Диауксия. Метаболиты микроорганизмов. Оценка роста. Вторичные метаболиты: характеристики и применение Вторичные метаболиты примеры

Из всех продуктов, получаемых с помощью микробных процессов, наибольшее значение имеют вторичные метаболиты. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи– ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. К вторичным метаболитам относятся антибиотики, алкалоиды и токсины. Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты.

Термины "вторичные метаболиты" и "вторичный метаболизм" вошли в лексику биологов в конце XIX века с легкой руки профессора Косселя. В 1891 году в Берлине он прочитал не собрании Физиологического общества лекцию, которая называлась «О химическом составе клеток»; происхождение названия «вторичные метаболиты» – значит второстепенные, «случайные».

Работа содержит 1 файл

Введение

Из всех продуктов, получаемых с помощью микробных процессов, наибольшее значение имеют вторичные метаболиты. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках- продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи– ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. К вторичным метаболитам относятся антибиотики, алкалоиды и токсины. Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты.

Термины "вторичные метаболиты" и "вторичный метаболизм" вошли в лексику биологов в конце XIX века с легкой руки профессора Косселя. В 1891 году в Берлине он прочитал не собрании Физиологического общества лекцию, которая называлась «О химическом составе клеток»; происхождение названия «вторичные метаболиты» – значит второстепенные, «случайные».

Целью данной работы является изучение способов синтеза, химической структуры, свойств и роли вторичных метаболитов в жизни человека.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучение процессов, происходящих при синтезе вторичных метаболитов.
2. Анализ химической структуры вторичных метаболитов.
3. Оценка роли вторичных метаболитов в жизни их продуцентов, человека и высших животных.

1.Вторичные метаболиты микроорганизмов. Общие сведения.

Вторичные метаболиты (идиолиты) – это вещества микробного (или растительного) происхождения, не существенные для роста и репродукции образующего их организма. Каждый вторичный метаболит производится относительно ограниченным числом видов. Эти соединения синтезируются в конце экспоненциальной или в течение стационарной фаз роста, и их формирование в значительной степени зависит от условий роста, особенно состава питательной среды.

Многие вторичные метаболиты имеют химическую структуру, необычную для биологической материи. Эти соединения относятся к разнообразным классам органических веществ, – аминоциклитолы, кумарины, эпоксиды, пирролы, нерибосомальные пептиды, полиены, терпеноиды, тетрациклины, поликетиды, изопреноиды, стероиды, гиббереллины, фитоалексины и т.д. В отличие от синтеза первичного метаболита, который происходит одновременно с ростом и размножением культуры, для продуцента вторичных метаболитов принято говорить о трофофазе (когда культура растет и размножается) и идиофазе (когда рост замедляется или останавливается и начинается синтез продукта). О механизмах переключения путей метаболизма с первичного на вторичный и о физиологической роли вторичных метаболитов в жизни собственного продуцента достоверно известно очень мало. Известны четыре класса биосинтетических реакций, «уводящих» интермедиат (от латинского intermedius – средний – промежуточное вещество с коротким временем жизни, образующееся в ходе химической реакции и затем реагирующие далее до продуктов реакции) на путь вторичного метаболизма:

1. преобразование первичного метаболита в специфический предшественник для вторичного метаболизма;
2. реакции модификации или активации, уводящие предшественник на путь вторичного метаболизма;
3. полимеризация и конденсация;
4. поздние реакции модификации.

Рис.1.Связь вторичного и первичного метаболизма (ВМ - вторичный метаболит)

К вторичным метаболитам причисляют антибиотики, токсины, иммунодепрессанты и стимуляторы, а также некоторые запасные вещества (поли-β-алканоаты). Неизвестно, насколько распространен вторичный метаболизм в природе. Само понятие «вторичный метаболит» достаточно расплывчатое и многие исследователи его не признают.

2.Образование вторичных метаболитов

С биотехнологической точки зрения важными являются понятия о вторичных метаболитах или о реакциях вторичного обмена, которые сходны у всех живых организмов. К реакциям вторичного обмена относятся те, которые сопровождаются образованием алкалоидов, антибиотиков, триспоровых кислот гиббереллинов и некоторых других веществ, расцениваемых несущественными для продуцента. Вторичные метаболиты представляют собой продукты реакций, катализируемых ферментами.

Рисунок 2. Схема образования вторичных метаболитов.

Преметаболиты в схеме представляют собой простые питательные вещества, поступающие извне (аммоний, ионы металлов, углекислота, сульфаты, фосфаты, нитраты для гетеротрофов - моносахариды и некоторые другие).

К интермедиатам или прометаболитам относятся простые сахара, аминокислоты, нуклеиновые основания. Информационные молекулы ДНК и РНК вычленены из состава других реакций, хотя синтез и распад (прерывистые стрелки) также катализируются ферментами. В отличие от первичных метаболитов образование вторичных метаболитов непосредственно не кодируется ядерной или цитоплазматической ДНК. Согласно такому представлению все живые организмы синтезируют присущие им вторичные метаболиты.

На основании положений, сформулированных В.Н. Шапошниковым(1939), каждый продуцент в своем развитие проходит две фазы, названные Ж.Д. Бу’Локком трофофазой и идиофазой (от греч. trofe-питание, idios-свой, специфический). В период трофофазы активно протекают конструктивный и энергетический обмен - в клетках преобладают синтетические процессы, нарастает количество первичных метаболитов-липидов, гликонов, гликоконъюгатов; скорость роста и размножения организма при этом высокая, а продуктивность экзогенных вторичных метаболитов низкая, и, напротив, в идиофазу скорость роста и размножения низкая, а продукция экзогенных и эндогенных вторичных метаболитов высокая. Продуктивность культуры может быть повышена за счет внесения предшественников метаболитов (преимущественно в период времени, приходящийся на конец идиофазы).

Рис. 3.Соотношение биомассы клеток (а), первичных метаболитов(б) и вторичных метаболитов (в) в культурах Saccharomyces cerevisiae(Пекарские дрожжи)(1), Penicillium chrysogenum(2), Nicotiana tabacum(3), кератоцитов(клетки соединительной ткани роговой оболочки глаза.)(4); М-масса высушенных клеток, М*-число животных клеток, t-время в сутках, I-трофофаза (заштрихованная часть), II-идиофаза.

Из рисунка 3 видно, что продолжительность трофофазы более короткая у дрожжей, чем у пеницилла и клеток табака. Накопление этанола S.cerevisiae сопровождается возрастанием ингибирующей активности его на продуцент и поэтому кривые, приходящиеся на идиофазу, идут почти параллельно, повторяя характер кривой для первичных метаболитов, биосинтез которых начался в период трофофазы.

Пенициллин, синтезируемый P. chrysogenum, и не подавляющий продуцент, выражено накапливается в идиофазу.

Алкалоид никотин синтезируется клетками табака замедленно и при переходе культуры в стационарную фазу выход его заметно уменьшается.

В каждом из приведенных примеров можно отметить свои особенности биосинтеза вторичных метаболитов. В любом случае они образуются клетками как естественные продукты в процессе культивирования в соответствующих средах и под каталитическим действием ферментов.

3.Отдельные представители вторичных метаболитов

3.1.Антибиотики

Антибиотики - это вещества биологического происхождения, способные даже в низких концентрациях подавлять рост микроорганизмов. Термин «вторичные метаболиты» эквивалентен термину «антибиотики», используемому в широком смысле слова. Способность образовывать антибиотики широко распространена в природе, однако она неравномерно распределена между различными таксономическими группами микроорганизмов. Наибольшее количество антибиотиков получено из актиномицетов (лучистых грибков)(по разным оценкам от 6000 до 10000, на первом месте по химическому многообразию синтезируемых веществ стоят стрептомицеты). Из несовершенных грибов выделено около 1500 антибиотиков, причем около трети образуется представителями родов Penicillium и Aspergillus, однако немногие из них имеют практическое значение. Они играют важную роль как лечебные средства, стимулирующие препараты, добавки к кормам и т.п. В качестве продуцентов вторичных метаболитов микроорганизмы приобрели огромное экономическое значение. Открытие и исследование антибиотиков, а также получение новых полусинтетических оказало неоценимые услуги медицине.

3.2.Образование антибиотиков

Уже в прошлом веке было известно, что между различными микроорганизмами могут существовать как симбиотические, так и антагонистические взаимоотношения. Толчком к выяснению материальной основы антибиоза послужило наблюдение Флеминга, обнаружившего(1928), что колония грибов Penicillium notatum подавляла рост стафилококков. Выделяемое этим грибом вещество, которое проникло в агар посредством диффузии, получило название пенициллина. С тех пор было выделено множество веществ с антибиотической активностью. Различают вещества, подавляющие рост микробов (бактериостатические, фунгистатические) и убивающие их (бактерицидные, фунгицидные).

3.3.Методы выявления антибиотиков

Первые антибиотики были обнаружены случайно, по образованию зон подавления роста. В чашках с питательным агаром, густо засеянным тест- организмом(индикаторными бактериями), вокруг колоний гриба или стрептомицета рост отсутствовал: антибиотик, диффундирующий из колонии в агар, вызывал образование прозрачных участков в сплошном бактериальном газоне(Рисунок 4).

Рис.4.Выделение антибиотиков можно обнаружить по образованию зон подавления роста индикаторных бактерий(Staphylococcus aureus), равномерно рассеянных на агаре.

Видами - индикаторами в таких опытах служат типичные представители групп микроорганизмов. Для качественного испытания продуцента антибиотика достаточно посеять его в середину чашки с питательным агаром, а индикаторные бактерии в виде радиальных штрихов(Рисунок 5). После инкубации по степени торможения роста различных индикаторных организмов судят о спектре действия антибиотика. Антибиотики различаются по действию на грам–положительные и грам – отрицательные бактерии, на дрожжи, дерматофиты и другие микроорганизмы.

Рис.5. Определение спектра действия трех антибиотиков с помощью штрихового теста:1- Staphylococcus aureus,2- Streptococcus, 3- Escherichia coli,4- Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка),5- Candida albicans, 6- Trichophyton rubrum

Большинство антибиотиков было открыто в процессе предварительного отбора(скрининга).

3.4.Важнейшие антибиотики, применяемые в медицине

Первое место среди них все еще принадлежит пенициллину, который синтезируют Penicillium notatum, P. chrysogenum и некоторые другие грибы; удалось также получить полусинтетические пенициллины (путем расщепления природных пенициллинов до 6-аминопенициллановой кислоты, к которой затем химическим путем присоединяют различные боковые группы).

Для человека пенициллин почти не токсичен и лишь в редких случаях вызывает побочные аллергические реакции.

Многие бактерии образуют пенциллиназу, которая расщепляет β-лактамовое кольцо и инактивирует пенициллин. Воздействуя на 6-аминопени-циллановую кислоту хлорангидридами кислот, можно получать сотни пенициллинов (Рисунок 6). Многие полусинтетические пенициллины не расщепляются пенициллиназой (фермент, обладающий способностью расщеплять (инактивировать) пенициллины и цефалоспорины) и ввиду их устойчивости к действию кислот могут вводиться перорально.

Рисунок 6. Получение полусинтетических пенициллинов действием бактериальных ферментов на пенициллин.

Рисунок 7. Структурные формулы цефалоспорина С, стрептомицина А, хлормицетина, тетрациклина и актиномицина D(актиномицина С 1)

Цефалоспорины- продукты одного из видов гриба Cephalosporium. Цефалоспорин С имеет β-лактамовое кольцо и по своей структуре близок к пенициллину (рисунок 7). Отщепляя боковую цепь и затем присоединяя к образовавшейся 7-аминоцефалоспорановой кислоте другие боковые группы, можно получать полусинтетические цефалоспорины (цефалотин, цефалоридин), которые по своему действию сходны с производными пенициллина.

Стрептомицин был впервые выделен из культуры Streptomyces griseus, однако его синтезируют и некоторые другие виды Streptomyces. Молекула стрептомицина состоит из трех частей: N-метил-L-2-глюкозамина, метилпентозы и дигуанидинзамещенного инозитола (рисунок 7). Успех применения стрептомицина объясняется его действием на ряд кислотоустойчивых и грам-отрицательных бактерий, нечувствительных к пенициллину. Однако стрептомицин вызывает у больных резко выраженные аллергические реакции. Этот антибиотик применяется также в ветеринарии и для борьбы с болезнями растений.

Хлоромицетин (хлорамфеникол) был впервые обнаружен в культурах Streptomyces venezuelae, но его можно получить и синтетическим путем (Рисунок 7). Он отличается исключительной стабильностью и действует на многие грам-отрицательные бактерии, включая спирохеты, риккетсии и актиномицеты, а также на крупные вирусы.

Тетрациклины тоже представляют собой метаболиты различных стрептомицетов (в том числе Streptomyces aureofaciens). Химически они очень близки между собой и имеют в основе структуры нафтацен (Рисунок 7). Наиболее известны хлортетрациклин (ауреомицин), оксите-трациклин (террамицин) и тетрациклин. Тетрациклины отличаются широким спектром действия и хорошей переносимостью.

вторичные метаболиты

см. метаболиты вторичные.

(Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.)

• - вещества, образующиеся в клетке в процессе метаболизма...

  Словарь микробиологии

• - соединения, часто сложного состава, не являющиеся основными промежуточными соединениями метаболизма клетки, образуются в его тупиковых ветвях. М. в. растений являются, напр., алкалоиды...

  Словарь микробиологии

• - образования, возникающие по бокам первичных бугорков конуса нарастания стебля. В. б. представляют собой обычно будущие почки стебля, из которых развиваются в дальнейшем боковые побеги...

  Словарь ботанических терминов

• - вещества, образующиеся в организме в результате обмена веществ. М. называют также все вещества, входящие в состав организма и участвующие в обменных процессах...

  Словарь ботанических терминов

• - см. Множественные вихри...

  Словарь ветров

• - см. Гормоны среды...

  Экологический словарь

• - промежуточные продукты обмена в-в в живых клетках. Многие из них оказывают регулирующее влияние на биохим. и физиол. процессы в организме...

  Естествознание. Энциклопедический словарь

• - Б., появляющиеся в конце 6 - начале 7 месяца эмбрионального развития, имеющиеся у всех здоровых людей, но изменчивые по конфигурации...

  Большой медицинский словарь

• - промежуточные продукты обмена веществ...

  Большой медицинский словарь

• - дополнительные последующие выгоды, которые порождаются первичными выгодами проекта.По-английски: Secondary benefitsСм. также: Инвестиционные проекты  ...

  Финансовый словарь

• - вещества, образующиеся в клетках, тканях и органах растений и животных в процессе межуточного обмена и участвующие в последующих процессах ассимиляции и диссимиляции...

  Большая Советская энциклопедия

• - промежуточные продукты обмена веществ в живых клетках. Многие из них оказывают регулирующее влияние на биохимические и физиологические процессы в организме...

  Большой энциклопедический словарь

• - метаболи́ты вещества, образующиеся в организме в процессе обмена веществ - метаболизма ср. анти)...

  Словарь иностранных слов русского языка

• - мн., Р. метаболи/тов...

  Орфографический словарь русского языка

• - метаболи́ты мн. Продукты обмена веществ, происходящего в организме...

  Толковый словарь Ефремовой

• - метабол"иты, -ов, ед. ч. -л"...

  Русский орфографический словарь

"вторичные метаболиты" в книгах

автора Александров Юрий

автора

3.2. Парадигма активности: нейрон, как и индивид, достигает «результат», получая необходимые метаболиты из своей «микросреды»

Из книги Основы психофизиологии автора Александров Юрий

3.2. Парадигма активности: нейрон, как и индивид, достигает «результат», получая необходимые метаболиты из своей «микросреды» Упомянутые ранее этапы приобретают смысл в том случае, если принять, что процесс, обеспечивающий переход от прек постсинаптическим образованиям,

Метаболиты в норме и при патологии

Из книги Биологическая химия автора Лелевич Владимир Валерьянович

Метаболиты в норме и при патологии В живой клетке ежесекундно образуются сотни метаболитов. Однако их концентрации поддерживаются на определенном уровне, который является специфической биохимической константой или референтной величиной. При болезнях происходит

Вторичные размещения

Из книги Финансовый менеджмент – это просто [Базовый курс для руководителей и начинающих специалистов] автора Герасименко Алексей

Вторичные размещения Как вы понимаете, IPO для компаний – это первый шаг. В дальнейшем после IPO многие компании продолжают выпускать акции. Это так называемые вторичные размещения (SEO – Secondary или Seasoned Equity Offerings). По общей схеме проведения они сходны с IPO. Естественно, такие

Вторичные причины

Из книги Необычная книга для обычных родителей. Простые ответы на самые част(н)ые вопросы автора Милованова Анна Викторовна

Вторичные причины Возраст родителей и частота появления детейСтатистически известно, что мальчиков чаще рожают молодые (до 20 лет) женщины и стареющие мужчины. Понятно, что вероятность рождения многочисленных сыновей у семей с подобным мезальянсом выше. Тем более что

Вторичные запоры

Из книги Полный медицинский справочник диагностики автора Вяткина П.

Вторичные запоры Болезни желудка, особенно при повышенной кислотности желудочного сока, желчных путей, женских половых органов, эндокринные расстройства (гипотиреоз, гиперпаратиреоз, акромегалия, феохромоцитома и др.) также часто сопровождаются запорами.В этом смысле

Вторичные качества

БСЭ

Вторичные минералы

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ВТ) автора БСЭ

Метаболиты

Из книги Большая Советская Энциклопедия (МЕ) автора БСЭ

35. Вторичные ИДС

Из книги Патологическая физиология [Шпаргалки] автора

35. Вторичные ИДС Вторичные ИДС развиваются под влиянием различных экзогенных воздействий на нормально функционирующую иммунную систему.Перечень основных заболеваний, сопровождающихся вторичным иммунодефицитом, предложенный экспертами ВОЗ:1) инфекционные

Вторичные ИДС

Из книги Патологическая физиология [Конспект лекций] автора Селезнева Татьяна Дмитриевна

Вторичные ИДС Вторичные ИДС развиваются под влиянием различных экзогенных воздействий на нормально функционирующую иммунную систему.Перечень основных заболеваний, сопровождающихся вторичным иммунодефицитом, предложенный экспертами ВОЗ.1. Инфекционные заболевания:а)

Вторичные менингиты

Из книги Справочник фельдшера автора Лазарева Галина Юрьевна

Вторичные менингиты Вторичные менингиты являются осложнением при гнойных заболеваниях любой локализации, особенно расположенных рядом с мозгом. Возбудитель – чаще всего стафилококк или стрептококк – попадает в мозговые оболочки через кровь и

11.3.2. Вторичные энцефалиты

Из книги Неврология и нейрохирургия автора Гусев Евгений Иванович

11.3.2. Вторичные энцефалиты Вторичные энцефалиты наблюдаются при общих

Метаболиты - доминирующие факторы в патологии и клинике

Из книги Тайная мудрость человеческого организма автора Залманов Александр Соломонович

Метаболиты - доминирующие факторы в патологии и клинике Метаболиты - зола живой субстанции, отходы клеточного и тканевого метаболизма, если они не элиминированы, закупоривают, загромождают каналы выделения конечных продуктов обмена веществ. Существуют метаболиты

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СПЕЦИАЛЬНОСТЬ «БИОТЕХНОЛОГИЯ»

ДИСЦИПЛИНА «ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ И ВИРУСОЛОГИЯ» КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ

БИОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ У МИКРООРГАНИЗМОВ.

БИОСИНТЕЗ ПЕРВИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ: АМИНОКИСЛОТ, НУКЛЕОТИДОВ, УГЛЕВОДОВ, ЖИРНЫХ КИСЛОТ.

БИОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ У МИКРООРГАНИЗМОВ

БИОСИНТЕЗ АМИНОКИСЛОТ

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ

БИОСИНТЕЗ НУКЛЕОТИДОВ

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ НУКЛЕОТИДОВ

БИОСИНТЕЗ ЖИРНЫХ КИСЛОТ, УГЛЕВОДО, САХАРОВ

БИОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ У МИКРООРГАНИЗМОВ

МЕТАБОЛИЗМ

ГЛЮКОЗА*

РИСУНОК 1 – ОБЩАЯ СХЕМА ПУТЕЙ БИОСИНТЕЗА КЛЕТОЧНОГО МАТЕРИАЛА

ИЗ ГЛЮКОЗЫ

АМФИБОЛИЗМ КАТАБОЛИЗМ

	ПЕНТОЗОФОСФАТЫ
ФОСФОЭНОЛПИРУВАТ
	МОНОМЕРЫ	ПОЛИМЕРЫ
	Аминокислоты
АЦЕТИЛ-КОА	Витамины	Полисахариды
	Сахарофосфаты
	Жирные кислоты
ОКСАЛОАЦЕТАТ	Нуклеотиды	Нуклеиновые

2-ОКСОГЛУТАРАТ

БИОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

У МИКРООРГАНИЗМОВ

В процессе роста микроорганизмов на глюкозе в аэробных условиях около 50 %

глюкозы окисляются до СО2 для получения энергии. Остальные 50 % глюкозы преобразуется на клеточный материал. Именно на это преобразование и тратится большая часть АТФ, образованная во время окисления субстрата.

МЕТАБОЛИТЫ

МИКРООРГАНИЗМОВ

На разных этапах роста микроорганизмов образуются метаболиты.

В логарифмической фазе роста образуются первичные метаболиты (белки, аминокислоты и др.).

В лаг-фазе и в стационарной фазе образуются вторичные метаболиты, которые являются биологически активными соединениями. К ним относятся различные антибиотики, ингибиторы ферментов и др.

МЕТАБОЛИТЫ

МИКРООРГАНИЗМОВ

Первичные метаболиты – это низкомолекулярные соединения (молекулярная масса менее 1500 дальтон), необходимые для роста микробов; одни из них являются строительными блоками макромолекул, другие участвуют в синтезе коферментов. Среди наиболее важных для промышленности метаболитов можно выделить аминокислоты, органические кислоты, пуриновые и примидиновые нуклеотиды, витамины и др.

Вторичные метаболиты – это низкомолекулярные соединения, образующиеся на более поздних стадиях развития культуры, не требующиеся для роста микроорганизмов. По химическому строению вторичные метаболиты относятся к различным группам соединений. К ним относят антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений, токсины и пигменты.

Микроорганизмы – продуценты первичных и вторичных метаболитов используют в промышленности. Исходными штаммами для промышленных процессов служат природные организмы и культуры с нарушениями регуляции синтеза этих метаболитов, так как обычные микробные клетки не производят7 избытка первичных метаболитов.

Вопросы:

1. Метаболизм. Первичный и вторичный метаболизм.

2. Особенности клеточного метаболизма.

3. Клетка как открытая термодинамическая система. Виды работы в клетке. Макроэргические соединения.

4. Ферменты: структура (простатическая группа, коферменты) и функции. Классификация ферментов

5. Вторичные метаболиты, классификация, роль в жизни растения, использование человеком. Образование пигментов, токсинов, ароматических веществ микроорганизмами (грибы, бактерии).

1. Метаболизм (обмен веществ) – совокупность всех химических реакций, идущих в клетке.

Метаболиты – продукты обмена веществ.

На образование в клетках гормонов (этилена, подавляют синтез ИУК);

Тормозят ризогенез и растяжение клеток;

Являются фитотоксинами (оказывают антимикробное действие);

С их помощью одно растение может действовать на другое,

Дубильные вещества повышают устойчивость деревьев к грибным поражениям.

Используются в медицине для стерилизации, лекарства (салициловая кислота), в промышленности как красители.

5.2. Алкалоиды – гетероциклические соединения, содержащие в молекуле один или несколько атомов азота. Известно около 10 000 алкалоидов. Они найдены у 20% растений, наиболее распространены среди покрытосеменных (цветковых) растений. В моховидных и папоротниковидных алкалоиды встречаются редко.

Алкалоиды синтезируются из аминокислот: орнитина, тирозина, лизина, триптофана, фенилаланина, гистидина, атраниловой кислоты.

Они накапливаются в активно растущих тканях, в клетках эпидермы и гиподермы, в обкладках проводящих пучков, в млечниках. Они могут накапливаться не в тех клетках, где образуются, а в других. Например, никотин образуется в корнях, а накапливается в листьях. Обычно их концентрация составляет десятые или сотые доли процента, но хинное дерево содержит 15 – 20 % алкалоидов. Разные растения могут содержать различные алкалоиды. Алкалоиды находятся в листьях, коре, корнях, древесине.

Функции алкалоидов:

регулируют рост растений (ИУК), защищают растения от поедания животными.

Используются алкалоиды

в качестве лекарств: кодеин (от кашля), морфин (болеутоляющее), кофеин (при нервных и сердечно-сосудистых заболеваниях), хинин (от малярии). Атропин, пилокарпин, стрихнин, эфедрин ядовиты, но в малых дозах могут применяться как лекарства.;

никотин, анабазин используются для борьбы с насекомыми.

5.3. Изопреноиды (терпеноиды) – соединения, составленные из нескольких изопреновых единиц (С5Н8 – изопрен) и имеющие общую формулу (С5Н8)n. Благодаря дополнительным группам (радикалам) изопреноиды могут иметь число атомов углерода в молекуле и некратное 5. К терпенам относятся не только углеводороды, но и соединения со спиртовыми, альдегидными, кето-, лактон- и кислотными группами.

Политерпены – каучук, гутта.

Терпеноидами являются гибберелловая кислота (гиббереллины), абсцизовая кислота, цитокинины. Они не растворяются в воде. Находятся в хлоропластах, в мембранах.

Каротиноиды окрашены от желтого до красно-фиолетового цвета, образуются из ликопина, растворимы в жирах.

Изопрены входят

в состав масла хвои, шишек, цветков, плодов, древесины;

смол, латекса, эфирных масел.

Функции:

Защищают растения от бактерий, насекомых и животных; некоторые из них участвуют в закрытии ран и защищают от насекомых.

К ним относятся гормоны (цитокинины, гиббереллины, абсцизовая кислота, брассиностероиды);

Каротиноиды участвуют в световой фазе фотосинтеза, входя в ССК, и защищают хлорофилл от фотоокисления;

Стеролы входят в состав мембран, влияют на их проницаемость.

Используют как лекарства (камфора, ментол, сердечные гликозиды), витамин А. Они являются основными компонентами эфирных масел, поэтому их используют в парфюмерии, содержатся в репелентах. Входят в состав каучука. Спирт гераниол входит в состав розового масла, масла лавровых листьев, в масла цветков апельсина, жасмина, масла эвкалипта).

5.4. Синтез вторичных метаболитов

характеризуется некоторыми особенностями:

1) предшественниками для них служит небольшое количество первичных метаболитов. Например, для синтеза алкалоидов необходимы 8(?) аминокислот, для синтеза фенолов – фенилаланин или тирозин, для синтеза изопреноидов – мевалоновая кислота;

2) многие вторичные метаболиты синтезируются разными путями;

3) в синтезе участвуют специальные ферменты.

Вторичные метаболиты синтезируются в цитозоле, эндоплазматическом ретикулуме, хлоропластах.

5.5. Локализация вторичных метаболитов

Накапливаются в вакуолях (алкалоиды, фенолы, беталаины, цианогенные гликозиды, глюкозинолаты), в периплазматическом пространстве (фенолы). Изопреноиды после синтеза выходят из клетки.

Вторичные метаболиты редко распространены в тканях равномерно. Часто они накапливаются в идиобластах, млечниках, специальных каналах и ходах.

Идиобласты (от греч. Idios своеобразный) – одиночные клетки, относящиеся к выделительным тканям и отличающиеся от соседних клеток формой, строением. Находятся они в эпидерме стеблей или листьев (только в эпидерме?).

Места синтеза и локализации часто разделены. Например, никотин синтезируется в корнях, а накапливается в листьях.

Вторичные метаболиты выделяются во внешнюю среду с помощью выделительных тканей (железистых клеток, железистых волосков – трихом).

Для алкалоидов выделение нехарактерно.

Синтез и накопление в тканях вторичных метаболитов зависит главным образом от вида растения, иногда от этапа онтогенеза или возраста, от внешних условий. Распределение в тканях зависит от вида растения.

5.6. Функции вторичных метаболитов

В процессе открытия вторичных метаболитов существовали разные мнения об их значении в жизни растения. Их считали ненужными, отбросами, (их синтез) тупиком метаболизма, продуктами детоксикации ядовитых первичных метаболитов, например свободных аминокислот.

В настоящее время уже известны многие функции этих соединений, например запасающая, защитная. Алкалоиды - это запас азота для клеток, фенольные соединения могут быть дыхательным субстратом. Вторичные метаболиты защищают растения от биопатогенов. Эфирные масла, представляющие собой смесь вторичных метаболитов, обладают антимикробными и антифунгицидными свойствами. Некоторые вторичные метаболиты, распадаясь при гидролизе, образуют яд – синильную кислоту, кумарин. Вторичными метаболитами являются фитоалексины, вещества, образующиеся в ответ на инфекцию и участвующие в реакции сверхчувствительности.

Антоцианы, каротиноиды, беталаины, обеспечивающие окраску цветков и плодов, способствуют размножению растений и распространению семян.

Вторичные метаболиты останавливают прорастание семян конкурирующих видов.

Литература:

1. Мерсер Э . Введение в биохимию растений. Т. 2. – М. «Мир»,1986.

2. (ред.). Физиология растений. – М. «Академия», 2005. С. 588 – 619.

3. Харборн дж. Введение в экологическую биохимию . – М. «Мир», 1985.

4. Л. Биохимия растений. – М. «Высшая школа», 1986. С. 312 – 358.

5. , -И. Физиология древесных растений. – М. «Лесная промышленность», 1974. 421 с.

6. Л. Биохимия растений. – М. ВШ. 1986. 502 с.

A. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

С точки зрения биогенеза антибиотики рассматривают как вторичные метаболиты. Вторичные метаболиты - это низкомолекулярные природные продукты, которые 1) синтезируются только некоторыми видами микроорганизмов; 2) не выполняют каких-либо явных функций при росте клеток и часто образуются после прекращения роста культуры; клетки, синтезирующие эти вещества, легко утрачивают способность к синтезу в результате мутаций; 3) часто образуются в виде комплексов сходных продуктов.

Первичные метаболиты - нормальные продукты обмена клетки, такие как аминокислоты, нуклеотиды, коферменты и т. д., необходимые для роста клеток.

Б. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПЕРВИЧНЫМ

И ВТОРИЧНЫМ МЕТАБОЛИЗМОМ

Изучение биосинтеза антибиотиков состоит в установлении последовательности ферментативных реакций, в ходе которых один или несколько первичных метаболитов (или промежуточных продуктов их биосинтеза) превращаются в антибиотик. Необходимо помнить о том, что образование вторичных метаболитов, особенно в больших количествах, сопровождается значительными изменениями в первичном метаболизме клетки, поскольку при этом клетка должна синтезировать исходный материал, поставлять энергию, например в форме АТР, и восстановленные коферменты. Неудивительно поэтому, что при сравнении штаммов, синтезирующих антибиотики, со штаммами, не способными к их синтезу, обнаруживаются значительные различия в концентрации ферментов, которые прямо не участвуют в синтезе данного антибиотика.

B. ОСНОВНЫЕ БИОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ПУТИ

Ферментативные реакции биосинтеза антибиотиков в принципе не отличаются от реакций, в ходе которых образуются первичные метаболиты. Их можно рассматривать как вариа

ции реакций биосинтеза первичных метаболитов, конечно, за некоторыми исключениями (например, есть антибиотики, содержащие нитрогруппу - функциональную группу, которая никогда не встречается у первичных метаболитов и которая образуется при специфическом окислении аминов).

Механизмы биосинтеза антибиотиков можно разделить на три основные категории.

1. Антибиотики, происходящие от единственного первичного метаболита. Путь их биосинтеза состоит из последовательности реакций, модифицирующих исходный продукт таким же образом, как и при синтезе аминокислот или нуклеотидов.

2. Антибиотики, происходящие от двух или трех разных первичных метаболитов, которые модифицируются и конденсируются с образованием сложной молекулы. Аналогичные случаи наблюдаются и в первичном метаболизме при синтезе некоторых коферментов, например фолиевой кислоты или кофермен- та А.

3. Антибиотики, берущие начало от продуктов полимеризации нескольких сходных метаболитов с образованием основной структуры, которая в дальнейшем может модифицироваться в ходе других ферментативных реакций.

В результате полимеризации образуются антибиотики четырех типов: 1) полипептидные антибиотики, образующиеся путем конденсации аминокислот; 2) антибиотики, образованные из ацетат-пропионатных единиц в реакциях полимеризации, сходных с реакцией биосинтеза жирных кислот; 3) терпеноидные антибиотики, происходящие из ацетатных единиц в пути синтеза изопреноидных соединений; 4) аминогликозидные антибиотики, образующиеся в реакциях конденсации, сходных с реакциями биосинтеза полисахаридов.

Эти процессы сходны с процессами полимеризации, обеспечивающими образование некоторых компонентов мембраны и клеточной стенки.

Необходимо подчеркнуть, что основная структура, полученная путем полимеризации, далее обычно модифицируется; к ней даже могут присоединиться молекулы, образующиеся с помощью других биосинтетических путей. Особенно часто встречаются гликозидные антибиотики - продукты конденсации одного или нескольких сахаров с молекулой, синтезированной в пути 2.

Г. СИНТЕЗ аСЕМЕЙСТВ» АНТИБИОТИКОВ

Часто штаммы микроорганизмов синтезируют несколько близких в химическом и биологическом отношении антибиотиков, составляющих «семейство» (антибиотический комплекс). Образование «семейств» характерно не только для биосинтеза

Антибиотиков, а является общим свойством вторичного метаболизма, связанным с довольно большим" размером промежуточных продуктов. Биосинтез комплексов родственных соединений осуществляется в ходе следующих метаболических путей.

1. Биосинтез «ключевого» метаболита в одном из путей, описанных в предыдущем разделе.

Рифамицин У

окисл.

Рис. 6.1. Пример метаболического дерева: биосинтез рифамицина (объяснения см. в тексте; структурные формулы соответствующих соединений приведены на рис. 6.17 и 6.23).

2. Модификация ключевого метаболита с помощью довольно распространенных реакций, например путем окисления метальной группы в спиртовую и далее в карбоксильную, восстановления двойных связей, дегидрирования, метилирования, этерификации и т. д.

3. Один и тот же метаболит может быть субстратом двух или нескольких таких реакций, приводящих к образованию двух или большего числа различных продуктов, которые в свою очередь могут подвергаться различным превращениям с участием ферментов, давая начало «метаболическому дереву».

4. Один и тот же метаболит может образовываться в двух (или более) различных путях, в которых изменяется только
порядок ферментных реакций, давая начало «метаболической сети».

Довольно своеобразные концепции метаболического дерева и метаболической сети можно пояснить следующими примерами: биогенез семейства рифамицинов (дерево) и эритромицинов (сеть). Первым метаболитом при биогенезе семейства рифамицинов является проторифамицин I (рис. 6.1), который можно рассматривать как ключевой метаболит. В последовательности

реакций, порядок которых неизвестен, проторифамицин I превращается в рифамицин W и рифамицин S, завершая часть синтеза с использованием единственного пути («ствол» дерева). Рифамицин S является начальной точкой разветвления нескольких альтернативных путей: конденсация с двууглеродным фрагментом дает начало рифамицину О и рафимицинам L и В. Последний в результате окисления анза-цепи превращается в рифамицин Y. Отщепление одноуглеродного фрагмента при окислении рифамицина S ведет к образованию рифамици- на G, а в результате неизвестных реакций рифамицин S превращается в так называемый рифамициновый комплекс (рифа- мицины А, С, D и Е). Окисление метальной группы при С-30 дает начало рифамицину R.

Ключевым метаболитом семейства эритромицина является эритронолид В (Эр.В), который превращается в эритромицинА (наиболее сложный метаболит) с помощью следующих четырех реакций (рис. 6.2): 1) гликозилирование по положению 3 пу

тем конденсации с микарозой (Мик.) (реакция I); 2) превращение микарозы в кладинозу (Клад.) в результате метилирования (реакция II); 3) превращение эритронолида В в эри- тронолид А (Эр.А) в результате гидроксилирования по положению 12 (реакция III); 4) конденсация с дезозамином (Дез.) в положении 5 (реакция IV).

Поскольку порядок этих четырех реакций может варьировать, возможны различные метаболические пути, а вместе взятые они составляют метаболическую сеть, представленную на рис. 6.2. Нужно отметить, что имеются также пути, которые представляют собой комбинацию дерева и сети.