Основные классы вторичных соединений

Вторичные соединения имеют важное народно-хозяйственное значение, что может найти широкое применение в биотехнологическом производстве. Но прежде чем перейти к этим вопросам, рассмотрим основные классы вторичных веществ, синтезирующихся в клетках высших растений.

Терпены (старое название — изопреноиды.) являются одними из наиболее распространенных в растениях вторичными соединениями. Свое название они получили от немецкого слова terpentin (скипидар), обозначающего смесь этих веществ.

К настоящему времени известно более 30 000 соединений данной группы вторичных метаболитов. Основным их структурным элементом является пятиуглеродное соединение — изопрен. Общая формула всех терпенов выражается как (С₅Н₈)_П.

Все терпены разделяются по единому структурному признаку — числу изопреновых единиц, входящих в состав их молекулы (табл. 3.1).

Таблица 3.1.

Классификация терпенов.

Среди терпенов встречаются соединения, молекула которых состоит из терпеноидной и нетерпеноидной частей. Последняя может быть представлена тетрапирролом, как это характерно для хлорофилла и цитохрома, бензохиноном, что наблюдается в структуре убихинонов, а также аденином, в случае цитокининов. Такие соединения назвали меротерпеноидами.

Большинство терпенов имеет название, отражающее тот растительный источник, откуда они были выделены впервые. Так, например ментол впервые получили из растений мяты (Mehta), бетулапренолы — из листьев березы (Betula), авенастерин — из зерен овса (Avena).

Функции, выполняемые терпенами в клетках растений, чрезвычайно разнообразны. Так, важную физиологическую активность проявляют такие их представители, как цитокинины, гиббереллины и абсцизовая кислота. Монои сесквитерпенам часто приписывают аллелопатическую роль [аллелопатия — это вредное действие одного растения (донора) на другое (реципиент)]. Стеролы, локализованные в клеточных мембранах растений, по-видимому, выполняют там такую же функцию, как холестерол в мембранах животных клеток. Существует предположение, что стеролы стабилизируют мембраны и контролируют их проницаемость. Каротиноиды защищают клетки от фотодинамического повреждения и, кроме того, участвуют в поглощении света при фотосинтезе. Смешанные терпены также играют ключевую роль в обмене веществ у растений: хлорофилл, лишенный своей фитильной боковой цепи, не эффективен; пластохинон участвует в фотосинтетическом транспорте электронов, а убихинон — в митохондриальном транспорте электронов. Полипренилпирофосфаты участвуют в процессе гликозилирования при образовании клеточных стенок.

Фенольные соединения или полифенолы являются вторыми по распространенности в растительном мире представителями вторичных соединений. Эти вещества, также как и терпеноиды, обнаружены не только во всех растениях, но даже в каждой растительной клетке. В настоящее время число известных фенольных структур превышает 9000.

Фенольные соединения — это вещества, содержащие в своей молекуле бензольное ядро с одной или несколькими гидроксильными группами. Их классификация зависит от числа ароматических колец (одно или два), а также количества присоединенных к ним атомов углерода.

Фенольные соединения с одним ароматическим кольцом подразделяются на следующие классы:

• — соединения С₆-ряда, которые в своей структуре не содержат дополнительных атомов углерода. К ним относятся простые фенолы, представителями которых являются фенол, в малых количествах образующийся в хвое сосны, пирокатехин (найден в листьях тополя) и флороглюцин (чешуя лука);
• — соединения С₆-С_г-ряда имеют в своей структуре один дополнительный атом углерода. К ним относятся оксибензойные кислоты и их производные, которые часто называют фенольными кислотами или фенокислотами. К группе соединений С₆-С_гряда относятся также лишайниковые кислоты, специфические фенольные соединений, синтезируемые лишайниками;
• — соединения. С₆-С₂-ряда это соответствующие альдегиды и спирты оксибензойных кислот, в их структуре присутствуют два дополнительных атома углерода;
• — соединения С₆-С₃-ряда, имеют три дополнительных атома углерода и составляют наиболее многочисленную и важную группу веществ часто называемых фенилпрпаноидами. Она включает оксикоричиые кислоты (по международной номенклатуре — гидроксикоричные),

оксикоричные (гидроксикоричные) спирты, фенилпропены, а также кумарины, изокумарины и хромоны — соединения, у которых дополнительные атомы углерода замыкаются в конденсированное лактонное кольцо; некоторые фенилпропаноиды образуют димеры, т. е. соединения типа (С₆-С₃)₂, и такие вещества называют лигнанами.

Фенольные соединения с двумя ароматическими кольцами подразделяются на:

• — соединения С₆-С_ГС₆-ряда имеют два ароматических кольца соединенные мостиком из одного углеродного атома. К ним относятся бензофеноны и ксантоны;
• — соединения С₆-С₂-С₆-ряда, в составе которых два ароматических кольца соединены двумя атомами углерода. К ним относятся стильбены (два кольца соединяются цепочкой из двух атомов углерода) и антрахиноны (два ароматических кольца соединяются двумя атомами углерода с образованием центрального конденсированного третьего кольца);
• — соединения С₆-С₃-С_в-ряда имеют два ароматических кольца соединенные тремя атомами углерода. Это наиболее многочисленная группа фенольных соединений, представленная прежде всего флавоноидами, которые в свою очередь включают целый ряд подгрупп в зависимости от степени окисления трехуглеродного кислородсодержащего (пиранового) кольца. К ним относятся флавоны, антоцианы, флавононы, флавонолы и изофлавоноиды и неофлавоноиды.

В особые группы выделяют димерные и полимерные фенольные соединения. Это дубильные вещества (таннины) и лигнин. Термин «таннины» был впервые использован для описания веществ, которые превращали сырые животные шкуры в кожу в процессе дубления (tannin). Связываясь с белками коллагена шкуры животных, таннины повышают устойчивость получаемой кожи к жаре, воде и микроорганизмам.

Наиболее распространенным полимером фенольных соединений в растениях является лигнин. В его образовании принимают участие три оксикоричных спирта: конифериловый, паракумаровый и синаповый. В результате биохимических превращений они и образуют лигнин, который представляет собой сильно разветвленный полимер.

Для фенольных соединений характерно формирование огромного числа соединений за счет модификаций молекулы и образования конъюгатов с разнообразными структурами. Это может происходить за счет различного замещения в бензольных кольцах (к которым в различных положениях могут присоединяться группыОН, -ОСНз, -СНз), способности образовывать гликозиды с широким набором монои дисахаридов, а также наличия асимметричных атомов углерода. Фенольные соединения могут также связываться с органическими кислотами, растительными аминами, алкалоидами. Помимо этого растительные фенолы могут соединяться с изопреноидами, образуя большую группу пренилированных фенолов. Такие свойства фенольных соединений обеспечивают огромное разнообразие структур, характерное для растительных фенолов.

Фенольные соединения играют важную роль в самых различных физиологических процессах — фотосинтезе, дыхании, росте и защитных реакциях растительного организма. Кроме того, они выполняют механические и структурные функции (лигнин), а также являются аттрактантами для насекомых-опылителей и животных — распространителей семян. Многие представители фенольных соединений обуславливают вкусовые качества растений. Особенно часто это отмечается для флавоноидов. Например, флавонон нарингенин придает горький вкус кожуре грейпфрута, тогда как другой флавонон гесперидин, обнаруженный в кожуре апельсина и мандарина, такие свойства не проявляет. Во многих плодах (яблоки, груши, вишня, айва, персики, абрикосы) и ягодах (ежевика, земляника, брусника, смородина, малина, виноград) содержатся катехины, также относящиеся к соединениям флавоноидной природы. Наибольшее их содержание было отмечено в молодых побегах чайного растения (до 30% на сухой вес). Катехины играют важную роль в производстве какао, виноделии и особенно в чайной промышленности. Это связано с тем, что продукты окисления катехинов обладают характерной окраской и приятным слабовяжущим вкусом. Кроме того, они проявляют Р-витаминную активность. Часто в растениях встречается рамногликозид кверцетина — рутин широко используемый в медицине как капилляроукрепляющее средство.

У 200 природных флавоноидных веществ выявлено 40 видов биологического действия. В основном оно связано с их антиоксидантным и мембраностабилизирующим действием, а также влиянием на ферментные системы. Вследствие такой разнообразной активности флавоиоидсодержащие растения служат сырьем для производства препаратов желчегонного, противоязвенного, капилляроукрепляющего, гипоазотемического действия. Флавоноиды используются как антимутагены, противоопухолевые и антиаллергические препараты. Так, препарат ревенол, получаемый из коры приморской сосны, виноградных зерен и куркумы, обладает антиоксидантной активностью в 50 раз превышающей таковую токоферола. Разработанный на основе экстракта виноградных косточек, французский препарат эндотелон используется для лечения онкологических заболеваний.

Алкалоиды представляют собой большую группу азотсодержащих вторичных веществ, найденных у 20% видов сосудистых растений.

Термин «алкалоид» был использован в 1819 г. немецким фармакологом Майсснером. Чтобы особая группа азотсодержащих веществ со щелочными свойствами не была классифицирована как щелочи (alcali), он предложил назвать ее алкалоидами. Название происходит от арабского alcali — щелочь и греческого eidos — подобный.

Алкалоиды содержат азот, чаще всего в составе гетероциклического кольца. В настоящее время известно около 10 000 индивидуальных веществ.

В случае алкалоидов достаточно удачно совпали эмпирическая и химическая классификация. Согласно химической классификации, алкалоиды — это соединения, содержащие один или несколько атомов азота в молекуле, что и придает им щелочные свойства. Обычно их разделяют на две подгруппы: протоалкалоиды, которые содержат азот не в гетероцикле, и истинные алкалоиды, содержащие азот в гетероцикле. В распределение алкалоидов на подгруппы внесла коррективы биохимическая классификация. Гликоалкалоиды, а также ряд других алкалоидов (например, алкалоиды аконита) по типу синтеза и по структуре фактически являются изопреноидами. Поэтому было решено выделить их в особую группу — изопреноидных псевдоалкалоидов.

Таким образом, по «модифицированной» химической классификации сейчас принято разделять алкалоиды на три подгруппы: протоалкалоиды (азот не в гетероцикле); истинные алкалоиды (азот в составе гетероцикла); псевдоалкалоиды (синтез не из аминокислот). Каждая подгруппа разделяется в свою очередь на 3—10 классов.

Наиболее широко алкалоиды распространены среди покрытосеменных растений. Особенно богаты ими семейства маковых, пасленовых, бобовых, кутровых, мареновых, лютиковых. Во мхах, папоротниках и голосеменных алкалоиды встречаются относительно редко. Разные органы и ткани растения могут содержать разные алкалоиды. Обычно их концентрация невелика и составляет десятые и сотые доли процента. При содержании алкалоидов около 1—3% растение считается богатым алкалоидами (алкалоидоносным). Только немногие растения, например культивируемые формы хинного дерева, могут накапливать до 15—20% алкалоидов.

Алкалоиды могут оказывать токсическое действие на человека. Однако их малые дозы используют в качестве эффективных фармакологических препаратов (морфин, кодеин, эфедрин, атропин). Некоторые алкалоиды (никотин, кофеин, кокаин) применяют как стимуляторы или седативные средства.

Цианогенные гликозиды и глюкозинолаты также являются азотсодержащими веществами. Их иногда называют прототоксинами, или фитоантисипинами. Они принимают непосредственное участие в защите растений от травоядных животных. При гидролизе цианогенных гликозидов специфичной гликозидазой выделяется синильная кислота.

Цианогенные гликозиды широко распространены в растительном царстве и часто встречаются у представителей бобовых, розоцветных и некоторых злаков. Их много также в клубнях маниоки Manihol esculenta, содержащих большое количество крахмала. Это важный пищевой продукт в ряде тропических стран. Клубни и мука маниоки — обычная пища для аборигенов, которые научились в процессе приготовления избавляться от токсичных соединений.

Вторая важная группа растительных прототоксинов — глюкозинолаты — впервые была выявлена у растений семейства крестоцветных Cruciferae. В растении глюкозинолаты так же, как и цианогенные гликозиды, пространственно отделены от гидролизующих их ферментов. При повреждении растительных тканей происходит смешивание глюкозинолатов с соответствующими ферментами и превращение их в летучие токсичные вещества с горчичным запахом — изотпиоцианаты и нитрилы. Образующиеся вещества функционируют как токсины и репелленты для травоядных животных. Большинство исследований, посвященных глюкозинолатам, выполнено на рапсе Brassica napus, который является важным источником для получения пищевого растительного масла в Северной Америке и Европе. Одна из основных задач селекционеров при этом состоит в получении семян рапса с резко сниженным содержанием глюкозинолатов.

Таким образом, в растениях синтезируются различные соединения вторичного метаболизма. При этом разные их группы находятся в растении в динамическом состоянии, а содержание меняется от органа к органу в ходе онтогенеза. Поэтому, с одной стороны, при проведении скрининга желательно собрать как можно больше образцов разных частей растений на разных фазах развития, а с другой — при интерпретации полученных данных необходимо сравнивать данные о содержании изучаемого соединения в сходных частях растений, отобранных на одной и той же фазе развития. Таким образом, данные о динамике содержания вторичных метаболитов представляют непосредственный интерес при проведении хемотаксономических исследований.

Поскольку многие из вторичных метаболитов обладают высокой биологической активностью, то они могут найти широкое практическое применение, что и привлекло внимание ученых-биотехнологов. И в этом плане перспективным источником получения вторичных веществ могут быть каллусные и суспензионные культуры высших растений.