wtórne metabolity.doc

WYKŁAD NR 12

Wtórne metabolity

§         Są to niskocząsteczkowe związki będące wytworem wyspecjalizowanej przemiany materii u roślin. Charakteryzują się różnorodną budową chemiczną (należą tu np. alkaloidy, związki fenolowe, flawonoidy, terpeny) i bardzo często właściwościami biologicznymi.

§         Niektóre stanowią leki naturalne. Zgodnie z definicją Borkowskiego za leki naturalne uważa się te wszystkie związki występujące w roślinach i u zwierząt, które znalazły zastosowanie w lecznictwie w postaci wysuszonych organów, wyciągów lub w czystej postaci.

§         Obecnie około 25% środków leczniczych to związki pochodzące z roślin. Przykłady: skopolamina (występuje u Solanaceae; poraża układ parasympatyczny), winkrystyna (stosowana przy nowotworach), ginsenozydy w Panax ginseng. Obecnie znamy co najmniej 300 000 metabolitów wtórnych syntezowanych przez rośliny. Podział substancji wytwarzanych przez rośliny na metabolity wtórne i pierwotne wprowadził Czapek (początek XX wieku).

§         Za substancje podstawowe, czyli pierwotne, uważa się metabolity obecne w zasadzie w każdej roślinie, gdzie spełniają podstawowe funkcje fizjologiczne, stanowiąc substancje energetyczne, budulcowe lub zapasowe. Odpowiadają za wzrost, różnicowanie i rozmnażanie.

§         Należą tu cukry proste, skrobia, chlorofile, tłuszcze, aminokwasy, białka, kwasy nukleinowe. Są niezbędne dla rozwoju, rozmnażania i życia rośliny.

§         Metabolity wtórne należy traktować niezależnie od metabolitów pierwotnych. Nie biorą one udziału w podstawowych procesach życiowych rośliny. Stanowią jakby odgałęziające się drogi biosyntezy i dalszych przemian metabolitów. Pierwsze substancje wtórne pochodzą od substancji podstawowych.

§         Są wytworem wyspecjalizowanej przemiany materii u roślin i nie biorą bezpośredniego udziału w podstawowych procesach życiowych komórki, aczkolwiek metabolity wtórne mogą pełnić różnorodne funkcje biochemiczne i fizjologiczne, np. karotenowcom przypisuje się funkcję ochrony organelli czy komórek przed szkodliwym działaniem światła.

§         Sterydy roślinne, podobne do swoich odpowiedników zwierzęcych (np. cholesterol) wykazują liczne funkcje regulacyjne w procesach rozmnażania i transportu przez błony.

§         Flawonoidy stanowią m.in. sygnały dla organizmów zapylających kwiaty, a bardziej ogólna funkcją jest współdziałanie z metabolizmem AUKSYNY (kwas 3-indolilooctowego). Flawonoidy roślin motylkowatych inicjują zasiedlanie drobnych korzeni przez bakterie wiążące azot

§         Obecnie uważa się, że najważniejszą rola substancji wtórnych w roślinie jest ich rola obronna przeciw różnego rodzaju oddziaływaniom na organizm rośliny lub związaną ze współzawodnictwem o przestrzeń życiową, dostęp do światła, itp.

§         Alkaloidy ze względu na toksyczność i gorzki smak chronią rośliny przed zżeraniem przez zwierzęta, a ponadto mogą regulować biosyntezę białek przez typowe chemiczne współdziałanie z DNA.

§         Duża część metabolitów wtórnych należy do tzw. FITOALEKSYN- są to substancje niskocząsteczkowe wytwarzane w roślinach w odpowiedzi na stres, np. mróz lub atak patogenów; wykazują one często działanie antybiotyczne w odniesieni do określonych bakterii i grzybów.

§         W roślinach niezakażonych fitoaleksyny albo nie występują wcale, albo występują w niewielkich ilościach. Dziś znamy ponad 250 fitoaleksyn. Do nich należy, np. pizatyna o szerokim spektrum działania grzybobójczego, ale o niezbyt silnym działaniu antybiotycznym, wytwarzana u grochu- Pisum sativum.

§         Gdy roślina groch jest porażona przez patogenny grzyb, pizatyna gromadzi się zarówno w częściach porażonych, jak i zdrowych. Wytwarzanie jej w roślinie jest indukowane zarówno przez grzyby patogenne w stosunku do grochu, jak i przez niepatogeniczne.

§         W tkankach roślinnych jest prawdopodobnie rozkładana przez enzymy, co zapewne jest konieczne, gdyż fitoaleksyny w pewnym stopniu mogą być toksyczne także dla tkanek roślinnych gospodarza. U fasoli (Phaseolus vulgaris) odkryto fitoaleksynę- FAZEOLINĘ. Hydroksyfazeolina występuje u soji (Glicine max), u czosnku, cebuli występują 2 fitoaleksyny- CEBULINY.

§         Toksyczność fitoaleksyn dla grzybów jest niekiedy bardzo duża, np. u niektórych odmian soji stężenie hydroksyfazeoliny przewyższa 100-400-krotnie stężenie potrzebne do zahamowania w 50% rozwoju grzybni patogennego grzyba. Zwykle rośliny mają nie jedną, ale cały kompleks fitoaleksyn, co czyni obronę przeciwko patogenom skuteczniejszą.

§         Uodparnianie patogenów na fitoaleksyny utrudnia również fakt, że należą one do różnych grup chemicznych. Fitoaleksyny działają na integralność błon cytoplazmatycznych patogenów- działanie o tak bardzo ogólnym charakterze czyni, że bardzo trudno jest drobnoustrojom wytworzyć szczepy oporne.

§         Synteza fitoaleksyn indukowana jest przez tzw. wywoływacze, czyli ELICYTORY. Elicytory mogą być pochodzenia biotycznego (np. węglowodany pochodzące ze ścian komórek roślin lub grzybów, związki tłuszczowe, enzymy produkowane przez mikroorganizmy) lub abiotycznego (sole metali ciężkich, detergenty, UV).

§         Także patogeny próbują bronić się przed fitoaleksynami, np. niektóre grzyby mają zdolność ich metabolizowania albo tak jak na przykład grzyb patogen grochu, który wytwarza substancję częściowo unieczynniającą wywoływacz pizatyny, wskutek czego pizatyna gromadzi się w tkankach z opóźnieniem.

§         Odporność roślin może opierać się także na innych metabolitach wtórnych, które stale znajdują się w tkankach, a zmieniają się w związki toksyczne dla drobnoustrojów w momencie, gdy te atakują rośliny.

§         Należą tu glikozydy fenolowe, które w czasie zakażenia przez patogen zmieniają się pod wpływem enzymu β-glukozydazy w wolne związki fenolowe silnie toksyczne dla drobnoustrojów (np. u borówki arbutyna przekształcana w hydrochinon przez β-glukozydazy w czasie działania patogena- wyizolowany i stosowany w infekcjach dróg moczowych).

§         Normalnie glukozydaza nie ma do tych związków dostępu, gdyż znajdują się one w innych częściach komórki. Przykładem może być arbutyna występująca w gruszy. Gdy roślina jest atakowana przez patogen związek ten zmienia się w hydrochinon toksyczny dla mikroorganizmów.

§         Podobny mechanizm wpływa na to, że w czasie atakowania rośliny przez patogeny AMYGDALINA (cyjanoglukozyd; produkowany przez Amygdalus communis- Prunus amygdalus) zmienia się w benzaldehyd i cyjanowodór.

§         Czosnek (Allium sativum, rodz. Alliaceae) zawiera ALLINĘ, związek niewykazujący działania antybiotycznego. Jednak, gdy tkanki zostaną zranione allina pod wpływem enzymu (allinazy) zmienia się w allicynę i diallilodisulfit (sulfotlenek alkilowy)- są to związki bardzo toksyczne dla mikroorganizmów.

§         Allicyna nadaje czosnkowi charakterystyczny zapach. Ma działanie bakteriobójcze, przeciwrobacze oraz hipotensyjne. Substancją ochronną w pomidorach jest TOMATYNA- glikoalkaloid steroidowy należący do saponin.

§         Tomatyna występuje zwłaszcza w niedojrzałych owocach i może uszkadzać grzyby, ale tylko przy pH niższym od 6 i także takie właśnie pH występuje w częściach zranionych.

§         Niektóre metabolity wtórne odgrywają rolę w allelopatii. Termin ten został wprowadzony dla określenia szkodliwych lub korzystnych wzajemnych wpływów między roślinami (włączając grzyby i drobnoustroje).

§         Zjawisko wzajemnego oddziaływania między roślinami ma związek z substancjami chemicznymi wytwarzanymi przez rośliny. Substancje te to tzw. substancje allelopatyczne. Substancje allelopatyczne; mogą stymulować(allelopatia dodatnia) lub hamować wzrost roślin (allelopatia ujemna- występuje znacznie częściej).

§         Substancje allelopatyczne dzieli się na szereg grup w zależności od organizmu wydzielającego(donore) lub odbierającego(akceptore). Substancje wytwarzane przez rośliny wyższe i działające na rośliny wyższe nazywamy KOLINAMI, te zaś, które na kiełkujące nasiona i młode siewki to BLASTOKOLINY.

§         Natomiast związki produkowane przez rośliny wyższe, ale hamujące rozwój drobnoustrojów nazwano FITONCYDAMI. Natomiast wydzieliny hamujące rozwój roślin wyższych  określamy jako MARAZMINY, a działające na inne drobnoustroje jako antybiotyki.

·         Obecnie zidentyfikowano około 10 000 substancji allelopatycznych. Mogą to być substancje metabolizmu podstawowego (niektóre aminokwasy), ale najczęściej są to metabolity wtórne. Z allelosubstancji stymulujących wzrost roślin dotychczas poznano zaledwie kilka. Należy do nich  LEPIDIMOID, wykryty w wydzielinach kiełkującej rzeżuchy, gryki i słonecznika.

·         Znaczną większość grupy stanowią związki allelopatyczne hamujące wzrost roślin. Hamują one kiełkowanie nasion(BLASTOKOLINY) lub ograniczają wzrost i rozwój roślin(KOLINY). Należą tu np. glikozydy cyjanogenne(amigdalina, prunazyna, duryna) wytwarzane przez tkanki wyki, lnu, śliwy, migdałowca, a z nich podczas hydrolizy  enzym, uwalnia się benzaldehyd lub p-hydroksybenzaldehyd i HCN.

·         Te dwa ostatnie związki hamują wzrost roślin silne allelopatycznym gazem jest amoniak. Do substancji allelopatycznych należą różnego typu terpeny: α-pinen i β-pinen.

·         Inna grupa to rośliny z rodz. Kapustowatych, wiele z nich zawiera naturalne glikozydy siarkowe tzw. glukozynolany. W tkankach tych roślin znajduje się enzym MIROZYNAZA, zdolny do hydrolizy glukozynolanów, jednakże w nieuszkodzonych tkankach do hydrolizy nie dochodzi, gdyż substrat i enzym nie mają ze sobą kontaktu- dopiero uszkodzenie tkanki prowadzi do zetknięcia się enzymu z glikozydem i uwalnia olejki gorczyczne, czyli izosiarkocyjaniany hamujące kiełkowanie i wzrost siewek.

·         Te olejki np. olejek gorczyczny pochodzący z nasion Brassica nigra(Sinapis oleum ) stosowany jest jako środek rozgrzewający, drażniący skórę, wywołuje przekrwienie skóry. Niektóre izotiocyjaniany działają żółciopędnie lub żółciotwórczo(np. Raphanus- rzodkiew).

·         Kwasy organiczne, które występują w sokach owoców, są inhibitorami kiełkowania nasion. Ich występowanie zapobiega kiełkowaniu nasion wewnątrz owoców. Silnymi inhibitorami kiełkowania są kumaryny( eskuletyna, psolaren, skopoletyna), które są  wytwarzane w nasionach wielu roślin Motylkowatych i Złożonych.

·         Najbardziej znaną substancją allelopatyczną jest chinon- JUGLON, występujący w orzechach włoskich- Juglans regia- związek ten ma właściwości bakterio- i grzybostatyczne i jest wysoce toksyczny dla wielu roślin, np. pomidorów, lucerny, róży, jabłoni.

·         Jest on wydzielany z liści, owoców i korzeni orzecha i powoduje więdnięcie wrażliwych roślin i ich powolne obumieranie. Allelopatyczną aktywność wykazują także alkaloidy. Najbardziej aktywna jest kokaina, kofeina, chinina, kodeina, strychnina.

·         Organizmy niższe np. niektóre grzyby glebowe mogą wytwarzać związki allelopatyczne będące inhibitorami kiełkowania nasion; takim związkiem jest PATULINA(MARAZMINA).

·         Patulina wykazuje wysoką toksyczność zarówno w odniesieniu do roślin, jak i zwierząt. Zjawisko allelopatii wykorzystuje się w praktyce rolniczej w walce z chorobami roślin i chwastami( jako pestycydy i herbicydy).

·         Regulatory wzrostu, czyli substancje wzrostowe to związki organiczne, które w bardzo małych stężeniach pobudzają, hamują lub w inny sposób modyfikują procesy fizjologiczne roślin.

·         Do regulatorów wzrostu zalicza się zarówno substancje endogeniczne, a więc powstałe w roślinie( substancje określamy mianem fitohormonów), jak i substancje egzogeniczne, wprowadzane z zewnątrz. Fitohormony stanowią więc węższą grupę substancji niż regulatory wzrostu.

Cechy charakterystyczne fitohormonów:

·         Działają w bardzo niskich stężeniach( niższych niż egzogenne regulatory wzrostu).

·         Powszechnie występują w roślinach, wykazują działanie plejotropowe, uczestniczą w regulacji wielu procesów fizjologicznych.

·         Te dwie pierwsze cechy( działanie w bardzo niskich stężeniach i powszechność występowania) dotyczą również hormonów zwierzęcych. W przeciwieństwie do nich w odniesieniu do hormonów roślinnych nie zawsze występuje rozdzielność miejsca wytwarzania i działania.

·         Inne regulatory wzrostu, które nie spełniają kryteriów stawianych hormonom, określa się mianem substancji wzrostowych.

·         Regulatory wzrostu dzielimy na stymulatory i inhibitory wzrostu.

·         Do stymulatorów należą:

- auksyny

- cytokininy

- gibereliny

- brasinosteroidy(hormony sterydowe).

·         Do inhibitorów należą:

- kwas abscyzynowy(ABA)

- kwas jasmonowy(JA) i jego ester metylowy(JA-Me)

- retardanty

- etylen.

AUKSYNY

§         Auksyny są wytwarzane głównie w młodych częściach roślin. W wierzchołkach pędu, rozwijających się liściach i młodych owocach. Auksyny pobudzają wzrost wydłużeniowy łodyg, biorą udział w wygięciach fototropijnych(w kierunku źródeł światła) i grawitropijnych(grawitacyjnych,  w kierunku siły ciążenia w korzeniu lub przeciwnie do niej w pędzie).

§         Biorą także udział w ustawianiu się liścia powierzchnią wierzchnią ku światłu(przeciwnie do wektora grawitacji- zjawisko to nazywamy grawistrofizmem) oraz plagiotropizmie- skośnym w stosunku do wektora grawitacji wzrost pędów bocznych i rozłogów(od greckiego plagis- skośny).

§         Odpowiadają za dominację wierzchołkową, hamują rozwój pąków pachwinowych, pobudzają u niektórych roślin tworzenie owoców partenokarpicznych(bez zapłodnienia), np. u pomidora(zjawisko to wykorzystuje się w praktyce na dużą skalę).

§         Regulują ukorzenianie, stymulują indukcję korzeni. Auksyny hamują zrzucanie organów np. liści, owoców; biorą udział w transporcie asymilatów. Auksyny biorą również udział we wtórnym metabolizmie- działają jako sygnały w syntezie określonych enzymów i wytwarzanych z ich udziałem produktów.

§         Np. wiadomo, że jedna z auksyn (IAA) uczestniczy w ekspresji genów sterujących biosyntezą antrachinonów oraz niektórych flawonoidów. Do naturalnych auksyn należą kwas indolilo-3-octowy(IAA)- auksyna powszechnie występująca w roślinach także w roślinach niższych(np. wątrobowcach)- jest łatwo rozkładany przez oksydazy obecne w roślinach.

§         Syntetyczne auksyny: kwas indolilo-3-masłowy(IBA), działa silniej niż IAA, gdyż prawdopodobnie nie jest rozkładany enzymy. Chociaż ostatnio wykazano obecność IBA jako naturalnego hormonu u grochu oraz stwierdzono, że u kukurydzy tworzy się z IAA.

Inne syntetyczne auksyny:

§         Kwas naftylo-1-octowy (kwas α-naftalenooctowy)- NAA

§         Kwas 2-naftooksyoctowy (NAO)

§         Kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowy (2,4-D)- silna auksyna i powszechnie stosowana jako herbicyd

§         Kwas 2,4,5-trichlorofenoksyoctowy (2,4,5-T)- stosowany m.in. dla pobudzenia partenokarpicznego rozwoju owoców czereśni, w wyższych dawkach silnie toksyczny.

§         Z pochodnych kwasu benzoesowego do auksyn należą: dicamba- kwas 2-metoksy-3,6-dichlorobenzoesowy

§         Z pochodnych kwasu pikolinowego: kwas 3,5,6-trichloropikolinowy (pichloran)- jest selektywnym herbicydem.

Cytokininy

§         Pierwszą wykrytą cytokininą była kinetyna wyizolowana z materiału zwierzęcego w 1955 roku przez Millera. W latach 50. zauważono, że także w roślinach są związki o właściwościach podobnych do kinetyny(pobudzające podziały komórkowe). Wkrótce taki związek wyodrębniono z niedojrzałych ziaren kukurydzy i nazwano go zeatyną od łacińskiej nazwy kukurydzy.

§         W następnych latach wyodrębniono szereg innych związków o właściwościach podobnych do kinetyny i zeatyny i całą tę grupę nazwano cytokininami( od działania tych związków stymulujących cytokinezę).

§         Charakterystyczną cechą działania cytokinin jest stymulacja podziałów komórkowych oraz opóźnianie procesu starzenia. Cytokininy oddziałują również na wiele istotnych procesów fizjologicznych np. stymulują kiełkowanie nasion, skracają spoczynek pędów.

§         Są również bardzo aktywnym czynnikiem w morfogenezie roślin: znoszą dominację wierzchołkową w pędach, indukują pąki przybyszowe, hamują tworzenie i wzrost korzeni.

§         Zjawisko indukcji pąków oraz stymulacji podziałów komórkowych jest stosowane w kulturach in vitro, w mikrorozmnażaniu i transformacji.

§         Cytokininy są pochodnymi adeniny. Do naturalnych cytokinin należą: zeatyna- pierwsza wyizolowana i zidentyfikowana naturalna cytokinina. W roślinach może występować jako wolna zasada, a także w połączeniu z rybozą(jako rybozyd lub reszta kwasu fosforowego- rybotyd).

§         Może występować także w połączeniu z glukozą i innymi cukrami. Naturalnie występującą pochodną zeatyny jest dihydrozeatyna, ale aktywność tego związku jest niska. Naturalną cytokininą jest także izopentyloadenina( ZiP), związek ten występuje w postaci wolnej lub jako rybozyd lub rybotyd.

§         Cytkokininy syntetyczne to przede wszystkim kinetyna( wcześniej wyizolowana z materiału zwierzęcego, ale została uznana za artefakt i nie jest zaliczana do związków naturalnych) i benzyloaminoparyna( BAP=BA). Ta ostatnia jest najczęściej stosowaną cytokininą w hodowli in vitro.

§         Do związków działających podobnie jak cytokininy należą pochodne mocznika, z których najbardziej aktywny jest TDZ( tidiazuron).

§         Pod względem chemicznym należy do terpenoidów. Znaleziono dotychczas 89 giberelin; występują w roślinach wyższych i niższych( paprocie, glony oraz w grzybach). Pierwszą giberelinę wykrył Kurosawa w grzybie Gibberella. Z giberelin najbardziej czynny jest kwas giberelinowy( GA3).

§         Gibereliny występują w przyrodzie w trzech różnych postaciach:

- jako wolne związki

- jako glikozydy i estry

- związane z białkiem

§         Gibereliny wytwarzane są głównie w częściach wierzchołkowych korzeni i w najmłodszych liściach. Źródłem GA są także węzły traw i pędów roślin dwuliściennych oraz części kwiatów( pręciki), a także rozwijające się nasiona i owoce( one mają dużo wyższą zawartość giberelin niż organy wegetatywne).

§         Spełniają różnorodne funkcje. Działają zwykle w połączeniu z innymi hormonami. Współdziałają z auksynami we wzroście wydłużeniowym komórek- są odpowiedzialne za wzrost wydłużeniowy międzywęźli.

§         GA pobudzają działanie kambium, opadanie liści, skracają okres spoczynkowy nasion, biorą udział w indukowaniu kwitnienia roślin.

§         Giberaliny stają się aktywne w procesie wychodzenia nasion ze stanu spoczynku. Wiele faktów przemawia za tym, że gibereliny mają swój udział w indukowaniu kwitnienia roślin wrażliwych na długość dnia, np. chryzantemy(niektórzy określają gibereliny mianem hormonu kwitnienia).

§         Specyficzność i skuteczność poszczególnych cytokinin zmienia się w zależności od rośliny. Gibereliny razem z auksyną indukują powstawanie partenokarpicznych owoców, hamują inicjację korzeni w sadzonkach.

§         Kwas giberelinowy jest wykorzystywany na dużą skalę:

- w produkcji beznasiennych owoców,np. winogrono, mandarynki, borówki

- w opóźnianiu dojrzewania owoców(banany, cytryny, pomarańcze)

§         Jako produkty naturalne i całkowicie metabolizowane przez rośliny, gibereliny należą do związków dopuszczonych do powszechnego stosowania na terenie Europy i USA.

Hormony sterydowe- brasinosteroidy

§         Hormonami roślinnymi są również steroidy(fitosterole-40 związków ). Występują one powszechnie w roślinach i niekiedy są to te same związki jakie spotykamy u zwierząt, np. estrogeny(hormony żeńskie u zwierząt)- estron wyizolowano z pyłku palmy daktylowej i nasion jabłoni, estraolid z nasion moreli.

§         W swoim działaniu steroidy współdziałają z innymi hormonami( GA, IAA). Biorą udział w indukowaniu kwitnienia u niektórych roślin. Niektóre glukokortykoidy, jak kortykosteron silnie stymuluje wzrost korzeni. Uczestniczy w fotosyntezie, w niektórych przemianach metabolicznych oraz reakcji roślin na stresy i infekcje.

INHIBITORY WZROSTU:

§         Kwas abscyzynowy(AB). Wyodrębniony po raz pierwszy w 1963 roku jest produkowany przez wszystkie organy roślin: liście, nasiona, korzenie, owoce. ABA uważany jest za hormon roślin wyższych, ale występuje także w grzybach, a niedawno stwierdzono jego obecność w mózgu kręgowców.

§         Nie znamy dotychczas miejsca jego biosyntezy, ale organami najbogatszymi w ten hormon są plastydy. ABA transportowany jest zarówno przez floem, jak i ksylem.

§         Wpływ ABA na rośliny można obserwować właściwie na wszystkich fazach wegetacji, począwszy od indukcji spoczynku nasion i hamowania procesu ich kiełkowania(poprzez hamowanie wytwarzania α-amylazy), poprzez wzrost roślin, kwitnienia, tworzenie nasion i owoców, skończywszy na starzeniu się i odrzucaniu owoców.

§         Efektem jego działania jest zazwyczaj hamowanie lub skracanie poszczególnych faz rozwoju wegetatywnego, przyspieszanie dojrzewania owoców, nasion, przyspieszanie procesów starzenia. Podwyższenie zawartości ABA obserwuje się często w tkankach w wyniku infekcji patogenami. Działa przeciwnie do IAA, giberelin i cytokinin, np. IAA opóźnia proces dojrzewania owoców, ABA przyspiesza.

...