Гадания 

Первичные метаболиты. Первичные и вторичные метаболиты микроорганизмов. Физиологические основы преимущества иммобилизованных растительных клеток перед традиционными способами культивирования

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.

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:


МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ИМПЕРАТОРА ПЕТРА I»

Кафедра ботаники, защиты растений, биохимии и микробиологии


Курсовая работа

по биохимии растений

Тема: Вторичные метаболиты


Выполнила: студентка ТТ-2-1б

Калинина Яна Геннадьевна

Проверил: доцент

Мараева Ольга Борисовна


ВОРОНЕЖ 2013


Введение


Метаболиты вторичные - соединения, часто сложного состава, не являющиеся основными промежуточными соединениями метаболизма клетки, образуются в его тупиковых ветвях. Метаболиты вторичные растений являются, например, алкалоиды. Микроорганизмы образуют вторичные метаболиты, как правило, в период замедления или прекращения активного роста и размножения культур. В качестве вторичных метаболитов микроорганизмы образуют некоторые пигменты, антибиотики, витамины. Большое значение имеет синтез вторичных метаболитов микроорганизмами в процессе формирования гумуса почвы.

Каким бы путем ни осуществлялся фотосинтез, в конечном итоге он завершается накоплением энергетически богатых запасных веществ, составляющих основу для поддержания жизнедеятельности клетки и в конечном итоге всего многоклеточного организма. Эти вещества являются продуктами первичного метаболизма. Помимо главнейшей своей функции первичные метаболиты - основа для биосинтеза соединений, которые принято называть продуктами вторичного метаболизма. Последние, часто называемые условно "вторичными метаболитами", целиком "обязаны" своим существованием в природе продуктам, образующимся в итоге фотосинтеза. Следует заметить, что синтез вторичных метаболитов осуществляется за счет энергии, освобождающейся в митохондриях в процессе клеточного дыхания.


1. Обзор литературы


1.1 Признаки вторичных метаболитов


По химической структуре молекулы отличить вторичные метаболиты от первичных можно далеко не всегда. На рис. 1 приведены некоторые примеры первичных и вторичных метаболитов.


Рис. 1. Структуры кампестерина (первичный метаболит), экдизона и протопанаксатриола (вторичные метаболиты)


Фитостерины (ситостерин, кампестерин, стигмастерин) - обязательные компоненты мембран растительной клетки, и, следовательно, - типичные первичные соединения. Экдистероиды (гормоны линьки насекомых) - вторичные метаболиты, они присутствуют лишь у некоторых видов растений. Эти вещества, как полагают, участвуют в защите растений от насекомых. Протопанаксатриол является агликоном гинзенозидов - вторичных метаболитов женьшеня, присутствующих только в роде Рапах и в большой степени отвечающих за его биологическую активность. В то же время структуры молекул этих соединений похожи и отличаются только числом и расположением метальных и гидроксильных групп. Структуры белковых аминокислот (первичные метаболиты) и небелковых аминокислот (типичные вторичные метаболиты) часто отличаются лишь наличием или отсутствием метильной, гидроксильной либо другой функциональной группы.

На основе анализа литературы можно сформулировать четыре признака вторичных метаболитов:

) присутствие не во всех растениях;

) наличие биологической активности;

) относительно низкий молекулярный вес;

) небольшой набор исходных соединений для их синтеза.

Это именно признаки вторичных метаболитов, поскольку каждый из них, в общем-то, не обязателен. Ряд вторичных метаболитов найден практически во всех растениях (например, многие фенилпропаноиды); достаточно много вторичных метаболитов без выраженной биологической активности (хотя не исключен вариант, что ее просто не обнаружили); известны высокомолекулярные вторичные метаболиты (например, каучук и гуттаперча). Однако совокупность указанных признаков достаточно четко очерчивает крут вторичных метаболитов растений.

Наиболее обоснованно отнести соединение к первичным или вторичным метаболитам можно только после выяснения его роли в жизнедеятельности растения, т.е. на основе его функциональной значимости. Функциональное определение вторичного метаболизма в первом приближении можно дать как метаболизм соединений, имеющих значение на уровне клетки.


1.2 Принципы классификации вторичных метаболитов


Принципы классификации вторичных метаболитов, как и названия индивидуальных соединений, изменялись по мере их изучения. Сейчас можно встретить элементы по крайней мере четырех вариантов классификации.

Эмпирическая (тривиальная) классификация. Самый «древний» принцип классификации, основанный на определенных свойствах вторичных метаболитов. Например, алкалоиды - соединения, имеющие щелочные свойства; сапонины - вещества, образующие при встряхивании пену; горечи - соединения с горьким вкусом; эфирные масла - ароматные летучие вторичные метаболиты. Подобный принцип классификации имеет много недостатков, однако его элементы встречаются до сих пор в силу традиции и длительного употребления.

Вторичные метаболиты получали (и получают) свои названия, как правило, также эмпирически. Чаще всего названия происходят от растения, из которого впервые было выделено соединение. Например, алкалоиды папаверин (мак), берберин (барбарис), кокаин (кокаиновый куст). Довольно часто названия связаны с мифологией, историей, личностями и т.д. Например, алкалоид морфин получил свое название в честь бога сна. Подобный способ классификации и формирования названий соединений часто приводит к недоразумениям. Например, биологически активные тритерпеновые гликозиды женьшеня практически одновременно начали изучать в Японии и в России. Японские исследователи предложили их называть гинзенозидами - по видовому названию женьшеня, тогда как русские исследователи - панаксозидами, т.е. по родовому названию. Позже, когда стало ясно, что одни и те же соединения называются по-разному, пришлось публиковать «таблицы соответствия» гинзенозидов и панаксозидов.

Химическая классификация. Этот вариант классификации основан на признаках химической структуры вторичных метаболитов и на данный момент времени наиболее разработан и распространен. Однако и эта классификация не лишена недостатков. Например, алкалоиды по такой классификации - соединения, имеющие атом азота в гетероцикле. По этому признаку гликоалка-лоиды картофеля или томатов - типичные алкалоиды, однако по способу синтеза, структуре и ряду свойств эти соединения являются изопреноидами.

Биохимическая классификация. Эта классификация базируется на способах биосинтеза вторичных метаболитов. Например, согласно этой классификации упомянутые выше гликоалкалоиды относятся к тритерпеновым псевдоалкалоидам, так как синтезируются, как и стероидные гликозиды, по изопреноидному пути. Это, по-видимому, наиболее объективный вариант классификации. Однако поскольку биохимия вторичного метаболизма еще недостаточно разработана, такая классификация находится в периоде становления.

Функциональная классификация. Основана на функциях вторичных метаболитов в интактном растении. Этот вариант принципиально отличается от предыдущих и должен существовать параллельно с ними. Согласно функциональной классификации в одну группу соединений могут попадать химически разные структуры. Например, фитоалексины (вторичные метаболиты, имеющие защитные функции и синтезирующиеся в ответ на атаку патогена) представлены в разных видах фенольными соединениями, изопреноидами, полиацетиленами и др. Разработка функциональной классификации вторичных метаболитов только начинается, но она имеет принципиальное значение для физиологии растений.

Наличие разных вариантов классификации вторичных метаболитов приводит к определенным сложностям. В частности, при использовании разных признаков, используемых при химической классификации, возможно «перекрытие» групп вторичных метаболитов. Например, в «фармакогнозии» в качестве действующих веществ многих лекарственных растений выделяют гликозиды (соединения, молекула которых состоит из агликона и углеводного фрагмента) в отдельную группу. В то же время по структуре агликона эти гликозиды могут быть отнесены к фенольным соединениям, изопреноидам или другим группам вторичных метаболитов. Еще больше проблем возникает, когда соединение содержит ряд признаков, характерных для разных групп вторичных метаболитов (например, пренилированные фенольные соединения). В ряде случаев появляющиеся проблемы можно снять, корректируя химическую классификацию биохимической.


1.3 Основные группы вторичных метаболитов


В настоящее время известно более десятка групп (классов) вторичных метаболитов. При этом некоторые группы насчитывают по несколько тысяч индивидуальных соединений, тогда как другие - лишь единицы. Так же неравномерно распределены группы в растительном мире. Например, изопреноиды и фенольные соединения присутствуют во всех видах растений, тогда как некоторые группы (например, тиофены или ацетогенины) характерны лишь для единичных видов.

Хорошо известны три самые большие группы вторичных метаболитов - алкалоиды, изопреноиды (терпеноиды) и фенольные соединения. Каждая из этих групп состоит из несколько тысяч соединений и подразделяется на многочисленные подгруппы. Известно также около десятка менее многочисленных групп вторичных метаболитов: растительные амины, небелковые аминокислоты, цианогенные гликозиды, глюкозинолаты, полиацетилены, беталаины, алкиламиды, тиофены и др. Количество соединений, входящих в эти группы, колеблется от единиц до нескольких сотен.

Вторичные метаболиты в растении практически никогда не присутствуют в «чистом виде», они, как правило, входят в состав сложных смесей. Такие смеси в зависимости от их состава и нахождения в растении часто носят собственные, исторически сложившиеся названия.

Эфирные масла, как правило, представляют из себя смесь легко испаряющихся изопреноидов (моно- и сесквитерпенов).

Смолы представлены главным образом дитерпенами.

Камеди состоят преимущественно из полисахаридов, но в их состав часто входят алкалоиды, фенольные соединения.

Слизи - это смесь водорастворимых олиго- и полисахаридов, Сахаров, а также небольших количеств фенольных соединений, алкалоидов или изопреноидов.


1.4 Закономерности строения вторичных метаболитов


При анализе структур вторичных метаболитов создается впечатление, что их огромное разнообразие происходит по определенной схеме. Как правило, имеется определенная «базовая» структура, на основе которой образуются многочисленные варианты. При этом можно отметить несколько способов возникновения таких вариантов.

Модификации базовой структуры: обычно это либо присоединение, либо замена функциональных групп, изменение степени окисленности молекулы; в качестве функциональных групп часто используются гидроксильные, метильные либо метоксильные группы.

Образование конъюгатов: присоединение к базовой структуре «унифицированных блоков»; чаще всего различных сахаров (моно- или олигосахариды), органических кислот или некоторых групп вторичных метаболитов.

Конденсация: объединение нескольких одинаковых или различных базовых структур, например образование пренилированных фенольных соединений или димерных индольных алкалоидов.

Для разных групп вторичных метаболитов характерны специфические изменения структуры. Например, для алкалоидов характерно метоксилирование, но не гликозилирование; для изопреоидов, наоборот, типично гликозилирование, но не метоксилирование; у фенольных соединений наблюдаются оба типа этих модификаций.

Определенные модификации молекул, по-видимому, имеют существенное функциональное значение. Многие из них (в частности, гликозилирование) значительно изменяют биологическую активность молекулы. Очень часто гликозилирование является универсальным способом перевода активной (функциональной) формы вторичного метаболита в неактивную (запасную). По этой причине, видимо, нецелесообразно выделять все гликозиды в отдельную группу вторичных метаболитов.


1.5. Фитохимия вторичного метаболизма


Алкалоиды. Название этой группы веществ происходит от арабского alcali - щелочь и греческого eidos - подобный. В настоящее время известно около 10 000 индивидуальных алкалоидов.

В случае алкалоидов достаточно удачно совпали эмпирическая и химическая классификация. Согласно химической классификации, алкалоиды - это соединения, содержащие один или несколько атомов азота в молекуле, что и придает им щелочные свойства. По химической структуре алкалоиды обычно разделяют на две подгруппы: протоалкалоиды, которые содержат азот не в гетероцикле, и истинные алкалоиды, содержащие азот в гетероцикле. В распределение алкалоидов на подгруппы внесла коррективы биохимическая классификация. Гликоалкалоиды, а также ряд других алкалоидов (например, алкалоиды аконита) по типу синтеза и по структуре фактически являются изопреноидами. Поэтому было решено выделить их в особую группу - изопреноидных псевдоалкалоидов.

Наиболее широко алкалоиды распространены среди покрытосеменных растений. Особенно богаты ими семейства маковых, пасленовых, бобовых, кутровых, мареновых, лютиковых. Во мхах, папоротниках, голосеменных алкалоиды встречаются относительно редко.

Разные органы и ткани растения могут содержать разные алкалоиды. Обычно их концентрация невелика и составляет десятые и сотые доли процента. При содержании алкалоидов около 1 - 3 % растение считается богатым алкалоидами (алкалоидоносным). Только немногие растения, например культивируемые формы хинного дерева, могут накапливать до 15 - 20% алкалоидов. Протоалкалоиды встречаются довольно часто в растениях разных семейств, но, как правило, не накапливаются в значительных количествах.

Алкалоиды накапливаются, как правило, в вакуолях, а в периплазматическое пространство практически не поступают. Возможно, это является следствием «бережного отношения» растения к азотсодержащим соединениям. Транспорт алкалоидов в вакуоли проходит с участием специфичных переносчиков (видимо, ABC-транспортеров). Во всяком случае в изолированные вакуоли эффективно поступают только «собственные» алкалоиды, т.е. характерные для данного растения. В вакуолях алкалоиды обычно находятся в виде солей. Синтез алкалоидов проходит преимущественно в пластидах, либо в цитозоле.


Рис. 2. Структуры некоторых алкалоидов


Изопреноиды - обширная группа соединений, имеющих общую формулу (С5Н8)n. С5Н8 - это единица изопрена, таким образом изопреноиды являются соединениями, «составленными» из нескольких изопреновых единиц. Их биосинтез действительно идет соединением пятиуглеродных фрагментов, поэтому название этой группы веществ совпадает с их биохимической классификацией.

Классификация изопреноидов основана на количестве изопреновых единиц, входящих в состав молекулы. Соединения на основе только одной изопреновой единицы в растениях обнаружили лишь сравнительно недавно. Поэтому исторически сложилось, что монотерпенами назвали соединения, содержащие две изопреновые единицы и, следовательно, имеющие общую формулу (С5Н8)2, т.е. С10Н16. Изопреноиды, содержащие три изопреновые единицы, назвали сесквитерпенами, общая формула C15H24.Соответственно дитерпены построены из четырех, тритерпены - из шести и тетратерпены - из восьми пятиуглеродных фрагментов. Когда же обнаружили соединения, состоящие из одного и пяти изопреновых единиц, то их пришлось назвать соответственно гемитерпенами и сестертерпенами. Политерпеноиды каучук и гута имеют в своем составе от 100 до 5000 единиц изопрена.

Моно- и сесквитерпеноиды - как правило, легкоиспаряющиеся жидкости, часто с разнообразным запахом. Известно более 3000 этих соединений. Их классификация основана на наличии или отсутствии кольцевой структуры в молекуле, типе кольца, а также наличии и количестве двойных связей в молекуле. Моно- и сесквитерпены могут быть алифатическими (углеводород с незамкнутой цепочкой атомов), циклическими с различным количеством циклов (от одного до трех), а также содержать различные функциональные группы (гидрокси-, карбокси-, кето-группы). Они составляют основу эфирных масел. Моно-и сесквитерпеноиды часто обладают бактерицидным действием.

Дитерпеноиды также насчитывают несколько тысяч структур. Они являются главными компонентами смол у голосеменных (ель, сосна, пихта, кедр). Часто дитерпеноиды смол обладают бактерицидными свойствами.

Тритерпеноиды представлены несколькими группами соединений. Прежде всего это соединения первичного метаболизма - фитостерины, однако большинство тритерпеноидов являются типичными вторичными метаболитами. Тритерпеноиды обладают широким спектром биологической активности. К ним относятся сердечные, стероидные, тритерпеновые гликозиды, экдистероиды.

Тетратерпеноиды представлены в растениях главным образом каротиноидами, некоторые из них участвуют в основном обмене (фотосинтез), однако большинство (около 500) - это типично вторичные метаболиты.

Изопреноидные вторичные метаболиты, в отличие от алкалоидов, обычно после синтеза выводятся из клетки. Помимо клеточной стенки, они могут иногда накапливаться в вакуолях. Синтез изопреноидов может проходить в двух компартментах - в пластидах или в цитозоле. При этом существуют два независимых пути синтеза изопреноидов: мевалонатный - в цитоплазме, альтернативный - в пластидах. «Пластидный» синтез изопреноидов часто осуществляется в лейкопластах - специализированных «изопреноидных» пластидах, которые имеют ряд морфологических особенностей (например, отсутствие рибосом, особое расположение внутренних мембран). Для них характерны тесные контакты с ЭР («ретикулярный футляр»), что косвенно указывает на взаимодействие пластид и ЭР при синтезе изопреноидов.


Рис. 3. Структура некоторых сесквитерпеноидов и дитерпеноидов


Фенольные соединения - вещества ароматической природы, содержащие одну или несколько гидроксильных групп у ароматического кольца. Фенолами называют соединения с одним атомом гидроксила, полифенолами - с двумя и более. Многие фенольные соединения участвуют в основном обмене (в частности, в процессах фотосинтеза и дыхания), однако большинство из них - типичные представители вторичного метаболизма.

Фенольные соединения классифицируются в зависимости от числа ароматических колец и количества присоединенных к ним атомов углерода. Фенольные соединения принято разделять на три большие подгруппы: с одним и двумя ароматическими кольцами, а также полимерные фенольные соединения. Иногда в особую группу выделяют димерные фенольные соединения.

Отличительной чертой фенольных соединений является формирование огромного числа соединений за счет модификаций молекулы и образования конъюгатов с разнообразными структурами. Из модификаций для фенольных соединений характерны образование гликозидов, метилирование и метоксилирование. За счет гидроксильных и карбоксильных групп фенольные соединения могут связываться с сахарами, органическими кислотами, растительными аминами, алкалоидами. Помимо этого растительные фенолы могут соединяться с изопреноидами, образуя большую группу пренилированных фенолов. Такие свойства фенольных соединений обеспечивают огромное разнообразие структур, характерное для растительных фенолов.

Фенольные соединения накапливаются как в вакуолях, так и в периплазматическом пространстве. При этом в вакуолях обычно содержатся гликозилированные фенольные соединения, тогда как в периплазматическом пространстве - метаксилированные соединения или агликоны. Синтез фенольных соединений происходит в хлоропластах и цитозоле. Показано существование двух независимых путей синтеза ароматических соединений (шикиматные пути) - в цитозоле и в пластидах.

Многие соединения других классов вторичных метаболитов также накапливаются в вакуолях. Подобную локализацию имеют, например, цианогенные гликозиды, глюкозинолаты, беталаины.


Рис. 4. Фенольные соединения с двумя ароматическими кольцами: стильбены (А), антрахиноны (Б), основные группы флавоноидов (В), антоцианидины (Г)


Минорные группы вторичных метаболитов

Растительные амины. В высших растениях присутствует большое количество аминов - первичных, вторичных, третичных и четвертичных. Многие из них структурно представляют собой декарбоксилированные аминокислоты, причем как белковые, так и небелковые. Растительные амины подразделяют на моноамины (с одной аминогруппой), диамины (с двумя аминогруппами) и полиамины.

Беталаины. Так называются водорастворимые азотсодержащие пигменты высших растений. Они присутствуют только в растениях порядка гвоздичные.

До сих пор не найдены растения, где две группы водорастворимых пигментов - антоцианы и беталаины - встречаются одновременно. Группу беталаинов составляют бетацианины и бетаксантины - соответственно красно-фиолетовые и желтые соединения. Бетацианины представляют собой гликозиды и ацилгликозиды всего двух агликонов.

Цианогенные гликозиды. Цианогенные гликозиды являются ?-гликозидами 2-гидроксинитрилов (цианогидринов). К настоящему времени в высших растениях обнаружено несколько десятков подобных соединений. Основные структурные вариации обусловлены природой заместителей R1 и R2. В качестве углеводного фрагмента как правило, выступает D-глюкоза. При гидролизе циано-генных гликозидов специфичной гликозидазой выделяется синильная кислота.

Небелковые аминокислоты. Под этим термином подразумеваются природные аминокислоты, их амиды, иминокислоты, которые в норме не входят в состав белков. Сейчас известно более 400 небелковых аминокислот. Многие из них можно рассматривать как модификации белковых. Наиболее часто встречаются варианты удлинения или сокращения углеродной цепи (добавление или удаление СН2- или СН3-фрагментов), гидрирование и дегидрирование, гидроксилирование, аминирование. Встречаются и необычные (например, селен-содержащие) аминокислоты. Небелковые аминокислоты преимущественно весьма токсичны, поскольку могут включаться в белки вместо «нормальных» аминокислот и нарушать их функции.

Необычные липиды. К ним относятся прежде всего «необычные» жирные кислоты, которые отличаются от «обычных» длиной углеродной цепи, иным расположением и количеством двойных связей, наличием дополнительных функциональных групп и циклов. Чаще всего необычные жирные кислоты обнаруживаются в масле семян. Во многих видах высших растений обнаружены соединения с одной или несколькими тройными связями. Такие соединения получили название ацетиленовых производных, или полиацетиленов. Известно несколько сотен таких структур. В отличие от необычных жирных кислот, ацетиленовые производные могут находиться во всех органах и частях растения. К необычным липидам относятся также цианолипиды, при гидролизе которых выделяется синильная кислота.

Серосодержащие вторичные метаболиты. К ним относятся прежде всего ти-огликозиды (S-гликозиды). Наиболее известны гликозиды горчичных масел (глюкозинолаты). Эти гликозиды характерны для растений семейства крестоцветных. Они обладают сильным антимикробным действием и обуславливают острый или жгучий вкус горчицы, хрена, редьки. Механизм действия глюкозинолатов весьма сходен с действием цианогенных гликозидов: после отщепления сахара мирозиназой образуются изотиоцианаты, обуславливающие жгучий вкус и раздражающее действие. Другую группу серосодержащих вторичных метаболитов составляют аллицины чеснока и лука, которые синтезируются из цистеина. Они также ответственны за жгучий вкус и антимикробные свойства этих растений.


1.6 Биохимия вторичного метаболизма


Пути биосинтеза вторичных метаболитов

Пути синтеза большинства вторичных метаболитов установлены достаточно хорошо. В настоящее время интенсивно изучается энзимология вторичного метаболизма. На основании имеющейся информации можно сформулировать некоторые закономерности биосинтеза этих соединений. Предшественниками синтеза служит относительно небольшое количество первичных метаболитов. Многие группы вторичных метаболитов могут синтезироваться несколькими путями. Часто этапы синтеза дублированы в разных компартментах клетки (например, пластиды - цитозоль). Синтез четко спланирован и обслуживается набором специальных ферментов, в большинстве случаев весьма специфичных.

Биосинтез алкалоидов. Образование этих веществ тесно связано с общим обменом азота клетки. Для большинства алкалоидов показано, что схемы их синтеза унифицированы, т. е. имеют сходную последовательность реакций. В процессе биосинтеза молекула аминокислоты практически полностью включается в структуру алкалоида. Синтез алкалоидов разных групп включает одинаковые типы реакций: декарбоксилирование, окислительное дезаминирование, альдольная конденсация, но для каждой группы алкалоидов эти реакции осуществляют «собственные» ферменты. На первом этапе синтеза происходит декарбоксилирование аминокислоты при участии соответствующей декарбоксилазы. Образовавшиеся биогенные амины подвергаются окислительному дезаминированию с участием аминооксидаз. Полученные в результате аминоальдегиды или аминокетоны в результате серии последовательных реакций образуют ключевые гетероциклические соединения. Затем происходит модификация базовой структуры с участием разнообразных реакций - гидроксилирования, метилирования и др. В формировании окончательной структуры алкалоида могут принимать участие дополнительные углеродные единицы, например ацетат (в виде ацетил-СоА) или монотерпеновая единица (для сложных индольных алкалоидов). В зависимости от сложности алкалоида его биосинтез включает от трех-четырех до десяти-пятнадцати реакций.

Для целого ряда алкалоидов не только установлена схема синтеза, но охарактеризованы и выделены ферменты. Оказалось, что некоторые ферменты синтеза не очень специфичны (в качестве субстратов могут использовать различные соединения), однако в цепочке синтеза обязательно присутствуют высокоспецифичные ферменты, которые используют только один субстрат (или ряд очень близких субстратов) и выполняют очень специфичную реакцию.

Например, при синтезе изохинолинов гидроксилирование базовой структуры по каждому положению выполняют разные ферменты. По мере продвижения к заключительным этапам синтеза сродство ферментов к субстрату обычно повышается: например, для ряда ферментов синтеза бербериновых алкалоидов Кт составляет менее 1 мкМ. В качестве примера на рис. 5 представлена схема синтеза изохинолиновых алкалоидов.


Рис. 5. Схема биосинтеза изохинолиновых алкалоидов


Биосинтез изопреноидов. Если при синтезе алкалоидов сходная цепочка превращений используется для различных исходных соединений (аминокислот), то синтез колоссального числа изопреноидов происходит из единственного предшественника - изопентенилдифосфата (ИПДФ). Под действием фермента изопентенилдифосфатизомеразы, которая сдвигает двойную связь, ИПДФ превращается в диметилаллилдифосфат (ДМАДФ). Далее ИПДФ присоединяется к ДМАДФ по двойной связи и образуется С10-соединение - геранилдифосфат.

Он служит источником всех монотерпеноидов.

Затем к геранилдифосфату присоединяется еще один ИПДФ и образуется С15-соединение фарнезилдифосфат - исходное вещество для синтеза сесквитерпеноидов. Далее фарнезилдифосфат может либо присоединить еще одну молекулу ИПДФ с образованием геранилгеранилдифосфата (С20-соединение - источник дитерпеноидов), либо димеризоваться с образованием сквалена (С30-соединение - исходное соединение для всех тритерпеноидов). Наконец, геранилгеранилдифосфат может димеризоваться с образованием фитоина - С40-соединения, источник тетратерпеноидов. Кроме того, к геранилгеранилдифосфату может последовательно присоединиться большое количество ИПДФ, формируя в конечном итоге полиизопреноиды - каучук и гуттаперчу. В результате описанных реакций образуется полный гомологический ряд С5-соединений разной длины. Далее эти алифатические молекулы могут «свернуться» в циклические структуры, причем количество циклов, их размер и типы сочленения могут быть самыми разными. На рис. 9.13 представлена общая схема синтеза изопреноидов.

Синтез базовых изопреноидных структур осуществляют всего два типа ферментов - пренилтрансферазы, которые «наращивают» длину изопреноидов, и циклазы, которые формируют соответствующий циклический скелет молекулы. При этом каждый тип структуры формирует специфическая циклаза. Так как типов циклических структур изопреноидов довольно много, то и количество циклаз должно быть внушительным. К настоящему времени их известно более ста. После формирования базовой структуры (или одновременно с этим), происходит ее модификация и «оснащение» функциональными группами.


Рис. 6. Общая схема биосинтеза изопреноидов (А) и два пути синтеза изопентенилдифосфата (Б) в растениях


Точками показаны меченые атомы в исходных соединениях и в образовавшихся ИПДФ.

Таким образом, биосинтез изопреноидов можно представить себе как своеобразный биохимический «моделист-конструктор». Вначале из унфицированых С5-модулей изготовляются гибкие линейные конструкции разной длины. Они представляют собой практически идеальный материал для «биохимического конструирования» и формирования множества вариантов циклических структур.

Растения используют оба варианта образования изопреноидов: в цитозоле синтез идет по классическому пути, а в пластидах - по альтернативному. При этом возможно не только дублирование синтеза изопреноидов в разных ком-партментах клетки, но и разделение по типу синтезируемых структур. Тритерпеноиды (включая стероиды) синтезируются в цитозоле из мевалоната, тогда как дитерпеноиды (включая фитол хлорофилла) и тетратерпеноиды (прежде всего каротиноиды) - в пластидах по альтернативному пути. Моно- и сесквитерпены, вероятно, могут образовываться разными вариантами в зависимости от структуры молекулы и вида растения.

Биосинтез фенольных соединений. К настоящему времени известно два пути образования фенольных соединений - шикиматный (через шикимовую кислоту) и ацетатно-малонатный. Основной путь шикиматный, это практически единственный способ формирования ароматического кольца. В качестве исходных соединений для синтеза выступают фосфоенолпируват (ФЕП) и эритрозо-4-фосфат. При их конденсации возникает семиуглеродная кислота (2-кето-3-дезокси-7-фосфоарабогептановая), которая затем циклизуется в 5-дегидрохин-ную кислоту. Из дегидрохинной кислоты образуется шикимовая кислота, которая имеет шестичленное кольцо, одну двойную связь, и ее легко перевести в соединения ароматического ряда. Из шикимовой кислоты возможно образование оксибензойных кислот - n-оксибензойной, протокатеховой, галловой. Однако основной путь использования шикимовой кислоты - образование через префеновую кислоту ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина. Фенилаланин (возможно, в ряде случаев и тирозин) - основной предшественник синтеза фенольных соединений. Дезаминирование фенилаланина осуществляет фермент фенилаланинаммиаклиаза (ФАЛ). В результате образуется коричная кислота, гидроксилирование которой приводит к образованию пара-кумаровой (оксикоричной) кислоты. После дополнительного гидроксилирования и последующего метилирования из нее образуются остальные оксикоричные кислоты.

Оксикоричные кислоты представляют центральное звено синтеза всех фенольных соединений клетки. Opтo-кумаровая кислота является предшественником кумаринов. После ряда реакций укорочения алифатической части молекулы образуются С6-С2- и С6-С1 - соединения - это второй путь образования оксибензойных кислот (первый - непосредственно из шикимовой кислоты). Оксикоричные кислоты могут образовывать различные конъюгаты, прежде всего с сахарами, однако основная масса оксикоричных кислот активируется путем взаимодействия с СоА. Два магистральных пути использования СоА-эфиров оксикоричных кислот - синтез лигнинов и синтез флавоноидов. Для синтеза лигнинов СоА-эфиры оксикоричных кислот восстанавливаются до спиртов, которые выступают в качестве мономеров синтеза. При синтезе флавоноидов СоА-производное оксикоричной кислоты взаимодействует с тремя молекулами малонил-СоА с образованием халкона. Реакцию катализирует фермент халконсинтаза. Образовавшийся халкон легко преобразуется в флаванон. Из флаванонов за счет реакций гидроксилирования, окисления - восстановления образуются другие группы флавоноидов. Затем может происходить модификация молекулы - гликозилирование, метоксилирование и др.

Ацетатно-малонатный путь синтеза фенольных соединений широко распространен у грибов, лишайников и микроорганизмов. У растений он является минорным. При синтезе соединений по этому пути ацетил-СоА карбоксилируется с образованием малонилацетил-СоА. Затем происходит каскад аналогичных реакций, в результате наращивается углеродная цепь и возникает поли-?-кетометиленовая цепочка. Циклизация поликетидной цепи приводит к образованию различных фенольных соединений. Таким способом синтезируются флороглюцин и его производные, некоторые антрахиноны. В структуре флавоноидов кольцо В формируется по шикиматному пути (из оксикоричной кислоты), тогда как кольцо А - по ацетатно-малонатному.

В клетке работают два шикиматных пути синтеза флавоноидов - один в пластидах, другой в цитозоле. В этих компартментах находится полный набор изоферментов шикиматного пути, а также ферментов фенольного метаболизма, в том числе ФАЛ и халконсинтазы. Таким образом, в растительной клетке существует две параллельные цепочки синтеза фенольных соединений (аналогично изопреноидам).

Синтез минорных классов вторичных соединений. Образование этих веществ также изучено достаточно полно. Для многих азотсодержащих соединений исходными веществами являются аминокислоты. Например, синтез цианогенных гликозидов начинается с декарбоксилирования соответствующей аминокислоты, затем последовательно формируются альдоксим, нитрил и ?-гидроксинитрил. На последнем этапе синтеза образуется цианогенный гликозид за счет гликозилирования ?-гидроксинитрила при помощи УДФ-глюкозы. Синтез обычно осуществляет комплекс ферментов: например, для дуррина этот комплекс состоит из четырех ферментов. Гены ферментов клонированы. Трансгенное по двум генам растение арабидопсиса приобрело способность к синтезу цианогенных гликозидов. Синтез беталаинов начинается от тирозина, который гидроксилируется и образуется диоксифенилаланин (ДОФА). ДОФА служит источником для двух фрагментов молекулы бетацианинов - беталамовой кислоты и цикло-ДОФА. Объединение этих двух соединений приводит к формированию бетацианинов. При синтезе бетаксантинов беталамовая кислота конденсируется с пролином. Серосодержащие вторичные метаболиты обычно синтезируются из серосодержащих аминокислот.


2. Методы исследования


Большое практическое применение имеет броматометрическое определение фенола. Определение фенола основано на том, что в анализируемый раствор вводится избыток бромат-бромидной смеси, которая в кислой среде выделяет свободный бром. Образующийся бром реагирует с фенолом:


С6Н5ОН + ЗВг2 С6Н2Вг3ОН + 3HBr


При добавлении к этому раствору иодида калия избыточный, не прореагировавший бром окисляет иодид до йода, который титруют стандартным раствором тиосульфата натрия:


Br2 + 2I = 2Br + I2+ 2S2O = 2I + S4O


Реактивы

Тиосульфат натрия 0,02 М раствор (или стандартизированный)*

Бромат-бромидная смесь.

Серная кислота 1М раствор

Крахмал, 0,5% раствор

Иодид калия, KI (к)

Колба мерная 500 мл

Колба коническая 250-300 мл

Мерный цилиндр 20 мл

Пипетки 20 и 25 мл

Бюретка 25 мл

Выполнение работы

Бромат-бромидный раствор можно приготовить по навеске: 0,334 г. KBrO3 и 1,2 KBr растворяют в дистиллированной воде и доводят до метки в мерной колбе вместимостью 500 мл, в этом случае концентрация приблизительно равна 0,024 М. Для получения такой же концентрации раствор можно приготовить из фиксанала KBrO3 - KBr 0,1 Н но в этом случае содержимое запаянной ампулы нужно растворить в 4 л дистиллированной воды.

Для анализа отбирают аликвоту (10 мл) раствора, содержащего 0,02-0,4 г/л фенола**, пипеткой в коническую колбу для титрования. Прибавляют 12 мл (пипеткой) бромат-бромидной смеси, 10 мл 1М раствора серной кислоты, закрывают пробкой и оставляют на 30 мин. Затем прибавляют 1 г иодида калия, взвешенного на технических весах, и снова закрывают пробкой. Через 5 мин титруют выделившийся йод раствором тиосульфата натрия, прибавляя в конце титрования, когда окраска раствора станет светло-желтой, 2-3 мл раствора крахмала. Титрование продолжают до исчезновения синей окраски раствора. Проводят три титрования и рассчитывают средний объем V1 из сходящихся результатов.


3. Практическое задание


К вторичным метаболитам относятся антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений и токсины.

2. Биосинтез белка происходит в рибосомах.

3. Фотосинтез происходит в листе, в клетках листа, в хлоропластах, которые содержат зеленый пигмент хлорофилл.

4. Единицей фотосинтеза является квантосома.

Анаэробная фаза дыхания - последовательность реакций, которая называется гликолиз.

В процессе гликолиза происходит преобразование молекулы гексозы до двух молекул пировиноградной кислоты:

С6Н12О6?2С3Н4О2 + 2H2.

Этот окислительный процесс может протекать в анаэробных условиях.


Заключение


В результате выполненной курсовой работы я узнала, что такое вторичные метаболиты, а также особенности вторичных метаболитов, к которым относятся: относительная низкая молекулярная масса (исключением являются, например, высокомолекулярные полиизопреноиды: каучук, гуттаперча, чикль); не обязательное присутствие в каждом организме (некоторые вторичные метаболиты широко распространены, так например многие фенилпропаноиды встречаются практически во всех растениях); как правило, являются биологически-активными веществами; синтезируются из первичных метаболитов.

Указанные признаки не являются обязательными, однако в совокупности достаточно чётко очерчивают круг вторичных метаболитов.

У растений вторичные метаболиты участвуют во взаимодействии растения с окружающей средой, защитных реакциях (например, яды). К ним относятся следующие классы: алкалоиды, изопреноиды, фенольные соединения, минорные соединения (насчитывают 10-12 групп, в частности: небелковые аминокислоты, биогенные амины, цианогенные гликозиды, гликозиды горчичных масел (изотиоцианаты), беталаины, цианолипиды, ацетогенины, ацетиленовые производные, аллицины, ацетофеноны, тиофены, необычные жирные кислоты, и пр.)

синтез фенольный алкалоиды биохимический


Список использованной литературы


1.«Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.

2.Лекарственное сырьё растительного и животного происхождения. Фармакогнозия: учебное пособие/под ред. Г.П.Яковлева. СПб.: СпецЛит, 2006. 845 с.

.Шабарова З. А., Богданов А. А., Золотухин А. С. Химические основы генетической инженерии. - М.: Изд-во МГУ, 2004, 224 с.

4.Чебышев Н.В., Гринева Г.Г., Кобзарь М.В., Гулянков С.И. Биология.М., 2000


Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Ряд метаболитов клетки представляют интерес как целевые продукты ферментации. Их разделяют на первичные и вторичные.

Первичные метаболиты – это низкомолекулярные соединения (молекулярная масса менее 1500 дальтон), необходимые для роста микроорганизмов. Одни из них являются строительными блоками макромолекул, другие участвуют в синтезе коферментов. Среди наиболее важных для промышленности метаболитов можно выделить аминокислоты, органические кислоты, нуклеотиды, витамины и др.

Биосинтез первичных метаболитов осуществляют различные биологические агенты – микроорганизмы, растительные и животные клетки. При этом используются не только природные организмы, но и специально полученные мутанты. Чтобы обеспечить высокие концентрации продукта на стадии ферментации, необходимо создавать продуценты, противостоящие генетически свойственным их природному виду механизмам регуляции. Например, необходимо устранить накопление конечного продукта, репрессирующего или ингибирующего важный фермент для получения целевого вещества.

Производство аминокислот.

В процессе ферментаций, осуществляемых ауксотрофами (микроорганизмы, нуждающиеся для воспроизведения в факторах роста), производят многие аминокислоты и нуклеотиды. Распространенными объектами селекции продуцентов аминокислот являются микроорганизмы, относящиеся к родам Brevibacterium, Corynebacterium, Micrococcus, Arthrobacter.

Из 20 аминокислот, составляющих белки, восемь не могут синтезироваться в организме человека (незаменимые). Эти аминокислоты должны поступать в организм человека с пищей. Среди них особенное значение имеют метионин и лизин. Метионин производится химическим синтезом, а более 80% лизина – биосинтезом. Перспективным является микробиологический синтез аминокислот, так как в результате этого процесса получаются биологически активные изомеры (L-аминокислоты), а при химическом синтезе оба изомера получаются в равных количествах. Поскольку их трудно разделить, половина продукции оказывается биологически бесполезной.

Аминокислоты используют в качестве пищевых добавок, приправ, усилителей вкуса, а также как сырье в химической, парфюмерной и фармацевтической промышленности.

Разработка технологической схемы получения отдельной аминокислоты базируется на знании путей и механизмов регуляции биосинтеза конкретной аминокислоты. Необходимого дисбаланса метаболизма, обеспечивающего сверхсинтез целевого продукта, добиваются путем строго контролируемых изменений состава и условий среды. Для культивирования штаммов микроорганизмов при производстве аминокислот как источники углерода наиболее доступны углеводы – глюкоза, сахароза, фруктоза, мальтоза. Для снижения стоимости питательной среды используют вторичное сырье: свекловичную мелассу, молочную сыворотку, гидролизаты крахмала. Технология этого процесса совершенствуется в направлении разработки дешевых синтетических питательных сред на основе уксусной кислоты, метанола, этанола, н -парафинов.

Производство органических кислот.

В настоящее время биотехнологическими способами в промышленных масштабах синтезируют ряд органических кислот. Из них лимонную, глюконовую, кетоглюконовую и итаконовую кислоты получают лишь микробиологическим способом; молочную, салициловую и уксусную – как химическим, так и микробиологическим способами; яблочную – химическим и энзиматическим путем.

Уксусная кислота имеет наиболее важное значение среди всех органических кислот. Ее используют при выработке многих химических веществ, включая каучук, пластмассы, волокна, инсектициды, фармацевтические препараты. Микробиологический способ получения уксусной кислоты состоит в окислении этанола в уксусную кислоту при участии бактерий штаммов Gluconobacter иAcetobacter:

Лимонную кислоту широко используют в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности, применяют для очистки металлов. Самый крупный производитель лимонной кислоты – США. Производство лимонной кислоты является старейшим промышленным микробиологическим процессом (1893 г.). Для ее производства используют культуру гриба Aspergillus niger, A. wentii . Питательные среды для культивирования продуцентов лимонной кислоты в качестве источника углерода содержат дешевое углеводное сырье: мелассу, крахмал, глюкозный сироп.

Молочная кислота – первая из органических кислот, которую начали производить путем брожения. Ее используют в качестве окислителя в пищевой промышленности, как протраву в текстильной промышленности, а также при производстве пластмасс. Микробиологическим путем молочную кислоту получают при сбраживании глюкозы Lactobacillus delbrueckii .

Под метаболизмом, или обменом веществ, понимают совокупность хи­мических реакций в организме, обеспечивающих его веществами для по­строения тела и энергией для поддержания жизнедеятельности. 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 обмена (или первичного метаболизма).

Помимо реакций первичного обмена, существует значительное число метаболических путей, приводящих к образованию соединений, свойствен­ных лишь определенным, иногда очень немногим, группам организмов.

Эти реакции, согласно И.Чапеку (1921) и К.Пэху (1940), объединяются термином вторичный метаболизм , или обмен, а их продукты называются продуктами вторичного метаболизма , или вторичными соединениями (иногда вторич­ными метаболитами).

Вторичные соединения образуются преимущественно у вегетативно малоподвижных групп живых организмов - растений и грибов, а также у многих прокариот.

У животных продукты вторичного обмена образуются редко, но 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 приписываются адаптивное значение и в широком смысле защитные свойства.

Стремительное развитие химии природных соединений за последние три десятилетия, связанное с созданием высокоразрешающих аналитических инструментов, привело к тому, что мир "вторичных соединений" значитель­но расширился. Например, число известных на сегодня алкалоидов прибли­жается к 5000 (по некоторым данным, к 10 000), фенольных соединений - к 10 000, причем эти цифры растут не только с каждым годом, но и с каждым месяцем.

Любое растительное сырье всегда содержит сложный набор первичных и вторичных соединений, которые, как уже говорилось, определяют разно­сторонний характер действия лекарственных растений. Однако роль тех и других в современной фитотерапии пока различна.

Известно относительно немного 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 обусловлено ощутимым и нередко очень «ярким» их фармакологическим эффектом.

Образуясь на основе первичных соединений, они могут либо накапливаться в чистом виде, либо подверга­ются гликозилированию в ходе реакций обмена, т.е. оказываются присоеди­ненными к молекуле какого-либо сахара.


В результате гликозилирования возникают молекулы - гетерозиды, которые отличаются от 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.

Вещества первичного синтеза образуются в процессе ассимиляции, т.е. превращения веществ, поступающих в организм извне, в вещества самого организма (протопласт клеток, запасные вещества и т.д.).

К веществам первичного синтеза относят аминокислоты, белки, липиды, углеводы, ферменты, витамины и органические кислоты.

Липиды (жиры), углеводы (полисахариды) и витамины широко используются в медицинской практике (характеристика этих групп веществ дана в соответствующих темах).

Белки , наряду с липидами и углеводами, составляют структуру клеток и тканей растительного организма, участвуют в процессах биосинтеза, являются эффективным энергетическим материалом.

Белки и аминокислоты лекарственных растений оказывают неспецифическое благоприятное действие на организм больного. Они влияют на синтез белков, создают условия для усиленного синтеза иммунных тел, что приводит к повышению защитных сил организма. Улучшенный синтез белков включает также и усиленный синтез ферментов, вследствие чего улучшается обмен веществ. Биогенные амины и аминокислоты играют важную роль в нормализации нервных процессов.

Белки - биополимеры, структурную основу которых составляют длин­ные полипептидные цепи, построенные из остатков α-аминокислот, соеди­ненных между собой пептидными связями. Белки делят на простые (при гидролизе дают только аминокислоты) и сложные - в них белок связан с веществами небелковой природы: с нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды), полисахаридами (гликопротеиды), липидами (липопротеиды), пиг­ментами (хромопротеиды), ионами металлов (металлопротеиды), остатками фосфорной кислоты (фосфопротеиды).

В настоящий момент почти нет объектов растительного происхождения, применение которых определялось бы наличием в них главным образом белков. Однако не исключено, что в будущем модифицированные расти­тельные белки могут быть использованы как средства, регулирующие обмен веществ в человеческом организме.

Липиды - жиры и жироподобные вещества, являющиеся производными высших жирных кислот, спиртов или альдегидов.

Подразделяются на простые и сложные.

К простым относятся липиды, молекулы которых содержат только остатки жирных кислот (или альдегидов) и спиртов. Из простых липидов в растениях и животных встречаются жиры и жирные масла, представляющие собой триацилглицерины (триглицериды) и воски.

Последние состоят из сложных эфиров высших жирных кислот одно- или двухатомных высших спиртов. К жирам близки простагландины, образующиеся в организме из полиненасыщенных жирных кислот. По химической природе это производные кислоты простаноевой со скелетом из 20 атомов углерода и содержащие циклопентановое кольцо.

Сложные липиды делят на две большие группы:

фосфолипиды и гликолипиды (т. е. соединения, имеющие в своей структуре остаток кислоты фосфорной или углеводный компонент). В составе живых клеток липиды играют важную роль в процессах жизнеобеспечения, образуя энергетиче­ские резервы у растений и животных.

Нуклеиновые кислоты - биополимеры, мономерными звеньями которых являются нуклеотиды, состоящие из остатка фосфорной кислоты, углевод­ного компонента (рибозы или дезоксирибозы) и азотистого (пуринового или пиримидинового) основания. Различают дезоксирибойуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК) кислоты. Нуклеиновые кислоты из растений в лечебных целях пока не используются.

Ферменты занимают особое место среди белков. Роль ферментов в растениях специфична - они являются катализаторами большинства химических реакций.

Все ферменты делятся на 2 класса: однокомпонентные и двухкомпонентные. Однокомпонентные ферменты состоят только из белка,

двухкомпонентные - из белка (апофермента) и небелковой части (кофермента). Коферментами могут быть витамины.

В медицинской практике используют следующие ферментные препараты:

- "Нигедаза " - из семян чернушки дамасской - Nigella damascena, сем. лютиковых - Ranunculaceae. В основе препарата фермент липолитического действия, вызывает гидролитическое расщепление жиров растительного и животного происхождения.

Препарат эффективен при панкреатитах, энтероколитах и возрастном снижении липолитической активности пищеварительного сока.

- "Карипазим" и "Лекозим" - из высушенного млечного сока (латекса) папайи (дынного дерева) - Carica papaya L., сем. папаевых - Cariacaceae.

В основе "Карипазима " - сумма протеолитических ферментов (папаин, химопапаин, пептидаза).

Применяют при ожогах III степени, ускоряет отторжение струпов, очищает гранулирующие раны от гнойно-некротических масс.

В основе "Лекозима " - протеолитический фермент папаин и муколитический фермент лизоцим. Применяют в ортопедической, травматологической и нейрохирургической практике при межпозвоночном остеохондрозе, а также в офтальмологии для рассасывания эксудатов.

Органические кислоты, наряду с углеводами и белками, являются самыми распространенными веществами в растениях.

Они принимают участие в дыхании растений, биосинтезе белков, жиров и других веществ. Органические кислоты относятся к веществам как первичного синтеза (яблочная, уксусная, щавелевая, аскорбиновая), так и вторичного синтеза (урсоловая, олеаноловая).

Органические кислоты являются фармакологически активными веществами и участвуют в суммарном эффекте препаратов и лекарственных форм растений:

Салициловая и урсоловая кислоты обладают противовоспалительным действием;

Яблочная и янтарная кислоты - доноры энергетических групп, способствуют повышению физической и умственной работоспособности;

Аскорбиновая кислота - витамин С.

Витамины - особая группа орга­нических веществ, выполняющих важ­ные биологические и биохимические функции в живых организмах. Эти органические соединения различной химической природы синтезируются главным образом растениями, а также микроорганизмами.

Человеку и жи­вотным, которые их не синтезируют, витамины требуются в очень малых количествах по сравнению с пита­тельными веществами (белками, угле­водами, жирами).

Известно более 20 витаминов. Они имеют буквенные обозначения, названия химические и названия, характеризующие их физио­логическое действие. Классифициру­ются витамины на водорастворимые (кислота аскорбиновая, тиамин, ри­бофлавин, кислота пантотеновая, пиридоксин, кислота фолиевая, цианокобаламин, никотинамид, биотин)

и жирорастворимые (ретинол, филлохинон, кальциферолы, токоферолы). К витаминоподобным веществам при­надлежат некоторые флавоноиды, липоевая, оротовая, пангамовая кисло­ты, холин, инозит.

Биологическая роль витаминов разнообразна. Установле­на тесная связь между витаминами и ферментами. Например, большинство витаминов группы В являются предшественниками коферментов и простетических групп ферментов.

Углеводы - обширный класс органических веществ, к которому отно­сятся полиоксикарбонильные соединения и их производные. В зависимости от числа мономеров в молекуле они подразделяются на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Углеводы, состоящие исключительно из полиоксикарбонильных соеди­нений, получили название гомозидов, а их производные, в молекуле которых имеются остатки иных соединений, называются гетерозидами. К гетерозидам относятся все виды гликозидов.

Моно- и олигосахариды - нормальные компоненты любой живой клет­ки. В тех случаях, когда они накапливаются в значительных количествах, их относят к так называемым эргастическим веществам.

Полисахариды, как правило, всегда накапливаются в значительных количествах как продукты жизнедеятельности протопласта.

Моносахариды и олигосахариды используются в чистом виде, обычно в виде глюкозы, фруктозы и сахарозы. Будучи энергетическими веществами, моно- и олигосахариды, как правило, применяются в качестве наполнителей при изготовлении различных лекарственных форм.

Растения являются ис­точниками получения этих углеводов (сахарный тростник, свекла, вино­град, гидролизованная древесина ряда хвойных и древесных покрытосе­менных).

В растениях синтезируются различные формы полисахаридов , ко­торые отличаются друг от друга как по структуре, так и по выполняемым функциям. Полисахариды находят довольно широкое применение в медицине в различных формах. В частности, широко используются крахмал и продукты его гидролиза, а также целлюлоза, пектин, альгинаты, камеди и слизи.

Целлюлоза (клетчатка ) - поли­мер, составляющий основную массу клеточных стенок растений. Полагают, что молекула клетчатки у разных растений содержит от 1400 до 10 000 остатков β-D-глюкозы.

Крахмал и инулин относятся к за­пасным полисахаридам.

Крахмал на 96-97,6 % состоит из двух полисахаридов: амилозы (линейный глюкан) и амилопектина (разветвленный глю­кан).

Он всегда запасается в виде крахмальных зерен в период активно­го фотосинтеза. У представителей сем. Аsteraсеае и Сатрапи/асеае накапливаются фруктозаны (инулин), особенно в больших количествах в подземных органах.

Слизи и камеди (гумми) - смеси гомо- и гетеросахаридов и полиуро-нидов. Камеди состоят из гетерополисахаридов с обязательным участи­ем уроновых кислот, карбонильные группы которых связаныс ионамиСа 2+ , К + и Мg 2+ .

По растворимости в воде камеди делятся на 3 группы :

Арабиновые, хорошо растворимые в воде (абрикосовая и аравийская);

Бассориновые, плохо растворимые в воде, но сильно в ней набухающие (трагакантовая)

И церазиновые, плохо растворимые и плохо набухающие в воде (вишневая).

Слизи , в отличие от камедей, мо­гут быть и нейтральными (не содержат уроновых кислот), а также имеют меньшую молекулярную массу и хоро­шо растворимы в воде.

Пектиновые вещества - высоко­молекулярные гетерополисахариды, главным структурным компонентом которых является кислота β-D-галактуроновая (полигалактуронид).

В рас­тениях пектиновые вещества присут­ствуют в виде нерастворимого прото­пектина - полимера метоксилированной полигалактуроновой кислоты с галактаном и арабаном клеточной стен­ки: цепочки полиуронида соединены между собой ионами Са 2+ и Мg 2+ .

Вещества вторичного метаболизма

Вещества вторичного синтеза образуются в растениях в результате

Диссимиляции.

Диссимиляция - процесс распада веществ первичного синтеза до более простых веществ, сопровождающийся выделением энергии. Из этих простых веществ с затратой выделившейся энергии образуются вещества вто­ричного синтеза. Например, глюкоза (вещество первичного синтеза) распадается до уксусной кислоты, из которой синтезируется мевалоновая кислота и через ряд промежуточных продуктов - все терпены.

К веществам вторичного синтеза относятся терпены, гликозиды, фенольные соединения, алкалоиды. Все они участвуют в обмене веществ и выполняют определенные важные для растений функции.

Вещества вторичного синтеза применяются в медицинской практике значительно чаще и шире, чем вещества первичного синтеза.

Каждая группа веществ растений не является изолированной и неразрыв­но связана с другими группами биохимическими процессами.

Например:

Большая часть фенольных соединений является гликозидами;

Горечи из класса терпенов являются гликозидами;

Растительные стероиды по происхождению являются терпенами, в то же время сердечные гликозиды, стероидные сапонины и стероидные алкалоиды являются гликозидами;

Каротиноиды, производные тетратерпенов, являются витаминами;

Моносахариды и олигосахариды входят в состав гликозидов.

Вещества первичного синтеза содержат все растения, вещества вторич-

ного синтеза накапливают растения отдельных видов, родов, семейств.

Вторичные метаболиты образуются по преиму­ществу у вегетативно малоподвижных групп живых организмов - растений и грибов.

Роль продуктов вторичного метабо­лизма и причины их появления в той или иной систематической группе различны. В самой общей форме им приписывается адаптивное значение и в широком смысле защитные свой­ства.

В современной медицине продук­ты вторичного обмена применяются значительно шире и чаще, чем пер­вичные метаболиты.

Это связано не­редко с очень ярким фармакологиче­ским эффектом и множественным воздействием на различные системы и органы человека и животных. Синте­зируются они на основе первичных соединений и могут накапливаться либо в свободном виде, либо в ходе реакций обмена подвергаются гликозилированию, т. е. связываются с ка­ким-либо сахаром.

Алкалоиды - азотсодержащие органические соединения основного характера, преимущественно расти­тельного происхождения. Строение молекул алкалоидов весьма разнооб­разно и нередко довольно сложно.

Азот, как правило, располагается в гетероциклах, но иногда находится в бо­ковой цепи. Чаще всего алкалоиды классифицируют на основе строения этих гетероциклов, либо в соответ­ствии с их биогенетическими предше­ственниками - аминокислотами.

Вы­деляют следующие основные группы алкалоидов: пирролидиновые, пири­диновые, пиперидиновые,пирролизидиновые, хинолизидиновые, хиназо-линовые,хинолиновые, изохинолиновые, индольные, дигидроиндольные (беталаины), имидазоловые, пуриновые, дитерпеновые, стероидные (гликоалкалоиды) и алкалоиды без гете­роциклов (протоалкалоиды). Многие из алкалоидов обладают специфиче­ским, часто уникальным физиологи­ческим действием и широко исполь­зуются в медицине. Некоторые алка­лоиды - сильные яды (например, алкалоиды кураре).

Антраценпроизводные -группаприродных соединений желтой, оран­жевой или красной окраски, в основе которых лежит структура антрацена. Они могут иметь различную степень окисленности среднего кольца (про­изводные антрона, антранола и антрахинона) и структуру углеродного скелета (мономерные, димерные и конденсированные соединения). Большинство из них являются произ­водными хризацина (1,8-дигидроксиантрахинона). Реже встречаются про­изводные ализарина (1,2-дигидроксиантрахинона). В растениях произ­водные антрацена могут находиться в свободном виде (агликоны) или в виде гликозидов (антрагликозиды).

Витанолиды - группа фитостероидов, В настоящее время известно не­сколько рядов этого класса соедине­ний. Витанолиды - это полиоксистероиды, у которых в положении 17 находится 6-членное лактонное коль­цо, а в кольце А - кетогруппа у С 1 .

Гликозиды - широко распространенные природные соединения, рас­падающиеся под влиянием различных агентов (кислота, щелочь или фер­мент) на углеводную часть и агликон (генин). Гликозидная связь между са­харом и агликоном может быть образована с участием атомов О, N или S (О-, N- или S-гликозиды), а также за счет С-С атомов (С-гликозиды).

Наи­большее распространение в расти­тельном мире имеют O-гликозиды). Между собой гликозиды могут отличаться как структурой агликона, так и строением сахарной цепи. Углевод­ные компоненты представлены моносахаридами, дисахаридами и олигосахаридами, и, соответственно, гли­козиды называются монозидами, биозидами и олигозидами.

Своеобразными группами природных соединений являются цианогенные гликозиды и тиогликозиды (глюкозинолаты).

Циа­ногенные гликозиды могут быть пред­ставлены как производные α-гидроксинитрилов, содержащих в своем со­ставе синильную кислоту.

Широкое распространение они имеют среди растений сем. Rosасеае, подсем. Рrипоidеае, концентрируясь преимуще­ственно в их семенах (например, гли­козиды амигдалин и пруназин в семе­нах Атуgdalus соттиnis , Аrтеniаса vи1garis ).

Тиогликозиды (глюкозинолаты ) в настоящее время рассматриваются в качестве производных гипотетиче­ского аниона - глюкозинолата, отсю­да и второе название.

Глюкозинолаты найдены пока только у двудольных растений и характерны для сем. Вrassi сасеае, Сарраridaсеае, Resedасеае и других представителей порядка Сарраrа1еs.

В растениях они содер­жатся в виде солей со щелочными металлами, чаще всего с калием (на­пример, глюкозинолат синигрин из семян Вrassica jипсеа и В.nigra .

Изопреноиды - обширный класс природных соединений, рассматрива-

емых как продукт биогенного превращения изопрена.

К ним относятся различные терпены, их производные - терпеноиды и стероиды. Некоторые изопреноиды - структурные фрагменты антибиотиков, некоторые - витаминов, алкалоидов и гормонов животных.

Терпены и терпеноиды - ненасы­щенные углеводороды и их производ­ные состава (С 5 Н 8) n , где n = 2 или n > 2. По числу изопреновых звеньев их делят на несколько классов: моно-, сескви-, ди-, три-,тетра- и политер-пеноиды.

Монотерпеноиды (С 10 Н 16) и сесквитерпеноиды (С 15 Н 24) являются обыч­ными компонентами эфирных масел.

Рост бактерий – это деление клетки на две дочерние, генетически полностью идентичные исходной материнской клетке. В оптимальных условиях популяция бактерий удваивается каждые 9,8 мин. В среднем рост популяции бактерий описывается экспоненциальным законом.

Рост микроорганизмов-продуцентов (зависимость логарифма числа клеток от времени) имеет вид S – образной кривой. Выделяют четыре фазы роста – 1 – lag-фаза, 2 – фаза экспоненциального роста или log-фаза, 3 – стационарная фаза, 4 – фаза отмирания. Во время 1-ой lag-фазы (привыкание) бактерии адаптируются к новым условиям, идет синтез РНК, ферментов и других биологически важных соединений. 2-я фаза - экспоненциальная фаза – период удвоения клеток, зависимость логарифма числа клеток от времени представляет собой прямую. Очевидно, что рост микроорганизмов не может продолжаться бесконечно из-за истощения питательной среды и накопления токсичных продуктов метаболизма. В период 3-ей, стационарной фазы, скорости роста и отмирания клеток выравниваются, и число клеток остается постоянным. Последняя фаза 4-ая – фаза отмирания - уменьшение числа клеток за счет истощения питательной среды.

Метаболиты, обычно малые молекулы - это промежуточные соединения или продукты метаболизма. Различают первичные и вторичные метаболиты. Первичные метаболиты (аминокислоты, нуклеотиды) непосредственно вовлечены в процессы роста и развития клеток. Вторичные метаболиты (антибиотики, алкалоиды, стероиды, пигменты) не являются необходимыми для роста клеток.

В отличие от синтеза первичного метаболита, который происходит одновременно с ростом и размножением культуры , для продуцента вторичных метаболитов принято говорить о трофофазе (когда культура растет и размножается) и идиофазе (когда рост замедляется или останавливается и начинается синтез продукта). Механизмы переключения путей метаболизма с первичного на вторичный не ясны.

Рис. 1. Сравнительная характеристика кривых роста микроорганизмов.

I - кривая роста микроорганизмов при получении первичных метаболитов: 1 – lag-фаза, 2 – фаза экспоненциального роста или log-фаза, 3 – стационарная фаза, 4 – фаза отмирания. II – кривая роста микроорганизмов при получении вторичных метаболитов (более короткая фаза роста и более длительная стационарная фаза).

Микроорганизмы, производящие вторичные метаболиты, вначале проходят стадию быстрого роста, трофофазу, во время которой синтез вторичных метаболитов незначителен. По мере замедления роста из-за истощения одного или нескольких необходимых питательных веществ в культуральной среде микроорганизм переходит в идиофазу; именно в этот период синтезируются идиолиты (вторичные метаболиты). Так антибиотики наиболее быстро накапливаются в среде в период стационарной фазы, когда биомасса почти не возрастает . Идиолиты не играют явной роли в процессах метаболизма, они вырабатываются клетками для адаптации к условиям окружающей среды, например, для защиты. Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии.

Рис. 2. Особенности ферментационного процесса при получении антибиотиков:

1 – трофофаза, II – идиофаза, 1 – биомасса клеток, 2 – антибиотик, 3 – углеводы, 4 – источники азота.

Особенности культурального роста микроорганизмов-продуцентов необходимо учитывать при производстве. Например, в случае антибиотиков большинство микроорганизмов в процессе трофофазы чувствительно к собственным антибиотикам, однако во время идиофазы они становятся к ним устойчивыми.

Чтобы уберечь микроорганизмы, продуцирующие антибиотики, от самоуничтожения, важно быстро достичь идиофазы и затем культивировать микроорганизмы в этой фазе. Это достигается путем варьирования режимов культивирования и составом питательной среды на стадиях быстрого и медленного роста.