A mikrobiális folyamatok során nyert termékek közül a másodlagos metabolitok a legfontosabbak. A másodlagos metabolitok, más néven idiolitok, alacsony molekulatömegű vegyületek, amelyek nem szükségesek a tiszta kultúrában történő növekedéshez. Korlátozott számú taxonómiai csoport állítja elő őket, és gyakran ugyanahhoz a kémiai csoporthoz tartozó, közeli rokon vegyületek keveréke. Ha komoly vita tárgyát képezi a másodlagos metabolitok termelő sejtekben betöltött élettani szerepének kérdése, akkor ipari előállításuk kétségtelenül érdekes, hiszen ezek a metabolitok biológiailag aktív anyagok: egy részük antimikrobiális, mások specifikus enzimgátló hatásúak. és mások növekedési faktorok, sokuk farmakológiai aktivitással rendelkezik. A másodlagos metabolitok közé tartoznak az antibiotikumok, alkaloidok, növényi növekedési hormonok és toxinok. A gyógyszeripar rendkívül kifinomult módszereket fejlesztett ki a mikroorganizmusok szűrésére (tömeges tesztelésre), hogy képesek legyenek értékes másodlagos metabolitokat termelni.
Az ilyen anyagok előállítása a mikrobiológiai ipar számos ágának létrehozásának alapjául szolgált. Az első ebben a sorozatban a penicillin előállítása volt; A penicillin előállításának mikrobiológiai módszerét az 1940-es években fejlesztették ki, és ez megalapozta a modern ipari biotechnológiát.
Az antibiotikum-molekulák összetételében és a mikrobiális sejtre gyakorolt hatásmechanizmusában nagyon változatosak. Ugyanakkor a kórokozó mikroorganizmusok régi antibiotikumokkal szembeni rezisztenciájának megjelenése miatt folyamatosan szükség van újakra. Egyes esetekben a természetes mikrobiális antibiotikum termékek kémiai vagy enzimatikus úton átalakíthatók úgynevezett félszintetikus antibiotikumokká, amelyek magasabb terápiás tulajdonságokkal rendelkeznek.
Az antibiotikumok szerves vegyületek. Élő sejt szintetizálja őket, és kis koncentrációban képesek lelassítani a rájuk érzékeny mikroorganizmusfajok fejlődését vagy teljesen elpusztítani. Nemcsak mikrobiális és növényi sejtek termelik, hanem állati sejtek is. A növényi eredetű antibiotikumokat fitoncideknek nevezzük. Ezek a fokhagymából nyert chlorelin, tomatine, sativin és a hagymából izolált aline.
A mikroorganizmusok növekedése egy S alakú görbével jellemezhető. Az első szakasz a gyors növekedés szakasza, vagy logaritmikus, amelyet az elsődleges metabolitok szintézise jellemez. Ezután következik a lassú növekedési szakasz, amikor a sejtbiomassza növekedése meredeken lelassul. A másodlagos metabolitokat termelő mikroorganizmusok először a gyors növekedés szakaszán, a tropofázison mennek keresztül, amely során a másodlagos anyagok szintézise jelentéktelen. Amint a növekedés lelassul a tápközegben lévő egy vagy több esszenciális tápanyag kimerülése miatt, a mikroorganizmus idiofázisba kerül; Ebben az időszakban szintetizálódnak az idiolitok. Az idiolitok vagy másodlagos metabolitok nem játszanak egyértelmű szerepet az anyagcsere-folyamatokban, ezeket a sejtek állítják elő, hogy alkalmazkodjanak a környezeti feltételekhez, például védekezés céljából. Nem minden mikroorganizmus szintetizálja őket, hanem főleg fonalas baktériumok, gombák és spóraképző baktériumok. Így az elsődleges és másodlagos metabolitok termelői különböző taxonómiai csoportokba tartoznak.
Az előállítás során figyelembe kell venni e mikroorganizmusok tenyésztési jellemzőit. Például az antibiotikumok esetében a legtöbb mikroorganizmus a tropofázis alatt érzékeny a saját antibiotikumokra, az idiofázisban viszont rezisztenssé válik velük szemben.
A legtöbb fűszer, ízesítő, tea és egyéb ital, például a kávé és a kakaó egyedi tulajdonságait (ízét és aromáját) az ezeket tartalmazó növények farmakológiailag aktív másodlagos metabolitjainak köszönheti. Bár ezen hatóanyagok egy részét (pl. vanillint, efedrint és koffeint) fél- vagy teljes szintézissel állítják elő, a természetes forrásokból izolált vegyületekért továbbra is magas árat kell fizetni, különösen, ha élelmiszer-adalékanyagként és ízesítőként szánják őket.
Néhány biológiailag aktív másodlagos metabolitot gyógyszerként vagy gyógyszerszintézis és félszintézis modellvegyületeként használnak. Azonban gyakran elfelejtik, hogy a természetes termékek gyakran szolgálnak kémiai modellként új gyógyszerszerkezetek tervezéséhez és teljes szintéziséhez. Például a meperidin (Demerol), a pentazocin (Talwin) és a propoxifén (Darvon) teljesen szintetikus fájdalomcsillapítók, amelyekhez az opiátok, például a morfin és a kodein szolgáltak modellként, míg az aszpirin a szalicilsav egyszerű származéka, amelyet eredetileg fűzfából (Salix SPP) nyernek. ).
Az elsődleges és ömlesztett metabolitok viszonylag alacsony költségéhez képest a másodlagos növényi metabolitok kilogrammonkénti ára gyakran néhány dollártól több ezer dollárig terjed. Például a tisztított ópium-alkaloidok (kodein és morfium) értéke kilogrammonként 650 és 1250 dollár között van, míg a ritka illékony (esszenciális) olajok, például a rózsaolaj ára kilogrammonként 2000 és 3000 dollár között van. A Catharanthus daganatellenes alkaloidok nagykereskedelmi értéke körülbelül 5000 dollár grammonként, kiskereskedelmi értéke pedig elérheti a 20 000 dollárt grammonként. A természetes termékek gyakran rendkívül összetett szerkezettel rendelkeznek, számos királis központtal, amelyek meghatározhatják a biológiai aktivitást. Az ilyen összetett vegyületeket nem lehet mesterségesen szintetizálni. Az ilyen, nagyfokú szerkezeti összetettségű metabolit jó példája az Azadirachtin természetes növényi rovarölő szer.
Az elsődleges és másodlagos metabolitok gazdaságilag fontos jellemzői. Legtöbbjük növényi anyagokból vízgőzdesztillációval vagy szerves oldószeres extrakcióval nyerhető, és (a biopolimerek, a természetes gumi, a kondenzált tanninok és a nagy molekulatömegű anyagok, a poliszacharidok, mint a gumi, a pektin és a keményítő kivételével) rendelkeznek mint általában viszonylag alacsony molekulatömegű (jellemzően 2000-nél kisebb).
Gazdaságilag fontos növényi eredetű anyagok a papain és a kimopapain enzimek (papayából (Carica Papaya) származó enzimek, amelyeket gyógyászati célokra használnak), a bromelain (tejfehérje emésztő és véralvadási enzim ananászléből) és a malátakivonat (keményítőt tartalmazó árpa termék). -emésztő enzim).
A speciális növényi fehérjék növényi sejtekből történő előállítása és felhasználása több okból is korlátozott értékű. Először is, kémiai szerkezetük bizonyos korlátozásokat támaszt biológiailag aktív vegyületként való felhasználásukra, amelyek gyógyszerként és peszticidként is hatnak. Például a legtöbb fehérje nem szívódik fel könnyen az emlősök bőrén vagy a rovarok külső csontvázán keresztül, és a legtöbb nem is adható be orálisan (kivéve a helyi hatást), mert érzékenyek az emésztőszervi proteolitikus enzimek általi lebomlásra. A reprodukálható szisztémás hatások érdekében a polipeptideket (például kimopapaint) injekcióban kell beadni. Így a fehérjék biológiailag nem olyan könnyen hozzáférhetők, mint a másodlagos metabolitok (fehérjetermékek), ami megnehezíti a végtermékekké történő fejlesztésüket és a felhasználásukat. Például néhány potenciálisan hasznos fehérje gyorsan lebomolhat a fizikai-kémiai instabilitás miatt. Jelenleg már rendelkezésre állnak technológiák az értékes polipeptidek szintézisét kódoló gének baktériumokba és élesztőgombákba történő beillesztésére és expressziójára. Ebben az esetben azonban nehézségek merülnek fel az összetett másodlagos metabolitok előállításában a metabolitok másodlagos bioszintézisének természete miatt a növényekben. A fehérjék a gének közvetlen termékei, míg a másodlagos metabolitok általában számos géntermék (enzim) együttes hatása révén szintetizálódnak (Y. Aharonowitz). Számos gén felelős a gazdaságilag fontos másodlagos metabolitok bioszintéziséért (sok génre van szükség minden bioszintetikus útvonalhoz, amely egy másodlagos metabolit előállításához vezet). Ezenkívül a géntechnológiával módosított mikroorganizmusok bioszintetikus útjában számos enzim található, amelyek nem kívánt mellékreakciókat képesek katalizálni a kívánt metabolittal vagy intermedierrel. Így legalábbis a közeljövőben a növények vagy növényi sejtek valószínűleg a legtöbb bioaktív növényi komponens forrásaként szolgálnak majd.
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-1.jpg" alt="> Másodlagos metabolitok A másodlagos metabolitok olyan szerves anyagok, amelyeket a szervezet szintetizál"> 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="> Antibiotikumok Az antibiotikum mikrobiális, állati vagy állati eredetű anyag"> 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=">Antibiotikumok osztályozása Az antibiotikumok nagy választéka és típusai hatásai az emberi szervezetre"> 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=">Antibiotikumok osztályozása kémiai szerkezet szerint Béta-laktám antibiotikumok (β-laktám antibiotikumok) laktám antibiotikumok, β-laktámok)"> 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=">A penicillin (1) és a cefalosporin (2) szerkezete">!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-6.jpg" alt="> A makrolidok gyógyszerek csoportja, többnyire antibiotikumok, amelyek a a kémiai szerkezet"> 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=">Az eritromicin szerkezete">!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-8.jpg" alt="> A tetraciklinek a poliketidek osztályába tartozó antibiotikumok csoportja, vegyileg hasonló"> 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="> Egyéb fontos tetraciklinek: metaciklin-tetraciklin félszintetikus származékai, oxitetraciklin"> 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=">A tetraciklin szerkezete">!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-11.jpg" alt="> Az aminoglikozidok olyan antibiotikumok csoportja, amelyek közös kémiai szerkezete a jelenléte"> 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="> Az aminoglikozidok baktericid hatású antibiotikumok, vagyis közvetlenül elpusztítják az érzékenyeket nekik"> 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="> Levomycetinek (Kloramfenikol) - az első antibiotikum felhasználásával nyert"> 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="> Glikopeptid antibiotikumok - glikozilezett, nem ciklikus ribociklusos vagy ribociklikus policiklikus peptidekből állnak ."> 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="> Állati eredetű antibiotikumok Lysocy m (muramidáz) - antibakteriális"> 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="> Növényi eredetű antibiotikumok (fitoncidek) Kémiailag nagyon változatosak természet:"> 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=">Antibakteriális anyagok A szulfanilamidok vegyi anyagok egy csoportja – amelyekből származnak"> 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=">Antibakteriális anyagok. Rendelkezésre álló szulfonamid szerek, farmakológiai paraméterek eltérőek"> 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=">Antibakteriális anyagok A kinolonok az antibakteriális gyógyszerek csoportja, beleértve a fluoroquinokat is . Első"> 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=">Antibakteriális anyagok A nitrofuránok a furán származékos antibakteriális szerek csoportja. K"> 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.!}
Számos sejtmetabolit érdekes fermentációs céltermékként. Elsődleges és másodlagosra oszthatók.
Elsődleges metabolitok– ezek a mikroorganizmusok szaporodásához szükséges kis molekulatömegű (1500 daltonnál kisebb molekulatömegű) vegyületek. Egy részük a makromolekulák építőkövei, mások a koenzimek szintézisében vesznek részt. Az ipar számára legfontosabb metabolitok közé tartoznak az aminosavak, szerves savak, nukleotidok, vitaminok stb.
Az elsődleges metabolitok bioszintézisét különféle biológiai ágensek - mikroorganizmusok, növényi és állati sejtek - végzik. Ebben az esetben nem csak természetes szervezeteket használnak, hanem speciálisan előállított mutánsokat is. Az erjesztési szakaszban a termék magas koncentrációjának biztosításához olyan termelőket kell létrehozni, amelyek ellenállnak a természetes fajukra genetikailag jellemző szabályozási mechanizmusoknak. Például meg kell szüntetni egy olyan végtermék felhalmozódását, amely elnyomja vagy gátolja a célanyag termelése szempontjából fontos enzimet.
Aminosavak előállítása.
Az auxotrófok (reprodukciójukhoz növekedési faktorokat igénylő mikroorganizmusok) által végrehajtott fermentációs folyamatok során számos aminosav és nukleotid keletkezik. Az aminosavtermelők szelekciójának gyakori tárgyai a nemzetséghez tartozó mikroorganizmusok Brevibacterium, Corynebacterium, Micrococcus, Arthrobacter.
A fehérjéket alkotó 20 aminosavból nyolc nem szintetizálható az emberi szervezetben (esszenciális). Ezeket az aminosavakat táplálékkal kell ellátni az emberi szervezetbe. Közülük a metionin és a lizin különösen fontosak. A metionint kémiai szintézissel állítják elő, és a lizin több mint 80%-át bioszintézissel állítják elő. Ígéretes az aminosavak mikrobiológiai szintézise, hiszen ennek eredményeként biológiailag aktív izomerek (L-aminosavak) keletkeznek, és a kémiai szintézis során mindkét izomer azonos mennyiségben nyerhető. Mivel nehéz szétválasztani őket, a termékek fele biológiailag használhatatlan.
Az aminosavakat élelmiszer-adalékanyagként, fűszerként, ízfokozóként, valamint alapanyagként használják a vegyiparban, az illatszer- és a gyógyszeriparban.
Az egyedi aminosav megszerzésére szolgáló technológiai séma kidolgozása egy adott aminosav bioszintézisének szabályozási útvonalainak és mechanizmusainak ismeretén alapul. A szükséges metabolikus egyensúlyhiány, amely biztosítja a céltermék túlszintézisét, az összetétel és a környezeti feltételek szigorúan ellenőrzött változtatásával érhető el. A mikroorganizmus törzsek aminosavak előállításában történő tenyésztéséhez a leginkább hozzáférhető szénforrások a szénhidrátok - glükóz, szacharóz, fruktóz, maltóz. A tápközeg költségének csökkentésére másodlagos nyersanyagokat használnak: répamelaszt, tejsavót, keményítőhidrolizátumokat. Ennek az eljárásnak a technológiáját fejlesztik olcsó, ecetsav, metanol, etanol alapú szintetikus tápközegek kifejlesztése felé. n- paraffinok.
Szerves savak előállítása.
Jelenleg számos szerves savat szintetizálnak biotechnológiai módszerekkel ipari méretekben. Ezek közül a citromsav, glükonsav, ketoglükonsav és itakonsav csak mikrobiológiai módszerekkel nyerhető; tejsav, szalicilsav és ecetsav - mind kémiai, mind mikrobiológiai módszerek; alma - kémiai és enzimatikus úton.
Az ecetsav az összes szerves sav közül a legfontosabb. Számos vegyi anyag, köztük gumi, műanyagok, rostok, rovarölő szerek és gyógyszerek előállításához használják. Az ecetsav előállításának mikrobiológiai módszere az etanol ecetsavvá történő oxidációjából áll, baktériumtörzsek részvételével. GluconobacterÉs Acetobaktérium:
A citromsavat széles körben használják az élelmiszeriparban, a gyógyszeriparban és a kozmetikai iparban, és fémek tisztítására használják. A citromsav legnagyobb termelője az USA. A citromsav előállítása a legrégebbi ipari mikrobiológiai eljárás (1893). Előállításához gombakultúrát használnak Aspergillus niger, A. gotii. A citromsavtermelők termesztésére szolgáló tápközegek szénforrásként olcsó szénhidrát alapanyagokat tartalmaznak: melaszt, keményítőt, glükózszirupot.
A tejsav az első szerves sav, amelyet fermentációval állítanak elő. Az élelmiszeriparban oxidálószerként, a textiliparban pácként, valamint a műanyaggyártásban is használják. Mikrobiológiailag a tejsavat a glükóz fermentációjából nyerik Lactobacillus delbrueckii.
Bármi is legyen a fotoszintézis útja, végső soron az energiában gazdag tartalékanyagok felhalmozódásával végződik, amelyek a sejt, és végső soron az egész többsejtű szervezet életének fenntartásának alapját képezik. Ezek az anyagok az elsődleges anyagcsere termékei. A primer metabolitok legfontosabb funkciójukon túl a másodlagos anyagcsere termékeinek nevezett vegyületek bioszintézisének alapját képezik. Ez utóbbiak, amelyeket gyakran „másodlagos metabolitoknak” neveznek, a természetben való létezésüket teljes mértékben a fotoszintézis eredményeként keletkező termékeknek köszönhetik. Meg kell jegyezni, hogy a másodlagos metabolitok szintézise a sejtlégzés folyamata során a mitokondriumokban felszabaduló energia miatt történik.
A másodlagos metabolitok a növényi biokémia tanulmányozásának tárgyát képezik, de nem érdektelen megismerkedni a diagrammal (1. ábra), amely bemutatja biogenetikai kapcsolatukat a fotoszintézis közvetlen termékeivel.
1. ábra: A másodlagos metabolitok biogenetikai kapcsolata a fotoszintézis közvetlen termékeivel.
Másodlagos metabolitok: pigmentek, alkaloidok, tanninok, glikozidok, szerves savak
Pigmentek
A vakuol pigmentek közül az antocianinok és a flavonok a leggyakoribbak.
Az antocianinok a fenolos csoportokkal rendelkező glikozidok csoportjába tartoznak. Az egyik csoport antocianinjai különböznek a másiktól. Érdekes tulajdonsága ennek a pigmentnek, hogy a sejtnedv pH-értékétől függően változtatja a színét. Ha a sejtnedv savas, az antocianin rózsaszínre, semlegesre lilára, lúgosra kékre színezi.
Egyes növényekben a szín megváltozhat a virágok fejlődésével. Például a borágónak rózsaszín rügyei és kék érett virágai vannak. Feltételezik, hogy így a növény jelzi a rovaroknak, hogy készen áll a beporzásra.
Az antocianinok nemcsak a virágokban, hanem a szárban, a levelekben és a termésekben is felhalmozódnak.
Az Antochlor egy sárga pigment, amely a flavonoidokhoz tartozik. Ritkábban fordul elő. Antoklór sárga tök, varangylen, citrusfélék virágait tartalmazza.
Az antofein pigment a sejtnedvben is felhalmozódhat, és sötétbarnává varázsolja.
Az alkaloidok közé tartoznak a természetes heterociklusos vegyületek, amelyek gyűrűiben a szén mellett egy vagy több nitrogénatomot és ritkábban oxigénatomot is tartalmaznak. Lúgos tulajdonságokat mutatnak. Az alkaloidok nagy farmakológiai aktivitással rendelkeznek, ezért a legtöbb gyógynövényt alkaloidok közé sorolják. Az altatómák hüvelyében több mint 20 különböző alkaloidot találtak, köztük morfiumot, thebaint, kodeint, papaverint stb. Ismeretes, hogy a fájdalomcsillapító és sokkellenes hatású morfium eufóriát okoz: ismételt használatával, fájdalmas függőség alakul ki tőle - drogfüggőség. A kodein csökkenti a köhögési központ ingerlékenységét, és a köhögéscsillapítók része. A papaverint görcsoldóként használják magas vérnyomás, angina és migrén esetén. Az éjszakai árnyak, a boglárkák és a liliomok alkaloidokban gazdagok.
Sok alkaloidot hordozó növény mérgező, és nem eszik meg őket a gombás és bakteriális betegségek.
A glikozidok alkoholokkal, aldehidekkel, fenolokkal és más nitrogénmentes anyagokkal kombinált cukorszármazékok. Levegővel érintkezve a glikozidok szétesnek, és kellemes aromát szabadítanak fel, például széna illatát, teafőzést stb.
A szívglikozidok és a szaponinok találják a legszélesebb körű gyakorlati alkalmazást. A szívglikozidok olyan híres gyógynövények hatóanyagai, mint a gyöngyvirág. Gyógyászati tulajdonságai nagyon régóta ismertek, és a mai napig nem veszítették el jelentőségüket. Korábban a gyöngyvirágból készítettek gyógyszereket vízkórra, szívbetegségre, epilepsziára és lázra.
A szaponinok elnevezés ezeknek a vegyületeknek a habzó képességéből származik. E csoport legtöbb képviselője magas biológiai aktivitással rendelkezik, amely meghatározza az olyan jól ismert biostimulánsok terápiás hatását és ennek megfelelően gyógyászati felhasználását, mint a ginzeng, az édesgyökér és az arália.
A tanninok (tanninok) fenolszármazékok. Összehúzó ízűek és antiszeptikus tulajdonságokkal rendelkeznek. Kolloid oldatok formájában halmozódnak fel a sejtben, sárga, vörös és barna színűek. Vassók hozzáadásakor kékes-zöld színt kapnak, amelyet korábban a tinta készítéséhez használtak.
A tanninok jelentős mennyiségben halmozódhatnak fel különböző növényi szervekben. Sok van belőlük a birs, a datolyaszilva, a madárcseresznye termésében, a tölgy kérgében és a tealevélben.
Úgy gondolják, hogy a tanninok különféle funkciókat látnak el. Amikor a protoplaszt elpusztul, a tanninok áthatolnak a sejtfalon, és ellenállóvá teszik őket a bomlás ellen. Az élő sejtekben a tanninok védik a protoplasztot a kiszáradástól. Úgy gondolják, hogy részt vesznek a cukrok szintézisében és szállításában is.
Másodlagos metabolitok termelése
A mikrobiális folyamatok során nyert termékek közül a másodlagos metabolitok a legfontosabbak. A másodlagos metabolitok, más néven idiolitok, alacsony molekulatömegű vegyületek, amelyek nem szükségesek a tiszta kultúrában történő növekedéshez. Korlátozott számú taxonómiai csoport állítja elő őket, és gyakran ugyanahhoz a kémiai csoporthoz tartozó, közeli rokon vegyületek keveréke. Ha komoly vita tárgyát képezi a másodlagos metabolitok termelő sejtekben betöltött élettani szerepének kérdése, akkor ipari előállításuk kétségtelenül érdekes, hiszen ezek a metabolitok biológiailag aktív anyagok: egy részük antimikrobiális, mások specifikus enzimgátló hatásúak. és mások növekedési faktorok, sokuk farmakológiai aktivitással rendelkezik. A másodlagos metabolitok közé tartoznak az antibiotikumok, alkaloidok, növényi növekedési hormonok és toxinok. A gyógyszeripar rendkívül kifinomult módszereket fejlesztett ki a mikroorganizmusok szűrésére (tömeges tesztelésre), hogy képesek legyenek értékes másodlagos metabolitokat termelni.
Az ilyen anyagok előállítása a mikrobiológiai ipar számos ágának létrehozásának alapjául szolgált. Az első ebben a sorozatban a penicillin előállítása volt; A penicillin előállításának mikrobiológiai módszerét az 1940-es években fejlesztették ki, és ez megalapozta a modern ipari biotechnológiát.
Az antibiotikum-molekulák összetételében és a mikrobiális sejtre gyakorolt hatásmechanizmusában nagyon változatosak. Ugyanakkor a kórokozó mikroorganizmusok régi antibiotikumokkal szembeni rezisztenciájának megjelenése miatt folyamatosan szükség van újakra. Egyes esetekben a természetes mikrobiális antibiotikum termékek kémiai vagy enzimatikus úton átalakíthatók úgynevezett félszintetikus antibiotikumokká, amelyek magasabb terápiás tulajdonságokkal rendelkeznek.
Az antibiotikumok szerves vegyületek. Élő sejt szintetizálja őket, és kis koncentrációban képesek lelassítani a rájuk érzékeny mikroorganizmusfajok fejlődését vagy teljesen elpusztítani. Nemcsak mikrobiális és növényi sejtek termelik, hanem állati sejtek is. A növényi eredetű antibiotikumokat fitoncideknek nevezzük. Ezek a fokhagymából nyert chlorelin, tomatine, sativin és a hagymából izolált aline.
A mikroorganizmusok növekedése egy S alakú görbével jellemezhető. Az első szakasz a gyors növekedés szakasza, vagy logaritmikus, amelyet az elsődleges metabolitok szintézise jellemez. Ezután következik a lassú növekedési szakasz, amikor a sejtbiomassza növekedése meredeken lelassul. A másodlagos metabolitokat termelő mikroorganizmusok először a gyors növekedés szakaszán, a tropofázison mennek keresztül, amely során a másodlagos anyagok szintézise jelentéktelen. Amint a növekedés lelassul a tápközegben lévő egy vagy több esszenciális tápanyag kimerülése miatt, a mikroorganizmus idiofázisba kerül; Ebben az időszakban szintetizálódnak az idiolitok. Az idiolitok vagy másodlagos metabolitok nem játszanak egyértelmű szerepet az anyagcsere-folyamatokban, ezeket a sejtek állítják elő, hogy alkalmazkodjanak a környezeti feltételekhez, például védekezés céljából. Nem minden mikroorganizmus szintetizálja őket, hanem főleg fonalas baktériumok, gombák és spóraképző baktériumok. Így az elsődleges és másodlagos metabolitok termelői különböző taxonómiai csoportokba tartoznak.
Az előállítás során figyelembe kell venni e mikroorganizmusok tenyésztési jellemzőit. Például az antibiotikumok esetében a legtöbb mikroorganizmus a tropofázis alatt érzékeny a saját antibiotikumokra, az idiofázisban viszont rezisztenssé válik velük szemben.
Az antibiotikum-termelő mikroorganizmusok önpusztulástól való megvédése érdekében fontos, hogy gyorsan elérjük az idiofázist, majd ebben a fázisban tenyésztjük a mikroorganizmusokat. Ezt a termesztési módok és a táptalaj összetételének változtatásával érik el a gyors és lassú növekedés szakaszaiban.
A növényi sejt- és szövettenyészeteket specifikus másodlagos metabolitok potenciális forrásának tekintik, amelyek közé tartoznak az olyan vegyületek, mint az alkaloidok, szteroidok, olajok és pigmentek. Ezen anyagok közül sokat még mindig növényekből nyernek ki. A mikrobiológiai ipari módszerek jelenleg nem alkalmazhatók minden növényfajra. Néhány növényfaj kivételével a szuszpenziós és kalluszsejtkultúrák kisebb mennyiségben szintetizálnak másodlagos metabolitokat, mint az egész növények. Ebben az esetben a biomassza növekedése a fermentorban jelentős lehet.
A másodlagos metabolitok hozamának növelését célzó új megközelítés a növényi sejtek és szövetek immobilizálása. Az első sikeres kísérletet egész sejtek rögzítésére Mosbach hajtotta végre 1966-ban. Az Umbilicaria pustulata zuzmó sejtjeit poliakrilamid gélben rögzítette. A következő évben van Wetzel állati embrionális sejteket növesztett DEAE (dextrán alapú dietilaminoetil-Sephadex) mikrogyöngyökön. Ezt követően a sejteket különböző szubsztrátokon immobilizáltuk. Ezek főleg mikrobiális sejtek voltak.
A sejtimmobilizációs módszerek 4 kategóriába sorolhatók:
Sejtek vagy szubcelluláris organellumok immobilizálása inert szubsztrátban. Például a Catharanthus roseus, a Digitalis lanata sejtjei alginátban, agaróz gyöngyök, zselatin stb. A módszer magában foglalja a sejtek beburkolását különféle cementáló közegek egyikébe - alginát, agar, kollagén, poliakrilamid.
Sejtek adszorpciója inert szubsztrátumon. A sejtek alginátból, polisztirolból és poliakrilamidból készült töltött gyöngyökhöz tapadnak. A módszert állati sejtekkel, valamint Saccharomyces uvarum, S. cerevisiae, Candida tropicalis, E. coli sejtekkel végzett kísérletekben alkalmazták.
Sejtek adszorpciója inert szubsztrátumon biológiai makromolekulák (például lektin) segítségével. Ritkán használt, különböző humán sejtvonalakkal, fehérjebevonatú agarózon adszorbeált birkavér eritrocitákkal végzett kísérletekről van információ.
Kovalens kötődés egy másik inert hordozóhoz, például CMC-hez. Nagyon ritkán használt, sikeres immobilizáció ismert a Micrococcus luteusról. A kísérleteket elsősorban állati sejtek és mikroorganizmusok immobilizálására végezték.
Az utóbbi időben jelentősen megnőtt a növényi sejtek immobilizálása iránti érdeklődés, ez annak a ténynek köszönhető, hogy az immobilizált sejtek bizonyos előnyökkel rendelkeznek a kallusz- és szuszpenziós tenyészetekkel szemben, amikor másodlagos metabolitok előállítására használják őket.
Az immobilizált növényi sejtek előnyeinek élettani alapjai a hagyományos termesztési módszerekkel szemben
Az irodalomban kiterjedt bizonyíték áll rendelkezésre arra vonatkozóan, hogy pozitív összefüggés van a másodlagos metabolitok felhalmozódása és a sejttenyészet differenciálódási foka között. Ráadásul a lignin például csak a differenciálódási folyamatok befejeződése után rakódik le a tracheidákban és a xilém vaszkuláris elemeiben, amit in vivo és in vitro kísérletekben is kimutattak. A kapott adatok azt mutatják, hogy a másodlagos anyagcseretermékek differenciálódása és felhalmozódása a sejtciklus végén történik. A növekedés csökkenésével a differenciálódási folyamatok felgyorsulnak.
A sok növény által in vitro felhalmozott alkaloidok tartalmának vizsgálata kimutatta, hogy a tömör, lassan növekvő sejttenyészetek nagyobb mennyiségben tartalmaznak alkaloidokat, mint a laza, gyorsan növekvő kultúrák. A sejtek szerveződése szükséges normál anyagcseréjükhöz. A szerveződés jelenléte a szövetben és ennek a különféle fizikai és kémiai gradiensekre gyakorolt hatása egyértelmű mutató, amely alapján megkülönböztethetők a magas és alacsony hozamú növények. Nyilvánvaló, hogy a sejtek immobilizálása biztosítja a differenciálódáshoz vezető feltételeket, ésszerűsíti a sejtek szerveződését, és ezáltal hozzájárul a másodlagos metabolitok magas hozamához.
Az immobilizált sejteknek számos előnye van:
1. Az inert szubsztrátumon vagy az immobilizált sejtek sokkal lassabban képeznek biomasszát, mint a folyékony szuszpenziós tenyészetekben.
Mi a kapcsolat a növekedés és az anyagcsere között? Mi köze ehhez a sejtszerveződésnek és a differenciálódásnak? Úgy gondolják, hogy ez a kapcsolat kétféle mechanizmusnak köszönhető. Az első mechanizmus azon a tényen alapul, hogy a növekedés határozza meg a sejtaggregáció mértékét, közvetett hatással a másodlagos metabolitok szintézisére. A szerveződés ebben az esetben a sejtaggregáció eredménye, és kellő mértékű aggregáció csak lassan növekvő tenyészetekben érhető el. A második mechanizmus a növekedési sebesség kinetikájához kapcsolódik, és azt sugallja, hogy az „elsődleges” és „másodlagos” metabolikus útvonalak eltérően versengenek a prekurzorokért a gyorsan és lassan növekvő sejtekben. Ha a környezeti feltételek kedvezőek a gyors növekedéshez, akkor először az elsődleges metabolitok szintetizálódnak. Ha a gyors növekedés gátolt, megindul a másodlagos metabolitok szintézise. Így az immobilizált sejtek alacsony növekedési sebessége hozzájárul a metabolitok magas hozamához.
2. A sejtek immobilizálása a lassú növekedés mellett lehetővé teszi, hogy szoros fizikai érintkezésben növekedjenek egymással, ami a kémiai érintkezésekre is jótékony hatással van.
Egy növényben bármely sejtet körülvesznek más sejtek, de helyzete az ontogenezis során mind ennek, mind a környező sejtek osztódása következtében megváltozik. Ennek a sejtnek a differenciálódás mértéke és típusa a sejtnek a növényben elfoglalt helyétől függ. Ezért a sejt fizikai környezete befolyásolja az anyagcserét. Hogyan? A másodlagos metabolitok szintézisének szabályozása genetikai és epigenetikai (extranukleáris) szabályozás alatt áll, vagyis a citoplazmában bekövetkező bármilyen változás mennyiségi és minőségi változásokhoz vezethet a másodlagos metabolitok képződésében. A citoplazma viszont egy dinamikus rendszer, amelyet a környezet befolyásol.
A külső körülmények közül az anyagcserét 2 fontos tényező jelentősen befolyásolja: az oxigén és a szén-dioxid koncentrációja, valamint a megvilágítás szintje. A fény szerepet játszik mind a fotoszintézisben, mind az élettani folyamatokban, mint például a sejtosztódásban, a mikrofibrillumok orientációjában és az enzimaktiválásban. A fényhullám intenzitását és hullámhosszát a sejt helyzete határozza meg a többi sejt tömegében, vagyis a szövet szerveződési fokától függ. Szervezett szerkezetben O2 és CO2 centrifugális koncentráció gradiensei vannak, amelyek rendkívül fontos szerepet játszanak a differenciálódási folyamatban.
Így a kis terület/térfogat (S/V) aránnyal rendelkező nagy sejtaggregátumok másodlagos metabolizmusa eltér az izolált sejtek és kis sejtcsoportok metabolizmusától a gázkoncentráció gradiensek eredményeként. A növekedésszabályozók, a tápanyagok és a mechanikai nyomás gradiensei hasonlóan működnek. A szétszórt sejtek és az aggregátumok formájában lévő sejtek környezeti feltételei eltérőek, így az anyagcsere útjaik is eltérőek.
3. A másodlagos metabolitok kitermelése a környezet kémiai összetételének változtatásával is szabályozható.
A kallusz- és szuszpenziós tenyészetekhez használt táptalaj összetételének megváltoztatása bizonyos sejtekkel végzett fizikai manipulációkkal jár együtt, amelyek a tenyészetek károsodásához vagy szennyeződéséhez vezethetnek. Ezeket a nehézségeket úgy lehet leküzdeni, hogy nagy mennyiségű tápközeget keringetnek a fizikailag mozdulatlan sejtek körül, lehetővé téve az egymást követő kémiai kezeléseket.
4. Bizonyos esetekben problémák merülnek fel az idiolitok izolálásával kapcsolatban.
Ha immobilizált sejteket használunk, viszonylag könnyen kezelhetők olyan vegyszerekkel, amelyek a kívánt termékek felszabadulását idézik elő. Csökkenti a visszacsatolás gátlását is, ami korlátozza az anyagok szintézisét a sejten belüli felhalmozódásuk miatt. Egyes növények tenyésztett sejtjei, például a Capsicum frutescens másodlagos metabolitokat bocsátanak ki a környezetbe, és az immobilizált sejtrendszer lehetővé teszi a termékek kiválasztását anélkül, hogy károsítaná a termést. Így a sejt immobilizálása megkönnyíti az idiolitok izolálását.
A felhasznált irodalom listája:
1. „Mikrobiológia: kifejezések szótára”, Firsov N.N., M: Drofa, 2006.
2. Növényi és állati eredetű gyógyászati alapanyagok. Farmakognózia: tankönyv/szerk. G.P.Jakovleva. Szentpétervár: SpetsLit, 2006. 845 p.
3. Shabarova Z. A., Bogdanov A. A., Zolotukhin A. S. A géntechnológia kémiai alapjai. - M.: Moszkvai Állami Egyetemi Kiadó, 2004, 224 p.
4. Chebisev N.V., Grineva G.G., Kobzar M.V., Gulyankov S.I. Biology.M., 2000
Növényi és állati eredetű gyógyászati alapanyagok. Farmakognózia: tankönyv/szerk. G.P.Jakovleva. Szentpétervár: SpetsLit, 2006. 845 p.
Shabarova Z. A., Bogdanov A. A., Zolotukhin A. S. A géntechnológia kémiai alapjai. - M.: Moszkvai Állami Egyetemi Kiadó, 2004, 224 p.
Növényi másodlagos metabolitok
A „szekunder metabolitok” és „másodlagos anyagcsere” kifejezések a 19. század végén Kossel professzor könnyed kezével kerültek be a biológusok szókincsébe. 1891-ben Berlinben előadást tartott a Fiziológiai Társaság ülésén „A sejtek kémiai összetételéről” címmel. Ebben az előadásban, amely ugyanabban az évben jelent meg az Archiv fur Physiologie-ban, azt javasolta, hogy a sejtet alkotó anyagokat elsődleges és másodlagos részekre osztsák fel. „Míg az elsődleges metabolitok minden osztódásra képes növényi sejtben jelen vannak, a másodlagos metabolitok csak „véletlenül” vannak jelen a sejtekben, és nem szükségesek a növényi élethez.
Ezeknek a vegyületeknek a véletlenszerű eloszlása, a rokon növényfajokban való szabálytalan előfordulása valószínűleg azt jelzi, hogy szintézisük olyan folyamatokhoz kapcsolódik, amelyek nem szervesen az egyes sejtekhez, hanem inkább másodlagos jellegűek... Javaslom a fontos vegyületek megnevezését mert minden sejt elsődleges, a növényi sejtben nem jelenlévő vegyületek pedig másodlagosak. Innentől világossá válik a „másodlagos metabolitok” elnevezés eredete - ez jelentéktelen, „véletlenszerű”.
Az elsődleges anyagcsere vegyületek köre nyilvánvaló - ezek elsősorban a fehérjék, zsírok, szénhidrátok és
nukleinsavak. Igaz, Kossel csak néhány száz kis molekulatömegű vegyületet tartott az egyes osztódó növényi sejtekhez szükséges elsődleges metabolitoknak. Egészen a közelmúltig a másodlagos metabolitok sem képezték sok vita tárgyát. Egyetértve Kossel-lel, a legtöbb kutató úgy vélte, hogy ezek az anyagcsere bizonyos „különcségei”, elfogadható túlzások. Az ilyen vegyületeket a szakirodalom néha „sejt luxusanyagnak” is nevezte.
A hatóanyagok túlnyomó többsége növényekből származik. Az első ilyen vegyület a morfium volt – a morfium alkaloidja, amelyet 1803-ban Zerthuner német gyógyszerész izolált ópiumból (a mákhüvely szárított levéből). Valójában ez az esemény tekinthető a magasabb rendű növények másodlagos metabolitjainak tanulmányozásának kezdetének.
Aztán jött a sor más alkaloidokon. A Harkov Egyetem professzora, F.I. Giese 1816-ban a cinchona fa kérgéből nyert cinchonint, de ezt gyakorlatilag észre sem vették, és sok kutató Desosnak tulajdonítja, hogy a kinint és a cinchonint tiszta formában csak 1820-ban izolálták.
1818-ban Cavant és Pelletier sztrichnint izolált a hánytató dióból (a chilibuha Strychnos nux-vomica L. magjai); Runge 1920-ban fedezte fel a koffeint a kávéban; 1826-ban Giesecke koniint fedezett fel a bürökben (Conium maculatum L); 1828-ban Possel és Ryman izolálta a nikotint a dohányból; 1831-ben Main a belladonnából (Atropa beladonna L.) nyert atropint.
A természetes sokféleség terápiás célú felhasználása nem korlátozódik az antibiotikum-termelő gombákra és aktinomycetákra. A növényeket különösen a szintetikus eljárások elképesztő sokfélesége különbözteti meg, amelyek végtermékeit nagyon eltérő kémiai szerkezetű vegyületek képviselik. A modern orvoslás zsírsavakat, olajokat, növényi eredetű poliszacharidokat, valamint meglepően sokféle másodlagos metabolitot használ. A másodlagos anyagcserét, ellentétben az összes szervezetre jellemző elsődleges anyagcserével, a taxonómiai eredetiség jellemzi. A növények másodlagos anyagcseréje a differenciált növényi sejtek és szövetek jellemzője, és csak a speciális szervekben rejlik, és az életciklus bizonyos szakaszaira korlátozódik. A másodlagos metabolitok fő osztályai közé tartoznak az alkaloidok, az izoprenoidok és a fenolos vegyületek. A növények cianogén glikozidokat, poliketideket és vitaminokat is szintetizálnak. A 30 ismert vitaminból körülbelül 20 növényi táplálékkal kerül az emberi szervezetbe. A felsorolt vegyületosztályok közül néhányat, valamint azokat a növényeket, amelyekből izolálták, a táblázat tartalmazza
Másodlagos metabolitok Forrásnövény
Alkaloidok Altató mák. Belladonna belladonna. Télizöld. Rauwolfia. Colchicum. Kínafa. Dohány.
Izoprenoidok:
Taxolok Tiszafa
szívglikozidok vagy cardenolides Digitalis. Liana strophanthus. Május gyöngyvirág.
triterpén glikozidok vagy szaponinok Ginseng. Édesgyökér. Aralia.
a Liana dioscorea szteroid glikozidjai.
Fenolos vegyületek:
flavonoidok Édesgyökér. Gyöngyajak. Immortelle.
Alkaloidok. A mai napig körülbelül 10 ezer alkaloid ismert, és magas farmakológiai aktivitással rendelkeznek. A növényi anyagok alkaloidtartalma általában nem haladja meg a néhány százalékot, de a cinchókéregben mennyiségük eléri a 15-20%-ot. Az alkaloidok különféle szervekben és szövetekben koncentrálódhatnak. Azonban gyakran felhalmozódnak más szövetekben, mint ahol szintetizálódnak. Például a nikotin a dohány gyökereiben szintetizálódik, és a levelekben raktározódik. A legismertebb alkaloidok közé tartozik a morfium, a kodein és a papaverin, amelyeket a mák (Papaver somniferum) hüvelyéből izoláltak. A belladonna belladonna (Atropa belladonna) alkaloidjait, amelyet más néven „alvási kábultságnak” neveznek, számos gyógyszer tartalmaz, például besalol, bellalgin, bellataminal, solutan. A vinca (Catharanthus roseus) alkaloidjait - a vinblasztint és a vinkrisztint - széles körben használják a modern onkológiában, a rauvolfia (Rauvolfia serpentina) gyökereiből származó rezerpint és ajmalint pedig pszichotróp gyógyszerként és vérnyomáscsökkentőként használják.
Izoprenoidok. Az izolált vegyületek számát tekintve az izoprenoidok felülmúlják a másodlagos metabolitok összes többi osztályát (több mint 23 ezer van belőlük), de farmakológiai aktivitásukat tekintve alacsonyabbak az alkaloidoknál. Ez a csoport különböző szerkezetű vegyületeket egyesít. Némelyikük nem helyettesíthető szintetikus drogokkal, például a tiszafa kérgéből izolált taxolokkal. Rendkívül aktív citosztatikumok, nagyon kis dózisban hatnak a rákos sejtekre. Jelenleg nagy reményeket fűznek hozzájuk az onkológiában.
Az izoprenoidok legfontosabb csoportja a szívglikozidok vagy kardenolidok. Például körülbelül 50 kardenolidot, köztük a digitoxint izoláltak két gyűszűvirág (Digitalis purpurea) és gyűszűvirág (D. lanata) fajból. A természetes glikozid k-sztrofantozid széles körben elterjedt az orvosi gyakorlatban, és az elsősegélynyújtás nélkülözhetetlen eszköze: 1-3 perc alatt hat a szívre. intravénás beadás után. Ezt a gyógyszert a Strophanthus kombe szőlő magjából izolálják, amely Afrika trópusi erdőiben nő, ahol a helyi lakosság ennek a növénynek a levét használta a nyilak méregének. A gyöngyvirágból (Cinvallaria majalis) származó szívglikozidok aktívabbak, mint a többi szívglikozid (például a digitoxin).
Az izoprenoidok további orvosi szempontból fontos csoportjai a triterpén-glikozidok vagy szaponinok. E csoport legtöbb képviselője magas biológiai aktivitással rendelkezik, amely meghatározza terápiás hatásukat és az olyan jól ismert biostimulánsok használatát, mint a ginzeng, az arália és az édesgyökér.
A szteroid glikozidok biológiai aktivitásukban különböznek a triterpén-glikozidoktól. A modern orvoslás számára ez a kiindulási anyag számos hormon és fogamzásgátló szintéziséhez. A múlt század 40-es évei óta a Dioscorea nemzetségbe tartozó különféle szőlőfajták rizómáiból származó glikozid diosgenint főként szteroid alapanyagok előállítására használják. Jelenleg az összes szteroid gyógyszer több mint 50%-át ebből nyerik. Az elmúlt évek kutatásai az ebbe a csoportba tartozó vegyületek más, az orvostudomány számára fontos tulajdonságait is feltárták.
Fenolos vegyületek. A növényekben a fenolvegyületek legszámosabb és legelterjedtebb csoportja a flavonoidok. Az édesgyökér (Glycyrrhiza glabra), az anyafű (Leonurus cordiaca) és az immortelle virágok (Helichryzum arenarium) gyökereiben halmozódnak fel. A flavonoidok számos farmakológiai hatást fejtenek ki. Koleretikus, baktériumölő, görcsoldó, kardiotonikus hatásúak, csökkentik az erek törékenységét és áteresztőképességét (például rutin), képesek megkötni és eltávolítani a szervezetből a radionuklidokat, valamint rákellenes hatásuk is kimutatható.
A növények elképesztő bioszintetikus képességei még mindig messze vannak a feltárástól. A Földön élő 250 ezer fajnak legfeljebb 15%-át vizsgálták meg, sejttenyészetet is csak egyes gyógynövényekre nyertek. Így a ginzeng és a dioscorea sejtkultúrák képezik a triterpén és szteroid glikozidok előállításának biotechnológiai folyamatának alapját. Nagy reményeket fűznek ezen új technológiák bevezetéséhez, mivel éghajlati viszonyaink között számos ritka vagy nem növő növény felhasználható kallusz vagy szuszpenziós kultúrák formájában. Sajnos a civilizáció technogén természete bolygónkon helyrehozhatatlan károkat okoz a vadon élő növényvilágban. Nemcsak a Föld bioszférája – az emberi élőhely – változik, hanem az egészség és a hosszú élettartam hatalmas, feltáratlan tárházai is pusztulnak.
