A Biossíntese dos Carotenoides

Sidney Pacheco

A rota de biossíntese dos isoprenóides é há muito tempo conhecida, são muitos os produtos naturais, metabólitos secundários, que seguem a rota sintética dos terpenóides. Os terpenóides são classificados quanto ao número de átomos de carbono, são eles: os hemiterpenos (C5), monoterpenos (C10), sesquiterpenos (C15), diterpenos (C20), triterpenos (C30) e tetraterpenos (C40). Dentro dessas classes de substâncias podemos destacar as piretrinas, os óleos essenciais compostos por inúmeras substâncias, como mentol e linalol, o fitol presente na clorofila e os carotenoides.

Molécula do isopentenilpirofosfato (IPP)
Molécula de isopentenilpirofosfato (IPP), precursor dos carotenoides e demais isoprenóides

Os carotenoides são tetraterpenos com 40 átomos de carbono sintetizados por bactérias, algas, fungos e plantas superiores. Com exceção de alguns poucos carotenoides produzidos por bactérias, que apresentam 30, 45 ou 50 átomos de carbono. Foram descobertas duas rotas para a formação do Isopentenilpirofosfato (IPP - Figura acima) que é a unidade primária da síntese dos terpenóides. Uma característica de plantas e bactérias e outra de fungos. Os carotenoides de fungos são derivados da via do mevalonato, na qual o ácido mevalônico é sintetizado via condensação de três moléculas de acetil-SCoa. Os passos subseqüentes envolvem etapas de fosforilação, gerando ácido mevalônico pirofosfato, que sofre descarboxilação para gerar IPP. Em bactérias e nos plastídios de plantas a formação do IPP se dá via rota alternativa conhecida como 1-desoxyxilulose-5-fosfato, que é o primeiro intermediário da rota, ou de 2-C-metil-D-eritritol-4-fosfato que é o primeiro produto.

Uma vez que a enzima IPP isomerase está presente nos plastídios de plantas, pode-se concluir que IPP é o produto majoritário ou único da via 1-desoxyxilulose-5-fosfato. O DMAPP deve ser originado através da isomerização do IPP (Figura abaixo).

Isomerização do IPP em DMAPP
A isomerização do IPP forma a molécula DMAPP.

O farnesil pirofosfato (FPP), com 15 átomos de carbono, é o produto seguinte na rote de biossíntese. Ele é formado através da ação de diferentes enzimas prenil transferases, que após a isomerização do IPP para DMAPP e mediante três condensações cabeça-cauda (C1´- C4) com unidades IPP.

Formação do Farnesil Pirofosfato (FPP)
Formação do Farnesil Pirofosfato (FPP) com 15 Carbonos


O próximo produto na rota de biossíntese dos carotenoides é o Geranilgeranil pirofosfato, agora com a metade dos átomos de carbono das moléculas características dos carotenoides, 20. Para sua formação, as reações continuam sendo catalisadas pelas enzimas prenil transferases e seguem o mecanismo de acoplamento cabeça-cauda, tanto em plantas superiores quanto em bactérias.

Formação do Geranilgeranil Pirofosfato (GGPP)

Formação do Geranilgeranil Pirofosfato (GGPP) com 20 Carbonos


A síntese da primeira substância com 40 átomos de carbono, que é reconhecida como o primeiro carotenoide precursor dos demais, é realizada agora através de uma condensação cabeça-cabeça de duas moléculas de GGPP. A reação forma um intermediário ciclopropilcarbonil entre os carbonos C1 da primeira unidade GGPP e os carbonos C2 e C3 da segunda molécula de GGPP. Com a eliminação do grupo pirofosfato (desfosforilação), e com a abstração estereoespecífica de um hidrogênio (H+), chega-se ao fitoeno. Este apresenta 9 ligações duplas, sendo apenas 3 conjugadas (no centro da molécula).

Formação do Fitoeno

Formação do Carotenoide Fitoeno, a partir de duas moléculas de Geranilgeranil Pirofosfato (GGPP)


Após a formação do Fitoeno, as reações que se seguem tem por finalidade aumentar a insaturação (duplas ligações) das moléculas e, na sequência, ciclizar e inserir funções oxigenadas, como hidroxilas e carbonilas. Os produtos na sequência da rota de biossíntese são os carotenoide fitoflueno, com 5 duplas ligações conjugadas (5 DLC), e o zeta-caroteno. Produzido através da ação da enzima fitoeno desidrogenase após quatro etapas de desidrogenação, e consequente formação de mais 2 duplas ligações, o zeta-caroteno apresenta agora 11 ligações duplas, sendo 7 delas conjugadas no centro da molécula (7 DLC).


Formação do carotenoide zeta-caroteno a partir do Fitoeno

Formação dos carotenoides fitoflueno (5 DLC) e zeta-caroteno (7 DLC) a partir do Fitoeno


A coloração caracteristica dos carotenoides só tem início a partir da sétima ligação conjugada (7 DLC), isto considerando a visão humana. Desta maneira, os carotenoides fitoeno (3 DLC) e fitoflueno (5 DLC) são incolores, enquanto o zeta-caroteno (7 DLC) apresenta coloração amarela pálida. Na página Cor e espectros UV/Vis esta questão é abordada mais a fundo. A desidrogenação do fitoeno prossegue até a obtenção do Neurosporeno (9 DLC) e do Licopeno, este é o carotenoide de plantas com o maior número de ligações duplas conjugadas (11 DLC). Como consequencia das 11 DLC o Licopeno apresenta agora coloração vermelha intensa, característica do tomate, melancia e goiaba vermelha.


Formação do carotenoide Licopeno a partir do Fitoeno

Formação dos carotenoides Neurosporeno (9 DLC) e Licopeno (11 DLC) a partir do zeta-caroteno


O licopeno é o precursor dos carotenóides cíclicos, o mecanismo da ciclização que forma o anel beta envolve a adição estereoespecífica de um hidrogênio no carbono C2. Tem-se por pressuposto que a reação de ciclização dos carotenóides é similar, em princípio, ao processo de ciclização na biossíntese de outros compostos isoprenóides. A enzima ciclase envolve o final da cadeia alquílica colocando-a em conformação adequada (Figura abaixo).


O carotenoide Licopeno com as extremidades dobradas

O carotenoide Licopeno (11 DLC) com as extremidades em conformação adequada para a ciclização


Após esta conformação, ocorre um ataque eletrofílico em C2, com conseqüente formação da ligação C1-C6 para formação do anel. Esse mecanismo leva à formação de um carbocátiom em C5 estabilizado pela enzima. Com a eliminação de hidrogênio ocorre a formação do anel. Se a saída do H+ for de C6 tem-se a formação do anel beta-ionona, se for de C4 o anel epson, e se a saída for do grupo metil, tem-se a formação do anel gama.


Ciclização das extremidades do Licopeno

Ciclização das extremidades do Licopeno formando os anés beta, epson e gama ionona


A ciclização do Licopeno pode ocorrer apenas em uma ou nas duas extremidades, combinando ainda os três anéis ionona possíveis. Desta maneira, o número de substâncias que podem ser geradas é grande. Dentre as substâncias destacam-se o beta-caroteno e o alfa-caroteno, mais exemplos de substâncias podem ser encontrados na página Estruturas Químicas.


Os carotenoides alfa e beta-caroteno

Exemplos de derivados cíclicos do Licopeno, os carotenoides alfa e beta-caroteno


As xantofilas, que são os carotenóides oxigenados, são enzimaticamente formadas pela oxidação do alfa-caroteno e beta-caroteno. Grupos típicos são hidroxilas na posição C3 dos anéis beta e eposn-ionona, epóxido nas posições C5,6 do anel beta-ionona e o grupo cetona na posição C4. Inúmeros exemplos destas substâncias podem ser encontrados na página Estruturas Químicas.


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