alcaloides se consideran un grupo muy importante para su estudio. Muchos alcaloides producidos por las plantas han servido como modelo para la síntesis química de drogas, así la tropicamida es un anticolinérgico derivado sintéticamente de la atropina, es usado rutinariamente para dilatar las pupilas (Midriaticum®) y como herramienta para detectar precozmente la enfermedad de Alzheimer. Algunos alcaloides tienen una estructura compleja y no se pueden obtener por síntesis química, por lo que dependen de las plantas como única fuente natural. Para especies fácilmente cultivables ésto no constituye un problema, pero para aquellas difíciles de cultivar se necesita otra alternativa de producción. Gracias a la Biología Molecular podemos lograr la expresión de genes que produzcan grandes cantidades de enzimas heterólogas biosintéticas de alcaloides, mejorando así el patrón de acumulación de estos compuestos en las plantas. Biosíntesis El esqueleto de la mayoría de los alcaloides deriva de los aminoácidos aunque algunos provienen de otras vías metabólicas, por ejemplo de los terpenoides. En algunos alcaloides como los esteroidales, el átomo de nitrógeno (que deriva de la glutamina o de otras fuentes de grupos aminos) es agregado en los pasos finales de la biosíntesis, es decir el esqueleto de dichos alcaloides no se origina a partir del esqueleto de los aminoácidos. a) Compartimentalización Aunque el sitio exacto de síntesis de los alcaloides en la célula vegetal sólo se conoce en pocas especies, se dice que la mayoría de estos compuestos son sintetizados 4 5 en el citosol, membranas del RE, mitocondria y cloroplastos. Así la berberina es sintetizada en vesículas rodeadas de membranas y los alcaloides de la quinolizidina son sintetizados en el estroma de los cloroplastos. En este caso tanto los alcaloides como el aminoácido del cual derivan (lisina) se encuentran en el mismo compartimento. Los alcaloides no se forman en el espacio extracelular ni en la vacuola. b) Almacenamiento Los alcaloides son almacenados predominantemente en tejidos que son importantes para la supervivencia y reproducción, tejidos jóvenes en activo crecimiento, raíces, corteza de tallos, flores (especialmente semillas), plántulas y tejidos fotosintéticamente activos. La vacuola parece ser la principal estructura para almacenamiento de los alcaloides. Como puede observarse en Tabla 1, en vacuolas de hojas se almacenan: lupanina en Lupinus, hiosciamina en Atropa, nicotina en Nicotiana, capsaicina en Capsicum. El almacenamiento en vacuolas permite la compartimentalización que se hace necesaria ya que los alcaloides tienen actividad antimetabólica. Para que un alcaloide cumpla la función de aleloquímico como sustancia de defensa, debe almacenarse en grandes cantidades que podrían interferir con el metabolismo normal. Para evitar esto, los aleloquímicos son almacenados en vacuolas o en células o tejidos especializados (como la epidermis). A las vacuolas de esas células que acumulan alcaloides se las denomina compartimento tóxico o de defensa. Algunas plantas poseen células de almacenamiento típicas llamadas “idioblastos”. Estos fueron localizados en Corydalis que almacena cordalina, sanguinarina en Sanguinaria, rutacridona en Ruta, alcaloides del indol en Catharanthus y protopina en Macleaya. Numerosas plantas producen pequeñas vesículas de látex (<1 μm de diámetro) que además de su propiedad característica, a menudo contienen sustancias químicas de defensa, por ejemplo alcaloides (que pueden alcanzar concentraciones superiores a 1M). En vesículas lacticíferas de Papaveraceae se almacenan morfina y otros alcaloides benzil-isoquinolínicos, en Chelidonium protoberberina y alcaloides de la benzofenantridina, en Lobelia lobelina y otros alcaloides de la piperidina. 5 6 Tabla 1. Almacenamiento de alcaloides Alcaloides Género de plantas Vacuolas de hojas   Lupanina  Hiosciamina Lupinus Cytusis, Lupinus  Esparteína  Nicotina Nicotiana  S-scourelina Fumaria  Ajmalicina  Betalaminas  Senecionina-N-oxido Capsaicina Atropa Catharanthus Beta, Chenopodium Senecio Capsicum Idioblastos  Corydalis  Coridalina  Sanguinarina Sanguinaria  Rutacridonas Ruta  Alcaloides indólicos Protopina Catharanthus Macleaya Vesículas de látex   Sanguinarina Chelidonium  Berberina Chelidonium  Morfina y morfinanos Papaver  Alcaloides benzilisoquinolínicos Papaver Alc. de la piperidina y lobelina Lobelia El contenido de alcaloides en órganos de almacenamiento puede alcanzar hasta un 10% del peso seco del vegetal sobre todo en circunstancias en las que la función del alcaloide estaría involucrada en los mecanismos de defensa del vegetal que lo produce. En plantas herbáceas los alcaloides son almacenados en tejidos epidérmicos y subepidérmicos (cocaína, colchicina, aconitina, alcaloides esteroidales, nicotina, veratrina, coniina, buxina) y actúan deteniendo el ataque de insectos y microorganismos. En lupino los alcaloides de la quinolizidina pueden alcanzar concentraciones superiores a 200 mM en tejidos epidérmicos, mientras que en mesófilo presentan valores inferiores a 5 mM. 6 7 c) Sitios de biosíntesis Ciertos alcaloides son sintetizados ubicuitariamente en todos los órganos vegetales, sin embargo la síntesis órgano o tejido específica parece ser común para la mayoría de los alcaloides como puede verse en Tabla 2. Tabla 2. Ejemplo de biosíntesis órgano/específica de alcaloides Alcaloides Organo Género de plantas Nicotina Raíces Nicotiana Senecionina Raíces Senecio Alcaloides del tropano Raíces Atropa, Datura Hyosciamus Emetina Raíces Cephaelis Sanguinaria Raíces Sanguinaria Betalaínas Raíces y brotes de tallo Beta vulgaris Quinina Corteza de tallo Cinchona Berberina Tallo y corteza de raíz Berberis, Mahonia Cafeína Tejido verde Coffea Alc. de la quinolizidina Hojas y tej. Fotosintéticos Lupinus,Cystus,Laburnum Los genes involucrados en la síntesis de alcaloides son regulados específicamente en células, tejidos y órganos al igual que la mayoría de los genes eucarióticos Esta conclusión es importante para interpretar los resultados obtenidos en suspensión de cultivos celulares indiferenciados, donde la formación de alcaloides es nula o muy reducida. En cambio la síntesis de alcaloides es activa en sistemas diferenciados (raíces o cultivo de tallo). d) Transporte Un gran número de alcaloides son sintetizados y almacenados en todas las partes de las plantas, mientras que otros son restringidos a órganos particulares. Para llegar a los sitios de acumulación se requieren sistemas de transporte selectivos. Este transporte puede ser de larga distancia por el xilema y el floema, pero además debe considerarse la utilización de sistemas de transporte de corta distancia y el transporte intracelular (Tabla 3). Generalmente, los alcaloides son sintetizados en el citosol o en las vesículas rodeadas de membranas (retículo endoplasmático, mitocondrias, cloroplastos), pero son 7 8 acumulados y secuestrados en la vacuola. El almacenamiento en vacuolas o vesículas requiere que los alcaloides pasen a través del tonoplasto y se acumulen en la vacuola. Existen tres mecanismos de pasajes a través del tonoplasto: 1) Simple difusión, en el caso de los alcaloides lipofílicos por ejemplo nicotina, ajmalicina, vinblastina, colchicina. 2) Transporte mediado por carriers en el caso de los alcaloides cargados y polares, es el estado de la mayoría de los alcaloides bajo condiciones fisiológicas y se realiza mediante un mecanismo protón-alcaloide antiporter, por ejemplo en el caso de hyosciamina, lupanina, reticulina, esculerina, senecionina 3) Fusión de membrana, en los alcaloides que se forman en compartimentos cerrados o vesículas, por ejemplo la berberina. Tabla 3. Transporte de alcaloides (corta y larga distancia) Transporte a corta distancia  Simple difusión: alc. lipofílicos nicotina, ajmalicina, vinblastina,   colchicina. Mediado por carriers: Alc. Polares mecanismo antiporter protón/alc Fusión de membranas: berberina Transporte larga distancia por floema lupanina, esparteína, citisina Transporte larga distancia por xilema nicotina, hiosciamina, escopolamina Debido a que los alcaloides son secuestrados en contra de un gradiente de concentración en vacuolas o en vesículas de látex, los alcaloides deben estar unidos a determinados compuestos o formando complejos con los mismos. Por ejemplo, las vesículas de látex de Chelidonium majus contienen ácido quelidónico que forma complejos con berberina y con alcaloides de las benzofenantridinas. Otros mecanismos de atrapamiento pueden ser la protonación y la unión a ácidos orgánicos o péptidos específicos. 8 9 e) Factores que influencian el patrón de almacenamiento de alcaloides Usualmente los patrones de alcaloides varían entre el sitio de síntesis y el sitio de acumulación debido a que un número de sustituciones secundarias se pueden llevar a cabo en otros tejidos. El patrón de alcaloides en semillas y plántulas difiere del de las plantas maduras. La formación y el almacenamiento de los alcaloides puede estar influenciado por el estrés ambiental, lesiones o infecciones. En general los niveles de alcaloides se reducen en forma marcada en tejidos senescentes, por lo que las hojas a punto de caerse están prácticamente libres de alcaloides. El patrón y la concentración de alcaloides usualmente cambian durante el desarrollo y el ciclo anual de la planta. Aún más, en algunos vegetales la concentración de alcaloides puede fluctuar en un ciclo diurno (Tabla 4). Tabla 4. Evidencia de un ciclo de formación diurno de alcaloides Alcaloides Máximo de formación Fuente vegetal Quinolizidina Medio día, tarde. Lupinus, Cytisus, Baptisia Tropano Noche / media noche Atropa Nicotina Medianoche Nicotiana Morfina Mediodía Papaver f) Reciclamiento o camino degradativo En general los alcaloides no son productos finales del metabolismo y pueden ser degradados, siendo ésto factible dado que el nitrógeno es el nutriente limitante para la planta. Los alcaloides almacenados en las semillas son parcialmente degradados durante la germinación y el desarrollo de la nueva plántula, y el nitrógeno proveniente de la degradación es probablemente utilizado para la síntesis de los aminoácidos. Los pasos de las vías degradativas no fueron determinados aún, pero existen evidencias acerca de que ciertos alcaloides como nicotina, alcaloides de la quinolizidina y del tropano son metabolizados (turnover) con tiempos de vida media entre 2 y 48 horas. Numerosos alcaloides son aleloquímicos y presentan blancos moleculares como los receptores de neurotransmisores requiriéndose una determinada configuración estereoquímica para que ocurra esa interacción. Los alcaloides pueden oxidarse y racemizarse espontáneamente perdiendo su actividad, pero un continuo turnover podría 9 10 asegurar que siempre exista una concentración de compuesto activo suficiente, similar a la situación del turnover de proteínas. Función de los alcaloides Con respecto a su función, los alcaloides son compuestos secundarios que no parecen tener a priori un rol significativo en los procesos fundamentales de la vida de los organismos que lo sintetizan, pero cumplen funciones ecoquímicas importantes. a) La principal función es la de defensa química de la planta contra el ataque de herbívoros y microorganismos patógenos, actuando como fitoalexinas. Su efecto se manifiesta aún en las interacciones entre plantas (alelopatía). Los alcaloides son compuestos multipropósito, que dependiendo de la situación, pueden ser activos en más de un tipo de interacción con el entorno. Por ejemplo, los alcaloides de la quinolizidina son los compuestos químicos más importantes en la defensa química de Leguminosas contra insectos y otros herbívoros, pero también tienen cierta influencia sobre bacterias, hongos, virus y aún sobre la germinación de otras plantas. Un alcaloide muy estudiado es la nicotina, compuesto altamente tóxico que se ha identificado en hojas, tallos y raíces de especies de Nicotiana. El sulfato de Nicotina es un subproducto de la industria del tabaco y sirve comercialmente como efectivo insecticida y fumigante. Ningún insecto ha desarrollado resistencia a este producto por lo que en la planta también podría ser efectivo contra el ataque de insectos u otros fitopatógenos. La cafeína es otro alcaloide efectivo contra insectos. Se encuentra en semillas y hojas de coca, café, yerba mate, té y cola. Mata las larvas del tabaco (Manduca sexta) en 24 horas por inhibición de la fosfodiestearasa que hidroliza el cAMP. La α-solanina, es un alcaloide esteroidal encontrado en tubérculos de papa, que inhibe la colinesterasa y es responsable de la teratogenicidad de las papas en brotación. Los alcaloides de la pirrolizidina presentes en Asteráceas (Senecionae) y Boragináceas son altamente tóxicos para los mamíferos. Alcaloides del género Senecio son responsables de envenenamientos en el ganado y son una amenaza potencial para la salud de los humanos. Al estado natural estos alcaloides son inofensivos, pero se vuelven altamente tóxicos cuando son transformados por la citocromo P-450 mono-oxigenasa en el hígado. 10 11 |Los alcaloides de la quinolizidina, del género Lupinus son tóxicos para animales, principalmente para los ovinos. La alta incidencia de pérdida de ganado en otoño se atribuye a la alta concentración de estos alcaloides en semillas de Lupinus. La presencia de alcaloides en ciertos vegetales les confiere sabor amargo o picante por lo que los torna repulsivos para el hombre y los animales y en caso de ser ingeridos, muchos de ellos provocan intoxicación que se manifiesta por mal funcionamiento de los órganos (hígado, corazón, páncreas, riñones, SNC) lo que lleva a una disminución en la fertilidad y/o reproducción de los animales e inclusive pueden llevar a la muerte. Los efectos visibles de la intoxicación por alcaloides en microorganismos y plantas competentes son antibiosis y reducción de la tasa de crecimiento. No se conoce con exactitud cómo se llevan a cabo dichos efectos tóxicos. Aunque la mayoría de los compuestos no fueron aún estudiados en detalle, han sido identificados una serie de blancos celulares o moleculares susceptibles a inhibición selectiva o modulación por los alcaloides. Como puede verse en el esquema estos blancos pueden ser ácidos nucleicos, proteínas, membranas, carriers, receptores de neurotransmisores, enzimas, etc. Esquema. Efectos aleloquímicos de los alcaloides MECANISMOS DE ACCION DNA-RNA •Alquilación •Mutación •(-) DNA o RNA polimerasa Inhibición de la traducción proteica MEMBRANAS (-) carriers (-) establidad de Membranas (+) receptores de neurotransmisores Inhibición de Enzimas Hidrolasas Adenilato ciclasa 11 12 A pesar de que la defensa química funciona en contra de la mayoría de los predadores (enemigos potenciales), hay algunos organismos que presentan un evolucionado sistema de protección. Este fenómeno se observa en insectos que son predadores o huéspedes altamente específicos de una determinada planta. Esos insectos incluyen a los alcaloides en su dieta nutritiva, los almacenan y los explotan haciéndolos formar parte de su propio sistema de defensa. Otros, adicionalmente transforman los alcaloides en feromonas o las utilizan como morfógenos. Ejemplos muy bien estudiados lo constituyen los alcaloides de la pirrolizidina y de la quinolizidina. b) Otra de las funciones adjudicadas e. a los alcaloides es que actuarían como reservorio de N. Sin embargo existen estudios recientes que demuestran que la planta no recupera nitrógeno de los alcaloides para reutilizarlos en otros procesos metabólicos aún en condiciones de crecimiento de nitrógeno limitante. c) Los alcaloides son compuestos de gran utilidad en los procesos de degradación y almacenamiento de compuestos nitrogenados. d) Otra hipótesis es que actuarían como protectores del vegetal frente a la radiación UV, ya que se observó que la nicotina, el alcaloide más estudiado, presenta un coeficiente de extinción molar a 262 nm. e) Muchos alcaloides son utilizados por el hombre como compuestos medicinales, debido a que en concentraciones no-tóxicas, los aleloquímicos tendrían efectos positivos. Esto fue formulado hace mucho tiempo por Paracelso (1493- 1541) quien dijo “Every thing is a poison and nothing is without toxicity. Only the dose makes that a thing is no poison”. Como ejemplo puede citarse la codeína, un antitusivo y analgésico obtenido de la amapola. Para que los alcaloides sean efectivos, necesitan estar presentes en el momento, sitio y con la cantidad justa. El metabolismo de los alcaloides parecer estar optimizado y coordinado en la mayoría de los sistemas para que puedan cumplir sus funciones. En la mayoría de las plantas los alcaloides son constitutivos pero en algunos vegetales se ha observado que la síntesis de alcaloides está acrecentada por el ataque microbiano o por lesiones; es decir que en casos de emergencia se estimula la producción de compuestos de defensa como puede verse en Tabla 6. En respuesta a una lesión en las hojas de Nicotiana aumenta el contenido de alcaloides en las hojas sanas. La 12 13 biosíntesis de novo de nicotina ocurre en las raíces y es transportada a las hojas por el xilema donde la concentración de nicotina puede incrementarse 10 veces. En esta síntesis inducible de nicotina y de otros alcaloides parecen estar involucrados los metiljasmonatos, reguladores vegetales volátiles que regulan la síntesis de compuestos de defensa. Tabla 6. Producción de alcaloides estimulada por elicitores microbianos o lesiones. Alcaloides Efectores Material Vegetal Ajmalicina/catharantina Elicitor fúngico Catharanthus cult cel. Hyosciamina Lesion Atropa Nicotina Lesión Nicotiana Quinolizidinas Lesión/elicitores Lupinus Sanguinarina Elicitores fúngicos Papaver cult cel. Clasificación de los alcaloides Pueden clasificarse en base a: a) su estructura, diferenciando los distintos compuestos heterocíclicos. En las siguientes estructuras se ofrece ejemplos de clasificación por tipo de anillo. b) sus propiedades farmacológicas c) su distribución botánica 13 14 d) su origen biosintético Adoptaremos la clasificación en base a este último punto. La mayoría de los alcaloides se forman a partir de L-aminoácidos: arginina (ornitina), lisina, triptofano, tirosina y fenilalanina. Además pueden estar presentes moléculas de esteroides, secoiridoides y terpenoides. Aminoácido precursor Estructura química Ornitina (arginina) Alcaloides del tropano Alcaloides pirrolidínicos Alcaloides pirrolizidínicos Lisina Alcaloides quinozilidínicos Alcaloides pirrolidínicos Alcaloides piperidínicos Triptofano Alcaloides del indol Alcaloides del cornezuelo de centeno Alcaloides complejos Tirosina Alcaloides del opio Fenil alanina Alcaloides fenetilisoquinolínicos 14 15 Ejemplos de anillos heterociclos que forman parte de la estructura de los alcaloides A) ALCALOIDES DERIVADOS DE LA ORNITINA Alcaloides del tropano    Hiosciamina atropina Anestesia gral, colirios Escopolamina Parches transdérmicos Cocaína Hambre fatiga, Anestésico Estimulante SNC Alcaloides pirrolidínicos  Nicotina EstimulanteSNC, midriasis, taquicardia, hipertensión y   Alcaloides pirrolizidínicos  fibrilación de musc. estr. Ricinina Tóxico Mimosina Caída de pelo y daño hepático en el ganado. Retrorsina, senecionina heliotrina, Tóxico para el ganado. Transformados en N-óxidos en rumen animal. La ornitina es la precursora de los anillos heterocíclicos de 5 carbonos. Da origen a 3 grupos de alcaloides: del tropano, pirrolidínicos y pirrolizidínicos. a.1) Alcaloides del tropano: Es el grupo más importante, tanto por la relevancia de sus miembros como por la abundancia de especies vegetales que los contienen. Se encuentran principalmente en las Solanáceas (géneros Atropa, Datura, Hyosciamus, 15 16 Solandra, Scopolia) aunque también están presentes en otras especies no relacionadas taxonómicamente. Biosíntesis de alcaloides del tropano y de la nicotina Biosíntesis del tropanol 16 17 Biosíntesis del ácido trópico Muestran un camino biosintético común que se origina a partir de ornitina y arginina sobre las que actúan decarboxilasas (OrnDC y ArgDC) formándose una diamina sintética, la putrescina, que puede metabolizarse a formas conjugadas o a poliaminas como espermina y espermidina. Sobre ella actúa la putrescina metil transferasa (PMT) dando N-metil putrescina. Esta es deaminada originando 4-amino-butanal que se cicliza espontáneamente dando el catión 1-metil-pirrolinium que es un compuesto muy reactivo. Su unión imino se condensa con ácido acetoacético que proviene de la acetilCoA para dar hygrina que es precursora del anillo del tropano. Este se une con el ácido trópico que proviene de la fenilalanina para formar hiosciamina. 17 18 Este compuesto es levógiro cuando es sintetizado por la planta, pero cuando se lo calienta en solución alcalina en etanol se racemiza dando la droga conocida como atropina. Esta es usada ampliamente como premedicación en la anestesia general ya que disminuye la salivación y previene el espasmo de laringe y el paro cardíaco. La tropicamidina es un anticolinérgico derivado sintéticamente de la atropina, es usado rutinariamente para dilatar las pupilas (Midriaticum®) y como herramienta para detectar en forma precoz la enfermedad de Alzheimer. La hiosciamina por hidroxilación origina la escopolamina usada en forma de parches transdérmicos para combatir tratornos de movilidad. A este grupo pertenece también la cocaína extraída de hojas de Erythroxylon coca. 18 19 La fracción tropánica de la cocaína deriva de la ornitina y el fragmento benzoílo proviene del metabolismo de la fenilalanina. Esta sustancia ha sido usada desde tiempos remotos por los indígenas americanos quienes masticaban las hojas de coca con cenizas, como paliativo del hambre y la fatiga. Este alcaloide es usado como anestésico de uso tópico y estimulante del SNC. Produce adicción, por lo que su estructura química ha sido modificada sintéticamente obteniéndose derivados con menor efecto adictivo pero con mayor acción analgésica. En general los alcaloides del tropano actúan sobre las terminaciones parasimpáticas. a.2) Alcaloides pirrolidínicos: En este grupo se incluyen la nicotina, nor-nicotina, y anabasina aisladas de Nicotiana tabacum, la ricinina y la mimosina. Biosíntesis de nicotina: Los pasos iniciales son los mismos que para la biosíntesis de los alcaloides del tropano. El ión 1-metil-pirrolinium se une con el ácido nicotínico formando nicotina. El ácido nicotínico provee el anillo piridínico y deriva del ácido quinolínico. En hongos y en animales el ácido quinolínico deriva del triptofano pero en bacterias y plantas superiores proviene de la unión del glicerol con el ácido aspártico. La nicotina en una primera fase es un estimulante ganglionar pero más tarde inhibe la conducción del impulso nervioso simpático y parasimpático a nivel de los 19 20 ganglios (gangliopéjico). Estimula el SNC, produce midriasis, taquicardia, hipertensión e induce la fibrilación de las fibras musculares estriadas. Actúa sobre el sistema respiratorio produciendo polipnea por estimulación de los quimiorreceptores carotídeos y en altas dosis puede producir paro respiratorio. Se trató de obtener nicotina sintéticamente sin éxito, debido a que el acoplamiento del catión con el ácido nicotínico requiere la presencia de enzimas que actúan estereoespecíficamente. La ricinina es el principal alcaloide del Ricinus communis y posee una gran toxicidad. La mimosina es un alcaloide presente en especies de la familia Mimosoidea (Leucaena glauca). La ingestión de este alcaloide por los animales produce caída del pelo y daño hepático. a.3) Alcaloides pirrolizidínicos: Son ésteres formados por la combinación de una parte básica (fracción pirrolizidínica) con ácidos carboxílicos. Pertenecen a este grupo senecionina (Senecio), monocrotalina (Crotalaria), heliotrina y retrorsina. Son tóxicos para el ganado debido a que son transformados en N-óxidos en el rúmen animal. 20 21 B) ALCALOIDES DERIVADOS DE LISINA Comprende 3 grupos de alcaloides: los quinolizidínicos, pirrolidínicos y los de la piperidina.  Alcaloides quinolizidínicos (semillas de lupino) Alcaloides de la piperidina Lupinina, lupanina, angustifolina y cisticina     muerte Licopodina,cernuina anaferina Peleterina (raíces y Antihelmíntica corteza de granado) Lobelina (Lobelia Depresión inflata) fruto maduro Alcaloides pirrolidínicos Tóxicos, nauseas, vómitos, de nervios motores y sensitivos, fibril, convul, paro respiratorio Eslaframina (hongos) Antihelmíntico b.1) Alcaloides quinolizidínicos: Son los alcaloides del género Lupinus como lupinina, lupanina, angustifolina, esparteína y cistisina. Tanto la lisina como la cadaverina actúan como precursores. Se acumulan en las semillas del lupino siendo extremadamente tóxicos. Su ingestión produce náuseas, vómitos y aún hasta la muerte. La excepción es la esparteína que tiene propiedades oxitócicas por lo que se la usó para prevenir hemorragias posparto. 21 22 b.2) Alcaloides de la piperidina: Se los encuentra en plantas no emparentadas taxonómicamente (Moráceas, Solanáceas, Piperáceas, Licopodáceas). Entre ellos nombramos a la cernuina, licopodina, anaferina, peletierina. La peletierina aislada de raices y corteza de granado tiene propiedades antihelmínticas. | A este grupo también pertenece la lobelina aislada de Lobelia inflata y la γ- coniceína y coniína aisladas de cicuta, planta altamente tóxica. Los alcaloides se acumulan en el fruto maduro y su ingestión produce depresión de nervios motores y sensitivos, seguidos de fibrilación, convulsión y posterior paro cardiorrespiratorio. Coniína b.3) Alcaloides pirrolidínicos: A este grupo pertenece la eslaframina producida por el hongo Ryzoctonia leguminícola que parasita a las Leguminosas. Es uno de los pocos alcaloides derivados de hongos y tiene propiedades antihelmínticas, aunque su uso como tal está poco difundido. C) ALCALOIDES DERIVADOS DEL TRIPTOFANO Incluye 3 grupos: los del indol, del cornezuelo de centeno y alcaloides con estructura compleja. Alcaloides del Indol Alc. del cornezuelo del centeno Alc. con compleja estructura    Gramina Aumento presión arterial Psilocina, psilocibina Alucinógenos, midriasis, miorelajación  Núcleo ergolina Constrictor músc. Uterino  Ergotamina+cafeína Migrañas, cefaleas  Estricnina Tóxico  Quinina Antimalárico Vinblastina,vincristina Antitumorales, Catarantina, vindolina antineoplásicos 22 23 c.1) Alcaloides indólicos: Su número supera el millar y presenta una complejidad estructural muy grande. Dentro de ellos se encuentran los alcaloides alucinógenos que producen modificaciones en la percepción o “borracheras oníricas”. Por lo general tienen una estructura análoga a la de los neurotransmisores mediadores del SNC (serotonina, adrenalina) por lo que tendrían un efecto agonista competitivo sobre los receptores presinápticos específicos. Muchas de estas drogas son originarias de América y fueron usadas por los indígenas en prácticas místicas y rituales religiosos. Podemos considerar los alcaloides ω-amino-alquil-triptofano que incluye la gramina, alcaloide aislado de Gramíneas especialmente de la cebada, que produce elevación de la presión arterial. A este grupo también pertenecen psilocina y psilocibina, compuestos alucinógenos aislados de hongos del género Psilocibe. El consumo de estos hongos produce midriasis, miorelajación, falta de concentración, alucinaciones visuales y auditivas. El sujeto pierde contacto con el medio pero conserva la conciencia. c.2) Alcaloides del cornezuelo de centeno: Son alcaloides producidos por hongos del género Claviceps (Ascomycetes), aunque también se los detectó en Penicillium, Aspergillus y en plantas superiores como las Convolvuláceas. Este hongo parasita los pistilos de varias Gramíneas, especialmente en centeno. Mediante la forma vegetativa (esfacelia) propaga sus hifas invadiendo el ovario de la flor. La infección ocurre por las conidias que son los órganos de reproducción del hongo. Los esclerocios (formas resistentes del hongo) contaminan la harina del centeno usada para la fabricación del pan. 23 24 Debido a que los alcaloides no se destruyen con la cocción, producen graves intoxicaciones (ergotismo) Estos alcaloides se caracterizan por tener un núcleo fundamental: la ergolina Parte de esta estructura deriva del triptofano, el grupo metilo de la metionina y la cadena carbonada del metabolismo terpenoide por lo que también se denominan alcalodies indol-terpénicos. Biosíntesis: Se inicia con la alquilación del triptofano por el isopentenil-pirofosfato (IPP) vía del ácido mevalónico, formando 4-dimetil-alil-triptofano. A partir de éste se forman 2 tipos de alcaloides: 1.- de la clavina (Con CH3 o CH2OH en el C8 2.- del ácido lisérgico (con COOH o CO—NH2 en el C8) A partir del ácido lisérgico por incorporación de grupos amido-péptidos se obtienen los ergot-alcaloides, de los cuales el más importante es la ergotamina. Este compuesto 24 25 asociado con cafeína es muy usado para combatir todo tipo de cefaleas, jaquecas, migraña (Migral®, Tetralgin®). Los alcaloides del cornezuelo del centeno fueron usados como inductores del parto por su efecto constrictor del músculo uterino, pero se abandonó su uso porque podía interferir en la circulación maternofetal. Actualmente es usado para eliminar la placenta y para evitar hemorragias posparto. c.3) Alcaloides con estructura compleja Son alcaloides presentes en familias como las Apocináceas, Rubiáceas, Loganiáceas y Euforbiáceas. La Ajmalicina es un alcaloide indol-monoterpenoide derivado del triptofano aislado de Rawolfia serpentina. Es el primer alcaloide cuya biosíntesis parcial fue dilucidada a nivel enzimático en cultivos celulares de Catharantus roseus. En plantas la síntesis de ajmalicina y de más de 1 800 alcaloides indol-terpénicos comienza con la decarboxilación del triptofano por acción de una triptofano decarboxilasa para dar triptamina. Por acción de una estrictosidina-sintasa ésta se condensa con un terpeno, la secologanina (proveniente del geraniol) y forma 3-α estrictosicodina. Esta sustancia es precursora de alcaloides con diferente estructura como: ajmalicina, ajmalina, estricnina, quinina y alcaloides derivados de plantas del género Vinca. La estricnina (Strichnus nux vomica), es altamente tóxica. En bajas dosis se inicia con un efecto estimulante pero luego produce convulsiones y contracciones tónicoclónicas hasta la muerte. La quinina aislada de corteza de quina (diversas especies del género Cinchona) es el agente antimalárico más efectivo que se conoce. El Plasmodium falciparum 25 26 causante del paludismo, no desarrolló resistencia contra este compuesto, sin embargo lo hizo con su derivado sintético. También posee actividad antifebril. Los alcaloides aislados de varias especies de Vinca (Catharanthus roseus): catarantina, vinblastina, vincristina y vindolina son muy conocidos por sus efectos antitumorales y antineoplásicos. Su concentración en las plantas es muy baja (pocas ppm), por lo que para obtenerlos se recurre a cultivos celulares. vincristina También incluimos en este grupo a los alcaloides de la ruda (Ruta graveolens) como graveolina, rutacarpoína y rutacridina. 26 27 e) Alcaloides derivados de la tirosina Incluye 3 grupos: Alcaloides del opio, derivados del núcleo aporfina y alcaloides del peyote. Alcaloides derivados de la tirosina Alcaloides del opio Papaverina, tebaína, Mprfina: codeína, morfina analgésico (adictivo), precursor de la heroína Codeína: antitusígeno Derivados del núcleo Boldina, isoboldina aporfina Alcaloides del peyote Digestivas, coleréticas, colagogas Mescalina, hordenina, Alucinaciones, anhalamina visiones coloreadas, sobreexitación, antifatiga e.1) Alcaloides del opio: Están presentes en el látex de la adormidera o amapola (Papaver somniferum) y están representados por papaverina, morfina, tebaína y codeína. Papaverina Se han caracterizado casi todas las enzimas que intervienen en la biosíntesis de morfina, comprobándose que se forman a partir de S-reticulina. La síntesis de este compuesto se inicia a partir de 2 moléculas de tirosina, una conduce a la formación de 27 28 dopamina y la otra forma p-hidroxi-fenilacetaldehído. Estas 2 sustancias se condensan y forman S-norcoclaurina. Luego ocurre una serie de metilaciones y oxidaciones y se forma S-reticulina que puede dar origen a su estereoisómero, la R-reticulina. La Sreticulina fue llamada “camaleón químico” porque da origen a una gran cantidad de alcaloides tetrahidro-bencil-isoquinolínicos, de diferente estructura química como papaverina (S-reticulina), codeína, morfina, tebaína, corydalina y berberina (estas últimas provienen del isómero R-reticulina). Luego ocurren metilaciones y oxidaciones que conducen a la formación de berberina, que se acumula en las vacuolas de plantas del género Berberis. La morfina es el analgésico más potente que se conoce, sin embargo su uso está restringido sólo para pacientes terminales debido a su efecto adictivo. Su uso es estrictamente controlado por autoridades sanitarias. Además el mercado clandestino del narcotráfico lo usa para obtener un derivado sintético: la heroína. La codeína es el éster metílico de la morfina, es usada por sus efectos antitusivos. La tebaína es el éter de la codeinona. e.2) Alcaloides derivados del núcleo aporfina: Se citan boldina e isoboldina aisladas de hojas de Boldea boldus o Litsea glutinosa. Son importantes por sus propiedades digestivas, coleréticas y colagogas. e.3) Alcaloides del peyote: A este grupo pertenecen: mescalina, hordenina y anhalamina. La mescalina es aislada del peyote, una cactácea que crece en Texas y el norte de Méjico. Provoca alucinaciones, visiones coloreadas, aumenta la agudeza visual y disminuye la fatiga. Su efecto es similar a la de los alcaloides indólicos, posiblemente se deba a que in vivo se cicliza espontáneamente tomando una estructura indólica. 28 29 f) Alcaloides derivados de tirosina y fenilalanina: Son los alcaloides fenetil- isoquinolínicos. Se forman a partir de tirosina y fenilalanina por la vía de la tiramina y el ácido cinámico. Se citan la colchicina y autumnalina presentes en el cólchico (Colchicum autumnale). La colchicina asociada con el allopurinol es muy usada como antigotoso (Allopuril®) y como antimitótico ya que en bajas concentraciones se une a la tubulina inhibiendo la polimerización y por lo tanto la formación de microtúbulos. No puede progresar la anafase y la mitosis queda bloqueada en la metafase. Se la usa en horticultura para obtener poliploides. g) Alcaloides esteroidales. Generalmente son glicoalcaloides producidos por varias especies de Solanáceas (Solanum spp y Lycopersicon spp). En pequeñas concentraciones aumentan el sabor de frutos y tubérculos de las plantas que los poseen aumentando su sabor y también ejercen un efecto protector contra insectos y hevíboros. En altas concentraciones pueden llegar a causar efectos tóxicos en humanos. Tienen un esqueleto de colestano de 27 C se unen a una porción glicosídica por el OH del C3. La porción de aglicona, por lo general es solanidina. Los azúcares más comunes son ramnosa, xilosa y galactosa. Los alcaloides que se forman son: αy ßsolanina, α y ß-chaconina, ß solamargina. La luz UV es un buen elicitor que favorece la síntesis y acumulación de estos alcaloides que se concentran en órganos con alta actividad metabólica. Han sido usados como anticancerosos y tienen probada acción antifúngica. h) Alcaloides de la purina. A este grupo pertenecen alcaloides aislados del te, yerba mate, semillas de cacao y granos inmaduros de café. Se citan: cafeína, teofilina, teobromina.Su biosíntesis ocurre por los siguientes pasos: AMP → IMP → GMP → Guanosina → Xantina A partir de esta última por acción de metil-transferasas se forman los 3 alcaloides más importantes de este grupo. 29 30 Cafeína Teobromina Teofilina La cafeína es usada en medicina como analgésico y como estimulante en la preparación de bebidas no alcohólicas. La teofilina un broncodilatador y antiinflamatorio bronquial. Se usa para tratar broncoespasmos y el asma bronquial (Teosona®) Se acumulan en hojas jóvenes, donde ejercerían un efecto protector contra larvas de insectos. Ingeniería genética aplicada a la síntesis de alcaloides El interés en el desarrollo de drogas provenientes de plantas tiene importancia desde el punto de vista de la producción en cantidades suficientes para su uso comercial. Hay alcaloides cuya producción es muy baja (pocas ppm) y otros tienen estructuras complejas que no pueden sintetizarse químicamente. Esto no es problemático cuando se trata de especies fácilmente cultivables, pero en aquellas de difícil cultivo se necesita otra alternativa de producción. Más de 80 nuevas enzimas que catalizan pasos biosintéticos de alcaloides de los diferentes grupos han sido aisladas y parcialmente purificadas a partir de cultivos de tejidos. Sin embargo no todos los alcaloides pueden ser obtenidos por cultivos celulares o de tejidos (vincristina, vinblastina, pilocarpina, codeína y morfina), probablemente debido a que los genes de la biosíntesis de alcaloides tienen una expresión específica de tejidos. Por ello los cultivos celulares son muy útiles para estudiar la biosíntesis y la regulación enzimática de los alcaloides, pero no para su producción comercial. Gracias a que se ha podido dilucidar la estructura y los caminos completos de biosíntesis de muchos alcaloides se pudo modificar el patrón de acumulación de los mismos en las plantas con el uso de la Biología Molecular. La ingeniería metabólica de las plantas medicinales puede ser la biotecnología farmacéutica del futuro. 30 31 Así es posible expresar genes que codifiquen la formación de enzimas heterólogas que favorezcan la biosíntesis de determinados alcaloides. La escopolamina es un alcaloides producido por las Solanáceas y su fuente comercial son las plantaciones de Duboisia en Australia, Brasil e Indonesia. Hay otras Solanáceas (Atropa belladona) que acumulan hiosciamina en lugar de escopolamina como el principal alcaloide. Si se introduce en las plantas de Atropa belladponna un cDNA que codifica para la síntesis de una enzima: la hiosciamina 6ß-hidroxilasa usando el Agrobacterium tumefaciens se pueden obtener plantas transgénicas de Atropa que contienen mayores concentraciones de escopolamina que las plantas salvajes. Las semillas de Brassica napus (canola) son usadas en la producción de aceites. Sus residuos no sirven como alimento de animales porque tienen un sabor desagradable debido al alto contenido de glucosinolatos indólicos. Si se introduce un cDNA que codifica la triptofan-decarboxilasa de C. roseus, se obtienen plantas transgénicas de canola en las que el triptófano es dirigido hacia la síntesis de triptamina (que luego lleva a la formación de otros alcaloides). Al impedirse la formación y acumulación de glucosinolatos a partir del triptófano, las semillas no tienen sabor desagradable y pueden servir para alimentación del ganado. 31