viernes, 14 de julio de 2017

5 ALQUENOS NATURALES, LOS TERPENOS

Un terpeno es un compuesto cuyo esqueleto de carbono se puede dividir en dos o más unidades que son idénticas al esqueleto de carbono del isopreno. El carbono 1 de una unidad de isopreno se llama cabeza; El carbono 4 se llama la cola. Los terpenos se forman uniendo la cola de una unidad de isopreno a la cabeza de otra. Esto se conoce como la regla del isopreno.

5.1 Estructura de los terpenos


5.2 Importancia de los terpenos

Son una clase grande y diversa de compuestos orgánicos, producidos por una variedad de plantas, particularmente coníferas (Peter et al., 2015; Rosenkranz & Schnitzler, 2016; Strömvall, 1992; Zerbe & Bohlmann, 2014),  y por algunos insectos tales como termitas o mariposas de la familia Papilionidae, que emiten terpenos de su osmeteria (Kandi, Godishala, Rao, & Ramana, 2015; Ômura, Noguchi, & Nehira, 2016). A menudo tienen un olor fuerte y pueden proteger las plantas que producen disuadiendo herbívoros y atrayendo depredadores y parásitos de herbívoros (Martin, Gershenzon, & Bohlmann, 2003; Pichersky, Noel, & Dudareva, 2006). La diferencia entre terpenos y terpenoides es que los terpenos son hidrocarburos, mientras que los terpenoides contienen grupos funcionales adicionales. 

Son los componentes principales de la resina, y de la trementina producida a partir de resina. El nombre "terpeno" se deriva de la palabra "trementina". Además de sus papeles como productos finales en muchos organismos, los terpenos son bloques de construcción biosintéticos importantes dentro de casi cada criatura viva. Los esteroides, por ejemplo, son derivados del triterpeno escualeno. Cuando los terpenos se modifican químicamente, tales como por oxidación o reordenamiento del esqueleto de carbono, los compuestos resultantes se denominan generalmente terpenoides. Algunos autores utilizarán el término terpeno para incluir todos los terpenoides. Los terpenoides también se conocen como isoprenoides. Terpenos y terpenoides son los principales constituyentes de los aceites esenciales de muchos tipos de plantas y flores. Los aceites esenciales se utilizan ampliamente como fragancias en perfumería, y en medicina y medicinas alternativas como la aromaterapia. Las variaciones sintéticas y los derivados de terpenos y terpenoides naturales también aumentan enormemente la variedad de aromas utilizados en perfumería y sabores utilizados en aditivos alimentarios. La vitamina A es un terpenoide. Mayores cantidades de terpenos son liberados por los árboles en clima más cálido, actuando como una forma natural de siembra de nubes. Las nubes reflejan la luz del sol, permitiendo que el bosque regular su temperatura (Gobato, Gobato, & Fedrigo, 2015; Peñuelas & Llusià, 2003; Rehman, Hanif, Mushtaq, & Al-Sadi, 2016; Yuan, Himanen, Holopainen, Chen, & Stewart, 2009). El aroma y el sabor del lúpulo proviene en parte de los sesquiterpenos (principalmente alfa-humuleno y beta-cariofileno), que afectan la calidad de la cerveza (de Almeida, Aguiar, & Cardoso, 2015; Liu & Quek, 2016; Steenackers, De Cooman, & De Vos, 2015). Los terpenos son también componentes principales de las plantas Cannabis sativa, que contienen al menos 120 compuestos identificados (Aizpurua-Olaizola et al., 2016; Booth, Page, & Bohlmann, 2017; Elzinga, Fischedick, Podkolinski, & Raber, 2015).

Un estudio de terpenos proporciona una visión de la maravillosa diversidad que la naturaleza puede generar a partir de un simple esqueleto de carbono, incluso sin incluir grupos funcionales. Los terpenos también ilustran un principio importante de la lógica molecular de los sistemas vivientes, es decir, que al construir moléculas grandes, las subunidades pequeñas se unen enzimáticamente mediante un proceso iterativo y luego se modifican mediante reacciones precisas enzimáticas catalíticas. Los químicos usan los mismos principios en el laboratorio, pero sus métodos no tienen la precisión y la selectividad de las reacciones catalizadas por enzimas de los sistemas vivos. Probablemente los terpenos más familiares para cualquiera, al menos por olor, son componentes de los llamados aceites esenciales obtenidos por destilación con vapor o extracción con éter de varias partes de plantas, especialmente las flores. Los aceites esenciales contienen sustancias de peso molecular relativamente bajo que son en gran parte responsables de las fragancias características de la planta. Muchos aceites esenciales, en particular los de flores, se utilizan en los perfumes.

Un ejemplo de un terpeno obtenido a partir de un aceite esencial es el mirceno, C10H16, un componente de cera de de los árboles del género Myrica y aceites de bahía y verbena. El mirceno es un trieno con una cadena parental de ocho átomos de carbono y dos ramas de un carbono. Los enlaces de cabeza a cola entre las unidades de isopreno son mucho más comunes en la naturaleza que los modelos alternativos de cabeza a cabeza o de cola a cola. 

5.3 Importancia de los terpenos

Los terpenos tienen propiedades como productos químicos en las industrias de alimentos, cosméticos, farmacéutica y biotecnología (Augustin, Kuzina, Andersen, & Bak, 2011; Thimmappa, Geisler, Louveau, O’Maille, & Osbourn, 2014). La síntesis química de terpenos puede ser problemática debido a su estructura compleja, ya que las plantas producen pequeñas cantidades de terpenos, lo que hace difícil y costoso extraerlos directamente de las plantas. Los genomas de 17 especies de plantas contienen genes que codifican las enzimas terpenoides sintasas que imparten terpenos con su estructura básica y los citocromos P450 que modifican esta estructura básica (Boutanaev et al., 2015). La investigación en terpenos ha encontrado que muchos de ellos poseen cualidades que los hacen los ingredientes activos útiles como parte de pesticidas agrícolas naturales. Los terpenos son utilizados por las termitas de la familia Nasutitermitinae para atacar a los insectos enemigos, mediante el uso de un mecanismo especializado llamado pistola fontanela (Isman, 2000; Nutting, Blum, & Fales, 1974).

5.3.1 Medicina, limoneno, canabinoides y otros

Los terpenos ofrecen una amplia gama de beneficios médicos, incluyendo antimicrobianos, antisépticos e incluso efectos anti-carcinógenos (Beidokhti, 2013; Rizvi, 2015; Russin, Hoesly, Elson, Tanner, & Gould, 1989; Verzura & Blackmon, 2015). En términos de eficacia, los terpenos están demostrando tener tanto valor médico como los cannabinoides tales como THC y CBD (un cannabinoide que ha demostrado reducir las convulsiones y reducir el dolor). Por ejemplo, un estudio realizado en 2011 en la Universidad Forestal del Noreste en China reveló que un terpeno común, el pineno, ayuda en el tratamiento de infecciones bacterianas y virales (Astani & Schnitzler, 2014; Yang, Wu, Zu, & Fu, 2011). Limoneno, otro terpeno común, se ha demostrado que exhiben características anti-inflamatorias y anticancerígenas (de Cássia da Silveira e Sá, Andrade, & de Sousa, 2013; Hirota et al., 2010; Rufino et al., 2015; Sun, 2007). También se ha demostrado para ayudar a los que sufren de depresión y para ayudar en la digestión (bueno para enfermedades como Crohn) (Guadarrama-Cruz, Alarcon-Aguilar, Lezama-Velasco, Vazquez-Palacios, & Bonilla-Jaime, 2008; Kubacka, Librowski, Czarnecki, Frackowiak, & Lochynski, 2006).

5.3.2 Mirceno

O β-myraceno, es un hidrocarburo orgánico natural olefínico. Se clasifica más precisamente como monoterpeno. Los monoterpenos son dímeros de los precursores de isoprenoides, y el mirceno es un componente importante del aceite esencial de varias plantas, incluyendo la bahía “Laurus nobilis entre otras”, el cannabis “ Cannabaceae”, el ylang-ylang “Cananga odorat”, el tomillo silvestre “Thymus serpyllum”, el perejil “Petroselinum crispum”, el cardamomo “Elettaria spp., y Amomum spp.,”  y el lúpulo “Humulus lupulus”. Se produce principalmente semi-sintéticamente de myrcia, de la que obtiene su nombre. Es un intermedio clave en la producción de varias fragancias. α-Mirceno es el nombre del isómero estructural 2-metil-6-metileno-1,7-octadieno, que no se encuentra en la naturaleza y es poco utilizado (Behr & Johnen, 2009; Breitmaier, 2006).

El mirceno es un intermediario importante utilizado en la industria de la perfumería. Tiene un olor agradable, pero rara vez se utiliza directamente. También es inestable en el aire, tendiendo a polimerizarse. Las muestras se estabilizan mediante la adición de alquilfenoles o tocoferol. Por lo tanto, es más valorado como un intermedio para la preparación de aromas y fragancias químicas tales como mentol, citral, citronelol, citronelal, geraniol, nerol y linalol. El Mirceno se convierte en mircenol, otra fragancia encontrada en lavanda, vía hidroaminación no catalizado del 1,3-dieno seguido por la hidrólisis y Pd-catalizada la eliminación de la amina. Como 1,3-dienos, tanto el mirceno como el mircenol experimentan reacciones de Diels-Alder con varios dienófilos tales como acroleína para dar derivados de ciclohexeno que son también fragancias útiles (Behr & Johnen, 2009; Breitmaier, 2006).

5.3.3 Felandreno

Felandreno es el nombre de un par de compuestos orgánicos que tienen una estructura molecular similar y propiedades químicas similares. α- felandreno y β- felandreno son monoterpenos cíclicos y son isómeros de doble enlace. En α-felandreno, ambos enlaces dobles son endocíclicos y en β-felandreno, uno de ellos es exocíclico. Ambos son insolubles en agua, pero miscibles con el éter. Α-Felandreno fue nombrado después de Eucalyptus phellandra, ahora llamado Eucalyptus radiata, del cual se puede aislar (Miller & Borden, 1990; Pearson, 1993). Es también un constituyente del aceite esencial de las inmersiones de Eucalyptus. El β-Felandreno se ha aislado del aceite del agua del hinojo y del aceite del bálsamo de Canadá (Davenport, Sutherland, & West, 1951; Macbeth, Smith, & West, 1938). Los felandrenos se utilizan en las fragancias debido a sus aromas agradables. El olor de β-felandreno se ha descrito como menta-pimienta y levemente citroso. El isómero α-felandreno puede formar peróxidos peligrosos y explosivos en contacto con el aire a temperaturas elevadas (Ali et al., 2015).

5.3.4 Betacaroteno

Es un pigmento rojo-anaranjado orgánico fuertemente coloreado abundante en plantas y frutas. Es un miembro de los carotenos, que son terpenoides (isoprenóides), sintetizados bioquímicamente a partir de ocho unidades de isopreno y teniendo así 40 carbonos. Entre los carotenos, el β-caroteno se distingue por tener anillos beta en ambos extremos de la molécula. El β-caroteno es biosintetizado a partir de pirofosfato de geranilgeranilo (Fraser & Bramley, 2004). El β-caroteno es la forma más común de caroteno en las plantas. Cuando se utiliza como colorante alimentario, tiene el número E E160a (Milne, 2005): 119 La estructura fue deducida por Karrer et al. En 1930 (Karrer, Helfenstein, Wehrli, & Wettstein, 1930). En la naturaleza, β-caroteno es un precursor (forma inactiva) a la vitamina A a través de la acción de beta-caroteno 15,15'-monooxigenasa (Fraser & Bramley, 2004).  El aislamiento de β-caroteno a partir de frutos abundantes en carotenoides se realiza comúnmente usando cromatografía en columna. También se puede extraer de las algas ricas en betacaroteno, Dunaliella salina (Khanh, 2014; Wu et al., 2015). La separación del β-caroteno de la mezcla de otros carotenoides se basa en la polaridad de un compuesto. El β-caroteno es un compuesto no polar, por lo que se separa con un disolvente no polar tal como el hexano (Mercadante, Steck, & Pfander, 1999). Al estar altamente conjugado, está profundamente coloreado, y como hidrocarburo carente de grupos funcionales, es muy lipófilo.

El betacaroteno se encuentra en muchos alimentos y se vende como suplemento dietético. El β-caroteno contribuye al color naranja de muchas frutas y verduras diferentes. Las calabazas amargas espinozas vietnamitas o gac (Momordica cochinchinensis Spreng.) Y el aceite de palma crudo son fuentes particularmente ricas, al igual que las frutas amarillas y naranjas, como el melón, los mangos, la calabaza y las papayas y las raíces anaranjadas como las zanahorias y las batatas. El color del β-caroteno está enmascarado por la clorofila en verduras de hoja verde como espinaca, col rizada, hojas de batata y hojas de calabaza dulces (Kidmose, Edelenbos, Christensen, & Hegelund, 2005). El gac vietnamita y el aceite de palma crudo tienen el mayor contenido de β-caroteno de cualquier fuente vegetal conocida, 10 veces mayor que la zanahoria, por ejemplo. Sin embargo, gac es bastante raro y desconocido fuera de su región nativa del sudeste asiático, y el aceite de palma crudo se procesa típicamente para eliminar los carotenoides antes de la venta para mejorar el color y la claridad. La ingesta diaria promedio de β-caroteno está en el rango de 2-7 mg, según se calcula a partir de un análisis conjunto de 500.000 mujeres que viven en los EE.UU., Canadá y algunos países europeos (Koushik et al., 2006; Mustapa, Manan, Azizi, Setianto, & Omar, 2011).  

El exceso de β-caroteno se almacena predominantemente en los tejidos grasos del cuerpo. El efecto secundario más común del consumo excesivo de β-caroteno es la carotenodermia, una condición físicamente inofensiva que se presenta como un tono de piel naranja conspicuo que surge de la deposición del carotenoide en la capa más externa de la epidermis. Los depósitos de grasa de los adultos son a menudo amarillos de los carotenoides acumulados, incluyendo el β-caroteno, mientras que los depósitos de grasa de los bebés son blancos. La carotenodermia es rápidamente reversible al cesar la ingesta excesiva (Heywood, Palmer, Gregson, & Hummler, 1985).

5.4 Oxidación alílica en el metabolismo

La enzima hepática citocromo P-450 oxida muchos metabolitos tóxicos y fármacos en sitios alílicos. Por ejemplo, una oxidación alílica es el primer paso en la degradación de uno de los ingredientes psicoactivos en la marihuana. Un radical alilo es un intermediario probable en este proceso Un grupo alilo puede estar insertado en un anillo, en la cadena principal o ser una ramificación, lo que en verdad interesa son los tres carbonos del centro, dos en doble enlace y el tercero con enlace simple y con posibilidad de recibir un sustituyente hidroxilo, el sustituyente R4 puede no estar presente.

El principal componente psicoactivo de la marihuana contiene Δ1-tetrahidrocannabinol (Δ1 - THC), que tiene tres centros alílicos. Los centros C-3 y C-6 son secundarios y el C-7 es primario. La oxidación alílica no ocurre en C-3 debido al impedimento estérico causado por los grupos dimetilo germinales. De los otros dos sitios posibles, el producto C-7 predomina sobre el producto C-6 incluso aunque el átomo C-7 sea primario. Sin embargo, la diferencia en la estabilidad de los radicales no es tan grande como la diferencia en las estabilidades de las carbocaciones. Por lo tanto, otros factores como un impedimento estérico podrían desempeñar un papel en la regioselectividad de esta reacción. El grupo metilo C-7 es estéricamente más accesible que el sitio C - 6 secundario. Curiosamente, el producto C-7 es aún más psicoactivo que Δ1-THC. Los efectos fisiológicos del THF y sus productos metabólicos están mediados por la acción de proteínas ligadas a la membrana llamadas receptores acoplados a proteína G (GPCR). Esta regulación ocurre a través de un complejo y enormemente importante mecanismo de señalización celular. Cabe anotar que la posición que marcamos en rojo en el siguiente modelo no es alilica dado que el doble enlace hace parte de un grupo aromático lo cual altera las propiedades químicas del doble enlace, solo el doble enlace simple que anillo superior izquierdo cuenta para ubicar posiciones alílicas.

Normalmente, el hígado transforma los compuestos orgánicos en productos oxidados que son más solubles en agua que pueden ser excretados. Sin embargo, una de las preocupaciones en el diseño de fármacos es la reactividad de los metabolitos producidos por estas reacciones de oxidación metabólica. Obviamente, es intolerable que los metabolitos causen daño a las células e interrumpan otros procesos vitales. En otras palabras, la cura no debe ser peor que la enfermedad. El metabolismo del hexobarbital (un sedante hipnótico) se produce por oxidación alílica de un grupo metileno en el ciclohexeno. Posteriormente se producen reacciones de este metabolito para permitir la eliminación del fármaco. El medicamento antiarrítmico quinidina se metaboliza en la posición alílica indicada para dar un alcohol alílico. En este caso, el metabolito también tiene actividad antiarrítmica

Referencias bibliográficas de libros

(Brown et al., 2018; Brown & Poon, 2014; Bruice, 2011, 2014a, 2014b, 2016; Carey & Giuliano, 2011; Clayden et al., 2012; Favre & Powell, 2013; Klein, 2015; McMurry et al., 2007; McMurry, 2012; Ouellette & Rawn, 2015; Solomons et al., 2014; Solomons & Fryhle, 2000, 2004, 2007, 2011; Vollhardt & Schore, 2014; Wade, 2009, 2013)

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