Вторичные метаболиты растений. Первичный и вторичный метаболизм в растениях и их продукты Вторичные метаболиты примеры

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.

Большинство пряностей, приправ, чая и других напитков, таких как кофе и какао обязаны их индивидуальным свойствам (вкусу и аромату) фармакологически активным вторичным метаболитам растений, которые их содержат. Хотя некоторые из этих активных веществ (например, ванилин, эфедрин и кофеин) получают путем полу или полного синтеза, высокие цены по-прежнему выплачиваются в для соединений, выделенных из природных источников, особенно если они предназначены для использования в качестве пищевых добавок и ароматизаторов.

Некоторые биологически активные вторичные метаболиты нашли применение как наркотики или в качестве модельных соединений для синтеза наркотиков и semisyntheses. Однако, часто забывают, что натуральные продукты часто служат химическим моделям для проектирования и полного синтеза новых структур наркотиков. Например, меперидин (демерол), пентазоцин (Talwin) и пропоксифен (Darvon) являются полностью синтетическими анальгетиками для которых опиаты, такие как морфин и кодеин, были моделями, в то время как аспирин является простой производной салициловой кислоты, первоначально полученные из ивы (Salix SPP.).

По сравнению с относительно низкой стоимостью первичных и массовых метаболитов, вторичные метаболиты растений часто оцениваются от нескольких долларов до нескольких тысяч долларов за килограмм. Например, очищенные алкалоиды опия (кодеин и морфин) оцениваются в диапазоне от $ 650 до $ 1250 за килограмм, а редкие летучие (эфирные) масла, например, розовое масло, часто на сумму более $ 2000 до $ 3000 за килограмм. Противоопухолевые алкалоиды Катарантуса имеют оптовую стоимость около $ 5000 за грамм, а их розничная стоимость может достигать $ 20,000 за грамм. Натуральные продукты часто имеют весьма сложные структуры с множеством хиральных центров, которые могут определить биологическую активность. Такие сложные соединения не могут быть синтезированы искусственно. Хорошим примером такого метаболита с высокой степенью структурной сложности является естественный азадирахтин растительный инсектицидам.

Экономически важные характеристики первичных и вторичных метаболитов. Большинство из них может быть получено из растительного сырья путем дистилляции паром или экстракцией органическими растворителями, и (за исключением биополимеров, натурального каучука, конденсированных танинов и веществ с высоким молекулярным весом, полисахариды, такие как десны, пектин и крахмал), у них, как правило, относительно низкая молекулярная масса (как правило, менее чем 2000).

К экономически важным веществам растительного происхождения относятся ферменты папаин и chymopapain (ферменты, полученные из папайи (Carica Papaya), которые используются в лечебных целях, бромелайн (переваривание белков молока и свертывания фермента из ананасового сока) и экстракт солода (продукт из ячменя, который содержит расщепляющий крахмал фермент).

Получение и использование специальных растительных белков из растительных клеток имеет ограниченное значение по нескольким причинам. Во-первых, их химическая структура накладывает определенные ограничения на их использование в качестве биологически активных соединений, которые могут выступать, как наркотики и пестициды. Например, большинство белков не может быть легко, поглощаться через кожу млекопитающих или экзоскелета насекомых, и большинство из них также не могут быть введены в пероральной форме (кроме как для достижения местного эффекта), поскольку они подвержены деградации пищеварительными протеолитическими ферментами. Для воспроизводимых системных эффектов, вызванных, полипептидами (таких, как chymopapain) должны вводиться в виде инъекций. Таким образом, белки не являются биологически доступными также легко, как вторичные метаболиты (белковые продукты), что осложняет разработку из них конечных продуктов и их использование. Например, некоторые потенциально полезные белки могут быстро деградировать из-за физико-химической неустойчивости. В настоящее время уже имеются технологии для вставки и выражение у бактерий и дрожжей генов, кодирующих синтез ценных полипептидов. Однако, и в данном случае возникают трудности для производства сложных вторичных метаболитов в связи из-за характера вторичного биосинтеза метаболитов в растениях. Белки являются непосредственными продуктами генов, тогда как вторичные метаболиты, как правило, синтезированы с помощью совместных действий многих генных продуктов (ферменты) (Y. Aharonowitz). Генов, ответственных за биосинтез экономически важных вторичных метаболитов очень много (для каждого биосинтетического пути, ведущих к производству вторичного метаболита, требуются многие гены). Кроме того, генномодифицированные микроорганизмы имеют множество ферментов в своем пути биосинтеза, которые могут катализировать нежелательные побочные реакции с желаемым метаболитом или полупродуктом. Таким образом, по крайней мере, в ближайшем будущем, растения или растительные клетки, вероятно, будут выступать в качестве источников для большинства биологически активных растительных компонентов.

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-1.jpg" alt="> Вторичные метаболиты Вторичные метаболиты - органические вещества, синтезируемые организмом, но"> Вторичные метаболиты Вторичные метаболиты - органические вещества, синтезируемые организмом, но не участвующие в росте, развитии или репродукции. Для своей жизнедеятельности бактерии также производить широкий спектр вторичных метаболитов. Среди них витамины, антибиотики, алкалоиды и прочие. Среди витаминов, образуемых микроорганизмами, заслуживают упоминания рибофлавин и витамин В 12. Рибофлавин выделяют главным образом аскомицеты; однако дрожжи (Candida) и бактерии (Clostridium) тоже синтезируют в больших количествах флавины. Способность к образованию витамина В 12 присуща бактериям, в метаболизме которых важную роль играют корриноиды (Propionibacterium, Clostridium). Этот же витамин образуют и стрептомицеты. Что касается алкалоидов, то одни только алкалоиды спорыньи, производные лизергиновой кислоты (эрготамин, эрготоксин) добывают из микроорганизма.

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-2.jpg" alt="> Антибио тики Антибиотик - вещество микробного, животного или"> Антибио тики Антибиотик - вещество микробного, животного или растительного происхождения, способное подавлять рост микроорганизмов или вызывать их гибель Антибиотики природного происхождения чаще всего продуцируются актиномицетами, реже - немицелиальными бактериями. Некоторые антибиотики оказывают сильное подавляющее действие на рост и размножение бактерий и при этом относительно мало повреждают или вовсе не повреждают клетки макроорганизма, и поэтому применяются в качестве лекарственных средств. Некоторые антибиотики используются в качестве цитостатических (противоопухолевых) препаратов при лечении онкологических заболеваний.

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-3.jpg" alt=">Классификация антибиотиков Огромное разнообразие антибиотиков и видов их воздействия на организм человека"> Классификация антибиотиков Огромное разнообразие антибиотиков и видов их воздействия на организм человека явилось причиной классифицирования и разделения антибиотиков на группы. По характеру воздействия на бактериальную клетку антибиотики можно разделить на две группы: бактериостатические (бактерии живы, но не в состоянии размножаться), бактерицидные (бактерии погибают, а затем выводятся из организма).

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-4.jpg" alt=">Классификация антибиотиков по химической структуре Бета-лактамные антибиотики (β-лактамные антибиотики, β-лактамы)"> Классификация антибиотиков по химической структуре Бета-лактамные антибиотики (β-лактамные антибиотики, β-лактамы) - группа антибиотиков, которые объединяет наличие в структуре β-лактамного кольца. В бета-лактамам относятся подгруппы пенициллинов, цефалоспоринов, карбапенемов и монобактамов. Сходство химической структуры предопределяет одинаковый механизм действия всех β- лактамов (нарушение синтеза клеточной стенки бактерий).

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-5.jpg" alt=">Строение пенициллина (1) и цефалоспорина (2) ">

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-6.jpg" alt="> Макролиды - группа лекарственных средств, большей частью антибиотиков, основой химической структуры"> Макролиды - группа лекарственных средств, большей частью антибиотиков, основой химической структуры которых является макроциклическое 14 - или 16 -членное лактонное кольцо, к которому присоединены один или несколько углеводных остатков. Макролиды относятся к классу поликетидов, соединениям естественного происхождения. Также к макролидам относят: азалиды, представляющие собой 15 -членную макроциклическую структуру, получаемую путем включения атома азота в 14 -членное лактонное кольцо между 9 и 10 атомами углерода; телитромицин азитромицин рокитамицин кетолиды - 14 -членные макролиды, у которых к лактонному кольцу при 3 атоме углерода присоединена кетогруппа. природные эритромицин олеандомицин мидекамицин спирамицин лейкомицин джозамицин, полусинтетические рокситромицин кларитромицин диритромицин флуритромицин Макролиды относятся к числу наименее токсичных антибиотиков. При применении макролидов не отмечено случаев нежелательных лекарственных реакций, свойственных другим классам антимикробных препаратов.

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-7.jpg" alt=">Строение эритромицина ">

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-8.jpg" alt="> Тетрациклины - группа антибиотиков, относящихся к классу поликетидов, близких по химическому"> Тетрациклины - группа антибиотиков, относящихся к классу поликетидов, близких по химическому строению и биологическим свойствам. Представители данного семейства характеризуются общим спектром и механизмом антимикробного действия, полной перекрёстной устойчивостью, близкими фармакологическими характеристиками. первый представитель данной группы антибиотиков - хлортетрациклин (торговые названия ауреомицин, биомицин) - выделен из культуральной жидкости лучистого гриба Streptomyces aureofaciens; окситетрациклин (террамицин) - выделен из культуральной жидкости другого актиномицета Streptomyces rimosus; полусинтетический антибиотик тетрациклин; был выделен из культуральной жидкости Streptomyces aureofaciens.

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-9.jpg" alt="> Другие важные тетрациклины: полусинтетические производные окситетрациклина - доксициклин, метациклин."> Другие важные тетрациклины: полусинтетические производные окситетрациклина - доксициклин, метациклин. производные тетрациклина - гликоциклин, морфоциклин. комбинированные лекарственные формы с олеандомицином - олететрин, олеморфоциклин. а также миноциклин. Тетрациклины являются антибиотиками широкого спектра действия. Высокоактивны in vitro в отношении большого числа грамположительных и грамотрицательных бактерий. В высоких концентрациях действуют на некоторых простейших. Мало или совсем неактивны в отношении большинства вирусов и плесневых грибов. Недостаточно активны в отношении кислотоустойчивых бактерий

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-10.jpg" alt=">Структура тетрациклина ">

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-11.jpg" alt="> Аминогликозиды - группа антибиотиков, общим в химическом строении которых является наличие"> Аминогликозиды - группа антибиотиков, общим в химическом строении которых является наличие в молекуле аминосахара, соединённого гликозидной связью с аминоциклическим кольцом. По химическому строению к аминогликозидам близок также спектиномицин, аминоциклитоловый антибиотик. Основное клиническое значение аминогликозидов заключается в их активности в отношении аэробных грамотрицательных бактерий. Аминогликозиды образуют необратимые ковалентные связи с белками 30 S-субъединицы бактериальных рибосом и нарушают биосинтез белков в рибосомах, вызывая разрыв потока генетической информации в клетке. Гентамицин так же может воздействовать на синтез белка, нарушая функции 50 S- субъединицы рибосомы

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-12.jpg" alt="> Аминогликозиды являются бактерицидными антибиотиками, то есть непосредственно убивают чувствительные к ним "> Аминогликозиды являются бактерицидными антибиотиками, то есть непосредственно убивают чувствительные к ним микроорганизмы (в отличие от бактериостатических антибиотиков, которые лишь тормозят размножение микроорганизмов, а справиться с их уничтожением должен иммунитет организма хозяина). Поэтому аминогликозиды проявляют быстрый эффект при большинстве тяжёлых инфекций, вызванных чувствительными к ним микроорганизмами, и их клиническая эффективность гораздо меньше зависит от состояния иммунитета больного, чем эффективность бактериостатиков Основные препараты: стрептомицин, канамицин, неомицин, гентамицин, тобрамицин, нетилмицин, сизомицин, амикацин.

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-13.jpg" alt="> Левомицетины (Хлорамфеникол) - первый антибиотик, полученный синтетически. Применяют"> Левомицетины (Хлорамфеникол) - первый антибиотик, полученный синтетически. Применяют для лечения брюшного тифа, дизентерии и других заболеваний Использование ограничено по причине повышенной опасности серьезных Хлорамфеникол (левомицетин) осложнений - поражении костного мозга, вырабатывающего клетки крови. Действие - бактериостатическое.

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-14.jpg" alt="> Гликопептидные антибиотики - состоят из гликозилированных циклических или полициклических нерибосомных пептидов."> Гликопептидные антибиотики - состоят из гликозилированных циклических или полициклических нерибосомных пептидов. Значимые гликопептидные антибиотики включают ванкомицин, тейкопланин, телаванцин, блеомицин, рамопланин и декапланин. Гликопептидные антибиотики нарушают синтез клеточной стенки бактерий. Оказывают бактерицидное действие, однако в отношении энтерококков, некоторых стрептококков и стафилококков действуют бактериостатически. Линкозамиды - группа антибиотиков, в которую входят природный антибиотик линкомицин и его полусинтетический аналог клиндамицин. Обладают бактериостатическими или бактерицидными свойствами в зависимости от концентрации в организме и чувствительности микроорганизмов. Полимиксины - группа бактерицидных антибиотиков, обладающих узким спектром активности против грамотрицательной флоры. . По химической природе это полиеновые соединения, включающие остатки полипептидов. В обычных дозах препараты этой группы действуют бактериостатически, в высоких концентрациях - оказывают бактерицидное действие. Из препаратов в основном применяются полимиксин В и полимиксин М. Обладают выраженной нефро- и нейротоксичностью.

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-15.jpg" alt="> Антибиотики животного происхождения Лизоци м (мурамидаза) - антибактериальный"> Антибиотики животного происхождения Лизоци м (мурамидаза) - антибактериальный агент, фермент класса гидролаз, разрушающий клеточные стенки бактерий путём гидролиза пептидогликана клеточной стенки бактерий муреина. ферменты содержатся в организмах животных, в первую очередь, в местах соприкосновения с окружающей средой - в слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта, слёзной жидкости, грудном молоке, слюне, слизи носоглотки и т. д. В больших количествах лизоцимы содержатся в слюне, чем объясняются её антибактериальные свойства. В грудном молоке человека концентрация лизоцима весьма высока (около 400 мг/л). Это намного больше, чем в коровьем. При этом концентрация лизоцима в грудном молоке не снижается со временем, через полгода после рождения ребёнка она начинает возрастать. Экмолин - белковый антибиотик. Обладает антибактериальными свойствами. Выделен из печени рыб. Усиливает действие ряда бактериальных антибиотиков

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-16.jpg" alt="> Антибиотики растительного происхождения (фитонциды) По химической природе очень разнообразны: "> Антибиотики растительного происхождения (фитонциды) По химической природе очень разнообразны: гликозиды, терпеноиды, алкалоиды и другие вторичные метаболиты растений. Защитная роль проявляется не только в уничтожении микроорганизмов, но и в подавлении их размножения, в отрицательном хемотаксисе подвижных форм микроорганизмов, в стимулировании жизнедеятельности микроорганизмов, являющихся антагонистами патогенных форм для данного растения Например - аллейцин (род Allium - лук, чеснок,), иманин (зверобой), синигрин (хрен - р. Armorácia) и т. д.

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-17.jpg" alt=">Антибактериальные вещества Сульфани лами ды - это группа химических веществ, производных пара-"> Антибактериальные вещества Сульфани лами ды - это группа химических веществ, производных пара- аминобензолсульфамида - амида сульфаниловой кислоты (пара-аминобензосульфокислоты). пара-Аминобензолсульфамид - простейшее соединение класса - также называется белым стрептоцидом. Несколько более сложный по структуре сульфаниламид пронтозил (красный стрептоцид) был первым препаратом этой группы и вообще первым в мире синтетическим антибактериальным препаратом

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-18.jpg" alt=">Антибактериальные вещества Имеющиеся сульфаниламидные средства различаются по фармакологическим параметрам. Стрептоцид,"> Антибактериальные вещества Имеющиеся сульфаниламидные средства различаются по фармакологическим параметрам. Стрептоцид, норсульфазол, сульфазин, сульфадимезин, этазол, сульфапиридазин, сульфадиметоксин и др. относительно легко всасываются и быстро накапливатся в крови и органах в бактериостатических концентрациях, проникают через гистогематические барьеры (гематоэнцефалический, плацентарный и др.); они находят применение при лечении различных инфекционных заболеваний. Другие препараты, такие как фталазол, фтазин, сульгин, трудно всасываются, относительно долго находятся в кишечнике в высоких концентрациях и выделяются преимущественно с калом. Поэтому они применяются главным образом при инфекционных заболеваниях желудочно- кишечного тракта. Уросульфан выделяется в значительном количестве почками; он применяется преимущественно при инфекциях мочевых путей

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-19.jpg" alt=">Антибактериальные вещества Хиноло ны - группа антибактериальных препаратов, также включающая фторхинолоны. Первые "> Антибактериальные вещества Хиноло ны - группа антибактериальных препаратов, также включающая фторхинолоны. Первые препараты этой группы, прежде всего налидиксовая кислота, в течение многих лет применялись только при инфекциях мочевыводящих путей. Фто рхиноло ны - группа лекарственных веществ, обладающих выраженной противомикробной активностью, широко применяющихся в медицине в качестве антибиотиков широкого спектра действия. По широте спектра противомикробного действия, активности, и показаниям к применению они действительно близки к антибиотикам. Фторхинолоны подразделяют на препараты первого (пефлоксацин, офлоксацин, ципрофлоксацин, ломефлоксацин, норфлоксацин) и второго поколения (левофлоксацин, спарфлоксацин, моксифлоксацин.

Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-20.jpg" alt=">Антибактериальные вещества Нитрофураны - группа антибактериальных средств, производные фурана. К"> Антибактериальные вещества Нитрофураны - группа антибактериальных средств, производные фурана. К нитрофуранам чувствительны грамположительные и грамотрицательные бактерии, а также хламидии и некоторые простейшие (трихомонады, лямблии). Обычно Нитрофураны действуют на микроорганизмы бактериостатически, однако в высоких дозах они могут оказывать бактерицидное действие. Кроме того анибактериальное действие могут оказывать тяжелые металлы, цианиды, фенолы и т. д.

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 .

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

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.

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 растений

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.». В этой лекции, которая была опубликована в том же году в Archiv fur Physiologie, он предложил разделить составляющие клетку вещества на первичные и вторичные. «В то время как первичные метаболиты присутствуют в каждой растительной клетке, способной к делению, то вторичные метаболиты присутствуют в клетках только «нечаянно» и не необходимы для жизни растения.

Случайное распространение этих соединений, их нерегулярное нахождение в близких видах растений, вероятно свидетельствует о том, что их синтез связан с процессами, не являющимися неотъемлемыми для каждой клетки, а имеющими скорее вторичный характер.... Я предлагаю называть соединения, имеющие важность для каждой клетки первичными, а соединения, не присутствующие в любой растительной клетке - вторичными». Отсюда становится понятным происхождение названия «вторичные метаболиты» - значит второстепенные, «случайные».

Круг соединений первичного метаболизма очевиден - это прежде всего белки, жиры, углеводы и

нуклеиновые кислоты. Правда, Коссель считал первичными метаболитами только несколько сотен низкомолекулярных соединений, необходимых для каждой делящейся растительной клетки. До недавнего времени вторичные матаболиты также не служили предметом особых споров. Соглашаясь с Косселем, большинство исследователей считали, что это некоторые "чудачества" метаболизма, допустимые излишества. Такие соединения в литературе иногда даже называли "веществами роскоши клеток".

Подавляющее большинство активных агентов было получено из растений. Первым таким соединением оказался морфий - алкалоид морфин, который в 1803 году выделил из опия (высушенный сок коробочек мака) немецкий аптекарь Зертюнер. Собственно, это событие можно считать началом изучения вторичных метаболитов высших растений.

Затем наступил черед других алкалоидов. Профессор Харьковского университета Ф.И.Гизе в 1816 году получил из коры хинного дерева цинхонин, но это осталось практически незамеченным и многие исследователи приписывают открытие алкалоидов хинного дерева Десосу, который выделил в чистом виде хинин и цинхонин только в 1820 г.

В 1818 году Каванту и Пелетье выделили из рвотного ореха (семена чилибухи Strychnos nux-vomica L.) стрихнин; Рунге в 1920 году нашел кофеин в кофе; в 1826 г. Гизекке открыл кониин в болиголове (Conium maculatum L); в 1828 г. Поссель и Райман выделили никотин из табака; в 1831 г. Майн получил атропин из белладонны (Atropa beladonna L.).

Использования природного многообразия в терапевтических целях не ограничивается только грибами и актиномицетами, продуцирующими антибиотики. В частности, растения отличаются поразительным многообразием синтетических процессов, конечные продукты которых представлены соединениями самого разного химического строения. В современной медицине применяют жирные кислоты, масла, полисахариды растительного происхождения, а также удивительно разнообразные вторичные метаболиты. Вторичный метаболизм, в отличие от общего для всех организмов первичного обмена, характеризуется таксономическим своеобразием. Вторичный метаболизм растений - это особенность дифференцированных растительных клеток и тканей, он присущ только специализированным органам, приурочен к определённым фазам жизненного цикла. К основным классам вторичных метаболитов относятся алкалоиды, изопреноиды и фенольные соединения. В растениях также синтезируются цианогенные гликозиды, поликетиды, витамины. Из 30 известных витаминов около 20 поступает в организм человека с растительной пищей. Некоторые из перечисленных классов соединений, а также растения, из которых они выделяются, представлены в таблице

Вторичные метаболиты Растение-источник

Алкалоиды Мак снотворный. Красавка белладонна. Барвинок. Раувольфия. Безвременник. Хинное дерево. Табак.

Изопреноиды:

таксолы Тиссовое дерево

сердечные гликозиды, или карденолиды Наперстянка. Лиана строфант. Ландыш майский.

тритерпеновые гликозиды,или сапонины Женьшень. Солодка. Аралия.

стероидные гликозиды Лианы диоскорея.

Фенольные соединения:

флавоноиды Солодка. Пустырник. Бессмертник.

Алкалоиды. К настоящему времени известно около10 тысяч алкалоидов, и они обладают высокой фармакологической активностью. Содержание алкалоидов в растительном сырье обычно не превышает нескольких процентов, но в коре хинном дерева их количество достигает 15-20%. Алкалоиды могут концентрироваться в различных органах и тканях. При этом часто они накапливаются не в тех тканях, где синтезируются. Например, никотин синтезируется в корнях табака, а запасается в листьях. Среди наиболее известных алкалоидов можно назвать морфин, кодеин, папаверин, которые были выделены из коробочек мака снотворного (Papaver somniferum). Алкалоиды красавки белладонны (Atropa belladonna), которую иначе называют «сонной одурью», входят в состав многих медицинских препаратов, таких как, бесалол, беллалгин, беллатаминал, солутан. Широкое распространение в современной онкологии получили алкалоиды из барвинка (Catharanthus roseus) – винбластин и винкристин, а резерпин и аймалин из корней раувольфии (Rauvolfia serpentina) используются в качестве психотропных средств и для понижения давления.

Изопреноиды. По числу выделенных соединений изопреноиды превосходят все другие классы вторичных метаболитов (их более 23 тысяч), но по фармакологической активности они уступают алкалоидам. В данную группу объединены разные по строению соединения. Некоторые из них невозможно заменить синтетическими препаратами, например, таксолы, выделенные из коры тиссового дерева. Они являются чрезвычайно активными цитостатиками, действуя на раковые клетки в очень малых дозах. На них в настоящее время в онкологии возлагают большие надежды.

Наиболее важную группу изопреноидов составляют сердечные гликозиды, или карденолиды. Например, из двух видов наперстянки пурпуровой (Digitalis purpurea) и наперстянки шерстистой (D. lanata) выделено около 50 карденолидов, в том числе дигитоксин. Широко вошёл в медицинскую практику природный гликозид к-строфантозид, являющийся незаменимым средством для оказания скорой помощи: он действует на сердце через 1-3 мин. после внутривенного введения. Этот препарат выделяют из семян лианы Strophanthus kombe, произрастающей в тропических лесах Африки, где местное население использовало сок этого растения в качестве яда для стрел. Сердечные гликозиды из ландыша майского (Cjnvallaria majalis) по активности превосходят другие сердечные гликозиды (например, дигитоксин).

Другие важные для медицины группы изопреноидов представляют собой тритерпеновые гликозиды, или сапонины. Большинство представителей этой группы имеют высокую биологическую активность, которая обусловливает их лечебное действие и применение таких известных биостимуляторов, как женьшень, аралия, солодка.

Стероидные гликозиды отличаются по биологической активности от тритерпеновых. Для современной медицины это исходное сырьё для синтеза многих гормонов и противозачаточных средств. Начиная с 40-х годов прошлого столетия для получения стероидного сырья, в основном, используют гликозид диосгенин из корневищ различных видов лиан из рода Dioscorea. В настоящее время из него получают более 50% всех стероидных лекарственных средств. Исследования последних лет выявили у соединений этой группы и другие важные для медицины свойства.

Фенольные соединения. Самая многочисленная и широко распространённая в растениях группа фенольных соединений - флавоноиды. Они накапливаются в корнях солодки (Glycyrrhiza glabra), траве пустырника (Leonurus cordiaca), цветках бессмертника (Helichryzum arenarium). Флавоноиды отличаются широким спектром фармакологического действия. Они обладают желчегонным, бактерицидным, спазмолитическим, кардиотоническим действием, уменьшают ломкость и проницаемость сосудов (например, рутин), способны связывать и выводить из организма радионуклиды, у них также выявлен противораковый эффект.

Поражающие воображение биосинтетические возможности растений ещё далеко не раскрыты. Из 250 тыс. обитающих на Земле видов обследовано не более 15%, и лишь для некоторых лекарственных растений получены культуры клеток. Так, культуры клеток женьшеня и диоскореи являются основой биотехнологического процесса получения тритерпеновых и стероидных гликозидов. На внедрение этих новых технологий возлагают большие надежды, так как многие редкие или вообще не произрастающие в наших климатических условиях растения можно использовать в виде каллусных или суспензионных культур. К сожалению, техногенный характер цивилизации на нашей планете наносит непоправимый ущерб дикорастущей флоре. Изменяется не только биосфера Земли - среда обитания человека, но и уничтожаются огромные неисследованные кладовые здоровья и долголетия.