[Cajanus cajan (L.) Millsp.] Fabaceae: uma revisão dos principais constituintes químicos e atividades farmacológicas

Resumo

As leguminosas do gênero Cajanus são principalmente conhecidas pela espécie Cajanus cajan, vulgarmente denominada de "feijão guandu" e pigeonpea, originária da Ásia foi levada para a África e as Américas. Ela é cultivada em todas as regiões tropicais e semi-tropicais do mundo e utilizada como planta fitorremediadora de solos, para renovação de pastagens degradadas, na alimentação (animal e humana), além dos empregos farmacológicos. Seus principais componentes biologicamente ativos incluem alcaloides, flavonoides, açucares redutores, antraquinonas, taninos, fenóis, triterpenoides, peptídeos, proteínas e carboidratos. Os flavonoides parecem ser os grandes responsáveis pelas propriedades farmacológicas, contudo, outros compostos, como os peptídeos inibidores de proteases, assim como suas atividades biológicas estão sendo muito investigados. O feijão guandu é amplamente utilizado pela medicina tradicional para o tratamento de diferentes tipos de patologias, especialmente diabetes, doenças parasitárias e outros tipos infecções.

Palavras-chave:

Cajanus cajan.

Feijão guandu.

Inibidores de proteases.

Metabólitos secundários.

Atividades farmacológicas.

Abstract

Legumes of Cajanus genus are mainly known for Cajanus cajan specie, known as "guandu beans" and pigeonpea, originated from Asia was brought to Africa and the Americas. It is cultivated in all tropical and semi-tropical regions in the world and used as a soil phytoremediation plant, renewal of degraded pastures, animal and human consumption, in addition to pharmacological uses. The main biological active substances include alkaloids, flavonoids, reducing sugars, anthraquinones, tannins, phenols, triterpenoids, proteins and carbohydrates. Flavonoids appear to be largely responsible for pharmacological properties, however, other compounds, such as protease inhibitors, as well as biological activities have been studied. Guandu beans is widely used by traditional medicine to treat different types of conditions, especially diabetes, parasitic and other types of infections.

Keywords:

Cajanus cajan.

Guandu bean.

Protease inhibitors.

Secondary metabolism.

Pharmacological activities.

Introdução

O gênero Cajanus é constituido por cerca de 34 espécies, a maioria delas encontradas na Índia, das quais 18 são endêmicas na Ásia e 13 na Austrália e uma na África Ocidental^[1]. No Brasil as espécies deste gênero não são endêmicas, mas podem ser observadas em todos os estados do território brasileiro, inclusive no Sul do Brasil, cujas médias de temperatura anual são mais baixas^[2]. Seus principais produtores estão na Índia, África e América Central. Tais espécies são amplamente cultivadas nas regiões tropicais e semi-tropicais, e são leguminosas importantes na produção de grãos destas regiões e também auxiliam no enriquecimento de solos através da fixação de nitrogênio e de micronutrientes. Suas folhas são utilizadas como forragem devido ao alto teor de proteínas (20-25%) e suas sementes empregadas na produção de alimentos e rações animais ^[1]. A espécie Cajanus cajan é a mais cultivada no mundo e, portanto, a mais estudada dentre todas as espécies do gênero Cajanus^[3].

Metodologia

O presente trabalho foi realizado através de um levantamento bibliográfico sobre a espécie Cajanus cajan. No período de 2019 a 2021 foi realizado um levantamento nas bases de publicações científicas PubMed, SciElo, ScienceDirect e Google Acadêmico, utilizando-se as palavras-chave Cajanus cajan, inibidores de proteases, composição química e atividades farmacológicas. As 77 publicações selecionadas, dentre artigos e livros incluídas neste manuscrito, reportaram pesquisas científicas sobre as diferentes moléculas encontradas na espécie, tanto de metabólitos primários quanto de metabólitos secundários, abordando suas respectivas atividades farmacológicas, no período de 1976 a 2021, bem como algumas características botânicas de C. cajan.

Resultados e Discussão

Cajanus cajan é uma espécie, vulgarmente conhecida como feijão-guandu, guandu, falso café, frijol de árbol, cumandái, pigeonpea (do inglês), membro da família Fabaceae, subfamília Faboideae (TABELA 1)^[4]. Trata-se de uma leguminosa arbustiva anual ou perene originária da Ásia, e através do tráfico de escravos foi levada até a África Oriental e de lá para as Américas, onde se tornou amplamente distribuída e semi-naturalizada. As plantações de C. cajan ocupam uma área aproximada de 3,85 milhões de hectares, e possuem uma produção anual de 2,68 milhões de toneladas do grão, sendo a sexta cultura de leguminosas de maior importância no mundo, principalmente em países africanos e asiáticos^[3]. O feijão guandu é a principal fonte de proteínas para mais de um bilhão de habitantes em países em desenvolvimento, além de ser importante fonte de vitaminas do complexo B e de minerais. É cultivado em sistemas de agricultura familiar, constituindo importantes fontes de alimento e renda^[5].

É uma planta melhoradora de solos por ser utilizada como adubo verde, para renovação de pastagem e na alimentação de animais e humanos^[4]. Suas sementes são fontes de proteínas, sendo constituídas de aproximadamente 18-26% de proteínas e 51-58% de carboidratos^[6]. Elas fornecem os aminoácidos essenciais como lisina, tirosina, e arginina e são ricas em potássio, fósforo, magnésio, cálcio e iodo (TABELA 2)^[7].  Por este motivo, são utilizadas na Índia como base da alimentação, o que torna este país o principal produtor, contribuindo com quase 90% da produção mundial total. Além das proteínas, os flavonoides (substâncias marcadoras das leguminosas), as cumarinas e os estilbenos foram reportados em diversas partes do vegetal. Tais constituintes apresentaram diferentes atividades terapêuticas no tratamento de diversas enfermidades, dentre elas, diabetes, malária e hiperglicemias^[8].

O feijão-guandu é um arbusto de haste única ereta de um a dois metros de altura, levemente ramificado e com pelos. Suas raízes são profundas (até 3 m) e noduladas, além de possuírem raízes laterais. As folhas são trifolhadas com folíolos lanceolados ou elípticos, com 4 a 10 cm de comprimento e 3 cm de largura (FIGURA 1). As flores são amarelas, em racimos pedunculados esparsos, com cerca de 1,5 cm de comprimento e suas vagens, também com pelos, possuem de 4 a 7 cm de comprimento e 1 cm de largura, contendo de duas a sete sementes^[3].

Composição química

As plantas possuem grande capacidade de síntese de moléculas orgânicas oriundas do metabolismo primário e secundário. O metabolismo primário compreende o conjunto de reações universais, que acontecem em todos os organismos vivos e, portanto, é conservado entre todas as espécies de organismos. Ele garante os processos essenciais à vida da planta, como fotossíntese, respiração oxidativa, transporte de solutos, movimentos celulares, dentre outros e se caracteriza por uma grande produção de metabólitos primários como carboidratos, lipídeos e proteínas. Por outro lado, o metabolismo secundário caracteriza-se pela biossíntese, em pequena escala, de moléculas com grande diversidade e complexidade química e estrutural, como terpenos, compostos fenólicos e alcaloides, que apresentam distribuição restrita dentro do Reino vegetal, tendo papel adaptativo das plantas ao meio ambiente. São importantes nas relações entre a planta e o ambiente onde se encontram, na defesa contra microrganismos, insetos e patógenos, proteção contra raios UV, atração de polinizadores, atração de animais dispersores de sementes, dentre outras funções. Tanto metabólitos primários quanto os secundários têm sido empregados para diversos propósitos terapêuticos, seja como nutracêuticos ou medicamentos, devido à grande variedade estrutural e funções biológicas que desempenham. Os metabólitos primários originam os secundários através de vias específicas e em determinadas condições impostas pelas variações ambientais e sua produção varia de acordo com a família botânica^[9].

Metabólitos primários

As proteínas são os metabólitos primários mais importantes da natureza e em plantas estão envolvidas na manutenção da estrutura de organelas, no armazenamento de aminoácidos e de energia, na catálise e na regulação das reações metabólicas, nos diferentes mecanismos de defesas e outras funções essenciais ao vegetal. As proteínas de defesa em C. cajan são as mais estudadas e dentre elas incluem as lectinas, as enzimas proteolíticas e os inibidores enzimáticos como os da α-amilase e os inibidores de protease (IPs)^[10].

As lectinas ou hemaglutininas são glicoproteínas estruturalmente heterogêneas, capazes de reconhecer carboidratos específicos em moléculas livres ou ligadas às células e podem ser caracterizadas pela sua grande capacidade de aglutinar eritrócitos. São encontradas em maior quantidade nos grãos de leguminosas e compreendem um mecanismo de defesa contra insetos, fungos e parasitos^[11]. Em C. cajanus foi encontrada uma lectina de 34 kDa, contudo sua função ainda não foi elucidada^[12].

As enzimas proteolíticas ou proteases clivam ligações peptídicas em proteínas e peptídeos e modificam irreversivelmente seus substratos e são essenciais na fisiologia da planta, bem como na defesa contra agentes agressores^[13]. Em sementes de C. cajan foram encontradas duas isoformas de leucina aminopeptidase com massas moleculares aproximadas de 97 e 42,8 kDa. Essas enzimas são exopeptidases e catalisam a hidrólise de resíduos amino terminais contendo leucina em substratos proteicos ou peptídicos, contudo sua função no vegetal ainda é desconhecida^[14].

Os inibidores enzimáticos são as principais proteínas de defesa vegetal. Um inibidor bifuncional de α-amilase/tripsina foi purificado das sementes de feijão guandu e sua análise zimográfica revelou que ele é uma glicoproteína dimérica formadas por cadeias de 60,2 kDa e 56 kDa respectivamente. Este inibidor teve maior poder inibitório contra α-amilase do que para tripsina. Além disso, sua atividade e estrutura foi muito estável em uma ampla faixa de pH (4-11) e em diferentes temperaturas, contudo, foi desnaturado em temperaturas acima de 80ºC^[15].

Os IPs de plantas são proteínas que interagem por ligações químicas fracas no sítio ativo ou em outros locais das enzimas proteolíticas (da própria planta ou de proteases digestivas de mamíferos, insetos, bactérias e fungos), impedindo que ela realize a clivagem das ligações peptídicas. Tais IPs estão distribuídos em todos os organismos vivos, realizando diversas funções fisiológicas e nas plantas constituem um dos mais importantes mecanismos de defesa contra microrganismos, pragas, insetos, predadores em geral e patógenos por serem também induzidos mediante aos ataques destes organismos^[16,17]. Estes inibidores geralmente possuem baixo peso molecular e podem ser constituídos por uma ou mais cadeias polipeptídicas. Além disso, são classificados de acordo com o tipo de proteases que inibem em: inibidores de serino, cisteíno, aspártico e metalo-proteases^[17]. As serino proteases são as enzimas proteolíticas mais abundantes e estudadas da natureza, sendo assim, seus inibidores também o são. A grande estabilidade às variações de temperatura e de pH, observada nestes IPs, deve-se ao seu peso molecular reduzido, estrutura compacta e a presença de muitas pontes de enxofre^[18]. Em plantas, estes inibidores são encontrados em sementes de espécies das famílias Fabaceae ou Leguminosae, Brassicaceae, Poaceae além de tubérculos das Solanaceae. Em insetos, os IPs de planta interferem na digestão do trato digestório por terem a habilidade de inibir suas proteases, impedindo assim a digestão e absorção de nutrientes, especialmente aminoácidos^[19,20-22].

C. cajan é uma importante fonte de IPs, principalmente nas sementes, já que este órgão possui alto teor proteico. Inicialmente foram purificados dois IPs em sementes: um inibidor de 15 kDa que inibiu a atividade da tripsina e quimotripsina (Cajanus trypsin-chymotrypsin inhibitor) e outro, de 10,5 kDa, que inibiu apenas a tripsina (Cajanus trypsin inhibitor). Ambos estáveis até 80ºC e em diferentes valores de pHs^[23]. Outro IPs do tipo tripsina de 14 kDa, denominado de CCPI, obtido de sementes inibiu tanto tripsina (87%), quanto quimotripsina (50%). CCPI foi desnaturado em temperaturas superiores a 100ºC e apresentou atividade inibitória entre os pHs de 6 a 10^[24]. Ele apresentou, também, citotoxicidade seletiva para linhagem de células de adenocarcinoma alveolar humano (A549). Contudo, não foi citotóxico para linhagem de células normais de rim de embrião humano (HEK 293) e o modelo da sua estrutura tridimensional é ilustrado na FIGURA 2^[25]. Também de sementes foi purificado o IP grãos vermelhos, da família Bowman Birk, com atividade contra tripsina e quimotripsina, massas de 8,5 e 16,5 kDa, estável em temperaturas de até 100ºC^[26]. Este IP afetou o crescimento e o desenvolvimento das larvas de Achaea janata^[27,28]. Em folhas de C. cajan também foram reportados IPs do tipo tripsina que inibiram proteases digestivas de mariposas Helicoverpa armigera, tais inibidores foram estáveis em diferentes valores de pH e temperaturas até 80ºC^[29].

Metabolismo secundário

Os constituintes químicos estudados em diferentes partes de C. cajan são alcaloides, flavonoides, antraquinonas, taninos, fenóis, triterpenoides e saponinas.Suas folhas são ricas em flavonoides e estilbenos, além de possuírem saponinas, taninos, açúcares redutores, resinas e terpenos^[30]. Alguns flavonoides como luteolina, apigenina, quercetina e isorhamenetina, 2,2-O-metilcajanona, 2-hidroxigenisteina, 5,7,2-trihidroxiisoflavona e cajanina também foram identificados nas folhas^[8].

As raízes apresentaram isoflavonoides, como genisteína e genistina, com atividade antioxidante^[31]. O cajanol é uma isoflavona que induziu morte de plasmódios e determinadas espécies de fungos, em cultura, e foi citotóxico para células de câncer de mama^[32]. Nas raízes também foram identificadas outras substâncias, como: α-amirina, β-sutosterol, cajaflavanona, cajaisoflavona, cajanona, cajaquinona, concajanina, ferreirina, isogenisteina, lupeol^[3].

As sementes das leguminosas na verdade são seus frutos e que auxiliam na dispersão do material genético, promovem a propagação e perpetuação da espécie, protegem e fornecem ao embrião os nutrientes necessários para o seu desenvolvimento inicial, quando ocorre a germinação. Portanto, constituem órgãos de armazenamento de energia, principalmente de produtos do metabolismo primário como: proteínas e peptídeos, carboidratos - principalmente o amido - e lipídeos como os triacilgliceróis. Em relação aos metabólitos secundários, foram observados compostos fenólicos e alcaloides, mas não foram identificados quanto à estrutura^[33]. A TABELA 3 apresenta as principais substâncias isoladas dos diferentes órgãos de C. cajan.

Usos e potencias usos farmacológicos

C. cajan é uma planta popularmente conhecida e utilizada para nutrição devido ao alto teor de nutrientes em seus frutos (sementes), especialmente de proteínas, e por serem grãos verdes palatáveis, substituem as ervilhas. O seu uso medicinal é descrito em diferentes países que têm usado o feijão guandu para o tratamento da diabetes, além disso, suas folhas e caule são empregados em gengivites e estomatites. Nas comunidades tribais de Bangladesh a planta é usada também para tratar o diabetes e como estimulante energético. Já na medicina tradicional chinesa suas folhas são empregadas como analgésico, antiparasitário e na terapia da isquemia necrótica da cabeça femoral^[3]. A TABELA 4 apresenta os principais usos etnofarmacológicos de C. cajan no Brasil.

Como mostrado na TABELA 3, foram identificados constituintes de diversas classes químicas e em diferentes partes de C. cajan. Alguns de seus efeitos farmacológicos já foram estudados em estilbenos, flavonas, fitoesteróis e cumarinas para o tratamento da diabetes, hepatites, malária, cânceres e hiperglicemia. Outras atividades foram observadas para o feijão guandu como antioxidante e a anti-bacteriana^[8].

O poder antibacteriano foi principalmente atribuído à cumarina cajanuslactona isolada em extratos de folhas, juntamente com a pinostrobina e o ácido cajaninestilbeno^[30,35,39]. Estes extratos inibiram com sucesso a proliferação de Salmonella typhimurium.Além disso,as substâncias mais encontradas em C. cajan, os flavonoides e estilbenos, induziram morte de S. thypimurium, Staphylococcus aureus e Escherichia coli^[66]. O extrato de folhas obtido a partir da extração com fluido supercrítico mostrou grande capacidade citotóxica contraStaphylococcus epidermidis, S. aureus eBacillus subtilis ^[48]. O óleo essencial extraído de folhas em microondas sem solvente e hidrodestilação mostraram excelente atividade contra bactérias gram positivas e gram negativas, como B. subtilis e Propionibacterium acnes, S. aureus e Proteus vulgaris^[68].

Logistilina A e ácido betulínico, obtidos de extratos etanólicos de folha e raíz de C. cajan, respectivamente, demonstraram atividade contra o Plasmodium falciparum, agente etiológico da forma mais grave e letal da malária^[35].

A atividade anticâncer foi observada para o cajanol isolado de raízes de C. cajan. O efeito citotóxico foi observado em linhagens de células de adenocarcinoma mamário através da interrupção do ciclo celular e indução da apoptose via mitocondrial-dependente mediada por radicais livres do oxigênio^[32]. Outra molécula isolada de C. cajan com propriedades de inibição do crescimento de linhagens de células de câncer de mama foi o ácido cajaninestilbeno, que possui estrutura semelhante ao estrogênio. O extrato metanólico de C. cajan mostrou alta citotoxicidade contra muitas linhagens de células tumorais^[69].

Uma expressiva atividade antioxidante foi observada em extratos etanólicos de folhas, de onde foram isolados quatro compostos com natureza química de estilbenos e flavonoides: o ácido cajaninestilbeno, pinostrobina, vitexina e orientina^[70,71,3]. A pinostrobina, uma flavanona^[35], inibiu os canais de sódio-dependentes de voltagem em cérebros de mamíferos, apresentando perfil semelhante aos fármacos que bloqueiam tais canais^[72]. Além disso, como mencionado anteriormente, C. cajan tem sido usado como um sedativo na Medicina Tradicional Chinesa. Os estilbenos apresentaram efeito hipocolesterolêmico em ratos com hipercolesterolemia induzida por dieta^[73].

Um extrato metanólico de folhas de feijão guandu reduziu a glicemia de ratos diabéticos, em jejum e, seu efeito hipoglicemiante foi observado por 4 a 6 h^[74]. O mesmo extrato foi hepatoprotetor em camundongos tratados com tetracloreto de carbono (CCl4)^[75].

Recentemente, a busca por fármacos biológicos de plantas, como proteínas, vem crescendo justamente por apresentarem maior especificidade no tratamento de diferentes patologias. Alguns compostos que são considerados fatores anti-nutricionais como lectinas e IPs mostraram-se boas alternativas no tratamento e na prevenção de diferentes tipos de cânceres, e na terapia da obesidade e hipertensão. Algumas atividades biológicas de IPs de plantas já foram descritas, como a indução da apoptose de células leucêmicas (A), interferindo na iniciação (B), na proliferação (C) e na progressão (D) de diversos estágios e tipos de tumores e também, como agentes anti-inflamatórios (E), anticoagulantes (F), cardioprotetores (G) e antimicrobianos (H e I)^[76] (FIGURA 3). Em C. cajan, estas moléculas foram principalmente relacionadas à atividade inseticida, mas o CCPI, um IP de sementes, apresentou atividade inibidora da proliferação de linhagens celulares de adenocarcinoma alveolar humano^[25]. Além disso, foi reportado que um extrato aquoso contendo flavonoides, cumarinas e terpenos, apresentou uma importante atividade inibidora de tripsina capaz de inibir o crescimento de linhagem de células de melanoma em cultura^[77].

Conclusão

Cajanus cajan é uma leguminosa tropical, amplamente utilizada como planta medicinal em comunidades tradicionais, além de ser importante fonte de proteínas na dieta de vários países. Existem muitos estudos sobre os seus constituintes químicos e suas respectivas atividades biológicas e ou farmacológicas, inicialmente atribuídas aos seus metabólitos secundários, principalmente os flavonoides e seus derivados. Contudo, tem sido observado que os constituintes de seu metabolismo primário, especialmente as proteínas com atividade inibidora de proteases, são potenciais moléculas terapêuticas para diversas enfermidades e condições.

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