Первинні та вторинні метаболіти фотосинтезу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольна робота

Первинні та вторинні метаболіти фотосинтезу

Виконав:

Федорів Віктор Васильович

Зміст

Введення

1. Метаболіти

2. Ознаки вторинних метаболітів

3. Принципи класифікації вторинних метаболітів

4. Основні групи вторинних метаболітів

5. Закономірності будови вторинних метаболітів

6. Фітохімія вторинних метаболітів

7. Біохімія вторинних метаболітів

8. Речовини первинного метаболізму

Висновок

Список використаної літератури

Введення

Метаболіти вторинні - сполуки, часто складного складу, які не є основними проміжними сполуками метаболізму клітини, утворюються в його тупикових гілках. Метаболіти вторинні рослин є, наприклад, алкалоїди. Мікроорганізми утворюють вторинні метаболіти, як правило, в період уповільнення або припинення активного росту і розмноження культур. В якості вторинних метаболітів мікроорганізми утворюють деякі пігменти, антибіотики, вітаміни. Велике значення має синтез вторинних метаболітів мікроорганізмами в процесі формування гумусу грунту.

Яким би шляхом не здійснювався фотосинтез, в кінцевому підсумку він завершується накопиченням енергетично багатих запасних речовин, що складають основу для підтримки життєдіяльності клітини і в кінцевому підсумку всього багатоклітинного організму. Ці речовини є продуктами первинного метаболізму. Крім найголовнішої своєї функції первинні метаболіти - основа для біосинтезу сполук, які прийнято називати продуктами вторинного метаболізму. Останні, часто звані умовно вторинними метаболітами raquo, цілком зобов'язані своїм існуванням в природі продуктам, що утворюється в результаті фотосинтезу. Слід зауважити, що синтез вторинних метаболітів здійснюється за рахунок енергії, що звільняється в мітохондріях в процесі клітинного дихання.

1. Метаболіти

Метаболіти (грец. metabole -- перетворення, зміна) -- продукти перетворення речовин в організмі в процесі проміжного обміну речовин (метаболізму). Беруть участь у таких процесах асиміляції та дисиміляції: обміноактивні форми речовин в організмі, матеріальні носії енергії хімічних зв'язків, яка далі використовується як енергія рухів, процесів хімічного синтезу та розладу; первинні (умовний поділ) М. -- низькомолекулярні сполуки, необхідні для росту мікроорганізмів; одні з них -- будівельні блоки макромолекул, інші -- беруть участь у синтезі коферментів. До М. слід віднести також і речовини, які не синтезуються в організмі, а надходять до організму ззовні, напр. вітаміни та інші природні сполуки, необхідні для організму. Надходячи у кров, більшість М. бере участь у гуморальній регуляції функцій, здійснюючи специфічний та неспецифічний вплив на хімічні та фізіо-логічні процеси. Утворення М. -- основ-на умова існування живих організмів. Серед найбільш важливих для промисловості М. можна виділити амінокислоти, органічні кислоти, пуринові й піримідинові нуклеотиди, вітаміни. Вторинні М., або ідіоліти, -- низькомолекулярні сполуки, що не потребуються для росту чистої культури. Вони виробляються обмеженим числом таксономічних груп і часто являють собою суміш близькоспоріднених сполук, які належать до однієї й тієї ж хімічної групи. До вторинних М. належать антибіотики, алкалоїди, гормони росту рослин, токсини.

2. Ознаки вторинних метаболітів

За хімічною структурою молекули відрізнити вторинні метаболіти від первинних можна далеко не завжди.

Фітостеріни (ситостерин, кампестерін, стигмастерин) - обов'язкові компоненти мембран рослинної клітини, і, отже, - типові первинні з'єднання. Екдистероїдів (гормони линьки комах) - вторинні метаболіти, вони присутні лише у деяких видів рослин. Ці речовини, як вважають, беруть участь у захисті рослин від комах. Протопанаксатріол є агликоном гінзенозідов - вторинних метаболітів женьшеню, присутніх тільки в роді Ропі і у великій мірі відповідають за його біологічну активність. У той же час структури молекул цих сполук схожі і відрізняються тільки числом і розташуванням метальних і гідроксильних груп. Структури білкових амінокислот (первинні метаболіти) і небілкових амінокислот (типові вторинні метаболіти) часто відрізняються лише наявністю або відсутністю метильної, гідроксильної небудь інший функціональної групи.

На основі аналізу літератури можна сформулювати чотири ознаки вторинних метаболітів:

ѕ присутність не у всіх рослинах;

ѕ наявність біологічної активності;

ѕ відносно низький молекулярна вага;

ѕ невеликий набір вихідних сполук для їх синтезу.

Це саме ознаки вторинних метаболітів, оскільки кожен з них, в общем-то, не обов'язковий. Ряд вторинних метаболітів знайдений практично у всіх рослинах (наприклад, багато фенілпропаноіди); досить багато вторинних метаболітів без вираженої біологічної активності (хоча не виключений варіант, що її просто не виявили); відомі високомолекулярні вторинні метаболіти (наприклад, каучук і гутаперча). Однак сукупність зазначених ознак досить чітко окреслює крутий вторинних метаболітів рослин.

Найбільш обгрунтовано віднести з'єднання до первинних або вторинним метаболитам можна тільки після з'ясування його ролі в життєдіяльності рослини, тобто на основі його функціональної значущості. Функціональне визначення вторинного метаболізму в першому наближенні можна дати як метаболізм сполук, що мають значення на рівні клітини.

3. Принципи класифікації вторинних метаболітів

Принципи класифікації вторинних метаболітів, як і назви індивідуальних сполук, змінювалися в міру їх вивчення. Зараз можна зустріт и елементи принаймні чотирьох варіантів класифікації.

Емпірична (тривіальна) класифікація. Самий «стародавній» принцип класифікації, заснований на певних властивостях вторинних метаболітів. Наприклад, алкалоїди - сполуки, що мають лужні властивості; сапоніни - речовини, що утворюють при струшуванні піну; гіркоти - з'єднання з гірким смаком; ефірні масла - ароматні летючі вторинні метаболіти. Подібний принцип класифікації має багато недоліків, проте його елементи зустрічаються досі в силу традиції і тривалого вжитку.

Вторинні метаболіти отримували (і отримують) свої назви, як правило, також емпірично. Найчастіше назви походять від рослини, з якої вперше було виділено з'єднання. Наприклад, алкалоїди папаверин (мак), берберин (барбарис), кокаїн (кокаїновий кущ). Досить часто назви пов'язані з міфологією, історією, особистостями і т.д. Наприклад, алкалоїд морфін отримав свою назву на честь бога сну. Подібний спосіб класифікації та формування назв з'єднань часто призводить до непорозумінь. Наприклад, біологічно активні тритерпенові глікозиди женьшеня практично одночасно почали вивчати в Японії і в Росії. Японські дослідники запропонували їх називати гінзенозідамі - за видовим назвою женьшеню, тоді як російські дослідники - панаксозидов, тобто по родовому назві. Пізніше, коли стало ясно, що одні й ті ж з'єднання називаються по-різному, довелося публікувати «таблиці відповідності» гінзенозідов і панаксозидов.

Хімічна класифікація. Цей варіант класифікації заснований на ознаках хімічної структури вторинних метаболітів і на даний момент часу найбільш розроблений і поширений. Однак і ця класифікація не позбавлена недоліків. Наприклад, алкалоїди за такою класифікацією - сполуки, що мають атом азоту в гетероцикли. За цією ознакою глікоалка-Лоід картоплі або томатів - типові алкалоїди, однак за способом синтезу, структурі і ряду властивостей ці сполуки є ізопреноїди.

Біохімічна класифікація. Ця класифікація базується на способах біосинтезу вторинних метаболітів. Наприклад, відповідно до цієї класифікації згадані вище глікоалкалоіди ставляться до тритерпенових псевдоалкалоідам, оскільки синтезуються, як і стероїдні глікозиди, по ізопреноїдного шляху. Це, мабуть, найбільш об'єктивний варіант класифікації. Однак оскільки біохімія вторинного метаболізму ще недостатньо розроблена, така класифікація знаходиться в періоді становлення.

Функціональна класифікація. Заснована на функціях вторинних метаболітів у интактном рослині. Цей варіант принципово відрізняється від попередніх і повинен існувати паралельно з ними. Згідно функціональної класифікації в одну групу з'єднань можуть потрапляти хімічно різні структури. Наприклад, фітоалексини (вторинні метаболіти, що мають захисні функції і синтезирующиеся у відповідь на атаку патогена) представлені в різних видах фенольними сполуками, ізопреноїди, поліацетіленамі та ін. Розробка функціональної класифікації вторинних метаболітів тільки починається, але вона має принципове значення для фізіології рослин.

Наявність різних варіантів класифікації вторинних метаболітів призводить до певних складнощів. Зокрема, при використанні різних ознак, використовуваних при хімічної класифікації, можливо «перекриття» груп вторинних метаболітів. Наприклад, в «фармакогнозії» в якості діючих речовин багатьох лікарських рослин виділяють глікозиди (з'єднання, молекула яких складається з аглікона і вуглеводного фрагмента) в окрему групу. У той же час за структурою аглікона ці глікозиди можуть бути віднесені до фенольним з'єднанням, ізопреноїди або іншим групам вторинних метаболітів. Ще більше проблем виникає, коли з'єднання містить ряд ознак, характерних для різних груп вторинних метаболітів (наприклад, пренілірованние фенольні сполуки). У ряді випадків з'являються проблеми можна зняти, коректуючи хімічну класифікацію біохімічної.

4. Основні групи вторинних метаболітів

В даний час відомо більше десятка груп (класів) вторинних метаболітів. При цьому деякі групи налічують по кілька тисяч індивідуальних сполук, тоді як інші - лише одиниці. Так само нерівномірно розподілені групи в рослинному світі. Наприклад, ізопреноїди і фенольні сполуки присутні у всіх видах рослин, тоді як деякі групи (наприклад, тіофену або ацетогеніни) характерні лише для одиничних видів.

Добре відомі три найбільші групи вторинних метаболітів - алкалоїди, ізопреноїди (терпеноїди) і фенольні сполуки. Кожна з цих груп складається з кілька тисяч з'єднань і підрозділяється на численні підгрупи. Відомо також близько десятка менш численних груп вторинних метаболітів: рослинні аміни, небілкові амінокислоти, ціаногенние глікозиди, глюкозинолати, поліацетілени, беталаіни, алкіламіди, тіофену та ін. Кількість сполук, що входять в ці групи, коливається від одиниць до декількох сотень.

Вторинні метаболіти в рослині практично ніколи не присутні в «чистому вигляді», вони, як правило, входять до складу складних сумішей. Такі суміші залежно від їх складу і знаходження в рослині часто носять власні, історично сформовані назви.

Ефірні масла, як правило, представляють із себе суміш легко випаровуються изопреноидов (моно- і сеськвітерпенов).

Смоли представлені головним чином дітерпенов.

Камеді складаються переважно з полісахаридів, але до їх складу часто входять алкалоїди, фенольні сполуки.

Слизу - це суміш водорозчинних оліго- і полісахаридів, Сахаров, а також невеликих кількостей фенольних сполук, алкалоїдів чи изопреноидов.

5. Закономірності будови вторинних метаболітів

При аналізі структур вторинних метаболітів створюється враження, що їх величезна різноманітність відбувається за певною схемою. Як правило, є певна «базова» структура, на основі якої утворюються численні варіанти. При цьому можна відзначити декілька способів виникнення таких варіантів.

Модифікації базової структури: звичайно це або приєднання, або заміна функціональних груп, зміна ступеня окислення молекули; в якості функціональних груп часто використовуються гідроксильні, метильние небудь метоксільние групи.

Освіта кон'югатів: приєднання до базової структурі «уніфікованих блоків»; найчастіше різних цукрів (моно- або олігосахариди), органічних кислот або деяких груп вторинних метаболітів.

Конденсація: об'єднання декількох однакових або різних базових структур, наприклад утворення пренілірованних фенольних сполук або димеризованих індольного алкалоїдів.

Для різних груп вторинних метаболітів характерні специфічні зміни структури. Наприклад, для алкалоїдів характерно метоксилювання, але не гликозилирование; для ізопреоідов, навпаки, типово гликозилирование, але не метоксилювання; у фенольних сполук спостерігаються обидва типи цих модифікацій.

Певні модифікації молекул, мабуть, мають істотне функціональне значення. Багато хто з них (зокрема, гликозилирование) значно змінюють біологічну активність молекули. Дуже часто гликозилирование є універсальним способом переведення активної (функціональної) форми вторинного метаболіту в неактивну (запасну). З цієї причини, мабуть, недоцільно виділяти всі глікозиди в окрему групу вторинних метаболітів.

6. Фітохімія вторинних метаболітів

Алкалоїди. Назва цієї групи речовин походить від арабського alcali - луг і грецького eidos - подібний. В даний час відомо близько 10 000 індивідуальних алкалоїдів.

У разі алкалоїдів досить вдало співпали емпірична і хімічна класифікація. Згідно хімічної класифікації, алкалоїди - це сполуки, що містять один або декілька атомів азоту в молекулі, що і надає їм лужні властивості. За хімічною структурою алкалоїди зазвичай поділяють на дві підгрупи: протоалкалоіди, які містять азот не в гетероцикли, і справжні алкалоїди, що містять азот в гетероциклів. У розподіл алкалоїдів на підгрупи внесла корективи біохімічна класифікація. Глікоалкалоіди, а також ряд інших алкалоїдів (наприклад, алкалоїди аконіту) за типом синтезу і за структурою фактично є ізопреноїди. Тому було вирішено виділити їх в особливу групу - ізопреноїдного псевдоалкалоідов.

Найбільш широко алкалоїди поширені серед покритонасінних рослин. Особливо багаті ними сімейства макових, пасльонових, бобових, кутрових, маренових, Лютикова. Під мохах, папоротях, голонасінних алкалоїди зустрічаються відносно рідко.

Різні органи і тканини рослини можуть містити різні алкалоїди. Зазвичай їх концентрація невелика і складає десяті й соті частки відсотка. При вмісті алкалоїдів близько 1 - 3% рослина вважається багатим алкалоїдами (алкалоідоносних). Тільки деякі рослини, наприклад культивовані форми хінного дерева, можуть накопичувати до 15 - 20% алкалоїдів. Протоалкалоіди зустрічаються досить часто в рослинах різних родин, але, як правило, не накопичуються в значних кількостях.

Алкалоїди накопичуються, як правило, в вакуолях, а в Периплазма практично не надходять. Можливо, це є наслідком «дбайливого ставлення» рослини до азотовмісних сполук. Транспорт алкалоїдів в вакуолі проходить за участю специфічних переносників (мабуть, ABC-транспортерів). У всякому разі в ізольовані вакуолі ефективно надходять тільки «власні» алкалоїди, тобто характерні для даної рослини. У вакуолях алкалоїди зазвичай знаходяться у вигляді солей. Синтез алкалоїдів проходить переважно в пластидах, або в цитозолі.

Ізопреноїди - велика група сполук, що мають загальну формулу (С5Н8) n. С5Н8 - це одиниця ізопрену, таким чином ізопреноїди є сполуками, «складеними» з декількох ізопренових одиниць. Їх біосинтез дійсно йде з'єднанням п'ятивуглецевий фрагментів, тому назва цієї групи речовин збігається з їх біохімічної класифікацією.

Класифікація ізопреноидов заснована на кількості ізопренових одиниць, що входять до складу молекули. З'єднання на основі тільки однієї изопренового одиниці в рослинах виявили лише порівняно недавно. Тому історично склалося, що монотерпенов назвали сполуки, що містять два ізопренові одиниці і, отже, мають загальну формулу (С5Н8) 2, тобто С10Н16. Ізопреноїди вмістом трьох ізопренові одиниці, назвали сеськвітерпенов, загальна формула C15H24.Соответственно дітерпени побудовані з чотирьох, трітерпени - з шести і Тетратерпени - з восьми п'ятивуглецевий фрагментів. Коли ж виявили сполуки, що складаються з одного і п'яти ізопренових одиниць, то їх довелося назвати відповідно гемітерпенамі і сестертерпенамі. Політерпеноіди каучук і гута мають у своєму складі від 100 до 5000 одиниць ізопрену.

Моно- і сесквітерпеноіди - як правило, легкоиспаряющиеся рідини, часто з різноманітним запахом. Відомо більше 3000 цих сполук. Їх класифікація заснована на наявності мул?? відсутності кільцевої структури в молекулі, типі кільця, а також наявність і кількість подвійних зв'язків в молекулі. Моно- і сесквітерпени можуть бути аліфатичними (вуглеводень з незамкненою ланцюжком атомів), циклічними з різною кількістю циклів (від одного до трьох), а також містити різні функціональні групи (гідрокси-, карбокси-, кето-групи). Вони складають основу ефірних масел. Моно-і сесквітерпеноіди часто мають бактерицидну дію.

Дітерпеноіди також налічують кілька тисяч структур. Вони є головними компонентами смол уголонасінних (ялина, сосна, ялиця, кедр). Часто дітерпеноіди смол мають бактерицидні властивості.

Тритерпеноїди представлені кількома групами з'єднань. Насамперед це з'єднання первинного метаболізму - фітостерини, проте більшість тритерпеноїдів є типовими вторинними метаболітами. Тритерпеноїди володіють широким спектром біологічної активності. До них відносяться серцеві, стероїдні, тритерпенові глікозиди, екдистероїдів.

Тетратерпеноіди представлені в рослинах головним чином каротиноїдами, деякі з них беруть участь в основному обміні (фотосинтез), проте більшість (близько 500) - це типово вторинні метаболіти.

Ізопреноїдного вторинні метаболіти, на відміну від алкалоїдів, зазвичай після синтезу виводяться з клітки. Крім клітинної стінки, вони можуть іноді накопичуватися в вакуолях. Синтез изопреноидов може проходити в двох компартментах - в пластидах або в цитозолі. При цьому існують два незалежних шляхи синтезу изопреноидов: мевалонатного - в цитоплазмі, альтернативний - в пластидах. «Пластидного» синтез изопреноидов часто здійснюється в лейкопластах - спеціалізованих «ізопреноїдного» пластидах, які мають ряд морфологічних особливостей (наприклад, відсутність рибосом, особливе розташування внутрішніх мембран). Для них характерні тісні контакти з ЕР («ретикулярний футляр»), що побічно вказує на взаємодію пластид і ЕР при синтезі изопреноидов.

Фенольні сполуки - речовини ароматичної природи, містять одну чи кілька гідроксильних груп у ароматичного кільця. Фенолами називають сполуки з одним атомом гідроксилу, поліфенолами - з двома і більше. Багато фенольні сполуки беруть участь в основному обміні (зокрема, в процесах фотосинтезу і дихання), проте більшість з них - типові представники вторинного метаболізму.

Фенольні сполуки класифікуються залежно від числа ароматичних кілець і кількості приєднаних до них атомів вуглецю. Фенольні сполуки прийнято розділяти на три великі підгрупи: з одним і двома ароматичними кільцями, а також полімерні фенольні сполуки. Іноді в особливу групу виділяють димерні фенольні сполуки.

Відмінною рисою фенольних сполук є формування величезного числа з'єднань за рахунок модифікацій молекули і освіти кон'югатів з різноманітними структурами. З модифікацій для фенольних сполук характерні освіту глікозидів, метилювання і метоксилювання. За рахунок гідроксильних і карбоксильних груп фенольні сполуки можуть зв'язуватися з цукрами, органічними кислотами, рослинними амінами, алкалоїдами. Крім цього рослинні феноли можуть з'єднуватися з ізопреноїди, утворюючи велику групу пренілірованних фенолів. Такі властивості фенольних сполук забезпечують величезну різноманітність структур, характерне для рослинних фенолів.

Фенольні сполуки накопичуються як в вакуолях, так і в Периплазма. При цьому в вакуолях зазвичай містяться глікозильовані фенольні сполуки, тоді як в Периплазма - метаксілірованние з'єднання або аглікони. Синтез фенольних сполук відбувається в хлоропластах і цитозолі. Показано існування двох незалежних шляхів синтезу ароматичних сполук (шікіматние шляху) - в цитозолі і в пластидах.

Багато з'єднання інших класів вторинних метаболітів також накопичуються в вакуолях. Подібну локалізацію мають, наприклад, ціаногенние глікозиди, глюкозинолати, беталаіни.

Мінорні групи вторинних метаболітів

Рослинні аміни. У вищих рослинах присутня велика кількість амінів - первинних, вторинних, третинних і четвертинних. Багато хто з них структурно являють собою декарбоксилировать амінокислоти, причому як білкові, так і небілкові. Рослинні аміни підрозділяють на моноаміни (з одного аминогруппой), діаміни (з двома аміногрупами) і поліаміни.

Беталаіни. Так називаються водорозчинні азотвмісні пігменти вищих рослин. Вони присутні тільки в рослинах порядку гвоздичні.

До цих пір не знайдені рослини, де дві групи водорозчинних пігментів - антоціани і беталаіни - зустрічаються одночасно. Групу беталаінов складають бетаціаніни і бетаксантіни - відповідно червоно-фіолетові і жовті з'єднання. Бетаціаніни являють собою глікозиди та ацілглікозіди всього двох агликонов.

Ціаногенние глікозиди. Ціаногенние глікозиди є?-глікозідамі 2-гідроксінітрілов (ціаногідрінов). До теперішнього часу у вищих рослинах виявлено декілька десятків подібних з'єднань. Основні структурні варіації обумовлені природою заступників R1 і R2. В якості вуглеводного фрагмента як правило, виступає D-глюкоза. При гідролізі ціано-генних глікозидів специфічною глікозідазамі виділяється синильна кислота.

Небілкові амінокислоти. Під цим терміном розуміють природні амінокислоти, їх аміди, імінокіслоти, які в нормі не входять до складу білків. Нині відомо понад 400 небілкових амінокислот. Багато хто з них можна розглядати як модифікації білкових. Найбільш часто зустрічаються варіанти подовження або скорочення вуглецевого ланцюга (додавання або видалення СН2- або СН3-фрагментів), гідрування і дегідрування, гідроксилювання, амінірованіе. Зустрічаються і незвичайні (наприклад, селен-містять) амінокислоти. Небілкові амінокислоти переважно вельми токсичні, оскільки можуть включатися в білки замість «нормальних» амінокислот і порушувати їх функції. метаболіт біохімія алкалоїд фенольний

Незвичайні ліпіди. До них відносяться насамперед «незвичайні» жирні кислоти, які відрізняються від «звичайних» довжиною вуглецевого ланцюга, іншим розташуванням і кількістю подвійних зв'язків, наявністю додаткових функціональних груп і циклів. Найчастіше незвичайні жирні кислоти виявляються в олії насіння. У багатьох видах вищих рослин виявлені з'єднання з однією або декількома потрійними зв'язками. Такі сполуки отримали назву ацетиленових похідних, або поліацетіленов. Відомо кілька сотень таких структур. На відміну від незвичайних жирних кислот, ацетиленові похідні можуть перебувати у всіх органах і частинах рослини. До незвичайним ліпідам відносяться також ціаноліпіди, при гідролізі яких виділяється синильна кислота.

Серосодержащіе вторинні метаболіти. До них відносяться насамперед ті-оглікозіди (S-глікозиди). Найбільш відомі глікозиди гірчичних масел (глюкозинолати). Ці глікозиди характерні для рослин сімейства хрестоцвітних. Вони мають сильну антимікробну дію і обумовлюють гострий або пекучий смак гірчиці, хрону, редьки. Механізм дії глюкозинолатів дуже схожий з дією ціаногенних глікозидів: після відщеплення цукру мірозінази утворюються ізотіоціанати, що обумовлюють пекучий смак і подразнюючу дію. Іншу групу сірковмісних вторинних метаболітів складають алліцині часнику та цибулі, які синтезуються з цистеїну. Вони також відповідальні за пекучий смак і антимікробні властивості цих рослин.

7. Біохімія вторинних метаболітів

Шляхи біосинтезу вторинних метаболітів

Шляхи синтезу більшості вторинних метаболітів встановлені досить добре. В даний час інтенсивно вивчається ензимологія вторинного метаболізму. На підставі наявної інформації можна сформулювати деякі закономірності біосинтезу цих сполук. Попередниками синтезу служить відносно невелика кількість первинних метаболітів. Багато груп вторинних метаболітів можуть синтезуватися кількома шляхами. Часто етапи синтезу дубльовані в різних компартментах клітини (наприклад, пластиди - цитозоль). Синтез чітко спланований і обслуговується набором спеціальних ферментів, в більшості випадків досить специфічних.

Біосинтез алкалоїдів. Освіта цих речовин тісно пов'язане із загальним обміном азоту клітини. Для більшості алкалоїдів показано, що схеми їх синтезу уніфіковані, т.е. Мають подібну послідовність реакцій. У процесі біосинтезу молекула амінокислоти практично повністю включається в структуру алкалоїду. Синтез алкалоїдів різних груп включає однакові типи реакцій: декарбоксилювання, окислювальне дезамінування, альдольна конденсація, але для кожної групи алкалоїдів ці реакції здійснюють «власні» ферменти. На першому етапі синтезу відбувається декарбоксилювання амінокислоти за участю відповідної декарбоксилази. Утворилися біогенні аміни піддаються окислювальному дезамінування за участю амінооксідаз. Отримані в результаті аміноальдегіди або амінокетони в результаті серії послідовних реакцій утворюють ключові гетероциклічні сполуки. Потім відбувається модифікація базової структури за участю різноманітних реакцій - гідроксилювання, метилування та ін. У формуванні остаточної структури алкалоїду можуть брати участь додаткові вуглецеві одиниці, наприклад ацетат (у вигляді ацетил-СоА) або монотерпенові одиниця (для складних індольного алкалоїдів). Залежно від складності алкалоїду його біосинтез включає від трьох-чотирьох до десяти-п'ятнадцяти реакцій.

Для цілого ряду алкалоїдів не тільки встановлена ??схема синтезу, але охарактеризовані і виділені ферменти. Виявилося, що деякі ферменти синтезу не надто специфічні (в якості субстратів можуть використовувати різні сполуки), проте в ланцюжку синтезу обов'язково присутні високоспецифічні ферменти, які використовують тільки один субстрат (або ряд дуже близьких субстратів) і виконують дуже специфічну реакцію.

Наприклад, при синтезі ізохінолін гидроксилирование базової структури по кожному положенню виконують різні ферменти. У міру просування до заключним етапам синтезу спорідненість ферментів до субстрату зазвичай підвищується: наприклад, для ряду ферментів синтезу берберінових алкалоїдів Кт становить менше 1 мкМ.

Біосинтез ізопреноїдів. Якщо при синтезі алкалоїдів подібна ланцюжок перетворень використовується для різних вихідних сполук (амінокислот), то синтез колосального числа изопреноидов відбувається з єдиного попередника - ізопентенілдіфосфата (ІПДФ). Під дією ферменту ізопентенілдіфосфатізомерази, яка зрушує подвійну зв'язок, ІПДФ перетворюється на діметілаллілдіфосфат (ДМАДФ). Далі ІПДФ приєднується до ДМАДФ по подвійному зв'язку і утворюється С10-з'єднання - геранілдіфосфат. Він служить джерелом всіх монотерпеноід. Потім до геранілдіфосфату приєднується ще один ІПДФ і утворюється С15-з'єднання фарнезілдіфосфат - вихідна речовина для синтезу сесквитерпеноидов. Далі фарнезілдіфосфат може або приєднати ще одну молекулу ІПДФ з утворенням геранілгеранілдіфосфата (С20-з'єднання - джерело дітерпеноіди), або дімерізоваться з утворенням сквалену (С30-з'єднання - вихідна сполука для всіх тритерпеноїдів). Нарешті, геранілгеранілдіфосфат може дімерізоваться з утворенням фітоіна - С40-з'єднання, джерело тетратерпеноідов. Крім того, до геранілгеранілдіфосфату може послідовно приєднатися велика кількість ІПДФ, формуючи в кінцевому підсумку поліізопреноіди - каучук і гутаперчу. У результаті описаних реакцій утворюється повний гомологічний ряд С5-з'єднань різної довжини. Далі ці аліфатичні молекули можуть «згорнутися» в циклічні структури, причому кількість циклів, їх розмір і типи зчленування можуть бути самими різними.

Синтез базових ізопреноїдного структур здійснюють всього два типи ферментів - пренілтрансферази, які «нарощують» довжину изопреноидов, і циклази, які формують відповідний циклічний скелет молекули. При цьому кожен тип структури формує специфічна ціклаза. Так як типів циклічних структур изопреноидов досить багато, то і кількість ціклаза повинно бути значним. До теперішнього часу їх відомо більше ста. Після формування базової структури (або одночасно з цим), відбувається її модифікація і «оснащення» функціональними групами.

Точками показані мічені атоми у вихідних з'єднаннях і в утворилися ІПДФ.

Таким чином, біосинтез изопреноидов можна уявити собі як своєрідний біохімічний «моделіст-конструктор». Спочатку з унфіцірованих С5-модулів виготовляються гнучкі лінійні конструкції різної довжини. Вони являють собою практично ідеальний матеріал для «біохімічного конструювання» і формування безлічі варіантів циклічних структур.

Рослини використовують обидва варіанти освіти изопреноидов: в цитозолі синтез йде по класичному шляху, а в пластидах - по альтернативному. При цьому можливе не тільки дублювання синтезу изопреноидов в різних когось партментах клітини, але і поділ за типом синтезованих структур. Тритерпеноїди (включаючи стероїди) синтезуються в цитозолі з мевалоната, тоді як дітерпеноіди (включаючи фитол хлорофілу) і тетратерпеноіди (насамперед каротиноїди) - у пластидах по альтернативному шляху. Моно- і сесквітерпени, ймовірно, можуть утворюватися різними варіантами залежно від структури молекули і виду рослини.

Біосинтез фенольних сполук. До теперішнього часу відомо два шляхи освіти фенольних сполук - шікіматний (через шікімовой кислоту) і ацетатно-малонатний. Основний шлях шікіматний, це практично єдиний спосіб формування ароматичного кільця. В якості вихідних сполук для синтезу виступають фосфоенолпіруват (ФЕП) і еритроза - 4-фосфат. При їх конденсації виникає семіуглеродная кислота (2-кето - 3-дезокси - 7-фосфоарабогептановая), яка потім ціклізуется в 5-дегідрохін-ную кислоту. З дегідрохінной кислоти утворюється шікімовой кислота, яка має шестичленное кільце, одну подвійну зв'язок, і її легко перевести в з'єднання ароматичного ряду. З шікімовой кислоти можливе утворення оксибензойних кислот - n-оксибензойной, протокатеховую, галової. Однак основний шлях використання шікімовой кислоти - освіта через префеновую кислоту ароматичних амінокислот фенілаланіну і тирозину. Фенілаланін (можливо, в ряді випадків і тирозин) - основний попередник синтезу фенольних сполук. Дезамінування фенілаланіну здійснює фермент фенілаланінамміакліаза (ФАЛ). У результаті утворюється корична кислота, гідроксилювання якої призводить до утворення пара-кумаровой (оксікорічних) кислоти. Після додаткового гідроксилювання і подальшого метилування з неї утворюються інші оксикоричні кислоти.

Оксікорічних кислоти являють центральна ланка синтезу всіх фенольних сполук клітини. Opтo-кумаровая кислота є попередником кумаринів. Після низки реакцій укорочення алифатической частини молекули утворюються С6-С2 і С6-С1 - сполуки - це другий шлях освіти оксибензойних кислот (перший - безпосередньо з шікімовой кислоти). Оксикоричні кислоти можуть утворювати різні кон'югати, насамперед?? з цукрами, однак основна маса оксікорічних кислот активується шляхом взаємодії з СоА. Два магістральних шляхи використання СоА-ефірів оксікорічних кислот - синтез лигнинов і синтез флавоноїдів. Для синтезу лигнинов СоА-ефіри оксікорічних кислот відновлюються до спиртів, які виступають як мономерів синтезу. При синтезі флавоноїдів СоА-похідне оксікорічних кислоти взаємодіє з трьома молекулами Малоні-СоА з утворенням халкони. Реакцію каталізує фермент халконсінтаза. Утворився халкони легко перетворюється в флаванона. З флаванона за рахунок реакцій гідроксилювання, окислення - відновлення утворюються інші групи флавоноїдів. Потім може відбуватися модифікація молекули - гликозилирование, метоксилювання та ін.

Ацетатні-малонатний шлях синтезу фенольних сполук широко поширений у грибів, лишайників і мікроорганізмів. У рослин він є мінорним. При синтезі сполук цим шляхом ацетил-СоА карбоксіліруется з утворенням малонілацетіл-СоА. Потім відбувається каскад аналогічних реакцій, в результаті нарощується вуглецевий ланцюг і виникає полі-?-кетометіленовая ланцюжок. Циклизация полікетідной ланцюга призводить до утворення різних фенольних сполук. Таким способом синтезуються флороглюцин і його похідні, деякі антрахінони. У структурі флавоноїдів кільце У формується по шікіматному шляху (з оксікорічних кислоти), тоді як кільце А - по ацетатно-малонатному.

У клітці працюють два шікіматних шляхи синтезу флавоноїдів - один в пластидах, інший в цитозолі. У цих компартментах знаходиться повний набір ізоферментів шікіматного шляхи, а також ферментів фенольного метаболізму, в тому числі ФАЛ і халконсінтази. Таким чином, в рослинній клітині існує дві паралельні ланцюжки синтезу фенольних сполук (аналогічно ізопреноїди).

Синтез мінорних класів вторинних з'єднань. Освіта цих речовин також вивчено досить повно. Для багатьох азотовмісних сполук вихідними речовинами є амінокислоти. Наприклад, синтез ціаногенних глікозидів починається з декарбоксилирования відповідної амінокислоти, потім послідовно формуються альдоксім, нітрил і?-гідроксінітріл. На останньому етапі синтезу утворюється ціаногенний глікозид за рахунок глікозилювання?-гідроксінітріла за допомогою УДФ-глюкози. Синтез зазвичай здійснює комплекс ферментів: наприклад, для дурріна цей комплекс складається з чотирьох ферментів. Гени ферментів клоновані. Трансгенна за двома генам рослина арабидопсиса набула здатності до синтезу ціаногенних глікозидів. Синтез беталаінов починається від тирозину, який гідроксилюється і утворюється диоксифенилаланин (ДОФА). ДОФА служить джерелом для двох фрагментів молекули бетаціанінов - беталамовой кислоти і цикло-ДОФА. Об'єднання цих двох сполук призводить до формування бетаціанінов. При синтезі бетаксантінов беталамовая кислота конденсується з пролином. Серосодержащіе вторинні метаболіти зазвичай синтезуються з сірковмісних амінокислот.

8. Речовини первинного метаболізму

Речовинами первинного біосинтезу є білки, деякі ферменти, вітаміни, ліпіди, нуклеїнові кислоти і вуглеводи.

Білки-- біополімери, структурну основу яких становлять довгі поліпептидні ланцюги, побудовані із залишків альфа-амінокислот, з'єднаних між собою пептидними зв'язками. Як правило, білками називають поліпептиди, що містять більше 50 амінокислотних фрагментів. Білки ділять на прості - протеїни, при гідролізі дають тільки амінокислоти, і складні - у них білок пов'язаний з речовинами небілкової природи: нуклеїновими кислотами ... (нуклеопротеіди), вуглеводами (гликопротеіди), ліпідами (ліпопротеїди), пігментами (хромопротеіди), залишками фосфорної кислоти (фосфопротєїди) та ін З простих білків у рослинах зустрічаються альбуміни (насіння гороху), глобуліни (насіння сої), глютеліни і проламіни (зернівки злакових), які часто використовуються рослинами в якості запасного живильного матеріалу. Серед складних білків особливе місце належить нуклеопротеидам, які беруть участь у явищах спадковості. В якості ферментів (ензимів) білки регулюють всі життєві процеси клітини. Ряд білків є токсичними речовинами. Наприклад, токсичні білки представлені в отрутах змій. Вони характеризуються низькою молекулярною масою. Токсини рослин більш різноманітні за формою і молекулярній масі (токсальбумин рицин із насіння рицини).

Вітаміни - особлива група органічних речовин, що виконують важливі біологічні і біохімічні функції в живих організмах. Ці органічні сполуки різної хімічної природи синтезуються головним чином рослинами, а також мікроорганізмами. Людині і тваринам, які їх не синтезують вітаміни потрібні в дуже малих кількостях в порівнянні з поживними речовинами (білками, вуглеводами, жирами). Відомо більше 20 вітамінів. Вони мають літерні позначення, назви хімічні і назви, що характеризують їх фізіологічна дія. Класифікуються на водорозчинні вітаміни (аскорбінова кислота, тіамін, рибофлавін, пантотенова кислота, піридоксин, фолієва кислота, ціанокобаламін, нікотинамід, біотин) та жиророзчинні (ретинол, філохінон, кальциферол, токофероли). До вітаміноподібних речовин належать деякі флавоноїди, ліпоєва, оротовая, пангамовая кислоти, холін, інозит. Біологічна роль вітамінів різноманітна. Встановлено тісний зв'язок між вітамінами і ферментами. Наприклад, більшість вітамінів групи В є попередниками коферментів і простетических груп ферментів.

Ліпіди -- жири і жироподібні речовини, які є похідними вищих жирних кислот, спиртів або альдегідів. Поділяються на прості і складні. До простих належать ліпіди, молекули яких містять тільки залишки жирних кислот (або альдегідів) і спиртів. З простих ліпідів у рослин і тварин зустрічаються жири та жирні олії, що представляють собою ацилглицеролы і віск. Ацилглицеролы (ацилглицерины) -- найбільш поширена в природі група ліпідів. Ці з'єднання представляють собою складні ефіри жирних кислот і трехатомного спирту гліцеролу, в якому можуть бути этерифицированы одна, дві або три гідроксильні групи. Воски складаються зі складних ефірів вищих жирних кислот і одно - або двоатомних вищих спиртів. До жирів близькі простагландини, які утворюються в організмі з поліненасичених жирних кислот. По хімічній природі це похідні кислоти простаноевой зі скелетом з 20 атомів вуглецю і містять циклопентановое кільце. Складні ліпіди поділяють на дві великі групи: фосфоліпіди і гликолипиды (тобто сполуки, що мають у своїй структурі залишок фосфорної кислоти або вуглеводний компонент). В складі живих клітин ліпіди відіграють важливу роль у процесах життєзабезпечення, утворюючи енергетичні резерви у рослин і тварин.

Нуклеїнові кислоти -- це біополімери, мономерными ланцюгами яких є нуклеотиди, які складаються із залишків фосфорної кислоти, вуглеводного компонента (рибозы або дезоксирибозы) та азотистого (пуринового або піримідинового) підстави. Розрізняють дезоксирибонуклеїнові (ДНК) і рибонуклеїнових (РНК) кислоти.

Пептиди -- органічні сполуки, що складаються із залишків амінокислот, з'єднаних між собою пептидного зв'язком. За кількістю амінокислотних фрагментів розрізняють ді-, три-, тетра - або поліпептиди. Низькомолекулярні пептиди містяться майже у всіх живих клітинах. Наприклад, трипептид глютатіон, розповсюджений в тваринних і рослинних тканинах, бере участь в окисно-відновних реакціях, а також перенесення амінокислот через цитоплазматичні мембрани. До пептидів відносяться багато природні біологічно активні речовини: деякі гормони (інсулін, вазопресин), антибіотики (граміцидин), інгібітор ферменту тромбіну, що міститься в слині п'явок (гірудин); присутній в плазмі крові брадикінін забезпечує регуляцію кровотоку і проникність клітинних мембран. Деякі поліпептиди тварин і комах володіють сильним фізіологічним дією і відносяться до отрут. Токсичні поліпептиди нейротропної дії містяться в секреті сцифоидных медуз, представників загону актиній і отруйних виділеннях скорпіона (инсектотоксины); у складі бджолиної отрути знаходяться токсичні поліпептиди (меллитин, сепамин, секамин та ін).

Вуглеводи - величезний клас органічних сполук, до якого відносять полиоксикарбонильные сполуки та їх похідні. В залежності від кількості мономерів в молекулі, поділяються на моносахариди, олігосахариди (ді-, три-, тетрасахариды і т. д.) і полісахариди. Вуглеводи, що складаються виключно з полиоксикарбонильных сполук, отримали назву гомозидов,а їх похідні, в молекулі яких є залишки інших сполук, -- гетерозид. До гетерозидам відносяться всі види глікозидів.

Моносахариди накопичуються в будь-якій живій клітині в процесі фотосинтезу і використовуються для біосинтезу полісахаридів, глікозидів, амінокислот, поліфенолів та ін. Полісахариди, як правило, накопичуються в значних кількостях як продукти життєдіяльності протопласта. В рослинах синтезуються різні форми полісахаридів, які відрізняються одна від одної як за структурою, так і по виконуваних функцій. Найбільш звичайними полісахаридами є целюлоза, геміцелюлози, крохмаль, інулін, слизу, камеді і пектинові речовини.

Целюлоза (клітковина) -- полімер, який становить основну масу клітинних стінок рослин. Вважають, що молекула клітковини у різних рослин, що містять від 1 400 до 10 000 залишків бета-D-глюкози.

Крохмаль та інулін відносяться до запасних полісахаридів. Крахмална 96-97,6 % складається із двох полісахаридів: амілози (лінійний глюкан) і амілопектину (розгалужений глюкан). Він завжди запасається у вигляді крохмальних зерен в період активного фотосинтезу. У представників сем. Asteraceae і Campanulaceaeнакапливаются фруктозаны (інулін), особливо у великих кількостях в підземних органах.

Слизу і камеді (гуммі) суміші гомо - і гетеросахаридов і полиуронидов. Камеді складаються з гетерополисахаридов з обов'язковою участю уроновых кислот, карбонільні групи яких пов'язані з іонами Са2+, К+ і Mg2+. По розчинності у воді камеді діляться на 3 групи: арабиновые, добре розчинні у воді (абрикосова і аравійська); бассориновые, погано розчинні у воді, але сильно в ній набухаючі (трагакантовая), і церазиновые, погано розчинні і погано набухаючі у воді (вишнева). Слизу, на відміну від камедей, можуть бути нейтральними (не містять уроновых кислот), а також мають меншу молекулярну масу і добре розчиняються у воді.

Пектинові речовини -- високомолекулярні гетерополисахариды, головним структурним компонентом яких є кислота альфа-D-галактуронова (полигалактуронан). До основної макромолекуле у вигляді бічних ланцюгів приєднані D-ксилоза, L-арабіноза, D-галактоза, D-глюкоза, а в головну ланцюг включена L-рамноза. В рослинах пектинові речовини присутні у вигляді нерозчинного протопектину -- лінійного полімеру метоксилированной полигалактуроновой кислоти з галактаном і арабаном клітинної стінки: ланцюжки полиуронида з'єднані між собою іонами Са2+ і Mg2+. До полісахаридів відносяться також полиурониды морських водоростей. У медичній практиці знайшли застосування полісахариди водоростей Ahnfeltia, Laminaria, Fucus. З червоної водорості анфельции добувають агар-агар. У ламінарії міститься кислота альгінова - аналог пектинової кислоти. Вона складається з залишків D-маннуроновой і D-гулуроновой кислот, пов'язаних бета-глікозидними зв'язками.

Ферменти -- складні білки, що містяться в тваринних і рослинних організмах, що виконують функції біологічних каталізаторів і прискорюють хімічні процеси в них. Всі ферменти діляться на одно - і двукомпонентные. Перші складаються тільки з білка. Двукомпонентные ферменти складаються з білка (апофермента) і небілкової частини (кофактор, або кофермент). Відіграють важливу роль у процесах метаболізму.

Висновок

У результаті виконаної курсової роботи я дізнався, що таке вторинні метаболіти, а також особливості первинних метаболітів, до яких відносяться: відносна низька молекулярна маса (винятком є, наприклад, високомолекулярні поліізопреноіди: каучук, гутаперча, чикл) ; не обов'язкова присутність в кожному організмі (деякі вторинні метаболіти широко поширені, так наприклад багато фенілпропаноіди зустрічаються практично у всіх рослинах); як правило, є біологічно-активними речовинами; синтезуються з первинних метаболітів.

Зазначені ознаки не є обов'язковими, проте в сукупності досить чітко окреслюють коло вторинних метаболітів.

У рослин вторинні метаболіти беруть участь у взаємодії рослини з навколишнім середовищем, захисних реакціях (наприклад, отрути). До них відносяться наступні класи: алкалоїди, ізопреноїди, фенольні сполуки, мінорні сполуки (налічують 10-12 груп, зокрема: небілкові амінокислоти, біогенні аміни, ціаногенние глікозиди, глікозиди гірчичних масел (ізотіоціанати), беталаіни, ціаноліпіди, ацетогеніни, ацетиленові похідні, алліцин, ацетофенон, тіофен, незвичайні жирні кислоти, та ін.)

Список використаної літератури

1. «Мікробіологія: словник термінів», Фірсов М.М., М: Дрофа, 2006

2. Лікарську сировину рослинного і тваринного походження. Фармакогнозія: навчальний посібник/під ред. Г.П. Яковлева. СПб .: СпецЛит, 2006. 845 с.

3. Шабарова З. А., Богданов А. А., Золотухін А. С. Хімічні основи генетичної інженерії. - М .: Изд-во МГУ, +2004, 224 с.

4. Чебишев Н.В., Гриньова Г.Г., Кобзар М.В., гулянка С.І. Біологія. М., 2000

5. Інтернет ресурси.

Размещено на Allbest.ru