Вторичные метаболиты растений
Термины «вторичные метаболиты» и «вторичный метаболизм» вошли в лексику биологов в конце XIX века с легкой руки профессора Косселя. В 1891 году в Берлине он прочитал не собрании Физиологического общества лекцию, которая называлась «О химическом составе клеток.». В этой лекции, которая была опубликована в том же году в Archiv fur Physiologie, он предложил разделить составляющие клетку вещества на первичные и вторичные. «В то время как первичные метаболиты присутствуют в каждой растительной клетке, способной к делению, то вторичные метаболиты присутствуют в клетках только «нечаянно» и не необходимы для жизни растения.
Случайное распространение этих соединений, их нерегулярное нахождение в близких видах растений, вероятно свидетельствует о том, что их синтез связан с процессами, не являющимися неотъемлемыми для каждой клетки, а имеющими скорее вторичный характер. Я предлагаю называть соединения, имеющие важность для каждой клетки первичными, а соединения, не присутствующие в любой растительной клетке — вторичными». Отсюда становится понятным происхождение названия «вторичные метаболиты» — значит второстепенные, «случайные».
Круг соединений первичного метаболизма очевиден — это прежде всего белки, жиры, углеводы и
нуклеиновые кислоты. Правда, Коссель считал первичными метаболитами только несколько сотен низкомолекулярных соединений, необходимых для каждой делящейся растительной клетки. До недавнего времени вторичные матаболиты также не служили предметом особых споров. Соглашаясь с Косселем, большинство исследователей считали, что это некоторые «чудачества» метаболизма, допустимые излишества. Такие соединения в литературе иногда даже называли «веществами роскоши клеток».
Подавляющее большинство активных агентов было получено из растений. Первым таким соединением оказался морфий — алкалоид морфин, который в 1803 году выделил из опия (высушенный сок коробочек мака) немецкий аптекарь Зертюнер. Собственно, это событие можно считать началом изучения вторичных метаболитов высших растений.
Затем наступил черед других алкалоидов. Профессор Харьковского университета Ф.И.Гизе в 1816 году получил из коры хинного дерева цинхонин, но это осталось практически незамеченным и многие исследователи приписывают открытие алкалоидов хинного дерева Десосу, который выделил в чистом виде хинин и цинхонин только в 1820 г.
В 1818 году Каванту и Пелетье выделили из рвотного ореха (семена чилибухи Strychnos nux-vomica L.) стрихнин; Рунге в 1920 году нашел кофеин в кофе; в 1826 г. Гизекке открыл кониин в болиголове (Conium maculatum L); в 1828 г. Поссель и Райман выделили никотин из табака; в 1831 г. Майн получил атропин из белладонны (Atropa beladonna L.).
Использования природного многообразия в терапевтических целях не ограничивается только грибами и актиномицетами, продуцирующими антибиотики. В частности, растения отличаются поразительным многообразием синтетических процессов, конечные продукты которых представлены соединениями самого разного химического строения. В современной медицине применяют жирные кислоты, масла, полисахариды растительного происхождения, а также удивительно разнообразные вторичные метаболиты. Вторичный метаболизм, в отличие от общего для всех организмов первичного обмена, характеризуется таксономическим своеобразием. Вторичный метаболизм растений — это особенность дифференцированных растительных клеток и тканей, он присущ только специализированным органам, приурочен к определённым фазам жизненного цикла. К основным классам вторичных метаболитов относятся алкалоиды, изопреноиды и фенольные соединения. В растениях также синтезируются цианогенные гликозиды, поликетиды, витамины. Из 30 известных витаминов около 20 поступает в организм человека с растительной пищей. Некоторые из перечисленных классов соединений, а также растения, из которых они выделяются, представлены в таблице
Вторичные метаболиты Растение-источник
Алкалоиды Мак снотворный. Красавка белладонна. Барвинок. Раувольфия. Безвременник. Хинное дерево. Табак.
таксолы Тиссовое дерево
сердечные гликозиды, или карденолиды Наперстянка. Лиана строфант. Ландыш майский.
тритерпеновые гликозиды,или сапонины Женьшень. Солодка. Аралия.
стероидные гликозиды Лианы диоскорея.
флавоноиды Солодка. Пустырник. Бессмертник.
Алкалоиды. К настоящему времени известно около10 тысяч алкалоидов, и они обладают высокой фармакологической активностью. Содержание алкалоидов в растительном сырье обычно не превышает нескольких процентов, но в коре хинном дерева их количество достигает 15-20%. Алкалоиды могут концентрироваться в различных органах и тканях. При этом часто они накапливаются не в тех тканях, где синтезируются. Например, никотин синтезируется в корнях табака, а запасается в листьях. Среди наиболее известных алкалоидов можно назвать морфин, кодеин, папаверин, которые были выделены из коробочек мака снотворного (Papaver somniferum). Алкалоиды красавки белладонны (Atropa belladonna), которую иначе называют «сонной одурью», входят в состав многих медицинских препаратов, таких как, бесалол, беллалгин, беллатаминал, солутан. Широкое распространение в современной онкологии получили алкалоиды из барвинка (Catharanthus roseus) – винбластин и винкристин, а резерпин и аймалин из корней раувольфии (Rauvolfia serpentina) используются в качестве психотропных средств и для понижения давления.
Изопреноиды. По числу выделенных соединений изопреноиды превосходят все другие классы вторичных метаболитов (их более 23 тысяч), но по фармакологической активности они уступают алкалоидам. В данную группу объединены разные по строению соединения. Некоторые из них невозможно заменить синтетическими препаратами, например, таксолы, выделенные из коры тиссового дерева. Они являются чрезвычайно активными цитостатиками, действуя на раковые клетки в очень малых дозах. На них в настоящее время в онкологии возлагают большие надежды.
Наиболее важную группу изопреноидов составляют сердечные гликозиды, или карденолиды. Например, из двух видов наперстянки пурпуровой (Digitalis purpurea) и наперстянки шерстистой (D. lanata) выделено около 50 карденолидов, в том числе дигитоксин. Широко вошёл в медицинскую практику природный гликозид к-строфантозид, являющийся незаменимым средством для оказания скорой помощи: он действует на сердце через 1-3 мин. после внутривенного введения. Этот препарат выделяют из семян лианы Strophanthus kombe, произрастающей в тропических лесах Африки, где местное население использовало сок этого растения в качестве яда для стрел. Сердечные гликозиды из ландыша майского (Cjnvallaria majalis) по активности превосходят другие сердечные гликозиды (например, дигитоксин).
Другие важные для медицины группы изопреноидов представляют собой тритерпеновые гликозиды, или сапонины. Большинство представителей этой группы имеют высокую биологическую активность, которая обусловливает их лечебное действие и применение таких известных биостимуляторов, как женьшень, аралия, солодка.
Стероидные гликозиды отличаются по биологической активности от тритерпеновых. Для современной медицины это исходное сырьё для синтеза многих гормонов и противозачаточных средств. Начиная с 40-х годов прошлого столетия для получения стероидного сырья, в основном, используют гликозид диосгенин из корневищ различных видов лиан из рода Dioscorea. В настоящее время из него получают более 50% всех стероидных лекарственных средств. Исследования последних лет выявили у соединений этой группы и другие важные для медицины свойства.
Фенольные соединения. Самая многочисленная и широко распространённая в растениях группа фенольных соединений — флавоноиды. Они накапливаются в корнях солодки (Glycyrrhiza glabra), траве пустырника (Leonurus cordiaca), цветках бессмертника (Helichryzum arenarium). Флавоноиды отличаются широким спектром фармакологического действия. Они обладают желчегонным, бактерицидным, спазмолитическим, кардиотоническим действием, уменьшают ломкость и проницаемость сосудов (например, рутин), способны связывать и выводить из организма радионуклиды, у них также выявлен противораковый эффект.
Поражающие воображение биосинтетические возможности растений ещё далеко не раскрыты. Из 250 тыс. обитающих на Земле видов обследовано не более 15%, и лишь для некоторых лекарственных растений получены культуры клеток. Так, культуры клеток женьшеня и диоскореи являются основой биотехнологического процесса получения тритерпеновых и стероидных гликозидов. На внедрение этих новых технологий возлагают большие надежды, так как многие редкие или вообще не произрастающие в наших климатических условиях растения можно использовать в виде каллусных или суспензионных культур. К сожалению, техногенный характер цивилизации на нашей планете наносит непоправимый ущерб дикорастущей флоре. Изменяется не только биосфера Земли — среда обитания человека, но и уничтожаются огромные неисследованные кладовые здоровья и долголетия.
Источник
Первичный и вторичный метаболизм в растениях и их продукты
Под метаболизмом, или обменом веществ, понимают совокупность химических реакций в организме, обеспечивающих его веществами для построения тела и энергией для поддержания жизнедеятельности.
Первичный метаболизм
Часть реакций оказывается сходной для всех живых организмов (образование и расщепление нуклеиновых кислот, белков и пептидов, а также большинства углеводов, некоторых карбоновых кислот и т.д.) и получила название первичного метаболизма, или первичного обмена.
Вторичный метаболизм
Помимо реакций первичного обмена существует значительное число метаболических путей, приводящих к образованию соединений, свойственных лишь определённым, иногда очень немногим, группам организмов. Эти реакции, согласно И. Чапеку (1921) и К. Пэху (1940), объединяются термином вторичный метаболизм, или вторичный обмен, а продукты называются продуктами вторичного метаболизма, или вторичными соединениями (иногда, что не совсем верно, вторичными метаболитами). Следует, однако, подчеркнуть, что различия между первичным и вторичным метаболизмом не очень резки.
Вторичные соединения образуются по преимуществу у вегетативно малоподвижных групп живых организмов — растений и грибов, а также многих прокариот. У животных продукты вторичного обмена сравнительно редки и часто поступают извне вместе с растительной пищей. Роль продуктов вторичного метаболизма и причины их появления в той или иной группе различны. В самой общей форме им приписывается адаптивная роль и в широком смысле — защитные свойства.
Стремительное развитие химии природных соединений за последние четыре десятилетия, связанное с созданием высокоразрешающих аналитических инструментов, привело к тому, что мир «вторичных соединений» значительно расширился. Например, число известных на сегодня алкалоидов приближается к 5 000 (по некоторым данным — 10 000), фенольных соединений — к 10 000, причём эти цифры растут не только с каждым годом, но и с каждым месяцем.
Любое растительное сырьё всегда содержит сложный набор первичных и вторичных соединений, которые, как сказано выше, и определяют множественный характер действия лекарственных растений. Однако роль тех и других в современной фитотерапии пока различна. Известно относительно немного растительных объектов, использование которых в медицине определяется прежде всего наличием в них первичных соединений. Однако в будущем не исключено повышение их роли в медицине и использование в качестве источников получения новых иммуномодулирующих средств.
Продукты вторичного обмена применяются в современной медицине значительно чаще и шире. Это связано с ощутимым и нередко очень ярким фармакологическим эффектом. Образуясь на основе первичных соединений, они могут накапливаться либо в чистом виде, либо в ходе реакций обмена подвергаются гликозилированию, т.е. оказываются присоединенными к молекуле какого-либо сахара. В результате гликозилирования возникают молекулы — гетерозиды, которые отличаются от негликозилированных вторичных соединений, как правило, лучшей растворимостью, что облегчает их участие в реакциях обмена и имеет в этом смысле важнейшее биологическое значение. Гликозилированные формы любых вторичных соединений принято называть гликозидами.
Источник