β-caroteno: Biosíntesis y Actividad Biológica

Los carotenoides constituyen el producto más insaturado de la biosíntesis y son los que proveen los colores amarillo, rojo y naranja.¹ El β-caroteno es un carotenoide de la familia de los carotenos,² es biosintetizado por las células vegetales y algunas bacterias.^3,4 En las plantas es producido en los cromoplastos.⁵

Aunque el β-caroteno pertenezca al grupo de los carotenoides que proveen estos particulares colores antes mencionados, también se encuentra de manera abundante en alimentos vegetales verdes como espinacas, berros y col, el alimento con mayor contenido de β-caroteno es la zanahoria⁶. Como el β-caroteno posee actividad provitamina A diariamente debemos ingerir las cantidades apropiadas para nuestro cuerpo y así poder satisfacer los requerimientos.

La biosíntesis de carotenoides parte desde las reacciones fotosintéticas en la etapa lumínica de la fotosíntesis dónde se genera toda la energía necesaria para el proceso, luego por medio del ciclo de Calvin se produce gliceraldehído 3-fosfato que utilizando las tres últimas reacciones de la ruta de la glucólisis va a producir piruvato. Estos productos forman isopentenil difosfato (IPP) siguiendo la ruta del no Mevalonato.^3,7 

La condensación de cuatro unidades IPP forman geranilgeranil difosfato (GGPP) por medio de la ruta de biosíntesis de los isoprenoides,³ la condensación de GGPP va a producir licopeno y un conjunto de isomerasas nos llevarán a producir el β-caroteno.

El β-caroteno posee actividades biológicas que son indispensables para los humanos una de estas es ser el precursor del retinol o vitamina^9–11 que es fundamental en el en el mecanismo de absorción de la luz¹², otro de los de las funciones del β-caroteno es actuar como antioxidante,^4,8 función que puede ejecutar en las plantas en el non photochemical quenching,⁸ como en los tejidos animales⁹.

En este trabajo nos enfocaremos principalmente en la ruta biosintética del β-caroteno, regulación enzimática, medioambiental y genética, además de la actividad provitamina A.

• CROMOPLASTOS EN LA BIOSÍNTESIS

La síntesis de carotenoides es llevada a cabo por las células vegetales en un organelo conocido como cromoplasto,^2–4en este sitio he llevado a cabo desde la ruta del no mevalonato hasta la formación del β-caroteno por la ciclación Del anillo betaionona. Existen cuatro tipos de plastidos todos formados a partir del proplastido, los etioplastos que crecen en la oscuridad con unos pocos carotenoides, los cloroplastos donde se lleva a cabo la fotosíntesis, los elaioplastos que contienen lípidos y los cromoplastos, sitio de síntesis y almacenamiento de los carotenoides.⁵

• NATURALEZA HIDROFÓBICA DEL β-CAROTENO

Los carotenoides en general poseen naturaleza hidrofóbica, los carotenos consisten en únicamente átomos de carbono e hidrógeno y se encuentran orientados de manera horizontal o parcialmente horizontal, las xantofilas poseen grupos oxigenados en los extremos que le permiten interactuar con el exterior de la membrana lipídica, algunas xantofilas son luteína y Zeaxantina (Figura 1).

• RUTA BIOSINTÉTICA DEL β-CAROTENO

La biosíntesis de carotenoides siga un proceso bastante lineal (Esquema 1) en el que gliceraldehído 3-fosfato y piruvato, productos del metabolismo primario, son introducidos en los cromoplastos. En estos últimos se lleva a cabo la ruta del no mevalonato, la síntesis de isoprenoides, la síntesis de licopeno y la isomerización del licopeno para la producción del β-caroteno.

La biosíntesis del β-caroteno parte desde las reacciones fotosintéticas en la etapa lumínica de la fotosíntesis donde dos electrones son captados por los fotosistemas para producir NADPH y oxígeno. La energía producida en la etapa luminosa de la fotosíntesis es empleada en el ciclo de Calvin donde la ribulosa 1,5-Bifosfato es sustrato de la enzima RuBisCo junto con agua y dióxido de carbono atmosférico para producir 3-fosfoglicerato. La fosfoglicerato cinasa produce 1,3-bifosfoglicerato por medio de la hidrólisis de ATP, la enzima gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa cataliza la formación de gliceraldehído 3 fosfato consumiendo NADPH,¹³ este es uno de los precursores de la biosíntesis de carotenoides (Esquema 1).^3,7 Las reacciones del Ciclo de Calvin se desarrollan en los cloroplastos.¹³

La biosíntesis de carotenoides solo utiliza los tres pasos finales de la ruta de la degradación de glucosa (glucolisis)  que es efectuada en el citosol¹³, el 3-fosfoglicerato producido en el ciclo de Calvin es transformado a 2-fosfoglicerato por acción de la fosfoglicerato mutasa, la 2-fosfoglicerato deshidratasa cataliza la formación de fosfoenolpiruvato, luego la piruvato cinasa produce piruvato con la liberación de ATP.¹³ Estos primeros pasos son los que comprenden el metabolismo primario y nos proveen los precursores para la biosíntesis de carotenoides.^3,7,14

La ruta del 2-C-metil-D-eritritol 4-fosfato (MEP) o ruta del no Mevalonato comprende una serie de reacciones que llevan a la producción de Isopentenil difosfato (IPP) y por isomerización dimetilalil difosfato (DMAPP). La maquinaria biológica necesaria para la ruta del MEP es compleja, una 1-deoxi-D-xilulosa 5-fosfato sintasa (DXS) condensa el DMAPP y el IPP catalizando la formación de 1-deoxi-D-xilulosa 5-fosfato, un segundo paso involucra una isomerización reductiva por la 1-deoxi-D-xilulosa 5 -fosfato reductoisomerasa (DXR) con el uso de NADPH que produce el MEP. En el siguiente paso una molécula de citidil fosfato es introducida a la ruta por la 2-C-metil-D-eritriol 4-fosfato citidiltransferasa (MCT) que produce 4-(citidina 5’-difosfo)-2-C-metil-D-eritriol y fosfato inorgánico. Este intermediario es fosforilado por 4-(citidina 5’-difosfo)-2-C-metil-D-eritriol cinasa (CMK) y entonces se da la ciclación con la salida del grupo citidilo que produce 2-C-metil-eritriol 2,4-ciclodifosfato catalizada por la 2-C-metil-eritriol 2,4-ciclodifosfato sintasa (MDS). El penúltimo paso involucra la apertura del ciclo por la acción de la (E)-4-hidroxi-3-metilbut-2-enil difosfato sintasa (HDS) que produce (E)-4-hidroxi-3-metilbut-2-enil difosfato. El último paso consiste en una reducción que produce IPP por la catálisis de 4-hidroxi-3-metibut-2-enil difosfato reductasa (HDR), este último producto es isomerizado para producir DMAPP.^7,14,15 El esquema 1 muestra todos los pasos e intermediarios de la ruta del MEP.

Los productos de la ruta del no Mevalonato son los precursores de la vía de síntesis de los isoprenoides. El IPP y su isómero, el DMAPP, se condensan por la acción una prenil transferasa, las secciones rojas (Esquema 2) describen la forma en la que se añaden las moléculas del IPP para el alargamiento de la cadena de isoprenoides. Cada una de las prenil transferasas que participan en esta ruta es específica para cada uno de los isoprenoides. El producto final de la vía de síntesis de los isoprenoides es el Geranilgeranil difosfato (GGPP) que es un C₂₀.^3,15 Aunque para la producción de carotenoides se necesita la condensación de dos GGPP, la ruta de síntesis de isoprenoides no es específica de los carotenoides, como las isomerasas para la formación de licopeno.⁵ La vía de síntesis de isoprenoides también participa en la producción de citosinas, giberelinas, brasinoesteroides, terpenos, tocoferoles y clorofila.^3,5,15

La fitoeno sintasa cataliza la condensación de dos moléculas de geranilgeranil difosfato para la producción de fitoeno.^3,15,16 Una maquinaria específica presente en los cromoplastos y compuesta de desaturasas e isomerasas cataliza la formación del licopeno (Esquema 3). Aunque generalmente la síntesis del licopeno se describe de esta manera cuando no es de interés específico, estos pasos son fundamentales en la biosíntesis de carotenoides por lo que de manera sencilla describiremos los pasos para la producción de licopeno. La fitoeno sintasa (PSY) cataliza la formación del 15-cis.fitoeno, la fitoeno desaturasa (PDS) forma el 9,15-di-cis-fitoeno y nuevamente la PDS actúa formando el 9,15,9’-tri-cis-ζ- carotoeno, la ζ-caroteno isomerasa (Z-ISO) cataliza la formación del 9,9’-di-cis- ζ-carotoeno. La acción de la ζ-caroteno desaturasa (ZDS) en una reducción forma el prolicopeno. Una isomerización catalizada por la caroteno isomerasa (CrtISO) produce el licopeno, abundante en el tomate.⁵ Este es un punto de importante regulación genética ya que si algunos genes no se expresan la planta no tendrá la capacidad de sintetizar carotenoides.⁵

En este punto es posible seguir dos posibles rutas la de producción de α-caroteno y la de β-caroteno.^4,15 Cada una de estas enzimas es específica en la formación del anillo ionona, con la acción de la licopeno β-ciclasa se concluye la ruta biosintética para la síntesis de β-caroteno.

• REGULACIÓN DE LA BIOSÍNTESIS

La biosíntesis de carotenoides posee diversos puntos de regulación Estas pueden ser enzimáticos, genéticos o ambientales.^3,5,17,18 Las plantas poseen un ciclo circadiano en el que durante el día sintetizan aquellos productos que necesitan energía lumínica como los carotenoides.¹⁴ El primer punto de regulación enzimática lo encontramos en el ciclo de Calvin, específicamente en la enzima RuBisCo. Esta enzima cataliza la carboxilación de la ribulosa 1,5 bifosfato con el uso de agua y dióxido de carbono atmosférico. esta enzima forma el 50% de la proteína soluble en las hojas de las plantas y es la enzima más abundante de la biomasa vegetal, debe su abundancia a su poca eficiencia.

Un mecanismo dependiente de la luz utiliza al dióxido de carbono como activador que permite que la enzima RuBisCo activasa desfosforile a la enzima RuBisCo en estricta presencia de luz, en ausencia de luz, la RuBisCo activasa fosforila la RuBisCo desactivándola.³ Este mecanismo de regulación Enzimático ambiental es importante ya que de noche no se llevará a cabo la formación del gliceraldehído 3-fosfato producto precursor de la ruta del no Mevalonato.

El siguiente punto de regulación se encuentra en la enzima piruvato cinasa de la glucolisis, esta enzima cataliza la formación de piruvato a partir del fosfoenolpiruvato. la piruvato citosólica (PKc) es activada por el aspartato y desactivada por el glutamato este último proveniente de los plastidos.¹⁹ Este punto de regulación es importante ya que si no se produce piruvato no será posible la síntesis de isoprenoides que conduce a la biosíntesis de carotenoides.

La ruta del no Mevalonato presenta regulación ambiental y enzimática, esta última por retroalimentación. Un mecanismo de regulación circadiana se lleva a cabo en la ruta del no Mevalonato. (Figura 2). Un estudio realizado sobre Arabidopsis thaliana demostró que una pequeña parte de las triosas fosfato es utilizada para la producción de gliceraldehído 3-fosfato (GPA), ya que en su mayoría se utiliza en la producción de glucosa. La regulación circadiana se da principalmente sobre las enzimas DXS y HDR Ya que no se expresa el gen del hipocótilo tardío (LHY). Otro punto de regulación en la ruta del no mevalonato es en los productos qué pueden producir una regulación por retroalimentación.¹⁴

La PSY requiere la expresión del gen RIN, este gen es el responsable de la maduración del tomate (Solanum lycopersicum). Los genes SGR1, PIF 1 y RAP2.2 inhiben la formación de la enzima PSY.⁵

• CAROTENOIDE PROVITAMINA A

El retinol o vitamina A, es importante en el epitelio pigmentario de la retina y cumple el proceso específico de junto a la rodopsina permitir el mecanismo de absorción de luz.¹² El retinol es una especie altamente reactiva por lo que generalmente no es ingerido en esta forma.Uno de los principales precursores, pero no el único, del retinol es el β-caroteno este es absorbido en las células del cepillo del intestino delgado en la que la caroteno monooxigenasa (CMOI o  actúa produciendo retinal que atraviesa la membrana y es transformado a retinol El cual es esterificado y transportado por los quilomicrones. Los quilomicrones no sólo se encargan del transporte D retinol y carotenoides, sino que también se encargan del transporte de las grasas que son ingeridas. una vez en la sangre los quilomicrones transportan los ésteres de retinilo. Hasta el páncreas donde la proteína transportadora de retinol en plasma es la que continúa el transporte del retinol en sangre y lo lleva hacia los tejidos que lo requieran (Figura 3).

Aunque hemos descrito la forma en la que es absorbido el β-caroteno es necesario describir a detalle el mecanismo de escisión y sus enzimas específicas. Existen dos β-caroteno monooxigenasas (CMO o BCO) que actúan en la decisión del β-caroteno una produciendo retinal y la otra produciendo apocarotenal, las enzimas que producen apocarotenal (CMOII) son específicas para cada uno de los tipos de escisiones. Una vez producido retinal por la acción de la caroteno monooxigenasa I (CMOI) se pueden seguir dos vías, la formación de retinal por la acción de la alcohol deshidrogenasa (ADH) que produce retinol, esta reacción es reversible y en el proceso contrario la enzima es una retinol deshidrogenasa (RDH).^9,21,22 Como el retinol es altamente reactivo la tendenciaalmacenarlo esterificado,¹² lo por lo que una retinol transferasa cataliza la formación de los ésteres de retinilio, la otra vía conduce a la formación de ácido retinoico en la que actúa la enzima aldehído deshidrogenasa o retinaldehído deshidrogenasa, (Esquema 4) .^9,21

• PIGMENTOS DEL EPITELIO DE LA RETINA

Una de las principales propiedades biológicas del β-caroteno es la provitamina, por lo que se considera la actividad retiniana del retinol una actividad biológica del β-caroteno.^9,10 El 11 cis-retinal derivado del retinol, es el pigmento responsable de la absorción de la luz en la retina. Es indispensable en la captación de luz ya que la proteína transmembranal rodopsina se vale de un cambio conformacional del 11-cis-retinal. para la absorción de luz, este mecanismo ocurre en la membrana de los discos de barrera de la retina.¹²

El proceso es bastante sencillo y a la vez indispensable para la visión de los mamíferos, el retinol llega a las células retinianas y de manera inmediata es transformado en retinal ya que por su alta reactividad puede interactuar con las enzimas de este ciclo destruyendo las células epiteliales retinianas. Una proteína transportadora de retinol (IRBP) transfiere al retinol desde los bastones hacia el epitelio pigmentario retiniano donde es captado por una proteína de transporte de retinol celular (CRBP-1), esta lo conduce hacia una retinil transferasa que cataliza la formación de ésteres de retinilo, en esta forma también es almacenado en la retina. cuando se requiere 11-cis-retinol una isómero hidrolasa cataliza la formación, luego la CRBP1, lo lleva hacia los bastones donde es captado por la IRBP que lo acopla a la rodopsina.  El 11-cis-retinal se encuentra perpendicular al eje de las hélices Alfa transmembranarias de la rodopsina, pero paralela al plano de la membrana de los discos fotorreceptores lo que permite que la rodopsina del cambio conformacional de 11-cis-retinal a todo trans retinal, (Figura 4).¹²La única función de los carotenoides en la vista no es como epitelio pigmentario, la luteína y zeaxantina actúan como fotorreceptores para disipar altas descargas lumínicas sobre la retina y protegerlas de la destrucción.¹⁰

• ACTIVIDAD FOTOSINTÉTICA

El β-caroteno no sólo presenta actividad biológica en mamíferos sino que las plantas que lo sintetizan lo utilizan los fotosistemas. Los carotenoides pueden  captar la energía lumínica sobrante y hacerla resonar en su sistema conjugado para luego transferirlas a la clorofila para que sea utilizada en el proceso de fotosíntesis. Además de realizar este proceso disipador el β-caroteno puede ejercer un efecto foto protector de los fotosistemas o lo que se conoce como el non photohemical quenching en el que los carotenoides en general capturan oxígeno en el estado singlete y lo pasan al estado triplete, si este proceso dura más de 10 nanosegundos los carotenoides se auto oxidan para evitar la destrucción de los fotosistemas ya que su síntesis requiere de mucha energía y maquinaria específica.⁸

• ACTIVIDAD ANTIOXIDANTE

El efecto que realizan los carotenoides en el non photohemical quenching es realmente una actividad antioxidante, los carotenoides son los compuestos con mayor capacidad antioxidante de la biomasa vegetal, su extenso sistema conjugado les permite donar o aceptar electrones, transferir átomos de hidrógeno en forma de protón y enlazarse a los radicales libres.⁸ Estas son las formas básicas de la actividad antioxidante que ejercen los carotenoides.

• NECESIDADES NUTRICIONALES

La función biológica que realizan el β-caroteno como provitamina A es fundamental por lo que hay requerimientos diarios de consumo. Para hombres la ingesta diaria recomendada es de 900 μg de mayor contenido de β-caroteno lo encontramos en la zanahoria, pero el berro, col, espinacas y brócoli son buenas fuentes de β-caroteno. Los equivalentes de retinol ingeridos no solo provienen del β-caroteno, algunos carotenoides provitamina A y ésteres de retinilos son ingeridos en la dieta.⁶ Los suplementos de vitamina A que se consiguen en el mercado consisten en ésteres de retinilo extraídos del aceite de pescado.

• CONCLUSIONES

La Biosíntesis de carotenoides se da de manera exclusiva en plantas, específicamente en los cromoplastos. Un conjunto de reacciones que comprenden metabolismo primario y secundario permiten la síntesis del β-caroteno. La regulación por el ciclo circadiano específicamente, la luz, es la regulación más importante de la ruta de síntesis de los carotenoides.

Las necesidades de β-caroteno deben ser suplidas para que se pueda llevar a cabo el ciclo de los pigmentos retinianos, sin esto no podríamos ver. Tan dispensables es para los humanos como para las plantas ya que participa del proceso fotosintético.

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