От всички продукти, получени чрез микробни процеси, вторичните метаболити са най-важни. Ако въпросът за физиологичната роля на вторичните метаболити в продуцентските клетки е бил предмет на сериозен дебат, тогава тяхното промишлено производство е от несъмнен интерес, тъй като тези метаболити са биологично активни вещества: някои от тях имат антимикробна активност, други са специфични ензимни инхибитори , а други са фактори на растежа, много от тях имат фармакологична активност. Вторичните метаболити включват антибиотици, алкалоиди и токсини. Фармацевтичната индустрия е разработила изключително сложни методи за скрининг (масово тестване) на микроорганизми за способността им да произвеждат ценни вторични метаболити.
Термините „вторични метаболити“ и „вторичен метаболизъм“ навлизат в речника на биолозите през края на XIXвекове с леката ръка на професор Косел. През 1891 г. в Берлин той изнася лекция на среща на Физиологичното дружество, озаглавена „За химичен съставклетки"; Произходът на наименованието „вторични метаболити“ означава незначителен, „случаен“.
Работата съдържа 1 файл
Въведение
От всички продукти, получени чрез микробни процеси, вторичните метаболити са най-важни. Ако въпросът за физиологичната роля на вторичните метаболити в продуцентските клетки е бил предмет на сериозен дебат, тогава тяхното промишлено производство е от несъмнен интерес, тъй като тези метаболити са биологично активни вещества: някои от тях имат антимикробна активност, други са специфични ензимни инхибитори , а други са фактори на растежа, много от тях имат фармакологична активност. Вторичните метаболити включват антибиотици, алкалоиди и токсини. Фармацевтичната индустрия е разработила изключително сложни методи за скрининг (масово тестване) на микроорганизми за способността им да произвеждат ценни вторични метаболити.
Термините „вторични метаболити“ и „вторичен метаболизъм“ навлизат в речника на биолозите в края на 19 век с леката ръка на професор Косел. През 1891 г. в Берлин той изнася лекция на среща на Физиологичното дружество, озаглавена „За химическия състав на клетките“; Произходът на наименованието „вторични метаболити“ означава незначителен, „случаен“.
Целта на тази работа е да се изучат методите на синтез, химичната структура, свойствата и ролята на вторичните метаболити в човешкия живот.
За постигането на тази цел бяха решени следните задачи:
- Изследване на процесите, протичащи по време на синтеза на вторични метаболити.
- Анализ на химичната структура на вторичните метаболити.
- Оценка на ролята на вторичните метаболити в живота на техните производители, хора и висши животни.
1.Вторични метаболити на микроорганизми. Главна информация.
Вторичните метаболити (идиолити) са вещества от микробен (или растителен) произход, които не са от съществено значение за растежа и възпроизводството на организма, който ги образува. Всеки вторичен метаболит се произвежда от относително ограничен брой видове. Тези съединения се синтезират в края на експоненциална или по време на стационарни фази на растеж и тяхното образуване е силно зависимо от условията на растеж, особено от състава на хранителната среда.
Много вторични метаболити имат химична структура, която е необичайна за биологичната материя. Тези съединения принадлежат към различни класове органични вещества - аминоциклити, кумарини, епоксиди, пироли, нерибозомни пептиди, полиени, терпеноиди, тетрациклини, поликетиди, изопреноиди, стероиди, гиберелини, фитоалексини и др. За разлика от синтеза на първичния метаболит, който се случва едновременно с растежа и размножаването на културата, за производителя на вторични метаболити е обичайно да се говори за трофофаза (когато културата расте и се размножава) и идиофаза (когато растежът забавя или спира и започва синтеза на продукта). Много малко се знае надеждно за механизмите на превключване на метаболитните пътища от първични към вторични и за физиологичната роля на вторичните метаболити в живота на техния собствен производител. Има четири известни класа биосинтетични реакции, които „отстраняват“ междинния продукт (от лат. intermedius – среда - междинно вещество с кратък живот, образувано по време на химическа реакция и след това реагиращо допълнително с реакционни продукти) по пътя на вторичния метаболизъм:
- превръщане на първичния метаболит в специфичен прекурсор за вторичен метаболизъм;
- реакции на модификация или активиране, които водят прекурсора към пътя на вторичния метаболизъм;
- полимеризация и кондензация;
- реакции на късна модификация.
Фиг. 1. Връзка между вторичен и първичен метаболизъм (SM - вторичен метаболит)
Вторичните метаболити включват антибиотици, токсини, имуносупресори и стимуланти, както и някои вещества за съхранение (поли-β-алканоати). Не е известно колко разпространен е вторичният метаболизъм в природата. Самото понятие „вторичен метаболит“ е доста неясно и много изследователи не го признават.
2. Образуване на вторични метаболити
От биотехнологична гледна точка концепциите за вторични метаболити или вторични метаболитни реакции, които са сходни във всички живи организми, са важни. Вторичните метаболитни реакции включват тези, които са придружени от образуването на алкалоиди, антибиотици, триспорови киселини, гиберелини и някои други вещества, които се считат за маловажни за производителя. Вторичните метаболити са продукти на реакции, катализирани от ензими.
Фигура 2. Схема на образуване на вторични метаболити.
Преметаболитите в схемата са прости хранителни вещества, идващи отвън (амоний, метални йони, въглероден диоксид, сулфати, фосфати, нитрати за хетеротрофи - монозахариди и някои други).
Междинните продукти или прометаболитите включват прости захари, аминокиселини и нуклеинови бази. Информационните молекули ДНК и РНК са изолирани от други реакции, въпреки че синтезът и разграждането (прекъснати стрелки) също се катализират от ензими. За разлика от първичните метаболити, образуването на вторични метаболити не се кодира директно от ядрена или цитоплазмена ДНК. Според тази идея всички живи организми синтезират присъщите им вторични метаболити.
Въз основа на разпоредбите, формулирани от V.N. Шапошников (1939), всеки производител преминава през две фази в своето развитие, наречени Ж.Д. Bu'Lokk трофофаза и идиофаза (от гръцки trophe-хранене, idios-собствен, специфичен). По време на трофофазния период активно протича конструктивен и енергиен метаболизъм - синтетичните процеси преобладават в клетките, броят на първичните метаболити - липиди, гликони, гликоконюгати - се увеличава; скоростта на растеж и възпроизводство на организма е висока, а производителността на екзогенни вторични метаболити е ниска и, напротив, в идиофазата скоростта на растеж и възпроизводство е ниска и производството на екзогенни и ендогенни вторични метаболити високо е. Продуктивността на културата може да се увеличи чрез въвеждане на метаболитни прекурсори (главно през периода от време в края на идиофазата).
Ориз. 3. Съотношението на клетъчна биомаса (а), първични метаболити (б) и вторични метаболити (в) в култури от Saccharomyces cerevisiae (хлебни дрожди) (1), Penicillium chrysogenum (2), Nicotiana tabacum (3), кератоцити (клетки на рогови съединителнотъканни мембрани на окото.)(4); М-маса на изсушени клетки, М*-брой животински клетки, t-време в деня, I-трофофаза (защрихована част), II-идиофаза.
От Фигура 3 може да се види, че продължителността на трофофазата е по-кратка в дрождите, отколкото в клетките на пеницил и тютюн. Натрупването на етанол в S.cerevisiae е придружено от повишаване на неговата инхибиторна активност върху продуцента и следователно кривите по време на идиофазата вървят почти успоредно, повтаряйки естеството на кривата за първичните метаболити, биосинтезата на които започва по време на трофофазата .
Пеницилинът, синтезиран от P. chrysogenum, а не инхибиторен продуцент, се натрупва значително по време на идиофазата.
Алкалоидът никотин се синтезира от клетките на тютюна бавно и когато културата премине в стационарна фаза, добивът му значително намалява.
Във всеки от горните примери могат да се отбележат неговите собствени характеристики на биосинтезата на вторичните метаболити. Във всеки случай те се образуват от клетките като естествени продукти по време на култивиране в подходяща среда и под каталитичното действие на ензими.
3. Индивидуални представители на вторични метаболити
3.1.Антибиотици
Антибиотиците са вещества от биологичен произход, които могат да инхибират растежа на микроорганизми дори в ниски концентрации. Терминът "вторични метаболити" е еквивалентен на термина "антибиотици", използван в широкия смисъл на думата. Способността за образуване на антибиотици е широко разпространена в природата, но е неравномерно разпределена между различните таксономични групи микроорганизми. Най-голям брой антибиотици се получават от актиномицети (лъчисти гъби) (според различни оценки от 6000 до 10 000,Стрептомицетите са на първо място по отношение на химическото разнообразие на синтезираните вещества). Около 1500 антибиотици са изолирани от несъвършени гъби, като около една трета са произведени от представители на родовете Penicillium и Aspergillus, но малко от тях са от практическо значение. Те играят важна роля като терапевтични средства, стимуланти, фуражни добавки и др. Микроорганизмите са придобили огромно икономическо значение като производители на вторични метаболити. Откриването и изследването на антибиотиците, както и производството на нови полусинтетични, оказват неоценими услуги на медицината.
3.2.Образуване на антибиотици
Още през миналия век беше известно, че между различни микроорганизми могат да съществуват както симбиотични, така и антагонистични взаимоотношения. Тласък за изясняване на материалната основа на антибиозата беше наблюдението на Флеминг, който откри (1928), че колония от гъби Penicillium notatum потиска растежа на стафилококите. Веществото, секретирано от тази гъбичка, което прониква в агара чрез дифузия, се нарича пеницилин. Оттогава са изолирани много вещества с антибиотично действие. Има вещества, които инхибират растежа на микробите (бактериостатични, фунгистатични) и такива, които ги убиват (бактерицидни, фунгицидни).
3.3.Методи за идентифициране на антибиотици
Първите антибиотици са открити случайно, поради образуването на зони на инхибиране на растежа. В плочи с хранителен агар, плътно инокулирани с тестовия организъм (индикаторни бактерии), нямаше растеж около гъбични или стрептомицетни колонии: антибиотикът, дифундиращ от колонията в агара, причини образуването на прозрачни зони в непрекъсната бактериална морава (Фигура 4).
Фиг. 4. Освобождаването на антибиотици може да бъде открито чрез образуването на зони на инхибиране на растежа на индикаторни бактерии (Staphylococcus aureus), равномерно разпръснати върху агара.
Като индикаторни видове в такива експерименти служат типични представители на групи микроорганизми. За да се тества качествено антибиотичен производител, достатъчно е да се инокулира в средата на плоча с хранителен агар и индикаторни бактерии под формата на радиални ивици (Фигура 5). След инкубацията спектърът на действие на антибиотика се оценява по степента на инхибиране на растежа на различни индикаторни организми. Антибиотиците се различават по ефекта си върху грам-положителни и грам-отрицателни бактерии, дрожди, дерматофити и други микроорганизми.
Фиг.5. Определяне на спектъра на действие на три антибиотика чрез линеен тест: 1- Staphylococcus aureus, 2- Streptococcus, 3- Escherichia coli, 4- Pseudomonas aeruginosa (Pseudomonas aeruginosa), 5- Candida albicans, 6- Trichophyton rubrum
Повечето антибиотици са открити чрез процес на скрининг.
3.4. Най-важните антибиотици, използвани в медицината
Първото място сред тях все още принадлежи на пеницилина, който се синтезира от Penicillium notatum, P. chrysogenum и някои други гъбички; Също така беше възможно да се получат полусинтетични пеницилини (чрез разцепване на естествени пеницилини до 6-аминопенициланова киселина, към която след това бяха химически прикрепени различни странични групи).
За хората пеницилинът е почти нетоксичен и само в редки случаи причинява нежелани алергични реакции.
Много бактерии произвеждат пенцилиназа, която разцепва β-лактамния пръстен и инактивира пеницилина. Чрез третиране на 6-аминопенициланова киселина с киселинни хлориди могат да се получат стотици пеницилини (Фигура 6). Много полусинтетични пеницилини не се разграждат от пеницилиназа (ензим, който има способността да разгражда (инактивира) пеницилини и цефалоспорини) и поради тяхната резистентност към киселини могат да се прилагат перорално.
Фигура 6. Получаване на полусинтетични пеницилини чрез действието на бактериални ензими върху пеницилина.
Фигура 7. Структурни формулицефалоспорин С, стрептомицин А, хлормицетин, тетрациклин и актиномицин D (актиномицин С 1)
Цефалоспорините са продукти на един от видовете гъбички Cephalosporium. Цефалоспорин С има β-лактамен пръстен и е структурно подобен на пеницилина (Фигура 7). Чрез отцепване на страничната верига и след това добавяне на други странични групи към получената 7-аминоцефалоспоранова киселина е възможно да се получат полусинтетични цефалоспорини (цефалотин, цефалоридин), които са подобни по действие на пеницилиновите производни.
Стрептомицинът е изолиран за първи път от културата на Streptomyces griseus, но се синтезира и от някои други видове Streptomyces. Молекулата на стрептомицин се състои от три части: N-метил-L-2-глюкозамин, метилпентоза и дигуанидин-заместен инозитол (Фигура 7). Успехът на стрептомицина се обяснява с неговия ефект върху редица киселинно-устойчиви и грам-отрицателни бактерии, които са нечувствителни към пеницилин. Стрептомицинът обаче причинява тежки алергични реакции при пациентите. Този антибиотик се използва и във ветеринарната медицина и за борба с болестите по растенията.
Хлоромицетин (хлорамфеникол) е открит за първи път в култури от Streptomyces venezuelae, но може да се произвежда и синтетично (Фигура 7). Той е изключително стабилен и действа срещу много грам-отрицателни бактерии, включително спирохети, рикетсии и актиномицети, както и големи вируси.
Тетрациклините също са метаболити на различни стрептомицети (включително Streptomyces aureofaciens). Химически те са много близки един до друг и имат нафтацен като основа на структурата си (Фигура 7). Най-известните са хлортетрациклин (ауреомицин), окситетрациклин (терамицин) и тетрациклин. Тетрациклините имат широк спектър на действие и се понасят добре.
Продукти (вещества) вторичен метаболизъмсе синтезират на базата на първични съединения и могат да се натрупват в растенията, често в значителни количества, като по този начин определят спецификата на техния метаболизъм. Растенията съдържат огромно количество вещества от вторичен произход, които могат да бъдат разделени на различни групи.
Сред биологично активните вещества (БАВ) най-известни са такива широки класове съединения като алкалоиди, изопреноиди, фенолни съединения и техните производни.
Алкалоиди- предимно азотсъдържащи органични съединения с основен характер растителен произход. Структурата на алкалоидните молекули е много разнообразна и често доста сложна. Азотът обикновено се намира в хетероцикли, но понякога се намира в страничната верига. Най-често алкалоидите се класифицират въз основа на структурата на тези хетероцикли или в съответствие с техните биогенетични предшественици - аминокиселини. Различават се следните основни групи алкалоиди: пиролидин, пиридин, пиперидин, пиролизидин, хинолизидин, хиназолин, хинолин, изохинолин, индол, дихидроиндол (беталаини), имидазол, пурин, дитерпен, стероидни (гликоалкалоиди) и алкалоиди без хетероцикли (протоалкалоиди). Много от алкалоидите имат специфични, често уникални физиологични ефекти и се използват широко в медицината. Някои алкалоиди са силни отрови (например кураре алкалоиди).
Антраценови производни- група природни съединения с жълт, оранжев или червен цвят, които се основават на структурата на антрацена. Те могат да имат различна степен на окисление в средния пръстен (антрон, антранол и антрахинонови производни) и структура на въглероден скелет (мономерни, димерни и кондензирани съединения). Повечето от тях са производни на хризацин (1,8-дихидроксиантрахинон). По-рядко се срещат производни на ализарин (1,2-дихидроксиантрахинон). В растенията антраценовите производни могат да присъстват в свободна форма (агликони) или под формата на гликозиди (антрагликозиди).
Витанолиди- група фитостероиди, които са получили името си от индийското растение Withania somnifera (L.) Dunal (семейство Solanaceae), от което е изолирано първото съединение от този клас, витаферин А. В момента има няколко серии от този клас съединения известен. Витанолидите са полихидроксистероиди, които имат шестчленен лактонов пръстен в позиция 17 и кето група при С1 в пръстен А. Някои съединения съдържат 4- бета-хидрокси-, 5- бета-, 6-бета-епоксидни групи.
Гликозиди- широко разпространени природни съединения, които се разлагат под въздействието на различни агенти (киселина, основа или ензим) на въглехидратна част и агликон (генин). Гликозидната връзка между захарта и агликона може да се образува с участието на O, N или S атоми (O-, N- или S-гликозиди), както и поради C-C атоми(С-гликозиди). Най-разпространена в флораимат О-гликозиди. Гликозидите могат да се различават един от друг както по структурата на агликона, така и по структурата на захарната верига. Въглехидратните компоненти са представени от монозахариди, дизахариди и олигозахариди и съответно гликозидите се наричат монозиди, биозиди и олигозиди. Своеобразни групи природни съединения са цианогенни гликозидиИ тиогликозиди (глюкозинолати). Цианогенните гликозиди могат да бъдат представени като производни алфа-хидроксинитрили, съдържащи циановодородна киселина. Те са широко разпространени сред растенията от семейството. Rosaceae, подсемейство Prunoideae, концентрирани предимно в техните семена (например амигдалин и пруназин гликозиди в семената на Amygdalus communis L., Armeniaca vulgaris Lam.).
Тиогликозидите (глюкозинолатите) понастоящем се считат за производни на хипотетичния анион - глюкозинолат, откъдето идва и второто име. Глюкозинолатите досега са открити само в двусемеделните растения и са характерни за семейството. Brassicaceae, Capparidaceae, Resedaceae и други представители на разред Capparales. В растенията се съдържат под формата на соли с алкални метали, най-често с калий (например синигрин глюкозинолат от семената на Brassica juncea (L.) Czern. и B. nigra (L.) Koch).
Изопреноиди- обширен клас природни съединения, считани за продукти от биогенната трансформация на изопрен. Те включват различни терпени, техните производни - терпеноиди и стероиди. Някои изопреноиди са структурни фрагменти от антибиотици, някои витамини, алкалоиди и животински хормони.
ТерпениИ терпеноиди- ненаситени въглеводороди и техните производни със състав (C 5 H 8) n, където n = 2 или n > 2. Въз основа на броя на изопреновите единици те се разделят на няколко класа: моно-, сески-, ди-, три -, тетра- и политерпеноиди.
Монотерпеноиди(C 10 H 16) и сесквитерпеноиди(C 15 H 24) са общи компоненти на етеричните масла. Групата на циклопентаноидите монотерпеноиди включва иридоидни гликозиди (псевдоиндикани), силно разтворими във вода и често имат горчив вкус. Името "иридоиди" се отнася до структурната и евентуално биогенетична връзка на агликона с иридодиала, който е получен от мравки от рода Iridomyrmex; “pseudoindicans” - с образуване на син цвят в кисела среда. Въз основа на броя на въглеродните атоми в скелета на агликоновата част, иридоидните гликозиди се разделят на 4 вида: C 8, C 9, C 10 и C 14. Те са характерни само за покритосеменните растения от клас двусемеделни, а най-богатите на иридоиди семейства включват семействата Scrophulariaceae, Rubiaceae, Lamiaceae, Verbenaceae и Bignoniaceae.
Дитерпеноиди(C 20 H 32) се намират главно в различни смоли. Те са представени от киселини (резинолови киселини), алкохоли (резиноли) и въглеводороди (резени). Съществуват действителни смоли (колофон, дамара), маслени смоли (терпентин, канадски балсам), гумени смоли (гумигут), маслени смоли (тамян, смирна, асафетида). Смолните масла, които представляват разтвор на смоли в етерично масло и съдържат бензоена и канелена киселина, се наричат балсами. В медицината се използват перуански, толутански, стираксов балсам и др.
Тритерпеноиди(C 30 H 48) се срещат предимно под формата на сапонини, чиито агликони са представени от пентациклични (производни на урсан, олеанан, лупан, гопан и др.) или тетрациклични (производни на дамаран, циклоартан, зуфан) съединения.
ДА СЕ тетратерпеноиди(C 40 H 64) са мастноразтворими растителни пигменти с жълт, оранжев и червен цвят - каротеноиди, прекурсори на витамин А (провитамини А). Те се делят на каротини (ненаситени въглеводороди, които не съдържат кислород) и ксантофили (кислородсъдържащи каротеноиди с хидрокси, метокси, карбокси, кето и епоксидни групи). Широко разпространен в растенията алфа-, бета- И гама-каротини, ликопен, зеаксантин, виолаксантин и др.
Последната група изопреноиди от състава (C 5 H 8) n е политерпеноиди, които включват естествен каучук и гута.
Кардиотонични гликозиди, или сърдечни гликозиди, - хетерозиди, чиито агликони са стероиди, но се различават от другите стероиди по наличието в молекулата, вместо странична верига при С 17, на ненаситен лактонов пръстен: петчленен бутенолид ( карденолиди) или шестчленен кумалинов пръстен ( буфадиенолиди). Всички агликони на кардиотоничните гликозиди имат хидроксилни групи при С3 и С14 и метилови групи при С13. При C 10 може алфа-ориентирани метилови, алдехидни, карбинолни или карбоксилни групи. В допълнение, те могат да имат допълнителни хидроксилни групи при С1, С2, С5, С11, С12 и С16; последният понякога се ацилира с мравчена, оцетна или изовалерианова киселина. Кардиотоничните гликозиди се използват в медицината за стимулиране на миокардните контракции. Някои от тях са диуретици.
Ксантони- клас фенолни съединения със структурата на дибензо- гама-пирона. Молекулата съдържа хидрокси, метокси, ацетокси, метилендиокси и други радикали като заместители. Известни са съединения, съдържащи пиранов пръстен. Характеристика на ксантоните е разпространението на хлорсъдържащи производни. Ксантоните се срещат в свободна форма и в състава на О- и С-гликозиди. От ксантоновите С-гликозиди най-известен е мангиферинът, който е един от първите въведени в медицинската практика.
кумарини- природни съединения, чиято структура се основава на 9,10-бензо- алфа-пирон. Те могат да се разглеждат и като киселинни производни орто-хидроксиканелена ( орто-Кумарова). Те се класифицират като хидрокси и метокси производни, фуро- и пиранокумарини, 3,4-бензокумарини и куместани (куместроли).
Лигнани- естествени фенолни вещества, производни на димери на фенилпропанови единици (C 6 -C 3), свързани помежду си бета-въглеродни атоми на страничните вериги. Разнообразието на лигнаните се дължи на наличието на различни заместители в бензеновите пръстени и естеството на връзката между тях, степента на насищане на страничните вериги и др. Според структурата си те се разделят на няколко групи: диарилбутан (гваяретин). киселина), 1-фенилтетрахидронафтален (подофилотоксин, пелтатини), бензилфенилтетрахидрофуран (ларицирезинол и неговия глюкозид), дифенилтетрахидрофурофуран (сезамин, сирингарезинол), дибензоциклооктан (шизандрин, шизандрол) видове и др.
Лигниниса неправилни триизмерни полимери, чиито прекурсори са хидроксиканелени алкохоли ( двойка-кумарин, кониферил и синапик), и са строителен материалклетъчни стени от дърво. Лигнинът се намира в лигнифицираните растителни тъкани заедно с целулозата и хемицелулозите и участва в създаването на поддържащи елементи на механичната тъкан.
Меланини- полимерни фенолни съединения, които се срещат спорадично в растенията и представляват най-слабо проучената група природни съединения. Те са боядисани в черно или черно-кафяво и се наричат аломеланини.За разлика от пигментите от животински произход, те не съдържат азот (или много малко). При алкално разцепване те образуват пирокатехол, протокатехинова и салицилова киселина.
Нафтохинони- хиноидни пигменти на растенията, които се намират в различни органи (в корени, дърво, кора, листа, плодове и по-рядко в цветя). Като заместители 1,4-нафтохиноновите производни съдържат хидроксилни, метилови, пренилови и други групи. Най-известен е червеният пигмент шиконин, открит в някои представители на семейството. Boraginaceae (видове от родовете Arnebia Forrsk., Echium L., Lithospermum L. и Onosma L.).
Сапонини (сапонизиди)- гликозиди с хемолитична и повърхностна активност (детергенти), както и токсичност за хладнокръвни животни. В зависимост от структурата на агликона (сапогенин) те се делят на стероидни и тритерпеноидни. Въглехидратната част на сапонините може да съдържа от 1 до 11 монозахариди. Най-често срещаните са D-глюкоза, D-галактоза, D-ксилоза, L-рамноза, L-арабиноза, D-галактуронова и D-глюкуронова киселини. Те образуват линейни или разклонени вериги и могат да се прикрепят към хидроксилната или карбоксилната група на агликона.
Стероиди- клас съединения, в чиято молекула има циклопентанперхидрофенантренов скелет. Стероидите включват стероли, витамин D, стероидни хормони, агликони на стероидни сапонини и кардиотонични гликозиди, екдизони, витанолиди и стероидни алкалоиди.
Растителните стероли или фитостероли са алкохоли, съдържащи 28-30 въглеродни атома. Те принадлежат към бета-ситостерол, стигмастерол, ергостерол, кампестерол, спинастерол и др. Някои от тях напр. бета-ситостерол, намират приложение в медицината. Други се използват за получаване на стероиди лекарства- стероидни хормони, витамин D и др.
Стероидните сапонини съдържат 27 въглеродни атома, тяхната странична верига образува спирокетална система от типове спиростаноли или фураностаноли. Един от стероидните сапогенини, диосгенин, изолиран от коренища на Dioscorea, е източник за получаване на важни за медицината хормонални лекарства (кортизон, прогестерон).
стилбенимогат да се разглеждат като фенолни съединения с два бензенови пръстена, имащи структура C6-C2-C6. Това е сравнително малка група вещества, които се съдържат главно в дървесината. различни видовебор, смърч и евкалипт са структурни елементи на танините.
Танини (танини)- високомолекулни съединения със средно молекулно тегло около 500-5000, понякога до 20 000, способни да утаяват протеини, алкалоиди и имат стипчив вкус. Танидите се делят на хидролизируеми, които се разлагат при киселинна или ензимна хидролиза на най-простите си части (те включват галотанини, елагитанини и незахаридни естери на карбоксилни киселини), и кондензирани, които не се разлагат под въздействието на киселини, а образуват кондензационни продукти - флобафени. В структурно отношение те могат да се разглеждат като производни на флаван-3-оли (катехини), флаван-3,4-диоли (левкоантоцианидини) и хидроксистилбени.
Фенолни съединенияпредставляват един от най-разпространените и многобройни класове вторични съединения в растителните организми с различни биологични активности. Те включват вещества с ароматна природа, които съдържат една или повече хидроксилни групи, свързани с въглеродните атоми на ароматното ядро. Тези съединения са много хетерогенни по химична структура; те се срещат в растенията под формата на мономери, димери, олигомери и полимери.
Класификацията на природните феноли се основава на биогенетичния принцип. Съвременните представи за биосинтезата позволяват да се разделят фенолните съединения на няколко основни групи, подреждайки ги по сложност на молекулярната структура.
Най-простите са съединения с един бензенов пръстен - прости феноли, бензоени киселини, фенолни алкохоли, фенилоцетни киселини и техните производни. Въз основа на броя на ОН групите разграничават едноатомни (фенол), двуатомни (пирокатехол, резорцинол, хидрохинон) и триатомни (пирогалол, флороглюцин и др.) прости феноли. Най-често се намират в свързана форма под формата на гликозиди или естери и са структурни елементи на по-сложни съединения, включително полимерни (танини).
По-разнообразни феноли са производни на фенилпропановата серия (фенилпропаноиди), съдържащи в структурата си един или повече С6-С3 фрагменти. Простите фенилпропаноиди включват хидроксиканелени алкохоли и киселини, техните естери и гликозилирани форми, както и фенилпропани и цинамоиламиди.
Съединенията, биогенетично свързани с фенилпропаноидите, включват кумарини, флавоноиди, хромони, димерни съединения - лигнани и полимерни съединения - лигнини.
Няколко групи фенилпропаноидни съединения съставляват оригинални комплекси, които комбинират производни на флавоноиди, кумарини, ксантони и алкалоиди с лигнани (флаволигнани, кумаринолигнани, ксантолигнани и алкалоидолигнани). Уникална група биологично активни вещества са флаволигнаните от Silybum marianum (L.) Gaertn. (силибин, силидианин, силикристин), които проявяват хепатопротективни свойства.
Фитонциди- това са произведени необичайни вторични биосинтетични съединения висши растенияи влияние върху други организми, главно микроорганизми. Най-активните антибактериални вещества се съдържат в лука (Allium sulfur L.) и чесъна (Allium sativum L.), от последния е изолирано антибиотичното съединение алицин (производно на аминокиселината алиин).
Флавоноидипринадлежат към групата на съединенията със структура C 6 -C 3 -C 6 и повечето от тях са производни на 2-фенилбензопиран (флаван) или 2-фенилбензо- гама-пирон (флавон). Тяхната класификация се основава на степента на окисление на тривъглеродния фрагмент, позицията на страничния фенилов радикал, размера на хетероцикъла и други характеристики. Производните на флаван включват катехини, левкоантоцианидини и антоцианидини; към производни на флавона - флавони, флавоноли, флаванони, флаванноли. Флавоноидите също включват аурони (производни на 2-бензофуранон или 2-бензилиден кумаранон), халкони и дихидрохалкони (съединения с отворен пиранов пръстен). По-рядко срещани в природата са изофлавоноиди (с фенилов радикал при С3), неофлавоноиди (производни на 4-фенилхромон), бифлавоноиди (димерни съединения, състоящи се от флавони, флаванони и флавон-флаванони, свързани чрез С-С връзка). Необичайни изофлавоноидни производни включват птерокарпаниИ ротеноиди, които съдържат допълнителен хетероцикъл. Птерокарпаните привлякоха внимание, след като беше установено, че много от тях играят роля фитоалексиниизпълняващ защитни функциисрещу фитопатогени. Ротенонът и свързаните с него съединения са токсични за насекомите и следователно са ефективни инсектициди.
Хромони- съединения в резултат на кондензация гама-пиронови и бензенови пръстени (бензопроизводни гама-пирон). Обикновено всички съединения в този клас имат метилова или хидроксиметилова (ацилоксиметилова) група в позиция 2. Те се класифицират по същия принцип като кумарините: според броя и вида на циклите, кондензирани с хромоновото ядро (бензохромони, фурохромони, пиранохромони и др.).
Екдистероиди- полиоксистероидни съединения, които имат активност на хормони на линеене на насекоми и метаморфоза на членестоноги. Най-известните естествени хормони са алфа-екдизон и бета-екдизон (екдистерон). Структурата на екдизоните се основава на стероиден скелет, където на позиция 17 е прикрепена алифатна верига от 8 въглеродни атома. Според съвременните концепции истинските екдистероиди включват всички стероидни съединения, които имат цис-връзка на пръстени A и B, 6-кето група, двойна връзка между C 7 и C 8 и 14- алфа-хидроксилна група, независимо от тяхната активност в теста за хормони на линеене. Броят и позицията на другите заместители, включително ОН групите, са различни. Фитоекдистероидите са широко разпространени вторични метаболити (повече от 150 различни структури са идентифицирани) и са по-променливи от зооекдистероидите. Общият брой въглеродни атоми в съединение от тази група може да бъде от 19 до 30.
Етерични масла- летливи течни смеси органична материя, произведени от растенията, причинявайки тяхната миризма. Съставът на етеричните масла включва въглеводороди, алкохоли, естери, кетони, лактони и ароматни компоненти. Терпеноидните съединения преобладават от подкласовете монотерпеноиди, сесквитерпеноиди и понякога дитерпеноиди; в допълнение, "ароматните терпеноиди" и фенилпропаноидите са доста често срещани. Растенията, съдържащи етерични масла (етерични носители), са широко представени в световната флора. Растенията от тропиците и сухите субтропици са особено богати на тях.
По-голямата част от продуктите на вторичния метаболизъм могат да бъдат синтезирани чисто химически в лаборатория и в някои случаи такъв синтез се оказва икономически изгоден. Не бива обаче да забравяме, че в билколечението е важна цялата сума от биологични вещества, натрупани в растението. Следователно възможността за синтез сама по себе си не е определяща в този смисъл.
Под метаболизъмили метаболизъм, разбирайте съвкупността от химични реакции в тялото, които му осигуряват вещества за изграждане на тялото и енергия за поддържане на живота. Някои от реакциите се оказват подобни за всички живи организми (образуването и разграждането на нуклеинови киселини, протеини и пептиди, както и повечето въглехидрати, някои карбоксилни киселини и др.) и се наричат първичен метаболизъм (или първичен метаболизъм).
В допълнение към първичните метаболитни реакции, има значителен брой метаболитни пътища, които водят до образуването на съединения, които са характерни само за определени, понякога много малко групи организми.
Тези реакции, според И. Чапек (1921) и К. Пех (1940), са обединени от термина вторичен метаболизъм , или обмен,и техните продукти се наричат продукти вторичен метаболизъм, или вторични съединения (понякога вторични метаболити).
Вторични връзкисе образуват предимно вегетативно заседнали групиживи организми - растения и гъби, както и много прокариоти.
При животните вторичните метаболитни продукти рядко се образуват, но често идват отвън заедно с растителни храни.
Ролята на вторичните метаболитни продукти и причините за появата им в една или друга група са различни. В най-общ вид им се приписва адаптивно значение и в широк смисъл защитни свойства.
Бързото развитие на химията на природните съединения през последните три десетилетия, свързано със създаването на аналитични инструменти с висока разделителна способност, доведе до факта, че светът "вторични връзки"се разшири значително. Например, броят на известните днес алкалоиди се доближава до 5000 (според някои източници 10 000), фенолните съединения - 10 000, като тези числа нарастват не само всяка година, но и всеки месец.
Всеки растителен материал винаги съдържа сложен набор от първични и вторични съединения, които, както вече беше споменато, определят многостранния характер на действието на лечебните растения. Въпреки това, ролята и на двете в съвременната билкова медицина все още е различна.
Има сравнително малко известни обекти, чиято употреба в медицината се определя основно от наличието на първични съединения в тях. Въпреки това, в бъдеще е възможно тяхната роля в медицината да се увеличи и да се използват като източници на нови имуномодулиращи средства.
Вторичните метаболитни продукти се използват в съвременната медицина много по-често и широко. Това се дължи на техния осезаем и често много „ярък“ фармакологичен ефект.
Образувани на базата на първични съединения, те могат или да се натрупват в чиста форма, или да претърпят гликозилиране по време на метаболитни реакции, т.е. изглеждат свързани с молекула на някаква захар.
В резултат на гликозилирането се появяват молекули - хетерозиди, които се различават от вторичните съединения като правило с по-добра разтворимост, което улеснява участието им в метаболитни реакции и в този смисъл е от голямо биологично значение.
Гликозилираните форми на всякакви вторични съединения обикновено се наричат гликозиди.
Вещества на първичен синтезсе образуват в процеса на асимилация, т.е. трансформация на вещества, влизащи в тялото отвън, в вещества на самото тяло (протопласт на клетките, резервни вещества и др.).
Веществата на първичния синтез включват аминокиселини, протеини, липиди, въглехидрати, ензими, витамини и органични киселини.
В медицинската практика широко се използват липиди (мазнини), въглехидрати (полизахариди) и витамини (характеристиките на тези групи вещества са дадени в съответните теми).
катерици, заедно с липидите и въглехидратите, изграждат структурата на клетките и тъканите на растителния организъм, участват в процесите на биосинтеза и са ефективен енергиен материал.
Протеините и аминокиселините на лечебните растения имат неспецифичен благоприятен ефект върху тялото на пациента. Те влияят на протеиновия синтез, създават условия за засилен синтез на имунни тела, което води до повишаване на защитните сили на организма. Подобреният протеинов синтез включва и подобрен ензимен синтез, което води до подобрен метаболизъм. Биогенните амини и аминокиселини играят важна роля в нормализирането на нервните процеси.
катерици- биополимери, чиято структурна основа е изградена от дълги полипептидни вериги, изградени от α-аминокиселинни остатъци, свързани помежду си с пептидни връзки. Протеините се делят на прости (при хидролиза се получават само аминокиселини) и сложни - в тях протеинът е свързан с вещества от непротеинова природа: с нуклеинови киселини (нуклеопротеини), полизахариди (гликопротеини), липиди (липопротеини), пигменти (хромопротеини), метални йони (металопротеини), остатъци от фосфорна киселина (фосфопротеини).
В момента почти няма обекти от растителен произход, чиято употреба да се определя основно от наличието на протеини в тях. Въпреки това е възможно в бъдеще модифицираните растителни протеини да се използват като средство за регулиране на метаболизма в човешкото тяло.
Липиди -мазнини и подобни на мазнини вещества, които са производни на висши мастни киселини, алкохоли или алдехиди.
Делят се на прости и сложни.
До простоТова са липиди, чиито молекули съдържат само остатъци от мастни киселини (или алдехиди) и алкохоли. От простите липиди, открити в растенията и животните, са мазнините и мастните масла, които са триацилглицероли (триглицериди) и восъци.
Последните се състоят от естери на висши мастни киселини на моно- или двуатомни висши алкохоли. Близки до мазнините са простагландините, които се образуват в организма от полиненаситени мастни киселини. По химическа природа това са производни на простанова киселина със скелет от 20 въглеродни атома и съдържащи циклопентанов пръстен.
Комплексни липидиразделени на две големи групи:
фосфолипиди и гликолипиди (т.е. съединения, които имат остатък от фосфорна киселина или въглехидратен компонент в тяхната структура). Като част от живите клетки, липидите играят важна роля в процесите на поддържане на живота, образувайки енергийни резерви в растенията и животните.
Нуклеинова киселина- биополимери, чиито мономерни единици са нуклеотиди, състоящи се от остатък от фосфорна киселина, въглехидратен компонент (рибоза или дезоксирибоза) и азотна (пуринова или пиримидинова) основа. Има дезоксирибуклеинови киселини (ДНК) и рибонуклеинови киселини (РНК). Нуклеиновите киселини от растения все още не се използват за медицински цели.
Ензимизаемат особено място сред протеините. Ролята на ензимите в растенията е специфична – те са катализатори за повечето химична реакция.
Всички ензими са разделени на 2 класа: еднокомпонентни и двукомпонентни. Еднокомпонентните ензими се състоят само от протеин,
двукомпонентни - от протеин (апоензим) и небелтъчна част (коензим). Витамините могат да бъдат коензими.
В медицинската практика се използват следните ензимни препарати:
- „Нигедаса " - от семената на нигела дамасцена - Nigella damascena, fam. Лютикови - Ranunculaceae. Лекарството се основава на липолитичен ензим, който причинява хидролитично разграждане на мазнини от растителен и животински произход.
Лекарството е ефективно при панкреатит, ентероколит и свързано с възрастта намаляване на липолитичната активност на храносмилателния сок.
- "Карипазим" и "Лекозим" - от изсушен млечен сок (латекс) на папая (пъпешово дърво) - Carica papaya L., fam. papaeves - Cariacaceae.
В сърцето на "Карипазим"" - сумата от протеолитични ензими (папаин, химопапаин, пептидаза).
Използва се при изгаряния от трета степен, ускорява отхвърлянето на струпеи, почиства гранулиращи рани от гнойно-некротични маси.
В сърцето на "Лекозима"" - протеолитичен ензим папаин и муколитичен ензим лизозим. Използва се в ортопедичната, травматологична и неврохирургична практика за интервертебрална остеохондроза, както и в офталмологията за резорбция на ексудати.
Органични киселини,заедно с въглехидратите и протеините те са най-разпространените вещества в растенията.
Те участват в дишането на растенията, биосинтеза на протеини, мазнини и други вещества. Органичните киселини се отнасят до вещества както от първичен синтез (ябълчена, оцетна, оксалова, аскорбинова), така и от вторичен синтез (урсолова, олеанолова).
Органичните киселини са фармакологично активни вещества и участват в цялостния ефект на лекарствата и лекарствените форми на растенията:
Салициловата и урсоловата киселина действат противовъзпалително;
Ябълчната и янтарната киселина са донори на енергийни групи, спомагащи за повишаване на физическата и умствена работоспособност;
Аскорбинова киселина - витамин С.
витамини- специална група органични вещества, които изпълняват важни биологични и биохимични функции в живите организми. Тези органични съединения с различно химично естество се синтезират главно от растения, както и от микроорганизми.
Хората и животните, които не ги синтезират, се нуждаят от витамини в много малки количества в сравнение с хранителните вещества (протеини, въглехидрати, мазнини).
Известни са над 20 витамина. Те имат буквени обозначения, химични наименования и имена, които характеризират тяхното физиологично действие. Витамините са класифициранидо водоразтворими (аскорбинова киселина, тиамин, рибофлавин, пантотенова киселина, пиридоксин, фолиева киселина, цианокобаламин, никотинамид, биотин)
и мастноразтворими (ретинол, филохинон, калцифероли, токофероли). До подобни на витаминивещества включват някои флавоноиди, липоева, оротова, пангамова киселини, холин, инозитол.
Биологичната роля на витамините е разнообразна. Установена е тясна връзка между витамините и ензимите. Например, повечето витамини от група В са предшественици на коензими и простетични ензимни групи.
Въглехидрати- широк клас органични вещества, който включва полиоксикарбонилни съединения и техните производни. В зависимост от броя на мономерите в молекулата те се делят на монозахариди, олигозахариди и полизахариди.
Въглехидратите, състоящи се изключително от полиоксикарбонилни съединения, се наричат хомозиди, а техните производни, чиято молекула съдържа остатъци от други съединения, се наричат хетерозиди. Хетерозидите включват всички видове гликозиди.
Моно- и олигозахаридите са нормални компоненти на всяка жива клетка. В случаите, когато се натрупват в значителни количества, те се класифицират като т. нар. ергастични вещества.
Полизахаридите, като правило, винаги се натрупват в значителни количества като отпадъчни продукти на протопласта.
Монозахаридите и олигозахаридите се използват в тяхната чиста форма, обикновено под формата на глюкоза, фруктоза и захароза. Като енергийни вещества, моно- и олигозахаридите обикновено се използват като ексципиенти при производството на различни лекарствени форми.
Растенията са източници на тези въглехидрати (захарна тръстика, цвекло, грозде, хидролизирана дървесина от редица иглолистни дървета и дървесни покритосеменни).
В растенията се синтезират различни форми полизахариди, които се различават помежду си както по устройство, така и по изпълняваните функции. Полизахаридите се използват широко в медицината различни форми. По-специално нишестето и продуктите от неговата хидролиза, както и целулозата, пектините, алгинатите, гумите и слузните вещества са широко използвани.
Целулоза (фибри) - полимер, който изгражда по-голямата част от стените на растителните клетки. Смята се, че молекулата на фибрите в различни растения съдържа от 1400 до 10 000 β-D-глюкозни остатъци.
Нишесте и инулин принадлежат към запасните полизахариди.
Нишестето е 96-97,6% съставено от два полизахарида: амилоза (линеен глюкан) и амилопектин (разклонен глюкан).
Винаги се съхранява под формата на нишестени зърна през периода на активна фотосинтеза. Сред представителите на сем. СложноцветниИ Сатрапи/асеаеФруктозаните (инулин) се натрупват, особено в големи количества в подземните органи.
Слуз и дъвка (дъвка) - смеси от хомо- и хетерозахариди и полиурониди. Гумите се състоят от хетерополизахариди със задължителното участие на уронови киселини, чиито карбонилни групи са свързани с Ca 2+, K + и Mg 2+ йони.
Въз основа на разтворимостта си във вода гумите се делят на 3 групи:
арабска, силно разтворима във вода (кайсия и арабска);
Bassorinaceae, слабо разтворими във вода, но силно набъбващи в нея (трагакант)
И церазин, слабо разтворим и слабо набъбващ във вода (череша).
слуз, за разлика от венците, могат да бъдат неутрални (не съдържат уронови киселини), а също така имат по-ниско молекулно тегло и са силно разтворими във вода.
Пектинови вещества- хетерополизахариди с високо молекулно тегло, чийто основен структурен компонент е β-D-галактуронова киселина (полигалактуронид).
В растенията пектиновите вещества присъстват под формата на неразтворим протопектин - полимер на метоксилирана полигалактуронова киселина с галактан и арабан на клетъчната стена: полиуронидните вериги са свързани помежду си с Ca 2+ и Mg 2+ йони.
Вещества на вторичния метаболизъм
Вещества на вторичен синтезсе образуват в растенията в резултат на това
Дисимилация.
Дисимилацията е процес на разлагане на вещества от първичния синтез в по-прости вещества, придружен от освобождаване на енергия. От тези прости вещества, с изразходването на освободената енергия, се образуват вещества на вторичен синтез. Например, глюкозата (субстанцията на първичния синтез) се разгражда до оцетна киселина, от която се синтезира мевалонова киселина и, чрез серия от междинни продукти, всички терпени.
Веществата на вторичния синтез включват терпени, гликозиди, фенолни съединения и алкалоиди. Всички те участват в метаболизма и изпълняват определени важни за растенията функции.
Веществата на вторичния синтез се използват в медицинската практика много по-често и по-широко от веществата на първичния синтез.
Всяка група растителни вещества не е изолирана и е неразривно свързана с други групи чрез биохимични процеси.
Например:
Повечето фенолни съединения са гликозиди;
Горчивите вещества от класа на терпените са гликозиди;
Растителните стероиди са терпени по произход, докато сърдечните гликозиди, стероидните сапонини и стероидните алкалоиди са гликозиди;
Каротеноидите, производни на тетратерпените, са витамини;
Монозахаридите и олигозахаридите са част от гликозидите.
Всички растения съдържат вещества от първичен синтез, вещества от вторичен синтез
растенията се натрупват отделни видове, родове, семейства.
Вторични метаболитисе образуват предимно във вегетативно заседнали групи от живи организми - растения и гъби.
Ролята на вторичните метаболитни продукти и причините за появата им в една или друга систематична група са различни. В най-общ вид им се приписва адаптивно значение и в широк смисъл защитни свойства.
В съвременната медицина вторичните метаболитни продукти се използват много по-широко и по-често от първичните метаболити.
Това често се свързва с много изразен фармакологичен ефект и множество ефекти върху различни системи и органи на хората и животните. Те се синтезират на базата на първични съединения и могат да се натрупват или в свободна форма, или по време на метаболитни реакции претърпяват гликозилиране, т.е. свързват се с някаква захар.
Алкалоиди - азотсъдържащи органични съединения с основен характер, предимно от растителен произход. Структурата на алкалоидните молекули е много разнообразна и често доста сложна.
Азотът обикновено се намира в хетероцикли, но понякога се намира в страничната верига. Най-често алкалоидите се класифицират въз основа на структурата на тези хетероцикли или в съответствие с техните биогенетични предшественици - аминокиселини.
Различават се следните основни групи алкалоиди: пиролидин, пиридин, пиперидин, пиролизидин, хинолизидин, хиназолин, хинолин, изохинолин, индол, дихидроиндол (беталаини), имидазол, пурин, дитерпен, стероидни (гликоалкалоиди) и алкалоиди без хетероцикли (протоалкалоиди). Много от алкалоидите имат специфични, често уникални физиологични ефекти и се използват широко в медицината. Някои алкалоиди са силни отрови (например кураре алкалоиди).
Антраценови производни- група природни съединения с жълт, оранжев или червен цвят, базирани на структурата на антрацена. Те могат да имат различна степен на окисление в средния пръстен (антрон, антранол и антрахинонови производни) и структура на въглероден скелет (мономерни, димерни и кондензирани съединения). Повечето от тях са производни на хризацин (1,8-дихидроксиантрахинон). По-рядко се срещат производни на ализарин (1,2-дихидроксиантрахинон). В растенията антраценовите производни могат да присъстват в свободна форма (агликони) или под формата на гликозиди (антрагликозиди).
Витанолиди - група фитостероиди Понастоящем са известни няколко серии от този клас съединения. Витанолидите са полихидроксистероиди, които имат 6-членен лактонов пръстен в позиция 17 и кето група при С1 в пръстен А.
Гликозиди - широко разпространени природни съединения, които се разлагат под въздействието на различни агенти (киселина, основа или ензим) на въглехидратна част и агликон (генин). Гликозидната връзка между захарта и агликона може да се образува с участието на O, N или S атоми (O-, N- или S-гликозиди), както и поради C-C атоми (C-гликозиди).
О-гликозидите са най-разпространени в растителния свят). Гликозидите могат да се различават един от друг както по структурата на агликона, така и по структурата на захарната верига. Въглехидратните компоненти са представени от монозахариди, дизахариди и олигозахариди и съответно гликозидите се наричат монозиди, биозиди и олигозиди.
Своеобразни групи природни съединения са цианогенни гликозидиИ тиогликозиди (глюкозинолати).
Цианогенни гликозидимогат да бъдат представени като производни на α-хидроксинитрили, съдържащи циановодородна киселина.
Те са широко разпространени сред растенията от семейството. Ros aseae,подсемейство Рipoideae,концентрирани предимно в техните семена (например гликозидите амигдалин и пруназин в семената Atugdalus sottinis, Arteniaca vi1garis).
Тиогликозиди (глюкозинолати) понастоящем се разглеждат като производни на хипотетичен анион - глюкозинолат, откъдето идва и второто име.
Глюкозинолатите досега са открити само в двусемеделните растения и са характерни за семейството. Вrassi saseae, Sarraridaceae, Resedaceaeи други представители на реда Сарпа1ес.
В растенията те се съдържат под формата на соли с алкални метали, най-често с калий (например синигрин глюкозинолат от семена Вrassica jipseaИ В.нигра.
Изопреноиди - разглежда широк клас естествени съединения
като продукт на биогенната трансформация на изопрен.
Те включват различни терпени, техните производни - терпеноиди и стероиди. Някои изопреноиди са структурни фрагменти на антибиотици, някои - витамини, алкалоиди и животински хормони.
Терпени и терпеноиди- ненаситени въглеводороди и техните производни със състав (C 5 H 8) n, където n = 2 или n > 2. Въз основа на броя на изопреновите единици те се разделят на няколко класа: моно-, сески-, ди-, три -, тетра - и политерпеноиди.
Монотерпеноиди (C 10 H 16) и сесквитерпеноиди (C 15 H 24)са общи компоненти на етеричните масла.
текстови_полета
текстови_полета
стрелка_нагоре
Метаболизъм, или метаболизъм, означаванабор от химични реакции в тялото, които му осигуряват вещества за изграждане на тялото и енергия за поддържане на живота.
Първичен метаболизъм
Някои от реакциите се оказват подобни за всички живи организми (образуването и разграждането на нуклеинови киселини, протеини и пептиди, както и повечето въглехидрати, някои карбоксилни киселини и др.) и се наричат първичен метаболизъм, или първичен метаболизъм.
Вторичен метаболизъм
В допълнение към първичните метаболитни реакции имазначителен брой метаболитни пътища, водещи до образуването на съединения, характерни само за определени, понякога много малко групи организми. Тези реакции, според И. Чапек (1921) и К. Пеху (1940), са обединени от термина вторичен метаболизъм, или втори обмен, а продуктите се наричат продукти на вторичния метаболизъм, или вторични връзки(понякога, което не е съвсем вярно, вторични метаболити). Трябва да се подчертае обаче, че разликите между първичния и вторичния метаболизъм не са много резки.
Вторични връзкисе образуват предимно във вегетативно заседнали групи живи организми - растения и гъби, както и много прокариоти. При животните вторичните метаболитни продукти са относително редки и често идват отвън заедно с растителните храни. Ролята на вторичните метаболитни продукти и причините за появата им в една или друга група са различни. В най-общ вид им се приписва адаптивна роля и в широк смисъл защитни свойства.
Бързото развитие на химията на природните съединения през последните четири десетилетия, съчетано с разработването на аналитични инструменти с висока разделителна способност, доведе до факта, че светът на „вторичните съединения“ се разшири значително. Например, броят на известните днес алкалоиди е близо 5000 (според някои източници - 10 000), фенолните съединения - до 10 000, като тези числа нарастват не само всяка година, но и всеки месец.
Всяка растителна суровина винаги съдържа сложен набор от първични и вторични съединения, които, както беше посочено по-горе, определят многообразния характер на действие на лечебните растения. Въпреки това, ролята и на двете в съвременната билкова медицина все още е различна. Известни са относително малко растителни обекти, чиято употреба в медицината се определя главно от наличието на първични съединения в тях. Въпреки това, в бъдеще е възможно тяхната роля в медицината да се увеличи и да се използват като източници на нови имуномодулиращи средства.
Използват се вторични метаболитни продуктив съвременната медицина много по-често и по-широко. Това се дължи на забележим и често много забележителен фармакологичен ефект. Образувани на базата на първични съединения, те могат да се натрупват или в чиста форма, или да претърпят гликозилиране по време на метаболитни реакции, т.е. изглеждат свързани с молекула на някаква захар. В резултат на гликозилирането възникват молекули - хетерозиди, които се различават от негликозилираните вторични съединения, като правило имат по-добра разтворимост, което улеснява участието им в метаболитни реакции и в този смисъл е от голямо биологично значение. Обикновено се наричат гликозилирани форми на всякакви вторични съединения гликозиди.
От гледна точка на биогенезата антибиотиците се считат за вторични метаболити. Вторичните метаболити са естествени продукти с ниско молекулно тегло, които 1) се синтезират само от определени видове микроорганизми; 2) не изпълняват никакви очевидни функции по време на клетъчния растеж и често се образуват след като културата спре да расте; клетките, които синтезират тези вещества, лесно губят способността си да синтезират в резултат на мутации; 3) често се образуват под формата на комплекси от подобни продукти.
Първичните метаболити са нормални клетъчни метаболитни продукти, като аминокиселини, нуклеотиди, коензими и др., необходими за клетъчния растеж.
Б. ВРЪЗКА МЕЖДУ ПЪРВ
И ВТОРИЧЕН МЕТАБОЛИЗЪМ
Изследването на биосинтезата на антибиотици се състои в установяване на последователността от ензимни реакции, по време на които един или повече първични метаболити (или междинни продукти от тяхната биосинтеза) се превръщат в антибиотик. Трябва да се помни, че образуването на вторични метаболити, особено в големи количества, е придружено от значителни промени в първичния метаболизъм на клетката, тъй като клетката трябва да синтезира изходния материал, да доставя енергия, например под формата на АТФ и намалени коензими. Следователно не е изненадващо, че при сравняване на щамове, които синтезират антибиотици с щамове, които не са способни на техния синтез, се установяват значителни разлики в концентрациите на ензими, които не участват пряко в синтеза на даден антибиотик.
- ОСНОВНИ БИОСИНТЕЗИЧНИ ПЪТИЩА
реакции на биосинтеза на първични метаболити, разбира се, с някои изключения (например, има антибиотици, съдържащи нитрогрупа - функционална група, която никога не се среща в първичните метаболити и която се образува по време на специфичното окисление на амини).
Механизмите на биосинтеза на антибиотици могат да бъдат разделени на три основни категории.
- Антибиотици, получени от един първичен метаболит. Пътят на тяхната биосинтеза се състои от последователност от реакции, които модифицират първоначалния продукт по същия начин, както при синтеза на аминокиселини или нуклеотиди.
- Антибиотици, получени от два или три различни първични метаболита, които са модифицирани и кондензирани, за да образуват сложна молекула. Подобни случаи се наблюдават при първичния метаболизъм при синтеза на някои коензими, например фолиева киселинаили коензим А.
- Антибиотиците произхождат от продуктите на полимеризация на няколко подобни метаболита, за да образуват основна структура, която впоследствие може да бъде модифицирана по време на други ензимни реакции.
Тези процеси са подобни на процесите на полимеризация, които осигуряват образуването на някои мембранни компоненти и клетъчна стена.
Трябва да се подчертае, че основната структура, получена чрез полимеризация, обикновено се модифицира допълнително; той дори може да бъде присъединен от молекули, образувани чрез други биосинтетични пътища. Гликозидните антибиотици са особено разпространени - продукти от кондензацията на една или повече захари с молекула, синтезирана по път 2.
Г. СИНТЕЗ НА ФАМИЛИИ АНТИБИОТИЦИ
Често щамовете на микроорганизмите синтезират няколко химически и биологично сходни антибиотици, които съставляват „семейство“ (антибиотичен комплекс). Образуването на „семейства“ е характерно не само за биосинтезата
антибиотици, но е общо свойство на вторичния метаболизъм, свързано с доста големия размер на междинните продукти.Биосинтезата на комплекси от свързани съединения се извършва по време на следните метаболитни пътища.
- Биосинтеза на „ключов“ метаболит в един от пътищата, описани в предишния раздел.
П
OKUC/I.
Рифамицин Б
Протарифамицин I h
3-атна-5-хидроксиензаева киселина + 1" единици метил маланат + 2 единици малонат
- Модифициране на ключов метаболит с помощта на доста общи реакции, например чрез окисление на метилова група в алкохолна група и след това в карбоксилна група, редукция на двойни връзки, дехидрогениране, метилиране, естерификация и др.
- Един и същ метаболит може да бъде субстрат на две или повече такива реакции, водещи до образуването на две или Повече ▼различни продукти, които от своя страна могат да претърпят различни трансформации с участието на ензими, пораждайки „метаболитно дърво“.
- Един и същ метаболит може да се образува по два (или повече) различни пътя, при които само
ред на ензимни реакции, пораждащи "метаболитна мрежа".
(Зритромицин В)
реакции, чийто ред е неизвестен, превръща проторифамицин I в рифамицин W и рифамицин S, завършвайки частта от единствения път на синтеза („ствола“ на дървото). Рифамицин S е отправната точка за разклоняването на няколко алтернативни пътя: кондензацията с двувъглероден фрагмент води до рифамицин О и рафимицини L и B. Последният, в резултат на окисление на anza веригата, се превръща в рифамицин Y , Разцепването на едновъглеродния фрагмент по време на окислението на рифамицин S води до образуването на рифамицин G и в резултат на неизвестни реакции рифамицин S се превръща в така наречения рифамицин комплекс (рифамицини A, C, D и E ). Окисляването на метиловата група при С-30 води до рифамицин R.
Ключовият метаболит от семейството на еритромицин е еритронолид В (Er.B), който се превръща в еритромицин А (най-сложният метаболит) чрез следните четири реакции (фиг. 6.2): 1) гликозилиране в позиция 3 pu
тези на кондензация с микароза (Mic.) (реакция I); 2) превръщане на микароза в кладиноза (Clad.) в резултат на метилиране (реакция II); 3) превръщане на еритронолид В в еритронолид А (Er.A) в резултат на хидроксилиране в позиция 12 (реакция III); 4) кондензация с дезозамин (Dez.) в позиция 5 (реакция IV).
Тъй като редът на тези четири реакции може да варира, възможни са различни метаболитни пътища и заедно те образуват метаболитната мрежа, показана на фиг. 6.2. Трябва да се отбележи, че има и пътеки, които са комбинация от дърво и мрежа.
