Mikrobiologie. Primär- und Sekundärstoffwechsel und Stoffwechselprodukte Sekundärmetaboliten
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Landwirtschaftsministerium der Russischen Föderation
Abteilung für Wissenschafts- und Technologiepolitik und Bildung
Staatliche haushaltsfinanzierende Bildungseinrichtung für höhere Bildung
Staatliche Agraruniversität Wolgograd
Fakultät: Biotechnologie und Veterinärmedizin
Abteilung: „Veterinärmedizinische Expertise, Infektionskrankheiten und Morphologie“
PRÜFBERICHT
Disziplin: "Biotechnologie"
zum Thema: "Primär- und Sekundärmetaboliten von Mikroorganismen"
Aufgeführt:
Ponysheva E.S.
Geprüft:
Spivak Marina Jefimowna
Wolgograd 2018
Biotechnologie zur Gewinnung von Primärmetaboliten
Primärmetaboliten sind Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, die für das Wachstum von Mikroorganismen notwendig sind: Einige von ihnen sind die Bausteine von Makromolekülen, andere sind an der Synthese von Coenzymen beteiligt. Zu den wichtigsten Primärmetaboliten für die Industrie zählen Enzyme, Aminosäuren und Vitamine.
Aminosäureproduktion
In der Industrie werden Aminosäuren gewonnen:
1) Hydrolyse natürlicher proteinhaltiger Rohstoffe; 2) chemische Synthese; 3) mikrobiologische Synthese; 4) Biotransformation von Aminosäurevorläufern mit Hilfe von Mikroorganismen oder aus ihnen isoliert.
Die vielversprechendste und kostengünstigste mikrobiologische Synthese von Aminosäuren. Sein Vorteil liegt in der Möglichkeit, L-Aminosäuren auf Basis nachwachsender Rohstoffe zu gewinnen. Unter den Produzenten von Aminosäuren werden Hefe (30%), Aktinomyceten (30%), Bakterien (20%) verwendet. Brevibacterium flavum und Corynebacterium glutamicum wandeln über ein Drittel des Zuckers in Lysin um. Für die Auswahl der Produzenten werden Mikroorganismen der Gattungen Micrococcus, Brevibacterium, Corynebacterium, Arthrobacter verwendet.
Vitaminproduktion
Vitamine sind eine Gruppe unersetzlicher organischer Verbindungen verschiedener chemischer Natur, die für jeden Organismus in vernachlässigbaren Konzentrationen notwendig sind und darin katalytische und regulierende Funktionen ausüben. Nur autotrophe Organismen sind in der Lage, Vitamine zu synthetisieren. Fast alle bekannten Vitamine können mikrobiologisch gewonnen werden. Es ist jedoch wirtschaftlicher, Vitamine durch Isolierung aus natürlichen Quellen oder durch chemische Synthese zu erhalten. Mit Hilfe von Mikroorganismen ist es ratsam, Vitamine mit komplexen Strukturen zu gewinnen: β-Carotin, B2, B12 und Vitamin-D-Vorstufen.
Herstellung organischer Säuren
Derzeit werden eine Reihe von organischen Säuren im industriellen Maßstab durch biotechnologische Verfahren hergestellt. Von diesen werden Citronen-, Glucon-, Ketoglucon- und Itaconsäure nur durch mikrobiologische Verfahren gewonnen, Milch-, Salicyl- und Essigsäure - sowohl chemisch als auch mikrobiologisch, Äpfelsäure - durch chemische und enzymatische Mittel. Essigsäure wird von Asetobacter und Gluconobacter, Zitronensäure von Aspergillus niger, Aspergillus wereii und Milchsäure von Lactobacillus delbrueckii produziert.
Biotechnologie zur Gewinnung von Sekundärmetaboliten
Die Prinzipien der Gewinnung basieren auf den Besonderheiten ihrer Bildung durch Mikroorganismenzellen. Die Biosynthese von Sekundärmetaboliten ist phasenspezifisch und erfolgt nach Abschluss der Wachstumsphase in der Idiophase, weshalb sie als Idiolyte bezeichnet werden.
Antibiotika bekommen
Antibiotika sind die größte Klasse pharmazeutischer Verbindungen, die von mikrobiellen Zellen synthetisiert werden. Die Klasse umfasst Antimykotika, Arzneimittel gegen Krebs und Alkaloide. Sie werden im Pflanzenbau, in der Tierhaltung, in der Veterinärmedizin, in der Lebensmittelindustrie und in der Medizin eingesetzt.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, sowohl natürliche als auch halbsynthetische Antibiotika zu erhalten:
1) Fermentation eines Mikroorganismus-Produzenten mit einem geeigneten Vorläufer, der die Synthese von Antibiotika in der Idiophase induziert;
2) Verwendung blockierter Mutanten. In dem die Synthese des gewünschten Antibiotikums blockiert wird. Unter Verwendung der geringen Substratspezifität von Enzymen und durch Einführen von Analoga von Antibiotikavorläufern werden sie in Analoga des Antibiotikums selbst umgewandelt.
Dieser Vorgang wird Biosynthese oder Mutasynthese genannt:
a) eine Reaktionsfolge angenommen wird, die zur Synthese eines Antibiotikums führt;
b) fehlende Antibiotikasynthese in der „blockierten“ Mutante; c) Synthese eines modifizierten Antibiotikums nach Einführung eines Vorläuferanalogons (D*)
Gewinnung industriell wichtiger Steroide
Steroide sind eine große Gruppe biologisch wichtiger Verbindungen, darunter Sexualhormone, Herzglykoside, Gallensäuren, Vitamine, Alkaloide und Pflanzenwachstumsregulatoren. Steroide basieren auf dem Skelett von Perhydrocyclopentanophenanthren.
Biotransformation - Reaktionen der Umwandlung der organischen Ausgangsverbindungen (Vorstufen) in das Zielprodukt unter Verwendung der Zellen lebender Organismen oder daraus isolierter Enzyme. Die Fähigkeit mikrobieller Zellen zur hochspezifischen Biotransformation wird bei der Herstellung von Steroiden genutzt. Die Nutzung der absoluten Stereospezifität und Substratspezifität von Zellenzymen ermöglichte es, Bedingungen für die Durchführung vieler chemischer Reaktionen zur strukturellen Umlagerung von Steroiden zu entwickeln. Als Ergebnis wurden neue Verbindungen mit besseren pharmakologischen Eigenschaften erhalten.
Enzyme
Enzyme sind biologische Katalysatoren. Sie katalysieren die Tausenden von chemischen Reaktionen, die den Stoffwechsel eines Mikroorganismus ausmachen. Derzeit sind etwa zweitausend Enzyme bekannt.
Enzyme sind Proteine mit Molekulargewichten im Bereich von 10.000 bis zu mehreren Millionen. Der Name des Enzyms ergibt sich aus der Substanz, auf die es einwirkt, mit einer Änderung der Endung in „Aza“. Beispielsweise katalysiert Cellulase die Hydrolyse von Cellulose zu Cellobiose, Urease katalysiert die Hydrolyse von Harnstoff (Harnstoff) zu Ammoniak und CO2 usw. Häufiger erhält das Enzym jedoch einen Namen, der auf die Art der chemischen Reaktion hinweist, die es katalysiert.
Die moderne Klassifizierung von Enzymen basiert auch auf der Art der Reaktionen, die sie katalysieren. Gemäß der von der Enzymkommission der Internationalen Biochemischen Union entwickelten Klassifikation werden sie in sechs Hauptklassen eingeteilt.
Oxidoreduktase sind Enzyme, die Redoxreaktionen katalysieren. Sie spielen eine wichtige Rolle in den Prozessen der biologischen Energiegewinnung. Dazu gehören Dehydrogenasen (NAD, NADP, FAD), Cytochrome (b, c, c1 a, a3) g Enzyme, die an der Übertragung von Wasserstoff, Elektronen und Sauerstoff beteiligt sind, etc.
Transferasen. Sie katalysieren die Übertragung einzelner Radikale, Molekülteile oder ganzer Atomgruppen von einer Verbindung auf eine andere. Zum Beispiel tragen Acetyltransferasen die Reste von Essigsäure - CH3CO sowie Fettsäuremoleküle; Phosphotransferasen oder Kinasen bewirken die Übertragung von H2P032-Phosphorsäureresten. Viele andere Transferasen sind bekannt (Aminotransferasen, Phosphorylasen usw.).
Hydrolasen katalysieren die Spaltungs- und Synthesereaktionen so komplexer Verbindungen wie Proteine, Fette und Kohlenhydrate unter Beteiligung von Wasser. Diese Klasse umfasst proteolytische Enzyme (oder Peptidhydrolasen), die auf Proteine oder Peptide einwirken; Glucosidhydrolasen, die die katalytische Spaltung von Kohlenhydraten und Glucosiden durchführen (β-Fructofuranosidase, b-Glucosidase, a- und β-Amylase, β-Galactosidase etc.); Esterasen, die die Spaltung und Synthese von Estern katalysieren (Lipasen, Phosphatasen).
Liase umfassen Enzyme, die die Abspaltung bestimmter chemischer Gruppen von Substraten unter Bildung von Doppelbindungen oder Anlagerung einzelner Gruppen oder Reste an Doppelbindungen katalysieren. Pyruvat-Decarboxylase katalysiert also die Spaltung von CO2 aus Brenztraubensäure:
Zu den Lyasen gehört auch das Enzym Aldolase, das das Sechs-Kohlenstoff-Molekül von Fructose-1,6-diphosphat in zwei Drei-Kohlenstoff-Verbindungen spaltet. Aldolase ist im Stoffwechselprozess von großer Bedeutung.
Isomerasen führen die Umwandlung organischer Verbindungen in ihre Isomere durch. Während der Isomerisierung kommt es zu einer intramolekularen Bewegung von Atomen, Atomgruppen, verschiedenen Radikalen usw. Kohlenhydrate und ihre Derivate, organische Säuren, Aminosäuren usw. unterliegen einer Isomerisierung Enzyme dieser Gruppe spielen eine wichtige Rolle in einer Reihe von Stoffwechselprozessen. Dazu gehören Triose-Phosphat-Isomerase, Glucose-Phosphat-Isomerase usw.
Ligasen katalysieren die Synthese komplexer organischer Verbindungen aus einfachen. Beispielsweise synthetisiert Asparagin-Synthetase Asparaginamid aus Asparaginsäure und Ammoniak unter obligatorischer Beteiligung von Adenosintriphosphorsäure (ATP), die Energie für diese Reaktion liefert:
Asparaginsäure + NH3 + ATP -* Asparagin + ADP + H3P04
Zur Gruppe der Ligasen gehört auch die Carboxylase, die die Anlagerung von CO2 an verschiedene organische Säuren katalysiert. Beispielsweise katalysiert das Enzym Pyruvat-Carboxylase die Synthese von Oxalessigsäure aus Brenztraubensäure und CO2.
Enzyme werden nach ihrer Struktur in zwei große Klassen eingeteilt:
1) die einfache Proteine sind,
2) komplexe Proteine sind.
Die erste Klasse umfasst hydrolytische Enzyme, die zweite, zahlreichere Klasse - Enzyme, die die Funktionen der Oxidation erfüllen und an den Übertragungsreaktionen verschiedener chemischer Gruppen teilnehmen. Enzyme der zweiten Klasse haben neben dem Proteinteil, Apoenzym genannt, auch eine Nichtproteingruppe, die die Aktivität des Enzyms bestimmt, einen Cofaktor. Getrennt davon sind diese Teile (Protein und Nicht-Protein) frei von enzymatischer Aktivität. Erst durch Kombination erhalten sie die charakteristischen Eigenschaften von Enzymen. Der Komplex eines Apoenzyms mit einem Cofaktor wird als Holoenzym bezeichnet.
Cofaktoren können entweder Metallionen (Fe, Cu, Co, Zn, Mo usw.) oder komplexe organische Verbindungen, sogenannte Coenzyme, oder beides sein. Coenzyme spielen normalerweise die Rolle von Zwischenträgern von Elektronen, Atomen, Gruppen, die sich infolge einer enzymatischen Reaktion von einer Verbindung zur anderen bewegen. Einige Coenzyme sind fest an das enzymatische Protein gebunden; sie werden die prosthetische Gruppe des Enzyms genannt. Viele Coenzyme sind entweder mit bestimmten B-Vitaminen identisch oder von ihnen abgeleitet.
Zu den Coenzymen gehören beispielsweise aktive Gruppen von Dehydrogenasen – Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD) oder Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NADP). Zu diesen Coenzymen gehört Nikotinsäure – eines der Vitamine der Gruppe B. Vitamine sind auch in anderen Coenzymen vorhanden. So ist Thiamin (Vitamin B1) Teil der Thiamin-Pyrophosphokinase, die am Metabolismus von Brenztraubensäure beteiligt ist, Pantothensäure ist ein integraler Bestandteil von Coenzym A und Riboflavin (Vitamin B2) ist eine prosthetische Gruppe von Flavoprotein-Enzymen. Die Bedeutung von Vitaminen in der Ernährung lebender Organismen beruht gerade auf der Tatsache, dass sie Teil von Coenzymen sind.
Nach modernen Konzepten beschleunigen Enzyme chemische Reaktionen, indem sie die freie Aktivierungsenergie (die Energiemenge, die erforderlich ist, um alle Moleküle eines Mols einer Substanz bei einer bestimmten Temperatur in einen aktivierten Zustand zu überführen) senken.
Die Haupteigenschaft von Enzymen, die sie von anderen Katalysatoren unterscheidet, ist die Spezifität der enzymatischen Reaktionen, die sie katalysieren. Jedes Enzym katalysiert nur eine spezifische Reaktion.
Aufgrund der hohen Spezifität enzymatischer Reaktionen wird angenommen, dass die als katalytisches Zentrum bezeichnete Region des Enzymmoleküls, an die das Substratmolekül gebunden ist, eine bestimmte räumliche Konfiguration aufweist, die nur zu dem Substratmolekül passt und keinem entspricht andere Moleküle.
Die Aktivität von Enzymen hängt von verschiedenen Faktoren ab: der relativen Konzentration des Enzyms und des Substrats, der Temperatur, dem pH-Wert usw. Jedes Enzym hat seine eigene optimale Temperatur und seinen eigenen optimalen pH-Wert. Viele enzymatische Reaktionen sind reversibel, obwohl die Enzymaktivität selten in beide Richtungen gleich ist.
Trotz ihrer geringen Größe kann jede Mikroorganismuszelle viele verschiedene Enzyme mit unterschiedlichen Funktionen produzieren. Typischerweise sind die am Stoffwechsel beteiligten Enzyme in der Körperzelle enthalten und werden daher als intrazelluläre Enzyme oder Endoenzyme bezeichnet. Einige Enzyme werden von Mikroorganismenzellen in die Umwelt abgegeben und werden als extrazelluläre Enzyme oder Exoenzyme bezeichnet. In der Regel werden hydrolytische Enzyme in die äußere Umgebung freigesetzt und zersetzen Verbindungen mit einem hohen Molekulargewicht, die nicht in die Zelle des Mikroorganismus eindringen können. Die Abbauprodukte werden leicht von der Zelle aufgenommen und von ihr als Nährstoffe verwendet.
Enzyme spielen eine bedeutende Rolle bei der Ernährung von Mikroorganismen. Eine große Anzahl verschiedener Enzyme, die von Mikroorganismenzellen synthetisiert werden, ermöglicht es ihnen, zahlreiche Verbindungen (Kohlenhydrate, Proteine, Fette, Wachse, Öle, Paraffine usw.) für die Ernährung zu nutzen, indem sie sie spalten.
Aminosäureproduktion
Die Produktion von Aminosäuren in der Welt wächst ständig und liegt derzeit bei etwa 400.000 Tonnen / Jahr, obwohl der Bedarf an ihnen als viel höher eingeschätzt wird. Wie bereits erwähnt, wirkt sich der Mangel an Aminosäuren in der Nahrung (insbesondere an essentiellen) negativ auf Wachstum und Entwicklung aus. So kann die Zugabe von mehreren % mangelhafter Säure zum Tierfutter den Nährwert von Protein mehr als verdoppeln. Von allen möglichen Methoden zur Gewinnung von Aminosäuren (chemisch, mikrobiologisch usw.) wird die mikrobiologische bevorzugt: Obwohl die Organisation der mikrobiellen Produktion nicht als einfach bezeichnet werden kann, liegt ihr Vorteil in der Synthese von optisch reinem (L-Amino Säuren), während die chemische Synthese ein racemisches Gemisch aus L- und D-Aminosäuren erzeugt, das schwer zu trennen ist. Die mikrobielle Synthese von Aminosäuren basiert auf der Kultivierung eines streng definierten Zielsäureproduzenten in einem Medium vorgegebener Zusammensetzung unter streng definierten Fermentationsparametern. Produzenten sind Bakterienstämme, die durch Mutantenselektion oder durch gentechnische Verfahren gewonnen werden. Mutierte Bakterien haben einerseits die Fähigkeit verloren, bestimmte Substanzen selbstständig zu synthetisieren, und andererseits die Fähigkeit zur Supersynthese der Zielaminosäure erworben. Bereits in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts wurden Mikroben-Superproduzenten aus den Gattungen Brevibacterium, Corynebacterium, Micrococcus usw. gewonnen, mit deren Hilfe alle bekannten Aminosäuren hergestellt werden können. Derzeit gibt es Superproduzenten, bei denen die Menge an synthetisiertem spezifischem Protein 10-50% erreicht (hier spielen Multicopy-Plasmide, die eingefügte Gene tragen, die wichtigste Rolle).
Die Technologie zur Gewinnung von Aminosäuren basiert auf den Prinzipien der Fermentation von Produzenten und der Isolierung von Primärmetaboliten, dh die Mutterkultur wird zuerst auf einem Agarmedium in Reagenzgläsern vermehrt, dann auf einem flüssigen Medium in Kolben, Inokulatoren und Impfmaschinen. und dann in den Hauptfermentern. Wenn die Aminosäure als Futtermittelzusatz vorgesehen ist, umfasst der biotechnologische Prozess des Futtermittelprodukts die folgenden Schritte: Fermentation, Stabilisierung der Aminosäure in der Kulturflüssigkeit vor der Verdampfung, Vakuumverdampfung, Standardisierung der abgezogenen Lösung, wenn die Zugabe von Füllstoff, Trocknung und Verpackung des fertigen Produkts, das nicht mehr als 10 % der Hauptsubstanz enthalten sollte. Wird die Aminosäure als Medikament verwendet, so erhält man in diesem Fall isolierte reine Kristalle, die unter Vakuum getrocknet und verpackt werden.
Es gibt zwei Möglichkeiten, Aminosäuren zu erhalten: einstufig und zweistufig. Gemäß dem ersten Verfahren wird beispielsweise ein mutanter auxotropher Stamm – ein Aminosäureproduzent – in einem für die Biosynthese optimalen Medium kultiviert.
Beim zweistufigen Verfahren wird der Mikrobenproduzent in einem Medium kultiviert, in dem er alle notwendigen Inhaltsstoffe für die anschließende Synthese des Zielprodukts erhält und synthetisiert. Das Schema eines zweistufigen Prozesses lässt sich wie folgt darstellen: Akkumulieren sich die Enzyme der Aminosäurebiosynthese intrazellulär, so werden nach der 1. Stufe die Zellen separiert, aufgeschlossen und der Zellsaft verwertet. In anderen Fällen werden Zellen direkt für Zwecke der Biosynthese von Zielprodukten verwendet.
Glutaminsäure ist die erste mikrobiologisch gewonnene Aminosäure. Mutanten, die eine Übersynthese dieser Säure liefern, wurden nicht erhalten, und die „Überproduktion“ dieser Aminosäure ist mit besonderen Bedingungen verbunden, unter denen die Synthese von Membran-Phospholipiden gestört wird. Glutaminsäure wird ausschließlich von Kulturen von Corynebacterium glutamicum und Brevibacterium flavum synthetisiert. Die Substrate für seine Herstellung sind Glucose und Essigsäure, und in den frühen 60er Jahren. des letzten Jahrhunderts wurden auch n-Paraffine verwendet. Besondere Bedingungen für das Wachstum von Kulturen werden geschaffen, indem der Kulturflüssigkeit Penicillin zugesetzt wird, das die Synthese der Zellwand hemmt, oder indem die Konzentration von Biotin (Vitamin B7) im Medium (im Vergleich zum Optimum) verringert wird, was strukturelle und funktionelle Veränderungen in der Zellmembran und damit Erhöhung ihrer Durchlässigkeit für Glutaminsäure, die die Zelle in die Kulturflüssigkeit verlässt. Das Natriumsalz der Glutaminsäure wird in der Lebensmittelindustrie häufig verwendet, um den Geschmack von Konserven und Tiefkühlkost zu verbessern.
Vitamine
Vitamine sind niedermolekulare organische Substanzen mit biologischer Aktivität. In der Natur sind die Quellen dieser BAS-Vertreter Pflanzen und Mikroorganismen. In der Industrie werden Vitamine hauptsächlich durch chemische Synthese gewonnen. Es findet jedoch auch eine mikrobiologische Produktion dieser Verbindungen statt. Beispielsweise sind Menachinone und Cobalamine ausschließlich mikrobielle Produkte. Nur wenige Vitamine werden mikrobiologisch gewonnen: B12 (Cyanocobalamin), B2 (Riboflavin), Vitamin C und Ergosterin.
Eine vielversprechende Richtung in der Biotechnologie ist die mikrobiologische Synthese von Biotin, das in der Tierhaltung als Futtermittelzusatz verwendet wird. Um Biotin zu erhalten, greift man derzeit auf die chemische Synthese zurück.
Vitamin B12
Die weltweite Produktion von Vitamin B12 beträgt 9-11.000 kg pro Jahr. Davon wird etwa die Hälfte für medizinische Zwecke verwendet, der Rest - in der Tierhaltung als Futterzusatz.
Natürliche Produzenten von Vitamin B12 wurden unter Propionsäurebakterien p gefunden. Propionibacterium, die 1 bis 8 mg/l dieses Vitamins synthetisieren. Die P. shermani M82-Mutante wurde unter Verwendung selektiver genetischer Methoden erhalten, was bis zu 60 mg/l des Produkts ergibt.
Der B. rettgerii-Produzent wird auch für die mikrobiologische Synthese von B12 verwendet. Aktinomyceten und verwandte Mikroorganismen werden auch als aktive Produzenten von Vitamin B12 verwendet: Durch Mutationen und schrittweise Selektion wurde ein Stamm von Nocardia rugosa erhalten, der bis zu 18 mg/l B12 anreichert.
Aktive B12-Produzenten wurden unter Vertretern von Micromonospora gefunden.
Vertreter der Methanotrophen Methanosarcina und Methanococcus haben eine hohe natürliche Produktivität, unter denen der Stamm Methanococcus halophilus isoliert wurde, der unter den natürlichen Stämmen das höchste Produktionsniveau aufweist - 16 mg pro 1 g Biomasse.
Signifikante Mengen von B12 werden von anaeroben Bakterien synthetisiert r. Clostridium, das für die Technik besonders effektiv ist.
Unter Pseudomonas sind aktive B12-Produzenten bekannt. Bei P. denitricans wurde eine Mutante erhalten, die auf einem optimierten Medium bis zu 59 mg/l ergab. Der Stamm ist von Merck für die industrielle Produktion von B12 patentiert.
In Russland wird Propionibacterium freudenreichii am häufigsten verwendet. Sie werden auf Maisextrakt und Glucose unter anaeroben Bedingungen für 72 Stunden zum Kulturwachstum kultiviert. In der 2. Phase der Synthese wird eine Vorstufe, eine spezifische stickstoffhaltige Base, in den Fermenter eingebracht und weitere 72 Stunden fermentiert, anschließend wird B12 aus der bakteriellen Biomasse extrahiert und durch ein chemisches Verfahren gereinigt. Dieses Vitamin wird für medizinische Zwecke verwendet.
Für den Bedarf der Tierhaltung wird B12 aus einer Mischkultur gewonnen, die das Bakterium Methanosarcina barkeri, Methanobacterium formicum enthält. Der B12-Gehalt in der Kultur erreicht 6,5 mg/g Biotrockenmasse.
Riboflavin
Vitamin B2 wird auf natürliche Weise von Pflanzen, Hefen, Fadenpilzen und einigen Bakterien produziert.
Unter den Prokaryoten sind bekannte Flavinproduzenten Mycobakterien und Acetobutylbakterien. Aus Actinomyceten - Nocardia eritropolis. Metabolit Aminosäure Vitamin Enzym
Zu den Fadenpilzen gehören Aspergillus niger und Eremothecium ashbyi.
Riboflavin aus mikrobiologischer Herstellung wird ausschließlich als Futtermittelzusatz in der Tierhaltung eingesetzt. Hauptproduzent von Riboflavin in Futtermitteln ist Eremothecium ashbyi, das auf Mais- oder Sojamehl mit mineralischen Zusätzen angebaut wird. Die Kultivierung wird durchgeführt, bis Sporen erscheinen. Seine besten Erzeuger, die durch Mutationen und schrittweise Selektion gewonnen wurden, produzieren bis zu 600 mg/l des Produkts. Anschließend wird die Kulturflüssigkeit eingedampft und als pulverförmiger Zusatz zum Tierfutter verwendet.
Ergosterol
Ergosterol ist die Vorstufe für die Produktion von fettlöslichem Vitamin D2. Ergosterin ist auch das wichtigste Hefesterin, daher sind diese Mikroorganismen die Hauptquelle für die Züchtungsarbeit. So ergibt Saccharomyces carlbergensis bis zu 4,3 mg/l, S. ellipsoideus - 1,5 mg/l, Rhodotorula glutinis - 1 mg/l, Candida utilis - 0,5 mg/l des Produkts.
Die Hefen Saccharomyces carlbergensis und S. cerevisiae werden am häufigsten in der Produktion verwendet.
In den letzten Jahren gab es Berichte über die industrielle Produktion von Vitamin C. Es wird berichtet, dass der Produzent mit gentechnischen Methoden manipuliert wurde: Corynebacterium-Gene wurden auf Erw übertragen. herbicola.
Der rekombinante Stamm kombiniert die Fähigkeit von Ervinium, Glukose in Gluconsäure umzuwandeln, mit der Fähigkeit von Corynebakterien, letztere in Gulonsäure umzuwandeln, die chemisch in Ascorbinsäure umgewandelt wird.
Carotinoide
Carotinoide sind eine umfangreiche Gruppe natürlicher Pigmente, die durch Chemo- und Phototrophie synthetisiert werden: Prokaryoten, Fadenpilze und Hefen, Algen und höhere Pflanzen.
Von Mikroorganismen synthetisierte Carotinoide liegen in der Zelle in freier Form sowie in Form von Glykosiden, in Form von Fettsäureestern und als Carotinproteinkomplexe vor. Der Wert dieser Verbindungen für Säugetiere liegt in der Tatsache, dass sie eine Quelle für Vitamin A ist.
Bis jetzt wurden keine echten Hersteller von Carotinoiden geschaffen, und Carotinoide von Mikroorganismen werden hauptsächlich durch Extraktion aus Mikroorganismen isoliert.
Bisher wurden etwa 500 verschiedene Carotinoide beschrieben. Carotinoide sind strukturell ein Chromophor (oder Kern), der mit Isoprenresten verbunden ist. Ein charakteristisches Merkmal des Chromophors ist das Vorhandensein von konjugierten Doppelbindungen. Die Farbintensität von Carotinoiden hängt von der Anzahl dieser Bindungen ab. Somit sind aliphatische Carotinoide, die nicht mehr als 5 konjugierte Bindungen enthalten, ungefärbte Verbindungen.
Unter ihnen sind Phytoin und Phytofluin von größter Bedeutung. Die von Neurospora crassa synthetisierten Carotinoide haben 9 konjugierte Bindungen und eine hellgelbe Farbe. Mit zunehmender Doppelbindung intensiviert sich die Farbe zu Rot und Violett.
Höhere Carotinoide haben bis zu 45-50 Kohlenstoffatome im Molekül. Zu diesen Carotinoiden gehört Sarcinaxanthin, das von Sarcina lutea produziert wird.
Einige Carotinoide können eine Endgruppe enthalten, wie z. B. Aleureaxanthin aus dem Pilz Aleuria aurantia.
Andere Carotinoide haben eine hydroxyterminale Gruppe, wie Blakeslea trispora Hydroxyfleixanthin.
Der Ort von Carotinoiden in den Zellen von Mikroorganismen ist unterschiedlich. So werden in phototrophen Mikroorganismen Carotinoide im photosynthetischen Apparat angereichert. Bei Chemotrophen sind sie mit der Zellmembran assoziiert. Einige (Micrococcus radiodurans) sind in der Zellwand lokalisiert. In Pilzen - in den Lipidkügelchen des Zytoplasmas.
Carotinoide übernehmen die Rolle von Antioxidantien in der Zelle und schützen sie vor dem Phänomen der Peroxidation. Darüber hinaus sind Carotinoide Kamerafallen, die Lichtenergie sammeln.
Gewinnung von Carotinoiden in der Industrie
Herkömmliche Methoden zur Gewinnung von Carotinoiden reduzieren sich auf die Homogenisierung von Biomasse und die Extraktion von Carotinoiden mit polaren Lösungsmitteln (Aceton, Methanol). Einzelne Carotinoide werden durch Trennung durch Dünnschichtchromatographie an Kieselgel erhalten. Die zweithäufigste ist die chemische Synthese von Carotinoiden.
Traditionelle Produzenten der mikrobiellen Synthese von Carotinoiden sind Bakterien, Fadenpilze und Hefen. Zu den phototrophen Bakterien gehören Chloroexus und einige Arten von Rhodopseudomonas. Interessant an dieser Bakteriengruppe ist, dass je nach Beleuchtungsstärke die Ausbeute an Carotinoiden reguliert werden kann.
Antibiotika
Traditionelle Vorstellungen über Antibiotika oder antibiotische Substanzen sind mit ihrer weit verbreiteten Verwendung in der modernen Medizin und Veterinärmedizin verbunden. Einige Antibiotika werden als Wachstumsstimulanzien für Tiere, zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten, zur Lebensmittelkonservierung und in der wissenschaftlichen Forschung (auf dem Gebiet der Biochemie, Molekularbiologie, Genetik, Onkologie) eingesetzt.
Die moderne Definition des Begriffs „Antibiotikum“ gehört zu M.M. Shemyakin und A.S. Khokhlov (1961), der vorschlug, alle Stoffwechselprodukte von Organismen, die das Wachstum und die Entwicklung von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Viren usw.) sowie einige bösartige Neubildungen selektiv abtöten oder hemmen können, als antibiotische Substanzen zu betrachten.
Entsprechend der Einteilung, die auf der chemischen Struktur beruht, lassen sich alle beschriebenen Antibiotika in folgende Gruppen einteilen:
1) acyclische Verbindungen (ausgenommen Fettsäuren und Terpene);
2) alicyclische Verbindungen (einschließlich Tetracycline);
3) aromatische Verbindungen;
4) Chinone;
5) sauerstoffhaltige Heterocyclen;
7) Peptide.
Von einem Drittel der bekannten Antibiotika ist eine vollständige chemische Struktur bekannt, nur die Hälfte davon kann chemisch gewonnen werden. Daher ist die mikrobiologische Methode zur Gewinnung von Antibiotika sehr relevant.
Die Synthese von Antibiotika durch Mikroorganismen ist eine der Manifestationen des Antagonismus; verbunden mit einer bestimmten Art des Stoffwechsels, die im Laufe seiner Evolution entstanden und festgelegt wurde, d. h. dies ist eine erbliche Eigenschaft, die sich in der Bildung einer oder mehrerer spezifischer, streng spezifischer antibiotischer Substanzen ausdrückt. Durch die Beeinflussung einer fremden mikrobiellen Zelle verursacht das Antibiotikum erhebliche Störungen in deren Entwicklung. Einige der Antibiotika sind in der Lage, die Synthese der bakteriellen Zellmembran während der Reproduktionszeit zu unterdrücken, andere wirken auf ihre Zytoplasmamembran und verändern die Permeabilität, einige von ihnen sind Inhibitoren von Stoffwechselreaktionen. Trotz intensiver Untersuchung des Wirkungsmechanismus verschiedener Antibiotika ist ihre Wirkung auf den Stoffwechsel selbst in Bakterienzellen, die das Hauptuntersuchungsobjekt sind, noch lange nicht vollständig aufgeklärt.
Derzeit sind mehr als 3000 Antibiotika beschrieben, aber nur 150 davon haben praktische Anwendung gefunden. Im Folgenden betrachten wir die Technologie zur Herstellung von solchen, die zu den Stoffwechselprodukten von Mikroorganismen gehören und in der Landwirtschaft in Form von entsprechenden Futtermittelzusatzstoffen (Futterantibiotika) und als Pflanzenschutzmittel Anwendung gefunden haben.
Antibiotika werden seit vielen Jahren als Wachstumsstimulanzien für Nutztiere und Geflügel, als Mittel zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten und fremder Mikroflora in einer Reihe von Fermentationsindustrien und als Lebensmittelkonservierungsmittel verwendet. Ihr Einsatz in der Landwirtschaft führt zu einer Verringerung der Morbidität und Mortalität, insbesondere bei Jungtieren, sowie zu einer Beschleunigung des Wachstums und der Entwicklung von Tieren und Geflügel und trägt dazu bei, die aufgenommene Futtermenge um durchschnittlich 5-10 % zu reduzieren. Wenn Antibiotika in der Schweinezucht eingesetzt werden, erhalten 1000 Schweine zusätzlich 100-120 Zentner Fleisch, von 1000 Legehennen - bis zu 15.000 Eier pro Jahr. Auch der Mechanismus der stimulierenden Wirkung antibiotischer Substanzen kann als nicht vollständig aufgeklärt angesehen werden. Offensichtlich ist die stimulierende Wirkung der Exposition gegenüber niedrigen Antibiotikakonzentrationen auf den Körper des Tieres hauptsächlich mit zwei Faktoren verbunden: der Beeinflussung der Darmflora oder einer direkten Wirkung auf den Körper des Tieres. Im ersten Fall tragen Antibiotika zu einer Erhöhung der Anzahl nützlicher Mikroorganismen bei, die Vitamine synthetisieren und sich gegen pathogene Formen durchsetzen. Sie reduzieren die Anzahl der für den tierischen Organismus schädlichen Mikroben, die biologisch aktive Substanzen verwenden und Toxine bilden, die pathogene oder bedingt pathogene Formen haben. Antibiotika wirken auf die im Darm vorhandenen Mikroorganismen und helfen dabei, resistente Stämme zu schaffen, die für das Tier weniger schädlich sind, und verändern den Stoffwechsel der vorhandenen Mikroben. Sie bewirken die Bewegung von Mikroorganismen im Darm des Tieres; Unter ihrem Einfluss kommt es zu einer Abnahme subklinischer Infektionen, die häufig die Entwicklung von Jungtieren verlangsamen, zu einer Abnahme des pH-Werts des Darminhalts, zu einer Abnahme der Oberflächenspannung der Körperzellen, was zu ihrer Beschleunigung beiträgt Einteilung.
Im zweiten Fall wird im Körper des Tieres ein Synergismus der Wirkung von Hormonen beobachtet, die Menge an Wachstumshormonen steigt, der Prozess der Nahrungsaufnahme beschleunigt sich und die Anpassungsfähigkeit des Körpers an widrige Bedingungen nimmt zu. Unter dem Einfluss von Antibiotika sinkt der Bedarf des Tieres an Vitaminen, die Synthese von Vitaminen durch Gewebe steigt, die Synthese von Zuckern und Vitamin A aus Carotin wird stimuliert, die Geschwindigkeit der Enzymsynthese steigt und es werden weniger Nebenprodukte gebildet. Darüber hinaus erhöht sich die Aufnahmefähigkeit des Gewebes und der Verbrauch von Stoffwechselprodukten wird angeregt.
Futterantibiotika werden in Form von Rohpräparaten verwendet, die getrocknete Biomasse des Herstellers sind und neben dem Antibiotikum Aminosäuren, Enzyme, B-Vitamine und andere biologisch aktive Substanzen enthalten. Die erhaltenen Präparate werden gemäß der Aktivität oder der Menge der in ihrer Zusammensetzung enthaltenen Hauptsubstanz standardisiert, wobei das Vorhandensein von Vitamin B12 darin berücksichtigt wird oder nicht. Alle produzierten Futtermittel-Antibiotika:
a) nicht zu therapeutischen Zwecken verwendet werden und keine Kreuzresistenz von Bakterien gegen in der Medizin verwendete Antibiotika hervorrufen;
b) werden praktisch nicht aus dem Verdauungstrakt ins Blut aufgenommen;
c) ihre Struktur im Körper nicht verändern;
d) keine antigene Natur haben, die zur Entstehung von Allergien beiträgt.
Bei längerem Gebrauch desselben Arzneimittels besteht die Gefahr der Entstehung von Antibiotika-resistenten Mikroorganismen. Um dem vorzubeugen, werden die eingesetzten antibiotischen Substanzen regelmäßig gewechselt oder es wird eine Mischung von Antibiotika eingesetzt, um die anfänglich erzielte Wirkung auf dem erforderlichen Niveau zu halten.
In der UdSSR werden seit mehreren Jahrzehnten Futterzubereitungen auf der Basis von Chlortetracyclin - Biovit oder Futterbiomycin - mit unterschiedlichem Anfangsgehalt an Antibiotikum und Vitamin B12 hergestellt. Derzeit basiert die Produktion von Futtermittelantibiotika auch auf anderen nichtmedizinischen Präparaten wie Bacitracin, Grisin, Hygromycin B usw.
In den letzten 20 Jahren wurden Antibiotika als Mittel zur Bekämpfung verschiedener Phytopathogene eingesetzt. Die Infektionsquellen von Pflanzen mit phytopathogenen Mikroorganismen sind unterschiedlich. Die Samen der Pflanze selbst, die zur Aussaat gehen, sind keine Ausnahme. Die Wirkung eines Antibiotikums wird auf das Anhalten des Wachstums oder Absterbens von phytopathogenen Mikroorganismen in den Samen und vegetativen Organen der Pflanze reduziert.
Die resultierenden Präparate sollten in der Umgebung der Pflanze hochwirksam gegen den Krankheitserreger sein, in den für die Pflanze verwendeten Dosen unbedenklich sein, die antibiotische Aktivität für die erforderliche Zeit aufrechterhalten können und leicht in das entsprechende Pflanzengewebe eindringen können.
Phytobacteriomycin, Trichothecin und Polymycin gehören zu den am häufigsten verwendeten antibiotischen Substanzen im Kampf gegen Phytopathogene.
Der Einsatz von Antibiotika in der Lebensmittelindustrie kann die Dauer der Wärmebehandlung verschiedener Lebensmittel während ihrer Konservierung erheblich verkürzen. Und das wiederum sorgt für mehr Sicherheit der darin enthaltenen biologisch aktiven Substanzen, des Geschmacks und der Konsistenz der Produkte. Die eingesetzten Antibiotika greifen vor allem hitzeresistente Clostridien und thermophile Bakterien an. Das Tiefland gilt allgemein als das wirksamste Antibiotikum für die Gemüsekonservierung in der Russischen Föderation und im Ausland. Es ist für den Menschen nicht giftig und ermöglicht es Ihnen, die Zeit der Wärmebehandlung von Gemüse zu halbieren. Die Technologie zur Herstellung aller nicht-medizinischen Antibiotika, mit Ausnahme derjenigen, die in der Lebensmittel- und Konservenindustrie verwendet werden, ist nach einem einzigen Schema aufgebaut, das alle Stufen der aseptischen industriellen Kultivierung des Produzentenstamms und der Biosynthese des Antibiotikums vorsieht -Behandlung der Kulturflüssigkeit, ihre Vakuumverdampfung, Trocknung und Standardisierung des Endprodukts durch Mischen mit der erforderlichen Menge an Füllstoff. Als letztere werden üblicherweise Kleie, Kuchen verschiedener Feldfrüchte und andere Substanzen organischer und anorganischer Natur verwendet.
Die Dynamik der Antibiotikaakkumulation in der Kulturflüssigkeit weist in den allermeisten Fällen eine für die Biosynthese von Sekundärmetaboliten charakteristische Abhängigkeitsform auf, d.h. die maximale Biomassebildung geht der maximalen Antibiotikabildung zeitlich voraus. Daher ist der Zweck der Produktion in den ersten Phasen des Anbaus die Ansammlung der erforderlichen Menge an Biomasse (es gibt praktisch kein Antibiotikum). Die Biosynthese des Antibiotikums erfolgt auf der zweiten Stufe der industriellen Kultivierung in den Hauptfermentern, und die Biosynthesezeit kann 2-3 mal länger sein als die Zeit, die für die Kultivierung des Produzentenstamms aufgewendet wird.
Verweise
1. Biotechnologie: Workshop / S. A. Akimova, G. M. Firsov. - Wolgograd: Staatliche Agraruniversität Wolgograd, 2013. - 108 p.
2. Shevelukha V.S., Kalashnikova E.A., Voronin E.S. usw. Landwirtschaftliche Biotechnologie. - Lehrbuch. M.: Gymnasium, 2008. - 469
3. Kalashnikova E.A., Kochieva E.Z., Mironova O.Yu. Workshop zur Agrarbiotechnologie, M.: KolosS, 2006, 149 S.
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Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-1.jpg" alt="(!LANG:> Sekundäre Stoffwechselprodukte Sekundäre Stoffwechselprodukte sind organische Substanzen, die vom Körper synthetisiert, aber"> Вторичные метаболиты Вторичные метаболиты - органические вещества, синтезируемые организмом, но не участвующие в росте, развитии или репродукции. Для своей жизнедеятельности бактерии также производить широкий спектр вторичных метаболитов. Среди них витамины, антибиотики, алкалоиды и прочие. Среди витаминов, образуемых микроорганизмами, заслуживают упоминания рибофлавин и витамин В 12. Рибофлавин выделяют главным образом аскомицеты; однако дрожжи (Candida) и бактерии (Clostridium) тоже синтезируют в больших количествах флавины. Способность к образованию витамина В 12 присуща бактериям, в метаболизме которых важную роль играют корриноиды (Propionibacterium, Clostridium). Этот же витамин образуют и стрептомицеты. Что касается алкалоидов, то одни только алкалоиды спорыньи, производные лизергиновой кислоты (эрготамин, эрготоксин) добывают из микроорганизма.!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-2.jpg" alt="(!LANG:> Antibiotika Ein Antibiotikum ist eine Substanz eines mikrobiellen, tierischen oder"> Антибио тики Антибиотик - вещество микробного, животного или растительного происхождения, способное подавлять рост микроорганизмов или вызывать их гибель Антибиотики природного происхождения чаще всего продуцируются актиномицетами, реже - немицелиальными бактериями. Некоторые антибиотики оказывают сильное подавляющее действие на рост и размножение бактерий и при этом относительно мало повреждают или вовсе не повреждают клетки макроорганизма, и поэтому применяются в качестве лекарственных средств. Некоторые антибиотики используются в качестве цитостатических (противоопухолевых) препаратов при лечении онкологических заболеваний.!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-3.jpg" alt="(!LANG:>Klassifizierung von Antibiotika Eine Vielzahl von Antibiotika und ihre Auswirkungen auf die menschlicher Körper"> Классификация антибиотиков Огромное разнообразие антибиотиков и видов их воздействия на организм человека явилось причиной классифицирования и разделения антибиотиков на группы. По характеру воздействия на бактериальную клетку антибиотики можно разделить на две группы: бактериостатические (бактерии живы, но не в состоянии размножаться), бактерицидные (бактерии погибают, а затем выводятся из организма).!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-4.jpg" alt="(!LANG:>Klassifizierung von Antibiotika nach chemischer Struktur Beta-Lactam-Antibiotika (β- Lactam-Antibiotika) Antibiotika, β-Lactame)"> Классификация антибиотиков по химической структуре Бета-лактамные антибиотики (β-лактамные антибиотики, β-лактамы) - группа антибиотиков, которые объединяет наличие в структуре β-лактамного кольца. В бета-лактамам относятся подгруппы пенициллинов, цефалоспоринов, карбапенемов и монобактамов. Сходство химической структуры предопределяет одинаковый механизм действия всех β- лактамов (нарушение синтеза клеточной стенки бактерий). !}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-5.jpg" alt="(!LANG:>Die Struktur von Penicillin (1) und Cephalosporin (2)">!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-6.jpg" alt="(!LANG:> Makrolide sind eine Gruppe von Medikamenten, meist Antibiotika, deren Grundlage die chemische Struktur"> Макролиды - группа лекарственных средств, большей частью антибиотиков, основой химической структуры которых является макроциклическое 14 - или 16 -членное лактонное кольцо, к которому присоединены один или несколько углеводных остатков. Макролиды относятся к классу поликетидов, соединениям естественного происхождения. Также к макролидам относят: азалиды, представляющие собой 15 -членную макроциклическую структуру, получаемую путем включения атома азота в 14 -членное лактонное кольцо между 9 и 10 атомами углерода; телитромицин азитромицин рокитамицин кетолиды - 14 -членные макролиды, у которых к лактонному кольцу при 3 атоме углерода присоединена кетогруппа. природные эритромицин олеандомицин мидекамицин спирамицин лейкомицин джозамицин, полусинтетические рокситромицин кларитромицин диритромицин флуритромицин Макролиды относятся к числу наименее токсичных антибиотиков. При применении макролидов не отмечено случаев нежелательных лекарственных реакций, свойственных другим классам антимикробных препаратов.!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-7.jpg" alt="(!LANG:>Erythromycin-Struktur">!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-8.jpg" alt="(!LANG:> Tetracycline sind eine Gruppe von Antibiotika, die zur Klasse der Polyketide gehören sind chemisch ähnlich"> Тетрациклины - группа антибиотиков, относящихся к классу поликетидов, близких по химическому строению и биологическим свойствам. Представители данного семейства характеризуются общим спектром и механизмом антимикробного действия, полной перекрёстной устойчивостью, близкими фармакологическими характеристиками. первый представитель данной группы антибиотиков - хлортетрациклин (торговые названия ауреомицин, биомицин) - выделен из культуральной жидкости лучистого гриба Streptomyces aureofaciens; окситетрациклин (террамицин) - выделен из культуральной жидкости другого актиномицета Streptomyces rimosus; полусинтетический антибиотик тетрациклин; был выделен из культуральной жидкости Streptomyces aureofaciens.!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-9.jpg" alt="(!LANG:> Andere wichtige Tetracycline: halbsynthetische Derivate von Oxytetracyclin - Doxycyclin, Metacyclin."> Другие важные тетрациклины: полусинтетические производные окситетрациклина - доксициклин, метациклин. производные тетрациклина - гликоциклин, морфоциклин. комбинированные лекарственные формы с олеандомицином - олететрин, олеморфоциклин. а также миноциклин. Тетрациклины являются антибиотиками широкого спектра действия. Высокоактивны in vitro в отношении большого числа грамположительных и грамотрицательных бактерий. В высоких концентрациях действуют на некоторых простейших. Мало или совсем неактивны в отношении большинства вирусов и плесневых грибов. Недостаточно активны в отношении кислотоустойчивых бактерий!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-10.jpg" alt="(!LANG:>Tetracyclin-Struktur">!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-11.jpg" alt="(!LANG:> Aminoglykoside sind eine Gruppe von Antibiotika, deren gemeinsame chemische Struktur das Vorhandensein ist"> Аминогликозиды - группа антибиотиков, общим в химическом строении которых является наличие в молекуле аминосахара, соединённого гликозидной связью с аминоциклическим кольцом. По химическому строению к аминогликозидам близок также спектиномицин, аминоциклитоловый антибиотик. Основное клиническое значение аминогликозидов заключается в их активности в отношении аэробных грамотрицательных бактерий. Аминогликозиды образуют необратимые ковалентные связи с белками 30 S-субъединицы бактериальных рибосом и нарушают биосинтез белков в рибосомах, вызывая разрыв потока генетической информации в клетке. Гентамицин так же может воздействовать на синтез белка, нарушая функции 50 S- субъединицы рибосомы!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-12.jpg" alt="(!LANG:> Aminoglykoside sind bakterizide Antibiotika, d.h. sie töten direkt empfindliche"> Аминогликозиды являются бактерицидными антибиотиками, то есть непосредственно убивают чувствительные к ним микроорганизмы (в отличие от бактериостатических антибиотиков, которые лишь тормозят размножение микроорганизмов, а справиться с их уничтожением должен иммунитет организма хозяина). Поэтому аминогликозиды проявляют быстрый эффект при большинстве тяжёлых инфекций, вызванных чувствительными к ним микроорганизмами, и их клиническая эффективность гораздо меньше зависит от состояния иммунитета больного, чем эффективность бактериостатиков Основные препараты: стрептомицин, канамицин, неомицин, гентамицин, тобрамицин, нетилмицин, сизомицин, амикацин.!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-13.jpg" alt="(!LANG:> Levomycetine (Chloramphenicol) - das erste synthetisch gewonnene Antibiotikum. Verwendet"> Левомицетины (Хлорамфеникол) - первый антибиотик, полученный синтетически. Применяют для лечения брюшного тифа, дизентерии и других заболеваний Использование ограничено по причине повышенной опасности серьезных Хлорамфеникол (левомицетин) осложнений - поражении костного мозга, вырабатывающего клетки крови. Действие - бактериостатическое.!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-14.jpg" alt="(!LANG:> Glykopeptid-Antibiotika – bestehen aus glykosylierten zyklischen oder polyzyklischen nicht-ribosomalen Peptiden ."> Гликопептидные антибиотики - состоят из гликозилированных циклических или полициклических нерибосомных пептидов. Значимые гликопептидные антибиотики включают ванкомицин, тейкопланин, телаванцин, блеомицин, рамопланин и декапланин. Гликопептидные антибиотики нарушают синтез клеточной стенки бактерий. Оказывают бактерицидное действие, однако в отношении энтерококков, некоторых стрептококков и стафилококков действуют бактериостатически. Линкозамиды - группа антибиотиков, в которую входят природный антибиотик линкомицин и его полусинтетический аналог клиндамицин. Обладают бактериостатическими или бактерицидными свойствами в зависимости от концентрации в организме и чувствительности микроорганизмов. Полимиксины - группа бактерицидных антибиотиков, обладающих узким спектром активности против грамотрицательной флоры. . По химической природе это полиеновые соединения, включающие остатки полипептидов. В обычных дозах препараты этой группы действуют бактериостатически, в высоких концентрациях - оказывают бактерицидное действие. Из препаратов в основном применяются полимиксин В и полимиксин М. Обладают выраженной нефро- и нейротоксичностью.!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-15.jpg" alt="(!LANG:> Antibiotika tierischen Ursprungs Lysocym (Muramidase) - antibakteriell"> Антибиотики животного происхождения Лизоци м (мурамидаза) - антибактериальный агент, фермент класса гидролаз, разрушающий клеточные стенки бактерий путём гидролиза пептидогликана клеточной стенки бактерий муреина. ферменты содержатся в организмах животных, в первую очередь, в местах соприкосновения с окружающей средой - в слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта, слёзной жидкости, грудном молоке, слюне, слизи носоглотки и т. д. В больших количествах лизоцимы содержатся в слюне, чем объясняются её антибактериальные свойства. В грудном молоке человека концентрация лизоцима весьма высока (около 400 мг/л). Это намного больше, чем в коровьем. При этом концентрация лизоцима в грудном молоке не снижается со временем, через полгода после рождения ребёнка она начинает возрастать. Экмолин - белковый антибиотик. Обладает антибактериальными свойствами. Выделен из печени рыб. Усиливает действие ряда бактериальных антибиотиков!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-16.jpg" alt="(!LANG:> Antibiotika pflanzlichen Ursprungs (Phytonzide) Sie sind chemisch sehr vielfältig Natur:"> Антибиотики растительного происхождения (фитонциды) По химической природе очень разнообразны: гликозиды, терпеноиды, алкалоиды и другие вторичные метаболиты растений. Защитная роль проявляется не только в уничтожении микроорганизмов, но и в подавлении их размножения, в отрицательном хемотаксисе подвижных форм микроорганизмов, в стимулировании жизнедеятельности микроорганизмов, являющихся антагонистами патогенных форм для данного растения Например - аллейцин (род Allium - лук, чеснок,), иманин (зверобой), синигрин (хрен - р. Armorácia) и т. д.!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-17.jpg" alt="(!LANG:>Antibakterielle Mittel -"> Антибактериальные вещества Сульфани лами ды - это группа химических веществ, производных пара- аминобензолсульфамида - амида сульфаниловой кислоты (пара-аминобензосульфокислоты). пара-Аминобензолсульфамид - простейшее соединение класса - также называется белым стрептоцидом. Несколько более сложный по структуре сульфаниламид пронтозил (красный стрептоцид) был первым препаратом этой группы и вообще первым в мире синтетическим антибактериальным препаратом!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-18.jpg" alt="(!LANG:>Antibiotika Verfügbare Sulfa-Medikamente unterscheiden sich in pharmakologischen Parametern. Streptozid,"> Антибактериальные вещества Имеющиеся сульфаниламидные средства различаются по фармакологическим параметрам. Стрептоцид, норсульфазол, сульфазин, сульфадимезин, этазол, сульфапиридазин, сульфадиметоксин и др. относительно легко всасываются и быстро накапливатся в крови и органах в бактериостатических концентрациях, проникают через гистогематические барьеры (гематоэнцефалический, плацентарный и др.); они находят применение при лечении различных инфекционных заболеваний. Другие препараты, такие как фталазол, фтазин, сульгин, трудно всасываются, относительно долго находятся в кишечнике в высоких концентрациях и выделяются преимущественно с калом. Поэтому они применяются главным образом при инфекционных заболеваниях желудочно- кишечного тракта. Уросульфан выделяется в значительном количестве почками; он применяется преимущественно при инфекциях мочевых путей!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-19.jpg" alt="(!LANG:>Antibakterielle Wirkstoffe Chinolone sind eine Gruppe antibakterieller Wirkstoffe, zu denen auch Fluorchinolone gehören .. Zuerst"> Антибактериальные вещества Хиноло ны - группа антибактериальных препаратов, также включающая фторхинолоны. Первые препараты этой группы, прежде всего налидиксовая кислота, в течение многих лет применялись только при инфекциях мочевыводящих путей. Фто рхиноло ны - группа лекарственных веществ, обладающих выраженной противомикробной активностью, широко применяющихся в медицине в качестве антибиотиков широкого спектра действия. По широте спектра противомикробного действия, активности, и показаниям к применению они действительно близки к антибиотикам. Фторхинолоны подразделяют на препараты первого (пефлоксацин, офлоксацин, ципрофлоксацин, ломефлоксацин, норфлоксацин) и второго поколения (левофлоксацин, спарфлоксацин, моксифлоксацин.!}
Src="https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-20.jpg" alt="(!LANG:>Antibakterielle Substanzen Nitrofurane sind eine Gruppe antibakterieller Wirkstoffe, Derivate von Furan .K"> Антибактериальные вещества Нитрофураны - группа антибактериальных средств, производные фурана. К нитрофуранам чувствительны грамположительные и грамотрицательные бактерии, а также хламидии и некоторые простейшие (трихомонады, лямблии). Обычно Нитрофураны действуют на микроорганизмы бактериостатически, однако в высоких дозах они могут оказывать бактерицидное действие. Кроме того анибактериальное действие могут оказывать тяжелые металлы, цианиды, фенолы и т. д.!}
Aus Sicht der Biogenese werden Antibiotika als Sekundärmetabolite betrachtet. Sekundäre Metaboliten sind niedermolekulare Naturstoffe, die 1) nur von bestimmten Arten von Mikroorganismen synthetisiert werden; 2) üben 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.
Primärmetabolite sind die normalen Produkte des Zellstoffwechsels, wie Aminosäuren, Nukleotide, Coenzyme usw., die für das Zellwachstum notwendig sind.
B. BEZIEHUNG ZWISCHEN DER PRIMÄREN
UND SEKUNDÄRER STOFFWECHSEL
Das Studium der Antibiotika-Biosynthese besteht darin, die Abfolge enzymatischer Reaktionen festzulegen, während derer ein oder mehrere primäre Metaboliten (oder Zwischenprodukte ihrer Biosynthese) in ein Antibiotikum umgewandelt werden. Dabei ist zu bedenken, dass die Bildung von Sekundärmetaboliten, insbesondere in großen Mengen, mit erheblichen Veränderungen im Primärstoffwechsel der Zelle einhergeht, da in diesem Fall die Zelle den Ausgangsstoff synthetisieren, Energie beispielsweise in Form von liefern muss ATP und reduzierte Coenzyme. Es ist daher nicht überraschend, dass beim Vergleich von Stämmen, die Antibiotika synthetisieren, mit Stämmen, die nicht in der Lage sind, sie zu synthetisieren, signifikante Unterschiede in den Konzentrationen von Enzymen gefunden werden, die nicht direkt an der Synthese eines bestimmten Antibiotikums beteiligt sind.
- WICHTIGSTE BIOSYNTHETISCHE WEGE
Reaktionen der Biosynthese von Primärmetaboliten, natürlich mit einigen Ausnahmen (z. B. gibt es Antibiotika, die eine Nitrogruppe enthalten - eine funktionelle Gruppe, die in Primärmetaboliten nie vorkommt und die während der spezifischen Oxidation von Aminen gebildet wird).
Mechanismen für die Biosynthese von Antibiotika können in drei Hauptkategorien eingeteilt werden.
- Antibiotika, die aus einem einzigen primären Metaboliten gewonnen werden. Der Weg ihrer Biosynthese besteht aus einer Abfolge von Reaktionen, die das Ausgangsprodukt in gleicher Weise modifizieren wie bei der Synthese von Aminosäuren oder Nukleotiden.
- Antibiotika, die aus zwei oder drei verschiedenen primären Metaboliten gewonnen werden, die modifiziert und kondensiert werden, um ein komplexes Molekül zu bilden. Ähnliche Fälle werden im Primärstoffwechsel bei der Synthese bestimmter Coenzyme wie Folsäure oder Coenzym A beobachtet.
- Antibiotika, die aus den Polymerisationsprodukten mehrerer ähnlicher Metaboliten entstehen, um eine Grundstruktur zu bilden, die während anderer enzymatischer Reaktionen weiter modifiziert werden kann.
Diese Prozesse ähneln Polymerisationsprozessen, die die Bildung einiger Komponenten der Membran und der Zellwand ermöglichen.
Hervorzuheben ist, dass die durch Polymerisation erhaltene Grundstruktur meist weiter modifiziert wird; es kann sogar durch Moleküle verbunden werden, die durch andere Biosynthesewege produziert werden. Glykosid-Antibiotika sind besonders verbreitet – Kondensationsprodukte eines oder mehrerer Zucker mit einem auf Weg 2 synthetisierten Molekül.
D. SYNTHESE VON FAMILIEN VON ANTIBIOTIKA
Häufig synthetisieren Mikroorganismenstämme mehrere chemisch und biologisch verwandte Antibiotika, die eine "Familie" (Antibiotikakomplex) bilden. Die Bildung von "Familien" ist nicht nur für die Biosynthese charakteristisch
Antibiotika, sondern ist eine allgemeine 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 eines „Schlüssel“-Metaboliten in einem der im vorherigen Abschnitt beschriebenen Stoffwechselwege.
P
OKUC/I.
Rifamycin B
Protarifamycin I h
3-atna-5-hydroxy-5-enzainsäure + in "Methylmalanat-Einheiten + 2 Malonat-Einheiten
- Modifikation eines Schlüsselmetaboliten durch recht häufige Reaktionen, z. B. durch Oxidation einer Methylgruppe zu einem Alkohol und dann zu einer Carboxylgruppe, Reduktion von Doppelbindungen, Dehydrierung, Methylierung, Veresterung usw.
- Derselbe Metabolit kann das Substrat von zwei oder mehr dieser Reaktionen sein, was zur Bildung von zwei oder mehr unterschiedlichen Produkten führt, die wiederum unter Beteiligung von Enzymen verschiedene Umwandlungen durchlaufen können, wodurch ein "Stoffwechselbaum" entsteht.
- Derselbe Metabolit kann auf zwei (oder mehr) verschiedene Arten gebildet werden, wobei nur die
die Reihenfolge der enzymatischen Reaktionen, aus denen das "metabolische Netzwerk" entsteht.
(Zrithromycin B)
Reaktionen, deren Reihenfolge unbekannt ist, wird Protorifamycin I in Rifamycin W und Rifamycin S umgewandelt, wodurch ein Teil der Synthese unter Verwendung eines einzigen Wegs ("Stamm" des Baums) abgeschlossen wird. Rifamycin S ist der Ausgangspunkt für die Verzweigung mehrerer alternativer Wege: Durch Kondensation mit einem Zwei-Kohlenstoff-Fragment entstehen Rifamycin O und Raphimycine L und B. Letzteres wird durch Oxidation der Anza-Kette zu Rifamycin Y. Spaltung des Ein-Kohlenstoff-Fragments während der Oxidation von Rifamycin S zur Bildung von Rifamycin G führt und Rifamycin S durch unbekannte Reaktionen in den sogenannten Rifamycin-Komplex (Rifamycine A, C, D und E) umgewandelt wird. 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 (Abb. 6.2) in ErythromycinA (den komplexesten Metaboliten) umgewandelt wird: 1) Glykosylierung an Position 3 pu
die der Kondensation mit Mycarosis (Mic.) (Reaktion I); 2) Umwandlung von Mycarose in Cladinose (clad.) durch Methylierung (Reaktion II); 3) Umwandlung von Erythronolid B zu Erythronolid A (Er.A) als Ergebnis der Hydroxylierung an Position 12 (Reaktion III); 4) Kondensation mit Deosamin (Des.) in Position 5 (Reaktion IV).
Da die Reihenfolge dieser vier Reaktionen variieren kann, sind unterschiedliche Stoffwechselwege möglich, die zusammengenommen das in Abb. 6.2. Es sei darauf hingewiesen, dass es auch Pfade gibt, die eine Kombination aus einem Baum und einem Netzwerk sind.
MINISTERIUM FÜR LANDWIRTSCHAFT DER RUSSISCHEN FÖDERATION
„STAATLICHE LANDWIRTSCHAFTLICHE UNIVERSITÄT VORONESCH
BENANNT NACH KAISER PETER I.
Institut für Botanik, Pflanzenschutz, Biochemie und Mikrobiologie
Kursarbeit
in der Pflanzenbiochemie
Thema: Sekundäre Stoffwechselprodukte
Abgeschlossen: Schüler TT-2-1b
Kalinina Jana Gennadievna
Geprüft von: Associate Professor
Maraeva Olga Borisovna
Woronesch 2013
Einführung
Sekundäre Metaboliten - Verbindungen, oft von komplexer Zusammensetzung, die nicht die Hauptzwischenverbindungen des Zellstoffwechsels sind, werden in ihren Sackgassen gebildet. Stoffwechselprodukte von Sekundärpflanzen sind beispielsweise Alkaloide. Mikroorganismen bilden Sekundärmetaboliten in der Regel während der Verlangsamung oder Einstellung des aktiven Wachstums und der Reproduktion von Pflanzen. Mikroorganismen bilden einige Farbstoffe, Antibiotika und Vitamine als sekundäre Stoffwechselprodukte. Von großer Bedeutung ist die Synthese von Sekundärmetaboliten durch Mikroorganismen bei der Bildung von Bodenhumus.
Wie auch immer die Photosynthese betrieben wird, sie endet am Ende mit der Ansammlung energiereicher Reservestoffe, die die Grundlage für die Lebenserhaltung der Zelle und letztlich des gesamten vielzelligen Organismus bilden. Diese Stoffe sind Produkte des Primärstoffwechsels. Neben ihrer Hauptfunktion sind Primärmetaboliten die Grundlage für die Biosynthese von Verbindungen, die gemeinhin als Produkte des Sekundärstoffwechsels bezeichnet werden. Letztere, oft bedingt als „Sekundärmetaboliten“ bezeichnet, sind in ihrer Existenz in der Natur vollständig den Produkten „zu verdanken“, die bei der Photosynthese entstehen. Es sollte beachtet werden, dass die Synthese von Sekundärmetaboliten aufgrund der Energie erfolgt, die in Mitochondrien während der Zellatmung freigesetzt wird.
1. Literaturübersicht
1.1 Anzeichen von Sekundärmetaboliten
Es ist bei weitem nicht immer möglich, Sekundärmetabolite von Primärmetaboliten anhand der chemischen Struktur eines Moleküls zu unterscheiden. Auf Abb. 1 zeigt einige Beispiele von primären und sekundären Metaboliten.
Reis. 1. Strukturen von Campesterol (Primärmetabolit), Ecdyson und Protopanaxatriol (Sekundärmetaboliten)
Phytosterole (Sitosterol, Campesterol, Stigmasterol) sind essentielle Bestandteile pflanzlicher Zellmembranen und daher typische Primärstoffe. Ecdysteroide (Häutungshormone von Insekten) sind sekundäre Metaboliten, die nur in einigen Pflanzenarten vorkommen. Es wird angenommen, dass diese Substanzen am Schutz von Pflanzen vor Insekten beteiligt sind. Protopanaxatriol ist ein Aglycon von Ginsenosiden, sekundären Metaboliten von Ginseng, die nur in der Gattung Rapax vorkommen und maßgeblich für deren biologische Aktivität verantwortlich sind. Gleichzeitig sind die molekularen Strukturen dieser Verbindungen ähnlich und unterscheiden sich nur in der Anzahl und Anordnung der Methyl- und Hydroxylgruppen. Die Strukturen von Protein-Aminosäuren (Primärmetaboliten) und Nicht-Protein-Aminosäuren (typische Sekundärmetaboliten) unterscheiden sich oft nur in Anwesenheit oder Abwesenheit einer Methyl-, Hydroxyl- oder anderen funktionellen Gruppe.
Basierend auf der Analyse der Literatur können vier Anzeichen von Sekundärmetaboliten formuliert werden:
) nicht in allen Pflanzen vorhanden;
) Vorhandensein biologischer Aktivität;
) relativ niedriges Molekulargewicht;
) eine kleine Auswahl an Ausgangsverbindungen für ihre Synthese.
Dies sind genau die Anzeichen von Sekundärmetaboliten, da jeder von ihnen im Allgemeinen nicht erforderlich ist. Eine Reihe von Sekundärmetaboliten findet sich in fast allen Pflanzen (z. B. viele Phenylpropanoide); ziemlich viele sekundäre Metaboliten ohne ausgeprägte biologische Aktivität (obwohl es möglich ist, dass es einfach nicht gefunden wurde); hochmolekulare Sekundärmetabolite sind bekannt (z. B. Kautschuk und Guttapercha). Die Kombination dieser Merkmale umreißt jedoch deutlich die Bandbreite der sekundären Pflanzenstoffe.
Die am besten gerechtfertigte Einstufung einer Verbindung als primärer oder sekundärer Metabolit ist erst möglich, nachdem ihre Rolle in der vitalen Aktivität der Pflanze geklärt wurde; aufgrund seiner funktionalen Bedeutung. Die funktionale Definition des Sekundärstoffwechsels kann in erster Näherung als Stoffwechsel von Verbindungen gegeben werden, die auf zellulärer Ebene von Bedeutung sind.
1.2 Grundsätze für die Einstufung von Sekundärmetaboliten
Die Prinzipien der Klassifizierung von Sekundärmetaboliten sowie die Namen einzelner Verbindungen änderten sich im Laufe ihrer Untersuchung. Jetzt können Sie Elemente von mindestens vier Klassifizierungsoptionen finden.
Empirische (triviale) Klassifikation. Das "älteste" Prinzip der Klassifizierung, basierend auf bestimmten Eigenschaften von Sekundärmetaboliten. Alkaloide sind beispielsweise Verbindungen, die alkalische Eigenschaften haben; Saponine - Substanzen, die beim Schütteln Schaum bilden; Bitterkeit - Verbindungen mit bitterem Geschmack; Ätherische Öle sind duftende, flüchtige Sekundärmetaboliten. Dieses Klassifizierungsprinzip hat viele Mängel, aber seine Elemente werden aufgrund von Tradition und langjähriger Verwendung immer noch gefunden.
Sekundäre Metaboliten erhielten (und erhalten) ihre Namen in der Regel auch empirisch. Meistens stammen die Namen von der Pflanze, aus der die Verbindung zuerst isoliert wurde. Zum Beispiel Alkaloide Papaverin (Mohn), Berberin (Berberitze), Kokain (Coca-Strauch). Sehr oft werden die Namen mit Mythologie, Geschichte, Persönlichkeiten usw. in Verbindung gebracht. So erhielt beispielsweise das Alkaloid Morphin seinen Namen zu Ehren des Schlafgottes. Diese Art, Verbindungen zu klassifizieren und zu benennen, führt oft zu Missverständnissen. Zum Beispiel begann man fast gleichzeitig in Japan und Russland biologisch aktive Triterpenglykoside von Ginseng zu untersuchen. Japanische Forscher schlugen vor, sie Ginsenoside zu nennen – nach dem Artennamen von Ginseng, während russische Forscher – Panaxoside, d.h. nach Gattungsnamen. Als später klar wurde, dass die gleichen Verbindungen unterschiedlich bezeichnet wurden, mussten „Entsprechungstabellen“ von Ginsenosiden und Panaxosiden veröffentlicht werden.
Chemische Klassifizierung. Diese Version der Klassifikation basiert auf den Zeichen der chemischen Struktur von Sekundärmetaboliten und ist derzeit die am weitesten entwickelte und am weitesten verbreitete. Diese Klassifizierung ist jedoch nicht ohne Nachteile. Alkaloide sind nach dieser Einteilung beispielsweise Verbindungen, die im Heterocyclus ein Stickstoffatom aufweisen. Glykoalkaloide von Kartoffeln oder Tomaten sind nach diesem Merkmal typische Alkaloide, nach Syntheseverfahren, Struktur und einer Reihe von Eigenschaften sind diese Verbindungen jedoch Isoprenoide.
Biochemische Klassifikation. Diese Klassifizierung basiert auf den Methoden der Biosynthese von Sekundärmetaboliten. Beispielsweise gehören die oben erwähnten Glykoalkaloide gemäß dieser Einteilung zu den Triterpen-Pseudoalkaloiden, da sie wie Steroidglykoside entlang des Isoprenoidwegs synthetisiert werden. Dies scheint die objektivste Klassifizierungsoption zu sein. Da die Biochemie des Sekundärstoffwechsels jedoch noch nicht ausreichend entwickelt ist, steckt eine solche Einteilung noch in den Kinderschuhen.
Funktionale Einteilung. Basierend auf den Funktionen von Sekundärmetaboliten in einer intakten Pflanze. Diese Option unterscheidet sich grundlegend von den vorherigen und sollte parallel zu diesen bestehen. Gemäß der funktionellen Einteilung können chemisch unterschiedliche Strukturen in eine Gruppe von Verbindungen fallen. Beispielsweise werden Phytoalexine (Sekundärmetabolite, die Schutzfunktionen haben und als Reaktion auf einen Erregerangriff synthetisiert werden) in verschiedenen Formen durch phenolische Verbindungen, Isoprenoide, Polyacetylene usw. repräsentiert. Die Entwicklung einer funktionalen Klassifizierung von Sekundärmetaboliten steht noch am Anfang, aber es ist von grundlegender Bedeutung für die Pflanzenphysiologie.
Das Vorhandensein unterschiedlicher Möglichkeiten zur Klassifizierung von Sekundärmetaboliten führt zu gewissen Schwierigkeiten. Insbesondere bei der Verwendung unterschiedlicher Merkmale der chemischen Klassifikation ist es möglich, Gruppen von Sekundärmetaboliten zu „überlappen“. Beispielsweise werden in der „Pharmakognosie“ Glykoside (Verbindungen, deren Molekül aus Aglykon und einem Kohlenhydratfragment besteht) als Wirkstoffe vieler Heilpflanzen in eine eigene Gruppe isoliert. Gleichzeitig lassen sich diese Glykoside nach der Aglykonstruktur phenolischen Verbindungen, Isoprenoiden oder anderen Gruppen von Sekundärmetaboliten zuordnen. Noch mehr Probleme treten auf, wenn die Verbindung eine Reihe von Merkmalen enthält, die für verschiedene Gruppen von Sekundärmetaboliten charakteristisch sind (z. B. prenylierte Phenolverbindungen). In einigen Fällen können auftretende Probleme beseitigt werden, indem die chemische Klassifizierung der biochemischen angepasst wird.
1.3 Hauptgruppen von Sekundärmetaboliten
Derzeit sind mehr als ein Dutzend Gruppen (Klassen) von Sekundärmetaboliten bekannt. Gleichzeitig haben einige Gruppen mehrere tausend Einzelverbindungen, andere nur wenige. Gruppen in der Pflanzenwelt sind auch ungleich verteilt. Beispielsweise sind Isoprenoide und phenolische Verbindungen in allen Pflanzenarten vorhanden, während einige Gruppen (z. B. Thiophene oder Acetogenine) nur für einzelne Arten charakteristisch sind.
Die drei größten Gruppen von Sekundärmetaboliten sind gut bekannt – Alkaloide, Isoprenoide (Terpenoide) und phenolische Verbindungen. Jede dieser Gruppen besteht aus mehreren tausend Verbindungen und ist in zahlreiche Untergruppen unterteilt. Etwa ein Dutzend weniger zahlreicher Gruppen sekundärer Metaboliten sind ebenfalls bekannt: pflanzliche Amine, Nicht-Protein-Aminosäuren, cyanogene Glykoside, Glucosinolate, Polyacetylene, Betalaine, Alkylamide, Thiophene usw. Die Anzahl der in diesen Gruppen enthaltenen Verbindungen variiert von Einheiten bis zu mehreren Hunderte.
Sekundäre Pflanzenstoffe liegen in der Pflanze fast nie in „reiner Form“ vor, sie sind in der Regel Bestandteil komplexer Mischungen. Solche Mischungen haben je nach Zusammensetzung und Vorkommen in der Anlage oft eigene, historisch gewachsene Namen.
Ätherische Öle sind in der Regel eine Mischung leicht verdunstender Isoprenoide (Mono- und Sesquiterpene).
Harze werden hauptsächlich durch Diterpene repräsentiert.
Gummis bestehen hauptsächlich aus Polysacchariden, aber sie enthalten oft Alkaloide, phenolische Verbindungen.
Schleim ist eine Mischung aus wasserlöslichen Oligo- und Polysacchariden, Zuckern sowie geringen Mengen phenolischer Verbindungen, Alkaloide oder Isoprenoide.
1.4 Strukturmuster von Sekundärmetaboliten
Bei der Analyse der Strukturen von Sekundärmetaboliten scheint ihre große Vielfalt nach einem bestimmten Muster zu erfolgen. In der Regel gibt es eine bestimmte "Grundstruktur", auf deren Grundlage zahlreiche Optionen gebildet werden. In diesem Fall gibt es mehrere Möglichkeiten, wie solche Optionen entstehen können.
Modifikationen der Grundstruktur: meist ist dies entweder die Hinzufügung oder der Austausch funktioneller Gruppen, eine Änderung des Oxidationsgrades des Moleküls; Als funktionelle Gruppen werden häufig Hydroxyl-, Methyl- oder Methoxygruppen verwendet.
Bildung von Konjugaten: Anheftung an die Grundstruktur von "einheitlichen Blöcken"; am häufigsten verschiedene Zucker (Mono- oder Oligosaccharide), organische Säuren oder einige Gruppen von Sekundärmetaboliten.
Kondensation: Die Kombination mehrerer gleicher oder verschiedener Grundstrukturen, wie z. B. die Bildung prenylierter phenolischer Verbindungen oder dimerer Indolalkaloide.
Für verschiedene Gruppen von Sekundärmetaboliten sind spezifische Veränderungen in der Struktur charakteristisch. Beispielsweise sind Alkaloide durch Methoxylierung, aber nicht durch Glykosylierung gekennzeichnet; für Isopreoide ist dagegen die Glykosylierung typisch, nicht aber die Methoxylierung; in phenolischen Verbindungen werden beide Arten dieser Modifikationen beobachtet.
Bestimmte Modifikationen von Molekülen scheinen eine signifikante funktionelle Bedeutung zu haben. Viele von ihnen (insbesondere die Glykosylierung) verändern die biologische Aktivität des Moleküls erheblich. Sehr oft ist die Glykosylierung ein universeller Weg, um die aktive (funktionelle) Form eines Sekundärmetaboliten in eine inaktive (Reserve) zu überführen. Aus diesem Grund erscheint es unangemessen, alle Glykoside in eine separate Gruppe sekundärer Metaboliten zu isolieren.
1.5. Phytochemie des Sekundärstoffwechsels
Alkaloide. Der Name dieser Stoffgruppe kommt vom arabischen alcali – Alkali und dem griechischen eidos – ähnlich. Derzeit sind etwa 10.000 einzelne Alkaloide bekannt.
Bei den Alkaloiden stimmten die empirische und die chemische Einteilung recht gut überein. Alkaloide sind nach der chemischen Systematik Verbindungen, die ein oder mehrere Stickstoffatome im Molekül enthalten, was ihnen basische Eigenschaften verleiht. Alkaloide werden nach ihrer chemischen Struktur üblicherweise in zwei Untergruppen eingeteilt: Protoalkaloide, die Stickstoff nicht im Heterocyclus enthalten, und echte Alkaloide, die Stickstoff im Heterocyclus enthalten. Die Aufteilung der Alkaloide in Untergruppen wurde durch die biochemische Klassifikation korrigiert. Glykoalkaloide sowie eine Reihe anderer Alkaloide (z. B. Aconitum-Alkaloide) sind eigentlich Isoprenoide nach Art der Synthese und Struktur. Daher wurde beschlossen, sie in eine spezielle Gruppe einzuteilen - isoprenoide Pseudoalkaloide.
Die am weitesten verbreiteten Alkaloide unter den Angiospermen. Besonders reich an ihnen sind die Familien Mohn, Nachtschattengewächse, Hülsenfrüchtler, Kutra, Krapp, Hahnenfußgewächse. In Moosen, Farnen, Gymnospermen sind Alkaloide relativ selten.
Verschiedene Organe und Gewebe einer Pflanze können verschiedene Alkaloide enthalten. Üblicherweise ist ihre Konzentration gering und beträgt Zehntel- und Hundertstelprozent. Mit einem Alkaloidgehalt von etwa 1 - 3 % gilt die Pflanze als alkaloidreich (alkaloidhaltig). Nur wenige Pflanzen, wie z. B. Kulturformen der Chinarinde, können bis zu 15 - 20 % Alkaloide anreichern. Protoalkaloide kommen in Pflanzen verschiedener Familien recht häufig vor, reichern sich aber in der Regel nicht in nennenswerten Mengen an.
Alkaloide reichern sich in der Regel in Vakuolen an und treten praktisch nicht in den periplasmatischen Raum ein. Möglicherweise ist dies eine Folge der „sorgsamen Einstellung“ der Pflanze gegenüber stickstoffhaltigen Verbindungen. Der Transport von Alkaloiden in die Vakuole erfolgt unter Beteiligung spezifischer Träger (offenbar ABC-Transporter). Ohnehin gelangen nur „eigene“ Alkaloide effektiv in isolierte Vakuolen, d.h. charakteristisch für diese Pflanze. In Vakuolen kommen Alkaloide meist in Form von Salzen vor. Die Synthese von Alkaloiden findet hauptsächlich in Plastiden oder im Cytosol statt.
Reis. 2. Strukturen einiger Alkaloide
Isoprenoide sind eine umfangreiche Gruppe von Verbindungen mit der allgemeinen Formel (C5H8)n. C5H8 ist eine Einheit von Isopren, also sind Isoprenoide Verbindungen, die aus mehreren Isopreneinheiten „bestehen“. Ihre Biosynthese läuft wirklich durch die Kombination von Fünf-Kohlenstoff-Fragmenten ab, daher stimmt der Name dieser Stoffgruppe mit ihrer biochemischen Klassifizierung überein.
Die Klassifizierung von Isoprenoiden basiert auf der Anzahl der Isopreneinheiten, aus denen das Molekül besteht. Verbindungen, die auf nur einer Isopreneinheit basieren, wurden erst vor relativ kurzer Zeit in Pflanzen entdeckt. Daher hat es sich historisch entwickelt, dass Verbindungen, die zwei Isopreneinheiten enthalten und daher die allgemeine Formel (C5H8)2 haben, Monoterpene genannt wurden, d.h. C10H16. Isoprenoide, die drei Isopren-Einheiten enthalten, wurden Sesquiterpene genannt, die allgemeine Formel lautet C15H24.Demnach sind Diterpene aus vier, Triterpene aus sechs und Tetraterpene aus acht Fünf-Kohlenstoff-Fragmentenaufgebaut. Als sie Verbindungen entdeckten, die aus einer und fünf Isopreneinheiten bestehen, mussten sie als Hemiterpene bzw. Sesterterpene bezeichnet werden. Polyterpenoide Gummi und Guta enthalten 100 bis 5000 Einheiten Isopren.
Mono- und Sesquiterpenoide sind in der Regel flüchtige Flüssigkeiten, oft mit unterschiedlichen Gerüchen. Mehr als 3000 dieser Verbindungen sind bekannt. Ihre Klassifizierung basiert auf dem Vorhandensein oder Fehlen einer Ringstruktur im Molekül, der Art des Rings und dem Vorhandensein und der Anzahl von Doppelbindungen im Molekül. Mono- und Sesquiterpene können aliphatisch (ein Kohlenwasserstoff mit einer offenen Atomkette), zyklisch mit einer unterschiedlichen Anzahl von Zyklen (von eins bis drei) sein und auch verschiedene funktionelle Gruppen (Hydroxy-, Carboxy-, Ketogruppen) enthalten. Sie bilden die Basis ätherischer Öle. Mono- und Sesquiterpenoide sind oft bakterizid.
Auch Diterpenoide haben mehrere tausend Strukturen. Sie sind die Hauptbestandteile von Harzen in Gymnospermen (Fichte, Kiefer, Tanne, Zeder). Harzditerpenoide haben oft bakterizide Eigenschaften.
Triterpenoide werden durch mehrere Gruppen von Verbindungen repräsentiert. Zunächst einmal handelt es sich um Verbindungen des Primärstoffwechsels – Phytosterine, die meisten Triterpenoide hingegen sind typische Sekundärmetaboliten. Triterpenoide haben ein breites Spektrum an biologischer Aktivität. Dazu gehören Herz-, Steroid-, Triterpenglykoside und Ecdysteroide.
Tetraterpenoide kommen in Pflanzen hauptsächlich als Carotinoide vor, einige von ihnen sind am Hauptstoffwechsel (Photosynthese) beteiligt, die Mehrheit (ca. 500) sind jedoch typischerweise sekundäre Metaboliten.
Isoprenoid-Sekundärmetabolite werden im Gegensatz zu Alkaloiden normalerweise nach der Synthese aus der Zelle ausgeschieden. Neben der Zellwand können sie sich manchmal auch in Vakuolen ansammeln. Die Synthese von Isoprenoiden kann in zwei Kompartimenten stattfinden - in Plastiden oder im Zytosol. Gleichzeitig gibt es zwei unabhängige Wege für die Synthese von Isoprenoiden: Mevalonat - im Zytoplasma, alternativ - in Plastiden. Die "Plastiden" -Synthese von Isoprenoiden wird häufig in Leukoplasten durchgeführt - spezialisierten "Isoprenoid" -Plastiden, die eine Reihe morphologischer Merkmale aufweisen (z. B. das Fehlen von Ribosomen, eine spezielle Anordnung innerer Membranen). Sie sind durch enge Kontakte mit dem ER („retikuläre Hülle“) gekennzeichnet, was indirekt auf die Wechselwirkung von Plastiden und ER während der Synthese von Isoprenoiden hinweist.
Reis. 3. Struktur einiger Sesquiterpenoide und Diterpenoide
Phenolische Verbindungen sind Substanzen aromatischer Natur, die eine oder mehrere Hydroxylgruppen am aromatischen Ring enthalten. Phenole sind Verbindungen mit einem Hydroxylatom, Polyphenole - mit zwei oder mehr. Viele phenolische Verbindungen sind am Hauptstoffwechsel (insbesondere an Prozessen der Photosynthese und Atmung) beteiligt, die meisten sind jedoch typische Vertreter des Sekundärstoffwechsels.
Phenolische Verbindungen werden nach der Anzahl der aromatischen Ringe und der Anzahl der daran gebundenen Kohlenstoffatome klassifiziert. Phenolische Verbindungen werden üblicherweise in drei große Untergruppen unterteilt: mit einem und zwei aromatischen Ringen sowie polymere phenolische Verbindungen. Manchmal werden dimere Phenolverbindungen in eine spezielle Gruppe eingeteilt.
Eine Besonderheit von Phenolverbindungen ist die Bildung einer Vielzahl von Verbindungen aufgrund von Modifikationen des Moleküls und der Bildung von Konjugaten mit verschiedenen Strukturen. Von den Modifikationen für phenolische Verbindungen sind die Bildung von Glykosiden, Methylierung und Methoxylierung charakteristisch. Aufgrund von Hydroxyl- und Carboxylgruppen können phenolische Verbindungen mit Zuckern, organischen Säuren, Pflanzenaminen und Alkaloiden binden. Darüber hinaus können sich pflanzliche Phenole mit Isoprenoiden zu einer großen Gruppe prenylierter Phenole verbinden. Solche Eigenschaften von Phenolverbindungen liefern eine große Vielfalt an Strukturen, die für Pflanzenphenole charakteristisch sind.
Phenolische Verbindungen reichern sich sowohl in Vakuolen als auch im periplasmatischen Raum an. In diesem Fall enthalten Vakuolen normalerweise glykosylierte Phenolverbindungen, während der periplasmatische Raum metaxylierte Verbindungen oder Aglykone enthält. Die Synthese von Phenolverbindungen erfolgt in Chloroplasten und Cytosol. Die Existenz von zwei unabhängigen Wegen für die Synthese aromatischer Verbindungen (Shikimat-Wege) wurde gezeigt – im Cytosol und in Plastiden.
Auch viele Verbindungen anderer Klassen von Sekundärmetaboliten reichern sich in Vakuolen an. Eine ähnliche Lokalisation haben zum Beispiel cyanogene Glykoside, Glucosinolate, Betalaine.
Reis. 4. Phenolische Verbindungen mit zwei aromatischen Ringen: Stilbene (A), Anthrachinone (B), Hauptgruppen der Flavonoide (C), Anthocyanidine (D)
Kleinere Gruppen von Sekundärmetaboliten
pflanzliche Amine. Höhere Pflanzen enthalten eine große Anzahl von Aminen - primäre, sekundäre, tertiäre und quartäre. Viele von ihnen sind strukturell decarboxylierte Aminosäuren, sowohl Protein als auch Nicht-Protein. Pflanzliche Amine werden in Monoamine (mit einer Aminogruppe), Diamine (mit zwei Aminogruppen) und Polyamine unterteilt.
Betalaine. So heißen die wasserlöslichen stickstoffhaltigen Farbstoffe höherer Pflanzen. Sie kommen nur in Pflanzen der Ordnung Nelke vor.
Bisher wurden keine Pflanzen gefunden, in denen zwei Gruppen wasserlöslicher Farbstoffe – Anthocyane und Betalaine – gleichzeitig vorkommen. Die Gruppe der Betalaine besteht aus Betacyaninen und Betaxanthinen - rotviolette bzw. gelbe Verbindungen. Betacyanine sind Glykoside und Acylglykoside von nur zwei Aglykonen.
cyanogene Glykoside. Cyanogene Glykoside sind ?-Glykoside von 2-Hydroxynitrilen (Cyanhydrine). Bis heute wurden mehrere Dutzend solcher Verbindungen in höheren Pflanzen gefunden. Die hauptsächlichen strukturellen Variationen sind auf die Natur der Substituenten R1 und R2 zurückzuführen. Als Kohlenhydratfragment fungiert in der Regel D-Glucose. Bei der Hydrolyse von cyanogenen Glykosiden wird Blausäure durch eine spezifische Glykosidase freigesetzt.
Nicht-Protein-Aminosäuren. Dieser Begriff bezieht sich auf natürliche Aminosäuren, ihre Amide, Iminosäuren, die normalerweise nicht in Proteinen enthalten sind. Mittlerweile sind mehr als 400 Nicht-Protein-Aminosäuren bekannt. Viele von ihnen können als Proteinmodifikationen betrachtet werden. Die häufigsten Optionen zur Verlängerung oder Verkürzung der Kohlenstoffkette (Hinzufügen oder Entfernen von CH2- oder CH3-Fragmenten), Hydrierung und Dehydrierung, Hydroxylierung, Aminierung. Es gibt auch ungewöhnliche (zum Beispiel selenhaltige) Aminosäuren. Nicht-Protein-Aminosäuren sind überwiegend sehr giftig, da sie anstelle von "normalen" Aminosäuren in Proteine eingebaut werden und deren Funktionen stören können.
ungewöhnliche Lipide. Dazu gehören vor allem „außergewöhnliche“ Fettsäuren, die sich von „gewöhnlichen“ durch die Länge der Kohlenstoffkette, durch eine andere Anordnung und Anzahl von Doppelbindungen sowie durch das Vorhandensein zusätzlicher funktioneller Gruppen und Zyklen unterscheiden. Am häufigsten werden ungewöhnliche Fettsäuren in Samenöl gefunden. Verbindungen mit einer oder mehreren Dreifachbindungen wurden in vielen Arten höherer Pflanzen gefunden. Solche Verbindungen werden Acetylenderivate oder Polyacetylene genannt. Mehrere hundert solcher Strukturen sind bekannt. Im Gegensatz zu ungewöhnlichen Fettsäuren kommen Acetylenderivate in allen Organen und Teilen einer Pflanze vor. Zu den ungewöhnlichen Lipiden gehören auch Cyanolipide, bei deren Hydrolyse Blausäure freigesetzt wird.
Schwefelhaltige Sekundärmetaboliten. Dazu gehören vor allem Thioglycoside (S-Glycoside). Die bekanntesten Senfölglykoside (Glucosinolate). Diese Glykoside sind charakteristisch für Kreuzblütler. Sie haben eine starke antimikrobielle Wirkung und verursachen einen scharfen oder brennenden Geschmack von Senf, Meerrettich, Rettich. Der Wirkungsmechanismus von Glucosinolaten ist der Wirkung von cyanogenen Glykosiden sehr ähnlich: Nach der Entfernung von Zucker durch Myrosinase werden Isothiocyanate gebildet, die einen brennenden Geschmack und eine reizende Wirkung verursachen. Eine weitere Gruppe von schwefelhaltigen Sekundärmetaboliten sind Knoblauch- und Zwiebel-Allicine, die aus Cystein synthetisiert werden. Sie sind auch für den scharfen Geschmack und die antimikrobiellen Eigenschaften dieser Pflanzen verantwortlich.
1.6 Biochemie des Sekundärstoffwechsels
Biosynthesewege für sekundäre Metaboliten
Die Synthesewege für die meisten sekundären Metaboliten sind gut etabliert. Derzeit wird die Enzymologie des Sekundärstoffwechsels intensiv untersucht. Basierend auf den verfügbaren Informationen ist es möglich, einige Gesetzmäßigkeiten in der Biosynthese dieser Verbindungen zu formulieren. Die Synthesevorläufer sind eine relativ kleine Anzahl primärer Metaboliten. Viele Gruppen von Sekundärmetaboliten können auf mehreren Wegen synthetisiert werden. Oft werden die Synthesestadien in verschiedenen Kompartimenten der Zelle dupliziert (z. B. Plastiden - Cytosol). Die Synthese ist gut geplant und wird von einer Reihe spezieller Enzyme bedient, die in den meisten Fällen sehr spezifisch sind.
Biosynthese von Alkaloiden. Die Bildung dieser Substanzen steht in engem Zusammenhang mit dem gesamten Stickstoffaustausch in der Zelle. Für die meisten Alkaloide wurde gezeigt, dass die Schemata ihrer Synthese einheitlich sind, d. h. sie haben eine ähnliche Reaktionsfolge. Bei der Biosynthese wird das Aminosäuremolekül fast vollständig in die Struktur des Alkaloids eingebunden. Die Synthese von Alkaloiden verschiedener Gruppen umfasst die gleichen Arten von Reaktionen: Decarboxylierung, oxidative Desaminierung, Aldolkondensation, aber für jede Gruppe von Alkaloiden werden diese Reaktionen von "eigenen" Enzymen durchgeführt. In der ersten Synthesestufe erfolgt die Decarboxylierung der Aminosäure unter Beteiligung der entsprechenden Decarboxylase. Die entstehenden biogenen Amine werden unter Beteiligung von Aminoxidasen oxidativ desaminiert. Die resultierenden Aminoaldehyde oder Aminoketone bilden durch eine Reihe aufeinanderfolgender Reaktionen wichtige heterocyclische Verbindungen. Dann wird die Grundstruktur unter Beteiligung verschiedener Reaktionen modifiziert - Hydroxylierung, Methylierung usw. An zusätzlichen Kohlenstoffeinheiten, z. B. Acetat (in Form von Acetyl-CoA) oder Monoterpeneinheit (für komplexe Indolalkaloide), können teilnehmen die Bildung der endgültigen Struktur des Alkaloids. Je nach Komplexität des Alkaloids umfasst seine Biosynthese drei bis vier bis zehn bis fünfzehn Reaktionen.
Für eine Reihe von Alkaloiden wurde nicht nur das Syntheseschema aufgestellt, sondern es wurden auch Enzyme charakterisiert und isoliert. Es stellte sich heraus, dass einige Syntheseenzyme nicht sehr spezifisch sind (als Substrate können verschiedene Verbindungen verwendet werden), jedoch sind in der Synthesekette zwangsläufig hochspezifische Enzyme vorhanden, die nur ein Substrat (oder mehrere sehr naheliegende Substrate) verwenden und durchführen eine sehr spezifische Reaktion.
Beispielsweise wird bei der Synthese von Isochinolinen die Hydroxylierung der Grundstruktur an jeder Position durch unterschiedliche Enzyme durchgeführt. Während wir zu den Endstadien der Synthese fortschreiten, nimmt die Affinität von Enzymen für das Substrat normalerweise zu: Beispielsweise beträgt Kt für eine Reihe von Enzymen bei der Synthese von Berberin-Alkaloiden weniger als 1 μM. Als Beispiel in Abb. 5 zeigt das Schema zur Synthese von Isochinolin-Alkaloiden.
Reis. 5. Schema der Biosynthese von Isochinolin-Alkaloiden
Biosynthese von Isoprenoiden. Wenn bei der Synthese von Alkaloiden für verschiedene Ausgangsverbindungen (Aminosäuren) eine ähnliche Umwandlungskette verwendet wird, dann erfolgt die Synthese einer kolossalen Anzahl von Isoprenoiden aus einer einzigen Vorstufe, Isopentenyldiphosphat (IPDP). Unter Einwirkung des Enzyms Isopentenyldiphosphat-Isomerase, das die Doppelbindung verschiebt, wird IPDP in Dimethylallyldiphosphat (DMADP) umgewandelt. Außerdem wird IPDP an der Doppelbindung an DMADP angefügt und es entsteht eine C10-Verbindung – Geranyldiphosphat.
Es dient als Quelle aller Monoterpenoide.
Dann wird Geranyldiphosphat mit einem weiteren IPDP versetzt und es entsteht die C15-Verbindung Farnesyldiphosphat, das Ausgangsmaterial für die Synthese von Sesquiterpenoiden. Ferner kann Farnesyldiphosphat entweder ein anderes IPDP-Molekül anheften, um Geranylgeranyldiphosphat zu bilden (C20-Verbindung ist die Quelle von Diterpenoiden) oder dimerisieren, um Squalen zu bilden (C30-Verbindung ist die Ausgangsverbindung für alle Triterpenoide). Schließlich kann Geranylgeranyldiphosphat dimerisieren, um Phytoin zu bilden, eine C40-Verbindung, eine Quelle für Tetraterpenoide. Darüber hinaus kann Geranylgeranyldiphosphat nacheinander eine große Menge IPDP zugesetzt werden, wodurch schließlich Polyisoprenoide - Kautschuk und Guttapercha - gebildet werden. Als Ergebnis der beschriebenen Reaktionen entsteht eine vollständige homologe Reihe von C5-Verbindungen unterschiedlicher Länge. Darüber hinaus können sich diese aliphatischen Moleküle in zyklische Strukturen "falten", und die Anzahl der Zyklen, ihre Größe und Art der Artikulation können sehr unterschiedlich sein. Auf Abb. 9.13 zeigt das allgemeine Schema zur Synthese von Isoprenoiden.
Die Synthese grundlegender Isoprenoidstrukturen wird von nur zwei Arten von Enzymen durchgeführt - Prenyltransferasen, die die Länge von Isoprenoiden "erhöhen", und Cyclasen, die das entsprechende zyklische Gerüst des Moleküls bilden. Jeder Strukturtyp wird von einer spezifischen Cyclase gebildet. Da es ziemlich viele Arten von zyklischen Strukturen von Isoprenoiden gibt, sollte die Zahl der Cyclasen beeindruckend sein. Bis heute sind mehr als hundert von ihnen bekannt. Nach Bildung der Grundstruktur (oder gleichzeitig damit) wird diese modifiziert und mit funktionellen Gruppen „ausgerüstet“.
Reis. 6. Allgemeines Schema der Isoprenoid-Biosynthese (A) und zwei Wege der Isopentenyldiphosphat-Synthese (B) in Pflanzen
Punkte zeigen markierte Atome in den Ausgangsverbindungen und im resultierenden IPDF.
Somit kann man sich die Biosynthese von Isoprenoiden als eine Art biochemischen „Modellierer-Konstrukteur“ vorstellen. Zunächst werden flexible lineare Strukturen unterschiedlicher Länge aus einheitlichen C5-Modulen hergestellt. Sie stellen ein nahezu ideales Material für "biochemisches Design" und die Bildung vieler Varianten zyklischer Strukturen dar.
Pflanzen nutzen beide Varianten der Isoprenoidbildung: Im Cytosol verläuft die Synthese auf dem klassischen Weg, in Plastiden auf dem alternativen Weg. In diesem Fall ist es nicht nur möglich, die Synthese von Isoprenoiden in verschiedenen Kompartimenten der Zelle zu duplizieren, sondern sie auch nach der Art der synthetisierten Strukturen zu trennen. Triterpenoide (einschließlich Steroide) werden im Cytosol aus Mevalonat synthetisiert, während Diterpenoide (einschließlich Chlorophyllphytol) und Tetraterpenoide (hauptsächlich Carotinoide) in Plastiden über einen alternativen Weg synthetisiert werden. Mono- und Sesquiterpene können je nach Molekülstruktur und Pflanzenart wahrscheinlich auf unterschiedliche Weise gebildet werden.
Biosynthese von Phenolverbindungen. Bis heute sind zwei Wege zur Bildung von Phenolverbindungen bekannt – Shikimat (über Shikimisäure) und Acetat-Malonat. Der Hauptweg ist Shikimat, das praktisch der einzige Weg ist, einen aromatischen Ring zu bilden. Die Ausgangsverbindungen für die Synthese sind Phosphoenolpyruvat (PEP) und Erythrose-4-phosphat. Wenn sie kondensieren, wird eine Säure mit sieben Kohlenstoffatomen (2-Keto-3-desoxy-7-phosphoaraboheptansäure) gebildet, die dann zu 5-Dehydrochinasäure cyclisiert. Aus Dehydrochinasäure wird Shikiminsäure gebildet, die einen sechsgliedrigen Ring und eine Doppelbindung aufweist und leicht in aromatische Verbindungen umgewandelt werden kann. Aus Shikiminsäure ist die Bildung von Hydroxybenzoesäuren möglich - n-Hydroxybenzoesäure, Protocatechusäure, Gallussäure. Der Hauptweg der Verwendung von Shikimisäure ist jedoch die Bildung der aromatischen Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin durch Prefeninsäure. Phenylalanin (möglicherweise in einigen Fällen Tyrosin) ist der Hauptvorläufer für die Synthese von Phenolverbindungen. Die Desaminierung von Phenylalanin wird durch das Enzym Phenylalanin-Ammoniak-Lyase (PAL) durchgeführt. Dadurch entsteht Zimtsäure, deren Hydroxylierung zur Bildung von Para-Cumarinsäure (Hydroxyzimtsäure) führt. Nach weiterer Hydroxylierung und anschließender Methylierung werden daraus die restlichen Hydroxyzimtsäuren gebildet.
Hydroxyzimtsäuren stellen das zentrale Glied in der Synthese aller phenolischen Verbindungen in der Zelle dar. Opto-Cumarinsäure ist eine Vorstufe von Cumarinen. Nach einer Reihe von Verkürzungsreaktionen des aliphatischen Teils des Moleküls werden C6-C2- und C6-C1-Verbindungen gebildet - dies ist der zweite Weg zur Bildung von Hydroxybenzoesäuren (der erste direkt aus Shikiminsäure). Hydroxyzimtsäuren können verschiedene Konjugate bilden, hauptsächlich mit Zuckern, aber die meisten Hydroxyzimtsäuren werden durch Wechselwirkung mit CoA aktiviert. Zwei Hauptwege zur Verwendung von CoA-Estern von Hydroxyzimtsäuren sind die Synthese von Ligninen und die Synthese von Flavonoiden. Für die Synthese von Ligninen werden CoA-Ester von Hydroxyzimtsäuren zu Alkoholen reduziert, die als Synthesemonomere fungieren. Bei der Synthese von Flavonoiden interagiert das CoA-Derivat der Hydroxyzimtsäure mit drei Molekülen Malonyl-CoA, um Chalcon zu bilden. Die Reaktion wird durch das Enzym Chalconsynthase katalysiert. Das resultierende Chalcon wird leicht in Flavanon umgewandelt. Aus Flavanonen werden andere Gruppen von Flavonoiden aufgrund von Hydroxylierungs-, Oxidations-Reduktions-Reaktionen gebildet. Dann kann das Molekül modifiziert werden - Glykosylierung, Methoxylierung usw.
Der Acetat-Malonat-Weg zur Synthese von Phenolverbindungen ist in Pilzen, Flechten und Mikroorganismen weit verbreitet. In Pflanzen ist es gering. Bei der Synthese von Verbindungen entlang dieses Weges wird Acetyl-CoA carboxyliert, um Malonylacetyl-CoA zu bilden. Dann tritt eine Kaskade ähnlicher Reaktionen auf, als Ergebnis wächst die Kohlenstoffkette und Poly- ?-Ketomethylenkette. Die Cyclisierung der Polyketidkette führt zur Bildung verschiedener phenolischer Verbindungen. Auf diese Weise werden Phloroglucinol und seine Derivate, einige Anthrachinone, synthetisiert. In der Struktur der Flavonoide wird Ring B über den Shikimat-Weg (aus Hydroxyzimtsäure) gebildet, während Ring A über den Acetat-Malonat-Weg gebildet wird.
Zwei Shikimatwege für die Synthese von Flavonoiden funktionieren in der Zelle – einer in Plastiden, der andere im Zytosol. Diese Kompartimente enthalten einen vollständigen Satz von Isoenzymen des Shikimatwegs sowie Enzyme des Phenolstoffwechsels, einschließlich PAL und Chalconsynthase. Somit gibt es in einer Pflanzenzelle zwei parallele Syntheseketten von Phenolverbindungen (ähnlich wie bei Isoprenoiden).
Synthese kleinerer Klassen sekundärer Verbindungen. Auch die Bildung dieser Stoffe ist recht gut untersucht. Die Ausgangsmaterialien für viele stickstoffhaltige Verbindungen sind Aminosäuren. Beispielsweise beginnt die Synthese von cyanogenen Glykosiden mit der Decarboxylierung der entsprechenden Aminosäure, dann Aldoxim, Nitril und ?-Hydroxynitril. In der letzten Stufe der Synthese entsteht durch Glykosylierung ein cyanogenes Glykosid ?-Hydroxynitril mit UDP-Glucose. Die Synthese erfolgt in der Regel durch einen Enzymkomplex: Bei Durrin beispielsweise besteht dieser Komplex aus vier Enzymen. Die Enzymgene wurden geklont. Arabidopsis, das für zwei Gene transgen ist, erwarb die Fähigkeit, cyanogene Glykoside zu synthetisieren. Die Synthese von Betalainen geht von Tyrosin aus, das unter Bildung von Dihydroxyphenylalanin (DOPA) hydroxyliert wird. DOPA dient als Quelle für zwei Fragmente des Betacyanin-Moleküls – Betalaminsäure und Cyclo-DOPA. Die Kombination dieser beiden Verbindungen führt zur Bildung von Betacyaninen. Bei der Synthese von Betaxanthinen kondensiert Betalaminsäure mit Prolin. Schwefelhaltige Sekundärmetabolite werden üblicherweise aus schwefelhaltigen Aminosäuren synthetisiert.
2. Forschungsmethoden
Die bromatometrische Bestimmung von Phenol hat eine große praktische Anwendung. Die Bestimmung von Phenol beruht darauf, dass ein Überschuss eines Bromat-Bromid-Gemisches in die analysierte Lösung eingebracht wird, das im sauren Milieu freies Brom freisetzt. Das entstehende Brom reagiert mit Phenol:
C6H5OH + 3Br2 C6H2Br3OH + 3HBr
Wenn dieser Lösung Kaliumjodid zugesetzt wird, oxidiert überschüssiges, nicht umgesetztes Brom das Jodid zu Jod, das mit einer Standardlösung von Natriumthiosulfat titriert wird:
Br2 + 2I = 2Br + I2+ 2S2O = 2I + S4O
Reagenzien
Natriumthiosulfat 0,02 M Lösung (oder standardisiert)*
Bromat-Bromid-Gemisch.
Schwefelsäure 1 M Lösung
Stärke, 0,5 % Lösung
Kaliumjodid, KI (c)
Messkolben 500 ml
Kolben konisch 250-300 ml
Messzylinder 20 ml
Pipetten 20 und 25 ml
Bürette 25ml
Abschluss der Arbeiten
Eine Bromat-Bromid-Lösung kann durch Wiegen hergestellt werden: 0,334 g KBrO3 und 1,2 KBr werden in destilliertem Wasser gelöst und in einem 500-ml-Messkolben auf die Marke gebracht, in diesem Fall beträgt die Konzentration etwa 0,024 M. Um die gleiche Konzentration zu erhalten , kann die Lösung aus Fixanal KBrO3 - KBr 0,1 N hergestellt werden, aber in diesem Fall muss der Inhalt der verschlossenen Ampulle in 4 Liter destilliertem Wasser aufgelöst werden.
Zur Analyse wird ein Aliquot (10 ml) einer Lösung mit 0,02-0,4 g/l Phenol** in einen Erlenmeyerkolben pipettiert. 12 ml (mit einer Pipette) Bromat-Bromid-Mischung, 10 ml 1 M Schwefelsäurelösung, Stopfen zugeben und 30 Minuten stehen lassen. Dann fügen Sie 1 g Kaliumiodid hinzu, gewogen auf einer technischen Waage, und wieder Stopfen. Nach 5 Minuten wird das freigesetzte Jod mit einer Natriumthiosulfatlösung titriert, wobei am Ende der Titration, wenn die Farbe der Lösung hellgelb wird, 2-3 ml Stärkelösung zugegeben werden. Die Titration wird fortgesetzt, bis die blaue Farbe der Lösung verschwindet. Es werden drei Titrationen durchgeführt und aus den konvergierenden Ergebnissen das mittlere Volumen V1 berechnet.
3. Praktische Aufgabe
Sekundäre Metaboliten umfassen Antibiotika, Alkaloide, Pflanzenwachstumshormone und Toxine.
2. Die Proteinbiosynthese findet in Ribosomen statt.
3. Die Photosynthese findet im Blatt, in den Blattzellen, in den Chloroplasten statt, die den grünen Farbstoff Chlorophyll enthalten.
4. Die Einheit der Photosynthese ist das Quantosom.
Die anaerobe Phase der Atmung ist eine Abfolge von Reaktionen, die als Glykolyse bezeichnet werden.
Bei der Glykolyse wird ein Hexosemolekül in zwei Moleküle Brenztraubensäure umgewandelt:
С6Н12О6?2С3Н4О2 + 2H2.
Dieser oxidative Prozess kann unter anaeroben Bedingungen stattfinden.
Fazit
Als Ergebnis der abgeschlossenen Kursarbeit habe ich gelernt, was Sekundärmetaboliten sind, sowie die Eigenschaften von Sekundärmetaboliten, zu denen gehören: relativ niedriges Molekulargewicht (eine Ausnahme sind beispielsweise hochmolekulare Polyisoprenoide: Kautschuk, Guttapercha , Chicle); nicht unbedingt in jedem Organismus vorhanden (manche Sekundärmetaboliten sind weit verbreitet, zB kommen viele Phenylpropanoide in fast allen Pflanzen vor); sind in der Regel biologisch aktive Substanzen; aus Primärmetaboliten synthetisiert.
Diese Zeichen sind nicht zwingend, aber zusammengenommen umreißen sie ganz klar das Spektrum der sekundären Pflanzenstoffe.
In Pflanzen sind sekundäre Pflanzenstoffe an der Wechselwirkung der Pflanze mit der Umwelt, Abwehrreaktionen (z. B. Gifte) beteiligt. Dazu gehören folgende Klassen: Alkaloide, Isoprenoide, Phenolverbindungen, Nebenverbindungen (es gibt 10-12 Gruppen, insbesondere: Nicht-Protein-Aminosäuren, biogene Amine, cyanogene Glykoside, Senfölglykoside (Isothiocyanate), Betalaine, Cyanolipide, Acetogenine , Acetylenderivate, Allicine, Acetophenone, Thiophene, ungewöhnliche Fettsäuren usw.)
Synthese von phenolischen Alkaloiden biochemisch
Verzeichnis der verwendeten Literatur
1."Mikrobiologie: ein Wörterbuch der Begriffe", Firsov N.N., M: Bustard, 2006
2.Medizinische Rohstoffe pflanzlichen und tierischen Ursprungs. Pharmakognosie: Lehrbuch / hrsg. G. P. Jakowlewa. St. Petersburg: SpecLit, 2006. 845 p.
.Shabarova ZA, Bogdanov AA, Zolotukhin AS Chemische Grundlagen der Gentechnik. - M.: Verlag der Staatlichen Universität Moskau, 2004, 224 p.
4.Chebyshev N.V., Grineva G.G., Kobzar M.V., Gulyankov S.I. Biologie M., 2000
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EINE DEFINITION
Aus Sicht der Biogenese werden Antibiotika als Sekundärmetabolite betrachtet. Sekundäre Metaboliten sind niedermolekulare Naturstoffe, die 1) nur von bestimmten Arten von Mikroorganismen synthetisiert werden; 2) üben 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.
Primärmetabolite sind die normalen Produkte des Zellstoffwechsels, wie Aminosäuren, Nukleotide, Coenzyme usw., die für das Zellwachstum notwendig sind.
B. BEZIEHUNG ZWISCHEN DER PRIMÄREN
UND SEKUNDÄRER STOFFWECHSEL
Das Studium der Antibiotika-Biosynthese besteht darin, die Abfolge enzymatischer Reaktionen festzulegen, während derer ein oder mehrere primäre Metaboliten (oder Zwischenprodukte ihrer Biosynthese) in ein Antibiotikum umgewandelt werden. Dabei ist zu bedenken, dass die Bildung von Sekundärmetaboliten, insbesondere in großen Mengen, mit erheblichen Veränderungen im Primärstoffwechsel der Zelle einhergeht, da in diesem Fall die Zelle den Ausgangsstoff synthetisieren, Energie beispielsweise in Form von liefern muss ATP und reduzierte Coenzyme. Es ist daher nicht überraschend, dass beim Vergleich von Stämmen, die Antibiotika synthetisieren, mit Stämmen, die nicht in der Lage sind, sie zu synthetisieren, signifikante Unterschiede in den Konzentrationen von Enzymen gefunden werden, die nicht direkt an der Synthese eines bestimmten Antibiotikums beteiligt sind.
B. WICHTIGSTE BIOSYNTHETISCHE WEGE
Enzymatische Reaktionen in der Biosynthese von Antibiotika unterscheiden sich prinzipiell nicht von Reaktionen, bei denen primäre Metabolite gebildet werden. Sie können als Variation betrachtet werden
Reaktionen der Biosynthese von Primärmetaboliten, natürlich mit einigen Ausnahmen (z. B. gibt es Antibiotika, die eine Nitrogruppe enthalten - eine funktionelle Gruppe, die in Primärmetaboliten nie vorkommt und die während der spezifischen Oxidation von Aminen gebildet wird).
Mechanismen für die Biosynthese von Antibiotika können in drei Hauptkategorien eingeteilt werden.
1. Antibiotika, die von einem einzigen primären Metaboliten abgeleitet sind. Der Weg ihrer Biosynthese besteht aus einer Abfolge von Reaktionen, die das Ausgangsprodukt in gleicher Weise modifizieren wie bei der Synthese von Aminosäuren oder Nukleotiden.
2. Antibiotika, die aus zwei oder drei verschiedenen primären Metaboliten gewonnen werden, die modifiziert und kondensiert werden, um ein komplexes Molekül zu bilden. Ähnliche Fälle werden im Primärstoffwechsel bei der Synthese bestimmter Coenzyme wie Folsäure oder Coenzym A beobachtet.
3. Antibiotika, die aus Polymerisationsprodukten mehrerer ähnlicher Metaboliten unter Bildung einer Grundstruktur entstehen, die während anderer enzymatischer Reaktionen weiter modifiziert werden kann.
Als Ergebnis der Polymerisation werden vier Arten von Antibiotika gebildet: 1) Polypeptid-Antibiotika, die durch Kondensation von Aminosäuren gebildet werden; 2) Antibiotika, gebildet aus Acetat-Propionat-Einheiten in Polymerisationsreaktionen ähnlich der Fettsäure-Biosynthesereaktion; 3) Terpenoid-Antibiotika, abgeleitet von Acetateinheiten bei der Synthese von Isoprenoid-Verbindungen; 4) Aminoglycosid-Antibiotika, die in Kondensationsreaktionen ähnlich den Reaktionen der Polysaccharid-Biosynthese gebildet werden.
Diese Prozesse ähneln Polymerisationsprozessen, die die Bildung einiger Komponenten der Membran und der Zellwand ermöglichen.
Hervorzuheben ist, dass die durch Polymerisation erhaltene Grundstruktur meist weiter modifiziert wird; es kann sogar durch Moleküle verbunden werden, die durch andere Biosynthesewege produziert werden. Glykosid-Antibiotika sind besonders verbreitet – Kondensationsprodukte eines oder mehrerer Zucker mit einem auf Weg 2 synthetisierten Molekül.
D. SYNTHESE VON FAMILIEN VON ANTIBIOTIKA
Häufig synthetisieren Mikroorganismenstämme mehrere chemisch und biologisch verwandte 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 Laufe der folgenden Stoffwechselwege.
1. Biosynthese eines „Schlüssel“-Metaboliten in einem der im vorherigen Abschnitt beschriebenen Stoffwechselwege.
Rifamycin U
 |
|||
oxid.
Reis. 6.1. Beispiel Stoffwechselbaum: Biosynthese von Rifamycin (Erklärung siehe Text; Strukturformeln relevanter Verbindungen sind in Abb. 6.17 und 6.23 dargestellt).
2. Modifikation eines Schlüsselmetaboliten durch recht übliche Reaktionen, z. B. durch Oxidation einer Methylgruppe zu einem Alkohol und dann zu einer Carboxylgruppe, Reduktion von Doppelbindungen, Dehydrierung, Methylierung, Veresterung usw.
3. Derselbe Metabolit kann das Substrat von zwei oder mehr dieser Reaktionen sein, was zur Bildung von zwei oder mehr unterschiedlichen Produkten führt, die wiederum unter Beteiligung von Enzymen verschiedene Umwandlungen durchlaufen können, wodurch ein "Stoffwechselbaum" entsteht.
4. Derselbe Metabolit kann auf zwei (oder mehr) verschiedenen Wegen gebildet werden, wobei nur
die Reihenfolge der enzymatischen Reaktionen, aus denen das "metabolische Netzwerk" entsteht.
Die recht eigentümlichen Konzepte des metabolischen Baums und des metabolischen Netzwerks lassen sich an folgenden Beispielen erklären: Die Biogenese der Rifamycin-Familie (Baum) und der Erythromycine (Netzwerk). Der erste Metabolit in der Biogenese der Rifamycin-Familie ist Protorifamycin I (Abb. 6.1), das als Schlüsselmetabolit angesehen werden kann. Der Reihe nach
Reaktionen, deren Reihenfolge unbekannt ist, wird Protorifamycin I in Rifamycin W und Rifamycin S umgewandelt, wodurch ein Teil der Synthese unter Verwendung eines einzigen Wegs ("Stamm" des Baums) abgeschlossen wird. Rifamycin S ist der Ausgangspunkt für die Verzweigung mehrerer alternativer Wege: Durch Kondensation mit einem Zwei-Kohlenstoff-Fragment entstehen Rifamycin O und Raphimycin L und B. Letzteres wird durch Oxidation der Anza-Kette zu Rifamycin Y. 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 (Abb. 6.2) in ErythromycinA (den komplexesten Metaboliten) umgewandelt wird: 1) Glykosylierung an Position 3 pu
die der Kondensation mit Mycarosis (Mic.) (Reaktion I); 2) Umwandlung von Mycarose in Cladinose (clad.) durch Methylierung (Reaktion II); 3) Umwandlung von Erythronolid B zu Erythronolid A (Er.A) als Ergebnis der Hydroxylierung an Position 12 (Reaktion III); 4) Kondensation mit Deosamin (Des.) in Position 5 (Reaktion IV).
Da die Reihenfolge dieser vier Reaktionen variieren kann, sind unterschiedliche Stoffwechselwege möglich, die zusammengenommen das in Abb. 6.2. Es sei darauf hingewiesen, dass es auch Pfade gibt, die eine Kombination aus einem Baum und einem Netzwerk sind.
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