Guía docente de Productos Naturales y sus Aplicaciones Biotecnológicas (25111AF)

Se recomienda tener cursadas las asignaturas de Primer y Segundo Curso del Grado.

Tener conocimientos adecuados sobre estructura y reactividad de grupos funcionales en Química Orgánica.

En el caso de utilizar herramientas de IA para el desarrollo de la asignatura, el estudiante debe adoptar un uso ético y responsable de las mismas. Se deben seguir lasrecomendaciones contenidas en el documento de "Recomendaciones para el uso de la inteligencia artificial en la UGR" publicado en esta ubicación: https://ceprud.ugr.es/formacion-tic/inteligencia-artificial/recomendaciones-ia#contenido0

Metabolismo secundario. Rutas biosintéticas. Policétidos, Sikimato derivados, terpenos/esteroles, alcaloides. Técnicas cromatográficas y espectroscópicas de identificación de Productos Naturales. Métodos de Extracción y Purificación. Producción sostenible y biotecnológica.

Conocimiento de las principales familias de metabolitos secundarios.

Contribución al empleo apropiado de técnicas instrumentales para el análisis químico e identificación de productos naturales.

Reconocimiento de los métodos experimentales para extraer y separar productos naturales de diferentes organismos y la utilización de procesos biotecnológicos.

El aprendizaje de las técnicas espectroscópicas de elucidación estructural de Productos Naturales junto con los procesos bioquímicos de biosíntesis y de técnicas
de extracción y separación de los mismos son técnicas imprescindibles para al descubrimiento y caracterización de nuevas moléculas naturales con aplicaciones
biotecnológicas y, por tanto, para el desarrollo de las tareas investigadoras y/o profesionales del futuro biotecnológo.

Tema 1. Introducción. Importancia de los productos naturales

• Este tema introduce el concepto de productos naturales desde la química orgánica.
• Se repasarán las diferencias entre química orgánica, bioquímica y química de productos naturales, así como su interrelación en el estudio de metabolitos, especialmente los secundarios.
• Se aborda el concepto de metabolismo como el conjunto de reacciones enzimáticamente catalizadas que ocurren en los organismos. Se define y diferencia el metabolismo primario y el metabolismo secundario.
• Se introduce la noción de rutas metabólicas, para ello se verá la diferencia entre biogénesis, biosíntesis y síntesis orgánica.
• Se verá la importancia de los principales "build block" que nos encontramos para la síntesis de la mayoría de los metabolitos secundarios. Se recordarán conceptos de catálisis enzimática, de los principales cofactores y la importancia de las vitaminas como cofactores en los mecanismos de construcción de moléculas.

Tema 2. Principales mecanismos de las reacciones biológicas

• Se analizan los mecanismos fundamentales que rigen las transformaciones químicas en los sistemas biológicos.
• Se incluyen reacciones de sustitución nucleofílica llevadas a cabo en los organismos (SN1 y SN2, importancia del SAM y del OPP) así como alquilaciones mediante cofactores como SAM y DMAPP
• Reacciones de adición electrófila, reordenamientos de Wagner-Meerwein. Se explica la relevancia de intermediarios como carbocationes y la influencia de factores electrónicos y estéricos en la reactividad, de importancia en la ruta del mevalonato para la construcción de todos los tepernoides.
• Formación de enlaces carbono-carbono mediante reacciones tipo aldólica o de Claisen, fundamentales para a ruta del acetato

En general: se proporciona una base introductoria de química orgánica desde el punto de vista biológico para poder entender las etapas clave de las rutas biosintéticas vistas en temas posteriores.

Tema 3. Ruta del acetato: ácidos grasos, prostaglandinas y policétidos aromáticos
Este tema se centra en la ruta biosintética del acetato-malonato, común tanto a la síntesis de ácidos grasos como a la de policétidos.

• Se estudia la ruta biosintética del acetato-malonato, base para la síntesis de ácidos grasos y policétidos. Se analizan sus funciones estructurales, destacando la estructura y los grupos funcionales claves, entre ellos se destacará el papel de los ácidos grasos esenciales omega-3 y omega-6, siendo este ultimo precursor de eicosanoides (prostaglandinas, leucotrienos). Por tanto, se verá la importancia como reguladores clave de inflamación, dolor e incluso coagulación.
• Se explica la acción de las enzimas COX y LOX así cómo el papel de los AINEs (antiinflamatorios no esteroideos como por ejemplo la aspirina, ibuprofeno...) y su capacidad de inhibir estas enzimas para reducir procesos inflamatorios.
• Se aborda la síntesis de policétidos, mediante condensaciones tipo Claisen, entre ellos se verán los macrólidos que son el origen de los antibióticos, así como otros compuestos bioactivos. En este punto se introducirá el sistema endocannabinoide y su relación con los fitocanabinoides (THC, CBD) de interés terapéutico.

Tema 4. Ruta del shikimato: aminoácidos aromáticos y fenilpropanoides.

• La ruta del shikimato permite la síntesis de L-fenilalanina, L-tirosina y L-triptófano en plantas y microorganismos. A partir de ellos se generan compuestos naturales como flavonoides, cumarinas, lignanos y fenilpropanoides, con funciones biológicas y aplicaciones farmacológicas: cumarinas (anticoagulantes), lignanos (antitumorales) y el ácido shikímico, precursor del antiviral oseltamivir. Se verá también las rutas para obtener la vitamina K.
• Los aminoácidos anteriores además permiten la sínteiss de hormonas tiroides o de aminohormonas, conocidas como catecolaminas, las cuales son importantes como neurotransmisores.
• Se da especial importancia al ácido fólico, derivado también de esta ruta, esencial para la síntesis de ADN y metilación. Su deficiencia se asocia a anemia, alteraciones del desarrollo y mayor riesgo de cáncer. Se estudian además los antifolatos, como el metotrexato, usados en quimioterapia por su capacidad de bloquear la proliferación celular al inhibir la ruta del folato. Son clave en el tratamiento de leucemias, linfomas y tumores sólidos.

Tema 5. Ruta del mevalonato: terpenoides y esteroides.

Este tema aborda la biosíntesis de compuestos isoprenoides a través de las rutas del mevalonato (MVA) y la DOXP, presentes en animales, plantas y/o bacterias.

• Se estudia la formación de las unidades IPP y DMAPP y su elongación para generar mono-, sesqui-, di-, tri-, tetra- y politerpenos mediante reacciones de tipo carbocatiónico. Se presentan ejemplos con interés industrial y terapéutico como aceites esenciales, antioxidantes, pigmentos, insecticidas, compuestos anticancerígenos como el Taxol y fragancias naturales.
• Se profundiza en los esteroides derivados del lanosterol, especialmente en la síntesis y funciones del colesterol, molécula clave en la estructura de membranas y como precursor de productos biológicamente activos como hormonas sexuales, corticosteroides, vitamina D, ácidos biliares y glucósidos cardiacos. Se destaca la conexión del colesterol con otras rutas vistas en temas anteriores, como la de los ácidos grasos y eicosanoides.
• Se introduce la Coenzima Q10 (ubiquinona y ubiquinol) como terpenoide mayor esencial en la cadena respiratoria y el control del estrés oxidativo, así como la prenilación de proteínas implicada en señalización celular. Este tema refuerza conceptos tratados previamente y permite integrar rutas y funciones clave de productos naturales.

Nota: Se hará especial hincapié en como ciertos grupos funcionales son los responsables de la actividad biológica que presentan, o como la modificación química en puntos claves permite diseñar nuevos fármacos o productos de interes

Tema 6. Determinación estructural de compuestos naturales mediante espectroscopía: Resonancia Magnética Nuclear (RMN)

Este tema introduce las técnicas espectroscópicas aplicadas a la elucidación estructural de productos naturales, con especial foco en la Resonancia Magnética Nuclear (RMN). Se explicarán los principios básicos de la RMN de ¹H y ¹³C, así como su utilidad en la identificación de estructuras orgánicas. Se mostrarán ejemplos prácticos relacionados con los compuestos que se analizarán en las sesiones de laboratorio, destacando la relevancia de esta técnica en la caracterización de moléculas naturales complejas.

Las prácticas permiten al alumnado extraer, purificar e identificar productos naturales reales, aplicando técnicas clásicas de laboratorio.

Práctica 1. En la primera práctica se extraerán flavonoides (quercetina) de cáscaras de cebolla por Soxhlet. Se purificarán por cromatografía en columna y se caracterizarán por UV-Vis y RMN.

Práctica 2. En la segunda, se aislará limoneno de cítricos por hidrodestilación, veremos cómo se separan compuestos volátiles naturales.

Práctica 3. En la tercera, se extraerá curcumina de la cúrcuma, se purificará y se evaluará su actividad antioxidante con el test de DPPH.

Además, se introducirá al alumnado en la RMN de ¹H y ¹³C como herramienta clave para confirmar la estructura de los compuestos extraídos.

Estas prácticas están diseñadas para reforzar los contenidos teóricos, conectar estructura con función y dar al estudiante una experiencia directa con moléculas naturales de interés farmacológico e industrial vistos en teoría.

Medicinal Natural Products. P.M. DEWICK, 3ª Edición, Wiley, 2009.

Química de los Productos Naturales. J. A. Marco, Ed. Síntesis, 2006

Natural Products Chemistry, K. Nakanishi et al.,Vol.1-3. Academic Press, 1974.

Fragrance Chemistry,. Editor: E.T. THEIMER, Academic Press. New York, 1982.

Natural Products Chemistry. K.B.G. TORSSELL, John Wiley, 1983.

Natural Products from Plants. P.B. KAUFMAN et al. CRC Press Boca Ratón, 1999.

Biologically Active Natural Products: Agrochemicals. CUTTER and CUTTER. CRC Press Boca Ratón, 1999.

http://www.redpronat.es

• MD01. Clases de teoría 
• MD02. Clases de prácticas: Prácticas usando aplicaciones informáticas 
• MD03. Clases de prácticas: Prácticas en laboratorio 
• MD04. Clases de prácticas. Clases de problemas 
• MD06. Trabajo autónomo del alumnado 
• MD07. Tutorías 

La evaluación de la asignatura se estructura de forma continua y diversificada, con el objetivo de valorar tanto la adquisición de conocimientos teóricos como el desarrollo de competencias. La calificación final se obtendrá a partir de los siguientes apartados:

1. Pruebas de evaluación de conocimientos teóricos (60%)

Este bloque comprende tres subapartados, que serán evaluados de forma individual:

• Primera prueba escrita (20%):
  Examen parcial eliminatorio correspondiente a los Temas 1 a 3, que se realizará una vez finalizada la docencia de dichos temas. En caso de no superarla, el/la estudiante podrá recuperar esta parte en la convocatoria ordinaria, dentro de un examen completo.

• Segunda prueba escrita (20%):
  Examen correspondiente a los Temas 4 a 6, que se realizará en la convocatoria ordinaria oficial.

• Prueba oral (20%):
  Exposición individual de un trabajo relacionado con los contenidos de la asignatura. La presentación tendrá una duración aproximada de 15 minutos, seguida de una ronda de preguntas de 10-15 minutos por parte del profesor y del resto del alumnado. Se valorará la capacidad de síntesis, la claridad expositiva, la comprensión del tema y la argumentación ante preguntas.

Nota: El alumnado que no haya superado la primera prueba escrita parcial podrá presentarse en la convocatoria ordinaria a un examen global (40%) que abarcará los contenidos de los temas 1 a 6.

2. Trabajo individual (10%)

El alumnado deberá realizar un vídeo divulgativo sobre un producto natural de interés, relacionado con las rutas metabólicas estudiadas en la asignatura.

3. Resolución de ejercicios y participación en clase y seminarios (15%)

Se valorará la implicación del estudiante en las actividades desarrolladas durante seminarios y clases teóricas, incluyendo entre otros: la realización de ejercicios, la participación activa en la resolución de cuestiones planteadas así como la participación en los trabajos expuestos por los compañeros.

4. Evaluación de las prácticas de laboratorio (15%)

La asistencia a las prácticas es obligatoria. La evaluación se basará en:

• La elaboración y entrega del cuaderno de laboratorio

• El desempeño del estudiante durante las sesiones prácticas

• La respuesta a cuestiones planteadas durante la realización de los experimentos así como las preguntas planteadas en el guión de prácticas

Realización presencial de un examen teórico-práctico de conocimientos y resolución de problemas: 100% de la calificación final.

De acuerdo con la Normativa de Evaluación y de Calificación de los Estudiantes de la UGR, se contempla la realización de una evaluación única final la que podrán acogerse aquellos estudiantes que no puedan cumplir con el método de evaluación continua por motivos laborales, estado de salud, discapacidad o cualquier otra causa debidamente justificada que les impida seguir el régimen de evaluación continua.

Para acogerse a la evaluación única final, el estudiante, en las dos primeras semanas de impartición de la asignatura, lo solicitará al Director del Departamento

Esta evaluación única final, consiste en un examen único (100%) que recoge los contenidos de teoría y prácticas de la asignatura valorado de 0 a 10 puntos, siendo necesario obtener un 5 para aprobar.

Para conseguir la evaluación positiva de las prácticas de laboratorio en convocatoria ordinaria será necesario haber asistido a la totalidad de las sesiones de laboratorio.

Información de interés para estudiantado con discapacidad y/o Necesidades Específicas de Apoyo Educativo (NEAE): Gestión de servicios y apoyos (https://ve.ugr.es/servicios/atencion-social/estudiantes-con-discapacidad).