Вторичный метаболит - Secondary metabolite

Структурная формула аминокислоты пипеколиновой кислоты , которая, в отличие от других аминокислот, не используется в качестве строительного блока в белках. У некоторых растений пипеколиновая кислота действует как защитное соединение от микроорганизмов. Из-за ограниченного присутствия пипеколиновая кислота считается вторичным метаболитом .
Структурная формула аминокислоты пролина , которая у всех живых существ является строительным материалом для белков. Из-за своего универсального присутствия пролин считается основным метаболитом .

Вторичные метаболиты , также называемые специализированными метаболитами, токсинами , вторичными продуктами или натуральными продуктами , представляют собой органические соединения, вырабатываемые бактериями , грибами или растениями, которые не участвуют напрямую в нормальном росте , развитии или воспроизводстве организма. Вместо этого они обычно опосредуют экологические взаимодействия , которые могут давать селективное преимущество для организма, увеличивая его выживаемость или плодовитость . Конкретные вторичные метаболиты часто ограничиваются узким набором видов внутри филогенетической группы. Вторичные метаболиты часто играют важную роль в защите растений от травоядных и других межвидовых защитных механизмах. Люди используют вторичные метаболиты в качестве лекарств, ароматизаторов, пигментов и рекреационных наркотиков.

Термин вторичный метаболит был впервые введен в употребление Альбрехтом Косселем , лауреатом Нобелевской премии 1910 года по медицине и физиологии в 1910 году. 30 лет спустя польский ботаник Фридрих Чапек описал вторичные метаболиты как конечные продукты метаболизма азота .

Вторичные метаболиты обычно опосредуют антагонистические взаимодействия, такие как конкуренция и хищничество , а также мутуалистические взаимодействия, такие как опыление и мутуализм ресурсов . Обычно вторичные метаболиты принадлежат к определенной линии или даже виду, хотя есть значительные свидетельства того, что горизонтальный перенос целых путей между видами или родами играет важную роль в бактериальной (и, вероятно, грибковой) эволюции. Исследования также показывают, что вторичный метаболизм может по-разному влиять на разные виды. В том же лесу четыре отдельных вида древесных сумчатых листовидных животных по-разному реагировали на вторичный метаболит эвкалиптов. Это показывает, что разные типы вторичных метаболитов могут быть разделены между двумя экологическими нишами травоядных . Кроме того, некоторые виды эволюционируют, чтобы противостоять вторичным метаболитам и даже использовать их для собственной выгоды. Например, бабочки-монархи эволюционировали, чтобы есть молочая ( Asclepias ), несмотря на присутствие токсичных сердечных гликозидов . Бабочки не только устойчивы к токсинам, но и могут извлечь выгоду, активно изолируя их, что может отпугнуть хищников.

Вторичные метаболиты растений

Растения способны производить и синтезировать различные группы органических соединений и делятся на две основные группы: первичные и вторичные метаболиты. Вторичные метаболиты - это промежуточные продукты или продукты метаболизма, которые не являются необходимыми для роста и жизни растений-продуцентов, а скорее необходимы для взаимодействия растений с окружающей их средой и образуются в ответ на стресс. Их антибиотические, противогрибковые и противовирусные свойства защищают растение от патогенов. Некоторые вторичные метаболиты, такие как фенилпропаноиды, защищают растения от УФ-излучения . Биологическое действие вторичных метаболитов растений на человека известно с древних времен. Трава Artemisia annua, содержащая артемизинин , широко использовалась в традиционной китайской медицине более двух тысяч лет назад. Вторичные метаболиты растений классифицируются по их химической структуре и могут быть разделены на четыре основных класса: терпены , фенилпропаноиды (т.е. фенольные соединения ), поликетиды и алкалоиды .

Терпеноиды

Структурная формула изопентенилпирофосфата (IPP), атомы углерода которого составляют строительные блоки терпенов . Из-за присутствия пяти атомов углерода производный строительный блок называется единицей C5.
Структурная формула гумулена , моноциклического сесквитерпена (названного так, потому что он содержит 15 атомов углерода), который состоит из трех звеньев C5, полученных из изопентенилпирофосфата (IPP).
Скелетная формула терпеноидного таксола , противоракового препарата.

Терпены составляют большой класс натуральных продуктов, состоящих иззвеньев изопрена . Терпены - это только углеводороды, а терпеноиды - это кислородсодержащие углеводороды. Общая молекулярная формула терпенов кратна (C 5 H 8 ) n, где n - количество связанных изопреновых звеньев. Следовательно, терпены также называют изопреноидными соединениями. Классификация основана на количестве изопреновых звеньев, присутствующих в их структуре. Некоторые терпеноиды (т.е. многие стерины ) являются первичными метаболитами. Некоторые терпеноиды, которые могли образоваться как вторичные метаболиты, впоследствии были задействованы как гормоны растений, такие как гиббереллины , брассиностероиды и стриголактоны .

Количество изопреновых единиц Имя Атомы углерода
1 Гемитерпен С 5
2 Монотерпен С 10
3 Сесквитерпены С 15
4 Дитерпен С 20
5 Сестертерпен С 25
6 Тритерпен С 30
7 Sesquarterterpene С 35
8 Тетратерпен С 40
Более 8 Политерпен

Примеры терпеноидов, образованных в результате олигомеризации гемитерпена :

Фенольные соединения

Фенольные смолы представляют собой химическое соединение, характеризующееся наличием ароматической кольцевой структуры, несущей одну или несколько гидроксильных групп . Фенолы - самые распространенные вторичные метаболиты растений, от простых молекул, таких как фенольная кислота, до высокополимеризованных веществ, таких как дубильные вещества . Классы фенольных соединений были охарактеризованы на основе их основного скелета.

Кол-во атомов углерода Базовый скелет Класс
6 С 6 Простые фенолы
7 С 6 - С 1 Фенольные кислоты
8 С 6 - С 2 Ацетофенон , фенилуксусная кислота
9 С 6 - С 3 Фенилпропаноиды , гидроксикоричная кислота , кумарины
10 С 6 - С 4 Нафтохинон
13 С 6 - С 1 - С 6 Ксантон
14 С 6 - С 2 - С 6 Стилбене , антрахинон
15 С 6 - С 3 - С 6 Флавоноиды , изофлаваноиды
18 6 - С 3 ) 2 лигнаны , неолигнаны
30 6 - С 3 - С 6 ) 2 Бифлавоноиды

Пример растительного фенола:

Алкалоиды

Структурная формула алкалоида никотина . В структуру входят два атома азота, оба из которых происходят из аминокислот . Атом азота в пиридиновом кольце (слева) происходит от аспартата , тогда как в пирролидиновом кольце (справа) происходит от аргинина (или орнитина ) -
Костная формула соланина , токсичного алкалоида, который накапливается в картофеле.

Алкалоиды - это разнообразная группа азотсодержащих основных соединений. Обычно они получают из растительных источников и содержат один или несколько атомов азота. Химически они очень разнородны. По химическому строению их можно разделить на две большие категории:

Примеры алкалоидов, производимых растениями:

Многие алкалоиды влияют на центральную нервную систему животных, связываясь с рецепторами нейромедиаторов .

Глюкозинолаты

Структурная формула глюкозинолатов . Боковая группа «R» может быть разной. В структуру входят молекулы глюкозы (слева), атом азота, полученный из аминокислоты , и два атома серы , один из которых происходит от глутатиона, а другой - от сульфата (показано слева).

Глюкозинолаты - это вторичные метаболиты, которые включают атомы серы и азота и являются производными глюкозы , аминокислоты и сульфата .

Примером глюкозинолата в растениях являются:

Вторичные метаболиты растений в медицине

Многие лекарства, используемые в современной медицине, получают из вторичных метаболитов растений.

Извлечение таксола из коры Тихоокеанского Ю.

Двумя наиболее известными терпеноидами являются артемизинин и паклитаксел . Артемизинин широко использовался в традиционной китайской медицине, а позже был вновь открыт как мощное противомалярийное средство китайским ученым Ту Юю . Позже она была удостоена Нобелевской премии за открытие в 2015 году. В настоящее время малярийный паразит , Plasmodium falciparum , стал устойчивым только к артемизинину, и Всемирная организация здравоохранения рекомендует использовать его с другими противомалярийными препаратами для успешного лечения. Паклитаксел активное соединение найдено в таксола является химиотерапии препарат , используемый для лечения многих форм рака , включая рак яичников , рак молочной железы , рак легкого , саркома Капоши , рак шейки матки , и рак поджелудочной железы . Таксол был впервые выделен в 1973 году из коры хвойного дерева Тихоокеанский тис .

Морфин и кодеин относятся к классу алкалоидов и получают из опийного мака . Морфин был открыт в 1804 году немецким фармацевтом Фридрихом Сертюрнером т. Это был первый активный алкалоид, извлеченный из опийного мака . Он в основном известен своим сильным обезболивающим действием, однако морфин также используется для лечения одышки и лечения зависимости от более сильных опиатов, таких как героин . Несмотря на свое положительное воздействие на людей, морфин имеет очень сильные побочные эффекты, такие как зависимость, гормональный дисбаланс или запор. Из-за того, что морфин вызывает сильное привыкание, он является строго контролируемым веществом во всем мире и используется только в очень тяжелых случаях, а в некоторых странах он используется недостаточно, чем в среднем в мире, из-за социальной стигмы вокруг него.

Опиумное поле в Афганистане, крупнейший производитель опия.

Кодеин, также являющийся алкалоидом опийного мака, считается наиболее широко используемым наркотиком в мире по данным Всемирной организации здравоохранения . Впервые он был выделен в 1832 году французским химиком Пьером Жаном Робике , также известным за открытие кофеина и широко используемого красного красителя ализарина . В первую очередь кодеин используется для лечения легкой боли и облегчения кашля, хотя в некоторых случаях он используется для лечения диареи и некоторых форм синдрома раздраженного кишечника . Кодеин имеет силу 0,1-0,15 по сравнению с морфином, принимаемым перорально, поэтому его гораздо безопаснее использовать. Хотя кодеин может быть извлечен из опийного мака, этот процесс нецелесообразен с экономической точки зрения из-за низкого содержания чистого кодеина в растении. Химический процесс метилирования гораздо более распространенного морфина является основным методом производства.

Атропин - это алкалоид, впервые обнаруженный в Atropa belladonna , члене семейства пасленовых . Хотя атропин был впервые выделен в XIX веке, его медицинское применение восходит к четвертому веку до нашей эры, когда его применяли при ранах, подагре и бессоннице. В настоящее время атропин вводят внутривенно для лечения брадикардии и в качестве противоядия при отравлении фосфорорганическими соединениями . Передозировка атропина может привести к отравлению атропином, что приводит к побочным эффектам, таким как помутнение зрения , тошнота , отсутствие потоотделения, сухость во рту и тахикардия .

Ресвератрол - это фенольное соединение класса флавоноидов. Он очень богат виноградом , черникой , малиной и арахисом . Его обычно принимают в качестве пищевой добавки для продления жизни и снижения риска рака и сердечных заболеваний, однако убедительных доказательств его эффективности нет. Тем не менее, считается, что флавоноиды оказывают благотворное влияние на человека. Некоторые исследования показали, что флавоноиды обладают прямой антибиотической активностью. Ряд исследований in vitro и ограниченных исследований in vivo показали, что флавоноиды, такие как кверцетин, обладают синергической активностью с антибиотиками и способны подавлять бактериальную нагрузку.

Дигоксин - это сердечный гликозид, впервые полученный Уильямом Уизерингом в 1785 году из наперстянки (наперстянки) . Обычно он используется для лечения сердечных заболеваний, таких как фибрилляция предсердий , трепетание предсердий или сердечная недостаточность . Однако дигоксин может иметь побочные эффекты, такие как тошнота , брадикардия , диарея или даже опасная для жизни аритмия .

Вторичные метаболиты грибов

Три основных класса вторичных метаболитов грибов: поликетиды , нерибосомные пептиды и терпены . Хотя вторичные метаболиты грибов не требуются для роста, они играют важную роль в выживании грибов в их экологической нише. Наиболее известным вторичным метаболитом грибов является пенициллин, открытый Александром Флемингом в 1928 году. Позже, в 1945 году, Флеминг вместе с Эрнстом Чейном и Говардом Флори получил Нобелевскую премию за свое открытие, которое имело решающее значение в сокращении числа смертей во Второй мировой войне более чем на 100%. 100000.

Примеры других вторичных метаболитов грибов:

Ловастатин был первым вторичным метаболитом, одобренным FDA для снижения уровня холестерина. Ловастатин в низких концентрациях содержится в вешенках , красном дрожжевом рисе и пуэре . Механизм действия ловастатина заключается в конкурентном ингибировании HMG-CoA редуктазы и фермента, ограничивающего скорость, ответственного за превращение HMG-CoA в мевалонат .

Вторичные метаболиты грибов также могут быть опасны для человека. Claviceps purpurea , член группы грибов спорыньи, обычно растущих на ржи, приводит к смерти при проглатывании. Накопление ядовитых алкалоидов, обнаруженных в C. purpurea, приводит к таким симптомам, как судороги и спазмы , диарея , парестезии , зуд , психоз или гангрена . В настоящее время для удаления тел спорыньи необходимо поместить рожь в рассол, при этом здоровые зерна тонут, а зараженные плывут.

Бактериальные вторичные метаболиты

Бактериальное производство вторичных метаболитов начинается в стационарной фазе как следствие нехватки питательных веществ или в ответ на стресс окружающей среды. Синтез вторичных метаболитов в бактериях не важен для их роста, однако они позволяют им лучше взаимодействовать со своей экологической нишей. Основными синтетическими путями производства вторичных метаболитов у бактерий являются: b-лактам, олигосахарид, шикимат, поликетид и нерибосомные пути. Многие вторичные метаболиты бактерий токсичны для млекопитающих . Когда эти ядовитые соединения секретируются, они известны как экзотоксины, тогда как те, которые обнаруживаются в стенке прокариотических клеток, являются эндотоксинами .

Примером бактериального вторичного метаболита с положительным и отрицательным действием на человека является ботулотоксин, синтезируемый Clostridium botulinum . Этот экзотоксин часто накапливается в неправильно консервированных продуктах и ​​при попадании внутрь блокирует холинергическую нейротрансмиссию, что приводит к параличу мышц или смерти. Тем не менее, ботулинический токсин также имеет множество медицинских применений, таких как лечение мышечной спастичности, мигрени и использование косметики.

Примеры других бактериальных вторичных метаболитов:

Феназин

Поликетиды

Нерибосомальные пептиды

Рибосомальные пептиды

Глюкозиды

Алкалоиды

Биотехнологические подходы

Культура тканей растений Oncidium leucochilum.

Селективное разведение использовалось как один из первых биотехнологических методов, используемых для уменьшения нежелательных вторичных метаболитов в пище, таких как нарингин, вызывающий горечь в грейпфруте. В некоторых случаях желаемым результатом является увеличение содержания вторичных метаболитов в растении. Традиционно это делалось с использованием методов культивирования тканей растений in vitro , которые позволяют: контролировать условия роста, смягчать сезонность растений или защищать их от паразитов и вредных микробов. Синтез вторичных метаболитов может быть дополнительно усилен путем введения элиситоров в культуру тканевых растений, таких как жасмоновая кислота , УФ-В или озон . Эти соединения вызывают стресс у растений, что приводит к увеличению выработки вторичных метаболитов.

Для дальнейшего увеличения доходности СМ были разработаны новые подходы. Новый подход, используемый Evolva, использует штаммы рекомбинантных дрожжей S. cerevisiae для производства вторичных метаболитов, обычно обнаруживаемых в растениях. Первым успешным химическим соединением, синтезированным с помощью Evolva, был ванилин, широко используемый в пищевой промышленности в качестве ароматизатора. Процесс включает вставку гена желаемого вторичного метаболита в искусственную хромосому рекомбинантных дрожжей, что приводит к синтезу ванилина. В настоящее время Evolva производит широкий спектр химических веществ, таких как стевия , ресвератрол или нооткатон .

Нагойский протокол

С развитием рекомбинантных технологий в 2010 году был подписан Нагойский протокол регулирования доступа к генетическим ресурсам и совместного использования на справедливой и равной основе выгод от их использования к Конвенции о биологическом разнообразии . Протокол регулирует сохранение и защиту генетических ресурсов для предотвращения эксплуатация малых и бедных стран. Если генетические, белковые или низкомолекулярные ресурсы, полученные из стран с биоразнообразием, станут прибыльными, для стран происхождения будет введена схема компенсации.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки