К первичным метаболитам относятся. Тема: Вторичные метаболиты

Метаболиты - доминирующие факторы в патологии и клинике Метаболиты - зола живой субстанции, отходы клеточного и тканевого метаболизма, если они не элиминированы, закупоривают, загромождают каналы выделения конечных продуктов обмена веществ. Существуют метаболиты

Из всех продуктов, получаемых с помощью микробных процессов, наибольшее значение имеют вторичные метаболиты. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи– ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. К вторичным метаболитам относятся антибиотики, алкалоиды и токсины. Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты.

Термины "вторичные метаболиты" и "вторичный метаболизм" вошли в лексику биологов в конце XIX века с легкой руки профессора Косселя. В 1891 году в Берлине он прочитал не собрании Физиологического общества лекцию, которая называлась «О химическом составе клеток»; происхождение названия «вторичные метаболиты» – значит второстепенные, «случайные».

Работа содержит 1 файл

Введение

Из всех продуктов, получаемых с помощью микробных процессов, наибольшее значение имеют вторичные метаболиты. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках- продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи– ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. К вторичным метаболитам относятся антибиотики, алкалоиды и токсины. Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты.

Термины "вторичные метаболиты" и "вторичный метаболизм" вошли в лексику биологов в конце XIX века с легкой руки профессора Косселя. В 1891 году в Берлине он прочитал не собрании Физиологического общества лекцию, которая называлась «О химическом составе клеток»; происхождение названия «вторичные метаболиты» – значит второстепенные, «случайные».

Целью данной работы является изучение способов синтеза, химической структуры, свойств и роли вторичных метаболитов в жизни человека.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучение процессов, происходящих при синтезе вторичных метаболитов.
2. Анализ химической структуры вторичных метаболитов.
3. Оценка роли вторичных метаболитов в жизни их продуцентов, человека и высших животных.

1.Вторичные метаболиты микроорганизмов. Общие сведения.

Вторичные метаболиты (идиолиты) – это вещества микробного (или растительного) происхождения, не существенные для роста и репродукции образующего их организма. Каждый вторичный метаболит производится относительно ограниченным числом видов. Эти соединения синтезируются в конце экспоненциальной или в течение стационарной фаз роста, и их формирование в значительной степени зависит от условий роста, особенно состава питательной среды.

Многие вторичные метаболиты имеют химическую структуру, необычную для биологической материи. Эти соединения относятся к разнообразным классам органических веществ, – аминоциклитолы, кумарины, эпоксиды, пирролы, нерибосомальные пептиды, полиены, терпеноиды, тетрациклины, поликетиды, изопреноиды, стероиды, гиббереллины, фитоалексины и т.д. 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). О механизмах переключения путей метаболизма с первичного на вторичный и о физиологической роли вторичных метаболитов в жизни собственного продуцента достоверно известно очень мало. Известны четыре класса биосинтетических реакций, «уводящих» интермедиат (от латинского intermedius – средний – промежуточное вещество с коротким временем жизни, образующееся в ходе химической реакции и затем реагирующие далее до продуктов реакции) на путь вторичного метаболизма:

1. преобразование первичного метаболита в специфический предшественник для вторичного метаболизма;
2. реакции модификации или активации, уводящие предшественник на путь вторичного метаболизма;
3. полимеризация и конденсация;
4. поздние реакции модификации.

Рис.1.Связь вторичного и первичного метаболизма (ВМ - вторичный метаболит)

К вторичным метаболитам причисляют антибиотики, токсины, иммунодепрессанты и стимуляторы, а также некоторые запасные вещества (поли-β-алканоаты). Неизвестно, насколько распространен вторичный метаболизм в природе. Само понятие «вторичный метаболит» достаточно расплывчатое и многие исследователи его не признают.

2.Образование вторичных метаболитов

С биотехнологической точки зрения важными являются понятия о вторичных метаболитах или о реакциях вторичного обмена, которые сходны у всех живых организмов. К реакциям вторичного обмена относятся те, которые сопровождаются образованием алкалоидов, антибиотиков, триспоровых кислот гиббереллинов и некоторых других веществ, расцениваемых несущественными для продуцента. Вторичные метаболиты представляют собой продукты реакций, катализируемых ферментами.

Рисунок 2. Схема образования вторичных метаболитов.

Преметаболиты в схеме представляют собой простые питательные вещества, поступающие извне (аммоний, ионы металлов, углекислота, сульфаты, фосфаты, нитраты для гетеротрофов - моносахариды и некоторые другие).

К интермедиатам или прометаболитам относятся простые сахара, аминокислоты, нуклеиновые основания. Информационные молекулы ДНК и РНК вычленены из состава других реакций, хотя синтез и распад (прерывистые стрелки) также катализируются ферментами. В отличие от первичных метаболитов образование вторичных метаболитов непосредственно не кодируется ядерной или цитоплазматической ДНК. Согласно такому представлению все живые организмы синтезируют присущие им вторичные метаболиты.

На основании положений, сформулированных В.Н. Шапошниковым(1939), каждый продуцент в своем развитие проходит две фазы, названные Ж.Д. Бу’Локком трофофазой и идиофазой (от греч. trofe-питание, idios-свой, специфический). В период трофофазы активно протекают конструктивный и энергетический обмен - в клетках преобладают синтетические процессы, нарастает количество первичных метаболитов-липидов, гликонов, гликоконъюгатов; скорость роста и размножения организма при этом высокая, а продуктивность экзогенных вторичных метаболитов низкая, и, напротив, в идиофазу скорость роста и размножения низкая, а продукция экзогенных и эндогенных вторичных метаболитов высокая. Продуктивность культуры может быть повышена за счет внесения предшественников метаболитов (преимущественно в период времени, приходящийся на конец идиофазы).

Рис. 3.Соотношение биомассы клеток (а), первичных метаболитов(б) и вторичных метаболитов (в) в культурах Saccharomyces cerevisiae(Пекарские дрожжи)(1), Penicillium chrysogenum(2), Nicotiana tabacum(3), кератоцитов(клетки соединительной ткани роговой оболочки глаза.)(4); М-масса высушенных клеток, М*-число животных клеток, t-время в сутках, I-трофофаза (заштрихованная часть), II-идиофаза.

Из рисунка 3 видно, что продолжительность трофофазы более короткая у дрожжей, чем у пеницилла и клеток табака. Накопление этанола S.cerevisiae сопровождается возрастанием ингибирующей активности его на продуцент и поэтому кривые, приходящиеся на идиофазу, идут почти параллельно, повторяя характер кривой для первичных метаболитов, биосинтез которых начался в период трофофазы.

Пенициллин, синтезируемый P. chrysogenum, и не подавляющий продуцент, выражено накапливается в идиофазу.

Алкалоид никотин синтезируется клетками табака замедленно и при переходе культуры в стационарную фазу выход его заметно уменьшается.

В каждом из приведенных примеров можно отметить свои особенности биосинтеза вторичных метаболитов. В любом случае они образуются клетками как естественные продукты в процессе культивирования в соответствующих средах и под каталитическим действием ферментов.

3.Отдельные представители вторичных метаболитов

3.1.Антибиотики

Антибиотики - это вещества биологического происхождения, способные даже в низких концентрациях подавлять рост микроорганизмов. Термин «вторичные метаболиты» эквивалентен термину «антибиотики», используемому в широком смысле слова. Способность образовывать антибиотики широко распространена в природе, однако она неравномерно распределена между различными таксономическими группами микроорганизмов. Наибольшее количество антибиотиков получено из актиномицетов (лучистых грибков)(по разным оценкам от 6000 до 10000, на первом месте по химическому многообразию синтезируемых веществ стоят стрептомицеты). Из несовершенных грибов выделено около 1500 антибиотиков, причем около трети образуется представителями родов Penicillium и Aspergillus, однако немногие из них имеют практическое значение. Они играют важную роль как лечебные средства, стимулирующие препараты, добавки к кормам и т.п. В качестве продуцентов вторичных метаболитов микроорганизмы приобрели огромное экономическое значение. Открытие и исследование антибиотиков, а также получение новых полусинтетических оказало неоценимые услуги медицине.

3.2.Образование антибиотиков

Уже в прошлом веке было известно, что между различными микроорганизмами могут существовать как симбиотические, так и антагонистические взаимоотношения. Толчком к выяснению материальной основы антибиоза послужило наблюдение Флеминга, обнаружившего(1928), что колония грибов Penicillium notatum подавляла рост стафилококков. Выделяемое этим грибом вещество, которое проникло в агар посредством диффузии, получило название пенициллина. С тех пор было выделено множество веществ с антибиотической активностью. Различают вещества, подавляющие рост микробов (бактериостатические, фунгистатические) и убивающие их (бактерицидные, фунгицидные).

3.3.Методы выявления антибиотиков

Первые антибиотики были обнаружены случайно, по образованию зон подавления роста. В чашках с питательным агаром, густо засеянным тест- организмом(индикаторными бактериями), вокруг колоний гриба или стрептомицета рост отсутствовал: антибиотик, диффундирующий из колонии в агар, вызывал образование прозрачных участков в сплошном бактериальном газоне(Рисунок 4).

Рис.4.Выделение антибиотиков можно обнаружить по образованию зон подавления роста индикаторных бактерий(Staphylococcus aureus), равномерно рассеянных на агаре.

Видами - индикаторами в таких опытах служат типичные представители групп микроорганизмов. Для качественного испытания продуцента антибиотика достаточно посеять его в середину чашки с питательным агаром, а индикаторные бактерии в виде радиальных штрихов(Рисунок 5). После инкубации по степени торможения роста различных индикаторных организмов судят о спектре действия антибиотика. Антибиотики различаются по действию на грам–положительные и грам – отрицательные бактерии, на дрожжи, дерматофиты и другие микроорганизмы.

Рис.5. Определение спектра действия трех антибиотиков с помощью штрихового теста:1- Staphylococcus aureus,2- Streptococcus, 3- Escherichia coli,4- Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка),5- Candida albicans, 6- Trichophyton rubrum

Большинство антибиотиков было открыто в процессе предварительного отбора(скрининга).

3.4.Важнейшие антибиотики, применяемые в медицине

Первое место среди них все еще принадлежит пенициллину, который синтезируют Penicillium notatum, P. chrysogenum и некоторые другие грибы; удалось также получить полусинтетические пенициллины (путем расщепления природных пенициллинов до 6-аминопенициллановой кислоты, к которой затем химическим путем присоединяют различные боковые группы).

Для человека пенициллин почти не токсичен и лишь в редких случаях вызывает побочные аллергические реакции.

Многие бактерии образуют пенциллиназу, которая расщепляет β-лактамовое кольцо и инактивирует пенициллин. Воздействуя на 6-аминопени-циллановую кислоту хлорангидридами кислот, можно получать сотни пенициллинов (Рисунок 6). Многие полусинтетические пенициллины не расщепляются пенициллиназой (фермент, обладающий способностью расщеплять (инактивировать) пенициллины и цефалоспорины) и ввиду их устойчивости к действию кислот могут вводиться перорально.

Рисунок 6. Получение полусинтетических пенициллинов действием бактериальных ферментов на пенициллин.

Рисунок 7. Структурные формулы цефалоспорина С, стрептомицина А, хлормицетина, тетрациклина и актиномицина D(актиномицина С 1)

Цефалоспорины- продукты одного из видов гриба Cephalosporium. Цефалоспорин С имеет β-лактамовое кольцо и по своей структуре близок к пенициллину (рисунок 7). Отщепляя боковую цепь и затем присоединяя к образовавшейся 7-аминоцефалоспорановой кислоте другие боковые группы, можно получать полусинтетические цефалоспорины (цефалотин, цефалоридин), которые по своему действию сходны с производными пенициллина.

Стрептомицин был впервые выделен из культуры Streptomyces griseus, однако его синтезируют и некоторые другие виды Streptomyces. Молекула стрептомицина состоит из трех частей: N-метил-L-2-глюкозамина, метилпентозы и дигуанидинзамещенного инозитола (рисунок 7). Успех применения стрептомицина объясняется его действием на ряд кислотоустойчивых и грам-отрицательных бактерий, нечувствительных к пенициллину. Однако стрептомицин вызывает у больных резко выраженные аллергические реакции. Этот антибиотик применяется также в ветеринарии и для борьбы с болезнями растений.

Хлоромицетин (хлорамфеникол) был впервые обнаружен в культурах Streptomyces venezuelae, но его можно получить и синтетическим путем (Рисунок 7). Он отличается исключительной стабильностью и действует на многие грам-отрицательные бактерии, включая спирохеты, риккетсии и актиномицеты, а также на крупные вирусы.

Тетрациклины тоже представляют собой метаболиты различных стрептомицетов (в том числе Streptomyces aureofaciens). Химически они очень близки между собой и имеют в основе структуры нафтацен (Рисунок 7). Наиболее известны хлортетрациклин (ауреомицин), оксите-трациклин (террамицин) и тетрациклин. Тетрациклины отличаются широким спектром действия и хорошей переносимостью.

Вопросы:

1. Метаболизм. Первичный и вторичный метаболизм.

2. Особенности клеточного метаболизма.

3. Клетка как открытая термодинамическая система. Виды работы в клетке. Макроэргические соединения.

4. Ферменты: структура (простатическая группа, коферменты) и функции. Классификация ферментов

5. Вторичные метаболиты, классификация, роль в жизни растения, использование человеком. Образование пигментов, токсинов, ароматических веществ микроорганизмами (грибы, бактерии).

1. Метаболизм (обмен веществ) – совокупность всех химических реакций, идущих в клетке.

Метаболиты – продукты обмена веществ.

На образование в клетках гормонов (этилена, подавляют синтез ИУК);

Тормозят ризогенез и растяжение клеток;

Являются фитотоксинами (оказывают антимикробное действие);

С их помощью одно растение может действовать на другое,

Дубильные вещества повышают устойчивость деревьев к грибным поражениям.

Используются в медицине для стерилизации, лекарства (салициловая кислота), в промышленности как красители.

5.2. Алкалоиды – гетероциклические соединения, содержащие в молекуле один или несколько атомов азота. Известно около 10 000 алкалоидов. Они найдены у 20% растений, наиболее распространены среди покрытосеменных (цветковых) растений. В моховидных и папоротниковидных алкалоиды встречаются редко.

Алкалоиды синтезируются из аминокислот: орнитина, тирозина, лизина, триптофана, фенилаланина, гистидина, атраниловой кислоты.

Они накапливаются в активно растущих тканях, в клетках эпидермы и гиподермы, в обкладках проводящих пучков, в млечниках. Они могут накапливаться не в тех клетках, где образуются, а в других. Например, никотин образуется в корнях, а накапливается в листьях. Обычно их концентрация составляет десятые или сотые доли процента, но хинное дерево содержит 15 – 20 % алкалоидов. Разные растения могут содержать различные алкалоиды. Алкалоиды находятся в листьях, коре, корнях, древесине.

Функции алкалоидов:

регулируют рост растений (ИУК), защищают растения от поедания животными.

Используются алкалоиды

в качестве лекарств: кодеин (от кашля), морфин (болеутоляющее), кофеин (при нервных и сердечно-сосудистых заболеваниях), хинин (от малярии). Атропин, пилокарпин, стрихнин, эфедрин ядовиты, но в малых дозах могут применяться как лекарства.;

никотин, анабазин используются для борьбы с насекомыми.

5.3. Изопреноиды (терпеноиды) – соединения, составленные из нескольких изопреновых единиц (С5Н8 – изопрен) и имеющие общую формулу (С5Н8)n. Благодаря дополнительным группам (радикалам) изопреноиды могут иметь число атомов углерода в молекуле и некратное 5. К терпенам относятся не только углеводороды, но и соединения со спиртовыми, альдегидными, кето-, лактон- и кислотными группами.

Политерпены – каучук, гутта.

Терпеноидами являются гибберелловая кислота (гиббереллины), абсцизовая кислота, цитокинины. Они не растворяются в воде. Находятся в хлоропластах, в мембранах.

Каротиноиды окрашены от желтого до красно-фиолетового цвета, образуются из ликопина, растворимы в жирах.

Изопрены входят

в состав масла хвои, шишек, цветков, плодов, древесины;

смол, латекса, эфирных масел.

Функции:

Защищают растения от бактерий, насекомых и животных; некоторые из них участвуют в закрытии ран и защищают от насекомых.

К ним относятся гормоны (цитокинины, гиббереллины, абсцизовая кислота, брассиностероиды);

Каротиноиды участвуют в световой фазе фотосинтеза, входя в ССК, и защищают хлорофилл от фотоокисления;

Стеролы входят в состав мембран, влияют на их проницаемость.

Используют как лекарства (камфора, ментол, сердечные гликозиды), витамин А. Они являются основными компонентами эфирных масел, поэтому их используют в парфюмерии, содержатся в репелентах. Входят в состав каучука. Спирт гераниол входит в состав розового масла, масла лавровых листьев, в масла цветков апельсина, жасмина, масла эвкалипта).

5.4. Синтез вторичных метаболитов

характеризуется некоторыми особенностями:

1) предшественниками для них служит небольшое количество первичных метаболитов. Например, для синтеза алкалоидов необходимы 8(?) аминокислот, для синтеза фенолов – фенилаланин или тирозин, для синтеза изопреноидов – мевалоновая кислота;

2) многие вторичные метаболиты синтезируются разными путями;

3) в синтезе участвуют специальные ферменты.

Вторичные метаболиты синтезируются в цитозоле, эндоплазматическом ретикулуме, хлоропластах.

5.5. Локализация вторичных метаболитов

Накапливаются в вакуолях (алкалоиды, фенолы, беталаины, цианогенные гликозиды, глюкозинолаты), в периплазматическом пространстве (фенолы). Изопреноиды после синтеза выходят из клетки.

Вторичные метаболиты редко распространены в тканях равномерно. Часто они накапливаются в идиобластах, млечниках, специальных каналах и ходах.

Идиобласты (от греч. Idios своеобразный) – одиночные клетки, относящиеся к выделительным тканям и отличающиеся от соседних клеток формой, строением. Находятся они в эпидерме стеблей или листьев (только в эпидерме?).

Места синтеза и локализации часто разделены. Например, никотин синтезируется в корнях, а накапливается в листьях.

Вторичные метаболиты выделяются во внешнюю среду с помощью выделительных тканей (железистых клеток, железистых волосков – трихом).

Для алкалоидов выделение нехарактерно.

Синтез и накопление в тканях вторичных метаболитов зависит главным образом от вида растения, иногда от этапа онтогенеза или возраста, от внешних условий. Распределение в тканях зависит от вида растения.

5.6. Функции вторичных метаболитов

В процессе открытия вторичных метаболитов существовали разные мнения об их значении в жизни растения. Их считали ненужными, отбросами, (их синтез) тупиком метаболизма, продуктами детоксикации ядовитых первичных метаболитов, например свободных аминокислот.

В настоящее время уже известны многие функции этих соединений, например запасающая, защитная. Алкалоиды - это запас азота для клеток, фенольные соединения могут быть дыхательным субстратом. Вторичные метаболиты защищают растения от биопатогенов. Эфирные масла, представляющие собой смесь вторичных метаболитов, обладают антимикробными и антифунгицидными свойствами. Некоторые вторичные метаболиты, распадаясь при гидролизе, образуют яд – синильную кислоту, кумарин. Вторичными метаболитами являются фитоалексины, вещества, образующиеся в ответ на инфекцию и участвующие в реакции сверхчувствительности.

Антоцианы, каротиноиды, беталаины, обеспечивающие окраску цветков и плодов, способствуют размножению растений и распространению семян.

Вторичные метаболиты останавливают прорастание семян конкурирующих видов.

Литература:

1. Мерсер Э . Введение в биохимию растений. Т. 2. – М. «Мир»,1986.

2. (ред.). Физиология растений. – М. «Академия», 2005. С. 588 – 619.

3. Харборн дж. Введение в экологическую биохимию . – М. «Мир», 1985.

4. Л. Биохимия растений. – М. «Высшая школа», 1986. С. 312 – 358.

5. , -И. Физиология древесных растений. – М. «Лесная промышленность», 1974. 421 с.

6. Л. Биохимия растений. – М. ВШ. 1986. 502 с.

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.

Вторичные метаболиты - предмет изучения биохимии растений, но небезынтересно ознакомиться со схемой (рис. 1), на которой показана их биогенетическая связь с прямыми продуктами фотосинтеза.

Рисунок 1. Биогенетическая связь вторичных метаболитов с прямыми продуктами фотосинтеза.

Вторичные метаболиты: пигменты, алкалоиды, танины, гликозиды, органические кислоты

Пигменты

Среди пигментов вакуоли наиболее часто встречаются антоцианы и флавоны.

Антоцианы относятся к группе гликозидов с фенольными группами. Антоцианы одной группы отличаются от другой. Интересной особенностью этого пигмента является то, что он меняет свою окраску в зависимости от рН клеточного сока. При кислой реакции клеточного сока антоциан окрашивает его в розовый цвет, при нейтральной – в фиолетовый, а при основной – в синий.

У некоторых растений окраска может меняться по мере развития цветков. Например, у огуречной травы бутоны розового цвета, а зрелые цветки синего. Предполагается, что таким образом растение сигнализирует насекомым о готовности к опылению.

Антоцианы накапливаются не только в цветках, но и в стеблях, листьях и плодах.

Антохлор - это пигмент желтого цвета, относится к флавоноидам. Он встречается реже. Содержат антохлор желтые цветки тыквенных, льнянки, плоды цитрусовых.

В клеточном соке также может накапливаться пигмент антофеин, окрашивающий его в темно-бурый цвет .

К алкалоидам относят природные гетероциклические соединения, содержащие в циклах помимо углерода один или более атомов азота, реже кислорода. Они проявляют щелочные свойства. Алкалоиды обладают высокой фармакологической активностью, поэтому большинство лекарственных растений относятся к алкалоидоносам. В коробочках снотворного мака найдено более 20 различных алкалоидов, в том числе морфин, тебаин, кодеин, папаверин и др. Как известно, морфин, обладая болеутоляющим и противошоковым действием, вызывает эйфорию: при его повторном применении развивается болезненное пристрастие к нему – наркомания. Кодеин уменьшает возбудимость кашлевого центра, входит в состав противокашлевых средств. Папаверин применяется в качестве спазмолитического средства при гипертонии, стенокардии, мигрени. Богаты алкалоидами пасленовые, лютиковые, лилейные.

Многие алкалоидоносные растения ядовиты и не поедаются животными, они слабо поражаются грибковым и бактериальным заболеваниям.

Гликозиды – производные сахаров, соединенные со спиртами, альдегидами, фенолами и другими безазотистыми веществами. При соприкосновении с воздухом гликозиды распадаются, при этом выделяется приятный аромат, например, запах сена, завариваемого чая и т.д.

Наиболее широкое практическое применение находят сердечные гликозиды и сапонины. Сердечные гликозиды являются активным началом такого известного лекарственного растения как ландыш майский. Его лекарственные свойства известны очень давно и не утратили своего значения до сих пор. Раньше из ландыша готовили лекарства от водянки, сердечных болезней, эпилепсии, лихорадки.

Название сапонинов происходит от способности этих соединений к пенообразованию. Большинство представителей этой группы имеют высокую биологическую активность, которая обусловливает лечебное действие и соответственно лекарственное применение таких известных биостимуляторов, как женьшень, солодка, аралия.

Танины (дубильные вещества) – производные фенола. Они имеют вяжущий вкус и обладают антисептическими свойствами. В клетке накапливаются в виде коллоидных растворов и имеют желтый, красный и коричневый цвет. При добавлении солей железа приобретают голубовато-зеленый цвет, что раньше использовалось для получения чернил.

Танины могут накапливаться в значительных количествах в различных органах растений. Их много в плодах айвы, хурмы, черемухи, в коре дуба, в листьях чая.

Предполагается, что танины выполняют самые различные функции. При отмирании протопласта танинами пропитываются клеточные стенки и придают им стойкость против гниения. У живых клеток танины защищают протопласт от обезвоживания. Предполагается также, что они участвуют в синтезе и транспорте сахаров.

Производство вторичных метаболитов

Из всех продуктов, получаемых с помощью микробных процессов, наибольшее значение имеют вторичные метаболиты. Вторичные метаболиты, называемые также идиолитами, это низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста в чистой культуре. Они производятся ограниченным числом таксономических групп и часто представляют собой смесь близкородственных соединений, относящихся к одной и той же химической группе. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи - ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. К вторичным метаболитам относятся антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений и токсины. Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты.

Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.

Молекулы антибиотиков очень разнообразны по составу и механизму действия на микробную клетку. При этом в связи с возникновением устойчивости патогенных микроорганизмов к старым антибиотикам постоянно существует потребность в новых. В некоторых случаях природные микробные антибиотические продукты химическим или энзиматическим путем могут быть превращены в так называемые полусинтетические антибиотики, обладающие более высокими терапевтическими свойствами.

Антибиотики - органические соединения. Они синтезируются живой клеткой и способны в небольших концентрациях замедлить развитие или полностью уничтожить чувствительные к ним виды микроорганизмов. Их продуцируют не только клетки микроорганизмов и растений, но и клетки животных. Антибиотики растительного происхождения называют фитонцидами. Это хлорелин, томатин, сативин, получаемый из чеснока, и алин, выделяемый из лука.

Рост микроорганизмов можно охарактеризовать как S - образную кривую. Первая стадия - стадия быстрого роста, или логарифмическая, для которой характерен синтез первичных метаболитов. Далее наступает фаза медленного роста, когда увеличение биомассы клеток резко замедляется. Микроорганизмы, производящие вторичные метаболиты, вначале проходят стадию быстрого роста, тропофазу, во время которой синтез вторичных веществ 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. Идиолиты, или вторичные метаболиты, 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. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам .

Особенности культурального роста этих микроорганизмов необходимо учитывать при производстве. Например, в случае антибиотиков большинство микроорганизмов в процессе тропофазы 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.

Культуры клеток и тканей растений считаются потенциальным источником специфических вторичных метаболитов, к которым относятся такие соединения, как алкалоиды, стероиды, масла и пигменты. Многие из этих веществ все еще получают путем экстракции из растений. Не ко всем видам растений в настоящее время применимы методы микробиологической промышленности. За исключением некоторых видов растений, суспензионные и каллусные культуры клеток синтезируют вторичные метаболиты в меньших количествах, чем целые растения. При этом рост биомассы в ферментере может быть значительным.

Новым подходом, направленным на увеличение выхода вторичных метаболитов, является иммобилизация клеток и тканей растений. Первая удачная попытка зафиксировать целые клетки была осуществлена в 1966 г. Мосбахом. Он зафиксировал клетки лишайника Umbilicaria pustulata в полиакриламидном геле. На следующий год ван Вецель выращивал клетки эмбрионов животных, иммобилизованных на микрошариках ДЭАЭ (диэтиламиноэтил сефадекса, на основе декстрана). После этого клетки были иммобилизованы на разных субстратах. В основном это были клетки микроорганизмов.

Методы иммобилизации клеток делят на 4 категории:

Иммобилизация клеток или субклеточных органелл в инертном субстрате. Например, клетки Catharanthus roseus, Digitalis lanata в альгинатных, агарозных шариках, в желатине и т.д. Метод предполагает обволакивание клеток одной из различных цементирующих сред – альгинат, агар, коллаген, полиакриламид.

Адсорбция клеток на инертном субстрате. Клетки прилипают к заряженным шарикам из альгината, полистирола, полиакриламида. Метод применялся в экспериментах с животными клетками, а также клетками Saccharomyces uvarum, S. cerevisiae, Candida tropicalis, E. coli.

Адсорбция клеток на инертном субстрате с помощью биологических макромолекул (таких, как лектин). Применяется редко, есть сведения об экспериментах с различными линиями клеток человека, эритроцитами крови барана, адсорбированными на покрытой белком агарозе.

Ковалентное связывание с другим инертным носителем типа КМЦ. Очень редко применяется, известна удачная иммобилизация для Micrococcus luteus. В основном проводились эксперименты по иммобилизации клеток животных и микроорганизмов.

В последнее время интерес к иммобилизации клеток растений значительно возрос, это связано с тем, что иммобилизованные клетки имеют определенные преимущества перед каллусными и суспензионными культурами при использовании их для получения вторичных метаболитов.

Физиологические основы преимущества иммобилизованных растительных клеток перед традиционными способами культивирования

В литературе имеются многочисленные данные о том, что существует положительная корреляция между накоплением вторичных метаболитов и степенью дифференцировки в культуре клеток. Кроме того, лигнин, например, откладывается в трахеидах и сосудистых элементах ксилемы только после завершения процессов дифференцировки, что было показано в экспериментах как in vivo, так и in vitro. Полученные данные свидетельствуют о том, что дифференциация и накопление вторичных продуктов обмена веществ происходит в конце клеточного цикла. При снижении роста процессы дифференциации ускоряются.

Изучение содержания алкалоидов, накапливаемых многими растениями in vitro, показало, что компактные, медленно растущие культуры клеток содержат алкалоиды в больших количествах, чем рыхлые, быстро растущие культуры. Организация клеток необходима для их нормального метаболизма. Наличие организованности в ткани и ее последующее действие на различные физические и химические градиенты – четкие показатели, по которым различаются высоко- и низкопродуктивные культуры. Очевидно, что иммобилизация клеток обеспечивает условия, приводящие к дифференциации, упорядочивает организацию клеток и способствует тем самым высокому выходу вторичных метаболитов.

Иммобилизованные клетки имеют ряд преимуществ:

1. Клетки, иммобилизованные в или на инертном субстрате, образуют биомассу гораздо медленнее, чем растущие в жидких суспензионных культурах.

Какова же связь между ростом и метаболизмом? При чем здесь клеточная организация и дифференцировка? Предполагают, что эта взаимосвязь обусловлена двумя типами механизмов. Первый механизм основан на том, что рост определяет степень агрегации клеток, оказывая косвенное влияние на синтез вторичных метаболитов. Организация в данном случае является результатом агрегации клеток, а достаточная степень агрегации может быть получена только в медленно растущих культурах. Второй механизм связан с кинетикой скорости роста и предполагает, что «первичный» и «вторичный» пути метаболизма по-разному конкурируют за предшественники в быстро и медленно растущих клетках. Если условия среды благоприятны для быстрого роста, то в первую очередь синтезируются первичные метаболиты. Если быстрый рост блокирован, то начинается синтез вторичных метаболитов. Таким образом, низкая скорость роста иммобилизованных клеток способствует высокому выходу метаболитов.

2. Кроме медленного роста иммобилизация клеток позволяет им расти в тесном физическом контакте друг другом, что благоприятно отражается и на химических контактах.

В растении любая клетка окружена другими клетками, но ее положение меняется в ходе онтогенеза в результате деления как этой, так и окружающих клеток. От положения клетки в растении зависит степень и тип дифференциации этой клетки. Следовательно, физическое окружение клетки влияет на ее метаболизм. Каким образом? Регуляция синтеза вторичных метаболитов находится как под генетическим, так и под эпигенетическим (внеядерным) контролем, то есть любые изменения в цитоплазме могут привести к количественным и качественным изменениям в образовании вторичных метаболитов. В свою очередь, цитоплазма представляет собой динамическую систему, находящуюся под влиянием окружающей среды.

Из внешних условий на метаболизм существенное влияние оказывают 2 важных фактора: концентрация кислорода и углекислого газа, а также уровень освещения. Свет играет роль и в процессе фотосинтеза, и в таких физиологических процессах, как деление клеток, ориентация микрофибрилл, активация ферментов. Интенсивность и длина световой волны определяется положением клетки в массе других клеток, то есть зависят от степени организованности ткани. В организованной структуре существуют центробежные градиенты концентрации О2 и СО2, которые играют исключительно важную роль в процессе дифференциации.

Таким образом, вторичный метаболизм в крупных агрегатах клеток с небольшим отношением площади к объему (S/V) отличается от такового изолированных клеток и мелких групп клеток в результате действия градиентов концентрации газов. Аналогично действуют градиенты регуляторов роста, питательных веществ, механического давления. Условия окружения у диспергированных клеток и клеток в виде агрегатов различны, поэтому пути метаболизма у них также различаются.

3. Регулировать выход вторичных метаболитов можно также, изменяя химический состав окружающей среды.

Изменение состава среды для каллусной и суспензионной культуры сопровождается определенными физическим манипуляциями с клетками, что может привести к повреждению или загрязнению культур. Эти трудности можно преодолеть, используя циркуляцию больших объемов питательной среды вокруг физически неподвижных клеток, что позволяет осуществлять последовательные химические воздействия.

4. В некоторых случаях возникают проблемы с выделением идиолитов.

При использовании иммобилизованных клеток относительно легко осуществляется обработка их химическим веществами, индуцирующими высвобождение требуемых продуктов. Это также снижает ингибирование по типу обратной связи, которое ограничивает синтез веществ вследствие накопления их внутри клетки. Культивируемые клетки некоторых растений, например, Capsicum frutescens выделяют вторичные метаболиты в окружающую среду, а система иммобилизованных клеток позволяет отбирать продукты без повреждения культур. Таким образом, иммобилизация клеток способствует легкой изоляции идиолитов .

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.

3. 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

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.

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: