Основные группы вторичных метаболитов

Изопреноиды (терпеноиды)

Изопреноидами (терпеноидами) называют самый многочисленный класс природных соединений, углеродный скелет которых построен из разветвленных С₅-единиц, называемых изопреновыми единицами. Это обширная группа соединений, имеющих общую формулу (C₅H_g)_n.

Изопрен (1) — летучее соединение, которое легко переходит в газообразную форму. Он обычно содержится в растениях в очень малых количествах, но в определенных условиях количество изопрена, выделяемого растением, может резко возрастать. Это происходит при интенсивном освещении, высокой температуре и низкой концентрации диоксида углерода в воздухе [см.: 4, с. 184].

О) Изопреноиды повсеместно распространены среди живых организмов, как эукариот, так и прокариот. Они объединяются в один класс по биогенетическому признаку, поскольку ведут свое начало от единого предшественника — изопентенилпирофосфата (ИППФ), или изопентенилдифосфата (ИПДФ).

Биосинтез изопреноидов осуществляется путем объединения пятиуглеродных фрагментов. Следовательно, название этой группы веществ совпадает с их биохимической классификацией.

Второе название изопрсноидов — тсрпеноиды — берет начало от немецкого слова terpenlin (скипидар), так как скипидар представляет собой смесь легких изопреноидов [см.: 1, с. 597].

Классификация изопреноидов основана на количестве изопреновых единиц, входящих в состав молекулы. Соединения на основе только одной изопреновой единицы в растениях обнаружили сравнительно недавно. Поэтому исторически сложилось, что монотерпенами назвали соединения, содержащие две изопреновые единицы, а следовательно, имеющие общую формулу (C₅H_g)₂, С_|0Н₁₆. Изопреноиды, содержащие три изопреновых единицы, назвали сесквитерпенами, т. е. «полуторатерпенами» (общая формула С,₅Н₂₄). Соответственно дитерпены построены из четырех, тритерпены — из шести и тетратерпены — из восьми пятиуглеродных фрагментов. Когда же обнаружили соединения, состоящие из одной и пяти изопреновых единиц, то их пришлось назвать соответственно гемитерпенами и сестертерпенами. Политерпены — гутта и каучук — имеют в своем составе от 100 до 5000 единиц изопрена.

Обычно терпенами называют соединения, содержащие целое число С₅ единиц, независимо от присутствия в молекуле функциональных групп (гидроксильных, карбонильных и др.). Термин «терпеноиды» применяют для соединений с различным числом углеродных атомов, но биосинтез которых явно прошел из С₅-единиц. Таким образом, первый термин базируется на химическом признаке, второй — на биохимическом.

Монои сесквигерпены являются, как правило, легкоиспаряющимися жидкостями, часто с разнообразным запахом. Известно более 3000 этих соединений.

Классификация монои сесквитерпенов основана на наличии или отсутствии кольцевой структуры в молекуле, типе кольца и наличии и количестве двойных связей в молекуле.

Монои сесквитерпены могут быть алифатическими (углеводород с незамкнутой цепочкой атомов), циклическими с различным количеством циклов (от одного до трех), а также содержать различные функциональные группы (гидрокси-, карбокси-, кето-группы). Они являются основными компонентами эфирных масел. Монои сесквитерпены часто обладают бактерицидным действием.

Алифатические терпеноиды тесно связаны взаимными переходами с циклическими терпсноидами. В качестве типичного представителя алифатических монотерпенов можно назвать мирцен, содержащийся во многих эфирных маслах. Например, в эфирном масле хмеля содержится 30−50% мирцена [см.: 3, с. 339].

Наиболее важные и распространенные представители кислородных производных алифатических монотерпенов — спирты гераниол, линалоол и цитронеллол.

Гераниол (2) встречается в ряде эфирных масел (розы, эвкалипта). При окислении гераниола образуется соответствующий альдегид, получивший название цитраль. Цитраль, взаимодействуя с ацетоном, может превращаться в циклическое соединение — ионон, которое входит в состав каротина, а также витамина А. Это превращение является примером образования циклических структур из соединений с открытой цепью.

(2).

Линалоол содержится в цветках ландыша, апельсиновом и кориандровом масле. Цитронеллол обладает запахом розы и содержится в розовом, гераниевом и других маслах.

В растениях широко распространены циклические монотерпены (монои бициклические). Лимонен — исходное соединение, из которого образуются его кислородные производные. Он содержится в эфирном масле плодов цитрусовых, тмина, укропа, скипидаре и т. д.

К кислородсодержащим соединениям относятся ментол, борнеол, камфора.

Ментол (3) — вторичный спирт, содержащийся до 70% в эфирном масле перечной мяты [см.: 5, с. 209]. Это основной компонент валидола.

(3).

Камфора (4) относится к бициклическим монотерпенам. В отличие от рассмотренных выше соединений, представляет собой не жидкость, а твердое вещество. Она содержится в большом количестве в древесине и листьях камфорного лавра, а также в одном из видов полыни. Камфора широко используется в медицине в качестве средства, нормализующего работу сердца.

(4).

Сесквитерпены, как и монотерпены, могут быть алифатическими и циклическими. Среди сесквитерпенов известны хамазулен (основное действующее вещество эфирного масла ромашки), ледол (компонент эфирного масла багульника), неролидон (содержится в эфирном масле цветков апельсина и в перуанском бальзаме).

Особые группы монои сесквитерпенов образуют вещества, у которых в состав кольца (колец) входит один или несколько атомов кислорода (иридоиды, сесквитерпеновые лактоны). Эти соединения (как правило, в виде гликозидов) часто обладают специфическим горьким вкусом и являются горечами — веществами, возбуждающими аппетит и улучшающими пищеварение. Некоторые из них обладают бактериостатическим (аукубин) и противоопухолевым (арглабин) действием. Кроме того, они могут влиять на работу сердечно-сосудистой системы.

Дитерпены также насчитывают несколько тысяч структур. Они являются главными компонентами смол у голосеменных (ель, сосна, пихта, кедр). Особенно широко распространены в смолах циклические кислоты (производные дитерпенов), имеющие формулу С₉₀Н_адО₂: они составляют основную часть смолистых выделений хвойных растений [см.: 3, с. 342].

Фитол, входящий в состав хлорофилла, может рассматриваться как гидрированный дитсрпеновый спирт. Моноцикличсским дитерпеновым спиртом является витамин, А (5), предшественником которого является р-каротин.

(5).

Часто дитерпсны смол обладают бактерицидными свойствами. Дитерпен из коры тисса — таксол — в настоящее время является одним из лучших противоопухолевых средств. Дитерпеновые гликозиды из листьев стевии (стевиозиды) в 300 раз слаще сахарозы и являются ее заменителем для больных сахарным диабетом.

Тритерпены отличаются от предыдущих групп изопреноидов, во-первых, меньшим разнообразием структурных типов, вовторых, более широким распространением в различных группах живых организмов. Некоторые тритерпены претерпевают деградацию углеродного скелета, иногда весьма существенную — от С₃₀ до С_|8. Эти деградированные тритерпеноиды составляют группу важнейших физиологически активных соединений, называемых стероидами. Прежде всего, это соединения первичного метаболизма — фитостерины.

Однако большинство тритерпенов являются типичными вторичными метаболитами. К ним относятся сердечные, стероидные, тритерпеновые гликозиды. Особый класс тритерпеновых соединений образуют экдистероиды, которые обнаружены у многих видов растений.

Сердечные гликозиды представляют собой стероиды с дополнительным кислородсодержащим пятичленным или шестичленным кольцом. Углеводная часть молекулы содержит от одного до пяти моносахаридов, соединенных между собой. Сердечные гликозиды увеличивают силу и уменьшают частоту сердечных сокращений, улучшают работу сердечной мышцы.

Стероидные гликозиды также представляют собой модифицированные стероидные структуры. Многие из данных соединений обладают поверхностной активностью и вызывают гемолиз эритроцитов. Поэтому часто эти гликозиды называют сапонинами (от латинского названия растения Saponaria — мыльнянка).

Экдистероиды (6) — гормоны линьки насекомых — обнаружены во многих растениях. Они представляют собой стероиды с большим количеством гидроксильных групп. Экдистероиды широко распространены в мире растений: они найдены у водорослей, мхов, папоротникообразных, голосеменных, покрытосеменных. Обнаружены они и у грибов. Помимо мощного инсектицидного действия, экдистероиды обладают психостимулирующей, адаптогенной и анаболической активностью. В последние годы изучением экдистероидов занимаются многие лаборатории мира. На современном этапе экдистероиды являются весьма распространенным объектом исследования как при решении фундаментальных проблем клеточной и молекулярной биологии, так и при решении прикладных задач в области биотехнологии, фармакологии, медицины, энтомологии и т. д.

(6).

Тетратерпены представлены в растениях, главным образом, каротиноидами — жирорастворимыми пигментами желтого или оранжевого цвета. Каротиноиды включают в себя две группы веществ: каротины (ненасыщенные каротиноиды, не содержащие кислорода в молекуле) и ксантофиллы (кислородсодержащие каротиноиды). В растениях широко распространены каротины, ликопин, зеаксантин, виолоксантин, флавоксантин и др. В значительных количествах каротиноиды накапливаются в корнеплодах моркови, плодах шиповника, рябины обыкновенной, смородины, облепихи, помидоров, тыквы, листьях шпината, салата, крапивы.

К политерпенам относятся каучук и гутта, в молекулах которых остатки изопрена образуют длинную цепочку. Полиизопреновая цепочка каучука содержит от 1000 до 6000 остатков изопрена, а цепочка гутты — около 100. Эти вещества имеют различия и в строении полиизопреновой цепочки: цепочка каучука имеет г/мс-конфигурацию, а цепочка гутты — /щ?анс-конфигурацию [см.: 3, с. 343].

Каучук и гутта различаются и по физическим свойствам. Каучук при обычной температуре эластичен и аморфен. Длинные его молекулы беспорядочно свернуты и постоянно меняют форму, что и обусловливает его эластичность. Он приобретает кристаллическую структуру при растяжении или при охлаждении. Гутта при обычной температуре пластична.

Каучук образуется и накапливается в различных тканях растений — млечных трубках, клетках основной паренхимы, ассимилирующих тканях листа и стебля. Он обнаружен у растений 300 родов [см.: 4, с. 193]. Но наиболее высоким содержанием каучука отличаются тропическое растение гевея и корни сложноцветных кок-сагыза и тау-сагыза. Гутта в растениях накапливается либо в млечном соке, как у Palaguim gutta, либо в замкнутых вместилищах, имеющихся в разных тканях бересклета и эвкомии.

Изопреноидные вторичные метаболиты, в отличие от алкалоидов, обычно после синтеза выводятся из клетки. Помимо клеточной стенки, они могут накапливаться в вакуолях, но это происходит не часто.