Синтез вторичных метаболитов

Синтез вторичных метаболитов характеризуется некоторыми особенностями. Во-первых, предшественниками для них служит небольшое количество первичных метаболитов; например, для синтеза алкалоидов необходимо 7—8 аминокислот, фенолы синтезируются из аминокислоты фенилаланина или тирозина, а изопреноиды — из мевалоновой кислоты. Во-вторых, многие вторичные метаболиты синтезируются разными путями (см. далее). В-третьих, в их синтезе участвуют специальные ферменты.

Синтез вторичных метаболитов зависит главным образом от вида растения. Многие из них синтезируются постоянно, образование других начинается только после действия определенных факторов окружающей среды или в определенном возрасте растения. Они синтезируются в цитозоле, эндоплазматическом ретикулуме, хлоронластах.

Вторичные метаболиты синтезируются в клетках не только высших растений, но и водорослей, а также грибов, бактерий.

Синтез фенольных соединений. Существует два основных пути — шикиматный и ацетатно-малонатный.

Шикиматный путь — это цепь реакций, которая начинается с ФЕП и эритрозо- 4-фосфата, являющихся продуктами фотосинтеза и дыхания (см. параграф 6.4). В результате образуется шикимат — предшественник образования многих важных соединений в клетке (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Шикимовая кислота.

Из нее затем получаются ароматические аминокислоты — фенилаланин, тирозин, триптофан. Из фенилаланина через промежуточные вещества (оксикоричные кислоты) образуются флавоноиды и катехины:

Важную роль в образовании фенолов играет коричная кислота. Так образуется большинство фенолов.

Шикиматный путь синтеза есть у бактерий, растений и грибов, но его нет у животных. У растений он происходит в пластидах. Ацетатпо-малонатный путь у высших растений обычно осуществляется вместе с шикиматным путем. Исходным веществом для него служит ацетил-КоА, образующийся при дыхании:

Образование флавоноидных соединений — характерная особенность высших растений; ни грибы, ни лишайники не могут их синтезировать.

Синтез алкалоидов. Алкалоиды синтезируются из аминокислот, чаще других используются орнитин, лизин, триптофан, фенилаланин. Так как предшественники алкалоидов разные, то их биосинтез идет разными путями. Например, фитогормон индолилуксусная кислота (ИУК) синтезируется из триптофана:

Па примере синтеза никотина можно показать связь вторичного метаболита с дыханием — процессом первичного метаболизма. Никотин синтезируется из пирувата, образуемого в результате гликолиза. Из пирувата в результате его окисления и декарбоксилироваиия образуется ацетил-КоА, который превращается в оксалоацетат, а затем в никотин.

Предшественниками алкалоидов могут являться и полиамины (путрссцин, кадаверин):

Синтез изопреноидов. Все изопрсноиды синтезируются из изопентенилдифосфата (ИПЛФ):

Ферменты для их синтеза находятся в цитозоле и пластидах.

Сам ИПДФ образуется в цитозоле из ацетил-КоА через мевалоновую кислоту.

У растений недавно был открыт другой путь образования изопентенилфосфата — из пирувата (ПВК) и фосфоглицеринового альдегида. Он протекает вхлоропластах.

Минорные классы вторичных метаболитов синтезируются из аминокислот.

Синтезируясь в цитозоле, эндоплазматическом ретикулуме, хлоропластах, вторичные метаболиты накапливаются в вакуолях (алкалоиды, фенолы, флавоноиды, беталаины, цианогенные гликозиды), периплазматическом пространстве (фенолы), хлоропластах и хромопластах (флавоноиды), клеточных стенках (лигнин). Изопрсноиды после синтеза выходят из клетки.

Вторичные метаболиты выделяются во внешнюю среду с помощью выделительных тканей (железистых клеток, железистых волосков — трихом) (см. параграф 6.6).

В результате многовековой селекции культурных растений, используемых человеком в пищу, их способность синтезировать вторичные метаболиты снизилась; одновременно у самих этих растений снизился иммунитет к заболеваниям.

Поскольку потребность во вторичных метаболитах увеличивается, для их получения стали использовать клетки, ткани, органы, изолированные из растения. В культуре in vitro клетки каллусов, суспензионных культур, изолированных органов синтезируют, как правило, тот же набор вторичных метаболитов, что и целые растения.

Получение вторичных метаболитов из целых растений сопряжено с рядом трудностей. Растения нужно собирать в определенное время года — летом или осенью. Если для этой цели растения выращивают на специальных участках, то часто необходимы большие территории. Синтез вторичных метаболитов в культуре in vitro обладает рядом преимуществ: вещества могут синтезироваться в большем количестве, чем в растении, изолированные клетки иногда синтезируют и необычные для данного вида растения соединения; синтез идет в течение всего года и не зависит от времени года.

В культуре клеток может происходить биотрансформация вторичных метаболитов. Примером может служить превращение в культуре клеток дигитоксина в дигоксин. Растение наперстянка (Digitalis lanata) синтезирует большое количество дигитоксина, но его в медицине используют в малых количествах, а дигоксина, наоборот, в терапии требуется много, в растении же его образуется мало. В культуре клеток дигоксин не синтезируется, но его можно получать из дигитоксина.

В настоящее время проводятся генно-инженерные исследования, цель которых — получить растения с повышенным содержанием изопрсноидов.