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El picor del chile,
biosíntesis de la capsaicina y diferenciación morfológica
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Lino Sánchez Segura y
Gustavo F. Gutiérrez López
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Los metabolitos secundarios son las principales
características por las que reconocemos y asignamos valor comercial a las plantas. En éstas, la especialización química generalmente se ha asociado, por un lado, a la defensa contra depredadores o patógenos y, por otro, a la atracción de polinizadores. Mientras que en la vida cotidiana estas moléculas resultan funcionales como alimentos y fármacos.
Un grupo de metabolitos que por sus propiedades podría considerarse de interés en México es el de los capsaicinoides. Diversos estudios han demostrado que éstos son los compuestos químicos responsables de la pungencia o picor en el fruto de la planta de chile (Capsicum annumm L.). La capsaicina y la dihidrocapsaicina son responsables de 90% de la pungencia del fruto; el resto de los capsaicinoides participan en menor medida en el picor, pero contribuyen fuertemente a la diversidad de sabores picantes en las diferentes especies de Capsicum. Los capsaicinoides son sintetizados a partir de intermediarios de la ruta de los fenilpropanoides y, en algunos casos, son clasificados químicamente como alcaloides.
La respuesta provocada por la capsaicina es la de picor, es decir, aparecen síntomas como el aumento de temperatura, irritación tisular, salivación y dolor, que inician en las mucosas y se propagan al resto del cuerpo. Esta respuesta comienza cuando las terminales periféricas de un subgrupo de neuronas nociceptoras sensoriales son estimuladas, las cuales son encargadas de transmitir la información del daño tisular a los centros de procesamiento del dolor en la espina dorsal y el cerebro. Hasta el momento, se sabe que la capsaicina excita receptores de la membrana plasmática de las neuronas nociceptoras al calcio los cuales, debido a la afinidad estructural, se denominaron “receptores afines a la vainillina”. Sin embargo, realmente se trata de “canales dependientes del ligando”, que producen el incremento de la permeabilidad al calcio.
La capsaicina afecta de forma tan intensa las papilas gustativas aun en diluciones tan bajas como 1:1 x 106, que se ha usado frecuentemente en la investigación biomédica para explicar la función de las neuronas sensoriales en varios órganos y sistemas, debido a que tiene la capacidad de excitar y retardar la funcionalidad de un subconjunto de neuronas aferentes primarias. Sin embargo, ¿qué hace tan especial a este grupo de plantas?, ¿por qué únicamente se lleva a cabo la biosíntesis de los capsaicinoides en el género Capsicum?
El género Capsicum
Para entender la naturaleza de los compuestos capsaicinoides se debe indagar sobre su origen biológico. El chile es una planta del genero Capsicum de la familia Solanaceae. Actualmente, su clasificación se dificulta debido a la gran cantidad de variedades existentes cuyo origen puede deberse a las condiciones climáticas, tipo de suelo, selección y domesticación. Algunas de estas especies son C. annuum, C. chinense, C. frutescens, C. pubescens, C. pendulum y C. minimum con más de cincuenta variedades. Las clasificaciones taxonómicas del género Capsicum son diversas y fueron propuestas a partir de los caracteres taxonómicos que los autores consideraron eran de mayor importancia para descifrar la filogenia del género Capsicum. Una de ellas es la que hizo Bailley en 1923, en la cual se planteaba que se debían reducir todas las variedades de Capsicum a una sola especie debido a que los caracteres morfológicos que se han considerado diferenciables entre las especies tienen variaciones tan amplias que pueden pertenecer a cualquiera de las especies establecidas. Sin embargo, de forma opuesta se plantea que la clasificación taxonómica de este género impide agruparlas en una sola especie, dado el grado de diversificación biológica que presentan. En la actualidad, algunas variedades de Capsicum annuum se han separado con base en la diversidad genética, por lo que existe la posibilidad de establecer nuevas especies.
Originalmente, el género Capsicum se distribuye en cuatro centros biogeográficos: el primero abarca desde el sureste de Estados Unidos y México hasta el oeste de América del Sur, con doce subespecies; el segundo va del sureste de Brasil a la costa de Venezuela, con una subespecie; el tercero está en la costa este de Brasil, con diez subespecies; y el cuarto es el centro de Bolivia y Paraguay, que se extiende hasta el noreste y centro de Argentina, con ocho subespecies. Cabe destacar que dieciséis especies se consideran endémicas de América del Sur y representan la mayor cantidad de especies de Capsicum restringida en un área. La región correspondiente a Bolivia es probablemente el centro de origen del género Capsicum; sin embargo, el lugar de domesticación de cada una de las especies es un tema de investigación actual.
Origen y distribución en México
Si el origen biológico del chile no fue en México, ¿entonces por qué se encuentra tan arraigada la presencia de esta planta en nuestra cultura? Las primeras evidencias del consumo de chiles por parte de una cultura mesoamericana se encuentran en México. En las cuevas de Coxcatlán, en el Valle de Tehuacán en Oaxaca, se descubrieron a mediados de la década de los noventas los primeros restos arqueobotánicos de frutos y semillas de chiles silvestres, junto con granos de maíz y frijol. Estos frutos posiblemente se comenzaron a recolectar hace ocho mil años por los primeros habitantes, zapotecos, correspondientes al periodo Monte Albán IIIb–IV (500 a 750 d. C.). Posteriormente, hace seis mil años, durante el periodo Monte Albán V (1000 a 1520 d. C.), los asentamientos zapotecos de Mitla se dedicaron a seleccionar y cultivar chiles pungentes de Capsicum annuum, lo que implica que ésta es la primera especie mexicana de chile y, por consiguiente, la más utilizada como alimento. Hasta el día de hoy, se sabe con certeza que se derivan tres cultivares de esta especie primigenia, conocidas como: jalapeño, serrano y chile ancho.
Biosíntesis
El tipo y la concentración de capsaicinoides varía con el genotipo (F1, F2 o híbridos), las condiciones de crecimiento de la planta (fotoperiodo, pH del suelo, humedad, nutrientes, altitud) y maduración del fruto de donde se extraigan tales compuestos. La maduración del fruto, en la mayoría de las especies (C. annuum L., C. frutescens L., C. chinense Jacq.) corresponde a cambios en la concentración de carotenoides, flavonoides, clorofila, ácidos fenólicos, ácido ascórbico y compuestos solubles totales. La ruta de biosíntesis de los capsaicinoides se considera compleja, por lo que no ha sido completamente descrita. La principal característica es la presencia de una bifurcación metabólica que permite contribuir, por una parte, a la formación de ácidos grasos y, por otra, a compuestos aromáticos fenólicos. Debido a que la ruta de los capsaicinoides está dada por los intermediarios de la ruta de los fenilpropanoides, resulta interesante que se sintetice vainillina (compuesto que se obtiene de la vainilla, Vanilla planifolia) como intermediario químico, la cual evolutivamente no tienen relación con el género Capsicum.
La etapa crítica en la formación de la capsaicina es la condensación de la vainillilamina (compuesto fenólico) con el 8metil6nonenoilCoA (ácido graso). La formación enzimática de los capsaicinoides a partir de la vainillilamina e isoC10:0 se lleva a cabo en dos pasos. El primero es la conversión enzimática del isoC10:0 a isoC10:0CoA usando atp y Mg++ como cofactores; y el segundo es la condensación enzimática de isoC10:0CoA y vainillilamina para sintetizar la capsaicina por acción de la enzima capsaicina sintetasa. Sin embargo, esta última enzima se ha postulado como una enzima hipotética, sin que hasta el momento se tenga evidencia de su existencia.
Durante el crecimiento y maduración de las plantas, los cambios bioquímicos generalmente están asociados a las transformaciones estructurales de los tejidos y células. La descripción de estos cambios celulares en las plantas del chile no se ha estudiado con mayor profundidad debido a que la mayoría de los trabajos publicados presenta un enfoque químico, además de los productos naturales y el de la síntesis orgánica. Los primeros estudios sobre la localización del sitio de biosíntesis de la capsaicina y dihidrocapsaicina fueron hechas por el equipo de Tetsuya Suzuki en 1980, los cuales observaron “gotas oscuras” (osmiófilas) en imágenes de microscopía electrónica de transmisión. Algunos estudios intentaron, sin éxito, localizar el sitio de síntesis de capsaicinoides y describir el mecanismo de secreción celular.
Otro equipo de trabajo, liderado por Zamsky, describió en 1987 la ultraestructura de las células secretoras juveniles de frutos verdes de Capsicum, que presentan un citoplasma denso con plastidios ameboidales, dos tipos de retículo endoplásmico en fragmentos (rugosos o engrosados), observándose desprendimiento de vesículas del retículo endoplásmico. Ellos propusieron que los capsaicinoides están compartamentalizados en una serie de vesículas de entre 0.151.0 µm de diámetro, su morfología es la de “pequeñas gotas oscuras” (osmiófilas) visualizadas en al interior de retículo endoplásmico engrosado. El probable mecanismo de translocación de los capsaicinoides ocurre a partir de tales vesículas, las cuales viajan a través del citoplasma y se fusionan con el plasmalema. Sin embargo, los pigmentos carotenoides (capsorrubina y capsoxantina) que se sintetizan y acumulan durante la maduración y cambio de color del fruto de Capsicum fueron observados en imágenes de microscopía electrónica de trasmisión en forma parecida, por lo que dichos resultados no son concluyentes.
Los primeros estudios de Y. Ohta en 1962 y de el grupo de K. Iwai en 1979 demostraron que los capsaicinoides fueron separados de la placenta, tejido en el que son biosintetizados a partir de la Lfenilalanina y Lvalina. Posteriormente, en 1982, junto con su equipo de trabajo, Fujiwake determinó que los capsaicinoides se acumulan en las vacuolas de las células epidérmicas de la placenta y del septo; sin embargo, es difícil describir el mecanismo de biosíntesis de los capsaicinoides a un nivel subcelular a través de técnicas convencionales de fraccionamiento de células, ya que éstas homogenizan los contenidos subcelulares.
Nuevas teorías
En estudios recientes, mediante técnicas de inmunolocalización, se ha encontrado que el lugar donde están los capsaicinoides son las células epidérmicas del septo interlocular; sin embargo, nuestros hallazgos demuestran que el inmunolocalizar la capsaina allí no implica que se lleve a cabo la biosíntesis en esas células. Anatómicamente, las células del septo interlocular tienen una función estructural cuya característica es delimitar el lóculo del fruto, por lo que se debe descartar su intervención en la biosíntesis; probablemente, en forma secundaria, puede ser una vía de translocación de la capsaicina al pericarpo del fruto. Mientras que es en las células de la epidermis de la placenta en donde se lleva a cabo la mayor acumulación de la capsaicina, esta función es única en la planta y está restringida a este pequeño grupo de células altamente diferenciadas. En algunas partes de la planta de Capsicum, como hojas, tallos, raíces y semillas, se ha obtenido capsaicina en muy bajas concentraciones, sin que se consideren zonas de biosíntesis diferentes a la placenta del fruto. Estos descubrimientos nos plantean las siguientes preguntas: ¿para qué necesita la planta enviar a través de un viaje energéticamente costoso este compuesto altamente tóxico y cómo lo hace?
En estudios anteriores se había propuesto la existencia de una nueva estructura almacenadora de capsaicina llamada ámpula, término aceptado en la botánica que implica un mecanismo activo de transporte de capsaicinoides en frutos pungentes de Capsicum. Dicha estructura se formaría a partir del desprendimiento de una cubierta de polisacáridos y ceras durante la diferenciación del tejido epidérmico de la placenta. El desprendimiento ocurre en forma activa por la translocación de vesículas y desprendimientos celulares hacia el espacio que se genera entre el tejido y el ámpula, formando un depósito altamente tóxico de sustancias capsaicinoides. Nuestras investigaciones indican que en chiles con mayor pungencia (C. chinense Jacq. o habanero de la variedad Kukulkán), dicha estructura se forma en mayor número y tamaño; mientras que en chiles no pungentes (C. annuum L. o pimiento morrón) no hay evidencia de tales estructuras.
Dichos resultados nos han llevado a proponer la existencia una estructura morfológica que podría estar regulando la biosíntesis de capsaicina debido a una retroalimentación metabólica entre el sustrato, los intermediarios, el producto, la acumulación y la diferenciación celular del tejido epidérmico de la placenta de chiles pungentes. En las plantas, la biosíntesis de un metabolito es una inversión energética muy costosa, la cual puede conferir grandes ventajas contra depredadores o en la continuidad de la especie en términos evolutivos. Pero, hasta el momento, no se ha logrado dilucidar el costo adaptativo de la diferenciación y reorganización de los tejidos altamente especializados en las plantas.
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Referencias bibliográficas
Bailey L. H. 1923. Cultivated Evergreens. Macmillan, Nueva York.
Fujiwake, Hideshi, Tetsuya Suzuki y Kazuo Iwai. 1982. “Intracellular distributions of enzymes and intermediates involved in biosynthesis of Capsaicin and Its Analogues in Capsicum Fruits”, en Agricultural and Biological Chemistry, vol. 46, núm. 11, pp. 2685-2689. Iwai, Kazuo, Tetsuya Suzuki y Hideshi Fujiwake. 1979. “Formation and Accumulation of Pungent Principle of Hot Pepper Fruits, Capsaicin and Its Analogues, in Capsicum annuum var. annuun cv. Karayatsubusa at Different Growth Stages after Flowering”, en Agricultural and Biological Chemistry, vol. 43, pp. 2493–2498. Nabhan, Gary Paul. 2006. Por qué a algunos les gusta el picante. Alimentos, genes y diversidad cultural. Fondo de Cultura Económica, México. Ota, Yasuo. 1962. “Physiological and genetical studies on the pungency of Capsicum, IV. Secretory organs, receptacles and distribution of capsaicin in the Capsicum fruits”, en Japanese Journal of Breeding, vol. 12, núm. 3, pp. 179–183. Perry, Linda y Kent Flannery. 2007. “Precolumbian use of chili peppers in the Valley of Oaxaca, Mexico”, en pnas, vol. 104, núm. 29, pp. 11905-11909. Stewart, Charles, et al. 2007. “Genetic control of pungency in C. chinense via the Pun1 locus”, en Journal of Experimental Botany, vol. 58, pp. 979-991. Zamsky, E., Shoham, O. Shoham, D. Palevitch, y A. Levy. 1987. “Ultrastructure of CapsaicinoidSecreting Cells in Pungent and Nonpungent Red Pepper (Capsicum annuum L.) Cultivars”, en Botanical Gazette, vol. 148, pp. 1–6. |
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Lino Sánchez Segura y
Gustavo F. Gutiérrez López
Escuela Nacional de Ciencias Biológicas,
Instituto Politécnico Nacional.
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cómo citar este artículo →
Lino Sánchez Segura y Gustavo F. Gutiérrez López. 2016. El picor del chile, biosíntesis de la capsaicina y diferenciación morfológica. Ciencias, núm. 118-119, noviembre 2015-abril, pp. 34-37. [En línea].
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