Вторичные метаболиты являются важнейшими физиологически активными соединениями в мире растений. Их количество, исследованное наукой, увеличивается с каждым годом. В настоящий момент изучено около 15 % всех видов растений на предмет наличия этих веществ. Они обладают также высокой биологической активностью в отношении организма животных и человека, что определяет их потенциал как фармацевтических средств.
Что такое вторичные метаболиты?
Отличительной особенностью всех живых организмов является то, что в них происходит метаболизм – обмен веществ. Он представляет собой совокупность химических реакций, в результате которых вырабатываются первичные и вторичные метаболиты.
Разница между ними состоит в том, что первые характерны для всех существ (синтез белков, аминокарбоновых и нуклеиновых кислот, углеводов, пуринов, витаминов), а вторые свойственны определенным видам организмов и не участвуют в росте и процессе размножения. Однако и они выполняют определенные функции.
В животном мире вторичные соединения вырабатываются редко, чаще они поступают в организм вместе с растительной пищей. Эти вещества синтезируются преимущественно в растениях, грибах, губках и одноклеточных бактериях.
Признаки и особенности
В биохимии выделяют следующие основные признаки вторичных метаболитов растений:
-
высокая биологическая активность;
-
небольшая молекулярная масса (2-3 кДа);
-
выработка из небольшого количества исходных веществ (5-6 аминокислот для 7 алкалоидов);
-
синтез присущ отдельным видам растений;
-
образование на более поздних стадиях развития живого организма.
Любой из этих признаков не является обязательным. Так, вторичные фенольные метаболиты вырабатываются у всех видов растений, а натуральный каучук имеет высокую молекулярную массу. Производство вторичных метаболитов в растениях происходит только на основе белков, липидов и углеводов под воздействием различных ферментов. Собственного пути для синтеза у таких соединений нет.
Для них характерны также следующие особенности:
-
наличие в разных частях растения;
-
неравномерное распределение в тканях;
-
локализация в определенных отсеках клетки для обезвреживания биологической активности вторичных метаболитов;
-
наличие базовой структуры (чаще всего в ее роли выступают гидроксильные, метильные, метоксильные группы), на основе которой образуются другие варианты соединений;
-
разные типы изменения структуры;
-
способность перехода в неактивную, «запасную» форму;
-
отсутствие прямого участия в обмене веществ.
Вторичный метаболизм часто рассматривают как способность живого организма взаимодействовать с собственными ферментами и генетическим материалом. Основной процесс, в результате которого образуются вторичные соединения – это диссимиляция (распад продуктов первичного синтеза). При этом выделяется некоторое количество энергии, которая участвует в производстве вторичных соединений.
Функции
Первоначально эти вещества считались ненужными продуктами жизнедеятельности живых организмов. В настоящее время установлено, что они играют определенную роль в обменных процессах:
-
фенолы – участие в фотосинтезе, дыхании, передаче электронов, выработке фитогормонов, развитии корневой системы; привлечение насекомых-опылителей, антимикробное действие; окраска отдельных частей растения;
-
дубильные вещества – выработка устойчивости к грибковым заболеваниям;
-
каротиноиды – участие в фотосинтезе, защита от фотоокисления;
-
алкалоиды – регулирование роста;
-
изопреноиды – защита от насекомых, бактерий, животных;
-
стеролы – регулирование проницаемости клеточных мембран.
Основная функция вторичных соединений в растениях – экологическая: защита от вредителей, патогенных микроорганизмов, адаптация к внешним условиям. Так как факторы среды значительно отличаются для разных видов флоры, то спектр этих соединений практически безграничен.
Классификации
Существует несколько принципиально разных классификаций вторичных метаболитов:
-
Тривиальная. Вещества разделяют на группы в соответствии с их определенными свойствами (сапонины образуют пену, горечи имеют соответствующий вкус и так далее).
-
Химическая. Основывается на характеристиках химической структуры соединений. В настоящее время является наиболее распространенной. Недостатком такой классификации является то, что вещества одной группы могут отличаться по способу производства и свойствам.
-
Биохимическая. Во главе этого типа систематизации лежит способ биосинтеза. Является наиболее научно обоснованной, но ввиду малоизученности биохимии растений применение этой классификации ограничено.
-
Функциональная. Основывается на определенных функциях веществ в живом организме. В одной группе могут находиться вторичные метаболиты, имеющие разную химическую структуру.
Сложность классификации заключается в том, что каждая группа вторичных метаболитов тесно связана с остальными. Так, горечи (класс терпенов) являются гликозидами, а каротиноиды (производные тетратерпенов) – это витамины.
Основные группы
Ко вторичным метаболитам клеток растений относят следующие типы веществ:
-
алкалоиды (пиридиновые, имидазоловые, пуриновые, беталаины, гликоалкалоиды, протоалкалоиды и другие);
-
антраценпроизводные (производные хризацина, антрона, ализарина и других соединений);
-
фитостериоды (витанолиды);
-
гликозиды (монозиды, биозиды и олигозиды, цианогенные гликозиды и тиогликозиды);
-
изопреноиды (терпены и их производные – терпеноиды и стероиды);
-
фенольные соединения и другие.
Многие из этих веществ обладают уникальными свойствами. Так, алкалоиды кураре – это сильнейший яд, а некоторые группы гликозидов обладают ярко выраженным терапевтическим действием и используются для изготовления препаратов, применяемых при лечении сердечной недостаточности.
Применение
Вторичные метаболиты оказывают активное воздействие на органы и системы человека и животных, поэтому они находят широкое применение в фармакологии и ветеринарии, используются в качестве усилителей вкуса и аромата в пищевых продуктах. Некоторые растения, накапливающие эти вещества в значительном количестве, используются в качестве сырья в производстве технических материалов.
За рубежом, в странах с развитой химической промышленностью, около четверти всех соединений, применяемых в фармации, имеют растительное происхождение. Ценное лечебное действие вторичных метаболитов связано с такими их свойствами, как:
-
широкий спектр действия;
-
минимум побочных эффектов даже при длительном приеме;
-
комплексное воздействие на организм;
-
высокая эффективность.
Так как данные соединения являются еще малоизученными, то дальнейшее их исследование может привести к созданию принципиально новых фармацевтических препаратов.
