Növényi bioszintézis. Primer és szekunder anyagok. Gyógynövények és anyagaik. A növények által termelt anyagok csoportosítása

Átírás

1 Növényi bioszintézis A növények által termelt anyagok csoportosítása Primer VS szekunder Klasszikus, (bizonyos értelemben túlhaladott), de még mindig gyakran használt osztályozás. A gyógynövények hatásaiért felelıs vegyületek biogenetikai rendszere Univerzális VS speciális Nagyon jól definiált osztályozás valamilyen taxonómiai egység megadását feltételezi 1 2 Primer és szekunder anyagok Primer és szekunder anyagok Primer Minden sejtben szintézisre kerül, így vsz. az élethez nélkülözhetetlen Minden növényben szintézisre kerülnek Szekunder Nem nélkülözhetetlen (közvetetten hozzájárul a termelı szervezet jólétéhez ) Nem minden növényfaj gyártja (az adott molekulált ill. kémiai-bioszintetikus rokonait) Gyártásuk, metabolizmusuk nem minden esetben történik meg 3 Primer Szénhidrátok Zsírok Aminosavak, fehérjék Nukleinsavak Növényi szterolok (membrán) Karotinoidok (PS) Flavonoidok (UV) Szekunder Nem táplálék jellegő vegyületek, melyek a környezet más fajainak biológiáját szabályozzák Csoportosításuk általában biogenetikai osztályokba történik A bioszintézis utak kezdeti szakasza minden növényben elıfordul 4 Speciális és univerzális vegyületek Taxonómiai szintek megadásával van értelme (dinamikus kategória) Adott vegyület akkor univerzális egy taxonban (ti. chemovar., cultivar., faj, család, stb.), ha a taxon minden egyedében végbemegy a képzése Adott vegyület akkor speciális egy taxonban ha annak kisebb részegységén belül keletkezik csak Vannak az összes növényre nézve univerzális anyagok (klorofillek, stb.) Adott taxon speciális anyagai a résztaxonok univerzális anyagai lehetnek Gyógynövények és anyagaik Azon drogokat használjuk a gyógyászatban, amelyekben adott aktív komponensek (speciális anyagcseretermékek ill. szekunder metabolitok ) felhalmozódnak és aktív, hatást kiváltó (ill. iparilag gazdaságosan kinyerhetı) koncentrációban jelen vannak. Az aktív mennyiség vegyületenként nagyon változó

2 Bioszintézis Szénvázak I. Adott vegyületek bioszintetikusan, ill. váz vagy szénváz alapján csoportosíthatóak, egymásból levezethetıek Váz: adott vegyületcsoportra C-C (+,N,S stb.) jellemzı váz, a telítetlenségekkel, aromacitásokkal stb. együtt, ami kiegészülhet funkciós csoportokkal a vázakat alkotó elemek változása nélkül Ilyen funkciós csoportok: -, -C 3, =, -N 2, és még sok más, köztük olyanok is, amelyek elıbbieken keresztül kapcsolódnak az alapvázhoz. Szénváz: A fent említett váz csak szén-szén kapcsolatokból álló része, heteroatomok nélkül ~án -vázak esetében csak a ciklizációk, konfigurációk stb. részei az alkán jellegő telített szénváznak Általában a heteroatomos győrőt nem tartalmazó komponenseknél van értelme (terpenoidok egy része) 7 marrubiin Teljes molekula Szénváz (telítetlenségekkel) Szénváz (labdán váz) 8 Szénvázak II. Szénvázak III. glicirrhizinsav Teljes molekula aglikon valtrátum (teljes molekula) Szénváz (oleánánváz) 9 váz Szénváz (iridán váz) 10 Szénvázak IV. Gyakori építıkövek C 5 egység - terpenoidok Apigenin-5--Glc (teljes molekula) Apigenin (aglikon) C 6 C 3 egység cinnamoidok C 6 C 1 egység - benzoesavszármazékok C 2 egység acetil-coa eredető, poliketidek Váz (Flavon) Szénváz (E molekulacsoportnál NEM használatos) 11 C 6 C 2 N 1 Phe C 4 N - rnitin C 5 N Lys stb. eredető alkaloidok 12 2

3 Gyakori építıkövek Gyakori építıkövek Az oxidációs, telítettségi stb. foktól függetlenül sok molekulában felfedezhetıek a szénvázak C 2 C 3 9 -tetrahidro-kannabinolsav apigenin C 6 C 3 + 3xC 2 C 3 C 3 bizabolol-a mentol 9 -TCA eugenol rozmarinsav 3xC 5 2xC 5 2xC 5 +6xC 2 C 6 C 3 2x C 6 C Bioszintézis A vegyületek bioszintézise során gyakori lépések: xidáció, redukció (C 2 C- C= (láncvégen C)) Telített telítetlen C átalakítások (C 2 -C 2 C=C C C) C-C kötés kialakítása (ciklizáció) Észteresítés (acilezés) (elsısorban - atomon) Cukor rákapcsolása (glikoziláció) (elsısorban - atomon) Transzaminálás (C= C-N 2 ) Bioszintetikus útvonalak itkán az alábbi lépések is elıfordulnak: Láncrövidülés (a szénváz rövidítése) Láncközi C-C kötés bontása (lánchasítás) Metil (esetleg nagyobb) csoportok vándorlása ilyenkor a váz (részben) felismerhetetlenné válhat! (pl. szeszkvi-, és triterpének) A Calvin-ciklus és jelentısége Az itt keletkezett anyagok (glükóz és a többi szénhidrát) jelentik kiindulását a többi molekulacsaládnak Calvin ciklus áttekintés, fázisok C -(P) 2 3-foszfo-glicerát ribulóz 1,5-di(P) -(P) ATP, NADP/ + C 2 fixálás -(P) ADP, NADP redukció Tkp. A Földön ez az élet alapja regenerálás -(P) -(P) nettó termék "trióz-(p)" = glicerinaldehid-(p) / dihidroxi-aceton-(p)

4 Calvin ciklus Fixáció Calvin ciklus - regenerálás glicerin-aldehid-(p) dihidroxi-aceton-(p) -(P) -(P) ribulóz 1,5-di(P) C 2 (P)- (P)- (P)- -(P) (enolforma) edukció 2 -(P) -(P) 3-foszfo-glicerát Fruktóz-1,6-bisz(P) Fruktóz-6-(P) glicerin-aldehid-(p) dihidroxi-aceton-(p) Eritróz-4-(P) Xilulóz-5-(P) NADP + + ATP -(P) NADP + -(P) -(P) ADP P -(P) -(P) 3-foszfo-glicerát 1,3-biszfoszfo-glicerát glicerin-aldehid-(p) dihidroxi-aceton-(p) 19 szeduheptulóz-1,7-bisz(p) ribóz-5-(p) glicerin-aldehid-(p) Xilulóz-5-(P) ribulóz-5-(p) 20 Calvin ciklus nettó termelés 3 C 3 C 2 3 C 2 9 ATP 8 ADP + 8 P -(P) A biogenetikai utak kapcsolatrendszere C 2 Calvin-ciklus (pentóz-foszfát 3 x 5C = 15C 6 x 3C = 18C 6 3-foszfo-glicerát 6 NADP NADP sikimsav útvonal FENLS Anyagok ciklus) Eri-4-P SZÉNIDÁTK 3 ribulóz 1,5-di(P) (Fenoloidok) C 2 fixálás glükóz redukció glükolízis regenerálás 6 x 3C = 18C "trióz-(p)" = glicerinaldehid-(p) / dihidroxi-aceton-(p) PLIKETIDEK zsírsavak, stb. is malonil-coa PEP piruvát 15 C 3 C nettó termék 21 acetil-coa 22 A biogenetikai utak kapcsolatrendszere II. I. Szaharidok PLIKETIDEK zsírsavak, stb. is malonil-coa piruvát Monoszaharidok Kevés növényben (drogban) halmozódnak fel ilyen formában Mannitol - leaceae fajokban - Manna Szorbitol - osaceae gyülmölcsök TEPENIDK (szteroidok is) aceto-acetil- CoA acetil-coa N-tartalmú vegyületek (azotoidok) Di-, és oligoszaharidok Egyes családok tartaléktápanyagai Poliszaharidok Különbözı szerkezető nyálkák citrátkör aminosavak Szaharid származékok Ciklitolok (mio-inozitol) Savak (aszkorbinsav) terminális oxidáció

5 Monoszaharidok - példák D-Glükóz (Glc) D-Mannóz (Man) D-Galaktóz (Gal) L-Arabinóz (Ara) D-Xilóz (Xyl) L-amnóz (ha) 3 C C 3 Egyéb: Glükuronsav (GlcA) Glc[6] C Galakturonsav (GalA) Gal[6] -C 25 Keményitı (α-d-glc polimer [1 4]) Az amylum -ok Tartalék-tápanyagok Cellulóz (β-d-glc polimer [1 4]) Lana gossypii Poliszaharidok Inulin (Fru [1 6]) Asteraceae gyökerekben (Taraxaci radix, Bardanae radix, Cichorii radix, és számos más, ehetı növényben is) Nyálkák Gyakori komponensek: Ara, Glc, Gal, Xyl, ha Galaktomannánok - Fabaceae - Trigonellae foeni-graeci semen, Cyamopsidis tetragonolobae semen, stb. speciális hatás Egyéb - Malvaceae és rokon növények (Malva sp., Altheae folium, Tiliae flos) Savanyú- (GalA, GlcA), és semleges nyálkák 26 Szaharidok elıfordulása glikozidokként Glc, GlcA, Man, Gal, ha, Ara, Xyl, stb. Iridoidok : Glc Triterpén szaponinok Flavonoid glikozidok Dezoxicukrok szívglikozidokban Digitoxóz, cimaróz stb. 27 Szaharid-tartalmú drogok hatásai - a teljesség igénye nélkül - Monoszaharidok, fıleg hexitolok: Emészthetetlen monoszacharidok Laxans hatás Mézgák, keményítık, stb. Technológiai segédanyagok Nyálka: Bevonószerek Immunstimuláns Antidiabetikus és koleszterinszint csökkentı hatás (galaktomannánok) 28 Fenoloidok (polifenolok) Nehezen definiálható, hatalmas variabilitású vegyületcsalád Közös: fenolos csoport Más bioszintetikus úton keletkezı vegyületekben is lehet ilyen! (morfin, timol) Sok közülük könnyen oxidálódik (sokuk antioxidáns) Gyengén savas karakterőek Metiláltságuk, glikoziláltságuk fokától függıen vízben, ill. különbözı apolaritású szerves oldószerekben (Et, aceton, EtAc) oldódnak jól 29 Fenoloidok (polifenolok) Fenolos anyagoknak tekinthetıek különbözı bioszintetikus útvonalaknak termékei 1. Sikimisav-útvonal pl. galluszsav és származékai, fahéjsavszárm., benzoesavszárm., lignánok, kumarinok, naftokinonok, egyszerő fenolos anyagok, egyéb C 6 C 3 vegyületek 2. Poliketid-útvonal pl. antarkinonok, floroglucin-származékok [és más, nem fenoloid jellegő vegyületek!] 3. Poliketid + sikimisav útvonal pl. flavonoidok 4. Poliketid + terpenoid pl. kannabinoidok 5. Sikimisav + terpenoid pl. furano-, és piranokuamrinok 6. Sikimisav + poliketid + terpenoid pl. prenil (+DMAPP) flavonoidok Szőkebb (bioszintetikus) értelemben fenoloidokként a (legalább részben) sikimsav-útvonalon keletkezı termékekre utalunk. 30 5

6 Fenoloidok bioszintézise (sikimisav útvonal) P C 3-dezoxi-arabinoheptulonsav-7-(P) Fenoloidok bioszintézise (2) C C izokorizminsav C C C C korizminsav C C Calvin-ciklus P-enolpiruvát eriróz-4-(p) C C orto-szukcinilbenzaldehid (SB) C prefénsav C P-glicerát 3-dehidrosikimisav galluszsav naftokinon fenil-piroszılısav Phe 4--fenilpiroszılısav Tyr C C korizminsav IDLIZÁLATÓ CSEZİANYAGK 31 (korizmisav eredető) KINNK C fahéjsav C 32 p-kumársav Fenoloidok - példák lignánok ligninek Fenolodiok bioszintézise 3. 2x nx sikimisav útvonal kumarinok fahéjalkoholok C Pentagalloil-glükóz (hidrolizálható cserzıanyag; Galluszsav-származék) Juglon (naftokinon) 33 C kávésav-származékok fahéjsavak C 2,4-dihidroxi-cisz-fahéjsav 34 Példák (C 6 C 3 vegyületek) Lignánok bioszintézise, vázak (1). Glc ha Akteozid (verbaszkozid) szafrol 1 klorogénsav rozmarinsav

7 Lignánok bioszintézise, vázak (2). Lignánok - példák neoolivil szilandrin Glc arctiin szekoizolaricirezinol Kumarinok - példák Kumarinok umbelliferon herniarin 3 C Glc fraxin 7- (umbelliferon) A többi helyre (fıleg 5,8), C 3, --cukor, --prenil (DMAPPbıl) egységek kapcsolódhatnak Fıleg Fabaceae, utaceae, Apiaceae, de számos más családban is elıfordulhatnak Gyakori hatásaik: Interferálnak a véralvadással (!) Spasmolyticus Fényvédı- vagy fotoszenzibilizáló Antimikrobiális flavonoidok, katechinek stb. fahéjsavak kalkonok xantonok (gentizein) +3 x C 2 2x galluszsav C C C Fenolodiok bioszintézise (4) benzaldehid- származékok származékok benzoesav- egyszerő fenolok hidrokinon-száramzékok is! Egyéb kávésavszármazékok 41 Példák (C 6 C 1 vegyületek) Az alacsony oxigenáltsági fokú vegyületek illóolaj-komponensek A glikozidok / karbonsavak nem illékonyak! Egyes típusaik (benzoesavszárm.) viszonylag elterjedtek, bár nagy mennyiségben kevés esetben fordulnak elı Ánizsaldehid vanillin szalicin protokatechusav 42 Glc 7

8 Flavonoid vázak (1.) flavánonol Flavonoid vázak (2.) flavánon kalkonok izoflavon flavonol 2x flavon flavánonol katechinek kondenzált flavándiol (leukoantocianidin) cserzıanyagok 43 + antocianidin proantocianidinek 44 Flavonoidok - példák Flavonoidok kvercetin Biochanin-A Katechin polimer (kondenzált cserzıanyag) Vázak kiemelve. (Nem azonos bioszintetikus eredetőek a C-atomok!) Gyakorlatilag minden felsıbbrendő növényben megtalálhatóak Összes szervben, föld feletti részben, fıleg pl. sárga virágokban (karotinoidok is okozhatják ezt a színt). Elég változatos vegyületcsalád - / -C 3 : 5,7,4 C-eken nagyon gyakran 3-on gyakran De a 6,8,3 szénatomokon is elıfordulhat Cukrok kapcsolódhatnak: Elsısorban 3-ra De: 8 C-glikozidok! A 8 4 B ' 1' 6' C 5' 3' 4' Flavonoidok gyakori hatásai Poliketidek bioszintézise (1) C 2 elongáció Antibacterialis Antiviralis Antifungalis Diureticus Spasmolyticus Kapilláris rezisztenciát fokozó ajszálerek permeabilitását csökkentı Antioxidáns Stb. SCoA SCoA Ac-CoA malonil-coa nx Ac-CoA hidroxi-zsírsavak telített zsírsavak telítetlen zsírsavak Nem mindegyikük rendelkezik minden hatással, ill. a rengeteg molekula azonos hatása között erısségben nagy különbségek lehetnek! vicinális diol zsírsavak tiofén ( 1 = -S-) acetilén-zsírsavak 47 epoxi-zsírsavak furán ( 1 = --) száramzékok

9 Polién poliketidek - Példák Polién tipusú poliketidek transz-matrikáriaészter C 10 panaxinol (C 17 ) Apiaceae, Araliaceae, Asteraceae atásaik: Gyulladáscsökkentı hatásúak Kemoprevenció (antiangiogén?) S S arcinol A (C 12 ) Allergizálhatnak Sok növény ezen vegyületcsaládba tartozó vegyületek miatt erısen neurotoxicus Poliketidek bioszintézise (2) 3x malonil-coa S-Enzim CoA S + S CoA 2 Ac-CoA acetoacetil-coa CoA S + CoA S Terpenoidok bioszintézisének kezdeti szakasza (A C5 alapegység keletkezése) flavonoidok kalkonok + Floroglucin származékok + Antrakinon származékok diantronok S-Enzim p-kumársav (v. más fahéjsavszármazék) sztilbének 51 DMAPP PP dimetil-allil-pirofoszfát mevalonsav IPP PP izopentenil-pirofoszfát 52 Terpenoidok I. Mono-,(C 10 ) és szeszkviterpének (C 15 ) bioszintézise PP DMAPP PP Monoterpének (nyílt láncúak) PP PP PP PP PP gernail-(pp) néril-(pp) lavandulil-(pp) PP geranil-pp 2x DMAPP monoterpének iridoidok PP mentán szeszkviterpének

10 mentán Monociklikus és biciklikus monoterpének bioszintézise Monoterpének - Példák linalool citronellál mentol mentofurán timol kámfor alfa-tujon karán pinán bornán tuján Monoterpén illóolajok Lamiaceae elsısorban (szinte) csak monotrp.ekbıl állnak az illóolajok Változatos hatásúak lehetnek ill. általános hatásuk nem írható le Lehetnek: (Bizonyos koncentrációban sokuk) antibakteriális Nyugtató ősítı Diureticus Antifungális Epehajtó iperemizáló Stb. 57 Monoterpének II. - iridoidok PP -Glc -Glc 10--gernail-(PP) 7-deoxi-loganinsav loganin iridán -Glc -Glc genciopikrin szekologanin szeko-iridán 58 Iridoidok - Példák Glc eufrozid (C 10 ) C 3 Glc agnuzid (C 9 ) Gyakorlatilag mindig glikozidikus vegyületek (-Glc), hidrolízis után elbomlanak Iridoidok: Antibakteriális Gyulladáscsökkentı hatás Elıfordulnak nyugtató, fájdalomcsillapító hatásúak is Iridoidok Pl. az alábbi családokban fordulnak elı: Gentianaceae Scrophulariaceae leaceae Lamiaceae Plantaginaceae Verbenaceae Valerianaceae Stb. Szekoiridoidok: Amarumok (extrém keserőek) Glc oleuropein (szekoi.) Glc genciopikrin (szekoi.)

11 Szeszkviterpének bioszintézise <C 11 > <C 9 > Szeszkviterpének bioszintézise (2) farnezán humulán kariofillán <C 10 > eudezmán germakrán bizabolán farnezil-pp PP kadinán farnezán 61 pszeudogvaján gvaján xantán 62 Szeszkviterpének - példák Szeszkviterpének farnezén parthenolid Átrendezıséssel létrejött vázak (pszeudogvaján stb.) esetében nem azonosítható minden C5 egység! LAKTN győrő szeszkviterpén laktonok! Nagyon változatos vegyületcsalád Elıfordulásuk fıleg: Asteraceae Más családok növényeinek illóolajában pl. Zingiberaceae, Lauraceae, Lamiaceae, Apiaceae stb. Lehetnek illóolajkomponensek (kevés, =, stb.) Elemen, farnezén, kamazulén, bizabolol stb. A szeszkviterpén laktonok (nem illóolaj komponensek!) között találunk: Étvágyjavító (keserő) Gyulladáscsökkentı Nyugtató Fájdalomcsillapító Simaizom-görcsoldó allergén hatású vegyületeket Egész csoportra jellemzı hatás nem állapítható meg! bizabolol achillin Terpenoidok II. Diterpének (C 20 ) és tetraterpének (C 40 ) bioszintézise PP PP PP Diterpének I. PP farnezil-pp labdán-váz pimarán-váz PP PP PP 2x gerano-geranil-pp karotinoidok diterpének 65 ginkgolidok váza abietán-váz 66 11

12 Diterpének II. Diterpének - példák PP cembrán-váz taxán-váz marrubiin N taxol Diterpének Terpenoidok III. C 30 terpenoidok bioszintézise (1) Sokféle hatást mutathatnak Léteznek citotoxicusak, szívhatással rendelekzıek, antimikróbás stb. hatásúak Toxikológiailag jelentıs csoport allucinogén, citotoxicus, carcinogen, bırizgató vegyületek vannak közöttük Elég elterjedtek (gibberellin növényi hormonok) Elıfordulnak: Euphorbiaceae Lamiaceae Scrophulariaceae anunculaceae Pinaceae Ginkgo sp. Taxus sp. PP PP triterpének szkvalén szteroidok Terpenoidok III. C 30 terpenoidok bioszintézise (2) Példák PENTACIKLIKUS TITEPÉNEK szkvalén dammarán cimigenol (Cikloartán váz) protopanaxatriol (Dammarán váz) SZTEÁNVÁZ cikloartán és rokonvegyületek

13 dammarán Terpenoidok IV. Pentaciklikus triterpének Triterpének - példák urzán kalendulaglikozid A lupán oleánán 73 priverogenin 74 Triterpének Triterpének Gyakran oxidálódik (C 2, C, C): 23, 24, : 3 (szinte mindig) 2, 16, 21, 22 + = 3, 11 Telítetlen lehet: Cukrok kapcsolódhatnak: 3, 28 C stb Elég elterjedtek a kétszikő növényekben Apiaceae Araliaceae Asteraceae Betulaceae Caryophyllaceae Cucurbitaceae Fabaceae ippocastanaceae Lamiaceae Polygalaceae Primulaceae atásaik: Köptetık (szaponinok) Gyulladáscsökkentık Diuretikusak Antimikróbás hatások Csökkentik a felületi feszültséget habzanak (szaponinok) emolizálnak (szaponinok) Lehetnek spec. hatásaik is (édes íz, stb.) cikloartán kolesztán Terpenoidok bioszintézise V. Kardenolidok, bufadienolidok Kardenolidok, bufadienolidok - példák Glc-Dtx-Dtx-Dtx- purpureaglikozid A (digitoxin) bufadienolidok szcillarenin pregnán (-20-on-21-ol) kardenolidok 77 Dtx-Dtx-Dtx- digoxin 78 13

14 Kardenolidok, bufadienolidok Kardenolidok, bufadienolidok Közvetlen szívhatás Szívelégtelenségben használják a vegyületeket Ma már ipari gyógynövények Sok hazai toxicus növény tartalmazza ıket Convallaria sp., Adonis sp., stb. Elıfordulhatnak: Apocynaceae Brassicaceae Euphorbiaceae Fabaceae Lamiaceae Liliaceae Moraceae anunculaceae Scrophulariaceae Sterculiaceae Tiliaceae Összességében elıfordulásuk szórványos Digitoxigenin szénváza Szterán váz C cukrok (szinte mindig több) Primer és szekunder glikozidok Lehetnek: acetilált, 6-dezoxi, 2,6-didezoxi- stb. cukrok - lehet: 1,5,11,12,16,19 szénatomokon C 19 oxidálódhat C 2, -C, stb kolesztán növényi szterolok Spirosztánok, szterolok - példák dioszgenin Glc peposzterol Terpenoidok bioszintézise VI. Spirosztánok, furosztánok, szterolok spirosztánok (=--) spiroszolánok (=-N-) - szteroid alkaloidok 81 ha-glc- Trigofönozid β szitoszterol 82 Spirosztánok, szterolok Tetraterpének - karotinoidok Spirosztánok: Mint ipari szterol-alapanyagok jelentısek Dioscorea sp., Agave sp., Smilax sp., Yucca sp., Digitalis sp., Solanum sp. Toxicus alkaloidok képzıdhetnek belılük (Solanum sp.) Szteroid szaponinok alkotórészei Liliaceae, Agavaceae, Dioscoreaceae, Poaceae Növényi szterolok Nagyon sok növényben jelen vannak, de ritkán halmozódnak föl Emberi koleszterol anyagcsere befolyásolása BP 83 β-karotin 84 14

15 Karotinoidok - példák Karotinoidok likopin lutein Színanyagok virágok, gyümölcsök, termések színe fotoszisztéma! Erıs antioxidánsok A-vitamin elıanyagok [lehetnek] kapszantin