🗊Презентация Безазотистые вторичные метаболиты минорных групп в фармации. Биохимия, функциональное значение в царстве растений

Безазотистые вторичные метаболиты минорных групп в фармации и токсикологии. Биохимия, функциональное значение и распространение в царстве растений. Доцент кафедры аналитической токсикологии, фармацевтической химии и фармакогнозии Лисовская С.Б.

Разнообразие группы безазотистых минорных вторичных метаболитов

Органические кислоты в растениях и природе Сегодня недостаток свободных органических кислот в растениях и растительной клетчатки в пище считается одной из причин болезней, которые раньше связывали только с возрастом. Органические кислоты и человек — это своего рода симбиоз, при котором происходит самопроизвольное восстановление кислотно-щелочного баланса крови и других физиологических жидкостей в организме. Наиболее резкий кислый привкус плодам и ягодам придает винная кислота, наиболее приятный — лимонная, которой особенно богаты цитрусовые и клюква. Довольно много лимонной кислоты в черной смородине (2 г%) и малине (2-3 г%). Свободные (не связанные с какими-либо компонентами продуктов питания) органические кислоты в природе — лимонная, молочная, винная, салициловая и ряд других — не только придают фруктам, овощам и кислому молоку приятный вкус, но и вместе с пищевыми волокнами сдерживают в кишечнике гнилостные, бродильные процессы и способствуют его регулярному опорожнению. Органические кислоты в организме человека играют важную роль в обмене веществ. Функции органических кислот не ограничиваются влиянием на распад белков, жиров и углеводов. Здоровому взрослому человеку надо ежедневно потреблять 2 грамма свободных органических кислот. Цветная капуста, зрелые томаты, морковь, картофель в среднем содержат 0,3г% свободных органических кислот, зеленый горошек, тыква, кабачки — 0,1г %, а арбуз и дыня — 0,2 г%. Существуют различные кислоты органического происхождения, которые имеют превалирующее значение для здоровья человека. Рассмотрим присутствие этих веществ в живой природе и растениях.

Органические кислоты алифатического ряда К ним относятся: Одноосновные кислоты (муравьиная, уксусная, масляная, гликолевая (оксиуксусная), молочная, пировиноградная, глиоксилевая (глиоксалевая)); Двухосновные кислоты (щавелевая, малоновая, янтарная, щавелевоуксусная, альфа-кетоглутаровая, L-яблочная (окси-янтарная), винная (диокси -янтарная), фумаровая); Трёхосновные кислоты (лимонная, изолимонная, цис - аконитовая).

Летучие одноосновные органические кислоты Муравьиная кислота Н - СООН. Представляет собой подвижную жидкость с резким запахом. Температура плавления 9°С, температура кипения 101°С. Найдена в яблоках, в малине; в виде сложных эфиров содержится в яблоках. Уксусная кислота СН3 - СООН. Встречается в различных плодах и растительных соках. В больших количествах образуется при уксуснокислом брожении как продукт жизнедеятельности уксуснокислых бактерий. Она, по данным С.В. Солдатенкова, составляет до 85% всех органических кислот в зерне пшеницы и кукурузы. Содержится в свободном виде и в виде различных сложных эфиров в яблоках. Уксусная кислота широко применяется в пищевой промышленности при изготовлении различных маринадов. Температура плавления 16,5°С; температура кипения 118°С. Масляная кислота СН3 - СН2 - СН2 - СООН. Встречается в небольших количествах в разных растениях, как в свободном виде, так и в виде сложных эфиров. Свободная масляная кислота обладает сильным и весьма неприятным запахом (запах несвежего сливочного масла). Масляная кислота образуется при маслянокислом брожении. Температура кипения масляной кислоты 162°С. В растениях найдены также -окси--кетомасляная кислота и -окси--кетомасляная кислота (Н3С – СНОН – СО – СООН и НО – СН2 – СН2 – СО – СООН). Масляная кислота применяется в парфюмерной и кондитерской промышленностях в виде ее сложных эфиров, являющихся ценными ароматическими веществами. Например, метиловый эфир масляной кислоты обладает запахом яблок, этиловый— ананасов.

Нелетучие одноосновные органические кислоты Гликолевая (оксиуксусная) кислота имеет строение НО – СН2·– СООН. Из воды кристаллизуется в виде иголочек с температурой плавления 78–79°С. Найдена во многих растениях. Молочная кислота СН3 – СНОН – СООН. Представляет собой -оксипропионовую кислоту. Обнаружена во многих растениях. Довольно заметное количество ее обнаружено в листьях малины. Молочная кислота часто образуется при анаэробном дыхании растений; особенно в больших количествах она образуется при молочнокислом брожении, вызываемом молочнокислыми бактериями ‑ при изготовлении различных молочно-кислых продуктов (кефир, кумыс, простокваша), при приготовлении жидких дрожжей для хлебопечения, при заквашивании овощей. Молочная кислота применяется в кожевенном деле при обработке кож, в текстильной промышленности в качестве протравы, в медицине, в пищевой промышленности при изготовлении конфет, безалкогольных напитков. Пировиноградная кислота СН3 – СО – СООН. Простейшая кетокислота. Играет чрезвычайно большую роль как важнейший промежуточный продукт при диссимиляции углеводов в растении, а также при спиртовом и молочнокислом брожении. Найдена в луке, горохе, проростках ячменя и во многих других растениях. Во многих растениях обнаружена оксипировиноградная кислота НО – СН2 – СО – СООН. Глиоксилевая (глиоксалевая) кислота имеет строение НОС – СООН. Простейшая альдегидокислота. Температура плавления 70–75°С с кристаллизационной водой и 98°С в безводном состоянии. Найдена в различных плодах и проростках, в пшенице, картофеле и других растениях. Играет важную роль в обмене веществ у многих микроорганизмов, а также в прорастающих семенах масличных растений.

Двухосновные кислоты Щавелевая кислота НООС – СООН. Температура плавления безводной щавелевой кислоты 189°С. Щавелевая кислота чрезвычайно широко распространена в растениях, как в свободном виде, так и в виде солей. Особенно часто она содержится в растениях в виде щавелевокислого кальция, который накапливается иногда в очень больших количествах, в форме сросшихся между собой кристаллов. Большие количества щавелевой кислоты содержат некоторые мясистые растения (так называемые суккуленты, например, молодило). В плодах и ягодах она содержится в незначительном количестве ‑ от 0,005% до 0,06%. Щавелевая кислота может накапливаться в результате развития на сахарных растворах некоторых плесневых грибов. Малоновая кислота НООС – СН2 – СООН. Кристаллизуется из воды в виде пластинок с температурой плавления 134–135°С. Найдена в листьях фасоли, люцерны и других бобовых растений, в плодах лимона, в цветах георгин, а также в зеленых частях растений пшеницы, овса и ячменя. Янтарная кислота НООС - СН2 - СН2 - СООН. Температура плавления 183°С. Образуется в небольшом количестве при спиртовом брожении. Содержится во многих растениях, в частности в ягодах красной смородины, в незрелой вишне, крыжовнике и винограде, а также в черешне и яблоках. Янтарная кислота может накапливаться в результате окисления спирта некоторыми плесневыми грибами.

Двухосновные кислоты Отдельное место занимает тартроновая кислота. Так условно назван содержащийся во фруктах и овощах весьма специфический фактор, главное достоинство которого — способность сдерживать превращение углеводов в жиры при избыточном углеводном питании и уменьшать повышенный аппетит. Тартроновая кислота или оксималоновая - принадлежит к двуосновным спиртокислотам. Состав ее C 3H4O5 = СООН-СН(ОН)-СООН. Она является первым членом гомологического ряда кислот С nH2n-2O5, к которому принадлежат следующие кислоты: яблочная C 4H6O5; оксипировинная C 5H8O5; α- и β - оксиглутаровые C 5H8O5; метилоксиглутаровая C 6H10O5; изобутилтартроновая C 7H12O5. Тартроновая кислота открыта Дессенем (Dessaignes) при разложении нитровинной кислоты C 4H4(NO2)2O6 в водном растворе. Тартроновой кислоты сравнительно много в капусте, яблоках, айве, грушах, моркови, редисе, помидорах, огурцах, смородине.

Двухосновные кислоты L-яблочная (окси-янтарная) кислота имеет строение НООС – СН2 – СН(ОН) – СООН. Температура плавления 100°С. Чрезвычайно широко распространена в растениях. В некоторых плодах, в рябине, барбарисе и кизиле, содержится главным образом яблочная кислота. В ягодах барбариса ее содержится до 6%. Яблочная кислота преобладает в яблоках и вообще в семечковых и в косточковых плодах. Она отсутствует в цитрусовых плодах и в клюкве. Яблочная кислота содержится в семенах злаков и бобовых, а также в листьях. В растениях табака и махорки ее содержится до 6,5%. Большие количества яблочной кислоты накапливаются в вегетативных органах сочных растений ‑ так называемых суккулентов ‑ молодила, агавы, кактусов. Например, у агавы и молодила яблочная кислота составляет до 8–10% сухого вещества. Она содержится также в плодах томатов. Яблочная кислота имеет приятный вкус и безвредна для организма человека. Она применяется при изготовлении фруктовых вод и некоторых кондитерских изделий.

Двухосновные кислоты Винная (диокси-янтарная) кислота имеет строение НООС – СН(ОН) – СН(ОН) – СООН. Встречается в растениях в виде оптически активной D-винной кислоты, а также в виде рацемической D,L-винной или виноградной кислоты. Встречается преимущественно в растениях более южных широт. В значительном количестве D-винная кислота содержится в винограде вместе с L-яблочной и виноградной кислотами. В других плодах и ягодах D-винная кислота либо содержится в весьма незначительном количестве, либо отсутствует. Температура плавления D-формы 168–170°С. При изготовлении виноградных вин получаются значительные количества отходов в виде так называемого винного камня, или кремортартара, который представляет собой кислую калиевую соль винной кислоты НООС – СН(ОН) – СН(ОН) – COOK. Винная кислота и винный камень широко применяются при производстве фруктовых вод, для изготовления химических разрыхлителей теста, в текстильной промышленности при изготовлении протравы и красок, в медицине. В радиопромышленности и при количественном определении сахара применяется так называемая сегнетова соль, которая представляет собой двойную калий-натриевую соль винной кислоты КООС - CH(OH) - CH(OH) - COONa. С винной и виноградной кислотами были произведены классические исследования Луи Пастера, выяснившего природу рацемических соединений и разработавшего методы их разделения на составляющие их оптические изомеры.

Двухосновные кислоты Щавелевоуксусная кислота имеет строение НООС – СО – СН2 – СООН. Является весьма важным промежуточным продуктом обмена веществ, связывающим между собой превращения углеводов и аминокислот. Играет важную роль в биосинтезе аспарагиновой кислоты, аланина и аспарагина. Найдена во многих растениях. Альфа-кетоглутаровая кислота имеет строение HOOC – CO – CH2 – СН2 – СООН. Так же, как и щавелевоуксусная кислота, является важным промежуточным продуктом обмена веществ, участвуя в образовании аланина, глютаминовой кислоты и глютамина. В многих растениях также обнаружен ряд производных -кетоглутаровой кислоты, например, -метилен--кетоглутаровая кислота и -окси--кетоглутаровая кислота, имеющие следующее строение (НООС – С(СН2) – СН2 –СО – СООН и НООС – СН(ОН) – СН2 – СО – СООН). Фумаровая кислота НООС – СН = СН - СООН найдена в некоторых растениях (хохлатке и маковых), в лишайниках и во многих грибах. Температура плавления 286°С (в запаянном капилляре). Плесневый гриб Aspergillus fumaricus при сбраживании сахара образует до 60–70% фумаровой кислоты. Фумаровая кислота является промежуточным продуктом при биосинтезе аспарагиновой кислоты высшими растениями и бактериями.

Трехосновные кислоты Лимонная кислота. Кристаллизуется из воды с одной частицей Н2О. Температура плавления безводной формы 153°С. Лимонная кислота очень широко распространена в растениях. В южных широтах ее содержание в них бывает выше, чем в северных. В ягодах ‑ смородине, малине, землянике — лимонная кислота преобладает над яблочной. В плодах цитрусовых содержится главным образом лимонная кислота. В лимонах лимонная кислота составляет до 9% сухого веса. Как показал академик А.А. Шмук, значительное количество лимонной кислоты содержится в листьях и стеблях махорки (7–8% от сухого веса). На этом основано заводское получение лимонной кислоты из отходов махорочной промышленности. Лимонная кислота может быть получена при выращивании на растворах сахаров некоторых плесневых грибов из родов Aspergillus и Penicilliutn. Исходя из этого академиком С.П. Костычевым, а также профессором В.С. Буткевичем, были разработаны способы заводского получения лимонной кислоты биохимическим путем с помощью гриба Aspergillus niger. Лимонная кислота широко применяется в пищевой промышленности, а также в качестве консерванта при переливании крови.

Трехосновные кислоты Изолимонная кислота. Содержится в довольно значительных количествах в сочных растениях (суккулентах). Например, в молодых листьях каланхоэ (Bryophyllum calycinum) изолимонной кислоты содержится до 18% на сухое вещество листьев. В ягодах ежевики изолимонная кислота составляет 2/3 всех органических кислот. Изолимонная кислота играет существенную роль в качестве одного из важных промежуточных продуктов обмена углеводов и органических кислот в растении. Цис-аконитовая кислота. Найдена в заметных количествах в растениях аконита (Aconitum), от которого и получила свое название. Довольно широко распространена в растениях и играет в них важную роль в качестве промежуточного продукта диссимиляции углеводов. Цис-аконитовая кислота обнаружена в проростках и листьях злаков.

Пиретроиды Пиретроиды — синтетические инсектидиды, производные Хризантемовый кислоты, аналоги природных веществ пиретринов, содержащиеся в цветах растений рода пиретрум. Своим названием эта группа веществ обязан именно ромашке Далматского (пиретрум), что инсектицидные свойства и использовалась издавна для отпугивания и уничтожения насекомых. Пиретроиды подобны пиретринам по характеру и механизму физиологического действия, но иногда существенно отличаются от них химическим строением. Они достаточно широко и эффективно используются в качестве инсектицидов в борьбе с вредителями сельскохозяйственных культур, таких как картофеля, плодовых и огородных растений, для борьбы с экзопаразитамы скота, с вредителями запасов продовольствия в быту. Пиретроиды имеют широкий спектр действия и эффективны при незначительных нормах расходов, составляющих десятки или сотни граммов на гектар площади, обрабатывают. Для большинства представителей этой группы эти величины колеблются в пределах от 16 до 300 г / га. Для более токсичных современных пиретроидов (например дельтаметрину) действующие концентрации еще меньше — от 5 до 20 г / га. Пиретроиды имеют разную токсичность по для человека и теплокровных животных — среди них есть как мало, так и высокотоксичные. Пиретроиды 1 поколения — эфиры хризантемовой кислоты.

Пиретрины

Гидроароматические соединения Источником образования гидроароматических соединений являются фосфорилированные сахара. В растительном организме может происходить циклизация молекулы глюкозы с образованием инозита ‑ соединения, имеющего ту же эмпирическую формулу, что и глюкоза C6H12O6, но представляющего собой циклический шестиатомный спирт, являющийся производным гексагидробензола. Инозит содержится в растениях в виде ряда изомеров и их метилированных производных, среди которых наиболее распространен мио-инозит. 

Гидроароматические соединения Мио-инозит легко образуется в растениях и у дрожжей из глюкозо-6-фосфата; также легко происходит превращение инозита в глюкуроновую и галактуроновую кислоты. Биосинтез и дальнейшие превращения мио-инозита могут быть схематически представлены следующим образом:

Инозит и его производные Опыты по введению в различные растения меченного мио-инозита показали, что из него образуются все другие изомеры инозита ‑ D-инозит, L - инозит, сциллит. Мио-инозит относят в настоящее время к витаминам, так как он в очень малых количествах необходим для роста и развития дрожжей и растительных тканей, а также для нормальной жизнедеятельности животных. Соединяясь с шестью молекулами фосфорной кислоты, мио-инозит образует так называемую инозит-фосфорную кислоту, чрезвычайно широко распространенную в растениях в виде ее кальций-магниевой соли, которая носит название фитина. Инозитфосфорная кислота расщепляется на инозит и свободную ортофосфорную кислоту под действием фермента фитазы, содержащегося в дрожжах и в проросшем зерне.

Применение в медицине По некоторым данным, фитин способствует выведению из организма радиоактивного цезия. Однако фитин одновременно связывает кальций и цинк, снижая их содержание в организме. Выпускается в виде одноименного лекарственного препарата, применяемого для стимуляции кроветворения, усиления роста и развития костной ткани, а также при сосудистой гипотонии, неврастении, импотенции, рахите, малокровии, диатезах, скрофулёзе и т. д. Также входит в состав витаминно-минерального комплекса «Д-КАЛЬЦИН» (гранулы, 5 г гранул содержат: фитин — 125 мг, кальция глюконат — 375 мг, витамин Д2 — 3000 МЕ), Гефефитин (таблетки, содержащие 0,375 г сухих дрожжей и 0,125 г фитина) и поливитамина Квадевит. Витамин В8, мезоинозит, инозит, витамин У — водорастворимый витамин. Участвует в обмене углеводов организма человека, так же метаболизме пуринов, в биосинтезе фосфолипидов, играет роль в холестериновом обмене (способствует снижению уровня холестеринов в сыворотке крови). Он присутствует практически во всех тканях организма и отличается способностью накапливаться в некоторых органах человека в большом количестве (преимущественно в головном мозге). Обладая липотропным действием, инозит предотвращает ожирение печени при недостатке белка в рационе. Суточная потребность человека в инозите составляет 1—1,5 г (20 мг на 1 кг массы тела) В организм человека витамин В8 поступает с продуктами растительного (пшеница, пшеничные проростки, апельсины, зеленый горошек, дыня, морковь, персики, капуста — цветная и белокочанная, хлеб, томаты, свекла) и животного происхождения (яйца, сыр, молоко, рыба, мясо — куриное, свинина, телятина, говядина; печень). Витаминная недостаточность у людей не установлена.

Гидроароматические соединения, содержащие иононовое кольцо К гидроароматическим соединениям принадлежат также вещества, содержащие иононовое кольцо, являющееся составной частью каротина. Ниже приведены структурные формулы -ионона и его изомера ирона.

Каротиноиды Жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого и красного цветов. Входят в состав хлоропластов и хромопластов, незеленых частей растений (цветов, плодов, корнеплодов). В зеленых листьях их окраска маскируется хлорофиллом. Разрушение хлорофилла осенью или при воздействии неблагоприятных факторов приводит к пожелтению листьев. Каротиноиды являются тетратерпеноидами (8 остатков изопрена) и содержат 40 атомов С. Представляют собой цепи, которые имеют, как и хлорофилл, двойные сопряженные связи. На одном или двух концах цепи находятся иононовые кольца. Каротиноиды делят на две группы: каротины и ксантофиллы. Каротины, например α-каротин (С40Н56) представляет собой чистые углеводороды (тетратерпены): α-Каротин имеет одно β-иононовое кольцо (двойные связи между С5 и С6), а второе – ε-иононовое (двойные связи между С4 и С5). β-Каротин - имеет 2 β-иононовых кольца.

ксантофиллы: лютеин С40Н56О2 и виолоксантин С40Н56О4 являются окисленными соединениями.

Ксантофи́ллы Ксантофи́ллы — группа кислородосодержащих пигментов класса каротиноидов. Для ксантофиллов характерны два иононовых кольца, расположенных по краям молекулы. Ксантофиллы локализованы во внутренних мембранах хлоропластов и выполняют фотопротекторную функцию в ходе работы ксантофиллового (виолоксантинового) цикла. Центральная часть молекулы представляет собой систему сопряженных связей и состоит из 18 атомов углерода (без учёта метильных групп). Система сопряженных связей играет роль хромофорной группы. Ксантофиллы имеют жёлтую окраску различных оттенков обусловленную характерным спектром поглощения с тремя более или менее выраженными пиками в фиолетово-синей области спектра (от 400 до 500 нм). Основные ксантофиллы высших растений: лютеин, виолоксантин, зеаксантин, неоксантин.

Гидроароматические соединения, содержащие иононовое кольцо Одним из наиболее известных природных гидроароматических соединений является хинная кислота, которая найдена во многих растениях: в молодых побегах ели (до 13,5% сухого веса), в табаке, в коре хинного дерева (до 9%), в сливах, яблоках и винограде, в чернике и клюкве, в зернах кофе, плодах айвы, яблок, в ягодах крыжовника, ежевики. Как показали С.П. Костычев и В.С. Буткевич, хинная кислота с чрезвычайной легкостью может использоваться микроорганизмами для образования фенольных соединений. Показано, что хинная кислота, меченная радиоактивным углеродом С14, будучи введена в ткани растений активно превращается в фенилаланин. Если же учесть также, то обстоятельство, что содержание хинной кислоты в растениях сильно колеблется в зависимости от времени года (как это, например, имеет место в побегах ели), то становится очевидным, что хинная кислота является важным промежуточным продуктом обмена веществ у растений. Очень часто хинная кислота сопровождается в растениях небольшими количествами шикимовой кислоты. В результате работ Б.Дэвиса (1951–1960), проведенных с мутантами кишечной палочки (Escherichia coli), было установлено, что шикимовая кислота является ключевым промежуточным продуктом в биосинтезе ароматических аминокислот и фенольных соединений.

Гидроароматические соединения, содержащие иононовое кольцо Исходными соединениями для образования хинной и шикимовой кислот являются фосфоенолпировиноградная кислота (образующаяся при гликолитическом распаде сахаров) и эритрозо-4-фосфат (продукт пентозофосфатного цикла). Под действием конденсирующего фермента они образуют семиуглеродную 2-кето-3-дезокси-7-фосфоарабогептоновую кислоту. Последняя с высвобождением фосфатного остатка циклизуется в 5-дегидрохинную кислоту, которая при участии дегидрохиназы превращается в 5-дегидрошикимовую кислоту. Последовательность происходящих превращений представлена на следующей схеме: Первоначально эта схема была доказана для микроорганизмов. Однако за последние годы и в высших растениях были обнаружены ферментные системы, осуществляющие указанные превращения. При введении в ткани растений хинная и шикимовая кислоты легко превращаются в фенольные соединения.

Ацетогенины.

Фитостерины Фитостеролы - растительные стерины / стеролы) относятся к группе стероидных спиртов, естественным образом присутствующих в растениях. Они не смешиваются с водой, но, являясь стероидными спиртами, легко растворяются в жирах. Растения содержат ряд фитостеринов. Они работают структурными компонентами клеточной мембраны Они выглядят как нетвёрдый белый порошок с характерным запахом, нерастворимый в воде и растворимый в спирте. Фитостерины широко используются в медицине, косметике, в качестве пищевых добавок. Как компонент пищи или как специальная пищевая добавка, фитостерин обладает свойством уменьшения холестерина (уменьшается объём его всасывания в кишечнике) и может работать как средство, предотвращающее возникновение рака кожи.

Желчные кислоты В желчи содержатся стероидные соединения – производные холана, т.н. желчные кислоты, образующиеся в печени из холестерина: Желчные кислоты соединяются с глицином и таурином, образуя парные желчные кислоты -гликохолевую, таурохолевую Соли парных желчных кислот обладают поверхносто-активными свойствами. Эмульгируя жиры пищи, они способствуют их перевариванию, а также активируют пищеварительный фермент липазу, гидролизующий жиры.

Цианолипиды.

Поликетиды Поликетиды (от др.-греч. πολυ-— много + нем. (A)ket(on) — ацетон + др.-греч.είδος — виды) — поликарбонильные соединения, которые представляют собой вторичные метаболиты, образующиеся в клетках бактерий, грибов, животных и растений. Отличительной особенностью поликетидов является их специфический биосинтез, который осуществляется сложноорганизованными ферментами поликетидсинтазами Биосинтез поликетидов осуществляется полимеризацией простых блоков, ацетильных и пропильных групп (в виде ацил-CoА), и напоминает синтез жирных кислот. Реакция между отдельными блоками проходит по типу конденсации Кляйзена . Конечная дериватизация может включать последующее окисление продукта. Структурно к поликетидам относятся соединения естественного происхождения с самыми разнообразными биологическими активностями и фармакологическими свойствами. Наиболее важными группами поликетидов являются антибиотики (макролиды, тетрациклины и др.) и токсины (афлатоксин).