Microbiología. Metabolismo primario y secundario y productos metabólicos Metabolitos secundarios
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Ministerio de Agricultura de la Federación de Rusia
Departamento de Política y Educación de Ciencia y Tecnología
Institución Educativa Presupuestaria del Estado Federal de Educación Superior
"Universidad Agraria Estatal de Volgogrado"
Facultad: Biotecnología y Medicina Veterinaria
Departamento: "Pericia Sanitaria Veterinaria, Enfermedades Infecciosas y Morfología"
REPORTE
Disciplina: "Biotecnología"
sobre el tema: "Metabolitos primarios y secundarios de microorganismos"
Realizado:
E.S. Ponysheva
Comprobado:
Marina Efimovna Spivak
Volgogrado 2018
Biotecnología para la obtención de metabolitos primarios
Los metabolitos primarios son compuestos de bajo peso molecular necesarios para el crecimiento de microorganismos: algunos de ellos son los componentes básicos de las macromoléculas, otros están involucrados en la síntesis de coenzimas. Entre los metabolitos primarios más importantes para la industria, se pueden destacar las enzimas, los aminoácidos y las vitaminas.
Producción de aminoácidos
En la industria se obtienen aminoácidos:
1) hidrólisis de materias primas que contienen proteínas naturales; 2) síntesis química; 3) síntesis microbiológica; 4) biotransformación de precursores de aminoácidos utilizando microorganismos o aislados de ellos.
El más prometedor y económicamente beneficioso es la síntesis microbiológica de aminoácidos. Su ventaja radica en la posibilidad de obtener L-aminoácidos a partir de materias primas renovables. Entre los productores de aminoácidos se encuentran levaduras (30%), actinomicetos (30%), bacterias (20%). Brevibacterium flavum y Corynebacterium glutamicum convierten más de un tercio de los azúcares en lisina. Para la selección de productores, se utilizan microorganismos pertenecientes a los géneros Micrococcus, Brevibacterium, Corynebacterium, Arthrobacter.
Producción de vitaminas
Las vitaminas son un grupo de compuestos orgánicos insustituibles de diversa naturaleza química, necesarios para cualquier organismo en concentraciones insignificantes y que desempeñan funciones catalíticas y reguladoras en él. Solo los organismos autótrofos tienen la capacidad de sintetizar vitaminas. Casi todas las vitaminas conocidas se pueden obtener mediante un método microbiológico. Sin embargo, es más viable económicamente obtener vitaminas aislándolas de fuentes naturales o mediante síntesis química. Con la ayuda de microorganismos, es recomendable obtener vitaminas de estructura compleja: β-caroteno, B2, B12 y precursores de vitamina D.
Producción de ácidos orgánicos
En la actualidad, una serie de ácidos orgánicos se obtienen a escala industrial mediante métodos biotecnológicos. De estos, los ácidos cítrico, glucónico, cetoglucónico e itacónico se obtienen solo por métodos microbiológicos, los ácidos láctico, salicílico y acético, tanto químico como microbiológico, málico, por métodos químicos y enzimáticos. El ácido acético es producido por Acetobacter y Gluconobacter, el ácido cítrico es producido por Aspergillus niger, Aspergillus wentii y el ácido láctico es producido por Lactobacillus delbrueckii.
Biotecnología para la obtención de metabolitos secundarios
Los principios de obtención se basan en las peculiaridades de su formación por células de microorganismos. La biosíntesis de metabolitos secundarios es específica de fase y ocurre después de la finalización de la etapa de crecimiento, en idiofase, por lo que se denominan idiolitos.
Recibir antibióticos
Los antibióticos son la clase más grande de compuestos farmacéuticos sintetizados por células microbianas. Esta clase incluye agentes antimicóticos, medicamentos contra el cáncer y alcaloides. Se utilizan en el cultivo de plantas, la cría de animales, la medicina veterinaria, la industria alimentaria y la medicina.
Hay varias formas de obtener antibióticos tanto naturales como semisintéticos:
1) fermentación del microorganismo productor con un precursor adecuado, que induce la síntesis de antibióticos en idiofase;
2) el uso de mutantes bloqueados. En quien se bloquea la síntesis del antibiótico deseado. Utilizando la baja especificidad de sustrato de las enzimas e introduciendo análogos de precursores de antibióticos, se convierten en análogos del propio antibiótico.
Este proceso se llama biosíntesis o mutasíntesis:
a) se asume la secuencia de reacciones que conducen a la síntesis del antibiótico;
b) la ausencia de síntesis de antibióticos en el mutante "bloqueado"; c) síntesis de un antibiótico modificado después de la introducción de un análogo precursor (D *)
Obtención de esteroides de importancia industrial
Los esteroides son un gran grupo de compuestos biológicamente importantes, que incluyen hormonas sexuales, glucósidos cardíacos, ácidos biliares, vitaminas, alcaloides y reguladores del crecimiento de las plantas. Los esteroides se basan en el esqueleto de perhidrociclopentanofenantreno.
Biotransformación: reacciones de transformación de los compuestos orgánicos originales (precursores) en el producto objetivo utilizando células de organismos vivos o enzimas aisladas de ellos. La capacidad de las células microbianas para la biotransformación altamente específica se utiliza en la producción de esteroides. El uso de la estereoespecificidad absoluta y la especificidad del sustrato de las enzimas celulares hizo posible desarrollar las condiciones para la implementación de muchas reacciones químicas para las reordenaciones estructurales de los esteroides. Como resultado, se obtuvieron nuevos compuestos con mejores propiedades farmacológicas.
Enzimas
Las enzimas son catalizadores biológicos. Catalizan miles de reacciones químicas que componen el metabolismo de un microorganismo. Actualmente, se conocen alrededor de dos mil enzimas.
Las enzimas son proteínas con pesos moleculares que oscilan entre 10.000 y varios millones. El nombre de la enzima viene dado por la sustancia sobre la que actúa con un cambio en la terminación a "aza". Por ejemplo, la celulasa cataliza la hidrólisis de celulosa a celobiosa, la ureasa cataliza la hidrólisis de urea (urea) a amoníaco y CO2, etc. Sin embargo, más a menudo la enzima recibe un nombre que indica la naturaleza de la reacción química catalizada por ella.
La clasificación moderna de enzimas también se basa en la naturaleza de las reacciones que catalizan. Según la clasificación desarrollada por la Comisión de Enzimas de la Unión Bioquímica Internacional, se dividen en seis clases principales.
Oxidorreductasa son enzimas que catalizan reacciones redox. Desempeñan un papel importante en la producción de energía biológica. Estos incluyen deshidrogenasas (NAD, NADP, FAD), citocromos (b, c, c1 a, a3) d enzimas involucradas en la transferencia de hidrógeno, electrones y oxígeno, etc.
Transferasas. Catalizan la transferencia de radicales individuales, partes de moléculas o grupos atómicos completos de un compuesto a otro. Por ejemplo, las acetiltransferasas transfieren los residuos de ácido acético - CH3CO, así como moléculas de ácidos grasos; las fosfotransferasas, o quinasas, provocan la transferencia de residuos de ácido fosfórico H2P032-. Se conocen muchas otras transferasas (aminotraisferasas, fosforilasas, etc.).
Hidrolasas Catalizar las reacciones de escisión y síntesis de compuestos complejos como proteínas, grasas y carbohidratos, con la participación de agua. Esta clase incluye enzimas proteolíticas (o péptido hidrolasas) que actúan sobre proteínas o péptidos; hidrolasas de glucósidos, que realizan la escisión catalítica de carbohidratos y glucósidos (β-fructofuranosidasa, β-glucosidasa, α- y β-amilasa, β-galactosidasa, etc.); esterasas que catalizan la escisión y síntesis de ésteres (lipasas, fosfatasas).
Lyases incluyen enzimas que catalizan la escisión de ciertos grupos químicos de sustratos con la formación de dobles enlaces o la adición de grupos individuales o radicales a dobles enlaces. Por lo tanto, la piruvato descarboxilasa cataliza la eliminación de CO2 del ácido pirúvico:
Las liasas también incluyen la enzima aldolasa, que divide la molécula de seis carbonos de fructosa-1,6-difosfato en dos compuestos de tres carbonos. La aldolasa es de gran importancia en el proceso metabólico.
Isomerasa llevar a cabo la conversión de compuestos orgánicos en sus isómeros. Durante la isomerización, se produce el movimiento intramolecular de átomos, grupos atómicos, varios radicales, etc. Se isomerizan los carbohidratos y sus derivados, ácidos orgánicos, aminoácidos, etc. Las enzimas de este grupo juegan un papel importante en varios procesos metabólicos. Estos incluyen triosa fosfato isomerasa, glucosa fosfato isomerasa, etc.
Ligasas Catalizar la síntesis de compuestos orgánicos complejos a partir de compuestos simples. Por ejemplo, la asparagina sintetasa sintetiza amida de asparagina a partir de ácido aspártico y amoníaco con la participación obligatoria de ácido adenosina trifosfórico (ATP), que proporciona energía para esta reacción:
Ácido aspártico + NH3 + ATP - * asparagina + ADP + H3P04
El grupo de ligasas también incluye carboxilasas que catalizan la adición de CO2 a varios ácidos orgánicos. Por ejemplo, la enzima piruvato carboxilasa cataliza la síntesis de ácido oxaloacético a partir de ácido pirúvico y CO2.
De acuerdo con su estructura, las enzimas se dividen en dos grandes clases:
1) que son proteínas simples,
2) que son proteínas complejas.
La primera clase incluye enzimas hidrolíticas, la segunda clase, más numerosa, enzimas que llevan a cabo funciones de oxidación y participan en las reacciones de transferencia de varios grupos químicos. Las enzimas de segunda clase, además de la parte proteica llamada apoenzima, también tienen un grupo no proteico que determina la actividad de la enzima: un cofactor. Por separado, estas partes (proteicas y no proteicas) carecen de actividad enzimática. Adquieren las propiedades características de las enzimas solo después de combinarse. El complejo de una apoenzima con un cofactor se llama holoenzima.
Los cofactores pueden ser iones metálicos (Fe, Cu, Co, Zn, Mo, etc.) o compuestos orgánicos complejos llamados coenzimas, o ambos. Las coenzimas suelen desempeñar el papel de portadores intermedios de electrones, átomos, grupos que, como resultado de una reacción enzimática, se mueven de un compuesto a otro. Algunas coenzimas están estrechamente unidas a la proteína enzimática; se denominan grupo protésico de la enzima. Muchas coenzimas son idénticas o se derivan de determinadas vitaminas B.
Las coenzimas incluyen, por ejemplo, los grupos activos de deshidrogenasas - dinucleótido de nicotinamida adenina (NAD) o fosfato de dinucleótido de nicotinamida adenina (NADP). Estas coenzimas incluyen el ácido nicotínico, una de las vitaminas B. Las vitaminas también se encuentran en otras coenzimas. Entonces, la tiamina (vitamina B1) es parte de la tiamina pirofosfoquinasa, que participa en el metabolismo del ácido pirúvico, el ácido pantoténico es un componente de la coenzima A y la riboflavina (vitamina B2) es un grupo protésico de enzimas flavoproteicas. La importancia de las vitaminas en la nutrición de los organismos vivos se debe precisamente a que están contenidas en coenzimas.
Según los conceptos modernos, las enzimas aceleran las reacciones químicas, reduciendo la energía de activación libre (la cantidad de energía necesaria para transferir a una temperatura determinada todas las moléculas de un mol de una sustancia a un estado activado).
La principal propiedad de las enzimas que las distingue de otros catalizadores es la especificidad de las reacciones enzimáticas que catalizan. Cada enzima cataliza solo una reacción específica.
Debido a la alta especificidad de las reacciones enzimáticas, se cree que el sitio de la molécula de la enzima, llamado centro catalítico, al que se une la molécula de sustrato, tiene una determinada configuración espacial que se ajusta solo a la molécula de sustrato y no corresponde a ninguna. otras moléculas.
La actividad de las enzimas depende de varios factores: la concentración relativa de la enzima y el sustrato, temperatura, pH, etc. Cada enzima tiene su propia temperatura y pH óptimos. Muchas reacciones enzimáticas son reversibles, aunque la actividad enzimática rara vez es la misma en ambas direcciones.
A pesar de su pequeño tamaño, cada célula de un microorganismo puede producir muchas enzimas diferentes con diferentes funciones. Por lo general, las enzimas involucradas en el metabolismo están contenidas en una célula del cuerpo y, por lo tanto, se denominan enzimas intracelulares o endoenzimas. Algunas enzimas son secretadas por las células de los microorganismos al medio ambiente y se denominan enzimas extracelulares o exoenzimas. Como regla general, las enzimas hidrolíticas se liberan al ambiente externo, descomponiendo compuestos con un gran peso molecular, que no pueden penetrar en la célula del microorganismo. Los productos de descomposición son absorbidos fácilmente por la célula y se utilizan como nutrientes.
Las enzimas juegan un papel importante en la nutrición de microorganismos. Una gran cantidad de diversas enzimas sintetizadas por las células de los microorganismos les permite utilizar numerosos compuestos para la nutrición (carbohidratos, proteínas, grasas, ceras, aceite, parafinas, etc.) dividiéndolos.
Producción de aminoácidos
La producción de aminoácidos en el mundo está en constante crecimiento y actualmente asciende a unas 400 mil toneladas / año, aunque se estima que la demanda de los mismos es mucho mayor. Como ya se señaló, la falta de aminoácidos (especialmente los esenciales) en la dieta afecta negativamente el crecimiento y el desarrollo. Por tanto, la adición a la alimentación animal de varias fracciones de un% de ácido deficiente puede incrementar el valor alimenticio de las proteínas más del doble. De todos los métodos posibles de obtención de aminoácidos (químicamente, microbiológicos, etc.), se da preferencia al microbiológico: aunque la organización de la producción microbiana no puede llamarse simple, su ventaja radica en la síntesis de (L-aminoácidos) ópticamente puros. , mientras que la síntesis química produce una mezcla racémica de L- y D-aminoácidos, que son difíciles de separar. La síntesis microbiana de aminoácidos se basa en el cultivo de un productor estrictamente definido del ácido diana en un medio de una composición determinada con parámetros de fermentación estrictamente definidos. Los productores son cepas bacterianas obtenidas por selección de mutantes o utilizando métodos de ingeniería genética. Las bacterias mutantes, por un lado, han perdido la capacidad de sintetizar de forma independiente algunas sustancias y, por otro lado, han adquirido la capacidad de sobre-sintetizar el aminoácido diana. Ya en los años 70 del siglo pasado, se obtuvieron microbios superproductores de los géneros Brevibacterium, Corynebacterium, Micrococcus y otros con la ayuda de los cuales es posible producir todos los aminoácidos conocidos. Actualmente, existen superproductores en los que la cantidad de proteína específica sintetizada alcanza el 10-50% (aquí el papel más importante lo juegan los plásmidos de múltiples copias que llevan genes insertados).
La tecnología para la obtención de aminoácidos se basa en los principios de fermentación de productores y el aislamiento de metabolitos primarios, es decir, el cultivo madre se propaga primero en medio agar en tubos de ensayo, luego en medio líquido en frascos, inoculadores e inoculantes. , y luego en los principales fermentadores. Si el aminoácido se proporciona como aditivo al alimento, entonces el proceso biotecnológico del producto alimenticio incluye las siguientes etapas: fermentación, estabilización del aminoácido en el líquido de cultivo antes de la evaporación, evaporación al vacío, estandarización de la solución evaporada agregando un relleno, secado y envasado del producto terminado, que no debe contener más del 10% de la sustancia principal. Si el aminoácido se usa como fármaco, se obtienen cristales puros aislados, que se secan al vacío y se envasan.
Hay dos métodos conocidos para producir aminoácidos: una etapa y dos etapas. Según el primer método, por ejemplo, una cepa auxotrófica mutante, productora de aminoácidos, se cultiva en un entorno óptimo para la biosíntesis.
En un método de dos etapas, el microbio productor se cultiva en un medio donde recibe y sintetiza todos los ingredientes necesarios para la posterior síntesis del producto objetivo. El esquema del proceso de dos etapas se puede presentar de la siguiente manera: si las enzimas de la biosíntesis de aminoácidos se acumulan intracelularmente, luego de la primera etapa, las células se separan, se desintegran y se usa el jugo celular. En otros casos, las células se utilizan directamente para la biosíntesis de productos objetivo.
El ácido glutámico es el primer aminoácido derivado microbiológicamente. No se han obtenido mutantes que proporcionen una sobre síntesis de este ácido, y la "sobreproducción" de este aminoácido está asociada con condiciones especiales bajo las cuales se interrumpe la síntesis de fosfolípidos de membrana. El ácido glutámico es sintetizado exclusivamente por los cultivos de Corynebacterium glutamicum y Brevibacterium flavum. Los sustratos para su producción son la glucosa y el ácido acético, ya principios de los años 60. del siglo pasado, también se utilizaron n-parafinas. Las condiciones especiales para el crecimiento de cultivos se crean mediante la adición de penicilina al líquido de cultivo, que suprime la síntesis de la pared celular, o una disminución (en comparación con la concentración óptima) de biotina (vitamina B7) en el medio, que induce cambios estructurales y funcionales en la membrana celular, aumentando así su permeabilidad al ácido glutámico que sale de la célula en el fluido de cultivo. La sal sódica del ácido glutámico se usa ampliamente en la industria alimentaria para mejorar el sabor de los alimentos enlatados y congelados.
Vitaminas
Las vitaminas son sustancias orgánicas de bajo peso molecular que tienen actividad biológica. En el medio natural, las fuentes de estos representantes de BAS son plantas y microorganismos. En la industria, las vitaminas se obtienen principalmente por síntesis química. Sin embargo, también tiene lugar la producción microbiológica de estos compuestos. Por ejemplo, las menaquinonas y las cobalaminas son productos exclusivamente microbianos. Microbiológicamente se obtienen pocas vitaminas: B12 (cianocobalamina), B2 (riboflavina), vitamina C y ergosterol.
Una dirección bastante prometedora en biotecnología es la síntesis microbiológica de biotina, que se utiliza en la cría de animales como aditivo para piensos. Actualmente, para obtener biotina, recurren a la síntesis química.
Vitamina B12
La producción mundial de vitamina B12 es de 9-11 mil kg por año. Aproximadamente la mitad de ellos se utilizan con fines médicos, el resto se utiliza en la cría de animales como aditivos alimentarios.
Se encontraron productores naturales de vitamina B12 entre las bacterias del ácido propiónico p. Propionibacterium, que sintetiza de 1 a 8 mg / L de esta vitamina. El mutante P. shermanii M82 se obtuvo con la ayuda de métodos de selección genética, lo que da hasta 60 mg / L del producto.
El productor B. rettgerii también se utiliza para la síntesis microbiológica de B12. Los actinomicetos y microorganismos relacionados también se utilizan como productores activos de vitamina B12: mediante mutaciones y selección escalonada se obtuvo la cepa Nocardia rugosa, acumulando hasta 18 mg / l de B12.
Se encontraron productores activos de B12 entre los representantes de Micromonospora.
Los representantes de los metanótrofos Methanosarcina, Methanococcus tienen una alta productividad natural, entre los que se ha aislado la cepa Methanococcus halophilus, que tiene el nivel de producción más alto entre las cepas naturales: 16 mg por 1 g de biomasa.
Cantidades significativas de B12 son sintetizadas por bacterias anaeróbicas p. Clostridium, que es especialmente eficaz para la tecnología.
Los productores activos de B12 son conocidos entre las Pseudomonas. En P. denitricans, se obtuvo un mutante, dando hasta 59 mg / L en un medio optimizado. La cepa está patentada por Merck para la producción industrial de B12.
En Rusia, el Propionibacterium freudenreichii es el más utilizado. Se cultivan sobre extracto de maíz y glucosa en condiciones anaeróbicas durante 72 h para el crecimiento del cultivo. En la segunda fase de síntesis, se introduce un precursor, una base nitrogenada específica, en el fermentador y se fermenta por otras 72 horas, luego se extrae B12 de la biomasa bacteriana y se purifica químicamente. Esta vitamina se utiliza con fines medicinales.
Para las necesidades de la cría de animales, la B12 se obtiene utilizando un cultivo mixto que contiene la bacteria Methanosarcina barkeri, Methanobacterium formicum. El contenido de B12 en cultivo alcanza los 6,5 mg / g de biomasa seca.
Riboflavina
La vitamina B2 es producida naturalmente por plantas, levaduras, hongos filamentosos y algunas bacterias.
Entre los procariotas, las micobacterias y las bacterias acetobutilos son productores bien conocidos de flavinas. Actinomicetos - Nocardia eritropolis. metabolito aminoácido vitamina enzima
Los hongos filamentosos incluyen Aspergillus niger y Eremothecium ashbyi.
La riboflavina producida microbiológicamente se utiliza exclusivamente como aditivo alimentario en la cría de animales. El principal productor de riboflavina para piensos es Eremothecium ashbyi, que se cultiva en harina de maíz o soja con aditivos minerales. El cultivo se realiza antes de la aparición de esporas. Sus mejores productores, obtenidos mediante mutaciones y selección escalonada, producen hasta 600 mg / L de producto. Luego, el líquido de cultivo se evapora y se utiliza como aditivo en polvo para la alimentación animal.
Ergosterol
El ergosterol es el precursor de la producción de vitamina D2 soluble en grasa. El ergosterol es también el principal esterol de la levadura, por lo que estos microorganismos son la principal fuente para el trabajo de reproducción. Entonces, Saccharomyces carlbergensis da hasta 4,3 mg / l, S. ellipsoideus - 1,5 mg / l, Rhodotorula glutinis - 1 mg / l, Candida utilis - 0,5 mg / l del producto.
La levadura más utilizada en la producción es Saccharomyces carlbergensis, así como S. cerevisiae.
En los últimos años, ha habido informes de la producción industrial de vitamina C. Se informa sobre la construcción mediante métodos de ingeniería genética del productor: los genes de Corynebacterium se transfirieron a Erw. herbicola.
La cepa recombinante combina la capacidad del ervinio para convertir la glucosa en ácido glucónico con la capacidad de las corinebacterias para convertir este último en ácido gulónico, que se convierte químicamente en ácido ascórbico.
Carotenoides
Los carotenoides son un grupo extenso de pigmentos naturales que son sintetizados por quimio y fotótrofos: procariotas, hongos filamentosos y levaduras, algas y plantas superiores.
Los carotenoides sintetizados por microorganismos existen en la célula en forma libre, así como en forma de glucósidos, en forma de ésteres de ácidos grasos y como complejos caroteno-proteína. El valor de estos compuestos para los mamíferos es que son fuente de vitamina A.
Hasta ahora, no se han creado verdaderos productores de carotenoides, y los carotenoides de microorganismos se aíslan de los microorganismos principalmente por extracción.
Actualmente, se han descrito alrededor de 500 carotenoides diferentes. Estructuralmente, los carotenoides son un cromóforo (o núcleo) combinado con residuos de isopreno. Una característica distintiva del cromóforo es la presencia de dobles enlaces conjugados. La intensidad del color de los carotenoides depende del número de estos enlaces. Por tanto, los carotenoides alifáticos que no contienen más de 5 enlaces conjugados son compuestos no teñidos.
Entre ellos, la fitoína y la fitofluína son las de mayor importancia. Los carotenoides sintetizados por Neurospora crassa tienen 9 enlaces conjugados y tienen un color amarillo brillante. Con un aumento de los dobles enlaces, el color aumenta a rojo y violeta.
Los carotenoides superiores tienen hasta 45-50 átomos de carbono en una molécula. Estos carotenoides incluyen sarcinaxantina producida por Sarcina lutea.
Algunos carotenoides pueden contener una agrupación terminal como la aleureaxantina del hongo Aleuria aurantia.
Otros carotenoides tienen un grupo hidroxi terminal como la hidroxifleixantina de Blakeslea trispora.
La ubicación de los carotenoides en las células de los microorganismos es diferente. Así, en los microorganismos fototróficos, los carotenoides se concentran en el aparato fotosintético. En los quimiotróficos, están asociados con la membrana celular. En algunos (Micrococcus radiodurans), se localizan en la pared celular. En hongos, en glóbulos lipídicos del citoplasma.
Los carotenoides desempeñan el papel de antioxidantes en la célula y la protegen del fenómeno de la peroxidación. Además, los carotenoides son cámaras trampa que recolectan energía luminosa.
Obtención de carotenoides en la industria
Los métodos tradicionales de obtención de carotenoides se reducen a la homogeneización de biomasa y extracción de carotenoides con disolventes polares (acetona, metanol). Los carotenoides individuales se obtienen por separación mediante cromatografía en capa fina sobre gel de sílice. El siguiente más común es la síntesis química de carotenoides.
Los productores tradicionales de síntesis microbiana de carotenoides son las bacterias, los hongos filamentosos y las levaduras. Entre las bacterias fototróficas se pueden destacar Chloroexus y algunas especies de Rhodopseudomonas. Este grupo de bacterias es interesante porque, dependiendo de la intensidad de la iluminación, la producción de carotenoides puede regularse en ellas.
Antibióticos
Los conceptos tradicionales de antibióticos, o sustancias antibióticas, están asociados con su uso generalizado en la medicina moderna y veterinaria. Algunos antibióticos se utilizan como estimulantes del crecimiento en animales, en la lucha contra las enfermedades de las plantas, en la conservación de alimentos y en la investigación científica (en el campo de la bioquímica, la biología molecular, la genética y la oncología).
La definición moderna del término "antibiótico" pertenece a M.M. Shemyakin y A.S. Khokhlov (1961), quien propuso considerar todos los productos metabólicos de cualquier organismo capaz de matar o suprimir selectivamente el crecimiento y desarrollo de microorganismos (bacterias, hongos, virus, etc.), así como algunas neoplasias malignas, como sustancias antibióticas.
De acuerdo con la clasificación, que se basa en la estructura química, todos los antibióticos descritos se pueden dividir en los siguientes grupos:
1) compuestos acíclicos (excepto ácidos grasos y terpenos);
2) compuestos alicíclicos (incluidas tetraciclinas);
3) compuestos aromáticos;
4) quinonas;
5) heterociclos oxigenados;
7) péptidos.
Se ha establecido la estructura química completa para un tercio de los antibióticos conocidos, y solo la mitad de ellos se puede obtener químicamente. Por tanto, el método microbiológico para la obtención de antibióticos es muy relevante.
La síntesis de antibióticos por microorganismos es una de las formas de antagonismo; asociado a una determinada naturaleza del metabolismo que surgió y se fijó en el curso de su evolución, es decir, es un rasgo hereditario, expresado en la formación de una o más específicas, estrictamente específicas para cada tipo de sustancias antibióticas. Al actuar sobre una célula microbiana extraña, el antibiótico provoca alteraciones importantes en su desarrollo. Algunos de los antibióticos son capaces de suprimir la síntesis de la membrana celular bacteriana durante el período de reproducción, otros afectan su membrana citoplasmática, cambiando la permeabilidad, algunos de ellos son inhibidores de reacciones metabólicas. A pesar del estudio intensivo del mecanismo de acción de varios antibióticos, su efecto sobre el metabolismo, incluso en las células bacterianas, que son los principales objetos de investigación, está lejos de ser completamente revelado.
Actualmente, se han descrito más de 3000 antibióticos, pero solo 150 de ellos han encontrado un uso práctico. A continuación consideraremos la tecnología de producción de aquellos que pertenecen a los productos del metabolismo de los microorganismos y han encontrado aplicación en la agricultura en forma de aditivos apropiados para la alimentación (antibióticos para piensos) y como productos fitosanitarios.
Durante muchos años, los antibióticos se han utilizado como estimulantes del crecimiento de animales de granja y aves de corral, como un medio para combatir las enfermedades de las plantas y la microflora extraña en varias industrias de fermentación, como conservantes de alimentos. Su uso en agricultura conduce a una disminución de la morbilidad y mortalidad, especialmente de animales jóvenes, y a una aceleración del crecimiento y desarrollo de animales y aves de corral, contribuye a una reducción en la cantidad de alimento consumido en un promedio de 5-10%. . Cuando se usan antibióticos en la cría de cerdos, de cada 1000 cerdos reciben adicionalmente 100 120 centavos de carne, de 1000 gallinas ponedoras, hasta 15 mil huevos por año. El mecanismo de la acción estimulante de las sustancias antibióticas tampoco puede considerarse completamente aclarado. Al parecer, el efecto estimulante del efecto de bajas concentraciones de antibióticos en el cuerpo del animal se asocia principalmente a dos factores: el efecto sobre la microflora intestinal o el efecto directo sobre el cuerpo del animal. En el primer caso, los antibióticos aumentan el número de microorganismos beneficiosos que sintetizan vitaminas y prevalecen sobre las formas patógenas. Reducen la cantidad de microbios dañinos para el cuerpo del animal que usan sustancias biológicamente activas y forman toxinas que tienen formas patógenas o condicionalmente patógenas. Los antibióticos afectan a los microorganismos presentes en el intestino, contribuyendo a la creación de cepas resistentes, menos dañinas para el animal, y alteran el metabolismo de los microbios presentes. Provocan el movimiento de microorganismos en los intestinos del animal; bajo su influencia, hay una disminución de las infecciones subclínicas, que a menudo ralentizan el desarrollo de los animales jóvenes, una disminución del pH del contenido intestinal, una disminución de la tensión superficial de las células del cuerpo, lo que contribuye a la aceleración de su división .
En el segundo caso, se observa una acción sinérgica de las hormonas en el cuerpo del animal, aumenta la cantidad de hormonas del crecimiento, se acelera el proceso de consumo de alimentos y aumenta la adaptabilidad del cuerpo a condiciones desfavorables. Bajo la influencia de los antibióticos, disminuye la necesidad de vitaminas del animal, aumenta la síntesis de vitaminas por los tejidos, se estimula la síntesis de azúcares y vitamina A a partir del caroteno, aumenta la tasa de síntesis de enzimas y se forman menos subproductos. Además, aumenta la capacidad de absorción de los tejidos, se estimula el consumo de metabolitos.
Los antibióticos para piensos se utilizan en forma de preparaciones crudas, que son biomasa seca del productor, que contienen, además del antibiótico, aminoácidos, enzimas, vitaminas B y otras sustancias biológicamente activas. Las preparaciones resultantes se estandarizan según la actividad o la cantidad de la sustancia principal incluida en su composición, teniendo en cuenta o no la presencia de vitamina B12 en ella. Todos los antibióticos para piensos producidos:
a) no se utilizan con fines terapéuticos y no causan resistencia cruzada de bacterias a antibióticos utilizados en medicina;
b) prácticamente no se absorbe en el torrente sanguíneo desde el tracto digestivo;
c) no cambian su estructura en el cuerpo;
d) no tienen una naturaleza antigénica que contribuya a la aparición de alergias.
Con el uso prolongado del mismo medicamento, existe el riesgo de microorganismos resistentes a los antibióticos. Para prevenirlo, las sustancias antibióticas utilizadas se cambian periódicamente o se utiliza una mezcla de antibióticos para mantener el efecto alcanzado inicialmente en el nivel requerido.
En la URSS, durante varias décadas, se han producido preparados alimenticios a base de clortetraciclina: biovit, o biomicina alimenticia, con diferentes contenidos iniciales de antibiótico y vitamina B12. Actualmente, la producción de antibióticos para piensos también se basa en otros fármacos no médicos, como bacitracina, grisina, higromicina B, etc.
Durante los últimos 20 años, los antibióticos se han utilizado como medio para combatir varios fitopatógenos. Las fuentes de infección de las plantas por microorganismos fitopatógenos son diferentes. Las semillas de la propia planta, que se van a sembrar, no son una excepción. El efecto de una sustancia antibiótica se reduce al retraso del crecimiento o muerte de los microorganismos fitopatógenos que se encuentran en las semillas y órganos vegetativos de la planta.
Los medicamentos resultantes deben ser altamente activos contra el agente causante de la enfermedad en el ambiente vegetal, inofensivos en las dosis utilizadas para la planta, capaces de mantener la actividad antibiótica durante el tiempo requerido y penetrar fácilmente en los tejidos vegetales correspondientes.
Entre las sustancias antibióticas que han encontrado un uso más extendido en la lucha contra los fitopatógenos se encuentran, en primer lugar, la fitobacteriomicina, la tricotecina y la polimicina.
El uso de antibióticos en la industria alimentaria puede reducir significativamente la duración del tratamiento térmico de varios productos alimenticios durante su envasado. Y esto, a su vez, asegura la mayor seguridad de las sustancias biológicamente activas presentes en ellos, el sabor, la consistencia de los productos. Los antibióticos utilizados actúan principalmente sobre bacterias clostridiales y termófilas resistentes al calor. El antibiótico más eficaz para el envasado de hortalizas se reconoce generalmente en la Federación de Rusia y en las tierras bajas del extranjero. No es tóxico para los humanos y puede reducir a la mitad el tiempo de cocción de las verduras. La tecnología para la producción de cualquier antibiótico no médico, excepto los utilizados en la industria alimentaria y conservera, se construye de acuerdo con un esquema único que prevé todas las etapas de cultivo industrial aséptico de la cepa productora y biosíntesis del antibiótico, preliminar procesamiento del líquido de cultivo, su evaporación al vacío, secado y estandarización del producto terminado mezclándolo con la cantidad requerida de relleno. Como estos últimos se utilizan habitualmente salvado, tortas oleaginosas de diversos cultivos y otras sustancias de naturaleza orgánica e inorgánica.
La dinámica de la acumulación de antibióticos en el líquido de cultivo en la inmensa mayoría de los casos tiene una forma típica de dependencia, característica de la biosíntesis de metabolitos secundarios, es decir, la máxima formación de biomasa en el tiempo precede a la máxima producción de antibiótico. Por lo tanto, en las primeras etapas de cultivo, el propósito de la producción es acumular la cantidad requerida de biomasa (prácticamente no hay antibiótico). La biosíntesis del antibiótico ocurre en la segunda etapa del cultivo industrial en los fermentadores principales, y el tiempo de biosíntesis puede ser 2-3 veces mayor que el tiempo dedicado al cultivo de la cepa productora.
Referencias
1. Biotecnología: taller / S. A. Akimova, G. M. Firsov. - Volgogrado: Volgogrado GAU, 2013 .-- 108 p.
2. Shevelukha V.S., Kalashnikova E.A., Voronin E.S. y otra biotecnología agrícola. - Libro de texto. M .: Escuela superior, 2008 .-- 469
3. Kalashnikova E.A., Kochieva E.Z., Mironova O.Yu. Taller de biotecnología agrícola, M .: KolosS, 2006, 149 p.
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Src = "https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-1.jpg" alt = "(! LANG:> Metabolitos secundarios Los metabolitos secundarios son sustancias orgánicas sintetizadas por el cuerpo, pero"> 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:> Antibióticos El antibiótico es un microbiano, animal o"> 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:> Clasificación de antibióticos Una gran variedad de antibióticos y sus efectos sobre cuerpo humano"> 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:> Clasificación de antibióticos por estructura química Antibióticos beta-lactámicos (β- antibióticos lactámicos, β-lactámicos)"> 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:> Estructuras de penicilina (1) y cefalosporina (2)">!}
Src = "https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-6.jpg" alt = "(! LANG:> Los macrólidos son un grupo de medicamentos, principalmente antibióticos, la base de la estructura química"> 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:> Estructura de eritromicina">!}
Src = "https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-8.jpg" alt = "(! LANG:> Las tetraciclinas son un grupo de antibióticos pertenecientes a la clase de policétidos, relacionado químicamente"> 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:> Otras tetraciclinas importantes: derivados de oxitetraciclina semisintéticos - doxiciclina, metaciclina ."> 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:> Estructura de tetraciclina">!}
Src = "https://present5.com/presentation/3/52712948_162925886.pdf-img/52712948_162925886.pdf-11.jpg" alt = "(! LANG:> Los aminoglucósidos son un grupo de antibióticos, común en la estructura química de cual es la presencia"> 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:> Los aminoglucósidos son antibióticos bactericidas, es decir, matan directamente a los susceptibles a ellos"> 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:> Cloranfenicol) es el primer antibiótico obtenido sintéticamente."> 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:> Antibióticos glicopéptidos: consisten en peptídicos no ribosomales cíclicos o policíclicos glicosilados"> 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:> Antibióticos de origen animal Lysozym (muramidasa) - antibacteriano"> 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:> Antibióticos vegetales (fitoncidas) Son de naturaleza química muy diversa:"> 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:> Sustancias antibacterianas La sulfanilamida es un grupo de productos químicos derivados del vapor -"> 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:> Antibacterianos Las sulfamidas disponibles difieren en los parámetros farmacológicos. Estreptocida,"> 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:> Sustancias antibacterianas Las quinolonas son un grupo de medicamentos antibacterianos que también incluyen fluoroquinolonas . El primero"> 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:> Sustancias antibacterianas Los nitrofuranos son un grupo de agentes antibacterianos derivados del furano. К"> 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.!}
Desde el punto de vista de la biogénesis, los antibióticos se consideran metabolitos secundarios. Los metabolitos secundarios son productos naturales de bajo peso molecular que 1) son sintetizados solo por algunos tipos de microorganismos; 2) no realizan ninguna función obvia durante el crecimiento celular y a menudo se forman después del cese del crecimiento del cultivo; las células que sintetizan estas sustancias pierden fácilmente su capacidad de sintetizar como resultado de mutaciones; 3) a menudo se forman como complejos de productos similares.
Los metabolitos primarios son productos metabólicos normales de la célula, como aminoácidos, nucleótidos, coenzimas, etc., necesarios para el crecimiento celular.
B. RELACIÓN ENTRE PRIMARIA
Y METABOLISMO SECUNDARIO
El estudio de la biosíntesis de antibióticos consiste en establecer una secuencia de reacciones enzimáticas durante las cuales uno o varios metabolitos primarios (o productos intermedios de su biosíntesis) se convierten en antibiótico. Hay que recordar que la formación de metabolitos secundarios, especialmente en grandes cantidades, va acompañada de cambios importantes en el metabolismo primario de la célula, ya que en este caso la célula debe sintetizar el material de partida, suministrar energía, por ejemplo en forma de ATP y coenzimas reducidas. No es de extrañar, por tanto, que al comparar cepas que sintetizan antibióticos con cepas incapaces de su síntesis, se encuentren diferencias significativas en la concentración de enzimas que no intervienen directamente en la síntesis de este antibiótico.
- PRINCIPALES VÍAS BIOSINTÉTICAS
reacciones de biosíntesis de metabolitos primarios, por supuesto, con algunas excepciones (por ejemplo, hay antibióticos que contienen un grupo nitro, un grupo funcional que nunca ocurre en metabolitos primarios y que se forma durante la oxidación específica de aminas).
Los mecanismos de biosíntesis de antibióticos se pueden dividir en tres categorías principales.
- Antibióticos derivados de un único metabolito primario. La ruta de su biosíntesis consiste en una secuencia de reacciones que modifican el producto original de la misma forma que en la síntesis de aminoácidos o nucleótidos.
- Antibióticos derivados de dos o tres metabolitos primarios diferentes que se modifican y condensan para formar una molécula compleja. Se observan casos similares en el metabolismo primario durante la síntesis de ciertas coenzimas, por ejemplo, ácido fólico o coenzima A.
- Antibióticos que se originan a partir de productos de polimerización de varios metabolitos similares con la formación de una estructura básica, que posteriormente puede ser modificada en el curso de otras reacciones enzimáticas.
Estos procesos son similares a los procesos de polimerización, que proporcionan la formación de algunos componentes de la membrana y la pared celular.
Se debe enfatizar que la estructura básica obtenida por polimerización usualmente se modifica adicionalmente; incluso puede estar unida por moléculas formadas por otras vías biosintéticas. Los antibióticos glucósidos son especialmente comunes: productos de la condensación de uno o más azúcares con una molécula sintetizada en la vía 2.
D. SÍNTESIS DE UNA FAMILIA DE ANTIBIÓTICOS
A menudo, las cepas de microorganismos sintetizan varios antibióticos químicamente y biológicamente cercanos que forman una "familia" (complejo de antibióticos). La formación de "familias" es característica no solo de la biosíntesis.
antibióticos, pero es una propiedad común del metabolismo secundario asociado con un tamaño bastante grande de productos intermedios. La biosíntesis de complejos de compuestos relacionados se lleva a cabo en el curso de las siguientes vías metabólicas.
- Biosíntesis del metabolito "clave" en una de las vías descritas en la sección anterior.
PAG
OKUC / I.
Rifamicina B
Protarifamicina I h
Ácido Z-atna-5- hidroxi5enzoico + c "Unidades de metilmalanato + 2 unidades de malonato
- Modificación de un metabolito clave mediante reacciones bastante comunes, por ejemplo, oxidando un grupo metilo a un grupo alcohol y luego a uno carboxilo, reducción de dobles enlaces, deshidrogenación, metilación, esterificación, etc.
- Un mismo metabolito puede ser sustrato para dos o más de estas reacciones, dando lugar a la formación de dos o más productos diferentes, que a su vez pueden sufrir diferentes transformaciones con la participación de enzimas, dando lugar al "árbol metabólico".
- El mismo metabolito se puede formar en dos (o más) vías diferentes, en las que solo
el orden de las reacciones enzimáticas, dando lugar a la "red metabólica".
(Zritromicina B)
reacciones, cuyo orden se desconoce, la protorifamicina I se convierte en rifamicina W y rifamicina S, completando parte de la síntesis utilizando una única vía (el "tronco" del árbol). La rifamicina S es el punto inicial de ramificación de varias vías alternativas: la condensación con un fragmento de dos carbonos da lugar a rifamicina O y raffamicina L y B. Esta última, como resultado de la oxidación de la cadena ansa, se convierte en rifamicina Y. La escisión de un fragmento de un carbono durante la oxidación de rifamicina S conduce a la formación de rifamicina G y, como resultado de reacciones desconocidas, la rifamicina S se convierte en el llamado complejo de rifamicina (rifamicinas A, C, D y E). La oxidación del grupo metilo en C-30 da lugar a rifamicina R.
El metabolito clave de la familia de la eritromicina es la eritronolida B (Er B), que se convierte en eritromicina A (el metabolito más complejo) mediante las siguientes cuatro reacciones (figura 6.2): 1) glicosilación en la posición 3 de la PU
la condensación con micarosa (Mic.) (reacción I); 2) la transformación de mycarose en cladinose (Clad.) Como resultado de la metilación (reacción II); 3) conversión de eritronólido B en eritronólido A (Er.A) como resultado de la hidroxilación en la posición 12 (reacción III); 4) condensación con desosamina (Des.) En la posición 5 (reacción IV).
Dado que el orden de estas cuatro reacciones puede variar, son posibles diferentes vías metabólicas, y juntas constituyen la red metabólica que se muestra en la Fig. 6.2. Cabe señalar que también hay caminos que son una combinación de un árbol y una red.
MINISTERIO DE AGRICULTURA DE LA FEDERACIÓN DE RUSIA
"UNIVERSIDAD AGRARIA ESTATAL DE VORONEZH
LLAMADO POR EL EMPERADOR PEDRO I "
Departamento de Botánica, Protección Vegetal, Bioquímica y Microbiología
Trabajo del curso
sobre bioquímica vegetal
Tema: metabolitos secundarios
Completado por: estudiante TT-2-1b
Kalinina Yana Gennadievna
Controlado por: Profesor asociado
Maraeva Olga Borisovna
VORONEZH 2013
Introducción
Metabolitos secundarios: los compuestos, a menudo de composición compleja, que no son los principales compuestos intermedios del metabolismo celular, se forman en sus ramas sin salida. Los metabolitos secundarios de las plantas son, por ejemplo, alcaloides. Los microorganismos forman metabolitos secundarios, por regla general, durante el período de desaceleración o cese del crecimiento activo y la reproducción de los cultivos. Como metabolitos secundarios, los microorganismos forman algunos pigmentos, antibióticos, vitaminas. La síntesis de metabolitos secundarios por microorganismos durante la formación del humus del suelo es de gran importancia.
Cualquiera sea la forma en que se lleve a cabo la fotosíntesis, en última instancia termina con la acumulación de sustancias de reserva ricas en energía, que forman la base para mantener la actividad vital de la célula y, en definitiva, de todo el organismo multicelular. Estas sustancias son productos del metabolismo primario. Además de su función principal, los metabolitos primarios son la base para la biosíntesis de compuestos, que generalmente se denominan productos del metabolismo secundario. Estos últimos, a menudo llamados condicionalmente "metabolitos secundarios", están totalmente "obligados" por su existencia en la naturaleza a los productos formados como resultado de la fotosíntesis. Cabe señalar que la síntesis de metabolitos secundarios se lleva a cabo debido a la energía liberada en las mitocondrias en el proceso de respiración celular.
1. Revisión de la literatura
1.1 Signos de metabolitos secundarios
Por la estructura química de la molécula, no siempre es posible distinguir los metabolitos secundarios de los primarios. En la Fig. 1 muestra algunos ejemplos de metabolitos primarios y secundarios.
Arroz. 1. Estructuras de campesterol (metabolito primario), ecdisona y protopanaxatriol (metabolitos secundarios)
Los fitoesteroles (sitosterol, campesterol, estigmasterol) son componentes esenciales de las membranas de las células vegetales y, por lo tanto, son compuestos primarios típicos. Los ecdisteroides (hormonas de la muda de insectos) son metabolitos secundarios, están presentes solo en algunas especies de plantas. Se cree que estas sustancias están involucradas en la protección de las plantas de los insectos. El protopanaxatriol es una aglicona de ginsenósidos, metabolitos secundarios del ginseng, que están presentes solo en el género Rapach y son en gran parte responsables de su actividad biológica. Al mismo tiempo, las estructuras moleculares de estos compuestos son similares y solo difieren en el número y la disposición de los grupos metilo e hidroxilo. Las estructuras de los aminoácidos proteicos (metabolitos primarios) y los aminoácidos no proteicos (metabolitos secundarios típicos) a menudo difieren solo en la presencia o ausencia de un grupo metilo, hidroxilo u otro grupo funcional.
Con base en el análisis de la literatura, se pueden formular cuatro características de los metabolitos secundarios:
) no presente en todas las plantas;
) la presencia de actividad biológica;
) peso molecular relativamente bajo;
) un pequeño conjunto de compuestos de partida para su síntesis.
Estos son precisamente los signos de los metabolitos secundarios, ya que cada uno de ellos, por lo general, no es necesario. En casi todas las plantas se encuentran varios metabolitos secundarios (por ejemplo, muchos fenilpropanoides); hay muchos metabolitos secundarios sin actividad biológica pronunciada (aunque es posible que simplemente no se haya encontrado); Se conocen metabolitos secundarios de alto peso molecular (por ejemplo, caucho y gutapercha). Sin embargo, la totalidad de estas características describe claramente la gama de metabolitos secundarios de las plantas.
Un compuesto se puede atribuir más razonablemente a metabolitos primarios o secundarios solo después de aclarar su papel en la vida de una planta, es decir, en función de su relevancia funcional. La definición funcional de metabolismo secundario en la primera aproximación puede darse como el metabolismo de compuestos que son importantes a nivel celular.
1.2 Principios para la clasificación de metabolitos secundarios
Los principios de clasificación de los metabolitos secundarios, como los nombres de los compuestos individuales, cambiaron a medida que se estudiaron. Ahora puede encontrar elementos de al menos cuatro opciones de clasificación.
Clasificación empírica (trivial). El principio de clasificación más "antiguo", basado en ciertas propiedades de los metabolitos secundarios. Por ejemplo, los alcaloides son compuestos con propiedades alcalinas; saponinas: sustancias que forman una espuma cuando se agitan; amargura - compuestos con sabor amargo; Los aceites esenciales son metabolitos secundarios volátiles aromáticos. Este principio de clasificación tiene muchas desventajas, pero sus elementos aún se encuentran debido a la tradición y el uso a largo plazo.
Los metabolitos secundarios recibidos (y son) nombrados, como regla, también empíricamente. La mayoría de las veces, los nombres provienen de la planta de la que se aisló el compuesto por primera vez. Por ejemplo, los alcaloides papaverina (amapola), berberina (agracejo), cocaína (arbusto de coca). Muy a menudo, los nombres están asociados con la mitología, la historia, las personalidades, etc. Por ejemplo, el alcaloide morfina lleva el nombre del dios del sueño. Esta forma de clasificar y nombrar compuestos es a menudo engañosa. Por ejemplo, los glucósidos triterpénicos biológicamente activos del ginseng comenzaron a estudiarse casi simultáneamente en Japón y en Rusia. Los investigadores japoneses sugirieron llamarlos ginsenósidos, con el nombre específico de ginseng, mientras que los investigadores rusos, panaxósidos, es decir. por el nombre genérico. Más tarde, cuando quedó claro que los mismos compuestos se llamaban de manera diferente, fue necesario publicar "tablas de correspondencia" de ginsenósidos y panaxósidos.
Clasificación química. Esta versión de la clasificación se basa en las características de la estructura química de los metabolitos secundarios y actualmente es la más desarrollada y extendida. Sin embargo, esta clasificación no está exenta de inconvenientes. Por ejemplo, según esta clasificación, los alcaloides son compuestos con un átomo de nitrógeno en el heterociclo. De acuerdo con esta característica, los glicoalcaloides de las papas o tomates son alcaloides típicos, sin embargo, de acuerdo con el método de síntesis, estructura y una serie de propiedades, estos compuestos son isoprenoides.
Clasificación bioquímica. Esta clasificación se basa en los métodos de biosíntesis de metabolitos secundarios. Por ejemplo, según esta clasificación, los glicoalcaloides antes mencionados pertenecen a los pseudoalcaloides triterpénicos, ya que se sintetizan, como los glicósidos esteroides, por la vía isoprenoide. Esta es, aparentemente, la versión más objetiva de la clasificación. Sin embargo, dado que la bioquímica del metabolismo secundario aún no se ha desarrollado lo suficiente, dicha clasificación está en su infancia.
Clasificación funcional. Basado en las funciones de metabolitos secundarios en una planta intacta. Esta opción es fundamentalmente diferente a las anteriores y debe existir en paralelo con ellas. Según la clasificación funcional, las estructuras químicamente diferentes pueden caer en un grupo de compuestos. Por ejemplo, las fitoalexinas (metabolitos secundarios que tienen funciones protectoras y se sintetizan en respuesta al ataque de un patógeno) están representadas en diferentes tipos por compuestos fenólicos, isoprenoides, poliacetilenos, etc. El desarrollo de una clasificación funcional de metabolitos secundarios apenas está comenzando, pero es de fundamental importancia para la fisiología vegetal.
La presencia de diferentes variantes de la clasificación de metabolitos secundarios conduce a ciertas dificultades. En particular, cuando se utilizan diferentes características utilizadas en la clasificación química, es posible "superponer" los grupos de metabolitos secundarios. Por ejemplo, en "farmacognosia", los glucósidos (compuestos cuya molécula consiste en una aglicona y un fragmento de carbohidrato) se aíslan como sustancias activas de muchas plantas medicinales en un grupo separado. Al mismo tiempo, según la estructura de la aglicona, estos glucósidos se pueden clasificar como compuestos fenólicos, isoprenoides u otros grupos de metabolitos secundarios. Surgen aún más problemas cuando un compuesto contiene una serie de rasgos característicos de diferentes grupos de metabolitos secundarios (por ejemplo, compuestos fenólicos prenilados). En algunos casos, los problemas emergentes pueden eliminarse corrigiendo la clasificación química de la bioquímica.
1.3 Los principales grupos de metabolitos secundarios
Actualmente, se conocen más de una docena de grupos (clases) de metabolitos secundarios. Además, algunos grupos tienen varios miles de compuestos individuales, mientras que otros, solo unos pocos. Los grupos en el reino vegetal también están distribuidos de manera desigual. Por ejemplo, los isoprenoides y los compuestos fenólicos están presentes en todas las especies de plantas, mientras que algunos grupos (por ejemplo, tiofenos o acetogeninas) son característicos de solo unas pocas especies.
Los tres grupos más grandes de metabolitos secundarios son bien conocidos: alcaloides, isoprenoides (terpenoides) y compuestos fenólicos. Cada uno de estos grupos consta de varios miles de compuestos y se subdivide en numerosos subgrupos. También se conocen alrededor de una docena de grupos menos numerosos de metabolitos secundarios: aminas vegetales, aminoácidos no proteicos, glucósidos cianogénicos, glucosinolatos, poliacetilenos, betalaínas, alquilamidas, tiofenos, etc. El número de compuestos incluidos en estos grupos varía de unos pocos a varios cientos.
Los metabolitos secundarios en las plantas casi nunca están presentes en "forma pura", por lo general se incluyen en mezclas complejas. Tales mezclas, dependiendo de su composición y presencia en la planta, a menudo tienen sus propios nombres históricamente establecidos.
Los aceites esenciales suelen ser una mezcla de isoprenoides altamente volátiles (mono y sesquiterpenos).
Las resinas están representadas principalmente por diterpenos.
Las gomas consisten principalmente en polisacáridos, pero a menudo incluyen alcaloides, compuestos fenólicos.
El moco es una mezcla de oligo y polisacáridos solubles en agua, azúcares, así como pequeñas cantidades de compuestos fenólicos, alcaloides o isoprenoides.
1.4 Regularidades de la estructura de metabolitos secundarios
Al analizar las estructuras de los metabolitos secundarios, uno tiene la impresión de que su enorme variedad se produce de acuerdo con un patrón determinado. Normalmente, existe una cierta estructura "básica" a partir de la cual se forman numerosas variantes. Al mismo tiempo, se pueden observar varias formas de aparición de tales variantes.
Modificaciones de la estructura básica: normalmente se trata de la adición o sustitución de grupos funcionales, un cambio en el estado de oxidación de la molécula; Los grupos hidroxilo, metilo o metoxilo se utilizan a menudo como grupos funcionales.
Formación conjugada: apego a la estructura básica de "bloques unificados"; más a menudo varios azúcares (mono- u oligosacáridos), ácidos orgánicos o algunos grupos de metabolitos secundarios.
Condensación: combinación de varias estructuras básicas iguales o diferentes, por ejemplo la formación de compuestos fenólicos prenilados o alcaloides indólicos diméricos.
Para diferentes grupos de metabolitos secundarios, son característicos los cambios estructurales específicos. Por ejemplo, los alcaloides se caracterizan por la metoxilación, pero no la glicosilación; para los isopreoides, por el contrario, la glicosilación es típica, pero no la metoxilación; ambos tipos de estas modificaciones se observan en compuestos fenólicos.
Ciertas modificaciones moleculares parecen tener importantes implicaciones funcionales. Muchos de ellos (en particular, la glicosilación) alteran significativamente la actividad biológica de la molécula. Muy a menudo, la glicosilación es una forma universal de transferir la forma activa (funcional) del metabolito secundario a la inactiva (reserva). Por esta razón, aparentemente es inapropiado separar todos los glucósidos en un grupo separado de metabolitos secundarios.
1.5. Fitoquímica del metabolismo secundario
Alcaloides. El nombre de este grupo de sustancias proviene del árabe alcali - álcali y del griego eidos - similar. En la actualidad, se conocen alrededor de 10.000 alcaloides individuales.
En el caso de los alcaloides, la clasificación empírica y química coincidió bastante bien. Según la clasificación química, los alcaloides son compuestos que contienen uno o más átomos de nitrógeno en una molécula, lo que les confiere propiedades alcalinas. Según su estructura química, los alcaloides generalmente se dividen en dos subgrupos: protoalcaloides, que no contienen nitrógeno en el heterociclo, y alcaloides verdaderos, que contienen nitrógeno en el heterociclo. La distribución de alcaloides en subgrupos fue modificada por la clasificación bioquímica. Los glicoalcaloides, así como otros alcaloides (por ejemplo, los alcaloides del acónito), según el tipo de síntesis y estructura, son en realidad isoprenoides. Por lo tanto, se decidió separarlos en un grupo especial: pseudoalcaloides isoprenoides.
Los alcaloides más extendidos se encuentran entre las angiospermas. Las familias de amapolas, solanáceas, legumbres, kutrovy, madder, ranúnculos son especialmente ricas en ellos. En musgos, helechos, gimnospermas, alcaloides son relativamente raros.
Los diferentes órganos y tejidos de una planta pueden contener diferentes alcaloides. Por lo general, su concentración es baja y asciende a décimas y centésimas de porcentaje. Cuando el contenido de alcaloides es de aproximadamente 1 a 3%, la planta se considera rica en alcaloides (alcaloide). Solo unas pocas plantas, por ejemplo las formas cultivadas del árbol de quina, pueden acumular hasta un 15-20% de alcaloides. Los protoalcaloides se encuentran con bastante frecuencia en plantas de diferentes familias, pero, por regla general, no se acumulan en cantidades significativas.
Los alcaloides se acumulan, por regla general, en las vacuolas y prácticamente no ingresan al espacio periplásmico. Quizás esto sea una consecuencia de la "actitud cuidadosa" de la planta hacia los compuestos que contienen nitrógeno. El transporte de alcaloides en la vacuola se realiza con la participación de portadores específicos (aparentemente, transportadores ABC). En cualquier caso, sólo los alcaloides "propios" entran eficazmente en las vacuolas aisladas; característica de esta planta. En las vacuolas, los alcaloides se encuentran generalmente en forma de sales. La síntesis de alcaloides tiene lugar principalmente en los plástidos o en el citosol.
Arroz. 2. Estructuras de algunos alcaloides
Los isoprenoides son un gran grupo de compuestos con la fórmula general (C5H8) n. C5H8 es una unidad de isopreno, por lo que los isoprenoides son compuestos "formados" por varias unidades de isopreno. Su biosíntesis en realidad procede mediante la combinación de fragmentos de cinco carbonos, por lo que el nombre de este grupo de sustancias coincide con su clasificación bioquímica.
La clasificación de los isoprenoides se basa en el número de unidades de isopreno que componen la molécula. Los compuestos basados en una sola unidad de isopreno en plantas se han descubierto solo hace relativamente poco tiempo. Por lo tanto, históricamente, los monoterpenos se denominaron compuestos que contienen dos unidades de isopreno y, por lo tanto, tienen la fórmula general (C5H8) 2, es decir, C10H16. Los isoprenoides que contienen tres unidades de isopreno se denominan sesquiterpenos, con la fórmula general C15H24, por lo que los diterpenos se forman a partir de cuatro, los triterpenos a partir de seis y los tetraterpenos a partir de ocho fragmentos de cinco carbonos. Cuando se descubrieron compuestos que constaban de una y cinco unidades de isopreno, debían llamarse hemiterpenos y sesterterpenos, respectivamente. El caucho polipenoide y la guta contienen de 100 a 5000 unidades de isopreno.
Los mono y sesquiterpenoides suelen ser líquidos volátiles, a menudo con un olor variado. Se conocen más de 3000 de estos compuestos. Su clasificación se basa en la presencia o ausencia de una estructura de anillo en la molécula, el tipo de anillo y la presencia y número de dobles enlaces en la molécula. Los mono y sesquiterpenos pueden ser alifáticos (hidrocarburos con una cadena abierta de átomos), cíclicos con un número diferente de ciclos (de uno a tres) y también contener varios grupos funcionales (grupos hidroxi, carboxi, ceto). Forman la base de los aceites esenciales. Los mono y sesquiterpenoides suelen ser bactericidas.
Los diterpenoides también contienen varios miles de estructuras. Son los principales componentes de las resinas en las gimnospermas (abeto, pino, abeto, cedro). Los diterpenoides de las resinas a menudo tienen propiedades bactericidas.
Los triterpenoides están representados por varios grupos de compuestos. En primer lugar, estos son compuestos del metabolismo primario: los fitoesteroles, sin embargo, la mayoría de los triterpenoides son metabolitos secundarios típicos. Los triterpenoides tienen un amplio espectro de actividad biológica. Estos incluyen glucósidos cardíacos, esteroides, triterpénicos y ecdisteroides.
Los tetraterpenoides están representados en las plantas principalmente por carotenoides, algunos de ellos están involucrados en el metabolismo principal (fotosíntesis), pero la mayoría (alrededor de 500) son típicamente metabolitos secundarios.
Los metabolitos secundarios isoprenoides, a diferencia de los alcaloides, generalmente se eliminan de la célula después de la síntesis. Además de la pared celular, a veces pueden acumularse en las vacuolas. La síntesis de isoprenoides puede tener lugar en dos compartimentos: en los plástidos o en el citosol. Al mismo tiempo, hay dos formas independientes de síntesis de isoprenoides: mevalonato, en el citoplasma, alternativo, en los plástidos. La síntesis "plástida" de isoprenoides a menudo se lleva a cabo en leucoplastos, plastidios "isoprenoides" especializados que tienen una serie de características morfológicas (por ejemplo, la ausencia de ribosomas, una disposición especial de las membranas internas). Se caracterizan por un estrecho contacto con el RE ("vaina reticular"), que indica indirectamente la interacción de los plástidos y el RE durante la síntesis de isoprenoides.
Arroz. 3. La estructura de algunos sesquiterpenoides y diterpenoides
Los compuestos fenólicos son sustancias aromáticas que contienen uno o más grupos hidroxilo en el anillo aromático. Los fenoles son compuestos con un átomo de hidroxilo, polifenoles, con dos o más. Muchos compuestos fenólicos están involucrados en el metabolismo principal (en particular, en los procesos de fotosíntesis y respiración), pero la mayoría de ellos son representantes típicos del metabolismo secundario.
Los compuestos fenólicos se clasifican según el número de anillos aromáticos y el número de átomos de carbono unidos a ellos. Los compuestos fenólicos generalmente se dividen en tres grandes subgrupos: con uno y dos anillos aromáticos, así como compuestos fenólicos poliméricos. A veces, los compuestos fenólicos diméricos se distinguen en un grupo especial.
Una característica distintiva de los compuestos fenólicos es la formación de una gran cantidad de compuestos debido a modificaciones moleculares y la formación de conjugados con diversas estructuras. De las modificaciones, los compuestos fenólicos se caracterizan por la formación de glucósidos, metilación y metoxilación. Debido a los grupos hidroxilo y carboxilo, los compuestos fenólicos pueden unirse con azúcares, ácidos orgánicos, aminas vegetales, alcaloides. Además, los fenoles vegetales se pueden combinar con isoprenoides para formar un gran grupo de fenoles prenilados. Estas propiedades de los compuestos fenólicos proporcionan una gran variedad de estructuras características de los fenoles vegetales.
Los compuestos fenólicos se acumulan tanto en las vacuolas como en el espacio periplásmico. En este caso, las vacuolas suelen contener compuestos fenólicos glicosilados, mientras que el espacio periplásmico contiene compuestos metaxilados o agliconas. La síntesis de compuestos fenólicos ocurre en cloroplastos y citosol. Se ha demostrado la existencia de dos vías independientes para la síntesis de compuestos aromáticos (vías de shikimato): en el citosol y en los plástidos.
Muchos compuestos de otras clases de metabolitos secundarios también se acumulan en las vacuolas. Por ejemplo, los glucósidos cianogénicos, glucosinolatos, betalaínas tienen una localización similar.
Arroz. 4. Compuestos fenólicos con dos anillos aromáticos: estilbenos (A), antraquinonas (B), grupos principales de flavonoides (C), antocianidinas (D)
Grupos menores de metabolitos secundarios
Aminas vegetales. Las plantas superiores contienen una gran cantidad de aminas: primarias, secundarias, terciarias y cuaternarias. Muchos de ellos son aminoácidos estructuralmente descarboxilados, tanto proteicos como no proteicos. Las aminas vegetales se clasifican en monoaminas (con un grupo amino), diaminas (con dos grupos amino) y poliaminas.
Betalaínas. Este es el nombre de los pigmentos que contienen nitrógeno solubles en agua de las plantas superiores. Están presentes solo en plantas del orden clavel.
Hasta ahora, no se han encontrado plantas donde dos grupos de pigmentos solubles en agua, antocianinas y betalaínas, se presenten simultáneamente. El grupo de las betalaínas consta de betacianinas y betaxantinas, compuestos de color rojo violeta y amarillo, respectivamente. Las betacianinas son glucósidos y acilglucósidos de solo dos agliconas.
Glucósidos cianogénicos. Los glucósidos cianogénicos son ?-glucósidos de 2-hidroxinitrilos (cianohidrinas). Hasta la fecha, se han encontrado varias decenas de estos compuestos en plantas superiores. Las principales variaciones estructurales se deben a la naturaleza de los sustituyentes R1 y R2. Como regla general, la D-glucosa actúa como un fragmento de carbohidrato. La hidrólisis de glucósidos cianogénicos por glucosidasa específica libera ácido cianhídrico.
Aminoácidos no proteicos. Este término significa aminoácidos naturales, sus amidas, iminoácidos, que normalmente no están incluidos en las proteínas. Actualmente se conocen más de 400 aminoácidos no proteicos. Muchos de ellos pueden considerarse modificaciones de proteínas. Las variantes más comunes son el alargamiento o acortamiento de la cadena de carbono (adición o eliminación de fragmentos de CH2 o CH3), hidrogenación y deshidrogenación, hidroxilación y aminación. También hay aminoácidos inusuales (por ejemplo, que contienen selenio). Los aminoácidos no proteicos son predominantemente altamente tóxicos porque pueden incorporarse a proteínas en lugar de aminoácidos "normales" y alterar su función.
Lípidos inusuales. Estos incluyen, en primer lugar, ácidos grasos "inusuales", que se diferencian de los "ordinarios" en la longitud de la cadena de carbono, en una disposición diferente y en el número de dobles enlaces, en presencia de grupos funcionales y ciclos adicionales. . Muy a menudo, los ácidos grasos inusuales se encuentran en el aceite de semilla. Se han encontrado compuestos con uno o más triples enlaces en muchas especies de plantas superiores. Dichos compuestos se denominan derivados de acetileno o poliacetilenos. Se conocen varios cientos de estructuras de este tipo. A diferencia de los ácidos grasos inusuales, los derivados del acetileno se pueden encontrar en todos los órganos y partes de la planta. Los cianolípidos también son lípidos inusuales, cuya hidrólisis produce ácido cianhídrico.
Metabolitos secundarios que contienen azufre. Estos incluyen principalmente ti-glucósidos (S-glucósidos). Los glucósidos del aceite de mostaza más conocidos (glucosinolatos). Estos glucósidos son característicos de las plantas crucíferas. Tienen un fuerte efecto antimicrobiano y provocan un sabor picante o picante a mostaza, rábano picante y rábano. El mecanismo de acción de los glucosinolatos es muy similar al de los glucósidos cianogénicos: después de la escisión del azúcar por la mirosinasa, se forman isotiocianatos, que provocan un sabor ardiente y un efecto irritante. Otro grupo de metabolitos secundarios que contienen azufre son las alicinas del ajo y la cebolla, que se sintetizan a partir de la cisteína. También son responsables del sabor picante y las propiedades antimicrobianas de estas plantas.
1.6 Bioquímica del metabolismo secundario
Vías biosintéticas de metabolitos secundarios
Las vías para la síntesis de la mayoría de los metabolitos secundarios están bien establecidas. Se está estudiando intensamente la enzimología del metabolismo secundario. Con base en la información disponible, es posible formular algunas regularidades en la biosíntesis de estos compuestos. Los precursores de la síntesis son una cantidad relativamente pequeña de metabolitos primarios. Muchos grupos de metabolitos secundarios se pueden sintetizar de varias formas. A menudo, las etapas de síntesis se duplican en diferentes compartimentos de la célula (por ejemplo, plástidos - citosol). La síntesis está claramente planificada y está respaldada por un conjunto de enzimas especiales, en la mayoría de los casos muy específicas.
Biosíntesis de alcaloides. La formación de estas sustancias está estrechamente relacionada con el intercambio general de nitrógeno en la célula. Para la mayoría de los alcaloides, se ha demostrado que los esquemas de su síntesis están unificados, es decir, tienen una secuencia de reacciones similar. En el proceso de biosíntesis, la molécula de aminoácido se incorpora casi por completo a la estructura del alcaloide. La síntesis de alcaloides de diferentes grupos incluye los mismos tipos de reacciones: descarboxilación, desaminación oxidativa, condensación aldólica, pero para cada grupo de alcaloides estas reacciones son realizadas por enzimas "propias". En la primera etapa de la síntesis, se produce la descarboxilación del aminoácido con la participación de la descarboxilasa correspondiente. Las aminas biogénicas resultantes se someten a desaminación oxidativa con la participación de aminas oxidasas. Los aminoaldehídos o aminocetonas resultantes forman compuestos heterocíclicos clave a través de una serie de reacciones secuenciales. Luego, la estructura básica se modifica con la participación de varias reacciones: hidroxilación, metilación, etc. Unidades de carbono adicionales pueden participar en la formación de la estructura final del alcaloide, por ejemplo, acetato (en forma de acetil-CoA) o monoterpeno. unidad (para alcaloides indol complejos). Dependiendo de la complejidad del alcaloide, su biosíntesis incluye de tres a cuatro y de diez a quince reacciones.
Para varios alcaloides, no solo se ha establecido el esquema de síntesis, sino que se han caracterizado y aislado enzimas. Resultó que algunas enzimas de síntesis no son muy específicas (se pueden usar varios compuestos como sustratos), sin embargo, la cadena de síntesis necesariamente contiene enzimas altamente específicas que usan solo un sustrato (o varios sustratos muy similares) y realizan una función muy específica. reacción.
Por ejemplo, en la síntesis de isoquinolinas, diferentes enzimas realizan la hidroxilación de la estructura básica en cada posición. A medida que se avanza hacia las etapas finales de síntesis, la afinidad de las enzimas por el sustrato generalmente aumenta: por ejemplo, para una serie de enzimas para la síntesis de alcaloides de berberina, la CT es inferior a 1 µM. Como ejemplo, la Fig. 5 muestra un esquema para la síntesis de alcaloides de isoquinolina.
Arroz. 5. Esquema de biosíntesis de alcaloides de isoquinolina
Biosíntesis de isoprenoides. Si, en la síntesis de alcaloides, se usa una cadena similar de transformaciones para varios compuestos de partida (aminoácidos), entonces se produce la síntesis de un número colosal de isoprenoides a partir de un solo precursor, el difosfato de isopentenilo (IPDP). Bajo la acción de la enzima isopentenil difosfato isomerasa, que desplaza el doble enlace, el IPDP se convierte en dimetilalil difosfato (DMADP). Además, el IPADP se une al DMADP en un doble enlace y se forma un compuesto C10, geranildifosfato.
Sirve como fuente de todos los monoterpenoides.
Luego se agrega otro IPDP al geranildifosfato y se forma el compuesto C15 difosfato de farnesilo, que es el material de partida para la síntesis de sesquiterpenoides. Además, el difosfato de farnesilo puede agregar otra molécula de IPDP para formar geranilgeranildifosfato (el compuesto C20 es la fuente de diterpenoides) o dimerizarse para formar escualeno (el compuesto C30 es el compuesto inicial de todos los triterpenoides). Finalmente, el geranilgeranildifosfato puede dimerizarse para formar fitoína, un compuesto C40, una fuente de tetraterpenoides. Además, se puede unir secuencialmente una gran cantidad de IPDP al geranilgeranildifosfato, formando finalmente poliisoprenoides: caucho y gutapercha. Como resultado de las reacciones descritas, se forma una serie homóloga completa de compuestos C5 de diferentes longitudes. Además, estas moléculas alifáticas pueden "plegarse" en estructuras cíclicas, y el número de ciclos, su tamaño y los tipos de articulaciones pueden ser muy diferentes. En la Fig. 9.13 muestra un esquema general para la síntesis de isoprenoides.
La síntesis de estructuras isoprenoides básicas se lleva a cabo solo por dos tipos de enzimas: preniltransferasas, que "aumentan" la longitud de los isoprenoides, y ciclasas, que forman el esqueleto cíclico correspondiente de la molécula. Además, cada tipo de estructura forma una ciclasa específica. Dado que hay bastantes tipos de estructuras cíclicas de isoprenoides, el número de ciclasas también debería ser impresionante. Hasta la fecha, se conocen más de un centenar de ellos. Después de la formación de la estructura básica (o al mismo tiempo), se modifica y se "equipa" con grupos funcionales.
Arroz. 6. Esquema general de biosíntesis de isoprenoides (A) y dos formas de síntesis de isopentenil difosfato (B) en plantas
Los puntos muestran los átomos marcados en los compuestos de partida y en el IPDF resultante.
Por tanto, la biosíntesis de isoprenoides se puede imaginar como una especie de "constructor de modelos" bioquímicos. Inicialmente, las estructuras lineales flexibles de varias longitudes están hechas de módulos C5 unificados. Representan un material casi ideal para la "construcción bioquímica" y la formación de muchas variantes de estructuras cíclicas.
Las plantas utilizan ambas opciones para la formación de isoprenoides: en el citosol, la síntesis procede por el camino clásico, y en los plástidos, según la alternativa. En este caso, no solo es posible la duplicación de la síntesis de isoprenoides en diferentes compartimentos celulares, sino también la separación según el tipo de estructuras sintetizadas. Los triterpenoides (incluidos los esteroides) se sintetizan en el citosol a partir del mevalonato, mientras que los diterpenoides (incluida la clorofila del fitol) y los tetraterpenoides (principalmente carotenoides) se sintetizan en los plastidios a través de una vía alternativa. Es probable que los mono y sesquiterpenos se formen en diferentes variantes, según la estructura de la molécula y el tipo de planta.
Biosíntesis de compuestos fenólicos. Hasta la fecha, existen dos vías conocidas para la formación de compuestos fenólicos: shikimato (a través del ácido shikímico) y acetato-malonato. El camino principal es el shikimato, esta es prácticamente la única forma de formar un anillo aromático. El fosfoenolpiruvato (PEP) y el eritroso-4-fosfato actúan como compuestos de partida para la síntesis. Su condensación da lugar a un ácido heptocarbonado (ácido 2-ceto-3-desoxi-7-fosfoaraboheptanoico), que luego se cicla a ácido 5-deshidroquínico. A partir del ácido deshidroquínico, se forma el ácido shikímico, que tiene un anillo de seis miembros, un doble enlace y es fácil convertirlo en compuestos aromáticos. A partir del ácido shikímico, es posible la formación de ácidos hidroxibenzoicos: n-hidroxibenzoico, protocatechico, gálico. Sin embargo, la principal forma de utilizar el ácido shikímico es mediante la formación de aminoácidos aromáticos fenilalanina y tirosina a través del ácido prefénico. La fenilalanina (posiblemente tirosina en algunos casos) es el principal precursor de la síntesis de compuestos fenólicos. La desaminación de la fenilalanina se lleva a cabo mediante la enzima fenilalanina amoniaco liasa (PAL). Como resultado, se forma ácido cinámico, cuya hidroxilación conduce a la formación de ácido paracumarico (hidroxicinámico). Después de una hidroxilación adicional y una metilación subsiguiente, se forman a partir de ella los ácidos hidroxicinámicos restantes.
Los ácidos hidroxicinámicos son el enlace central en la síntesis de todos los compuestos fenólicos en la célula. El ácido optocumarico es un precursor de las cumarinas. Después de una serie de reacciones de acortamiento de la parte alifática de la molécula, se forman C6-C2 y C6-C1, compuestos, esta es la segunda forma de formación de ácidos hidroxibenzoicos (la primera es directamente a partir del ácido shikímico). Los ácidos hidroxicinámicos pueden formar varios conjugados, principalmente con azúcares, pero la mayor parte de los ácidos oxicinámicos se activan por interacción con CoA. Dos formas principales de utilizar los ésteres de CoA de los ácidos oxicinámicos son la síntesis de ligninas y la síntesis de flavonoides. Para la síntesis de ligninas, los ésteres de CoA de ácidos hidroxicinámicos se reducen a alcoholes, que actúan como monómeros de síntesis. Durante la síntesis de flavonoides, el derivado CoA del ácido hidroxicinámico interactúa con tres moléculas de malonil-CoA para formar chalcona. La reacción es catalizada por la enzima calcona sintasa. La chalcona resultante se convierte fácilmente en flavanona. Otros grupos de flavonoides se forman a partir de flavanonas debido a reacciones de hidroxilación y oxidación-reducción. Luego, la molécula se puede modificar: glicosilación, metoxilación, etc.
La vía acetato-malonato para la síntesis de compuestos fenólicos está muy extendida en hongos, líquenes y microorganismos. En plantas, es menor. Durante la síntesis de compuestos a lo largo de este camino, la acetil-CoA se carboxila para formar malonilacetil-CoA. Entonces ocurre una cascada de reacciones similares, como resultado de lo cual la cadena de carbono crece y ?-cadena de cemetileno. La ciclación de la cadena de policétidos conduce a la formación de varios compuestos fenólicos. De esta forma se sintetizan el floroglucinol y sus derivados, algunas antraquinonas. En la estructura de los flavonoides, el anillo B está formado por la vía del shikimato (a partir del ácido hidroxicinámico), mientras que el anillo A está formado por la vía del acetato-malonato.
Dos vías shikimatos de síntesis de flavonoides funcionan en la célula: una en los plástidos y la otra en el citosol. Estos compartimentos contienen un conjunto completo de isoenzimas de la vía del shikimato, así como enzimas del metabolismo fenólico, incluidas PAL y chalcona sintasa. Así, en una célula vegetal, existen dos cadenas paralelas de síntesis de compuestos fenólicos (similares a los isoprenoides).
Síntesis de clases menores de compuestos secundarios. La formación de estas sustancias también se ha estudiado bastante a fondo. Para muchos compuestos que contienen nitrógeno, los aminoácidos son los materiales de partida. Por ejemplo, la síntesis de glucósidos cianogénicos comienza con la descarboxilación del aminoácido correspondiente, luego aldoxima, nitrilo y ?-hidroxinitrilo. En la última etapa de la síntesis, se forma un glucósido cianogénico debido a la glucosilación. ?-hidroxinitrilo usando UDP-glucosa. La síntesis suele llevarse a cabo mediante un complejo de enzimas: por ejemplo, para la durrina, este complejo consta de cuatro enzimas. Se han clonado genes enzimáticos. La planta Arabidopsis, transgénica en dos genes, adquirió la capacidad de sintetizar glucósidos cianogénicos. La síntesis de betalaínas comienza a partir de tirosina, que se hidroxila para formar dioxifenilalanina (DOPA). DOPA sirve como fuente de dos fragmentos de la molécula de betacianina: ácido betalaámico y ciclo-DOPA. La combinación de estos dos compuestos da como resultado la formación de betacianinas. Durante la síntesis de betaxantinas, el ácido betalaámico se condensa con prolina. Los metabolitos secundarios que contienen azufre generalmente se sintetizan a partir de aminoácidos que contienen azufre.
2. Métodos de investigación
La determinación bromatométrica de fenol tiene una gran aplicación práctica. La determinación de fenol se basa en el hecho de que se introduce en la solución analizada un exceso de mezcla de bromato-bromuro, que libera bromo libre en medio ácido. El bromo resultante reacciona con el fenol:
С6Н5ОН + ЗВг2 С6Н2Вг3ОН + 3HBr
Cuando se agrega yoduro de potasio a esta solución, el exceso de bromo sin reaccionar oxida el yoduro a yodo, que se titula con una solución estándar de tiosulfato de sodio:
Br2 + 2I = 2Br + I2 + 2S2O = 2I + S4O
Reactivos
Solución de tiosulfato de sodio 0.02 M (o estandarizada) *
Mezcla de bromato-bromuro.
Solución de ácido sulfúrico 1 M
Almidón, solución al 0,5%
Yoduro de potasio, KI (k)
Matraz aforado 500 ml
Matraz cónico 250-300 ml
Probeta graduada 20 ml
Pipetas de 20 y 25 ml
Bureta 25 ml
Finalización del trabajo
La solución de bromato-bromuro se puede preparar según la cantidad pesada: se disuelven 0,334 g de KBrO3 y 1,2 KBr en agua destilada y se lleva a la marca en un matraz aforado de 500 ml, en este caso la concentración es de aproximadamente 0,024 M. Para obtener A la misma concentración, la solución se puede preparar a partir del canal fijo KBrO3 - KBr 0,1 N pero en este caso el contenido de la ampolla sellada debe disolverse en 4 litros de agua destilada.
Para el análisis, se toma una alícuota (10 ml) de una solución que contiene 0,02-0,4 g / l de fenol ** con una pipeta en un matraz cónico para valoración. Agregar 12 ml (con una pipeta) de mezcla de bromato-bromuro, 10 ml de solución de ácido sulfúrico 1M, cerrar con un tapón y dejar actuar durante 30 minutos. A continuación, agregue 1 g de yoduro de potasio, pesado en una balanza técnica, y vuelva a cerrar con un tapón. Después de 5 minutos, el yodo liberado se titula con una solución de tiosulfato de sodio, agregando al final de la titulación, cuando el color de la solución se vuelve amarillo claro, 2-3 ml de solución de almidón. La titulación se continúa hasta la desaparición del color azul de la solución. Se llevan a cabo tres valoraciones y el volumen medio V1 se calcula a partir de los resultados convergentes.
3. Tarea práctica
Los metabolitos secundarios incluyen antibióticos, alcaloides, hormonas de crecimiento vegetal y toxinas.
2. La biosíntesis de proteínas ocurre en los ribosomas.
3. La fotosíntesis tiene lugar en la hoja, en las células de la hoja, en los cloroplastos, que contienen el pigmento verde clorofila.
4. La unidad de la fotosíntesis es el cantosoma.
La fase anaeróbica de la respiración es una secuencia de reacciones llamadas glucólisis.
En el proceso de glucólisis, la molécula de hexosa se convierte en dos moléculas de ácido pirúvico:
C6H12O6? 2C3H4O2 + 2H2.
Este proceso oxidativo puede tener lugar en condiciones anaeróbicas.
Conclusión
Como resultado del curso completo, aprendí qué son los metabolitos secundarios, así como las características de los metabolitos secundarios, que incluyen: peso molecular relativamente bajo (la excepción son, por ejemplo, poliisoprenoides de alto peso molecular: caucho, gutapercha, goma); presencia opcional en todos los organismos (algunos metabolitos secundarios están muy extendidos, por ejemplo, muchos fenilpropanoides se encuentran en casi todas las plantas); por regla general, son sustancias biológicamente activas; sintetizado a partir de metabolitos primarios.
Estos signos no son necesarios, sin embargo, tomados en conjunto, delimitan claramente el rango de metabolitos secundarios.
En las plantas, los metabolitos secundarios están involucrados en la interacción de la planta con el medio ambiente, reacciones de defensa (por ejemplo, venenos). Estos incluyen las siguientes clases: alcaloides, isoprenoides, compuestos fenólicos, compuestos menores (hay 10-12 grupos, en particular: aminoácidos no proteicos, aminas biogénicas, glucósidos cianogénicos, glucósidos de aceite de mostaza (isotiocianatos), betalaínas, cianolípidos, acetogeninas , derivados del acetileno, alicinas, acetofenonas, tiofenos, ácidos grasos inusuales, etc.)
síntesis de alcaloides fenólicos bioquímicos
Lista de literatura usada
1."Microbiología: glosario de términos", Firsov N.N., M: Bustard, 2006
2.Materias primas medicinales de origen vegetal y animal. Farmacognosia: libro de texto / ed. G.P. Yakovleva. SPb.: SpetsLit, 2006, 845 p.
.Shabarova Z. A., Bogdanov A. A., Zolotukhin A. S. Fundamentos químicos de la ingeniería genética. - M.: Editorial de la Universidad Estatal de Moscú, 2004, 224 p.
4.Chebyshev N.V., Grineva G.G., Kobzar M.V., Gulyankov S.I. Biología, Moscú, 2000
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UNA DEFINICION
Desde el punto de vista de la biogénesis, los antibióticos se consideran metabolitos secundarios. Los metabolitos secundarios son productos naturales de bajo peso molecular que 1) son sintetizados solo por algunos tipos de microorganismos; 2) no realizan ninguna función obvia durante el crecimiento celular y a menudo se forman después del cese del crecimiento del cultivo; las células que sintetizan estas sustancias pierden fácilmente su capacidad de sintetizar como resultado de mutaciones; 3) a menudo se forman como complejos de productos similares.
Los metabolitos primarios son productos metabólicos normales de la célula, como aminoácidos, nucleótidos, coenzimas, etc., necesarios para el crecimiento celular.
B. RELACIÓN ENTRE PRIMARIA
Y METABOLISMO SECUNDARIO
El estudio de la biosíntesis de antibióticos consiste en establecer una secuencia de reacciones enzimáticas durante las cuales uno o varios metabolitos primarios (o productos intermedios de su biosíntesis) se convierten en antibiótico. Hay que recordar que la formación de metabolitos secundarios, especialmente en grandes cantidades, va acompañada de cambios importantes en el metabolismo primario de la célula, ya que en este caso la célula debe sintetizar el material de partida, suministrar energía, por ejemplo en forma de ATP y coenzimas reducidas. No es de extrañar, por tanto, que al comparar cepas que sintetizan antibióticos con cepas incapaces de su síntesis, se encuentren diferencias significativas en la concentración de enzimas que no intervienen directamente en la síntesis de este antibiótico.
B. PRINCIPALES VÍAS BIOSINTÉTICAS
Las reacciones enzimáticas de la biosíntesis de antibióticos, en principio, no difieren de las reacciones en el curso de las cuales se forman metabolitos primarios. Pueden pensarse como varia
reacciones de biosíntesis de metabolitos primarios, por supuesto, con algunas excepciones (por ejemplo, hay antibióticos que contienen un grupo nitro, un grupo funcional que nunca ocurre en metabolitos primarios y que se forma durante la oxidación específica de aminas).
Los mecanismos de biosíntesis de antibióticos se pueden dividir en tres categorías principales.
1. Antibióticos derivados de un único metabolito primario. La ruta de su biosíntesis consiste en una secuencia de reacciones que modifican el producto original de la misma forma que en la síntesis de aminoácidos o nucleótidos.
2. Antibióticos derivados de dos o tres metabolitos primarios diferentes que se modifican y condensan para formar una molécula compleja. Se observan casos similares en el metabolismo primario durante la síntesis de ciertas coenzimas, por ejemplo, ácido fólico o coenzima A.
3. Antibióticos, que se originan a partir de los productos de polimerización de varios metabolitos similares con la formación de una estructura básica, que puede modificarse aún más en el curso de otras reacciones enzimáticas.
Como resultado de la polimerización, se forman antibióticos de cuatro tipos: 1) antibióticos polipeptídicos, formados por condensación de aminoácidos; 2) antibióticos formados a partir de unidades de acetato-propionato en reacciones de polimerización similares a la reacción de biosíntesis de ácidos grasos; 3) antibióticos terpenoides derivados de unidades de acetato en la vía de síntesis de compuestos isoprenoides; 4) Antibióticos aminoglucósidos formados en reacciones de condensación similares a las reacciones de biosíntesis de polisacáridos.
Estos procesos son similares a los procesos de polimerización, que proporcionan la formación de algunos componentes de la membrana y la pared celular.
Se debe enfatizar que la estructura básica obtenida por polimerización usualmente se modifica adicionalmente; incluso puede estar unida por moléculas formadas por otras vías biosintéticas. Los antibióticos glucósidos son especialmente comunes: productos de la condensación de uno o más azúcares con una molécula sintetizada en la vía 2.
D. SÍNTESIS DE UNA FAMILIA DE ANTIBIÓTICOS
A menudo, las cepas de microorganismos sintetizan varios antibióticos químicamente y biológicamente cercanos que forman una "familia" (complejo de antibióticos). La formación de "familias" es característica no solo de la biosíntesis.
Antibióticos, pero es una propiedad común del metabolismo secundario asociado con un tamaño bastante grande de productos intermedios. La biosíntesis de complejos de compuestos relacionados se lleva a cabo en el curso de las siguientes rutas metabólicas.
1. Biosíntesis del metabolito "clave" en una de las vías descritas en la sección anterior.
Rifamicina U
 |
|||
oxidado.
Arroz. 6.1. Un ejemplo de árbol metabólico: biosíntesis de rifamicina (ver texto para explicaciones; las fórmulas estructurales de los compuestos correspondientes se muestran en las Figuras 6.17 y 6.23).
2. Modificación del metabolito clave mediante reacciones bastante comunes, por ejemplo, oxidando el grupo metilo a un grupo alcohol y luego a uno carboxilo, reducción de dobles enlaces, deshidrogenación, metilación, esterificación, etc.
3. Un mismo metabolito puede ser sustrato para dos o más de estas reacciones, dando lugar a la formación de dos o más productos diferentes, que a su vez pueden sufrir diferentes transformaciones con la participación de enzimas, dando lugar al "árbol metabólico". ".
4. El mismo metabolito se puede formar en dos (o más) vías diferentes, en las que solo
el orden de las reacciones enzimáticas, dando lugar a la "red metabólica".
Los conceptos bastante peculiares del árbol metabólico y la red metabólica pueden ilustrarse con los siguientes ejemplos: biogénesis de la familia de la rifamicina (árbol) y eritromicina (red). El primer metabolito de la biogénesis de la familia de la rifamicina es la protorifamicina I (fig. 6.1), que puede considerarse un metabolito clave. En secuencia
reacciones, cuyo orden se desconoce, la protorifamicina I se convierte en rifamicina W y rifamicina S, completando parte de la síntesis utilizando una única vía (el "tronco" del árbol). La rifamicina S es el punto de partida de la ramificación de varias vías alternativas: la condensación con un fragmento de dos carbonos da lugar a rifamicina O y raffamicina L y B. Esta última, como resultado de la oxidación de la cadena ansa, se convierte en rifamicina Y. La escisión del fragmento de un carbono durante la oxidación de rifamicina S conduce a la formación de rifamicina G y, como resultado de reacciones desconocidas, la rifamicina S se convierte en el llamado complejo de rifamicina (rifamicina A, C, D y E). La oxidación del grupo metilo en C-30 da lugar a rifamicina R.
El metabolito clave de la familia de la eritromicina es la eritronolida B (Er B), que se convierte en eritromicina A (el metabolito más complejo) mediante las siguientes cuatro reacciones (figura 6.2): 1) glicosilación en la posición 3 de la PU
la condensación con micarosa (Mic.) (reacción I); 2) la transformación de mycarose en cladinose (Clad.) Como resultado de la metilación (reacción II); 3) conversión de eritronólido B en eritronólido A (Er.A) como resultado de la hidroxilación en la posición 12 (reacción III); 4) condensación con desosamina (Des.) En la posición 5 (reacción IV).
Dado que el orden de estas cuatro reacciones puede variar, son posibles diferentes vías metabólicas, y juntas constituyen la red metabólica que se muestra en la Fig. 6.2. Cabe señalar que también hay caminos que son una combinación de un árbol y una red.
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