Признаки вторичных метаболитов

ВТОРИЧНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ РАСТЕНИЙ

Признаки вторичных метаболитов

Растения синтезируют огромное количество разнообразных веществ, ко­торые не участвуют в основном обмене клеток. Традиционно такие соедине­ния называют вторичными, а их обмен — вторичным метаболизмом. По спо­собности образовывать вторичные метаболиты растения являются «рекордс­менами», оставляя далеко позади представителей других царств живых су­ществ. Наряду с фотосинтезом, вторичный метаболизм — характеристиче­ское свойство растительного организма, его «визитная карточка». Парадок­сально, но биологи достаточно долго оставляли этот важнейший аспект жиз­недеятельности растений без должного внимания. Гораздо больше знали о вто­ричных метаболитах провизоры, фармацевты и криминалисты, поскольку лекарственные и ядовитые свойства растений чаще всего обусловлены именно этими соединениями. В последние годы наметился значительный прогресс в изучении вторичного метаболизма, при этом основными являются три на­правления. Фотохимия изучает строение вторичных метаболитов и их распрос­транение по царству растений, биохимия вторичного метаболизма — пути син­теза и энзимологию процесса, физиология вторичного метаболизма исследует локализацию вторичного метаболизма в растении, его изменение в процессе онтогенеза и, главное, — роль вторичных метаболитов в жизнедеятельности растения.

В 1891 г. немецкий биолог Альбрехт Коссель в лекции «О химическом соста­ве клеток», которую он прочел для Берлинского общества физиологов, впер­вые ввел понятие «первичных» и «вторичных» компонентов клетки: «Я пред­лагаю называть соединения, имеющие важность для каждой клетки, первич­ными, а соединения, не присутствующие в любой растительной клетке, — вторичными. ... В то время как первичные метаболиты присутствуют в любой растительной клетке, способной к делению, вторичные метаболиты присут­ствуют в клетках только "нечаянно" и не необходимы для жизни растения». Отсюда становится понятен термин «вторичные метаболиты» — второстепен­ные, «случайные», некоторые «чудачества» растительного метаболизма, допу­стимые «излишества». Такие соединения в литературе иногда даже называли «веществами роскоши клеток».

Ситуация радикально изменилась в последние десятилетия с возникнове­нием новых методов анализа и идентификации веществ: прежде всего высоко­эффективной хроматографии высокого давления (ВЭЖХ) и хромато-масс-спектрометрии (ГЖХ-МС). Выяснилось, что растения содержат десятки, если не сотни тысяч различных вторичных метаболитов, и их структура чрезвычайно разнообразна. К настоящему времени на предмет присутствия вторичных мета­болитов исследовано около 20 — 30 тыс. видов растений, т.е. 10— 15 % от всей флоры Земли. Несмотря на это уже идентифицировано около 100 000 индиви­дуальных соединений вторичного метаболизма, и ежедневно в мире иденти­фицируют около десятка новых. Очевидно, что при таком широком представи­тельстве в мире растений считать вторичные метаболиты синтезированными «случайно» не корректно. Также маловероятно, что такое количество разнооб­разных соединений не имеет функциональной роли в жизни растения.

Наиболее аргументирована к настоящему времени гипотеза, согласно кото­рой соединения вторичного метаболизма в отличие от первичных метаболитов имеют функциональное значение не на уровне клетки, а на уровне целого организма. Скорее всего эти вещества выполняют «экологические» функции, т.е. имеют значение для защиты растения от различных вредителей и патоге­нов; они участвуют в размножении растения (окраска и запах цветков, пло­дов), во взаимодействии растений между собой и другими организмами в эко­системе. Условия окружающей среды для разных видов растений весьма разно­образны, более того, каждый вид растения может «решать» сходные задачи по-своему. Отсюда становится понятным огромное разнообразие соединений вторичного метаболизма растений и уникальность их набора для вида расте­ния, зависимость от фазы развития растения, условий его выращивания. Из «экологических» задач также следует, что многие вторичные метаболиты дол­жны обладать биологической активностью. Действительно, большинство ле­карственных и ядовитых растений обязаны своими свойствами присутствию вторичных метаболитов. Выделение и химический анализ действующих веществ из таких растений показали еще одну особенность вторичных метаболитов: эти соединения, как правило, имеют относительно низкую молекулярную массу (у большинства она не превышает 2,0 — 3,0 кДа).

И, наконец, еще одна черта вторичных метаболитов — они синтезируются из очень небольшого числа предшественников: 7 — 8 аминокислот для алкало­идов, фенилаланин или тирозин для фенольных соединений, мевалоновая кис­лота или 5-оксиксилулоза для изопреноидов.

По химической структуре молекулы отличить вторичные метаболиты от первичных можно далеко не всегда. На рис. 9.1 приведены некоторые примеры первичных и вторичных метаболитов. Фитостерины (ситостерин, кампестерин, стигмастерин) — обязательные компоненты мембран растительной клетки, и, следовательно, — типичные первичные соединения. Экдистероиды (гормоны линьки насекомых) — вторичные метаболиты, они присутствуют лишь у не­которых видов растений. Эти вещества, как полагают, участвуют в защите ра­стений от насекомых. Протопанаксатриол является агликоном гинзенозидов — вторичных метаболитов женьшеня, присутствующих только в роде Panax и в большой степени отвечающих за его биологическую активность. В то же время структуры молекул этих соединений похожи и отличаются только числом и расположением метильных и гидроксильных групп. Структуры белковых аминокислот (первичные метаболиты) и небелковых аминокислот (типичные вто­ричные метаболиты) часто отличаются лишь наличием или отсутствием ме­тальной, гидроксильной либо другой функциональной группы.

На основе анализа литературы можно сформулировать четыре признака вто­ричных метаболитов:

1) присутствие не во всех растениях;

2) наличие биологической активности;

3) относительно низкий молекулярный вес;

4) небольшой набор исходных соединений для их синтеза.

Это именно признаки вторичных метаболитов, поскольку каждый из них, в общем-то, не обязателен. Ряд вторичных метаболитов найден практически во всех растениях (например, многие фенилпропаноиды); достаточно много вто­ричных метаболитов без выраженной биологической активности (хотя не ис­ключен вариант, что ее просто не обнаружили); известны высокомолекуляр­ные вторичные метаболиты (например, каучук и гуттаперча). Однако совокуп­ность указанных признаков достаточно четко очерчивает круг вторичных мета­болитов растений.

Наиболее обоснованно отнести соединение к первичным или вторичным метаболитам можно только после выяснения его роли в жизнедеятельности растения, т.е. на основе его функциональной значимости. Функциональное определение вторичного метаболизма в первом приближении можно дать как метаболизм соединений, имеющих значение на уровне целого организма, но не на уровне клетки.