Вторичные метаболиты растений применение

Вторичные метаболиты: характеристики и применение

Вторичные метаболиты являются важнейшими физиологически активными соединениями в мире растений. Их количество, исследованное наукой, увеличивается с каждым годом. В настоящий момент изучено около 15 % всех видов растений на предмет наличия этих веществ. Они обладают также высокой биологической активностью в отношении организма животных и человека, что определяет их потенциал как фармацевтических средств.

Что такое вторичные метаболиты?

Отличительной особенностью всех живых организмов является то, что в них происходит метаболизм – обмен веществ. Он представляет собой совокупность химических реакций, в результате которых вырабатываются первичные и вторичные метаболиты.

Разница между ними состоит в том, что первые характерны для всех существ (синтез белков, аминокарбоновых и нуклеиновых кислот, углеводов, пуринов, витаминов), а вторые свойственны определенным видам организмов и не участвуют в росте и процессе размножения. Однако и они выполняют определенные функции.

В животном мире вторичные соединения вырабатываются редко, чаще они поступают в организм вместе с растительной пищей. Эти вещества синтезируются преимущественно в растениях, грибах, губках и одноклеточных бактериях.

Признаки и особенности

В биохимии выделяют следующие основные признаки вторичных метаболитов растений:

• высокая биологическая активность;
• небольшая молекулярная масса (2-3 кДа);
• выработка из небольшого количества исходных веществ (5-6 аминокислот для 7 алкалоидов);
• синтез присущ отдельным видам растений;
• образование на более поздних стадиях развития живого организма.

Любой из этих признаков не является обязательным. Так, вторичные фенольные метаболиты вырабатываются у всех видов растений, а натуральный каучук имеет высокую молекулярную массу. Производство вторичных метаболитов в растениях происходит только на основе белков, липидов и углеводов под воздействием различных ферментов. Собственного пути для синтеза у таких соединений нет.

Для них характерны также следующие особенности:

• наличие в разных частях растения;
• неравномерное распределение в тканях;
• локализация в определенных отсеках клетки для обезвреживания биологической активности вторичных метаболитов;
• наличие базовой структуры (чаще всего в ее роли выступают гидроксильные, метильные, метоксильные группы), на основе которой образуются другие варианты соединений;
• разные типы изменения структуры;
• способность перехода в неактивную, «запасную» форму;
• отсутствие прямого участия в обмене веществ.

Вторичный метаболизм часто рассматривают как способность живого организма взаимодействовать с собственными ферментами и генетическим материалом. Основной процесс, в результате которого образуются вторичные соединения – это диссимиляция (распад продуктов первичного синтеза). При этом выделяется некоторое количество энергии, которая участвует в производстве вторичных соединений.

Функции

Первоначально эти вещества считались ненужными продуктами жизнедеятельности живых организмов. В настоящее время установлено, что они играют определенную роль в обменных процессах:

• фенолы – участие в фотосинтезе, дыхании, передаче электронов, выработке фитогормонов, развитии корневой системы; привлечение насекомых-опылителей, антимикробное действие; окраска отдельных частей растения;
• дубильные вещества – выработка устойчивости к грибковым заболеваниям;
• каротиноиды – участие в фотосинтезе, защита от фотоокисления;
• алкалоиды – регулирование роста;
• изопреноиды – защита от насекомых, бактерий, животных;
• стеролы – регулирование проницаемости клеточных мембран.

Основная функция вторичных соединений в растениях – экологическая: защита от вредителей, патогенных микроорганизмов, адаптация к внешним условиям. Так как факторы среды значительно отличаются для разных видов флоры, то спектр этих соединений практически безграничен.

Классификации

Существует несколько принципиально разных классификаций вторичных метаболитов:

• Тривиальная. Вещества разделяют на группы в соответствии с их определенными свойствами (сапонины образуют пену, горечи имеют соответствующий вкус и так далее).
• Химическая. Основывается на характеристиках химической структуры соединений. В настоящее время является наиболее распространенной. Недостатком такой классификации является то, что вещества одной группы могут отличаться по способу производства и свойствам.
• Биохимическая. Во главе этого типа систематизации лежит способ биосинтеза. Является наиболее научно обоснованной, но ввиду малоизученности биохимии растений применение этой классификации ограничено.
• Функциональная. Основывается на определенных функциях веществ в живом организме. В одной группе могут находиться вторичные метаболиты, имеющие разную химическую структуру.

Сложность классификации заключается в том, что каждая группа вторичных метаболитов тесно связана с остальными. Так, горечи (класс терпенов) являются гликозидами, а каротиноиды (производные тетратерпенов) – это витамины.

Основные группы

Ко вторичным метаболитам клеток растений относят следующие типы веществ:

• алкалоиды (пиридиновые, имидазоловые, пуриновые, беталаины, гликоалкалоиды, протоалкалоиды и другие);
• антраценпроизводные (производные хризацина, антрона, ализарина и других соединений);
• фитостериоды (витанолиды);
• гликозиды (монозиды, биозиды и олигозиды, цианогенные гликозиды и тиогликозиды);
• изопреноиды (терпены и их производные – терпеноиды и стероиды);
• фенольные соединения и другие.

Многие из этих веществ обладают уникальными свойствами. Так, алкалоиды кураре – это сильнейший яд, а некоторые группы гликозидов обладают ярко выраженным терапевтическим действием и используются для изготовления препаратов, применяемых при лечении сердечной недостаточности.

Применение

Вторичные метаболиты оказывают активное воздействие на органы и системы человека и животных, поэтому они находят широкое применение в фармакологии и ветеринарии, используются в качестве усилителей вкуса и аромата в пищевых продуктах. Некоторые растения, накапливающие эти вещества в значительном количестве, используются в качестве сырья в производстве технических материалов.

За рубежом, в странах с развитой химической промышленностью, около четверти всех соединений, применяемых в фармации, имеют растительное происхождение. Ценное лечебное действие вторичных метаболитов связано с такими их свойствами, как:

• широкий спектр действия;
• минимум побочных эффектов даже при длительном приеме;
• комплексное воздействие на организм;
• высокая эффективность.

Так как данные соединения являются еще малоизученными, то дальнейшее их исследование может привести к созданию принципиально новых фармацевтических препаратов.

Источник

Вторичные метаболиты растений: распространение, история изучения, практическое применение

Загоскина, Н. В. & Назаренко, Л. В. (2019). Вторичные метаболиты растений: распространение, история изучения, практическое применение Вестник МГПУ «Естественные науки», 2019, №2 (34), 8-19. https://doi.org/10.25688/2076-9091.2019.34.2.1

1. Бахтенко Е.Ю., Курапов П.Б. Многообразие вторичных метаболитов высших растений: учеб. пособие. Вологда, 2008. 266 с.

2. Борисова Г.Г., Ермошин А.А., Малева М.Г., Чукина Н.В. Биохимия растений: вторичный обмен: учеб. пособие для вузов / под общ. ред. Г.Г. Борисовой. М.: Юрайт, 2018. 128 с.

4. Запрометов М.Н. Фенольные соединения. Распространение, метаболизм и функции в растениях. М.: Наука, 1993. 272 с.

6. Назаренко Л.В., Долгих Ю.И., Загоскина Н.В., Ралдугина Г.Н. Биотехнология растений: учебник. М.: Юрайт, 2018. 161 с.

7. Носов А.М. Вторичные метаболиты. Физиология растений: учебник / под ред. И.П. Ермакова. М.: Академия, 2005. 640 с.

8. Носов А.М. Использование клеточных технологий для промышленного полу­чения биологически активных веществ растительного происхождения // Биотехноло­гия. 2010. № 5. С. 8-28.

9. Пасешниченко В.А. Растения — продуценты биологически активных веществ // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7. № 8. С. 13-19.

10. Разаренова К.Н., Бабушкина Е.В., Смирнов П.Д., Костина О.В., Муравник Л.Е. Гистохимия трихом официальных представителей семейства Asteraceae // Фармацев­тический журнал. 2017. № 3(20). С. 130-133.

13. Gulcin I. Antioxidant activity of food constituents: anoverview // Arch Toxicol. 2012. V. 86. P. 345-391.

14. Lubbe A., Verpoorte R. Cultivation of medicinal and aromatic plants for specialty industrial materials // Ind. Crops Prod. 2011. V. 34. P. 785-801.

15. Moyo M., Amoo S.O., Aremu A.O., Gruz J., SubrtovaM., Dolezal K., Van Staden J. Plant regeneration and biochemical accumulation of hydroxybenzoic and hydroxycinnamic acid derivatives in Hypoxis hemerocallidea organ and callus cultures // Plant Sci. 2014. V. 227. P. 157-164.

16. Tschiggerl C., Bucar F. Guaianolides and volatile compounds in chamomile tea // Plant Foods for Human Nutrition. 2012. V. 67. Is. 2. P. 129-135.

Источник