Metabolit SekunderBIOKIMIA TANAMAN

Fakultas Pertanian dan BisnisUKSW

PENGERTIAN• Senyawa metabolit yang tidak esensial bagi pertumbuhan, perkembangan atau reproduksi organisme

• Senyawa yang tidak langsung digunakan untuk pertumbuhan, perkembangan atau reproduksi organisme pada kondisi normal

• Senyawa yang dihasilkan melalui jalur biosintesis khusus

• Tidak seperti metabolit primer, adanya metabolit sekunder tidak mengakibatkan kematian langsung, melainkan dalam jangka panjang penurunan nilai ketahanan organisme, kesuburan atau estetika atau mungkin tidak ada perubahan yang signifikan sama sekali.

PENGERTIAN

• Metabolit sekunder ditemukan dalam bentuk yang unik atau berbeda-beda antara spesies yang satu dan lainnya.

• Tepatnya, senyawa metabolit sekunder yang sama sering hanya ditemukan pada spesies-spesies yang memiliki kedekatan hubungan kekerabatan

PENGERTIAN

• Fungsi dari metabolit sekunder adalah untuk mempertahankan diri dari kondisi lingkungan yang kurang menguntungkan, respons tanaman terhadap kondisi cekaman, misalnya beradaptasi terhadap cekaman lingkungan abiotik, mengatasi/mempertahankan diri dari serangan hama dan penyakit, menarik polinator, penarik lawan jenis (feromon), dan sebagai molekul sinyal

KLASIFIKASI

Senyawa metabolit sekunder diklasifikasikan menjadi 3 kelompok utama, yaitu:1. TERPENOID(sebagian besar senyawa terpenoid

mengandung karbon dan hidrogen serta disintesis melalui jalur metabolisme asam mevalonat)

2. FENOLIK (Senyawa ini terbuat dari gula sederhana dan memiliki cincin benzena, hidrogen, dan oksigen dalam struktur kimianya serta disintesis melalui jalur metabolisme asam malonat, as. malonat+shikimat, as shikimat, as shikimat melalui sintesis as amino aromatik)

3. SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN disintesis melalui jalur metabolisme asam shikimat )

KLASIFIKASI

1.TERPENOID: monoterpena, seskuiterpena, diterpena, triterpena, polimer terpena, dll.

2.FENOLIK : asam fenolat, kumarina, lignin, flavonoid, tanin, anthosianin, asam salisilat, dll.

3.SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN : alkaloid, nikotin, morfin, kokain, kafein glukosinolat, dll.

secara ekonomi berfungsi sebagai sumber industri minyak, resin, tanin, saponin, karet alam, gusi, lilin, pewarna, obat-obatan, dan banyak produk-produk khusus lainnya

MEP Pathway(The non-mevalonate pathway or 2-C-Methyl-D-Erythritol

4-Phosphate)

Terpenes / Isoprenoids

Terpenes / IsoprenoidsTurunan polimer isoprena adalah keluarga besar dari substansi-substansi yang memiliki sedikit

kesamaan fungsional dan struktural, yaitu a.l. steroids, carotenoids,

gibberelic acid

Beberapa ribu jenis molekul dari kelompok tanaman yang sangat berbeda telah diisolasi dan dikarakterisasi. Meskipun struktur mereka bervariasi,

semuanya hanya disintesis oleh beberapa jalur.

JALUR METABOLISME BIOSINTESIS METABOLIT SEKUNDER KELOMPOK

TERPENOID

• Produk awal dari semua kelompok yang berbeda dari senyawa yang ditunjukkan dalam ilustrasi di atas adalah ASAM MEVALONAT yang kemudian mengalami fosforilasi, berubah menjadi ISOPRENA TERFOSFORILASI.

• Isoprena ini selanjutnya terus berpolimerisasi. Dalam proses polimerisasi, jumlah dan posisi ikatan ganda adalah tetap. Semua tanaman hijau mampu menghasilkan isoprenoid-isoprenoid linier dengan cara ini

• Misalnya:– Limonen , berupa minyak, pada orange, lemon dan bergamot– α-phellandrene, berupa minyak pada eucalyptus /kayu putih.

Terpenes / Isoprenoids

Terpenes

Klasifikasi: Formula umum – (C5H8)n• n=1 Hemiterpen • n=2 Monoterpen • n=3 Sesquiterpen • n>4 Politerpen (Karotenoid adalah

politerpen dengan C40 )

Tata nama (Nomenclature):• Unit dasar suatu

terpena adalah unit isoprena

The monocyclicterpenes contain two isoprene units, put head to tail. You can see the individual isoprene units in each structure.

Sementara terpene-terpene yang cukup universal memiliki lebih dari lima

unit isoprena, tetapi untuk kelompok tanaman tertentu, ada yang hanya mensintesis terpen sederhana

Misalnya:• Sesquiterpen, yang umum dijumpai pada lumut, tetapi juga terjadi pada tumbuhan tingkat tinggi. Mereka dapat ditemukan pada Magnoliales, tapi tidak pada Ranunculales. Contoh ini menunjukkan, mengapa kehadiran produk sekunder tanaman tertentu telah terbukti menjadi fitur taksonomi berguna. Hal yang sama juga berlaku untuk monoterpen (senyawa iridoid, iridians)

• Salah satu diterpen adalah giberelin

Terpenes / Isoprenoids

Steroids are triterpenes or triterpenoids.Triterpenes adalah kelompok molekul-molekul yang mengandung atom C-30 dan dihasilkan mell polimerisasi enam unit isoprena meskipun sejumlah derivatif, beberapa di antara kelompok ini memiliki atom-C lebih tetapi kebanyakan kurang.Molekul-molekul Steroid terdiri dari empat cincin ditandai A, B, C dan D yang memiliki sejumlah residu tambahan R. Merupakan hal penting apakah kedua diantaranya berada dalam suatu cis-(yaitu pada sisi yang sama dari sistem siklik) atau trans -posisi (di situs berlawanan)Steroids have been shown to occur both in gymnosperms and in angiosperms.

Terpenes / Isoprenoids

STEROID• Steroid tumbuhan berasal dari triterpenoid sikloartenol setelah triterpenoid ini mengalami serentetan perubahan tertentu

• Tahap- tahap awal dari biosintesa steroid adalah sama bagi semua steroid alam yaitu pengubahan asam asetat melalui asam mevalonat dan skualen menjadi lanosterol dan sikloartenol

• Contoh steroid tumbuhan: Stigmasterol pada minyak kedele Digitoksigen: sebagai kompeks glikosida pada gugus 3

± hidroksil dalam tumbuhan digitalis, dalam dosis kecil digunakan untuk mengatur kegiatan jantung.

Ditogenin: suatu saponin, terdapat di alam sebagai kompleks glikosida (glukosa, galaktosa, dan ksilosa ) pada tumbuhan digitalis

Terpenes / Isoprenoids

KAROTENOID

• Berupa tetraterpenes, mengandung 40 atom-C pada 8 unit isoprene.

• Gambar-gambar di bawah ini menunjukkan bahwa mereka semua memiliki pusat simetri. Mereka dibentuk melalui proses-proses hidrasi, dehidrasi, pembentukan cincin, pergeseran ikatan ganda dan / atau kelompok metil, pemanjangan rantai atau pemendekan dan penggabungan oksigen menjadi asuatu senyawa non-cyclic C40H56.

• Ada sekitar 600 karotenoid yang dikenal, dan mereka dikelompokkan menjadi dua, yaitu – The carotenes (pure carbohydrates without additional groups)

– The xanthophylls (carotenoids containing oxygen).

Terpenes / Isoprenoids

Terpenes / Isoprenoids

KAROTENOID

MANFAAT KAROTENOID 1.Melakukan Pemanenan Cahaya Kompleks (dengan protein) dalam fotosintesis.

2.Karotenoid penting dalam gizi manusia sebagai sumber vitamin A (misalnya, dari beta-karoten) dan sebagai agen pencegahan untuk kanker dan penyakit jantung (misalnya lycopene).

3.Karotenoid adalah pigmen yang bertanggung jawab untuk warna dari banyak tanaman, buah-buahan dan bunga. Selain itu, karotenoid menambah warna makanan dan minuman (misalnya jus jeruk).

4.Di samping itu, karotenoid adalah prekursor bahan kimia penting yang bertanggung jawab untuk rasa makanan dan aroma bunga.

Terpenes / Isoprenoids

Dari sudut pandang kimia karet adalah karbohidrat yang terdiri dari tinggi rantai berat molekul 1,4 - poliisoprena residu dalam cis-konfigurasi (caoutchouc). Sumber utama adalah Hevea brasiliensis Gutta percha terdiri dari 1,4 -? Residu poliisoprena di trans-konfigurasi.. Berat molekul yang jauh di bawah karet. Sumber utama adalah Palaquium gutta. Sebuah zat yang sama, balata, diperoleh dari Mimosops balata.

Rubber-like Polymers / Polyisoprene

s

• Chicle (diperoleh dari Achras sapota). Ini adalah substansi dasar permen karet.

• Secara keseluruhan, lebih dari 1800 polyisoprenes tanaman telah diidentifikasi. Konsentrasi selular mereka biasanya kecil, dan berat molekul mereka relatif rendah.

• Polyisoprenes terjadi pada sel-sel tumbuhan tertentu sebagai partikel lateks kecil. Mereka dapat dilihat dalam mikroskop elektron dengan jelas, cytoplasmatic inklusi khusus untuk spesies yang bersangkutan.

Terpenes / Isoprenoids

Senyawa Phenolic

Senyawa-senyawa FENOLIK terdiri

dari sejumlah besar molekul dengan

struktur heterogen.

Fitur umum mereka adalah kehadiran setidaknya satu sistem cincin

aromatik tersubstitusi hidroksil.

Phenolic Compounds

Phenolic Compounds

• LIGNIN, substansi utama dari kayu adalah anggota yang paling umum dari kelompok ini.

• Flavonoid: Pada tahun 1975, jumlah flavonoid yang diidentifikasi diperkirakan lebih besar dari 2000. Beberapa perwakilan penting dan signifikansi biologis mereka tercantum dalam tabel di bawah ini.

The Most Important Classes of Phenolic Compounds in Plants

Number of C-atoms

Basic skeleton Class

6 C6 simple phenols, benzoquinones 7 C6 - C1 phenolic acids 8 C6 - C2 acetophenone, phenylacetic acid

9 C6 - C3 hydroxycinnamic acid, polypropene, coumarin, isocoumarin

10 C6 - C4 naphtoquinone 13 C6 - C1 - C6 xanthone 14 C6 - C2 - C6 stilbene, anthrachinone 15 C6 - C3 - C6 flavonoids, isoflavonoids 18 (C6 - C3)2 lignans, neolignans 30 (C6 - C3 -

C6)2 biflavonoids

n (C6 - C3)n(C6)n(C6 - C3 - C6)n

lignins catecholmelanine (condensed tannins)

according to J. B. HARBORNE, 1980

Phenolic Compounds

COMPOUND ROLE OR FUNCTION

Phenol the parent compound, used as an disinfectant and for chemical synthesis

BHT (butylated hydroxytoluene) - a fat-soluble antioxidant and food additive

Capsaicin the pungent compound of chilli peppers

Eugenol the main constituent of the essential oil of clove

Guaiacol(2-methoxyphenol) - has a smokey flavor, and is found in roasted coffee, whisky, and smoke

Orthophenyl phenol a fungicide used for waxing citrus fruitsPhenolphthalein pH indicatorPolyphenol e.g. flavonoids and tanninsPropofol an anestheticRaspberry ketone a compound with an intense raspberry smellSerotonin / dopamine / adrenaline / noradrenaline

natural neurotransmitters

Thymol (2-Isopropyl-5-methyl phenol) - an antiseptic that is used in mouthwashes

Tyrosine an amino acidXylenol -used in antiseptics & disinfecticides

Salicylic acid

a plant hormone used for its analgesic, antipyretic, and anti-inflammatory properties, also a precursor compound to Aspirin

The Most Important Classes of Flavonoids and their Biological Significance

class number of known members

biological significance (so far as known)

anthocyanin(s) 250 red and blue pigments chalcons 60 yellow pigments aurones 20 yellow pigments

flavones 350 cream-coloured pigments of flowers

flavonols 350 feeding repellents (?) in leaves dihydrochalcons 10 some taste bitter

proanthocyanidins 50 astringent substances

catechins 40 some have propertieslike those of tannins

biflavonoids ? 65 ? isoflavonoids 15 oestrogen effect, toxic for fungi nach J. B. HARBORNE, 1980

Phenolic Compounds

Aromatic amino acid biosynthesis The shikimate pathway - shikimate

dehydrogenase and shikimate kinase

Asam amino aromatik• Fenilalanina (Phe, F)

• Tirosina (Tyr, Y)• Triptofan (Trp, W)

• Kelompok asam amino ini memiliki cincin benzena dan menjadi bahan baku metabolit sekunder aromatik.

• Asam amino aromatik fenilalanin, tirosin, dan triptofan pada tanaman tidak hanya komponen penting untuk sintesis protein, tetapi juga berfungsi sebagai prekursor untuk berbagai metabolit sekunder yang penting bagi pertumbuhan tanaman serta nutrisi dan kesehatan manusia.

• Asam amino aromatik disintesis melalui jalur shikimate diikuti oleh jalur aromatik bercabang biosintesis asam amino, dengan chorismate sebagai titik cabang utama antara metabolit.

A polyphenol antioxidant

• A polyphenol antioxidant is a type of antioxidant containing a polyphenolic substructure.

• The main source of polyphenols is dietary, since they are found in a wide array of phytochemical-bearing foods.

• For example, most legumes; fruits such as apples, blackberries, blueberries, cantaloupe, cherries, cranberries, grapes, pears, plums, raspberries, and strawberries; and vegetables such as broccoli, cabbage, celery, onion and parsley and honey are rich in polyphenols. Red wine, chocolate, green tea, olive oil, argan oil, bee pollen and many grains are sources.

A polyphenol antioxidant

Potential biological consequences: • Consuming dietary polyphenols may be associated with

beneficial effects in higher animal species:• Reduction in inflammatory effects such as

coronary artery disease including specific medical research into the pathways of improved endothelial health via downregulation of oxidative LDL

• More generally, the tea polyphenol antioxidant epigallocatechin gallate (EGCG) has been shown to reduce reactive oxygen species levels in vitro

• Some polyphenols, such as resveratrol, inhibit occurrence and/or growth of experimental tumors

• Anti-aging consequences such as slowing the process of skin wrinkling.[13] For some of the side-benefits (such as prevention of peripheral artery disease), further research is continuing to clarify the role polyphenol antioxidants may have.

• Polifenol adalah kelompok zat kimia yang ditemukan pada tumbuhan. Zat ini memiliki tanda khas yakni memiliki banyak gugus fenol dalam molekulnya.

• Polifenol berperan dalam memberi warna pada suatu tumbuhan seperti warna daun saat musim gugur.

• Pada beberapa penelitian disebutkan bahwa kelompok polifenol memiliki peran sebagai antioksidan yang baik untuk kesehatan. Antioksidan polifenol dapat mengurangi risiko penyakit jantung dan pembuluh darah dan kanker. Terdapat penelitian yang menyimpulkan polifenol dapat mengurangi risiko penyakit Alzheimer.

• Polifenol dapat ditemukan pada kacang-kacangan, teh hijau, teh putih, anggur merah, anggur putih, minyak zaitun dan turunannya, cokelat hitam, dan delima.

• Kadar polifenol yang lebih tinggi dapat ditemukan pada kulit buah seperti pada anggur, apel, dan jeruk.

SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN

Alkaloid, nikotin, morfin, kokain, kafein, glukosinolat

SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN

•Alkaloid adalah kelompok senyawa metabolit sekunder yang mengandung nitrogen. Kebanyakan dari mereka adalah obat. Hanya beberapa (seperti kafein) berasal dari purin atau pirimidin, sedangkan sebagian besar diproduksi dari asam amino.

•Turunan/derivat Ornithine: Ornithine adalah prekursor dari pyrrolidines siklik yang terjadi pada alkaloid tembakau (nikotin, nornicotine) dan Solanaceae lainnya. Nikotin adalah senyawa awal berbagai alkaloid tembakau yg lain (lebih lanjut). Selama biosintesis tropane, pada saat yang sama diproduksi senyawa-senyawa intermediet untuk sintesis kokain dan hyoscamine.

SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN

• Glisina (Gly, G)• Alanina (Ala, A)• Valina (Val, V)• Leusina (Leu, L)• Isoleusina (Ile, I)

• Asam amino alifatik sederhana

• Asam amino hidroksi-alifatik

• Serina (Ser, S)• Treonina (Thr, T)

Lihat Gambar Biosintesis Senyawa Metabolit sekunder:•semula disintesis melalui jalur asam shikimat, selanjutnya masuk ke jalur biosintesis asam amino aromatik

•disintesis dengan bahan baku (precursor) asam amino aromatic

•disintesis dengan bahan baku (precursor) asam amino alifatik

SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN

Biosynthesis of tropane: The starting compound of this synthesis is ornithine, methylornithine

is the first intermediate

SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN

A further group is constituted by the pyrrolizidine alkaloids: Biosynthesis of The Basic Structure of Pyrrolizidine Alkaloids

•Lysine derivatives: Lysine adalah precursor dari piperidine yang membentuk kerangka beberapa alkaloids.

SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN

Derivatives of phenylalanine: The most important are:

Turunan dari phenylalanine• Ephedra-alkaloids: ephedrine, pseudoephedrine,

• alkaloids yang berasal dari micro-organisms: cytochalasine B dan D,

• Taxus-alkaloids: taxine,• Lunaria-alkaloids: lunarine and lunaridine,• alkaloids dari Lythraceae.

SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN

SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN

Tyrosine derivates: Synthesis of Benzylisoquinolines, Starting with

Two Mol Tyrosine

SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN

SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN

Turunan Tyrosine• Tyrosine merupakan prekusor dari kelurga alkaloids. Dengan senyawa terpenting adalah dopamine yang merupaka prekusor dari biosyntheses of berberine, papaverine and morphine.

• Synthesis morphine 2 cincin tyrosine berkondensasi dan membentuk struktur dasar dari morphine

SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN

Bentuk sebelumnya menunjukkan prototypes dari beberapa model dengan senyawa yang sama (opium

alkaloids, codeine,)

Colchicine, merupakan alkaloid dari naked ladies (Colchicum

autumnale dan C. byzanthinum).

SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN

Asam Amino Langka

Berdasarkan kesamaan kimia dan senyawa prekursornya, asam amino dapat dibedakan menjadi 5 bagian:

• the glutamate family starting with alpha-ketoglutarate

• the aspartate family with the starting compound oxaloacetate

• the alanine-valine-leucine group (pyruvate)

• the serine-glycine group (3-phosphoglycerate)

• the family of aromatic amino acids (phosphoenolpyruvate and erythrose-4-phosphate, an intermediate in the pentose phosphate pathway)

• Istilah asam amino yang langka (the rare amino acids) ini menyesatkan dalam beberapa hal. Hal ini mengacu pada semua asam amino yang tidak dimasukkan ke dalam protein. Kita sudah mengenal beberapa dari mereka seperti ornithine atau citrulline yang agak umum sebagai senyawa intermediet dari metabolisme dasar.

• Arginine adalah asam amino yg bersifat basa. Dalam kondisi fisiologis a.a. in mengandung gugus amino kedua yang terionisasi. Sintesis a.a. Arginin memiliki delapan langkah-langkah intermediate (antara). Senyawa intermediate penting adalah ornithine yang dapat dihasilkan dalam sel tanaman dengan dua cara alternatif. Ini berfungsi sebagai akseptor fosfat carbamyl. Pada saat yang sama, fosfat adalah memisahkan diri. Intermediate berikutnya dihasilkan citrulline.

• Telah ditemukan sekitar 220 struktur yang lain, sebagian besar dijumpai pada sel tanaman dalam keadaan bebas meskipun kadang-kadang juga dapat ditemukan sebagai turunan glutamat-, oksalat atau asetil-.

• Alternative biosynthetic pathways. The starting compound shown in the picture to the left is an unstable intermediate that is generated from chorismate by the chorismate mutase. Chorismate is the aromatic amino acid precursor.

In some fungi, rare amino acids are polymerized to small, sometimes also cyclic polypeptides like in phalloidine or

the amanitins, the toxins of the amanita. Derivatives of nearly all well-known 20 amino acids have been isolated and described. A certain rare amino acid

occurs often only in one or a few plant species.

Dari 220 tipe molekul yg

berbeda, hanya disintesis dua turunan dari

ARGININ, yaitu OCTOPINE dan

NOPALINE yg akan ditunjukkan di

sini.

Sebagian besar senyawa intermediate metabolisme primer dihasilkan dalam sitosol dan ditransportasikan ke

plastid untuk diubah melalui jalur-jalur metabolisme sekunder. Selanjutnya metabolit sekunder akan

ditransportasikan dari plastid ke tempat penyimpanan atau disekresikan ke medium ekstraseluler.

Metabolit sekunder hidrofilik disimpan dalam kompartemen berair seperti vakuola, sedangkan metabolit

sekunder hidrofobik disimpan di dinding sel. Produk dapat terdegradasi baik intraseluler atau

ekstrasel, dan metabolit degradatif dapat diangkut ke dalam dan keluar dari sel dan digunakan kembali dalam

metabolisme baik primer dan sekunder.

Gen ketahanan/tolera

nsi terhadap cekaman lingkungan biotik/abiotik

biasanya merupakan bahan genetik sitoplasma

CONTOH APLIKASI TEKNOLOGI

Table 1. Comparison of bacterial and plant cell characteristics for use in bioprocesses

Characteristic Bacterial cells Plant cellsSize 1 m 20–50 mShear stress Insensitive SensitiveDoubling time <1 hour DaysBatch fermentation time Days Weeks

Product accumulation

Typically extracellular

Often cell-associated

Production phase Uncoupled from growth

Often growth-associated

Variability in accumulation Low High

Product yields High LowPost-translational processing Simple Advanced

Compartmentalization None Highly

compartmentalized

CONTOH APLIKASI TEKNOLOGI

KESIMPULAN• Senyawa metabolit sekunder diklasifikasikan menjadi 3 kelompok utama, yaitu: TERPENOID, FENOLIK, SENYAWA YG MENGANDUNG NITROGEN yang disintesis melalui jalur-jalur khusus, yang dapat terinduksi pada saat tanaman mengalami cekaman

• Peningkatan kuantitas produk metabolit sekunder melalui induksi cekaman lingkungan biotik/abiotik

• Bioteknologi dapat digunakan untuk produksi metabolit sekunder – bakteri dan tanaman transgenik (kultur akar berambut)

Kelas Contoh Senyawa Contoh Sumber Efek dan kegunaanSENYAWA

MENGANDUNG NITROGEN

ALKALOID Nikotin, kokain, teobromin Tembakau, coklat

Mempengaruhi neurotransmisi dan

menghambat kerja enzimTERPENOID

MONOTERPEN Mentol, linaloolTumbuhan mint dan banyak tumbuhan

lainnya

Mempengaruhi neurotransmisi,

menghambat transpor ion, anestetik

DITERPEN Gossypol Kapas Menghambat fosforilasi, toksik

Triterpena,Glikosida kardiak (Jantung)

DigitogeninDigitalis (Foxglove

digitalis&nbsp;sp.)Stimulasi otot jantung, memengaruhi transpor

ion

STEROL Spinasterol Bayam Mempengaruhi kerja hormon hewan

FENOLIK

ASAM FENOLAT Kafeat, klorogenat Semua tanaman

Menyebabkan kerusakan oksidatif, timbulnya

warna coklat pada buah dan wine.

TANNIN gallotanin, tanin terkondensasi

oak, kacang-kacangan

Mengikat protein, enzim, menghambat

digesti, antioksidan.LIGNIN Lignin Semua tanaman

darat Struktur, serat