Primärmetabolite und ihre Produzenten. Primäre Metaboliten

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Wie auch immer der Weg der Photosynthese aussieht, sie endet letztendlich mit der Ansammlung energiereicher Reservestoffe, die die Grundlage für den Erhalt des Lebens der Zelle und letztendlich des gesamten vielzelligen Organismus bilden. Diese Stoffe sind Produkte des Primärstoffwechsels. Neben ihrer wichtigsten Funktion sind Primärmetaboliten die Grundlage für die Biosynthese von Verbindungen, die gemeinhin als Produkte des Sekundärstoffwechsels bezeichnet werden. Letztere, umgangssprachlich oft als „Sekundärmetaboliten“ bezeichnet, verdanken ihre Existenz in der Natur ausschließlich den Produkten, die bei der Photosynthese entstehen. Es ist zu beachten, dass die Synthese sekundärer Metaboliten aufgrund der Energie erfolgt, die während des Prozesses der Zellatmung in den Mitochondrien freigesetzt wird.

Sekundärmetaboliten sind Gegenstand der Untersuchung der Pflanzenbiochemie, es ist jedoch nicht uninteressant, sich mit dem Diagramm (Abb. 1) vertraut zu machen, das ihre biogenetische Beziehung zu direkten Produkten der Photosynthese zeigt.

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

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

Pigmente

Unter den Vakuolenpigmenten sind Anthocyane und Flavone am häufigsten.

Anthocyane gehören zur Gruppe der Glykoside mit phenolischen Gruppen. Anthocyane einer Gruppe unterscheiden sich von den anderen. Ein interessantes Merkmal dieses Pigments ist, dass es je nach pH-Wert des Zellsafts seine Farbe ändert. Wenn der Zellsaft sauer ist, wird er durch Anthocyane rosa, wenn er neutral ist, wird er violett, und wenn er basisch ist, wird er blau.

Bei einigen Pflanzen kann sich die Farbe während der Blütenentwicklung ändern. Borretsch hat beispielsweise Knospen Pinke Farbe, und reife Blüten sind blau. Man geht davon aus, dass die Pflanze auf diese Weise den Insekten signalisiert, dass sie zur Bestäubung bereit ist.

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

Antochlor ist ein gelbes Pigment, das zu den Flavonoiden gehört. Es kommt seltener vor. Enthält Anthochlor gelbe Blumen Kürbis, Leinkraut, Zitrusfrüchte.

Auch der Farbstoff Antophein kann sich im Zellsaft anreichern und diesen dunkelbraun färben.

Zu den Alkaloiden gehören natürliche heterozyklische Verbindungen, die neben Kohlenstoff ein oder mehrere Stickstoffatome und seltener auch Sauerstoffatome in ihren Ringen enthalten. Sie weisen alkalische Eigenschaften auf. Alkaloide haben eine hohe pharmakologische Aktivität, daher werden die meisten Heilpflanzen als Alkaloide eingestuft. In den Schoten des Schlafmohns wurden mehr als 20 verschiedene Alkaloide gefunden, darunter Morphin, Thebain, Codein, Papaverin usw. Bekanntlich verursacht Morphin mit seiner schmerzstillenden und schockhemmenden Wirkung Euphorie: Bei wiederholter Anwendung Es entwickelt sich eine schmerzhafte Sucht danach – eine Drogensucht. Codein reduziert die Erregbarkeit des Hustenzentrums und ist Bestandteil von Antitussiva. Papaverin wird als krampflösendes Mittel bei Bluthochdruck, Angina pectoris und Migräne eingesetzt. Nachtschattengewächse, Butterblumen und Lilien sind reich an Alkaloiden.

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

Glykoside sind Zuckerderivate in Verbindung mit Alkoholen, Aldehyden, Phenolen und anderen stickstofffreien Stoffen. Bei Kontakt mit Luft zerfallen Glykoside und setzen ein angenehmes Aroma frei, zum Beispiel den Geruch von Heu, aufgebrühtem Tee usw.

Am breitesten praktischer Nutzen finden Sie Herzglykoside und Saponine. Herzglykoside sind der Wirkstoff einer so berühmten Heilpflanze wie Maiglöckchen. Seine medizinischen Eigenschaften sind seit langem bekannt und haben bis heute nicht an Bedeutung verloren. Früher wurden aus Maiglöckchen Medikamente gegen Wassersucht, Herzerkrankungen, Epilepsie und Fieber hergestellt.

Der Name Saponine leitet sich von der Schaumbildungsfähigkeit dieser Verbindungen ab. Die meisten Vertreter dieser Gruppe weisen eine hohe biologische Aktivität auf, die entscheidend ist therapeutische Wirkung und dementsprechend die medizinische Verwendung so bekannter Biostimulanzien wie Ginseng, Süßholz und Aralia.

Tannine (Gerbstoffe) sind Phenolderivate. Sie haben einen adstringierenden Geschmack und antiseptische Eigenschaften. Sie reichern sich in Form kolloidaler Lösungen in der Zelle an und haben gelbe, rote und braune Farbe. Durch die Zugabe von Eisensalzen erhalten sie eine bläulich-grüne Farbe, die früher zur Herstellung von Tinte verwendet wurde.

Tannine können sich in verschiedenen Pflanzenorganen in erheblichen Mengen anreichern. Viele davon kommen in den Früchten von Quitten, Kakis, Vogelkirschen, in Eichenrinde und in Teeblättern vor.

Es wird angenommen, dass Tannine verschiedene Funktionen erfüllen. Wenn der Protoplast stirbt, dringen Tannine in die Zellwände ein und machen sie widerstandsfähig gegen Zerfall. In lebenden Zellen schützen Tannine den Protoplasten vor Austrocknung. Es wird angenommen, dass sie auch an der Synthese und dem Transport von Zucker beteiligt sind.

Produktion von Sekundärmetaboliten

Von allen Produkten, die durch mikrobielle Prozesse hergestellt werden, Höchster Wert haben sekundäre Metaboliten. Sekundärmetabolite, auch Idiolithe genannt, sind Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, die für das Wachstum in Reinkultur nicht erforderlich sind. Sie werden von einer begrenzten Anzahl taxonomischer Gruppen produziert und sind oft eine Mischung eng verwandter Verbindungen, die derselben angehören chemische Gruppe. Wenn die Frage der physiologischen Rolle von Sekundärmetaboliten in Produzentenzellen Gegenstand ernsthafter Debatten war, dann ihre industrielle Produktion ist zweifellos von Interesse, da es sich bei diesen Metaboliten um biologisch aktive Substanzen handelt: Einige von ihnen haben eine antimikrobielle Aktivität, andere sind spezifische Enzyminhibitoren, andere sind Wachstumsfaktoren und viele haben eine pharmakologische Aktivität. Zu den Sekundärmetaboliten zählen Antibiotika, Alkaloide, Pflanzenwachstumshormone und Toxine. Die Pharmaindustrie hat hochentwickelte Methoden zum Screening (Massentest) von Mikroorganismen auf ihre Fähigkeit entwickelt, wertvolle Sekundärmetaboliten zu produzieren.

Die Herstellung solcher Stoffe diente als Grundlage für die Entstehung einer Reihe von Zweigen der mikrobiologischen Industrie. Der erste Teil dieser Serie war die Herstellung von Penicillin; Die mikrobiologische Methode zur Herstellung von Penicillin wurde in den 1940er Jahren entwickelt und legte den Grundstein für die moderne industrielle Biotechnologie.

Antibiotikamoleküle sind in ihrer Zusammensetzung und ihrem Wirkungsmechanismus auf die mikrobielle Zelle sehr unterschiedlich. Gleichzeitig besteht aufgrund der zunehmenden Resistenz pathogener Mikroorganismen gegen alte Antibiotika ein ständiger Bedarf an neuen Antibiotika. In einigen Fällen können natürliche mikrobielle Antibiotikaprodukte chemisch oder enzymatisch in sogenannte halbsynthetische Antibiotika mit höheren therapeutischen Eigenschaften umgewandelt werden.

Antibiotika - organische Verbindungen. Sie werden von einer lebenden Zelle synthetisiert und sind in geringen Konzentrationen in der Lage, die Entwicklung von darauf empfindlichen Mikroorganismenarten zu verlangsamen oder sie vollständig zu zerstören. Sie werden nicht nur von mikrobiellen und pflanzlichen Zellen, sondern auch von tierischen Zellen produziert. Antibiotika pflanzlichen Ursprungs werden Phytonzide genannt. Dabei handelt es sich um Chloreline, Tomaten, Sativine, gewonnen aus Knoblauch, und Aline, isoliert aus Zwiebeln.

Das Wachstum von Mikroorganismen kann als S-förmige Kurve charakterisiert werden. Die erste Stufe ist die Phase des schnellen Wachstums oder logarithmischen Wachstums, die durch die Synthese von Primärmetaboliten gekennzeichnet ist. Als nächstes kommt die langsame Wachstumsphase, in der sich der Anstieg der Zellbiomasse stark verlangsamt. Mikroorganismen, die Sekundärmetabolite produzieren, durchlaufen zunächst eine Phase schnellen Wachstums, die Tropophase, in der die Synthese sekundärer Substanzen unbedeutend ist. Wenn sich das Wachstum aufgrund der Erschöpfung eines oder mehrerer essentieller Nährstoffe im Kulturmedium verlangsamt, tritt der Mikroorganismus in die Idiophase ein; In dieser Zeit werden Idiolithe synthetisiert. Idiolyte oder Sekundärmetaboliten spielen bei Stoffwechselprozessen keine eindeutige Rolle; sie werden von Zellen produziert, um sich beispielsweise zum Schutz an Umweltbedingungen anzupassen. Sie werden nicht von allen Mikroorganismen synthetisiert, sondern hauptsächlich von Fadenbakterien, Pilzen und sporenbildenden Bakterien. Somit gehören Produzenten von Primär- und Sekundärmetaboliten unterschiedlichen taxonomischen Gruppen an.

Bei der Produktion müssen die Besonderheiten des Kulturwachstums dieser Mikroorganismen berücksichtigt werden. Im Fall von Antibiotika beispielsweise reagieren die meisten Mikroorganismen während der Tropophase empfindlich auf ihre eigenen Antibiotika, während sie in der Idiophase dagegen resistent werden.

Um antibiotikaproduzierende Mikroorganismen vor der Selbstzerstörung zu schützen, ist es wichtig, schnell die Idiophase zu erreichen und die Mikroorganismen dann in dieser Phase zu kultivieren. Dies wird durch unterschiedliche Anbauregime und die Zusammensetzung des Nährmediums in den Phasen des schnellen und langsamen Wachstums erreicht.

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

Ein neuer Ansatz zur Steigerung der Ausbeute an Sekundärmetaboliten ist die Immobilisierung pflanzlicher Zellen und Gewebe. Der erste erfolgreiche Versuch, ganze Zellen zu erfassen, wurde 1966 von Mosbach durchgeführt. Er fixierte die Zellen der Flechte Umbilicaria pustulata in einem Polyacrylamidgel. Im folgenden Jahr züchtete van Wetzel tierische embryonale Zellen, die auf DEAE-Mikrokügelchen (Diethylaminoethyl-Sephadex auf Dextranbasis) immobilisiert waren. Anschließend wurden die Zellen auf verschiedenen Substraten immobilisiert. Dabei handelte es sich hauptsächlich um mikrobielle Zellen.

Zellimmobilisierungsmethoden werden in 4 Kategorien unterteilt:

Immobilisierung von Zellen oder subzellulären Organellen in einem inerten Substrat. Zum Beispiel Zellen von Catharanthus roseus, Digitalis lanata in Alginat, Agarosekügelchen, Gelatine usw. Bei der Methode werden Zellen mit einem von verschiedenen Zementiermedien – Alginat, Agar, Kollagen, Polyacrylamid – umhüllt.

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

Adsorption von Zellen an einem inerten Substrat mithilfe biologischer Makromoleküle (z. B. Lektin). Selten verwendet, gibt es Informationen über Experimente mit verschiedene Linien menschliche Zellen, Erythrozyten aus Schafsblut, adsorbiert auf proteinbeschichteter Agarose.

Kovalente Bindung an einen anderen inerten Träger wie CMC. Sehr selten eingesetzt, erfolgreiche Immobilisierung ist für Micrococcus luteus bekannt. Es wurden vor allem Experimente zur Immobilisierung tierischer Zellen und Mikroorganismen durchgeführt.

IN In letzter Zeit Das Interesse an der Immobilisierung von Pflanzenzellen hat deutlich zugenommen, was darauf zurückzuführen ist, dass immobilisierte Zellen bei der Gewinnung von Sekundärmetaboliten gewisse Vorteile gegenüber Kallus- und Suspensionskulturen haben.

Physiologische Grundlage der Vorteile immobilisierter Pflanzenzellen gegenüber herkömmlichen Kultivierungsmethoden

In der Literatur gibt es zahlreiche Belege dafür, dass ein positiver Zusammenhang zwischen der Akkumulation von Sekundärmetaboliten und dem Differenzierungsgrad in der Zellkultur besteht. Darüber hinaus wird beispielsweise Lignin erst nach Abschluss von Differenzierungsprozessen in Tracheiden und Gefäßelementen des Xylems abgelagert, was in Experimenten sowohl in vivo als auch in vitro gezeigt wurde. Die gewonnenen Daten deuten darauf hin, dass die Differenzierung und Akkumulation sekundärer Stoffwechselprodukte am Ende des Zellzyklus erfolgt. Mit abnehmendem Wachstum beschleunigen sich Differenzierungsprozesse.

Eine Untersuchung des Alkaloidgehalts vieler Pflanzen in vitro zeigte, dass kompakte, langsam wachsende Zellkulturen Alkaloide in größeren Mengen enthalten als lockere, schnell wachsende Kulturen. Die Organisation der Zellen ist für ihren normalen Stoffwechsel notwendig. Das Vorhandensein einer Organisation im Gewebe und ihre anschließende Auswirkung auf verschiedene physikalische und chemische Gradienten sind klare Indikatoren, anhand derer sich Nutzpflanzen mit hohem und niedrigem Ertrag unterscheiden lassen. Es ist offensichtlich, dass die Immobilisierung von Zellen Bedingungen schafft, die zur Differenzierung führen, die Organisation von Zellen rationalisiert und dadurch zu einer hohen Ausbeute an Sekundärmetaboliten beiträgt.

Immobilisierte Zellen haben eine Reihe von Vorteilen:

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

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Wachstum und Stoffwechsel? Was hat die zelluläre Organisation und Differenzierung damit zu tun? Es wird angenommen, dass dieser Zusammenhang auf zwei Arten von Mechanismen beruht. Der erste Mechanismus basiert auf der Tatsache, dass das Wachstum den Grad der Zellaggregation bestimmt und sich indirekt auf die Synthese von Sekundärmetaboliten auswirkt. Organisation in in diesem Fall ist das Ergebnis der Zellaggregation und ein ausreichender Aggregationsgrad kann nur in langsam wachsenden Kulturen erreicht werden. Der zweite Mechanismus hängt mit der Wachstumskinetik zusammen und legt nahe, dass die „primären“ und „sekundären“ Stoffwechselwege in schnell und langsam wachsenden Zellen unterschiedlich um Vorläufer konkurrieren. Wenn die Umweltbedingungen ein schnelles Wachstum begünstigen, werden zunächst Primärmetaboliten synthetisiert. Wird das schnelle Wachstum blockiert, beginnt die Synthese von Sekundärmetaboliten. Somit trägt die geringe Wachstumsrate immobilisierter Zellen zu einer hohen Ausbeute an Metaboliten bei.

2. Zusätzlich zum langsamen Wachstum ermöglicht die Immobilisierung der Zellen, dass sie in engem physischen Kontakt miteinander wachsen, was sich auch positiv auf chemische Kontakte auswirkt.

In einer Pflanze ist jede Zelle von anderen Zellen umgeben, ihre Position ändert sich jedoch während der Ontogenese infolge der Teilung sowohl dieser als auch der umgebenden Zellen. Der Grad und die Art der Differenzierung dieser Zelle hängen von der Position der Zelle in der Pflanze ab. Daher beeinflusst die physikalische Umgebung einer Zelle ihren Stoffwechsel. Auf welche Weise? Die Regulation der Synthese von Sekundärmetaboliten steht sowohl unter genetischer als auch epigenetischer (extranukleärer) Kontrolle, d. h. jegliche Veränderungen im Zytoplasma können zu quantitativen und qualitativen Veränderungen bei der Bildung von Sekundärmetaboliten führen. Das Zytoplasma wiederum ist ein dynamisches System, das von der Umgebung beeinflusst wird.

Aus äußere Bedingungen Der Stoffwechsel wird maßgeblich von zwei wichtigen Faktoren beeinflusst: der Sauerstoffkonzentration und Kohlendioxid sowie Beleuchtungsstärken. Licht spielt sowohl bei der Photosynthese als auch bei physiologischen Prozessen wie Zellteilung, Mikrofibrillenausrichtung und Enzymaktivierung eine Rolle. Intensität und Wellenlänge der Lichtwelle werden durch die Position der Zelle in der Masse anderer Zellen bestimmt, das heißt, sie hängen vom Organisationsgrad des Gewebes ab. In einer organisierten Struktur gibt es zentrifugale Konzentrationsgradienten von O2 und CO2, die im Differenzierungsprozess eine äußerst wichtige Rolle spielen.

Daher unterscheidet sich der Sekundärstoffwechsel in großen Zellaggregaten mit kleinen Flächen-Volumen-Verhältnissen (S/V) aufgrund von Gaskonzentrationsgradienten von dem in isolierten Zellen und kleinen Zellgruppen. Gradienten von Wachstumsregulatoren, Nährstoffen und mechanischem Druck wirken ähnlich. Die Umweltbedingungen verteilter Zellen und Zellen in Form von Aggregaten sind unterschiedlich, daher sind auch ihre Stoffwechselwege unterschiedlich.

3. Die Ausbeute an Sekundärmetaboliten kann auch durch Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Umgebung reguliert werden.

Die Änderung der Zusammensetzung des Mediums für Kallus- und Suspensionskulturen geht mit bestimmten physikalischen Manipulationen an Zellen einher, die zu einer Schädigung oder Kontamination der Kulturen führen können. Diese Schwierigkeiten können überwunden werden, indem große Mengen Nährmedium um physikalisch unbewegliche Zellen zirkuliert werden, was eine aufeinanderfolgende chemische Behandlung ermöglicht.

4. In einigen Fällen treten Probleme bei der Isolierung von Idiolithen auf.

Bei Verwendung immobilisierter Zellen ist deren Verarbeitung relativ einfach Chemikalien, wodurch die Freigabe der benötigten Produkte eingeleitet wird. Es reduziert auch die Rückkopplungshemmung, die die Synthese von Substanzen aufgrund ihrer Anreicherung in der Zelle einschränkt. Kultivierte Zellen einiger Pflanzen, beispielsweise Capsicum frutescens, geben Sekundärmetaboliten an die Umwelt ab, und das System immobilisierter Zellen ermöglicht die Auswahl von Produkten, ohne die Pflanzen zu schädigen. Somit erleichtert die Zellimmobilisierung die einfache Isolierung von Idioliten.

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Diauxie- das Auftreten einer oder mehrerer vorübergehender (d. h. vorübergehender) Wachstumsphasen in der Kultur. Dies geschieht, wenn sich Bakterien in einer Umgebung befinden, die zwei oder mehr Bakterien enthält alternative Quellen Ernährung. Bakterien bevorzugen oft eine Quelle gegenüber einer anderen, bis die erste erschöpft ist. Dann wechseln die Bakterien zu einer anderen Nahrungsquelle. Allerdings verlangsamt sich das Wachstum bereits merklich, bevor der Wechsel der Nahrungsquelle erfolgt. Ein Beispiel ist E. coli, ein Bakterium, das typischerweise im Darm vorkommt. Es kann Glukose oder Laktose als Energie- und Kohlenstoffquelle nutzen. Wenn beide Kohlenhydrate vorhanden sind, wird zuerst Glukose verbraucht und dann verlangsamt sich das Wachstum, bis laktosefermentierende Enzyme produziert werden.

Bildung von Primär- und Sekundärmetaboliten

Primäre Metaboliten- Dies sind Stoffwechselprodukte, die für Wachstum und Überleben notwendig sind.
Sekundärmetaboliten- Stoffwechselprodukte, die nicht zum Wachstum benötigt werden und nicht überlebenswichtig sind. Allerdings tun sie es nützliche Funktionen und schützen oft vor der Wirkung anderer konkurrierender Mikroorganismen oder hemmen deren Wachstum. Einige von ihnen sind für Tiere giftig und können daher als chemische Waffen eingesetzt werden. Während der aktivsten Wachstumsphasen werden sie meist nicht produziert, sondern beginnen zu produzieren, wenn sich das Wachstum verlangsamt, wenn Reservematerialien verfügbar werden. Sekundärmetaboliten sind einige wichtige Antibiotika.

Messung des Wachstums von Bakterien und Pilzen in Kulturen

Im vorherigen Abschnitt haben wir analysiert typische bakterielle Wachstumskurve. Man würde erwarten, dass dieselbe Kurve das Wachstum von Hefen (einzelligen Pilzen) oder das Wachstum einer beliebigen Kultur von Mikroorganismen charakterisiert.

Bei der Analyse des Bakterienwachstums oder Hefe können wir entweder direkt die Anzahl der Zellen zählen oder einige von der Anzahl der Zellen abhängige Parameter messen, wie zum Beispiel die Trübung der Lösung oder die Gasproduktion. Typischerweise wird ein steriles Nährmedium mit einer kleinen Anzahl von Mikroorganismen inokuliert und die Kultur in einem Inkubator bei Raumtemperatur gezüchtet optimale Temperatur Wachstum. Die übrigen Bedingungen sollten möglichst optimal sein (Abschnitt 12.1). Das Wachstum sollte ab dem Zeitpunkt der Inokulation gemessen werden.

Normalerweise in wissenschaftliche Forschung sich an etw. halten gute Regel - Führen Sie den Versuch in mehreren Wiederholungen durch und platzieren Sie Kontrollproben, wo möglich und notwendig. Einige Techniken zur Höhenmessung erfordern bestimmte Fähigkeiten und sind selbst in den Händen von Spezialisten nicht sehr genau. Daher ist es sinnvoll, bei jedem Experiment möglichst zwei Proben (eine Wiederholung) durchzuführen. Eine Kontrollprobe, bei der dem Kulturmedium keine Mikroorganismen zugesetzt wurden, zeigt, ob wirklich steril gearbeitet wird. Mit genügend Erfahrung können Sie alle beschriebenen Methoden beherrschen. Wir empfehlen Ihnen daher, sie zunächst zu üben, bevor Sie sie in Ihrem Projekt anwenden. Die Anzahl der Zellen kann auf zwei Arten bestimmt werden, nämlich durch Zählen entweder der Anzahl lebensfähiger Zellen oder der Gesamtzahl der Zellen. Die lebensfähige Zellzahl ist nur die Anzahl lebender Zellen. Die Gesamtzellzahl ist die Gesamtzahl sowohl lebender als auch toter Zellen; Dieser Indikator ist normalerweise einfacher zu bestimmen.

Fragen:

1. Stoffwechsel. Primär- und Sekundärstoffwechsel.

2. Merkmale des Zellstoffwechsels.

3. Die Zelle als offenes thermodynamisches System. Arten der Arbeit im Käfig. Makroerge Verbindungen.

4. Enzyme: Struktur (Prostatagruppe, Coenzyme) und Funktionen. Klassifizierung von Enzymen

5. Sekundärmetaboliten, Klassifizierung, Rolle im Pflanzenleben, menschliche Nutzung. Bildung von Pigmenten, Toxinen, Aromastoffen durch Mikroorganismen (Pilze, Bakterien).

1. Stoffwechsel (Stoffwechsel) – die Gesamtheit von allem chemische Reaktionen in einem Käfig laufen.

Metaboliten - Stoffwechselprodukte.

Auf die Bildung von Hormonen in Zellen (Ethylen, unterdrückt die Synthese von IAA);

Hemmt Rhizogenese und Zellverlängerung;

Sie sind Phytotoxine (wirken antimikrobiell);

Mit ihrer Hilfe kann eine Pflanze auf eine andere einwirken,

Tannine erhöhen die Widerstandskraft von Bäumen gegen Pilzinfektionen.

Werden verwendet in der Medizin zur Sterilisation, als Arzneimittel (Salicylsäure), in der Industrie als Farbstoffe.

5.2. Alkaloide – heterozyklische Verbindungen, die ein oder mehrere Stickstoffatome im Molekül enthalten. Es sind etwa 10.000 Alkaloide bekannt. Sie kommen in 20 % der Pflanzen vor und kommen am häufigsten bei Angiospermen (Blütenpflanzen) vor. Alkaloide sind in Bryophyten und Pteridophyten selten.

Alkaloide werden aus Aminosäuren synthetisiert: Ornithin, Tyrosin, Lysin, Tryptophan, Phenylalanin, Histidin, Atranilsäure.

Sie reichern sich in aktiv wachsenden Geweben, in den Zellen der Epidermis und Hypodermis, in den Hüllen von Leitbündeln und in Laticiferen an. Sie können sich nicht in den Zellen ansammeln, in denen sie gebildet werden, sondern in anderen. Nikotin wird beispielsweise in den Wurzeln produziert und reichert sich in den Blättern an. Normalerweise beträgt ihre Konzentration Zehntel oder Hundertstel Prozent, China enthält jedoch 15 - 20 % Alkaloide. Verschiedene Pflanzen können unterschiedliche Alkaloide enthalten. Alkaloide kommen in Blättern, Rinde, Wurzeln und Holz vor.

Funktionen Alkaloide:

regulieren das Pflanzenwachstum (IAA) und schützen Pflanzen vor dem Verzehr durch Tiere.

Werden verwendet Alkaloide

als Arzneimittel: Codein (gegen Husten), Morphin (Schmerzmittel), Koffein (gegen nervöse und Herz-Kreislauf-Erkrankungen), Chinin (gegen Malaria). Atropin, Pilocarpin, Strychnin und Ephedrin sind giftig, können aber in kleinen Dosen als Arzneimittel verwendet werden.;

Nikotin und Anabasin werden zur Bekämpfung von Insekten eingesetzt.

5.3. Isoprenoide (Terpenoide) – Verbindungen, die aus mehreren Isopreneinheiten (C5H8 – Isopren) bestehen und die allgemeine Formel (C5H8)n haben. Dank zusätzlicher Gruppen (Radikale) können Isoprenoide eine Anzahl von Kohlenstoffatomen im Molekül aufweisen, die kein Vielfaches von 5 ist. Zu den Terpenen zählen nicht nur Kohlenwasserstoffe, sondern auch Verbindungen mit Alkohol-, Aldehyd-, Keto-, Lacton- und Säuregruppen.

Polyterpene – Gummi, Gutta.

Terpenoide sind Gibberellinsäure (Gibberelline), Abscisinsäure und Cytokinine. Sie lösen sich nicht in Wasser auf. Kommt in Chloroplasten und Membranen vor.

Carotinoide haben eine gelbe bis rotviolette Farbe, werden aus Lycopin gebildet und sind in Fetten löslich.

Isopren inklusive

enthält Öl aus Kiefernnadeln, Zapfen, Blüten, Früchten, Holz;

Harze, Latex, ätherische Öle.

Funktionen:

Pflanzen vor Bakterien, Insekten und Tieren schützen; einige von ihnen sind an der Wundheilung und dem Schutz vor Insekten beteiligt.

Dazu gehören Hormone (Cytokinine, Gibberelline, Abscisinsäure, Brassinosteroide);

Carotinoide nehmen an der Lichtphase der Photosynthese teil, gelangen in das SSC und schützen Chlorophyll vor Photooxidation.

Sterole sind Bestandteile von Membranen und beeinflussen deren Durchlässigkeit.

Verwenden als Arzneimittel (Kampfer, Menthol, Herzglykoside), Vitamin A. Sie sind die Hauptbestandteile ätherischer Öle, daher werden sie in Parfüms verwendet und sind in Repellentien enthalten. Sie sind Teil von Gummi. Geraniolalkohol kommt in Rosenöl, Lorbeerblattöl, Orangenblütenöl, Jasminöl und Eukalyptusöl vor.

5.4. Synthese von Sekundärmetaboliten

zeichnet sich durch einige Merkmale aus:

1) Ihre Vorläufer sind eine kleine Anzahl primärer Metaboliten. Beispielsweise werden 8(?) Aminosäuren für die Synthese von Alkaloiden, Phenylalanin oder Tyrosin für die Synthese von Phenolen und Mevalonsäure für die Synthese von Isoprenoiden benötigt;

2) viele Sekundärmetaboliten werden auf unterschiedliche Weise synthetisiert;

3) An der Synthese sind spezielle Enzyme beteiligt.

Sekundärmetaboliten werden im Zytosol, im endoplasmatischen Retikulum und in Chloroplasten synthetisiert.

5.5. Lokalisierung von Sekundärmetaboliten

Sie reichern sich in Vakuolen (Alkaloide, Phenole, Betalaine, cyanogene Glykoside, Glucosinolate) und im periplasmatischen Raum (Phenole) an. Nach der Synthese verlassen Isoprenoide die Zelle.

Sekundäre Metaboliten sind selten gleichmäßig im Gewebe verteilt. Sie reichern sich häufig in Idioblasten, Laticiferen, speziellen Kanälen und Passagen an.

Idioblasten (aus dem Griechischen Idioten eigenartig) - einzelne Zellen, die mit Ausscheidungsgeweben verbunden sind und sich in Form und Struktur von benachbarten Zellen unterscheiden. Man findet sie in der Epidermis von Stängeln oder Blättern (nur in der Epidermis?).

Die Orte der Synthese und der Lokalisierung sind oft getrennt. Nikotin wird beispielsweise in den Wurzeln synthetisiert und reichert sich in den Blättern an.

Sekundäre Metaboliten werden mit Hilfe von Ausscheidungsgeweben (Drüsenzellen, Drüsenhaare – Trichome) an die äußere Umgebung abgegeben.

Die Isolierung ist für Alkaloide nicht typisch.

Die Synthese und Anreicherung von Sekundärmetaboliten im Gewebe hängt hauptsächlich von der Art der Pflanze, manchmal vom Stadium der Ontogenese oder dem Alter, sowie von äußeren Bedingungen ab. Die Verteilung im Gewebe hängt von der Pflanzenart ab.

5.6. Funktionen von Sekundärmetaboliten

Während der Entdeckung von Sekundärmetaboliten gab es unterschiedliche Meinungen über deren Bedeutung im Pflanzenleben. Sie galten als unnötig, als Abfall (ihre Synthese) als Sackgasse des Stoffwechsels, als Produkte der Entgiftung giftiger Primärmetaboliten, wie etwa freier Aminosäuren.

Derzeit sind viele bereits bekannt Funktionen dieser Verbindungen, zum Beispiel Lagerung, Schutz. Alkaloide sind eine Stickstoffquelle für Zellen; phenolische Verbindungen können ein Atmungssubstrat sein. Sekundärmetaboliten schützen Pflanzen vor Biopathogenen. Ätherische Öle, eine Mischung aus Sekundärmetaboliten, haben antimikrobielle und antifungizide Eigenschaften. Einige Sekundärmetaboliten, die bei der Hydrolyse abgebaut werden, bilden Gift – Blausäure, Cumarin. Sekundäre Metaboliten sind Phytoalexine, Substanzen, die als Reaktion auf eine Infektion gebildet werden und an Überempfindlichkeitsreaktionen beteiligt sind.

Anthocyane, Carotinoide und Betalaine, die für die Farbe von Blüten und Früchten sorgen, fördern die Pflanzenvermehrung und Samenverbreitung.

Sekundäre Metaboliten stoppen die Keimung von Samen konkurrierender Arten.

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6. L. Biochemie der Pflanzen. - M. VSh. 1986. 502 S.

Von allen durch mikrobielle Prozesse gewonnenen Produkten sind Sekundärmetaboliten die wichtigsten. Sekundärmetabolite, auch Idiolithe genannt, sind Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, die für das Wachstum in Reinkultur nicht erforderlich sind. Sie werden von einer begrenzten Anzahl taxonomischer Gruppen produziert und sind häufig eine Mischung eng verwandter Verbindungen, die derselben chemischen Gruppe angehören. Wenn die Frage nach der physiologischen Rolle von Sekundärmetaboliten in Produzentenzellen Gegenstand ernsthafter Debatten ist, dann ist ihre industrielle Produktion zweifellos von Interesse, da es sich bei diesen Metaboliten um biologisch aktive Substanzen handelt: Einige von ihnen haben antimikrobielle Aktivität, andere sind spezifische Enzyminhibitoren und andere sind Wachstumsfaktoren, viele haben pharmakologische Aktivität. Zu den Sekundärmetaboliten zählen Antibiotika, Alkaloide, Pflanzenwachstumshormone und Toxine. Die Pharmaindustrie hat hochentwickelte Methoden zum Screening (Massentest) von Mikroorganismen auf ihre Fähigkeit entwickelt, wertvolle Sekundärmetaboliten zu produzieren.

Antibiotika sind organische Verbindungen. Sie werden von einer lebenden Zelle synthetisiert und sind in geringen Konzentrationen in der Lage, die Entwicklung von darauf empfindlichen Mikroorganismenarten zu verlangsamen oder sie vollständig zu zerstören. Sie werden nicht nur von mikrobiellen und pflanzlichen Zellen, sondern auch von tierischen Zellen produziert. Antibiotika pflanzlichen Ursprungs werden Phytonzide genannt. Dabei handelt es sich um Chloreline, Tomaten, Sativine, gewonnen aus Knoblauch, und Aline, isoliert aus Zwiebeln.

Die meisten Gewürze, Würzmittel, Tees und andere Getränke wie Kaffee und Kakao verdanken ihre individuellen Eigenschaften (Geschmack und Aroma) pharmakologisch aktiven Sekundärmetaboliten der Pflanzen, in denen sie enthalten sind. Obwohl einige dieser Wirkstoffe (wie Vanillin, Ephedrin und Koffein) durch Halb- oder Totalsynthese hergestellt werden, werden für aus natürlichen Quellen isolierte Verbindungen immer noch hohe Preise gezahlt, insbesondere wenn sie als solche verwendet werden sollen Lebensmittelzusatzstoffe und Aromen.

Einige biologisch aktive Sekundärmetaboliten finden Verwendung als Arzneimittel oder als Modellverbindungen für Arzneimittelsynthesen und -halbsynthesen. Allerdings wird oft vergessen, dass Naturstoffe häufig als chemische Modelle für den Entwurf und die Totalsynthese neuer Wirkstoffstrukturen dienen. Beispielsweise sind Meperidin (Demerol), Pentazocin (Talwin) und Propoxyphen (Darvon) vollständig synthetische Analgetika, für die Opiate wie Morphin und Codein Vorbilder waren, während Aspirin ein einfaches Derivat der Salicylsäure ist, die ursprünglich aus der Weide gewonnen wurde (Salix SPP). ).

Im Vergleich zu den relativ niedrigen Kosten für Primär- und Massenmetaboliten liegen die Preise für sekundäre Pflanzenmetaboliten oft zwischen wenigen Dollar und mehreren Tausend Dollar pro Kilogramm. Beispielsweise haben gereinigte Opiumalkaloide (Codein und Morphin) einen Wert zwischen 650 und 1.250 US-Dollar pro Kilogramm, während seltene flüchtige (ätherische) Öle wie Rosenöl oft einen Wert von über 2.000 bis 3.000 US-Dollar pro Kilogramm haben. Catharanthus-Antitumoralkaloide haben einen Großhandelswert von etwa 5.000 US-Dollar pro Gramm und ihr Einzelhandelswert kann bis zu 20.000 US-Dollar pro Gramm erreichen. Naturstoffe haben oft hochkomplexe Strukturen mit vielen Chiralitätszentren, die die biologische Aktivität bestimmen können. Solche komplexen Verbindungen können nicht künstlich synthetisiert werden. Ein gutes Beispiel ein solcher Metabolit mit hochgradig Strukturkomplexität ist ein natürliches Pflanzeninsektizid namens Azadirachtin.

Wirtschaftlich wichtige Merkmale von Primär- und Sekundärmetaboliten. Die meisten von ihnen können aus pflanzlichen Materialien durch Wasserdampfdestillation oder Extraktion mit organischen Lösungsmitteln gewonnen werden und haben (mit Ausnahme von Biopolymeren, Naturkautschuk, kondensierten Tanninen und Stoffen mit hohem Molekulargewicht, Polysacchariden wie Gummi, Pektin und Stärke) als im Allgemeinen relativ niedriges Molekulargewicht (typischerweise weniger als 2000).

Zu den wirtschaftlich wichtigen Stoffen pflanzlichen Ursprungs gehören die Enzyme Papain und Chymopapain (aus der Papaya (Carica Papaya) gewonnene Enzyme), die in verwendet werden medizinische Zwecke, Bromelain (ein Milcheiweiß verdauendes und gerinnendes Enzym aus Ananassaft) und Malzextrakt (ein Gerstenprodukt, das ein Stärke verdauendes Enzym enthält).

Die Produktion und Verwendung spezieller Pflanzenproteine aus Pflanzenzellen ist aus mehreren Gründen von begrenztem Wert. Erstens unterliegt ihre Verwendung als biologisch aktive Verbindungen, die als Arzneimittel und Pestizide wirken können, aufgrund ihrer chemischen Struktur bestimmten Einschränkungen. Beispielsweise können die meisten Proteine nicht ohne weiteres über die Haut von Säugetieren oder das Exoskelett von Insekten absorbiert werden, und die meisten können auch nicht oral verabreicht werden (außer bei lokaler Wirkung), da sie anfällig für den Abbau durch proteolytische Verdauungsenzyme sind. Um reproduzierbare systemische Wirkungen hervorzurufen, müssen Polypeptide (wie Chymopapain) durch Injektion verabreicht werden. Daher sind Proteine nicht so leicht bioverfügbar wie Sekundärmetaboliten ( Proteinprodukte), was die Entwicklung von Endprodukten daraus und deren Verwendung erschwert. Beispielsweise können einige potenziell nützliche Proteine aufgrund physikalisch-chemischer Instabilität schnell abgebaut werden. Derzeit stehen bereits Technologien für die Insertion und Expression von Genen zur Verfügung, die für die Synthese wertvoller Polypeptide kodieren. Allerdings ergeben sich in diesem Fall aufgrund der Natur der sekundären Biosynthese von Metaboliten in Pflanzen Schwierigkeiten bei der Produktion komplexer Sekundärmetaboliten. Proteine sind die direkten Produkte von Genen, während sekundäre Metaboliten normalerweise durch die kombinierte Wirkung vieler Genprodukte (Enzyme) synthetisiert werden (Y. Aharonowitz). Es gibt viele Gene, die für die Biosynthese wirtschaftlich wichtiger Sekundärmetaboliten verantwortlich sind (für jeden Biosyntheseweg, der zur Produktion eines Sekundärmetaboliten führt, sind viele Gene erforderlich). Darüber hinaus verfügen gentechnisch veränderte Mikroorganismen in ihrem Biosyntheseweg über zahlreiche Enzyme, die unerwünschte Reaktionen katalysieren können Nebenwirkungen mit dem gewünschten Metaboliten oder Zwischenprodukt. Daher dürften Pflanzen oder Pflanzenzellen zumindest in naher Zukunft als Quellen für die meisten bioaktiven Pflanzenbestandteile dienen.

Unter Stoffwechsel oder Stoffwechsel, verstehen Sie die Gesamtheit der chemischen Reaktionen im Körper, die ihn mit Stoffen zum Aufbau des Körpers und Energie zur Erhaltung des Lebens versorgen. Einige der Reaktionen erweisen sich für alle lebenden Organismen als ähnlich (Bildung und Abbau von Nukleinsäuren, Proteinen und Peptiden sowie den meisten Kohlenhydraten, einigen Carbonsäuren usw.) und werden aufgerufen Primärstoffwechsel (oder Primärstoffwechsel).

Neben primären Stoffwechselreaktionen gibt es eine Vielzahl von Stoffwechselwegen, die zur Bildung von Verbindungen führen, die nur für bestimmte, teilweise sehr wenige Organismengruppen charakteristisch sind.

Diese Reaktionen werden nach I. Capek (1921) und K. Pekh (1940) durch den Begriff vereint Sekundärstoffwechsel , oder Austausch, und ihre Produkte werden Produkte genannt Sekundärstoffwechsel, oder sekundäre Verbindungen (manchmal sekundäre Metaboliten).

Sekundäre Verbindungen werden überwiegend in vegetativ sesshaften Gruppen lebender Organismen – Pflanzen und Pilzen – sowie in vielen Prokaryoten gebildet.

Sekundäre Stoffwechselprodukte werden bei Tieren selten gebildet, sondern kommen oft von außen zusammen mit pflanzlicher Nahrung.

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

Die rasante Entwicklung der Chemie natürlicher Verbindungen in den letzten drei Jahrzehnten, verbunden mit der Schaffung hochauflösender Analysewerkzeuge, hat dazu geführt, dass die Welt „Sekundäre Verbindungen“ erheblich erweitert. Beispielsweise nähert sich die Zahl der heute bekannten Alkaloide der Zahl 5.000 (nach einigen Quellen 10.000) und der Phenolverbindungen der Zahl 10.000, und diese Zahl wächst nicht nur jedes Jahr, sondern auch jeden Monat.

Jedes Pflanzenmaterial enthält immer einen komplexen Satz primärer und sekundärer Verbindungen, die, wie bereits erwähnt, die Vielseitigkeit der Wirkung von Heilpflanzen bestimmen. Allerdings ist die Rolle beider in der modernen Kräutermedizin immer noch unterschiedlich.

Es gibt relativ wenige bekannte Objekte, deren Verwendung in der Medizin hauptsächlich durch das Vorhandensein primärer Verbindungen in ihnen bestimmt wird. Es ist jedoch möglich, dass ihre Rolle in der Medizin in Zukunft zunehmen wird und ihre Verwendung als Quelle für neue immunmodulatorische Wirkstoffe gewonnen werden kann.

Sekundäre Stoffwechselprodukte werden in der modernen Medizin viel häufiger und umfassender eingesetzt. Dies liegt an ihrer spürbaren und oft sehr „hellen“ pharmakologischen Wirkung.

Auf der Basis von Primärverbindungen gebildet, können sie sich entweder anreichern reiner Form oder bei Stoffwechselreaktionen eine Glykosylierung erfahren, d.h. scheinen an ein Zuckermolekül gebunden zu sein.

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

Glykosylierte Formen jeglicher Sekundärverbindungen werden üblicherweise als Glykoside bezeichnet.

Substanzen der Primärsynthese werden im Prozess der Assimilation gebildet, d.h. Umwandlung von Stoffen, die von außen in den Körper gelangen, in Stoffe des Körpers selbst (Protoplasten von Zellen, Reservestoffe usw.).

Zu den Substanzen der Primärsynthese zählen Aminosäuren, Proteine, Lipide, Kohlenhydrate, Enzyme, Vitamine und organische Säuren.

Lipide (Fette), Kohlenhydrate (Polysaccharide) und Vitamine werden in der medizinischen Praxis häufig verwendet (die Eigenschaften dieser Stoffgruppen sind in den entsprechenden Themen aufgeführt).

Eichhörnchen Zusammen mit Lipiden und Kohlenhydraten bilden sie die Struktur von Zellen und Geweben eines Pflanzenorganismus, nehmen an Biosyntheseprozessen teil und sind ein wirksamer Energiestoff.

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

Eichhörnchen- Biopolymere, deren strukturelle Basis aus langen Polypeptidketten besteht, die aus durch Peptidbindungen miteinander verbundenen α-Aminosäureresten aufgebaut sind. Proteine werden in einfache (bei der Hydrolyse entstehen nur Aminosäuren) und komplexe Proteine unterteilt – in ihnen ist das Protein mit Substanzen nicht-proteinischer Natur verbunden: mit Nukleinsäuren (Nukleoproteinen), Polysacchariden (Glykoproteinen), Lipiden (Lipoproteinen), Pigmenten (Chromoproteine), Metallionen (Metalloproteine), Phosphorsäurereste (Phosphoproteine).

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

Lipide - Fette und fettähnliche Substanzen, die Derivate höherer Fettsäuren, Alkohole oder Aldehyde sind.

Sie sind in einfache und komplexe unterteilt.

Zu einfach Dabei handelt es sich um Lipide, deren Moleküle lediglich Reste von Fettsäuren (oder Aldehyden) und Alkoholen enthalten. Zu den einfachen Lipiden, die in Pflanzen und Tieren vorkommen, gehören Fette und fette Öle, bei denen es sich um Triacylglyceride (Triglyceride) und Wachse handelt.

Letztere bestehen aus Estern höherer Fettsäuren ein- oder zweiatomiger höherer Alkohole. In der Nähe von Fetten stehen Prostaglandine, die im Körper aus mehrfach ungesättigten Fettsäuren gebildet werden. Aufgrund ihrer chemischen Natur handelt es sich dabei um Derivate der Prostansäure mit einem Gerüst aus 20 Kohlenstoffatomen und einem Cyclopentanring.

Komplexe Lipide durch zwei geteilt große Gruppen:

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

Nukleinsäuren - Biopolymere, deren Monomereinheiten Nukleotide sind, die aus einem Phosphorsäurerest, einer Kohlenhydratkomponente (Ribose oder Desoxyribose) und einer stickstoffhaltigen Base (Purin oder Pyrimidin) bestehen. Es gibt Desoxyriboukleinsäuren (DNA) und Ribonukleinsäuren (RNA). Nukleinsäuren aus Pflanzen werden noch nicht für medizinische Zwecke verwendet.

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

Alle Enzyme werden in zwei Klassen eingeteilt: einkomponentig und zweikomponentig. Einkomponentenenzyme bestehen nur aus Protein,

zweikomponentig – aus Protein (Apoenzym) und Nicht-Protein-Anteil (Coenzym). Vitamine können Coenzyme sein.

In der medizinischen Praxis werden folgende Enzympräparate eingesetzt:

- „Nigedaza " - aus den Samen von Nigella damascena - Nigella damascena, Fam. Ranunculaceae - Ranunculaceae. Das Medikament basiert auf einem lipolytischen Enzym, das den hydrolytischen Abbau von Fetten pflanzlichen und tierischen Ursprungs bewirkt.

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

- „Karipazim“ und „Lekozim“ - aus dem getrockneten Milchsaft (Latex) der Papaya (Melonenbaum) - Carica papaya L., fam. Papaeves - Cariacaceae.

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

Wird bei Verbrennungen dritten Grades eingesetzt, beschleunigt die Abstoßung von Krusten und reinigt granulierende Wunden von eitrig-nekrotischen Massen.

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

Organische Säuren, Sie sind neben Kohlenhydraten und Proteinen die häufigsten Stoffe in Pflanzen.

Sie sind an der Pflanzenatmung, der Biosynthese von Proteinen, Fetten und anderen Substanzen beteiligt. Organische Säuren beziehen sich auf Substanzen sowohl der Primärsynthese (Äpfelsäure, Essigsäure, Oxalsäure, Ascorbinsäure) als auch der Sekundärsynthese (Ursolsäure, Oleanolsäure).

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

Salicyl- und Ursolsäure wirken entzündungshemmend;

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

Ascorbinsäure - Vitamin C.

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

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

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

und fettlöslich (Retinol, Phyllochinon, Calciferole, Tocopherole). Zu vitaminähnlich Zu den Substanzen gehören einige Flavonoide, Liponsäure, Orotsäure, Pangamsäure, Cholin und Inosit.

Biologische Rolle Vitamine sind vielfältig. Es wurde ein enger Zusammenhang zwischen Vitaminen und Enzymen festgestellt. Beispielsweise sind die meisten B-Vitamine Vorläufer von Coenzymen und prosthetischen Enzymgruppen.

Kohlenhydrate- eine breite Klasse organischer Substanzen, zu der Polyoxycarbonylverbindungen und ihre Derivate gehören. Abhängig von der Anzahl der Monomere im Molekül werden sie in Monosaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide unterteilt.

Kohlenhydrate, die ausschließlich aus Polyoxycarbonylverbindungen bestehen, werden als Homoside bezeichnet, und ihre Derivate, deren Molekül Reste anderer Verbindungen enthält, werden als Heteroside bezeichnet. Heteroside umfassen alle Arten von Glykosiden.

Mono- und Oligosaccharide sind normale Bestandteile jeder lebenden Zelle. In Fällen, in denen sie in erheblichen Mengen anfallen, werden sie als sogenannte ergastische Substanzen eingestuft.

Polysaccharide fallen in der Regel immer in nennenswerten Mengen als Abfallprodukte des Protoplasten an.

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

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

In Pflanzen werden verschiedene Formen synthetisiert Polysaccharide, die sich sowohl im Aufbau als auch in den ausgeführten Funktionen voneinander unterscheiden. Polysaccharide werden in der Medizin häufig verwendet verschiedene Formen. Insbesondere Stärke und ihre Hydrolyseprodukte sowie Cellulose, Pektin, Alginate, Gummis und Schleimstoffe werden häufig verwendet.

Zellulose (Ballaststoff).) - Polymer, das den Großteil der pflanzlichen Zellwände ausmacht. Es wird angenommen, dass das Ballaststoffmolekül in verschiedenen Pflanzen 1.400 bis 10.000 β-D-Glucosereste enthält.

Stärke und Inulin gehören zu den Speicherpolysacchariden.

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

Während der aktiven Photosynthese wird es immer in Form von Stärkekörnern gespeichert. Unter den Vertretern der Familie. Asteraceae Und Satrapi/aseae Fructosane (Inulin) reichern sich vor allem in großen Mengen in unterirdischen Organen an.

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

Basierend auf ihrer Löslichkeit in Wasser werden Gummis in folgende Gruppen unterteilt: 3 Gruppen:

Arabisch, gut wasserlöslich (Aprikose und Arabisch);

Bassorinaceae, in Wasser schlecht löslich, darin aber stark quellend (Traganth)

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

Schleim Im Gegensatz zu Zahnfleisch können sie neutral sein (enthalten keine Uronsäuren), haben außerdem ein geringeres Molekulargewicht und sind gut wasserlöslich.

Pektische Substanzen- Heteropolysaccharide mit hohem Molekulargewicht, deren Hauptstrukturbestandteil β-D-Galacturonsäure (Polygalacturonid) ist.

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

Stoffe des Sekundärstoffwechsels

Stoffe der Sekundärsynthese Dadurch entstehen in Pflanzen

Dissimilation.

Dissimilation ist der Prozess der Zersetzung von Substanzen der Primärsynthese in mehr einfache Substanzen, begleitet von der Freisetzung von Energie. Aus diesen einfachen Stoffen entstehen unter Aufwand freigesetzter Energie Stoffe der Sekundärsynthese. Beispielsweise wird Glukose (eine Substanz der Primärsynthese) abgebaut Essigsäure, aus dem Mevalonsäure und über eine Reihe von Zwischenprodukten alle Terpene synthetisiert werden.

Zu den Substanzen der Sekundärsynthese zählen Terpene, Glykoside, Phenolverbindungen und Alkaloide. Sie alle sind am Stoffwechsel beteiligt und erfüllen bestimmte wichtige Funktionen für Pflanzen.

Substanzen der Sekundärsynthese werden in der medizinischen Praxis viel häufiger und umfassender eingesetzt als Substanzen der Primärsynthese.

Jede Gruppe pflanzlicher Stoffe ist nicht isoliert und durch biochemische Prozesse untrennbar mit anderen Gruppen verbunden.

Zum Beispiel:

Die meisten phenolischen Verbindungen sind Glykoside;

Bitterstoffe aus der Klasse der Terpene sind Glykoside;

Pflanzliche Steroide sind ursprünglich Terpene, während Herzglykoside, Steroidsaponine und Steroidalkaloide Glykoside sind;

Carotinoide, Derivate von Tetraterpenen, sind Vitamine;

Monosaccharide und Oligosaccharide sind Bestandteile der Glykoside.

Alle Pflanzen enthalten Substanzen der Primärsynthese, Substanzen der Sekundärsynthese

Pflanzen sammeln sich an einzelne Arten, Gattungen, Familien.

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

Die Rolle sekundärer Stoffwechselprodukte und die Gründe für ihr Auftreten in der einen oder anderen systematischen Gruppe sind unterschiedlich. In der allgemeinsten Form werden ihnen adaptive Bedeutung und im weiteren Sinne schützende Eigenschaften zugeschrieben.

In der modernen Medizin werden sekundäre Stoffwechselprodukte weitaus häufiger und häufiger eingesetzt als primäre Metaboliten.

Dies geht oft mit einer sehr starken pharmakologischen Wirkung und Mehrfachwirkung einher verschiedene Systeme und Organe von Mensch und Tier. Sie werden auf Basis von Primärverbindungen synthetisiert und können sich in beiden anreichern freie Form oder sie unterliegen bei Stoffwechselreaktionen einer Glykosylierung, d. h. sie binden an etwas Zucker.

Alkaloide - stickstoffhaltige organische Verbindungen basischer Natur, überwiegend pflanzlichen Ursprungs. Die Struktur von Alkaloidmolekülen ist sehr vielfältig und oft recht komplex.

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

Folgende Hauptgruppen von Alkaloiden werden unterschieden: Pyrrolidin, Pyridin, Piperidin, Pyrrolizidin, Chinolizidin, Chinazolin, Chinolin, Isochinolin, Indol, Dihydroindol (Betalaine), Imidazol, Purin, Diterpen, Steroide (Glykoalkaloide) und Alkaloide ohne Heterozyklen (Protoalkaloide). Viele der Alkaloide haben spezifische, oft einzigartige physiologische Wirkungen und werden in der Medizin häufig eingesetzt. Einige Alkaloide sind starke Gifte (z. B. Curare-Alkaloide).

Anthracen-Derivate- eine Gruppe natürlicher Verbindungen mit gelber, oranger oder roter Farbe, basierend auf der Struktur von Anthracen. Sie können unterschiedliche Grade der Oxidation des Mittelrings (Anthron-, Anthranol- und Anthrachinon-Derivate) und der Kohlenstoffgerüststruktur (monomere, dimere und kondensierte Verbindungen) aufweisen. Die meisten davon sind Derivate von Chrysacin (1,8-Dihydroxyanthrachinon). Seltener sind Derivate von Alizarin (1,2-Dihydroxyanthrachinon). In Pflanzen können Anthracen-Derivate in freier Form (Aglycone) oder in Form von Glykosiden (Anthraglykoside) vorliegen.

Withanolide - Gruppe der Phytosteroide. Derzeit sind mehrere Serien dieser Verbindungsklasse bekannt. Withanolide sind Polyhydroxysteroide, die an Position 17 einen sechsgliedrigen Lactonring und an C1 im Ring A eine Ketogruppe aufweisen.

Glykoside - weit verbreitete Naturstoffe, die unter dem Einfluss verschiedener Stoffe (Säure, Lauge oder Enzym) in einen Kohlenhydratteil und ein Aglykon (Genin) zerfallen. Die glykosidische Bindung zwischen Zucker und Aglykon kann unter Beteiligung von O-, N- oder S-Atomen (O-, N- oder S-Glykoside) sowie aufgrund von gebildet werden C-C-Atome(C-Glykoside).

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

Besondere Gruppen von Naturstoffen sind cyanogene Glykoside Und Thioglycoside (Glucosinolate).

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

Sie sind unter den Pflanzen der Familie weit verbreitet. Ros aseae, Unterfamilie Ripoideae, hauptsächlich in ihren Samen konzentriert (z. B. Amygdalin- und Prunasin-Glykoside in Samen). Atugdalus sottinis, Arteniaca vi1garis).

Thioglycoside (Glucosinolate).) gelten derzeit als Derivate eines hypothetischen Anions – Glucosinolat, daher der zweite Name.

Glucosinolate wurden bisher nur in zweikeimblättrigen Pflanzen gefunden und sind charakteristisch für die Familie. Вrassi saseae, Sarraridaceae, Resedaceae und andere Vertreter der Ordnung Sarpa1es.

In Pflanzen kommen sie in Form von Salzen mit Alkalimetallen vor, am häufigsten mit Kalium (z. B. Sinigringlucosinolat aus Samen). Вrassica jipsea Und V.nigra.

Isoprenoide - eine breite Klasse natürlicher Verbindungen

als Produkt der biogenen Umwandlung von Isopren.

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

Terpene und Terpenoide- ungesättigte Kohlenwasserstoffe und ihre Derivate mit der Zusammensetzung (C 5 H 8) n, wobei n = 2 oder n > 2. Basierend auf der Anzahl der Isopreneinheiten werden sie in mehrere Klassen eingeteilt: Mono-, Sesqui-, Di-, Tri -, Tetra - und Polyterpenoide.

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

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