La biosintesi dei carotenoid

I carotenoidi appartengono al gruppo dei terpeni, che comprende innumerevoli classi di metaboliti, sia primari che secondari. I primari comprendono carotenoidi, gibberelline e fitosteroli che sono necessari per diverse funzioni cellulari, tra cui crescita e mantenimento; i secondari svolgono ruoli per lo più riconducibili alle interazioni della pianta con l’ambiente (Croteau et al., 2000).

Tutti gli enzimi coinvolti nella via biosintetica dei carotenoidi sono stati identificati e ne è stata caratterizzata l’attività (Howitt e Pogson, 2006). Nonostante la diversità strutturale e funzionale, tutti gli isoprenoidi hanno origine da un comune precursore a 5 atomi di carbonio, l’isopentenil-5-pirofosfato (IPP), enzimaticamente interconvertibile nel suo isomero dimetil- allil-pirofosfato (DMAPP). La sintesi dell’unità isoprenica può avvenire attraverso due diverse vie (Figura 16): il pathway dell’acido mevalonico (MVA), caratterizzato per primo e che avviene nel citosol, e la via mevalonato-indipendente, detta anche del metileritritolo-4 fosfato (MEP), individuata più recentemente e che ha sede nel plastidio.

Figura 16. Biosintesi dell’isopentenil pirofosfato: a sinistra la via citosolica del MVA, a

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Nelle piante superiori sono attive entrambe le vie: nel pathway del mevalonato il precursore dell’IPP è l’acetilCoA, mentre in quella plastidiale si ha la combinazione di gliceraldeide-3-fosfato e piruvato per formare deossi-d-xiluloso-5-fosfato, da cui si giunge alla produzione di IPP. Anche se determinano la sintesi del medesimo prodotto, queste due vie portano alla formazione successiva di diversi prodotti finali: nel citoplasma si generano sesquiterpeni (C-15), triterpeni (C-30) e politerpeni, mentre monoterpeni (C-10), diterpeni (C- 20) e tetraterpeni (C-40) hanno origine prevalentemente nel plastidio: tuttavia non è escluso che tra i due comparti in particolari condizioni fisiologiche vi sia uno scambio di intermedi (Croteau et al., 2000).

La via citosolica (Figura 17), presente in tutti gli organismi viventi, consta di 6 passaggi: a una condensazione di tre molecole di acetil-CoA a dare 3-idrossi-3-metil-glutaril- CoA (HMG-CoA) seguono due riduzioni NADPH-dipendenti da parte della HMG-CoA reduttasi, con la formazione di mevalonato. Due fosforilazioni consecutive da parte della mevalonato chinasi e della fosfo-mevalonato chinasi e una successiva decarbossilazione a opera della difosfo-mevalonato decarbossilasi portano alla sintesi di IPP: quest’ultimo può eventualmente essere isomerizzato a DMAPP per azione dell’enzima isopentenil-difosfato isomerasi.

Figura 17. Schema

della via biosintetica mevalonato- dipendente (Thurher

et al., 2012).

La via mevalonato-indipendente (Figura 18), chiamata anche via del metileritritolo fosfato (MEP) avviene nel plastidio, ed è caratteristica di alghe e piante superiori (Philliphs et al., 2008). Essa comprende 7 passaggi enzimatici, che iniziano con la condensazione di

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piruvato (1) e gliceraldeide-3-fosfato (2) per produrre 1-deossi-D-xilulosio 5-fosfato (3) (DXP) ad opera della DXP sintasi (DXS). Quest’ultimo composto a seguito di un riarrangia- mento intramolecolare e una riduzione effettuata ad opera della DXP reduttoisomerasi (DXR) viene trasformato in MEP (4) al quale viene aggiunto un gruppo citidilico (CTP) dalla MEP citidiltransferasi (MCT): si ottiene CDP-ME (5). La CDP-ME chinasi (CMK) fosforila 5 e il prodotto ottenuto, il 4-difosfocitidil-2-C-metil-D-eritritol-2-fosfato (6) (CDP-ME2P), viene ciclizzato ad opera dalla ME-CPP sintasi (MDS) dando origine al 2-C-metil-D-eritritol 2,4- ciclodifosfato (7) (ME-CPP). Il difosfato ciclico viene, a seguito di una eliminazione riduttiva catalizzata dalla HMBPP sintasi (HDS), trasformato in 1-idrossi-2-metil-2-E-butenil 4- difosfato (8) (HMBPP), che a sua volta viene ridotto ad opera della HMBPP reduttasi (HDR) a IPP (9) e DMAPP (10).

Figura 18. Via del metileritritolo fosfato (Narayanasamy et al., 2010).

IPP e DMAPP rappresentano l’unità di base del metabolismo terpenico. L’unione testa/coda di questi due monomeri porta infatti alla sintesi di tutti i terpeni, classificati secondo il numero di atomi di carbonio: monoterpeni (C-10), sesquiterpeni (C-15), diterpeni (C-20), triterpeni (C-30), tetraterpeni (C-40) e politerpeni (n unità isopreniche). Il geranil- geranil difosfato (GGPP), ottenuto per condensazione di 4 unità isopreniche ad opera della GGPP sintasi (GGPS), è il mattone che funge da precursore dei carotenoidi. La condensazione testa/testa di due molecole di GGPP a opera dell’enzima fitoene sintasi (PSY) da infatti origine al fitoene, primo vero carotenoide, da cui derivano i successivi tetraterpeni.

Il fitoene subisce la graduale introduzione di doppi legami coniugati, convertendosi in una molecola capace d’assorbire la luce, il tutto-trans-licopene, primo carotenoide colorato. In realtà il processo è più complesso, dal momento che l’attività desaturante crea alcuni intermedi in configurazione cis, condizione che richiede l’ausilio di enzimi isomerizzanti, i quali ripristinano la forma trans. Ecco allora che a partire dal fitoene, intervengono, in successione, gli enzimi fitoene desaturasi (PDS), -carotene isomerasi (Z-ISO), -carotene desaturasi (ZDS) e carotenoide isomerasi (CRTISO), con la concomitante formazione degli intermedi fitofluene, -carotene, neuro-sporene e licopene (Figura 19). L’enzima CRTISO è stato identificato e caratterizzato in pomodoro (Isaacson et al., 2002) e in A. thaliana (Park et al., 2002). Nei batteri tutti questi processi vengono svolti dall’enzima multifunzionale CrtI.

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Figura 19. Schema della biosintesi delle varie classi di terpenoidi (Croteau et al., 2000).

La variazione di colore che si determina da fitoene e fitofluene (incolori) a -carotene (giallo), neurosporene (arancio) e licopene (rosso) è dovuta rispettivamente alla presenza di 5, 7, 9 e 11 doppi legami: più doppi legami sono presenti, più l’assorbimento si sposta verso lunghezze d’onda maggiori, con aumento dell’intensità cromatica percepita (Tanaka et al., 2008) (Figura 20). Anche se fitoene e fitofluene sono incolori essi presentano un picco di assorbimento a 348 nm e secondo recenti studi potrebbero giocare un ruolo importante nella fotoprotezione della pelle dell’uomo, fungendo da quencher per le ROS indotte dagli UV-A (320-400 nm), in particolare l’ossigeno singoletto (Engelmann et al., 2011).

Il passaggio successivo prevede una ciclizzazione del tutto-trans-licopene; la reazione può essere catalizzata da una licopene β-ciclasi (LCYB nelle piante e CrtY nei batteri) e/o da una licopene -ciclasi (LCYE): si osserva quindi una ramificazione della via di sintesi. Il LCYE è un enzima che in molte piante introduce nel licopene un solo -anello; carotenoidi con due anelli  sono molto rari (Cunningham e Gantt, 2001). Si riscontrano allora principalmente due tipologie di prodotti: quelli aventi un β ed un -anello (-carotene e derivati ,β-carotenoidi), e quelli con due β-anelli (β-carotene e derivati β,β-carotenoidi) (Tanaka et al., 2008). In seguito  e β-carotene possono a loro volta subire reazioni di idrossilazione, epossidazione o isomerizzazione per dare origine a una ampia varietà di

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strutture: dall’idrossilazione dell’-carotene si genera la xantofilla luteina, da quella del β- carotene a opera della β-carotene idrossilasi (CHYB) la zeaxantina. L’epossidazione in posizione C5,6 e C5’,6’ dell’anello β della zeaxantina, catalizzata dalla zeaxantina epossidasi (ZEP), porta alla formazione della violaxantina; quest’ultima può essere convertita in neoxantina dall’enzima neoxantina sintasi (NSY) (DellaPenna e Podgson, 2006). L’enzima β- carotene chetolasi (CRTW, CrtO nei batteri) rappresenta il punto di partenza per la sintesi dei chetocarotenoidi echinenone e astaxantina; questi ultimi sono pigmenti fotostabili ad elevata attività antiossidante che si accumulano in crostacei e pesci e che sono utilizzati come coloranti naturali in allevamenti ittici.

Figura 20. Biosintesi dei carotenoidi nelle piante (Tanaka et al., 2008).

DXPS, 1-deossi-D-xilulosio-5-fosfato sintasi; DXR, 1-deossi-D-xilulosio-5-fosfato reduttoisomerasi; IPI, isopentenil pirofosfato isomerasi; GGDP, Geranil-difosfato-sintasi; PSY, fitoene sintasi; PDS, fitoene desaturasi; Z-ISO, -carotene isomerasi; ZDS, -carotene desaturasi; LCYB, licopene -ciclasi; LCYE, licopene -ciclasi; CHYB, -carotene idrossilasi; CHYE, -idrossilasi; ZEP, zeaxantina epossidasi; VDE, violaxantina de- epossidasi; CRTISO, carotenoide isomerasi; NSY, neoxantina sintasi; NCED, 9-cis-epossi- carotenoide diossigenasi.