Primärer und sekundärer Pflanzenstoffwechsel. Primärmetaboliten Charakterisierung von Primär- und Sekundärmetaboliten

Wie auch immer die Photosynthese betrieben wird, letztendlich endet sie mit der Ansammlung energiereicher Reservestoffe, die die Grundlage für die Aufrechterhaltung der lebenswichtigen Aktivität der Zelle und letztlich des gesamten vielzelligen Organismus bilden. Diese Stoffe sind Produkte des Primärstoffwechsels. Neben ihrer Hauptfunktion sind Primärmetabolite die Grundlage für die Biosynthese von Verbindungen, die üblicherweise als Produkte des Sekundärstoffwechsels bezeichnet werden. Letztere, oft bedingt als „Sekundärmetaboliten“ bezeichnet, sind für ihre Existenz in der Natur gänzlich an Produkte gebunden, die bei der Photosynthese entstehen. Es ist zu beachten, dass die Synthese von Sekundärmetaboliten aufgrund der Energie erfolgt, die in den Mitochondrien bei der Zellatmung freigesetzt wird.

Sekundärmetaboliten sind Gegenstand des Studiums der Pflanzenbiochemie, aber es ist interessant, sich mit dem Diagramm (Abb. 1) vertraut zu machen, das ihre biogenetische Beziehung zu direkten Produkten der Photosynthese zeigt.

Abbildung 1. Biogenetische Beziehung von Sekundärmetaboliten mit direkten Produkten der Photosynthese.

Sekundärmetaboliten: Pigmente, Alkaloide, Tannine, Glykoside, organische Säuren

Pigmente

Unter den Vakuolenpigmenten sind die Anthocyane und Flavone am häufigsten.

Anthocyane gehören zur Gruppe der Glykoside mit phenolischen Gruppen. Anthocyane einer Gruppe unterscheiden sich von einer anderen. Ein interessantes Merkmal dieses Pigments ist, dass es seine Farbe je nach pH-Wert des Zellsaftes ändert. Bei einer sauren Reaktion von Zellsaft färbt Anthocyan es rosa, mit einem neutralen - violett und mit einem basischen - blau.

Bei einigen Pflanzen kann sich die Farbe mit der Entwicklung der Blüten ändern. Gurkengras hat zum Beispiel rosa Knospen und reife Blüten sind blau. Es wird davon ausgegangen, dass die Pflanze auf diese Weise Insekten signalisiert, dass sie zur Bestäubung bereit ist.

Anthocyane reichern sich nicht nur in Blüten, sondern auch in Stängeln, Blättern und Früchten an.

Anthochlor ist ein gelber Farbstoff, der zu den Flavonoiden gehört. Es ist weniger verbreitet. Enthält anthochlorgelbe Blüten von Kürbis, Leinsamen, Zitrusfrüchten.

Das Pigment Antofein kann sich auch im Zellsaft anreichern und diesen dunkelbraun färben.

Alkaloide umfassen natürliche heterocyclische Verbindungen, die in den Zyklen neben Kohlenstoff ein oder mehrere Stickstoffatome, seltener Sauerstoff enthalten. Sie sind alkalisch. Alkaloide haben eine hohe pharmakologische Aktivität, daher sind die meisten Heilpflanzen Alkaloide. Mehr als 20 verschiedene Alkaloide, darunter Morphin, Thebain, Codein, Papaverin usw., finden sich in Schlafmohnkisten. Wie Sie wissen, verursacht Morphin mit seiner schmerzstillenden und schockhemmenden Wirkung Euphorie: Bei wiederholter Anwendung entsteht ein schmerzhaftes es entwickelt sich eine Sucht - Drogensucht. Codein reduziert die Erregbarkeit des Hustenzentrums, ist Bestandteil von Antitussiva. Papaverin wird als krampflösendes Mittel bei Bluthochdruck, Angina pectoris und Migräne verwendet. Nachtschattengewächse, Butterblumen, Liliengewächse sind reich an Alkaloiden.

Viele alkaloide Pflanzen sind giftig und werden von Tieren nicht gefressen, sie werden nur schwach von Pilz- und Bakterienkrankheiten befallen.

Glykoside sind Zuckerderivate in Kombination mit Alkoholen, Aldehyden, Phenolen und anderen stickstofffreien Substanzen. Bei Luftkontakt zersetzen sich die Glykoside und es entsteht ein angenehmes Aroma, zum Beispiel der Geruch von Heu, aufgebrühtem Tee etc.

Herzglykoside und Saponine werden in der Praxis am häufigsten verwendet. Herzglykoside sind der Wirkstoff einer so bekannten Heilpflanze wie Maiglöckchen. Seine medizinischen Eigenschaften sind seit langem bekannt und haben bis heute ihre Bedeutung nicht verloren. Früher wurde Maiglöckchen verwendet, um Medikamente gegen Wassersucht, Herzkrankheiten, Epilepsie und Fieber herzustellen.

Der Name der Saponine leitet sich von den schäumenden Eigenschaften dieser Verbindungen ab. Die meisten Vertreter dieser Gruppe haben eine hohe biologische Aktivität, die die therapeutische Wirkung und dementsprechend die medizinische Verwendung so bekannter Biostimulanzien wie Ginseng, Süßholz und Aralia bestimmt.

Tannine (Gerbstoffe) sind Phenolderivate. Sie sind adstringierend und antiseptisch. Sie reichern sich in Form kolloidaler Lösungen in der Zelle an und sind gelb, rot und braun. Wenn Eisensalze hinzugefügt werden, erhalten sie eine bläulich-grüne Farbe, die früher zur Gewinnung von Tinte verwendet wurde.

Tannine können sich in erheblichen Mengen in verschiedenen Pflanzenorganen anreichern. Es gibt viele von ihnen in den Früchten von Quitten, Kaki, Vogelkirschen, in der Rinde der Eiche, in Teeblättern.

Tanninen werden eine Vielzahl von Funktionen zugeschrieben. Wenn der Protoplast abstirbt, werden die Zellwände mit Tanninen imprägniert und machen sie widerstandsfähig gegen Fäulnis. In lebenden Zellen schützen Tannine den Protoplasten vor Austrocknung. Es wird auch angenommen, dass sie an der Synthese und dem Transport von Zuckern beteiligt sind.

Produktion von Sekundärmetaboliten

Von allen durch mikrobielle Prozesse gewonnenen Produkten haben Sekundärmetaboliten die größte Bedeutung. Sekundärmetaboliten, auch Idioliten genannt, sind niedermolekulare Verbindungen, die für das Wachstum in Reinkultur nicht benötigt werden. Sie werden von einer begrenzten Anzahl taxonomischer Gruppen produziert und sind oft eine Mischung eng verwandter Verbindungen, die derselben chemischen Gruppe angehören. Wenn die Frage nach der physiologischen Rolle von Sekundärmetaboliten in Produktionszellen ernsthaft diskutiert wurde, dann ist ihre industrielle Herstellung zweifellos von Interesse, da es sich bei diesen Metaboliten um biologisch aktive Substanzen handelt: Einige von ihnen wirken antimikrobiell, andere sind spezifische Inhibitoren von Enzymen und andere sind Wachstumsfaktoren. Viele haben pharmakologische Aktivität. Sekundäre Metaboliten umfassen Antibiotika, Alkaloide, Pflanzenwachstumshormone und Toxine. Die pharmazeutische Industrie hat hochentwickelte Methoden zum Screening (Massenscreening) von Mikroorganismen auf ihre Fähigkeit zur Produktion wertvoller Sekundärmetaboliten entwickelt.

Die Herstellung dieser Art von Substanzen diente als Grundlage für die Schaffung einer Reihe von Zweigen der mikrobiologischen Industrie. Die erste in dieser Reihe war die Produktion von Penicillin; Das mikrobiologische Verfahren zur Herstellung von Penicillin wurde in den 1940er Jahren entwickelt und legte den Grundstein für die moderne industrielle Biotechnologie.

Antibiotika-Moleküle sind in Zusammensetzung und Wirkungsmechanismus auf eine mikrobielle Zelle sehr unterschiedlich. Gleichzeitig besteht aufgrund der Entstehung von Resistenzen pathogener Mikroorganismen gegen alte Antibiotika ein ständiger Bedarf an neuen. In einigen Fällen können natürliche mikrobielle Antibiotika chemisch oder enzymatisch in sogenannte halbsynthetische Antibiotika umgewandelt werden, die höhere therapeutische Eigenschaften haben.

Antibiotika sind organische Verbindungen. Sie werden von einer lebenden Zelle synthetisiert und sind in der Lage, die Entwicklung von gegen sie empfindlichen Mikroorganismenarten in geringen Konzentrationen zu verlangsamen oder vollständig zu zerstören. Sie werden nicht nur von Zellen von Mikroorganismen und Pflanzen produziert, sondern auch von tierischen Zellen. Pflanzliche Antibiotika werden Phytonzide genannt. Dies sind Chlorelin, Tomate, Sativin, das aus Knoblauch gewonnen wird, und Aline, das aus Zwiebeln gewonnen wird.

Das Wachstum von Mikroorganismen kann als S-förmige Kurve charakterisiert werden. Die erste Stufe ist die Phase des schnellen Wachstums oder logarithmisch, die durch die Synthese von Primärmetaboliten gekennzeichnet ist. Dann beginnt die Phase des langsamen Wachstums, in der sich der Anstieg der Zellbiomasse stark verlangsamt. Mikroorganismen, die Sekundärmetaboliten produzieren, durchlaufen zunächst eine Phase schnellen Wachstums, eine Tropophase, in der die Synthese von Sekundärstoffen unbedeutend ist. Wenn sich das Wachstum aufgrund der Verarmung eines oder mehrerer essentieller Nährstoffe im Kulturmedium verlangsamt, geht der Mikroorganismus in die Idiophase über; während dieser Zeit werden Idioliten synthetisiert. Idiolite oder Sekundärmetaboliten spielen bei Stoffwechselprozessen keine offensichtliche Rolle, sie werden von Zellen produziert, um sich beispielsweise zum Schutz an Umweltbedingungen anzupassen. Sie werden nicht von allen Mikroorganismen synthetisiert, sondern hauptsächlich von Fadenbakterien, Pilzen und sporenbildenden Bakterien. Somit gehören Produzenten von Primär- und Sekundärmetaboliten zu verschiedenen taxonomischen Gruppen.

Die Besonderheiten des Kulturwachstums dieser Mikroorganismen müssen bei der Herstellung berücksichtigt werden. Bei Antibiotika beispielsweise reagieren die meisten Mikroorganismen im Tropophase-Prozess empfindlich auf ihre eigenen Antibiotika, werden aber während der Idiophase resistent gegen diese.

Um die Antibiotika produzierenden Mikroorganismen vor Selbstzerstörung zu schützen, ist es wichtig, schnell die Idiophase zu erreichen und dann die Mikroorganismen in dieser Phase zu kultivieren. Dies wird durch Variation der Kultivierungsregime und der Zusammensetzung des Nährmediums in den Stadien des schnellen und langsamen Wachstums erreicht.

Pflanzenzell- und Gewebekulturen gelten als potenzielle Quelle für spezifische Sekundärmetaboliten, zu denen Verbindungen wie Alkaloide, Steroide, Öle und Pigmente gehören. Viele dieser Stoffe werden noch immer durch Extraktion aus Pflanzen gewonnen. Die Methoden der mikrobiologischen Industrie sind derzeit nicht auf alle Pflanzenarten anwendbar. Mit Ausnahme einiger Pflanzenarten synthetisieren Suspensions- und Kalluszellkulturen Sekundärmetaboliten in geringeren Mengen als ganze Pflanzen. In diesem Fall kann das Wachstum der Biomasse im Fermenter erheblich sein.

Ein neuer Ansatz zur Steigerung der Ausbeute an Sekundärmetaboliten ist die Immobilisierung von Pflanzenzellen und -geweben. Der erste erfolgreiche Versuch, ganze Zellen zu fixieren, wurde 1966 von Mosbach unternommen. Er fixierte die Zellen der Flechte Umbilicaria pustulata in einem Polyacrylamidgel. Im folgenden Jahr züchtete van Vezel tierische embryonale Zellen, die auf DEAE-Mikrokügelchen (Diethylaminoethyl-Sephadexa, basierend auf Dextran) immobilisiert waren. Danach wurden die Zellen auf verschiedenen Substraten immobilisiert. Dies waren hauptsächlich Zellen von Mikroorganismen.

Zellimmobilisierungsmethoden werden in 4 Kategorien unterteilt:

Immobilisierung von Zellen oder subzellulären Organellen in einem inerten Substrat. Zum Beispiel Zellen von Catharanthus roseus, Digitalis lanata in Alginat, Agaroseperlen, in Gelatine usw. Das Verfahren beinhaltet das Umhüllen von Zellen mit einem von verschiedenen Zementierungsmedien - Alginat, Agar, Kollagen, Polyacrylamid.

Adsorption von Zellen auf einem inerten Substrat. Zellen haften an geladenen Kugeln aus Alginat, Polystyrol, Polyacrylamid. Die Methode wurde in Experimenten mit Tierzellen sowie Zellen von Saccharomyces uvarum, S. cerevisiae, Candida tropicalis, E. coli verwendet.

Adsorption von Zellen auf einem inerten Substrat unter Verwendung biologischer Makromoleküle (wie Lektin). Es wird selten verwendet, es gibt Informationen über Experimente mit verschiedenen menschlichen Zelllinien, Widdererythrozyten, adsorbiert an proteinbeschichteter Agarose.

Kovalente Bindung an einen anderen inerten Träger wie CMC. Es wird sehr selten verwendet und ist dafür bekannt, Micrococcus luteus erfolgreich zu immobilisieren. Grundsätzlich wurden Versuche zur Immobilisierung von tierischen Zellen und Mikroorganismen durchgeführt.

In letzter Zeit hat das Interesse an der Immobilisierung von Pflanzenzellen deutlich zugenommen, dies liegt daran, dass immobilisierte Zellen bestimmte Vorteile gegenüber Kallus- und Suspensionskulturen aufweisen, wenn sie zur Gewinnung von Sekundärmetaboliten verwendet werden.

Physiologische Grundlagen der Vorteile immobilisierter Pflanzenzellen gegenüber herkömmlichen Kultivierungsmethoden

Es gibt zahlreiche Daten in der Literatur, die eine positive Korrelation zwischen der Akkumulation von Sekundärmetaboliten und dem Differenzierungsgrad in der Zellkultur belegen. Außerdem lagert sich beispielsweise Lignin erst nach Abschluss von Differenzierungsvorgängen in den Tracheiden und Gefäßelementen des Xylems ab, was in Experimenten sowohl in vivo als auch in vitro gezeigt wurde. Die erhaltenen Daten weisen darauf hin, dass die Differenzierung und Anreicherung sekundärer Stoffwechselprodukte am Ende des Zellzyklus erfolgt. Mit abnehmendem Wachstum werden die Differenzierungsprozesse beschleunigt.

Die Untersuchung des Gehalts an von vielen Pflanzen akkumulierten Alkaloiden in vitro hat gezeigt, dass kompakte, langsam wachsende Zellkulturen Alkaloide in größeren Mengen enthalten als lose, schnell wachsende Kulturen. Die Organisation der Zellen ist für ihren normalen Stoffwechsel unerlässlich. Das Vorhandensein von Organisation im Gewebe und deren nachfolgende Auswirkung auf verschiedene physikalische und chemische Gradienten sind klare Indikatoren, durch die sich hoch- und niedrigproduktive Kulturen unterscheiden. Es liegt auf der Hand, dass die Immobilisierung von Zellen die Voraussetzungen für die Differenzierung schafft, die Zellorganisation reguliert und damit zu einer hohen Ausbeute an Sekundärmetaboliten beiträgt.

Immobilisierte Zellen haben mehrere Vorteile:

1. Zellen, die in oder auf einem inerten Substrat immobilisiert sind, bilden Biomasse viel langsamer als solche, die in flüssigen Suspensionskulturen wachsen.

Wie hängen Wachstum und Stoffwechsel zusammen? Was hat die zelluläre Organisation und Differenzierung damit zu tun? Es wird angenommen, dass diese Beziehung auf zwei Arten von Mechanismen zurückzuführen ist. Der erste Mechanismus beruht auf der Tatsache, dass das Wachstum den Grad der Zellaggregation bestimmt und sich indirekt auf die Synthese von Sekundärmetaboliten auswirkt. Die Organisation ist in diesem Fall das Ergebnis der Zellaggregation, und ein ausreichender Aggregationsgrad kann nur in langsam wachsenden Kulturen erreicht werden. Der zweite Mechanismus hängt mit der Kinetik der Wachstumsrate zusammen und legt nahe, dass die "primären" und "sekundären" Stoffwechselwege in schnell und langsam wachsenden Zellen auf unterschiedliche Weise um Vorläufer konkurrieren. Wenn die Umweltbedingungen für ein schnelles Wachstum günstig sind, werden zuerst primäre Metaboliten synthetisiert. Wird das schnelle Wachstum blockiert, beginnt die Synthese von Sekundärmetaboliten. Somit trägt die geringe Wachstumsrate immobilisierter Zellen zu einer hohen Ausbeute an Metaboliten bei.

2. Neben dem langsamen Wachstum ermöglicht die Immobilisierung von Zellen, dass sie in engem physischen Kontakt miteinander wachsen, was sich positiv auf die chemischen Kontakte auswirkt.

In einer Pflanze ist jede Zelle von anderen Zellen umgeben, ihre Position ändert sich jedoch während der Ontogenese durch die Teilung dieser und der umgebenden Zellen. Der Grad und die Art der Differenzierung dieser Zelle hängt von der Position der Zelle in der Pflanze ab. Folglich beeinflusst die physikalische Umgebung einer Zelle ihren Stoffwechsel. Auf welche Weise? Die Regulation der Synthese von Sekundärmetaboliten steht sowohl unter genetischer als auch epigenetischer (extranuklearer) Kontrolle, dh jede Veränderung des Zytoplasmas kann zu quantitativen und qualitativen Veränderungen der Bildung von Sekundärmetaboliten führen. Das Zytoplasma wiederum ist ein dynamisches System, das von der Umwelt beeinflusst wird.

Von den äußeren Bedingungen haben 2 wichtige Faktoren einen signifikanten Einfluss auf den Stoffwechsel: die Konzentration von Sauerstoff und Kohlendioxid sowie die Beleuchtungsstärke. Licht spielt sowohl bei der Photosynthese als auch bei physiologischen Prozessen wie der Zellteilung, der Orientierung von Mikrofibrillen und der Aktivierung von Enzymen eine Rolle. Die Intensität und Länge der Lichtwelle wird durch die Position der Zelle in der Masse anderer Zellen bestimmt, dh sie hängen vom Organisationsgrad des Gewebes ab. In einer organisierten Struktur gibt es zentrifugale Konzentrationsgradienten von O2 und CO2, die bei der Differenzierung eine äußerst wichtige Rolle spielen.

So unterscheidet sich der Sekundärstoffwechsel in großen Zellaggregaten mit kleinem Flächen-zu-Volumen-Verhältnis (S/V) durch die Wirkung von Gaskonzentrationsgradienten von dem isolierter Zellen und kleiner Zellgruppen. Ähnlich wirken die Gradienten von Wachstumsregulatoren, Nährstoffen und mechanischem Druck. Die Umweltbedingungen von dispergierten Zellen und Zellen in Form von Aggregaten sind unterschiedlich, daher unterscheiden sich auch ihre Stoffwechselwege.

3. Es ist auch möglich, die Ausbeute an Sekundärmetaboliten durch Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Umgebung zu regulieren.

Veränderungen in der Zusammensetzung des Mediums für Kallus- und Suspensionskulturen gehen mit bestimmten physikalischen Manipulationen mit Zellen einher, die zu einer Beschädigung oder Kontamination von Kulturen führen können. Diese Schwierigkeiten können überwunden werden, indem große Mengen an Nährmedium um physikalisch unbewegliche Zellen herum zirkuliert werden, was sequentielle chemische Behandlungen ermöglicht.

4. In einigen Fällen gibt es Probleme bei der Isolierung von Idioliten.

Bei der Verwendung immobilisierter Zellen ist es relativ einfach, diese mit Chemikalien zu behandeln, die die Freisetzung der gewünschten Produkte induzieren. Es reduziert auch die Rückkopplungshemmung, die die Synthese von Substanzen aufgrund ihrer Ansammlung in der Zelle einschränkt. Kultivierte Zellen einiger Pflanzen, zum Beispiel Capsicum frutescens, geben Sekundärmetaboliten an die Umwelt ab, und das immobilisierte Zellsystem ermöglicht die Selektion von Produkten, ohne die Kulturen zu beschädigen. Somit erleichtert die Immobilisierung von Zellen die einfache Isolierung von Idioliten.

Liste der verwendeten Literatur:

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Aus Sicht der Biogenese gelten Antibiotika als Sekundärmetaboliten. Sekundärmetaboliten sind Naturstoffe mit niedrigem Molekulargewicht, die 1) nur von einigen Arten von Mikroorganismen synthetisiert werden; 2) führen keine offensichtlichen Funktionen während des Zellwachstums aus und werden oft nach Beendigung des Kulturwachstums gebildet; Zellen, die diese Substanzen synthetisieren, verlieren aufgrund von Mutationen leicht ihre Fähigkeit zur Synthese; 3) werden oft als Komplexe ähnlicher Produkte gebildet.
Primäre Metabolite sind normale Stoffwechselprodukte der Zelle, wie Aminosäuren, Nukleotide, Coenzyme usw., die für das Zellwachstum notwendig sind.
B. BEZIEHUNG ZWISCHEN PRIMARY
UND SEKUNDÄRMETABOLISMUS
Das Studium der Biosynthese von Antibiotika besteht darin, eine Sequenz von enzymatischen Reaktionen zu etablieren, bei denen ein oder mehrere Primärmetaboliten (oder Zwischenprodukte ihrer Biosynthese) in ein Antibiotikum umgewandelt werden. Es ist zu beachten, dass die Bildung von Sekundärmetaboliten, insbesondere in großen Mengen, mit erheblichen Veränderungen im Primärstoffwechsel der Zelle einhergeht, da in diesem Fall die Zelle das Ausgangsmaterial synthetisieren, Energie liefern muss, beispielsweise in Form von ATP und reduzierte Coenzyme. Es ist daher nicht überraschend, dass beim Vergleich von Stämmen, die Antibiotika synthetisieren, mit Stämmen, die zu ihrer Synthese nicht in der Lage sind, signifikante Unterschiede in der Konzentration von Enzymen gefunden werden, die nicht direkt an der Synthese dieses Antibiotikums beteiligt sind.

HAUPT-BIOSYNTHETISCHE WEGE

Enzymatische Reaktionen der Antibiotikabiosynthese unterscheiden sich prinzipiell nicht von Reaktionen, bei denen Primärmetaboliten gebildet werden. Sie können als variabel betrachtet werden

Reaktionen der Biosynthese von Primärmetaboliten natürlich mit einigen Ausnahmen (z. B. gibt es Antibiotika mit einer Nitrogruppe - einer funktionellen Gruppe, die in Primärmetaboliten nie vorkommt und bei der spezifischen Oxidation von Aminen gebildet wird).
Die Mechanismen der Antibiotikabiosynthese lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen.

Antibiotika, die aus einem einzigen primären Metaboliten gewonnen werden. Der Weg ihrer Biosynthese besteht aus einer Abfolge von Reaktionen, die das ursprüngliche Produkt auf die gleiche Weise wie bei der Synthese von Aminosäuren oder Nukleotiden modifizieren.
Antibiotika, die aus zwei oder drei verschiedenen Primärmetaboliten gewonnen werden, die modifiziert und zu einem komplexen Molekül kondensiert werden. Ähnliche Fälle werden im Primärstoffwechsel bei der Synthese bestimmter Coenzyme beobachtet, zum Beispiel Folsäure oder Coenzym A.
Antibiotika, die aus den Polymerisationsprodukten mehrerer ähnlicher Metaboliten unter Bildung einer Grundstruktur entstehen, die später im Zuge anderer enzymatischer Reaktionen modifiziert werden kann.

Als Ergebnis der Polymerisation werden Antibiotika von vier Arten gebildet: 1) Polypeptidantibiotika, gebildet durch Kondensation von Aminosäuren; 2) Antibiotika, die aus Acetat-Propionat-Einheiten in Polymerisationsreaktionen ähnlich der Reaktion der Fettsäurebiosynthese gebildet werden; 3) Terpenoid-Antibiotika, abgeleitet von Acetateinheiten im Syntheseweg von Isoprenoid-Verbindungen; 4) Aminoglykosid-Antibiotika, die in Kondensationsreaktionen ähnlich den Reaktionen der Polysaccharid-Biosynthese gebildet werden.
Diese Prozesse ähneln Polymerisationsprozessen, die die Bildung einiger Komponenten der Membran und Zellwand ermöglichen.
Hervorzuheben ist, dass die durch Polymerisation erhaltene Grundstruktur meist noch weiter modifiziert wird; es können sogar Moleküle hinzukommen, die durch andere Biosynthesewege gebildet werden. Glykosid-Antibiotika sind besonders verbreitet - Kondensationsprodukte eines oder mehrerer Zucker mit einem Molekül, das in Weg 2 synthetisiert wird.
D. SYNTHESE EINER ANTIBIOTIKA-FAMILIE
Oft synthetisieren Mikroorganismenstämme mehrere chemisch und biologisch nahestehende Antibiotika, die eine "Familie" (Antibiotikakomplex) bilden. Die Bildung von "Familien" ist nicht nur für die Biosynthese charakteristisch
Antibiotika, ist aber eine gemeinsame Eigenschaft des Sekundärstoffwechsels, die mit einer ziemlich großen "Größe von Zwischenprodukten" verbunden ist. Die Biosynthese von Komplexen verwandter Verbindungen erfolgt im Verlauf der folgenden Stoffwechselwege.

Biosynthese des "Schlüssel"-Metaboliten in einem der im vorherigen Abschnitt beschriebenen Wege.

Rifamycin U
NS
OKUC / I.
Rifamycin B

Protarifamycin I h
Z-Atna-5- hydroxy5enzoesäure + c "Methylmalanat-Einheiten + 2 Malonat-Einheiten

Modifizierung eines Schlüsselmetaboliten durch ziemlich übliche Reaktionen, zum Beispiel durch Oxidation einer Methylgruppe zu einer Alkoholgruppe und dann zu einer Carboxylgruppe, Reduktion von Doppelbindungen, Dehydrierung, Methylierung, Veresterung usw.
Ein und derselbe Metabolit kann Substrat für zwei oder mehr dieser Reaktionen sein, die zur Bildung von zwei oder mehr unterschiedlichen Produkten führen, die wiederum unter Beteiligung von Enzymen unterschiedliche Umwandlungen durchlaufen können, wodurch der "Stoffwechselbaum" entsteht.
Derselbe Metabolit kann auf zwei (oder mehr) verschiedenen Wegen gebildet werden, wobei nur
die Reihenfolge der enzymatischen Reaktionen, wodurch das "metabolische Netzwerk" entsteht.

Die recht eigentümlichen Konzepte des Stoffwechselbaums und des Stoffwechselnetzwerks lassen sich an folgenden Beispielen veranschaulichen: Biogenese der Rifamycin-Familie (Baum) und Erythromycin (Netzwerk). Der erste Metabolit in der Biogenese der Rifamycin-Familie ist Protorifamycin I (Abb. 6.1), der als Schlüsselmetabolit angesehen werden kann. Der Reihe nach

(Zrythromycin B)

Reaktionen, deren Reihenfolge unbekannt ist, wird Protorifamycin I in Rifamycin W und Rifamycin S umgewandelt, wobei ein Teil der Synthese über einen einzigen Weg (der "Stamm" des Baumes) abgeschlossen wird. Rifamycin S ist der Ausgangspunkt für die Verzweigung mehrerer alternativer Wege: Durch Kondensation mit einem Zwei-Kohlenstoff-Fragment entstehen Rifamycin O und Raffamycin L und B. Letzteres wird durch Oxidation der Ansa-Kette zu Rifamycin Y umgewandelt. Die Spaltung des Ein-Kohlenstoff-Fragments während der Oxidation von Rifamycin S führt zur Bildung von Rifamycin G und durch unbekannte Reaktionen wird Rifamycin S in den sogenannten Rifamycin-Komplex (Rifamycine A, C, D und E) umgewandelt. Durch Oxidation der Methylgruppe an C-30 entsteht Rifamycin R.
Der Schlüsselmetabolit der Erythromycin-Familie ist Erythronolid B (Er B), das durch die folgenden vier Reaktionen in Erythromycin A (den komplexesten Metaboliten) umgewandelt wird (Abb. 6.2): 1) Glykosylierung an Position 3 der PU
die Kondensation mit Micarose (Mic.) (Reaktion I); 2) die Umwandlung von Mycarose in Cladinose (Clad.) als Ergebnis der Methylierung (Reaktion II); 3) Umwandlung von Erythronolid B in Erythronolid A (Er.A) als Ergebnis der Hydroxylierung an Position 12 (Reaktion III); 4) Kondensation mit Desosamin (Des.) in Position 5 (Reaktion IV).
Da die Reihenfolge dieser vier Reaktionen variieren kann, sind verschiedene Stoffwechselwege möglich, die zusammen das in Abb. 6.2. Es sollte beachtet werden, dass es auch Pfade gibt, die eine Kombination aus einem Baum und einem Netzwerk sind.

Sekundäre Pflanzenstoffe

Die Begriffe „Sekundärmetaboliten“ und „Sekundärstoffwechsel“ sind Ende des 19. Jahrhunderts mit der leichten Hand von Professor Kossel in den Wortschatz der Biologen eingegangen. 1891 hielt er in Berlin auf der Tagung der Physiologischen Gesellschaft einen Vortrag mit dem Titel "Über die chemische Zusammensetzung der Zellen". In diesem im selben Jahr im Archiv für Physiologie erschienenen Vortrag schlug er vor, die Stoffe, aus denen die Zelle besteht, in primäre und sekundäre zu unterteilen. „Während Primärmetaboliten in jeder sich teilenden Pflanzenzelle vorhanden sind, kommen Sekundärmetaboliten in Zellen nur ‚zufällig' vor und sind für das Pflanzenleben nicht notwendig.

Die zufällige Verteilung dieser Verbindungen, ihr unregelmäßiges Vorkommen in eng verwandten Pflanzenarten, deutet wahrscheinlich darauf hin, dass ihre Synthese mit Prozessen verbunden ist, die nicht jeder Zelle innewohnen, sondern eher sekundärer Natur sind ... Ich schlage vor, die Verbindungen zu benennen, die für jede Zelle wichtig sind, sind primär und Verbindungen, die in keiner Pflanzenzelle vorhanden sind, sind sekundär. Damit wird die Herkunft des Namens „Sekundärmetaboliten“ deutlich – er bedeutet sekundär, „zufällig“.

Die Bandbreite der Verbindungen des Primärstoffwechsels ist offensichtlich – das sind vor allem Proteine, Fette, Kohlenhydrate und

Nukleinsäuren. Kossel hielt zwar nur wenige hundert niedermolekulare Verbindungen, die für jede sich teilende Pflanzenzelle notwendig sind, als Primärmetaboliten an. Auch Sekundärmetaboliten waren bis vor kurzem wenig umstritten. Obwohl sie Kossel zustimmten, glaubten die meisten Forscher, dass dies einige "Exzentrizitäten" des Stoffwechsels waren, akzeptable Exzesse. Solche Verbindungen werden in der Literatur manchmal sogar als "Luxussubstanzen der Zellen" bezeichnet.

Die überwiegende Mehrheit der Wirkstoffe wurde aus Pflanzen gewonnen. Die erste solche Verbindung war Morphin - das Alkaloid Morphin, das 1803 vom deutschen Apotheker Zertuner aus Opium (Trockensaft von Mohnschoten) isoliert wurde. Tatsächlich kann dieses Ereignis als Beginn der Untersuchung von Sekundärmetaboliten höherer Pflanzen angesehen werden.

Dann kamen andere Alkaloide an die Reihe. Der Professor der Universität Charkow, F. I. Gize, gewann 1816 Cinchonin aus der Rinde des Chinarindenbaums, aber dies blieb praktisch unbemerkt und viele Forscher schreiben die Entdeckung der Chinarindenalkaloide Desos zu, der Chinin und Cinchonin erst 1820 in reiner Form isolierte.

1818 isolierten Kavantu und Peletier Strychnin aus Brechmitteln (Samen der Chilebukha Strychnos nux-vomica L.); Runge fand 1920 Koffein im Kaffee; 1826 entdeckte Giesecke das Coniin in der Hemlocktanne (Conium maculatum L); 1828 isolierten Possel und Ryman Nikotin aus Tabak; 1831 erhielt Main Atropin aus Belladonna (Atropa beladonna L.).

Der therapeutische Nutzen der Biodiversität ist nicht auf antibiotikaproduzierende Pilze und Actinomyceten beschränkt. Pflanzen zeichnen sich insbesondere durch eine erstaunliche Vielfalt synthetischer Prozesse aus, deren Endprodukte Verbindungen unterschiedlichster chemischer Struktur darstellen. In der modernen Medizin werden Fettsäuren, Öle, pflanzliche Polysaccharide sowie überraschend vielfältige Sekundärmetaboliten verwendet. Der Sekundärstoffwechsel ist im Gegensatz zum allen Organismen gemeinsamen Primärstoffwechsel durch taxonomische Originalität gekennzeichnet. Der sekundäre Pflanzenstoffwechsel ist ein Merkmal differenzierter Pflanzenzellen und -gewebe, er ist nur spezialisierten Organen inhärent und auf bestimmte Phasen des Lebenszyklus beschränkt. Die Hauptklassen von Sekundärmetaboliten umfassen Alkaloide, Isoprenoide und phenolische Verbindungen. Pflanzen synthetisieren auch cyanogene Glykoside, Polyketide und Vitamine. Von den 30 bekannten Vitaminen gelangen etwa 20 mit pflanzlichen Lebensmitteln in den menschlichen Körper. Einige der aufgeführten Substanzklassen sowie die Pflanzen, aus denen sie isoliert wurden, sind in der Tabelle aufgeführt

Sekundärmetaboliten Quellpflanze

Alkaloide Mohn Schlaftabletten. Belladonna belladonna. Immergrün. Rauwolfia. Kolchikum. Chinarinde. Tabak.

Isoprenoide:

Taxola Eibe

Herzglykoside oder Digitalis Cardenolide. Liana Strophant. Mai Maiglöckchen.

Triterpenglykoside oder Ginsengsaponine. Lakritze. Aralia.

Steroidglykoside Dioscorea Liana.

Phenolische Verbindungen:

Flavonoide Süßholz. Mutterkraut. Immortelle.

Alkaloide. Bis heute sind etwa 10.000 Alkaloide bekannt und sie haben eine hohe pharmakologische Aktivität. Der Gehalt an Alkaloiden in Pflanzenmaterialien überschreitet normalerweise einige Prozent nicht, aber in der Rinde des Chinarindenbaums erreicht ihr Anteil 15-20%. Alkaloide können sich in verschiedenen Organen und Geweben anreichern. Außerdem reichern sie sich oft im falschen Gewebe an, wo sie synthetisiert werden. Nikotin wird beispielsweise in den Wurzeln von Tabak synthetisiert und in den Blättern gespeichert. Zu den bekanntesten Alkaloiden zählen Morphin, Codein, Papaverin, die aus den Kapseln der Schlaftablette (Papaver somniferum) isoliert wurden. Belladonna-Alkaloide (Atropa belladonna), die auch "schläfriger Stupor" genannt werden, sind Bestandteil vieler Medikamente wie Besalol, Bellalgin, Bellataminal, Solutan. Alkaloide aus Immergrün (Catharanthus roseus) - Vinblastin und Vincristin - sind in der modernen Onkologie weit verbreitet, Reserpin und Aymalin aus Rauvolfia serpentina-Wurzeln werden als Psychopharmaka und zur Blutdrucksenkung eingesetzt.

Isoprenoide. In Bezug auf die Anzahl der isolierten Verbindungen übertreffen Isoprenoide alle anderen Klassen von Sekundärmetaboliten (es gibt mehr als 23.000 davon), aber in Bezug auf die pharmakologische Aktivität sind sie den Alkaloiden unterlegen. Diese Gruppe umfasst Verbindungen unterschiedlicher Struktur. Einige von ihnen können nicht durch synthetische Drogen ersetzt werden, zum Beispiel Taxole, die aus der Rinde der Eibe isoliert werden. Sie sind äußerst aktive Zytostatika, die in sehr geringen Dosen auf Krebszellen wirken. In der Onkologie setzen sie derzeit große Hoffnungen.

Die wichtigste Gruppe der Isoprenoide sind Herzglykoside oder Cardenolide. Zum Beispiel wurden etwa 50 Cardenolide, einschließlich Digitoxin, aus zwei Arten von Purpur-Fingerhut (Digitalis purpurea) und Woll-Fingerhut (D. lanata) isoliert. Das natürliche Glykosid K-Strophantosid, das ein unverzichtbares Hilfsmittel für die Erste Hilfe ist, hat sich in der medizinischen Praxis durchgesetzt: Es wirkt in 1-3 Minuten auf das Herz. nach intravenöser Verabreichung. Dieses Medikament wird aus den Samen der Strophanthus kombe-Rebe isoliert, die in den tropischen Wäldern Afrikas wächst, wo die lokale Bevölkerung den Saft dieser Pflanze als Pfeilgift verwendete. Herzglykoside aus Maiglöckchen (Cjnvallaria majalis) sind anderen Herzglykosiden (zB Digitoxin) in ihrer Aktivität überlegen.

Andere für die Medizin wichtige Gruppen von Isoprenoiden sind Triterpenglykoside oder Saponine. Die meisten Vertreter dieser Gruppe haben eine hohe biologische Aktivität, die ihre therapeutische Wirkung und die Verwendung bekannter Biostimulanzien wie Ginseng, Aralia, Süßholz bestimmt.

Steroidale Glykoside unterscheiden sich in ihrer biologischen Aktivität von Triterpen-Glykosiden. Für die moderne Medizin ist es der Ausgangsstoff für die Synthese vieler Hormone und Verhütungsmittel. Seit den 40er Jahren des letzten Jahrhunderts wird das Glykosid Diosgenin aus den Rhizomen verschiedener Rebenarten der Gattung Dioscorea hauptsächlich zur Gewinnung von Steroidrohstoffen verwendet. Derzeit werden mehr als 50% aller Steroidmedikamente daraus gewonnen. Jüngste Studien haben bei den Verbindungen dieser Gruppe weitere für die Medizin wichtige Eigenschaften ergeben.

Phenolische Verbindungen. Die zahlreichste und am weitesten verbreitete Gruppe phenolischer Verbindungen in Pflanzen sind Flavonoide. Sie reichern sich in den Wurzeln von Süßholz (Glycyrrhiza glabra), Mutterkraut (Leonurus cordiaca) und Immortellenblüten (Helichryzum arenarium) an. Flavonoide zeichnen sich durch ein breites Spektrum pharmakologischer Wirkungen aus. Sie wirken choleretisch, bakterizid, krampflösend, kardiotonisch, reduzieren die Brüchigkeit und Durchlässigkeit von Blutgefäßen (z. B. Rutin), können Radionuklide binden und aus dem Körper entfernen, sie wirken auch krebshemmend.

Die erstaunlichen biosynthetischen Möglichkeiten der Pflanzen sind noch lange nicht enthüllt. Von 250.000 Arten, die die Erde bewohnen, wurden nicht mehr als 15% untersucht und nur für einige Heilpflanzen wurden Zellkulturen gewonnen. Somit sind Zellkulturen von Ginseng und Dioscorea die Grundlage des biotechnologischen Verfahrens zur Herstellung von Triterpen und Steroidglykosiden. Auf die Einführung dieser neuen Technologien ruhen große Hoffnungen, da viele Pflanzen, die unter unseren klimatischen Bedingungen selten oder gar nicht wachsen, in Form von Kallus- oder Suspensionskulturen verwendet werden können. Leider verursacht die technogene Natur der Zivilisation auf unserem Planeten irreparable Schäden an der wilden Flora. Nicht nur die Biosphäre der Erde, die menschliche Umwelt, verändert sich, sondern es werden auch riesige unerforschte Lagerhäuser für Gesundheit und Langlebigkeit zerstört.

Diauxia- das Auftreten einer oder mehrerer vorübergehender (d. h. vorübergehender) Wachstumsphasen in der Kultur. Dies geschieht, wenn sich Bakterien in einer Umgebung befinden, die zwei oder mehr alternative Nahrungsquellen enthält. Oft verwenden Bakterien eine Quelle und bevorzugen sie gegenüber einer anderen, bis diese aufgebraucht ist. Die Bakterien wechseln dann zu einer anderen Nahrungsquelle. Allerdings hat sich das Wachstum schon vor dem Wechsel der Stromquelle deutlich verlangsamt. Ein Beispiel ist E. coli, ein Bakterium, das häufig im Darm vorkommt. Es kann Glukose oder Laktose als Energie- und Kohlenstoffquelle verwenden. Wenn beide Kohlenhydrate vorhanden sind, wird zuerst Glukose verwendet, und dann verlangsamt sich das Wachstum, bis lactosefermentierende Enzyme produziert werden.

Bildung von Primär- und Sekundärmetaboliten

Primäre Metaboliten sind Stoffwechselprodukte, die für Wachstum und Überleben notwendig sind.
Sekundärmetaboliten- Stoffwechselprodukte, die nicht für das Wachstum benötigt werden und nicht überlebenswichtig sind. Sie erfüllen jedoch nützliche Funktionen und schützen oft vor der Wirkung anderer konkurrierender Mikroorganismen oder hemmen deren Wachstum. Einige von ihnen sind für Tiere giftig, sodass sie als chemische Waffen verwendet werden können. In den aktivsten Wachstumsperioden werden sie meistens nicht gebildet, aber sie werden produziert, wenn sich das Wachstum verlangsamt, wenn Reservematerialien verfügbar werden. Einige wichtige Antibiotika sind Sekundärmetaboliten.

Messung des Wachstums von Bakterien und Pilzen in Kultur

Im vorherigen Abschnitt haben wir analysiert typische Bakterienwachstumskurve... Es ist zu erwarten, dass dieselbe Kurve das Wachstum von Hefen (einzelligen Pilzen) oder das Wachstum einer beliebigen Kultur von Mikroorganismen charakterisiert.

Bei der Analyse des Bakterienwachstums oder Hefe, können wir entweder die Zellzahl direkt zählen oder einige von der Zellzahl abhängige Parameter messen, zum Beispiel die Trübung einer Lösung oder die Gasentwicklung. Typischerweise wird eine kleine Anzahl von Mikroorganismen in ein steriles Kulturmedium eingeimpft und in einem Inkubator bei der optimalen Wachstumstemperatur kultiviert. Die restlichen Bedingungen sollten möglichst optimal sein (Abschnitt 12.1). Das Wachstum sollte ab dem Zeitpunkt der Inokulation gemessen werden.

Normalerweise in der wissenschaftlichen Forschung halte dich an eine gute Regel- den Versuch in mehreren Wiederholungen durchzuführen und Kontrollproben dort zu platzieren, wo es möglich und notwendig ist. Einige Methoden zur Höhenmessung erfordern ein gewisses Geschick und sind selbst in den Händen von Spezialisten nicht sehr genau. Daher ist es sinnvoll, wenn möglich, zwei Proben (eine Wiederholung) in jedes Experiment zu legen. Eine Kontrollprobe, bei der dem Kulturmedium keine Mikroorganismen zugesetzt wurden, zeigt, ob Sie wirklich steril arbeiten. Mit ausreichender Erfahrung können Sie alle beschriebenen Methoden perfekt beherrschen, daher empfehlen wir Ihnen, diese zuerst zu üben, bevor Sie sie in der Arbeit am Projekt anwenden. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Anzahl der Zellen zu bestimmen, nämlich durch Zählen entweder der Anzahl der lebensfähigen Zellen oder der Gesamtzahl der Zellen. Die Zahl der lebensfähigen Zellen ist die Zahl der nur lebenden Zellen. Die Gesamtzahl der Zellen ist die Gesamtzahl der lebenden und toten Zellen; dies ist in der Regel einfacher zu bestimmen.

Unter dem Stoffwechsel oder Stoffwechsel, verstehen sie die Reihe chemischer Reaktionen im Körper, die ihm Stoffe zum Aufbau des Körpers und Energie zur Erhaltung des Lebens liefern. Einige der Reaktionen sind für alle lebenden Organismen ähnlich (Bildung und Spaltung von Nukleinsäuren, Proteinen und Peptiden, sowie den meisten Kohlenhydraten, einigen Carbonsäuren usw.) und heißt Primärstoffwechsel (oder Primärstoffwechsel).

Neben den Reaktionen des Primärstoffwechsels gibt es eine beträchtliche Anzahl von Stoffwechselwegen, die zur Bildung von Verbindungen führen, die nur für bestimmte, manchmal sehr wenige Organismengruppen charakteristisch sind.

Diese Reaktionen werden nach I. Chapek (1921) und K. Pahu (1940) mit dem Begriff Sekundärstoffwechsel , oder Austausch, und ihre Produkte werden Produkte genannt Sekundärstoffwechsel, oder sekundäre Verbindungen (manchmal sekundäre Metaboliten).

Sekundäre Verbindungen werden hauptsächlich in vegetativ sesshaften Gruppen lebender Organismen - Pflanzen und Pilzen - sowie in vielen Prokaryonten gebildet.

Bei Tieren werden selten sekundäre Stoffwechselprodukte gebildet, sondern kommen oft von außen zusammen mit pflanzlichen Lebensmitteln.

Die Rolle der Produkte des Sekundärstoffwechsels und die Gründe für ihr Auftreten in der einen oder anderen Gruppe sind unterschiedlich. In ihrer allgemeinsten Form werden ihnen eine adaptive Bedeutung und im weiteren Sinne schützende Eigenschaften zugeschrieben.

Die rasante Entwicklung der Naturstoffchemie in den letzten drei Jahrzehnten, verbunden mit der Entwicklung hochauflösender Analysegeräte, hat dazu geführt, dass die Welt "sekundäre Verbindungen" hat sich deutlich erweitert. Zum Beispiel nähert sich die Zahl der heute bekannten Alkaloide 5000 (nach einigen Quellen bis zu 10.000), phenolischen Verbindungen - bis 10.000, und diese Zahlen steigen nicht nur jedes Jahr, sondern jeden Monat.

Jedes Pflanzenmaterial enthält immer einen komplexen Satz von Primär- und Sekundärstoffen, die, wie bereits erwähnt, die Vielseitigkeit der Wirkung von Heilpflanzen bestimmen. Die Rolle der beiden in der modernen Kräutermedizin ist jedoch noch unterschiedlich.

Es sind relativ wenige Gegenstände bekannt, deren Verwendung in der Medizin in erster Linie durch das Vorhandensein von Primärverbindungen in ihnen bestimmt wird. In Zukunft ist es jedoch möglich, dass ihre Rolle in der Medizin zunehmen wird und sie als Quellen für die Gewinnung neuer immunmodulatorischer Wirkstoffe verwendet werden können.

Sekundäre Stoffwechselprodukte werden in der modernen Medizin viel häufiger und breiter eingesetzt. Dies liegt an ihrer spürbaren und oft sehr "auffälligen" pharmakologischen Wirkung.

Auf der Basis von Primärverbindungen gebildet, können sie entweder in reiner Form anreichern oder im Zuge von Stoffwechselreaktionen glykosyliert werden, d.h. sind an ein Zuckermolekül gebunden.

Durch die Glykosylierung treten Moleküle - Heteroside auf, die sich von Sekundärverbindungen in der Regel durch eine bessere Löslichkeit unterscheiden, was ihre Teilnahme an Stoffwechselreaktionen erleichtert und in diesem Sinne von großer biologischer Bedeutung ist.

Glykosylierte Formen von sekundären Verbindungen werden allgemein als Glykoside bezeichnet.

Stoffe der Primärsynthese werden im Prozess der Assimilation gebildet, d.h. Umwandlung von Stoffen, die von außen in den Körper gelangen, in Stoffe des Organismus selbst (Zellprotoplasten, Speicherstoffe usw.).

Zu den primären Synthesesubstanzen zählen Aminosäuren, Proteine, Lipide, Kohlenhydrate, Enzyme, Vitamine und organische Säuren.

Lipide (Fette), Kohlenhydrate (Polysaccharide) und Vitamine sind in der medizinischen Praxis weit verbreitet (die Eigenschaften dieser Stoffgruppen sind in den entsprechenden Themen angegeben).

Eichhörnchen, bilden zusammen mit Lipiden und Kohlenhydraten den Aufbau von Zellen und Geweben eines Pflanzenorganismus, nehmen an Biosyntheseprozessen teil und sind ein wirksames Energiematerial.

Proteine und Aminosäuren von Heilpflanzen haben eine unspezifische positive Wirkung auf den Körper des Patienten. Sie beeinflussen die Synthese von Proteinen, schaffen Bedingungen für eine verbesserte Synthese von Immunkörpern, was zu einer Erhöhung der körpereigenen Abwehrkräfte führt. Eine verbesserte Proteinsynthese umfasst auch eine verbesserte Enzymsynthese, was zu einem verbesserten Stoffwechsel führt. Biogene Amine und Aminosäuren spielen eine wichtige Rolle bei der Normalisierung nervöser Prozesse.

Eichhörnchen- Biopolymere, deren strukturelle Basis aus langen Polypeptidketten besteht, die aus α-Aminosäureresten aufgebaut sind, die durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind. Proteine werden in einfache (bei der Hydrolyse werden nur Aminosäuren gebildet) und komplexe unterteilt - in ihnen ist das Protein mit Nicht-Protein-Substanzen verbunden: mit Nukleinsäuren (Nukleoproteinen), Polysacchariden (Glykoproteinen), Lipiden (Lipoproteinen), Pigmenten (Chromoproteinen) , Metallionen (Metalloproteine), Reste von Phosphorsäure (Phosphoproteine).

Derzeit gibt es fast keine Gegenstände pflanzlichen Ursprungs, deren Verwendung durch das Vorhandensein von Proteinen in ihnen bestimmt würde. Es ist jedoch möglich, dass in Zukunft modifizierte Pflanzenproteine zur Regulierung des Stoffwechsels im menschlichen Körper eingesetzt werden können.

Lipide - Fette und fettähnliche Stoffe, die Derivate von höheren Fettsäuren, Alkoholen oder Aldehyden sind.

Sie werden in einfache und komplexe unterteilt.

Zu einfach umfasst Lipide, deren Moleküle nur Reste von Fettsäuren (oder Aldehyden) und Alkoholen enthalten. Von den einfachen Lipiden in Pflanzen und Tieren gibt es Fette und fette Öle, bei denen es sich um Triacylglycerine (Triglyceride) und Wachse handelt.

Letztere bestehen aus Estern höherer Fettsäuren, ein- oder zweiatomigen höheren Alkoholen. Den Fetten ähneln Prostaglandine, die im Körper aus mehrfach ungesättigten Fettsäuren gebildet werden. Chemischer Natur sind dies Derivate der Prostansäure mit einem Gerüst aus 20 Kohlenstoffatomen und einem Cyclopentanring.

Komplexe Lipide sind in zwei große Gruppen unterteilt:

Phospholipide und Glykolipide (d. h. Verbindungen, die einen Phosphorsäurerest oder eine Kohlenhydratkomponente in ihrer Struktur aufweisen). Als Teil lebender Zellen spielen Lipide eine wichtige Rolle in lebenserhaltenden Prozessen und bilden Energiereserven in Pflanzen und Tieren.

Nukleinsäuren- Biopolymere, deren monomere Einheiten Nukleotide sind, die aus einem Phosphorsäurerest, einer Kohlenhydratkomponente (Ribose oder Desoxyribose) und einer Stickstoffbase (Purin oder Pyrimidin) bestehen. Unterscheiden Sie zwischen Desoxyribucleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Nukleinsäuren aus Pflanzen werden noch nicht für medizinische Zwecke verwendet.

Enzyme nehmen unter den Proteinen eine Sonderstellung ein. Die Rolle von Enzymen in Pflanzen ist spezifisch – sie sind Katalysatoren für die meisten chemischen Reaktionen.

Alle Enzyme werden in 2 Klassen eingeteilt: Einkomponenten- und Zweikomponenten. Einkomponentige Enzyme bestehen nur aus Protein,

zweikomponentig - aus einem Protein (Apoenzym) und einem Nicht-Protein-Teil (Coenzym). Vitamine können Coenzyme sein.

In der medizinischen Praxis werden folgende Enzympräparate verwendet:

- "Nigedaza " - aus Samen von Tschernuschka-Damaskus - Nigella damascena, fam. Hahnenfuß - Ranunculaceae. Das Herzstück des Arzneimittels ist ein Enzym mit lipolytischer Wirkung, das den hydrolytischen Abbau von Fetten pflanzlichen und tierischen Ursprungs bewirkt.

Das Medikament ist wirksam bei Pankreatitis, Enterokolitis und altersbedingter Abnahme der lipolytischen Aktivität des Verdauungssaftes.

- "Karipazim" und "Lekozyme" - aus dem Trockenmilchsaft (Latex) der Papaya (Melonenbaum) - Carica papaya L., fam. papaevs - Cariacaceae.

Im Herzen von "Karipazim"- die Summe der proteolytischen Enzyme (Papain, Chymopapain, Peptidase).

Wird bei Verbrennungen III. Grades verwendet, beschleunigt die Abstoßung von Schorf, reinigt granulierende Wunden von eitrig-nekrotischen Massen.

Im Herzen von "Lekozyme"- proteolytisches Enzym Papain und mukolytisches Enzym Lysozym. Wird in der orthopädischen, traumatologischen und neurochirurgischen Praxis bei intervertebraler Osteochondrose sowie in der Augenheilkunde zur Resorption von Exsudaten verwendet.

Organische Säuren, Zusammen mit Kohlenhydraten und Proteinen sind sie die am häufigsten vorkommenden Stoffe in Pflanzen.

Sie nehmen an der Pflanzenatmung, der Biosynthese von Proteinen, Fetten und anderen Stoffen teil. Organische Säuren beziehen sich auf Substanzen sowohl der Primärsynthese (Äpfel-, Essig-, Oxal-, Ascorbin-) als auch der Sekundärsynthese (Ursolsäure, Oleanolsäure).

Organische Säuren sind pharmakologisch wirksame Substanzen und an der Gesamtwirkung von Arzneimitteln und Heilformen von Pflanzen beteiligt:

Salicyl- und Ursolsäure wirken entzündungshemmend;

Apfel- und Bernsteinsäure - Spender von Energiegruppen, helfen, die körperliche und geistige Leistungsfähigkeit zu steigern;

Ascorbinsäure - Vitamin C.

Vitamine- eine spezielle Gruppe organischer Substanzen, die in lebenden Organismen wichtige biologische und biochemische Funktionen erfüllen. Diese organischen Verbindungen unterschiedlicher chemischer Natur werden hauptsächlich von Pflanzen und auch von Mikroorganismen synthetisiert.

Menschen und Tiere, die sie nicht synthetisieren, benötigen Vitamine in sehr geringen Mengen im Vergleich zu Nährstoffen (Proteine, Kohlenhydrate, Fette).

Mehr als 20 Vitamine sind bekannt. Sie haben Buchstabenbezeichnungen, chemische Namen und Namen, die ihre physiologische Wirkung charakterisieren. Vitamine sind klassifiziert für wasserlöslich (Ascorbinsäure, Thiamin, Riboflavin, Pantothensäure, Pyridoxin, Folsäure, Cyanocobalamin, Nicotinamid, Biotin)

und fettlöslich (Retinol, Phyllochinon, Calciferole, Tocopherole). Zu vitaminähnlich Zu den Substanzen gehören einige Flavonoide, Lipon-, Orot-, Pangamsäuren, Cholin, Inositol.

Die biologische Rolle von Vitaminen ist vielfältig. Zwischen Vitaminen und Enzymen wurde eine enge Beziehung festgestellt. Die meisten B-Vitamine sind beispielsweise Vorläufer von Coenzymen und prosthetischen Enzymgruppen.

Kohlenhydrate- eine breite Klasse organischer Substanzen, die Polyoxycarbonylverbindungen und deren Derivate umfasst. Je nach Anzahl der Monomere im Molekül werden sie in Monosaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide unterteilt.

Kohlenhydrate, die ausschließlich aus Polyoxycarbonylverbindungen bestehen, werden als Homozide bezeichnet, und ihre Derivate, in deren Molekül Reste anderer Verbindungen vorhanden sind, werden als Heteroside bezeichnet. Alle Arten von Glykosiden gehören zu den Heterosiden.

Mono- und Oligosaccharide sind normale Bestandteile jeder lebenden Zelle. In den Fällen, in denen sie sich in erheblichen Mengen anreichern, spricht man von sogenannten ergastischen Substanzen.

Polysaccharide fallen in der Regel immer in signifikanten Mengen als Protoplasten-Abfallprodukte an.

Mono- und Oligosaccharide werden in reiner Form verwendet, meist in Form von Glucose, Fructose und Saccharose. Als energetische Stoffe werden Mono- und Oligosaccharide üblicherweise als Füllstoffe bei der Herstellung verschiedener Darreichungsformen verwendet.

Pflanzen sind Quellen dieser Kohlenhydrate (Zuckerrohr, Rüben, Weintrauben, hydrolysiertes Holz einer Reihe von Nadelbäumen und verholzende Angiospermen).

In Pflanzen werden verschiedene Formen synthetisiert Polysaccharide, die sich sowohl im Aufbau als auch in den Funktionen, die sie erfüllen, voneinander unterscheiden. Polysaccharide werden in der Medizin in verschiedenen Formen weit verbreitet verwendet. Insbesondere Stärke und ihre Hydrolyseprodukte sind weit verbreitet, ebenso wie Zellulose, Pektin, Alginate, Gummis und Schleim.

Zellulose (Faser) - Polymer, das den Großteil der Pflanzenzellwände ausmacht. Es wird angenommen, dass das Fasermolekül in verschiedenen Pflanzen 1400 bis 10000 β-D-Glucosereste enthält.

Stärke und Inulin gehören zu den Reservepolysacchariden.

Stärke besteht zu 96-97,6% aus zwei Polysacchariden: Amylose (lineares Glucan) und Amylopektin (verzweigtes Glucan).

Es wird während der aktiven Photosynthese immer in Form von Stärkekörnern gespeichert. Vertreter dieser Familie. steraceae und Satrapi / aseae Fruktosane (Inulin) anreichern, insbesondere in großen Mengen in unterirdischen Organen.

Schleim und Kaugummi (Kaugummi) - Mischungen von Homo- und Heterosacchariden und Polyuroniden. Zahnfleisch besteht aus Heteropolysacchariden unter obligatorischer Beteiligung von Uronsäuren, deren Carbonylgruppen durch Ca 2+, K + und Mg 2+ Ionen verknüpft sind.

Gummis werden nach ihrer Wasserlöslichkeit unterteilt in 3 Gruppen:

Arabin, gut wasserlöslich (Aprikose und Arabisch);

Bassorinaceae, schwer wasserlöslich, aber darin stark quellend (Traganth)

Und Cerazin, schlecht löslich und in Wasser schlecht quellend (Kirsche).

Schleim, im Gegensatz zu Zahnfleisch, neutral sein (keine Uronsäuren enthalten), außerdem ein niedrigeres Molekulargewicht haben und in Wasser gut löslich sind.

Pektinsubstanzen- Heteropolysaccharide mit hohem Molekulargewicht, deren Hauptstrukturkomponente β-D-Galacturonsäure (Polygalacturonid) ist.

In Pflanzen liegen Pektinsubstanzen in Form von unlöslichem Protopektin vor – einem Polymer aus methoxylierter Polygalacturonsäure mit Galactan und Araban der Zellwand: Polyuronidketten sind durch Ca 2+ und Mg 2+ Ionen miteinander verbunden.

Stoffe des Sekundärstoffwechsels

Sekundärsynthesestoffe werden dadurch in Pflanzen gebildet

Dissimilation.

Unter Dissimilation versteht man den Zerfall von Primärsynthesestoffen in einfachere Stoffe unter Freisetzung von Energie. Aus diesen einfachen Stoffen werden unter Aufwendung der freigesetzten Energie Stoffe der Sekundärsynthese gebildet. Zum Beispiel zersetzt sich Glucose (eine Substanz der Primärsynthese) zu Essigsäure, aus der Mevalonsäure synthetisiert wird, und durch eine Reihe von Zwischenprodukten - alle Terpene.

Sekundärsynthesestoffe sind Terpene, Glykoside, Phenolverbindungen, Alkaloide. Sie alle sind am Stoffwechsel beteiligt und erfüllen bestimmte für Pflanzen wichtige Funktionen.

Substanzen der Sekundärsynthese werden in der medizinischen Praxis viel häufiger und breiter verwendet als Substanzen der Primärsynthese.

Jede Gruppe von Pflanzenstoffen ist nicht isoliert und durch biochemische Prozesse untrennbar mit anderen Gruppen verbunden.

Zum Beispiel:

Die meisten phenolischen Verbindungen sind Glykoside;

Bitterstoffe aus der Klasse der Terpene sind Glykoside;

Pflanzensteroide sind ursprünglich Terpene, während Herzglykoside, Steroidsaponine und Steroidalkaloide Glykoside sind;

Carotinoide aus Tetraterpenen sind Vitamine;

Monosaccharide und Oligosaccharide sind Bestandteil von Glykosiden.

Stoffe der Primärsynthese enthalten alle Pflanzen, Stoffe der sekundären

Pflanzen einzelner Arten, Gattungen und Familien akkumulieren Synthese.

Sekundärmetaboliten werden hauptsächlich in vegetativ sesshaften Gruppen lebender Organismen - Pflanzen und Pilzen - gebildet.

Die Rolle der Sekundärstoffwechselprodukte und die Gründe für ihr Auftreten in einer bestimmten systematischen Gruppe sind unterschiedlich. In ihrer allgemeinsten Form werden ihnen eine adaptive Bedeutung und im weiteren Sinne schützende Eigenschaften zugeschrieben.

In der modernen Medizin werden Produkte des Sekundärstoffwechsels viel häufiger und häufiger eingesetzt als Primärmetaboliten.

Dies ist oft mit einer sehr auffallenden pharmakologischen Wirkung und multiplen Wirkungen auf verschiedene Systeme und Organe von Mensch und Tier verbunden. Sie werden auf Basis von Primärverbindungen synthetisiert und können entweder in freier Form anreichern oder im Zuge von Stoffwechselreaktionen glykosyliert werden, dh sie binden an etwas Zucker.

Alkaloide - stickstoffhaltige organische Verbindungen basischen Charakters, hauptsächlich pflanzlichen Ursprungs. Die molekulare Struktur von Alkaloiden ist sehr vielfältig und oft recht komplex.

Stickstoff befindet sich normalerweise in Heterocyclen, manchmal aber auch in der Seitenkette. Am häufigsten werden Alkaloide nach der Struktur dieser Heterocyclen oder nach ihren biogenetischen Vorläufern - Aminosäuren - klassifiziert.

Folgende Hauptgruppen von Alkaloiden werden unterschieden: Pyrrolidin, Pyridin, Piperidin, Pyrrolizidin, Chinolizidin, Chinazolin, Chinolin, Isochinolin, Indol, Dihydroindol (Betaline), Imidazol, Purine alkalisch, Steroidoide. Viele der Alkaloide haben spezifische, oft einzigartige physiologische Wirkungen und werden in der Medizin weit verbreitet verwendet. Einige Alkaloide sind starke Gifte (zum Beispiel Curare-Alkaloide).

Anthracen-Derivate- eine Gruppe von natürlichen Verbindungen mit gelber, oranger oder roter Farbe, die auf der Struktur von Anthracen basieren. Sie können unterschiedliche Oxidationsstufen des mittleren Rings (Derivate von Anthron, Anthranol und Anthrachinon) und die Struktur des Kohlenstoffgerüsts (monomere, dimere und kondensierte Verbindungen) aufweisen. Die meisten davon sind Derivate von Chrysacin (1,8-Dihydroxyanthrachinon). Derivate von Alizarin (1,2-Dihydroxyanthrachinon) sind seltener. In Pflanzen kommen Anthracen-Derivate in freier Form (Aglykone) oder in Form von Glykosiden (Anthraglykosiden) vor.

Vitanolide - eine Gruppe von Phytosteroiden. Gegenwärtig sind mehrere Serien dieser Substanzklasse bekannt. Vitanolide sind Polyoxysteroide mit einem 6-gliedrigen Lactonring an Position 17 und einer Ketogruppe an C 1 in Ring A.

Glykoside - weit verbreitete Naturstoffe, die unter dem Einfluss verschiedener Wirkstoffe (Säure, Alkali oder Enzym) in einen Kohlenhydratanteil und ein Aglykon (Genin) zerfallen. Die glykosidische Bindung zwischen Zucker und Aglykon kann sowohl unter Beteiligung von O-, N- oder S-Atomen (O-, N- oder S-Glykoside) als auch durch C-C-Atome (C-Glykoside) gebildet werden.

O-Glykoside sind in der Pflanzenwelt am weitesten verbreitet). Glykoside können sich untereinander sowohl in der Struktur des Aglykons als auch in der Struktur der Zuckerkette unterscheiden. Kohlenhydratkomponenten werden durch Monosaccharide, Disaccharide und Oligosaccharide repräsentiert, und dementsprechend werden Glycoside als Monoside, Bioside und Oligoside bezeichnet.

Besondere Gruppen von Naturstoffen sind cyanogene Glykoside und Thioglykoside (Glucosinolate).

Cyanogene Glykoside als Blausäure enthaltende Derivate von α-Hydroxynitrilen dargestellt werden.

Sie sind unter Pflanzen der Familie weit verbreitet. Ros aseae, Unterfamilie Propoideae, konzentrieren sich hauptsächlich in ihren Samen (zum Beispiel die Glykoside Amygdalin und Prunasine in den Samen Atugdalus sotinis, Arteniasa v1garis).

Thioglykoside (Glucosinolate)) werden derzeit als Derivate eines hypothetischen Anions betrachtet - Glucosinolat, daher der zweite Name.

Glucosinolate wurden bisher nur in zweikeimblättrigen Pflanzen gefunden und sind charakteristisch für diese Familie. rassi Saseae, Sarraridaceae, Resedaceae und andere Vertreter des Ordens Caprara1es.

In Pflanzen kommen sie in Form von Salzen mit Alkalimetallen vor, meistens mit Kalium (zum Beispiel Sinigringlucosinolat aus Samen rassica jipsea und B. nigra.

Isoprenoide - eine umfangreiche Klasse von Naturstoffen, betrachtet

als Produkt der biogenen Umwandlung von Isopren.

Dazu gehören verschiedene Terpene, ihre Derivate - Terpenoide und Steroide. Einige Isoprenoide sind Strukturfragmente von Antibiotika, andere sind Vitamine, Alkaloide und tierische Hormone.

Terpene und Terpenoide- ungesättigte Kohlenwasserstoffe und ihre Derivate der Zusammensetzung (С 5 Н 8) n, wobei n = 2 oder n > 2 ist. Entsprechend der Anzahl der Isopreneinheiten werden sie in mehrere Klassen eingeteilt: Mono-, Sesqui-, Di-, Tri -, Tetra - und Polytherpenoide.

Monoterpenoide (C 10 H 16) und Sesquiterpenoide (C 15 H 24) sind häufige Bestandteile ätherischer Öle.