Вторичный метаболит - Secondary metabolite

Вторичные метаболиты, также называемые специализированными метаболитами, токсины, вторичные продукты или натуральные продукты, находятся органические соединения произведено бактерии, грибы, или же растения которые не имеют прямого отношения к нормальному рост, разработка, или же воспроизведение организма. Вместо этого они обычно выступают посредниками в экологической взаимодействия, что может иметь селективное преимущество для организма, увеличивая его живучесть или же плодовитость. Конкретные вторичные метаболиты часто ограничиваются узким набором видов в пределах одного филогенетический группа. Вторичные метаболиты часто играют важную роль в защита растений от травоядных и другие виды межвидовой защиты. Люди используют вторичные метаболиты в качестве лекарств, ароматизаторов, пигментов и рекреационных наркотиков.[1]

Период, термин вторичный метаболит был впервые придуман Альбрехт Коссель, 1910 г. Нобелевская премия лауреат премии по медицине и физиологии 1910 г.[2] 30 лет спустя польский ботаник Фридрих Иоганн Франц Чапек описал вторичные метаболиты как конечные продукты метаболизм азота.[3]

Вторичные метаболиты обычно опосредуют антагонистические взаимодействия, такие как конкуренция и хищничество, а также мутуалистические, такие как опыление и ресурс мутуализм. Обычно вторичные метаболиты относятся к определенной линии или даже виду,[4] хотя есть убедительные доказательства того, что горизонтальный перенос целых путей между видами или родами играет важную роль в эволюции бактерий (и, вероятно, грибов).[5] Исследования также показывают, что вторичный метаболизм может по-разному влиять на разные виды. В том же лесу четыре отдельных вида древесных сумчатых листовидных животных по-разному реагировали на вторичный метаболит эвкалиптов.[6] Это показывает, что разные типы вторичных метаболитов могут быть разделены между двумя травоядное животное экологические ниши.[6] Кроме того, некоторые виды эволюционируют, чтобы противостоять вторичным метаболитам и даже использовать их для собственной выгоды. Например, бабочки монарх развились, чтобы иметь возможность есть молочая (Асклепии) несмотря на наличие токсичных сердечные гликозиды.[7] Бабочки не только устойчивы к токсинам, но и могут извлечь выгоду, активно изолируя их, что может отпугнуть хищников.[7]

Вторичные метаболиты растений

Растения способны производить и синтезировать различные группы органических соединений и делятся на две основные группы: первичные и вторичные метаболиты. Вторичные метаболиты представляют собой промежуточные продукты или продукты метаболизма, которые не являются необходимыми для роста и жизни растений-продуцентов, а скорее необходимы для взаимодействия растений с окружающей их средой и образуются в ответ на стресс. Их антибиотические, противогрибковые и противовирусные свойства защищают растение от патогенов. Некоторые вторичные метаболиты, такие как фенилпропаноиды защищать растения от УФ повреждать.[8] Биологическое действие вторичных метаболитов растений на человека известно с древних времен. Трава Artemisia annua который содержит Артемизинин, широко используется в Китайская традиционная медицина более двух тысяч лет назад.[нужна цитата ] Вторичные метаболиты растений классифицируются по их химической структуре и могут быть разделены на четыре основных класса: терпены, фенилпропаноиды (т.е. фенольные смолы ), поликетиды, и алкалоиды.[9]

Скелетная формула терпеноида таксол, противоопухолевый препарат.

Терпеноиды

Терпены представляют собой большой класс натуральных продуктов, состоящих из изопрен единицы. Терпены только углеводороды и терпеноиды кислородсодержащие углеводороды. Общая молекулярная формула терпенов кратна (C5ЧАС8)п, где n - количество связанных звеньев изопрена. Следовательно, терпены также называют изопреноидными соединениями. Классификация основана на количестве изопреновых звеньев, присутствующих в их структуре. Некоторые терпеноиды (т.е. многие стеролы ) являются первичными метаболитами. Некоторые терпеноиды, которые могли образоваться как вторичные метаболиты, впоследствии были задействованы как гормоны растений, такие как гиббереллины, брассиностероиды, и стриголактоны.

Количество изопреновых единицИмяАтомы углерода
1ГемитерпенC5
2МонотерпенC10
3СесквитерпеныC15
4ДитерпенC20
5СестертерпенC25
6ТритерпенC30
7SesquarterterpeneC35
8ТетратерпенC40
Более 8Политерпен

Фенольные соединения

Фенолики представляют собой химическое соединение, характеризующееся наличием ароматической кольцевой структуры, несущей один или несколько гидроксильные группы. Фенолы - самые распространенные вторичные метаболиты растений, начиная от простых молекул, таких как фенольная кислота к высокополимеризованным веществам, таким как дубильные вещества. Классы фенольных соединений были охарактеризованы на основе их основного скелета.

Кол-во атомов углеродаБазовый скелетУчебный класс
6C6Простой фенолы
7C6 - С1Фенольные кислоты
8C6 - С2Ацетофенон, Фенилуксусная кислота
9C6 - С3Фенилпропаноиды, гидроксикоричная кислота, кумарины
10C6 - С4Нафтохинон
13C6 - С1- С6Ксантон
14C6 - С2 - С6Стилбене, антрахинон
15C6 - С3 - С6Флавоноиды, изофлаваноиды
18(C6 - С3 ) 2лигнаны, неолигнаны
30(C6 - С3 - С6)2Бифлавоноиды
Скелетная формула соланин, токсичный алкалоид, который накапливается в картофеле.

Алкалоиды

Алкалоиды представляют собой разнообразную группу азотсодержащих основных соединений. Обычно они получают из растительных источников и содержат один или несколько атомов азота. Химически они очень разнородны. По химическому строению их можно разделить на две большие категории:

Многие алкалоиды влияют на центральную нервную систему животных, связываясь с рецепторы нейротрансмиттеров.

Бактериальные вторичные метаболиты

Бактериальное производство вторичных метаболитов начинается в стационарная фаза как следствие недостатка питательных веществ или в ответ на стресс окружающей среды. Синтез вторичных метаболитов в бактериях не важен для их роста, однако они позволяют им лучше взаимодействовать со своей экологической нишей. Основные синтетические пути производства вторичных метаболитов у бактерий: b-лактам, олигосахарид, шикимат, поликетид и нерибосомные пути.[10] Многие вторичные метаболиты бактерий токсичны для млекопитающие. При выделении эти ядовитые соединения известны как экзотоксины в то время как те, что находятся в стенке прокариотических клеток, являются эндотоксины.

Пример бактериального вторичного метаболита с положительным и отрицательным действием на человека: ботулинический токсин синтезировано Clostridium botulinum. Этот экзотоксин часто накапливается в неправильно консервированных продуктах и ​​при попадании внутрь блокирует холинергическую нейротрансмиссию, что приводит к параличу мышц или смерти. Однако ботулинический токсин также имеет множество медицинских применений, таких как лечение мышечной спастичности, мигрени и использование косметики.

Вторичные метаболиты грибов

Три основных класса вторичных метаболитов грибов: поликетиды, нерибосомальные пептиды и терпены. Хотя SMs грибов не требуются для роста, они играют важную роль в выживании грибов в их экологической нише.[11] Наиболее известный вторичный метаболит грибов - это пенициллин обнаружен Александр Флеминг в 1928 году. Позже, в 1945 году, Флеминг вместе с Эрнст Чейн и Говард Флори получил Нобелевская премия за его открытие, которое имело решающее значение для сокращения числа смертей в Вторая Мировая Война более чем на 100000.[12]

Ловастатин был первым FDA одобренный вторичный метаболит для снижения уровня холестерина. Ловастатин в природе встречается в низких концентрациях в вешенки,[13] красный дрожжевой рис,[14] и Пуэр.[15] Ловастатина образ действий конкурентное торможение ГМГ-КоА редуктаза, и ограничивающий скорость фермент, ответственный за превращение HMG-CoA в мевалонат.

Вторичные метаболиты грибов также могут быть опасны для человека. Claviceps purpurea, член спорынья группа грибов, обычно растущих на ржи, приводит к гибели при проглатывании. Накопление ядовитых алкалоидов, обнаруженных в С. пурпурная привести к таким симптомам, как судороги и судороги, понос, парестезии, Зуд, психоз или же гангрена. В настоящее время для удаления тел спорыньи необходимо поместить рожь в рассол, при этом здоровые зерна тонут, а зараженные плывут.[16]

Вторичные метаболиты растений в медицине

Многие лекарства, используемые в современной медицине, получают из вторичных метаболитов растений.

Извлечение таксола из коры Тихоокеанского Ю.

Два наиболее известных терпеноиды находятся артемизинин и паклитаксел. Артемизинин широко применялся в Традиционная китайская медицина и позже был повторно открыт как мощное противомалярийное средство китайским ученым Ту Youyou. Позже она была награждена Нобелевская премия за открытие в 2015 году. В настоящее время малярийный паразит, Плазмодий falciparum, приобрела устойчивость к одному артемизинину и Всемирная организация здоровья рекомендует использовать его с другими противомалярийными препаратами для успешной терапии. Паклитаксел активное соединение, содержащееся в таксоле, представляет собой химиотерапия препарат, используемый для лечения многих форм рака, включая рак яичников, рак молочной железы, рак легких, Саркома Капоши, рак шейки матки, и панкреатический рак.[17] Таксол впервые был выделен в 1973 г. из коры хвойного дерева, Тихоокеанский тис.[18]

Морфий и кодеин оба относятся к классу алкалоидов и происходят от опийные маки. Морфин был открыт в 1804 году немецким фармацевтом. Фридрих Сертюрнер т. Это был первый активный алкалоид, извлеченный из опийный мак. Он в основном известен своими сильными обезболивающее эффекты, однако морфин также используется для лечения одышки и лечения зависимости от более сильных опиатов, таких как героин.[19][20] Несмотря на свое положительное воздействие на людей, морфин имеет очень сильные побочные эффекты, такие как зависимость, гормональный дисбаланс или запор.[20][21] Из-за того, что морфин вызывает сильную зависимость, он является строго контролируемым веществом во всем мире и используется только в очень тяжелых случаях, а в некоторых странах он используется недостаточно, чем в среднем в мире, из-за социальной стигмы вокруг него.[22]

Опиумное поле в Афганистане, крупнейший производитель опия.[23]

Кодеин, также являющийся алкалоидом опийного мака, считается наиболее широко используемым наркотиком в мире, согласно данным Всемирная организация здоровья. Впервые он был выделен в 1832 году французским химиком. Пьер Жан Робике, также известный открытием кофеин и широко используемый красный краситель ализарин.[24] В первую очередь кодеин используется для облегчения боли и облегчения кашля.[25] хотя в некоторых случаях его применяют для лечения понос и некоторые формы синдром раздраженного кишечника.[25] Кодеин имеет силу 0,1-0,15 по сравнению с морфином, принимаемым перорально.[26] следовательно, его использование намного безопаснее. Хотя кодеин можно извлечь из опийного мака, этот процесс экономически нецелесообразен из-за низкого содержания чистого кодеина в растении. Химический процесс метилирование морфина в гораздо большем количестве является основным методом производства.[27]

Атропин это алкалоид, впервые обнаруженный в Атропа белладонна, член семья пасленовых. Хотя атропин был впервые выделен в XIX веке, его медицинское применение восходит к четвертому веку до нашей эры. где его использовали при ранах, подагре и бессоннице. В настоящее время атропин вводят внутривенно для лечения брадикардия и как противоядие от отравление фосфорорганическими соединениями. Передозировка атропина может привести к отравлению атропином, что приводит к побочным эффектам, таким как: помутнение зрения, тошнота, отсутствие потоотделения, сухость во рту и тахикардия.[28]

Ресвератрол представляет собой фенольное соединение класса флавоноидов. Он очень богат виноград, черника, малина и арахис. Его обычно принимают в качестве пищевой добавки для продления жизни и снижения риска рака и сердечных заболеваний, однако убедительных доказательств его эффективности нет.[29][30] Тем не менее, считается, что флавоноиды оказывают благотворное влияние на человека.[нужна цитата ] Некоторые исследования показали, что флавоноиды обладают прямой антибиотической активностью.[31] Номер in vitro и ограниченный in vivo исследования показали, что флавоноиды, такие как кверцетин обладают синергическим действием с антибиотиками и способны подавлять бактериальную нагрузку.[32]

Дигоксин это сердечный гликозид, впервые полученный Уильям Уизеринг в 1785 г. из наперстянка (Дигиталис) растение. Обычно он используется для лечения сердечных заболеваний, таких как мерцательная аритмия, трепетание предсердий или же сердечная недостаточность.[33] Однако дигоксин может иметь такие побочные эффекты, как: тошнота, брадикардия, понос или даже опасно для жизни аритмия.

Биотехнологические подходы

Культура тканей растений Oncidium leucochilum.

Селективное разведение использовалось как один из первых биотехнологических методов, используемых для уменьшения нежелательных вторичных метаболитов в пище, таких как нарингин, вызывающий горечь в грейпфруте.[34] В некоторых случаях желаемым результатом является увеличение содержания вторичных метаболитов в растении. Традиционно это делалось in vitro. культура ткани растений методы, которые позволяют: контролировать условия роста, уменьшать сезонность растений или защищать их от паразитов и вредных микробов.[нужна цитата ] Синтез вторичных метаболитов можно дополнительно усилить путем введения элиситоры в культуру тканевых растений, такую ​​как жасмоновая кислота, УФ-В или же озон. Эти соединения вызывают стресс у растений, что приводит к увеличению выработки вторичных метаболитов.

Для дальнейшего увеличения доходности СМ были разработаны новые подходы. Новый подход, используемый Evolva, использует штаммы рекомбинантных дрожжей S.cervisiae для производства вторичных метаболитов, обычно встречающихся в растениях. Первым успешным химическим соединением, синтезированным с помощью Evolva, был ванилин, широко используемый в пищевой промышленности в качестве ароматизатора. Процесс включает вставку гена желаемого вторичного метаболита в искусственную хромосому рекомбинантных дрожжей, что приводит к синтезу ванилина. В настоящее время Evolva производит широкий спектр химикатов, таких как стевия, ресвератрол или же nootkatone.

Нагойский протокол

С развитием рекомбинантных технологий Нагойский протокол регулирования доступа к генетическим ресурсам и совместного использования на справедливой и равной основе выгод от их использования к Конвенции о биологическом разнообразии был подписан в 2010 году. Протокол регулирует сохранение и защиту генетических ресурсов для предотвращения эксплуатации более мелких и более бедных стран. Если генетические, белковые или низкомолекулярные ресурсы, полученные из стран с биоразнообразием, станут прибыльными, для стран происхождения будет введена схема компенсации.[35]

Список вторичных метаболитов

Маленькие «маленькие молекулы»

Большие «маленькие молекулы»

Не «маленькие молекулы»: ДНК, РНК, рибосомы или полисахариды «классические» биополимеры.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Вторичные метаболиты - Энциклопедия знаний». www.biologyreference.com. Получено 2016-05-10.
  2. ^ Джонс ME (сентябрь 1953 г.). "Альбрехт Коссель, биографический очерк". Йельский журнал биологии и медицины. 26 (1): 80–97. ЧВК  2599350. PMID  13103145.
  3. ^ Bourgaud F, Gravot A, Milesi S, Gontier E (1 октября 2001 г.). «Производство вторичных метаболитов растений: историческая перспектива». Растениеводство. 161 (5): 839–851. Дои:10.1016 / S0168-9452 (01) 00490-3.
  4. ^ Пичерский Э., Банда Д.Р. (октябрь 2000 г.). «Генетика и биохимия вторичных метаболитов растений: эволюционная перспектива». Тенденции в растениеводстве. 5 (10): 439–45. Дои:10.1016 / S1360-1385 (00) 01741-6. PMID  11044721.
  5. ^ Джухас М., ван дер Меер Дж. Р., Гайярд М., Хардинг Р. М., Худ Д. В., Крук Д. В. (март 2009 г.). «Геномные острова: инструменты бактериального горизонтального переноса генов и эволюции». Обзор микробиологии FEMS. 33 (2): 376–93. Дои:10.1111 / j.1574-6976.2008.00136.x. ЧВК  2704930. PMID  19178566.
  6. ^ а б Дженсен Л.М., Уоллис И.Р., Марш К.Дж., Мур Б.Д., Виггинс Н.Л., Фоли В.Дж. (сентябрь 2014 г.). «Четыре вида древесных фоливоров обладают дифференциальной толерантностью к вторичному метаболиту». Oecologia. 176 (1): 251–8. Bibcode:2014Oecol.176..251J. Дои:10.1007 / s00442-014-2997-4. PMID  24974269. S2CID  18888324.
  7. ^ а б Croteau R, Kutchan TM, Lewis NG (2012-07-03). «Глава 24: Натуральные продукты (вторичные метаболиты)». В Civjan N (ред.). Натуральные продукты в химической биологии. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley. С. 1250–1319. ISBN  978-1-118-10117-9.
  8. ^ Коркина Л., Костюк В., Потапович А., Майер В., Талиб Н., Де Лука С. (2 мая 2018 г.). «Вторичные метаболиты растений для солнцезащитной косметики: от предварительного выбора до рецептуры продукта». Косметика. 5 (2): 32. Дои:10.3390 / косметика 5020032.
  9. ^ Кумар П., Мина Ю. (2013). Науки о жизни: основы и практика. Мина, Уша. (3-е изд.). Нью-Дели: Академия следопытов. ISBN  9788190642774. OCLC  857764171.[страница нужна ]
  10. ^ Гокулан К., Кхаре С., Чернилья С. (31 декабря 2014 г.). «Метаболические пути: производство вторичных метаболитов бактерий». Энциклопедия пищевой микробиологии. С. 561–569. ISBN  978-0-12-384733-1. Получено 2020-04-10.
  11. ^ Борута Т. (январь 2018). «Раскрытие репертуара вторичных метаболитов грибов: от лаборатории Флеминга до Международной космической станции». Биоинженерия. 9 (1): 12–16. Дои:10.1080/21655979.2017.1341022. ЧВК  5972916. PMID  28632991.
  12. ^ Conniff R (3 июля 2017 г.). «Пенициллин: чудо-наркотик Второй мировой войны». История. Получено 2020-04-11.
  13. ^ Гунде-Цимерман Н., Цимерман А. (март 1995 г.). «Плодовые тела Pleurotus содержат ингибитор 3-гидрокси-3-метилглутарил-кофермента А-редуктазы-ловастатин». Экспериментальная микология. 19 (1): 1–6. Дои:10.1006 / emyc.1995.1001. PMID  7614366.
  14. ^ Лю Дж., Чжан Дж., Ши И, Гримсгаард С., Алраек Т., Фённебё В. (ноябрь 2006 г.). «Китайский красный дрожжевой рис (Monascus purpureus) для первичной гиперлипидемии: метаанализ рандомизированных контролируемых испытаний». Китайская медицина. 1 (1): 4. Дои:10.1186/1749-8546-1-4. ЧВК  1761143. PMID  17302963.
  15. ^ Чжао Ц.Дж., Пань Ю.З., Лю Ц.Дж., Ли XH (июнь 2013 г.). «Оценка воздействия ловастатина в чае пуэр». Международный журнал пищевой микробиологии. 164 (1): 26–31. Дои:10.1016 / j.ijfoodmicro.2013.03.018. PMID  23587710.
  16. ^ Uys H, Berk M (июнь 1996 г.). «Контролируемое двойное слепое исследование зуклопентиксола ацетата по сравнению с клотиапином при остром психозе, включая манию и обострение хронического психоза». Европейская нейропсихофармакология. 6: 60. Дои:10.1016 / 0924-977х (96) 87580-8. ISSN  0924-977X. S2CID  54245612.
  17. ^ «Монография паклитаксела для профессионалов». Drugs.com. Получено 2020-04-04.
  18. ^ «История успеха: Таксол». dtp.cancer.gov. Получено 2020-04-04.
  19. ^ Малер Д.А., Селеки П.А., Харрод К.Г., Бендитт Дж.О., Карриери-Кольман В., Кертис Дж. Р. и др. (Март 2010 г.). «Заявление о консенсусе Американского колледжа грудных врачей по лечению одышки у пациентов с прогрессирующими заболеваниями легких или сердца». Грудь. 137 (3): 674–91. Дои:10.1378 / сундук.09-1543. PMID  20202949.
  20. ^ а б Kastelic A, Dubajic G, Strbad E (ноябрь 2008 г.). «Пероральный морфин с замедленным высвобождением для поддерживающего лечения опиоидных наркоманов с непереносимостью метадона или с неадекватным подавлением абстиненции». Зависимость. 103 (11): 1837–46. Дои:10.1111 / j.1360-0443.2008.02334.x. PMID  19032534.
  21. ^ Калиньяно А., Монкада С., Ди Роза М. (декабрь 1991 г.). «Эндогенный оксид азота модулирует запор, вызванный морфином». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях. 181 (2): 889–93. Дои:10.1016 / 0006-291х (91) 91274-г. PMID  1755865.
  22. ^ Manjiani D, Paul DB, Kunnumpurath S, Kaye AD, Vadivelu N (2014). «Доступность и использование опиоидов для обезболивания: глобальные проблемы». Журнал Окснера. 14 (2): 208–15. ЧВК  4052588. PMID  24940131.
  23. ^ . 2007-09-28 https://web.archive.org/web/20070928073343/http://www.senliscouncil.net/modules/publications/documents/poppy_medicine_technical_dossier. Архивировано из оригинал на 2007-09-28. Получено 2020-04-11. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  24. ^ Wisniak J (1 марта 2013 г.). "Пьер-Жан Робике". Educación Química. 24: 139–149. Дои:10.1016 / S0187-893X (13) 72507-2. ISSN  0187-893X.
  25. ^ а б «Монография кодеина для профессионалов». Drugs.com. Получено 2020-04-05.
  26. ^ «Эквианальгетик», Википедия, 2020-04-02, получено 2020-04-05
  27. ^ "УНП ООН - Бюллетень по наркотическим средствам - 1958, выпуск 3 - 005". Организация Объединенных Наций: Управление по наркотикам и преступности. Получено 2020-04-05.
  28. ^ «Центр побочных эффектов атропина».
  29. ^ «Ресвератрол: добавки MedlinePlus». medlineplus.gov. Получено 2020-04-07.
  30. ^ Ван О, Ахмад Н., Байле С.А., Баур Дж. А., Браун К., Цисар А. и др. (2011-06-16). «Что нового для старой молекулы? Систематический обзор и рекомендации по применению ресвератрола». PLOS ONE. 6 (6): e19881. Bibcode:2011PLoSO ... 619881V. Дои:10.1371 / journal.pone.0019881. ЧВК  3116821. PMID  21698226.
  31. ^ Cushnie TP, Lamb AJ (ноябрь 2005 г.). «Антимикробная активность флавоноидов». Международный журнал противомикробных агентов. 26 (5): 343–56. Дои:10.1016 / j.ijantimicag.2005.09.002. ЧВК  7127073. PMID  16323269.
  32. ^ Панче А.Н., Диван А.Д., Чандра С.Р. (29 декабря 2016 г.). «Флавоноиды: обзор». Журнал диетологии. 5: e47. Дои:10.1017 / jns.2016.41. ЧВК  5465813. PMID  28620474.
  33. ^ «Монография по дигоксину для профессионалов». Drugs.com. Получено 2020-04-07.
  34. ^ Древновски А., Гомес-Карнерос С. (декабрь 2000 г.). «Горький вкус, фитонутриенты и потребитель: обзор». Американский журнал клинического питания. 72 (6): 1424–35. Дои:10.1093 / ajcn / 72.6.1424. PMID  11101467.
  35. ^ Отдел биобезопасности (2020-04-14). «Нагойский протокол регулирования доступа к генетическим ресурсам и совместного использования выгод». www.cbd.int. Получено 2020-04-15.
  36. ^ Chizzali C, Beerhues L (2012). «Фитоалексины Pyrinae: бифенилы и дибензофураны». Журнал органической химии Бейльштейна. 8: 613–20. Дои:10.3762 / bjoc.8.68. ЧВК  3343287. PMID  22563359.

внешняя ссылка