A növényi anyagcsere-termékek biogenetikai rendszere Szacharidok Alberti Ágnes SE Farmakognóziai Intézet 2017. február 21.
Növényi anyagcsere-termékek biogenetikai rendszere csoportosítás: univerzális és speciális anyagcsere-termékek értelmezés a taxon megadásával; pl. az alkaloidok univerzálisak az Amarillidaceae családban, de speciálisak a Zárvatermők törzsében a biogenetikai rendszer anyagtörzsei: szacharidok, fenoloidok, poliketidek, terpenoidok és azotoidok Az anyagcsere-utak kezdeti szakaszai univerzálisak a növényekben: a szacharid út első lépéseiben képződnek a fő szénhidrátok a fenoloid út elején a proteinogén aromás aminosavak a poliketid út kezdete a zsírsavciklushoz kötődik 2
Univerzális és speciális növényi anyagcsere 3
Növényi anyagcsere-termékek Anyagtörzs Kiindulási anyag (prekurzor) Anyagcsere-termék 1. Szacharidok Calvin-ciklus termékei Monoszacharidok, diszacharidok, oligoszacharidok, poliszacharidok 2. Fenoloidok sikimisav-útvonal és termékei (cinnamoil-coa) Egyszerű fenolglikozidok, lignánok, kumarinok, flavonoidok, antociánok, proantocianidinek, illó fenilpropánok Fenoloid-kinonok acetát-útvonal (poliketosavak) Antrakinonok (antraglikozidok), naftodiantronok, naftokinonok, floroglucin-származékok 3. Poliketidek acetil-coa, malonil-coa (zsírsav-ciklus) 4. Terpenoidok mevalonsav-útvonal izoprén (IPP) Zsírsavak, zsíros olajok, zsírok, viaszok Monoterpének, szeszkviterpének, diterpének, triterpének, tetraterpének, szterolok, politerpének 5. Azotoidok Aminosavak Alkaloidok, cianogén glikozidok, glükozinolátok, biogén aminok 4
Anyagtörzsek és prekurzoraik Aminosavak Cinnamoil-CoA AZOTOIDOK FENOLOIDOK (fahéjsav-származékok) IPP Acetil-CoA TERPENOIDOK Malonil-CoA FENOLOIDOK (fenoloid-kinonok) POLIKETIDEK 5
Növényi anyagcsere-termékek biogenetikai rendszerének 5 anyagtörzse Szacharidok (szénhidrátok) Poliketidek Fenoloidok Terpenoidok Azotoidok 86-87 6
Szacharidok Univerzális anyagcsere-termékek: szacharidok, proteinek, lipidek, nukleinsavak A szacharid-metabolizmus minden élő szervezet számára központi anyagcsereút, amely más anyagcsereutakkal is kapcsolatban van. A szacharidok funkciói: szerkezeti elemek építőkövei (sejtfalban, pl. cellulóz, kitin) tartalék-tápanyag: jól raktározható és gyorsan elérhető energia- és építőanyagforrás (pl. keményítő, fruktozánok, glikogén) glikokonjugátumok formájában kapcsolódhatnak egyéb primer és szekunder anyagcsere-termékekkel és módosíthatják ezek fiziko-kémiai tulajdonságait (pl. szívre ható glikozidok, antraglikozidok) a sejtek felszínén elhelyezkedve szerepük lehet az antigén-felismerésben, a jelátvitelben, stb. (pl. glikoproteinek, glikolipidek, glikokalix) 7
Szacharidok csoportosítása Monoszacharidok több mint 3 szénatomot tartalmazó polihidroxi-aldehidek (aldózok) vagy polihidroxi-ketonok (ketózok) és ezek származékai, pl. aminocukrok, uronsavak, stb. nem bonthatók tovább kisebb építőegységekre Di- és oligoszacharidok O-glikozidos kötéssel kapcsolódó, 2-10 monoszacharid-egységből álló összetett szénhidrátok a monomerek száma szerint lehetnek: di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, hepta-, okta-, nona- vagy dekaszacharidok A glikozidos kötések hidrolítikus hasításával monoszacharid egységekre bonthatók. Poliszacharidok 10-nél több monoszacharid-egységből álló polimerek lehetnek homopoliszacharidok vagy heteropoliszacharidok 8
Monoszacharidok A monoszacharidok többértékű alkoholok oxidációs termékei: primer OH-csoport oxidációja: aldózok / polihidroxialdehidek szekunder OH-csoport oxidációja: ketózok / polihidroxiketonok 2,3- dihidroxiaceton (ketóz) oxidáció glicerin oxidáció D-glicerinaldehid L-glicerinaldehid szénatomszám szerint (aldóz) (aldóz) Aldózok: trióz (C3), tetróz (C4), pentóz (C5), hexóz (C6) és heptóz (C7) Ketózok: tetrulóz (C4), pentulóz (C5), hexulóz (C6) a pentózok gyakran fordulnak elő glikozidos kötésben, pl. nukleinsavak, mézgák a leginkább elterjedt hexózok: D-glükóz, D-galaktóz, D-mannóz, D-fruktóz 9
Monoszacharidok izomériája I. A monoszacharidok legalább egy aszimmetrikus szénatommal rendelkeznek, a szénatomszám növekedésével nő az aszimmetriacentrumok száma. A monoszacharidokat a karbonil-csoporttól legtávolabb elhelyezkedő kiralitáscentrum konfigurációja alapján soroljuk be a D- vagy az L-vegyületek közé. Legmagasabb oxidációs állapotú szénatom = C-1 D L A karbonil-csoporttól legtávolabbi aszimmetrikus szénatom konfigurációja határozza meg a jelölést (D vagy L) A monoszacharid-oldatok forgatóképessége alapján történő jelölés: jobbra forgató vegyületek: (+) ; balra forgató vegyületek: ( ) pl. D-(+)-glükóz (dextróz) vagy D-( )-fruktóz (levulóz) 10
Monoszacharidok izomériája II. Konstitúciós izomerek: azonos összegképlet, az atomok kapcsolódási sorrendje eltérő, pl. glükóz fruktóz Konformációs izomerek: a molekulán belüli atomok egymáshoz viszonyított térbeli elrendeződése, a különbség a kötések körüli elfordulásból adódik, pl. β-d-glükopiranóz 4 C 1 - és 1 C 4 -konformációja Konfigurációs izomerek: az aszimmetriacentrumokhoz kapcsolódó szubsztituensek eltérő térbeli elrendeződéséből adódó különbség; pl. D-glükóz és L-glükóz Enantiomerek: egymás tükörképei Diasztereomerek: legalább egy, de nem minden sztereogén centrum konfigurációjában eltérnek egymástól; pl. β-d-glükopiranóz és α-d-glükopiranóz Epimerek: azok a monoszacharidok, amelyek csak egyetlen olyan OH-csoport helyzetében térnek el, amely aszimmetriacentrumhoz/királis szénatomhoz kapcsolódik; pl. a glükóz és a galaktóz C-4 epimerek 11
Félacetál-képződés Intramolekuláris félacetál-képződés: stabil, 5 vagy 6 szénatomos gyűrűk alakulnak ki furanóz vagy piranóz szerkezet (ciklusos félacetál forma) pl. aldohexózoknál a C-5 vagy a C-4 OH-csoport a C-1 karbonil-csoporttal kapcsolódik α-d-glükofuranóz β-d-glükofuranóz A félacetál-képződés miatt újabb aszimmetrikus szénatom = anomer szénatom α-állású OH-csoport: α-anomer β-állású OH-csoport: β-anomer Az újonnan kialakult vegyületek egymás anomerjei: aldózoknál C-1 epimerek, ketózoknál C-2 epimerek. (diasztereomerek: különböző fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek) Az anomerek mutarotációval egymásba alakulhatnak. D-glükóz D-glükóz gyűrű-lánc tautoméria pl. glükóz vizes oldatában sztérikus-energetikai okokból a következő mutarotációs egyensúly alakul ki: 64% β-d-glükopiranóz, 36% α-d-glükopiranóz, α- és β-glükofuranóz < 1%, a nyíltláncú forma alig kimutatható α-d-glükopiranóz α-d-glükopiranóz α-l-glükopiranóz β-d-glükopiranóz β-d-glükopiranóz 12
Aldonsavak: az aldóz aldehidcsoportja helyett karboxilcsoport; Elnevezés: -onsav; pl. glükóz C-1 oxidációja glükonsav Uronsavak: az aldóz primer hidroxilcsoportja helyett karboxilcsoport Elnevezés: -uronsav; pl. glükóz C-6 oxidációja glükuronsav D-glükóz D-galaktóz D-mannóz glükóz glükonolakton glükonsav D-glükuronsav D-galakturonsav D-mannuronsav Az aldonsavak és az uronsavak monokarbonsavak. Ha az aldóz mindkét terminális hidroxilcsoportját karboxilcsoporttal helyettesítjük dikarbonsav (aldársav) jön létre. Az uronsavak a savas poliszacharidok és a glikokonjugátumok építőkövei. Galakturonsav: növényi sejtfal-poliszacharidokban, pl. pektinekben; növényi nyálkapoliszacharidokban Glükuronsavak: állati glükózaminglikánokban Mannuronsavak és guluronsavak: algák sejtfal-poliszacharidjaiban 13
Aminocukrok és acetil-aminocukrok a monoszacharidok egyik OH-csoportja helyett aminocsoport aminocukrok leggyakoribbak a 2-amino-2-dezoxihexózok pl. D-glükózamin, D-galaktózamin, D-mannózamin Az aminocsoportok acileződhetnek, leggyakrabban N- acetileződnek, így alakulnak ki az N-acetil-aminocukrok pl. N-acetil-glükózamin Dezoxicukrok ha a monoszacharidok egyik OH-csoportja helyett H dezoxicukrok, ha két OH-csoportot helyettesítünk didezoxicukrok pl. 6-dezoxi-L-galaktopiranóz = L-fukopiranóz (fukóz), 6-dezoxi-L-mannopiranóz = L-ramnopiranóz (ramnóz), 2-dezoxi-D-ribóz; 2,6-didezoxi-D-allóz = digitoxóz (szívreható szteránvázas glikozidokban) Cukoralkoholok monoszacharidok redukálódnak a karbonilcsoporton polihidroxialkánok (poliolok) Elnevezés: -itol; pl. pentózoknál pentitol, hexózoknál hexitol Aldóz redukciója alditol; pl. glükóz glucitol (szorbitol) vagy galaktóz galaktitol (dulcitol) Ketózok redukciója diasztereomer párok; pl. fruktóz glucitol és mannitol 14
Cukorészterek: foszforilált és szulfatált monoszacharidok monoszacharid OH-csoportjához foszfát- vagy szulfátcsoport kapcsolódik cukor-foszfát-észterkötés pl. glükóz-6-foszfát, glükóz-1-foszfát, glükóz-1,6-difoszfát (szénhidrát-anyagcserében) glikokonjugátumok és poliszacharidok bioszintézisében fontos szerepet játszanak, pl. uridindifoszfát-glükóz (UDPG) (keményítő) és adenozin-difoszfát-glükóz (ADPG) (glikogén) glükóz-6-foszfát glükóz-1-foszfát uridin-difoszfát-glükóz (UDPG) monoszacharid szulfát-észterek pl. a glükózaminglikánok építőkövei 15
Szacharidok részvételével kialakuló kémiai kötések O-glikozid kötés aldózok reaktív anomer C-1-atomja (ketózoknál a C-2) vízkilépés mellett kapcsolódhat egy másik OH-csoporttal acetálkötés A kötésben résztvevő anomer OH-csoport konfigurációja fontos: α-állás esetén α-glikozid kötés, β-konfigurációnál β-glikozid kötés alakul ki O-glikozid kötés: alkoholokkal, fenolos OH-csoportokkal és karbonsavakkal (észterglikozidok) Reakciópartner lehet: egy másik monoszacharid diszacharidok; nem szacharid jellegű molekula pl. antraglikozidok, szívre ható glikozidok, flavonoidok O-glikozid kötés N-glikozid kötés β-glikozid α-glikozid N-glikozid és C-glikozid kötések a monoszacharidok anomer OH-csoportja vízkilépés mellett a reakciópartner NH-csoportjával is reagálhat N-glikozid kötés pl. pentózok és purin- vagy pirimidinbázisok között nukleotidok; glikoproteineknél O- és N-glikozidok is kialakulhatnak a szénhidrátok C-C-kötésen keresztül is kapcsolódhatnak az aglikonhoz; pl. flavonoidok és antraglikozidok vitexin (flavon-8-c-glükozid) 16
A cukrok bioszintézise - fotoszintézis fényenergia 6 CO 2 + 6 H 2 O kloroplasztiszokban C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 Fényszakasz: fényenergia kémiai energiává alakul (ATP, NADPH) Sötétszakasz: CO 2 -fixálás Calvin-ciklus: a CO 2 -t a karboxidizmutáz felületén a ribulóz-1,5-difoszfát köti meg, 2 molekula glicerinsav-3-foszfát képződik. A következő lépésben ez a vegyület NADPH + H + felhasználásával glicerinaldehid-3-foszfáttá redukálódik. Az átalakulás energiaigényét ATP hidrolízise fedezi. A glicerinaldehid-3-foszfát egy részéből fruktóz-6-foszfát keletkezik, más részéből újra ribulóz-1,5-difoszfát képződik. A fruktóz-6-foszfátból glükóz keletkezik: glükóz- 1-P és glükóz-6-p. 17
Szénhidrát-anyagcsere A glükóz-1-foszfát átalakulása a mono-, oligo- és poliszacharidok kialakulásának kulcsfontosságú lépése. A glükóz felhasználásának első lépése a bioszintézis során az uridindifoszfát-glükóz (UDPG) képződése: glükóz-1-foszfát + uridin-trifoszfát (UTP) = uridin-difoszfát-glükóz (UDPG) + P Az UDPG aktivált glükóz segítségével oxidációs, dekarboxilációs és epimerizációs folyamatok mehetnek végbe. 1. Monoszacharidok epimerizációja: UDPG + Gal P UDPGal + GP 2. Monoszacharidok oxidációja: UDPG UDP-glükuronsav (UDPGlcA) 3. Diszacharidok kialakulása: UDPG + Fr P Szacharóz P + UDP Szacharóz + UTP 4. Oligo- és poliszacharidok kialakulása; pl.: Monoszacharid + UTP Monoszacharid P + UDP UDPG + Monoszacharid P Diszacharid P + UDP Diszacharid + UTP Poliszacharid 18
Gyógyszerészeti szempontból jelentős monoszacharidok Xilóz főleg poliszacharidokban, pl. xiloglukánok és xilánok a növényi sejtfalban Glükóz D-(+)-glükóz, dextróz, szőlőcukor a leggyakoribb hexóz, oligo- és poliszacharidok építőeleme; pl. szacharóz, keményítő, cellulóz, glikogén, glikolipidek, glikoproteinek szabad formában gyümölcsökben és mézben; pl. szőlő, füge Galaktóz poliszacharidokban fordul elő (galaktánok, arabinogalaktánok, galaktomannánok), glükózhoz kötötten a laktózban (a humán étrendben is ez a fő forrás); nem metabolizálódik májfunkciós teszt Fruktóz D-( )-fruktóz, levulóz, gyümölcscukor di-, oligo- és poliszacharidok építőeleme (szacharóz, raffinóz, polimerek: fruktozánok, inulin) metabolizmus inzulintól független diabetes mellitusban cukorpótlóként, nagy dózisban hashajtó hatású (ozmotikus hashajtó) 19
Cukoralkoholok Szorbitol D-glucitol Elsőként a madárberkenye (Sorbus aucuparia L., Rosaceae) terméséből izolálták (kb. 10%); előfordulás: galagonya, alma, körte, szilva, sárgabarack, meggy a Rosaceae család kemotaxonómiai markere p.os adagolva a májban egy dehidrogenáz enzim fruktózzá alakítja a további metabolizáció glikogénné inzulintól független Mannitol Mannában: virágos kőris (Fraxinus ornus L., Oleaceae) kérgének megvágása után kifolyó és megszáradó termék; algákban és gombákban tartaléktápanyag édes, hűsítő ízű; technológiai segédanyagként alkalmazzák (tablettáknál, édesítőszerként); ozmotikus hashajtó; i.v. ozmodiuretikum vesefunkció teszt Xilitol zuzmókban, algákban, gombákban fordul elő, magasabb rendű növényekben (szilva, eper, málna, karfiol) kisebb mennyiségben p.os csak kb. 20% szívódik fel; a májban inzulintól függetlenül metabolizálódik diabéteszes betegeknek cukorpótló; nagyobb dózisban ozmotikus hashajtó 20
Méz Édes ízű, frissen sűrűn folyó, világossárga-barna színű anyagkeverék; a mézelő méh (Apis mellifera L.) állítja elő a virágok nektárjából (ill. növények által kiválasztott nedvekből). A méhek a nektárt az előgyomrukban gyomornedveikkel keverve enzimatikusan átalakítják, dehidratálják, raktározzák és a lépben érlelik. A nektárt vékony rétegben felkenik a lép falára, szárnymozgatással a nektár nedvességtartalmát elpárologtatják. A nektárcseppek többszöri felszívása és kiürítése során a méh kiválasztó rendszereiből származó anyagok (gyomornedv, garatmirigy-váladék), savak, enzimek, hormonok kerülnek az érlelési folyamat során sűrűsödő mézbe. Az érlelt, lépsejtben összegyűlt mézet a méhek viaszfedéllel zárják le. Jellemző tartalmi anyagai: 60 85% invertcukor: D-glükóz és D-fruktóz egyenlő arányú keveréke a nektárban található szacharóz nagy része invertcukorrá hasad 5-10% szacharóz 10-20% víz fehérjék, aminosavak, aromaanyagok, vitaminok (B 1, B 2, B 6, C), szerves savak, ásványi anyagok, pollen, antibiotikus hatású anyagok (pinocembrin = dihidroxiflavanon) A méz megnevezése az eredetétől függ aszerint, hogy a méhek mely virágokat részesítették előnyben a nektárgyűjtés során, pl. repceméz, hársméz, virágméz, stb. Alkalmazás: édesítőszerként, ízkorrigensként tradicionálisan a felső légutak gyulladásos megbetegedéseiben (mézes tej) 1 éves kor alatt nem ajánlott gyermekkori botulizmust okozhat 21
Mézhamisítás vizsgálata Elmélet: a hamisítás során szacharózból savas hidrolízissel előállított invertcukrot adnak a mézhez, a hidrolízis azonban nem áll meg az invertcukornál, hidroximetilfurfurál is keletkezik, amely kloroformmal kivonható (az invertcukor nem oldódik kloroformban), a kloroformot lepárolva és a maradékhoz reagenst adva színreakció játszódik le Seliwanoff-reakció Méhpempő, gelée royale: a méhkirálynő tápláléka (hormonváladék), amit a dajkaméhek állítanak elő Jellemző vegyületek: fehérjék; cukrok; zsírok; B 2 -, B 5 -, B 6 - és E-vitamin; hormonok; szabad aminosavak; kolin; acetilkolin; víz (65%) Alkalmazás: roboráló készítményekben Méhméreg; Apis mellifera toxin: a méhek méregmirigyében termelt, és méreghólyagjában tárolt savas kémhatású anyag alkalmazás: reumatikus fájdalmak és ízületi gyulladások kezelésére Méhszurok; propolisz: ragacsos anyag, amelyet a dolgozó méhek a kaptár védelmére, a baktériumok és egyéb kórokozók ellen használnak, főleg nyárfafélék rügyeiből származik, alkoholos kivonatait alkalmazzák Jellemző vegyületek: flavonoidok, fahéjsav-származékok, illóolaj, ásványi sók Alkalmazás: nehezen gyógyuló sebek kezelésére is alkalmazzák 22
Di- és Oligoszacharidok Diszacharidok Ha az egyik monoszacharid anomer OH-csoportja reagál a másik monoszacharid OH-csoportjával (nem az anomer OH-csoporttal) redukáló diszacharid keletkezik, mutarotáció lehetséges; pl. maltóz, laktóz Ha mindkét monoszacharid anomer OH-csoportja részt vesz a kötés kialakításában, nem redukáló diszacharid jön létre, nincs mutarotáció; pl. szacharóz, trehalóz (2 glükóz α,α -1,1-kötéssel) Maltóz Cellobióz Laktóz Szacharóz Maltóz (malátacukor): 4-O-(α-D-glükopiranozil)-D-glükopiranóz; α-d-glcp-(1 4)-D-Glcp Cellobióz: 4-O-(β-D-glükopiranozil)-D-glükopiranóz; β-d-glcp-(1 4)-D-Glcp Laktóz (tejcukor): 4-O-(β-D-galaktopiranozil)-D-glükopiranóz; β-d-galp-(1 4)-D-Glcp Szacharóz (répacukor): α-d-glükopiranozil-β-d-fruktofuranozid; α-d-glcp-(1 2)-β-D-Fruf Trehalóz: α-d-glükopiranozil-α-d-glükopiranozil; α-d-glcp-(1 1)-α-D-Glcp Az oligoszacharidok bármely növényi részben előfordulhatnak, pl. a raktározó szövetekben (termés, gyökér, gumó, stb.) Raktározott tápanyagként: a triszacharid gencianóz és raffinóz, a tetraszacharid sztachióz és a pentaszacharid verbaszkóz 23
Oligoszacharidok Szacharóz: α-d-glükopiranozil-β-d-fruktofuranozid Répacukor, nádcukor Nem redukáló, nem mutat mutarotációt; 1,2-glikozid kötés Növényekben a cukor legfontosabb transzportformája; bizonyos növények raktározzák: cukorrépa (Beta vulgaris L. ssp. vulgaris L. var. altissima Döll, Chenopodiaceae ); cukornád (Saccharum officinarum L., Poaceae) Kereskedelemben különböző formában elérhető: porcukor, kristálycukor, kandiscukor, stb. Barna cukor: melaszt tartalmaz Laktóz: 4-O-(β-D-galaktopiranozil)-D-glükopiranóz; (tejcukor) Redukáló, mutarotációt mutat; 1,4-glikozid kötés α-laktóz: O-β-D-galaktopiranozil-(1 4)-α-D-glükopiranóz, β-laktóz: O-β-D-galaktopiranozil-(1 4)-β-D-glükopiranóz Emlősállatok tejmirigyeiben termelődik, a tej laktóz tartalma fajonként változó: az emberi anyatejé 5 8%, a tehéntejé 2,5 5% A vékonybél-mucosaban található β-d-galaktozidáz (laktáz) hasítja Laktózintolerancia felnőtteknél: laktázhiány; fiziológiás Tejallergia: tejfehérjékre adott immunreakció; ritkán fordul elő Laktulóz: 4-O-(β-D-galaktopiranozil)-ß-D-fruktofuranóz Galaktóz C-1 OH-csoportja fruktóz C-4 OH-csoportja Laktóz glükózmolekulája epimerizálódik fruktózzá; alkalmazás: ozmotikus hashajtóként 24
Szacharidok édes ízének relatív erőssége Édes íz érzékelése: édes ízt érző receptorok elsősorban a nyelv elülső részén kevés mono- és oligoszacharid, ill. cukoralkohol édes ízű; léteznek keserű ízű szacharidok, pl. gencianóz Szacharidok Szacharóz 1 D-Fruktóz 1,2 1,7 D-Glükóz 0,7 D-Galaktóz 0,6 D-Mannóz 0,4 Laktóz 0,4 Maltóz 0,4 0,5 Raffinóz 0,2 D-Mannitol 0,4 0,6 D-Szorbitol 0,5 D-Xilitol 1 1,1 Glicerin 0,5 0,6 Maltitol 0,8 0,9 Egyéb természetes anyagok Szteviol-glikozidok 300 Neoheszperidin-dihidrokalkon 500 1500 Glicirrizin 50 Szintetikus édesítőszerek Szacharin (Benzoszulfimid) 550 Aszpartám (L-aszpartil-L-fenilalanin-metilészter) 200 Ciklamát (Ciklohexán-szulfaminsav) 20 50 25
Ciklodextrinek Gyűrű alakú oligoszacharidok; 1,4-kötésben lévő α-dglükóz egységekből állnak α-, β- és γ-ciklodextrin (hexamer, heptamer, oktamer) Előállítás: keményítő enzimatikus hasításával (ciklodextrin-glikoziltranszferázok) Az enzimeket Bacillus-fajok termelik. Lipofil, szerves molekulákat képesek magukba zárni: zárványkomplex-képzés OH-csoportok a molekula külső részén találhatók A különböző ciklodextrinek különböző belső átmérőjű, hidrofób üreget alakítanak ki: kb. 0,5 nm (α-ciklodextrin) - 0,8 nm (γ-ciklodextrin) Hidrofób kölcsönhatások (Dipol- és Van-der-Waals-kölcsönhatások) Fiziko-kémiai tulajdonságok megváltoztatására alkalmas Alkalmazás: hatóanyagok stabilizálása, oldhatóság és biohasznosíthatóság javítása, célzott hatóanyag-szállítás 26
Poliszacharidok Ubikviter biopolimerek, amelyek több mint 10 monoszacharid egységből épülnek fel Monoszacharid egységek száma: 100-100000 A poliszacharidok különböző hosszúságú láncokból állnak: polidiszperzitás Csoportosítás a) 1. homo- és heteropoliszacharidok b) 2. lineáris és elágazó poliszacharidok c) semleges (pl. amilóz, cellulóz) vagy negatív töltésű poliszacharidok (karboxil-, uronsavszubsztituensek: pektinek; szulfatált OH-csoportok: alga-poliszacharidok) d) 4. konformáció alapján, pl. helikális szerkezet, ribbon type, stb. Sok poliszacharid vízzel félszilárd, kolloid diszperz rendszert alakít ki (hidrogélek). Vízben duzzadnak, a koncentráció függvényében géleket vagy viszkózus folyadékokat (sol) hoznak létre (ezekben a poliszacharidokban a szabályos és a szabálytalan szerkezetű szakaszok váltják egymást); pl. alginátok, pektinek, agar. 27
Homopoliszacharidok Poliszacharid Kötés Előfordulás β-d-glükánok Cellulóz β-(1 4) szárazföldi növények Laminarin β-(1 3), (1 6) algák Lichenán β-(1 3), (1 4) zuzmók α-d-glükánok Amilóz α-(1 4) növények Amilopektin α-(1 4), (1 6) növények Glikogén α-(1 4), (1 6) állatok, ember Dextrán α-(1 6), (1 4), (1 3) baktériumok Pullulán α-(1 4), (1 6) gombák Izolichenán α-(1 3), (1 4) zuzmók Aminoglikánok Kitin β-(1 4) rovarok, gombák β-d-fruktozánok Inulin β-(2 1) Asteraceae növények 28
Keményítő Ubikviter homopoliszacharid, növényekben tartalék-tápanyag α-d-glükóz monomer egységekből épül fel, amelyek 1-4 kötéssel kapcsolódnak egymáshoz α-glükánok: amilóz, amilopektin Amilóz: nem elágazó, hosszú láncot alkot; Amilopektin: erősen elágazó Az amilóz hosszú láncmolekulája csavarmenetszerűen feltekeredik, ún. hélix konformációt mutat. A keményítő kristályos jellegét az amilopektin adja, az amilóz elsősorban az amorf régiókban megtalálható. Hideg vízben oldhatatlan, meleg vízben kolloidot alkot. Azonosítás Csirizképzés: enyhe melegítés hatására az amilóz kioldódik vízbe; erős melegítés hatására irreverzibilis duzzadás, a kristályos szerkezet szétesik; kihűlés után viszkozitás nő reakció kálium-jodidos jódoldattal: helikális szerkezet belseje hidrofób, a belső átmérő megfelel a jódmolekulák méretének: mélykék amilóz/jódkomplex; melegítés hatására a hélixváz szétesik, eltűnik a szín 29
Keményítő raktározása Asszimilációs keményítő: átmeneti forma, szacharózzá bomlik, a raktározás helyére történő szállítás után raktározott keményítő (amiloplasztiszokban), keményítőszemcsék formájában méret, forma fajra jellemző Koncentrikusan vagy excentrikusan rétegzett Burgonyakeményítő (Solani amylum) Solanum tuberosum L., Solanaceae Kukoricakeményítő (Maydis amylum) Zea mays L., Poaceae Rizskeményítő (Oryzae amylum) Oryza sativa L., Poacae Búzakeményítő (Tritici amylum) Triticum aestivum L., Poaceae tápióka, yam-gyökér, szágó 30
További homoglükánok Dextrin kukorica- vagy burgonyakeményítő részleges hidrolízisével előállított heterogén keverék; tartalmaz lineáris és elágazó α-glükánokat, oligoszacharidokat, glükózt alkalmazás: élelmiszerekben, inert anyag szárazkivonatok koncentrációjának beállítására, tablettázó segédanyag Glikogén a keményítő analógja, erősen elágazó szerkezetű funkciója: rövidtávú energiaraktározás az állati és emberi sejtekben, elsősorban a máj és az izmok raktározzák Cellulóz szálas, rostos anyag; a növényi sejtek vázanyagát alkotja, a növényi sejtfalban megtalálható; nagy mechanikai szilárdságú, vízben oldhatatlan lineáris homopoliszacharid, elágazás nélküli polimer cellobióz diszacharidokból (Dglükopiranóz egységek) épül fel, β(1-4)-glikozid kötésekkel A szalagszerű szerkezetet intra- és intermolekuláris H-híd kötések stabilizálják. A szalagok sűrűn egymás mellett helyezkednek el, mikrofibrillumokká, ezek pedig makrofibrillumokká szerveződnek. 31
β-d-fruktofuranózok Fruktozánok Inulin típus: a fruktóz monomerek β-(2 1)-kötésűek, pl. inulin Leván típus: a fruktóz monomerek β-(2 6)-kötésűek, pl. flein Vegyes típus: (2 6)-kötések a főláncban és (2 1)-kötések a rövid oldalláncokban, pl. triticin (tarackbúza gyökértörzsben / Graminis rhizoma) Vízoldhatók, előfordulásuk jellemző bizonyos növénycsaládokra, keményítő helyett tartaléktápanyagként raktározódnak, pl. inulin: Asteraceae; flein: Poaceae Inulinok: fruktóz-egységekből álló polidiszperz polimerek, csak végződéseiken tartalmaznak glükózt. A fruktóz-egységek β-(2-1) glikozidos kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. A kisebb molekulákat frukto-oligoszacharidoknak nevezik, legegyszerűbb képviselőjük a ketóz, amely 2 fruktóz és 1 glükóz egységet tartalmaz. előfordulás: Asteraceae család fajainak föld alatti részeiben: Taraxacum officinale, Cichorium intybus (58%); Boraginaceae növények föld feletti részeiben: Tussilago farfara, Symphytum sp.; Echinacea sp., Gentiana sp. gyökerében 32
További homopoliszacharidok Xilánok: D-xilóz (pentóz) egységek β-(1-4) kötésekkel kapcsolódnak; vázanyag, a fák keménységét adja A növények elfásodott részeiben (pl. kukoricaszár, -csutka) fordul elő. Mannánok: alapegysége a hexóz monoszacharid D-mannóz A növények fás részeiben, magok csonthéjában találhatók meg. Galaktánok: galaktóz monomerekből felépülő homopoliszacharid, a hemicellulóz fő komponense A kukorica szára tartalmazza. 33
Heteropoliszacharidok Pektinek Pentózokból és hexózokból épülnek fel, nagy arányban tartalmaznak α-(1 4)- kötésben poligalakturonsavakat, homogalakturonánokat és ramnogalakturonánokat. A gyümölcsök héj és hús közötti részében felhalmozódó, gélképző anyagok. A sejtfalban nem vízoldékony protopektin formájában találhatók meg, kovalens kötésekkel kapcsolódnak a sejtfal egyéb poliszacharidjaihoz. A termésérés során enzimatikusan bomlanak és vízoldhatóvá válnak (termés puhulása). Pektinben gazdag gyümölcsök: alma terméshúsa 10 15%, narancs- és citromhéj Vízben erősen duzzadnak, gélt képeznek; hasmenést gátló hatásúak; csökkentik a koleszterinszintet és szabályozzák a posztprandriális vércukorszintet. 34
Növényi mézgák szerves hidrokolloidok növények mechanikai sérülése után képződnek, sűrűn folyó folyadékok, levegőn sűrű masszává száradnak a sejtfal alkotóinak (protopektin, cellulóz) nyálkaanyaggá történő átalakulásával jönnek létre főleg a rózsafélék (Rosaceae) és a hüvelyesek (Fabaceae) családjába tartozó növényekben fordulnak elő hideg vízben lassan duzzadnak, sűrűn folyó oldataik ragadósak drogok: akáciamézga, tragakanta, Karaya-mézga 35
ACACIAE GUMMI - akáciamézga Acacia senegal Willd. Fabaceae Drog: az Acacia senegal fatörzsének, vagy ágainak természetes módon, vagy bemetszés hatására kifolyt, levegőn megkeményedett, gumiszerű váladéka. Borsó-mogyoró nagyságú, gömbölyű fehér, vagy sárgásszínű szemecskék, melyek áttetszőek, törékenyek, törtfelületük éles szélű, kagylós, fénylő. Hivatalos a Ph.Hg.VIII.-ban. Jellemző vegyületek, hatóanyagok Arabin poliszacharid: 95%-a poliszacharid, 5%-a oligoszacharidok és glükoproteinek komplex összetételű elegye Fő alkotóelemei: arabinogalaktánok, arabinogalaktán-proteinek D-galaktóz (35 45%), L-arabinóz (25 45%), D-glükuronsav (6 15%) és L-ramnóz (4 13%) cserzőanyagok, enzimek Alkalmazás A gyógyszeriparban emulziókhoz alkalmazzák. Az élelmiszeriparban szirupok, gumi- és pillecukrok adalékanyaga, filmbevonat-képző és kolloidstabilizátor. 36
TRAGACANTHA - tragakanta Astragalus-fajok (Fabaceae) A tragakanta Kis-Ázsia hegyein termő mézgás csűdfű (Astragalus gummifer Labill.) cserje gyökerének, törzsének és ágainak szabadon kifolyó és a levegőn levél-, vagy gömbös formában megszilárduló váladéka. A lemezes tragant-mézga (Tragacantha lamellaris) lemezes, rétegezett, sárgásfehér, áttetsző darabokból áll. A fonalas tragant-mézga (Tragacantha vermicularis) féregszerű, keskeny csíkokat vagy fonal alakú darabokat tartalmaz. Hivatalos a Ph.Hg.VIII.-ban. Jellemző vegyületek, hatóanyagok Nagy molekulasúlyú, savas kémhatású és semleges, proteineket tartalmazó poliszacharidok: 30-40% tragakantin (poligalakturonsav) és 60-70% basszorin (arabinogalaktán-protein), ill. kis mennyiségű keményítő Alkalmazás: Enyhe hashajtóként Emulziók és szuszpenziók technológiai segédanyagaként (sűrítő, stabilizátor, hordozó, állományjavító, emulgeátor) Mellékhatás: elégtelen folyadékbevitel mellett bélelzáródást okozhat és magas poliszacharidtartalmának következtében gátolhatja a szájon át adott gyógyszerek felszívódását. 37
Nyálka-poliszacharidok Nyálkák: Természetes (vagy kóros úton) a növényekben keletkező heteropoliszacharidok, a magasabb rendű növényekben tartalék-tápanyagok is. Vizet képesek megkötni, hideg vízzel érintkezve azonnal megduzzadnak, sűrű oldatot képeznek, vízzel kivonhatók. Nyálkadrogok analitikája és alkalmazása Változó és komplex összetétel nem tartalmi meghatározás, hanem értékmérés (terápiás érték) Duzzadási érték: 1 g drog folyadékban (vízben), szobahőmérsékleten, 5 óra után mért térfogata ml-ben Viszkózus oldatokat képző hidrokolloidok; Száj- és torokgyulladás esetében, köhögéscsillapító hatás (alkalmazás teaként?) Gyomor-bélrendszer gyulladásos panaszai esetén; a savas poliszacharidok gátolják az adhéziós patogéneket; pl. Helicobacter pylori Hasmenést gátló (emésztetlen poliszacharidok nyugtató hatása, toxinok adszorpciója) Hashajtó hatás (duzzadás nagyobb térfogatú, puhább széklet, bélfal bevonása) 38
TRIGONELLAE FOENUGRAECI SEMEN - görögszénamag Trigonella foenum-graecum L. (Fabaceae) A Földközi-tenger vidékén, Nyugat-Ázsiában honos növény, már az ókorban is termesztették, fűszerként is alkalmazzák. A magok illata erős, aromás, keserű, összehúzó, az ánizsra emlékeztet. Jellemző vegyületek, hatóanyagok 40-45% nyálka-poliszacharid (ebből 30 40% galaktomannán) trigonellin és további alkaloidok, 2 3% szaponin keserű ízű biszdezmozidikus furosztán-glikozidok, zsíros olaj, fehérjék, cserzőanyagok, flavonoidok (rutin, luteolin, orientin, kvercetin, vitexin és izovitexin), ásványi anyagok, mikroelemek (vas, szelén, szilícium), A-, B-, C- és D-vitamin Alkalmazás Hatás szteroidszaponinok (dioszgenin, jamogenin, tigogenin, neotigogenin) és nyálkaanyagok: a szaponinok gátolják a koleszterin felszívódását és szintézisét, a rostok segíthetik a vércukorszint csökkentését. 39
ALTHAEAE RADIX / FOLIUM orvosi ziliz (fehér mályva) gyökér / levél Althaea officinalis L. (Malvaceae) nádasokban, mocsarakban, ártéri legelőkön gyakori gyökerei húsosak, kívül barnásszürkék, belül sárgásfehérek; a hámozott drog fehér, vagy sárgásfehér színű, felületéről a háncsrostok finom szálakban lehúzhatók, törése rostos a földfeletti részek csillag alakú szőrképletektől bársonyos-molyhosak, szürkés-zöld színűek; a levelek nyelesek, 3-5 karéjúak, szélük fogazott, azárnyas erezete a fonákon kiemelkedő Jellemző vegyületek, hatóanyagok Gyökér: 15% nyálka (ramnogalakturánok, glükánok, arabinogalaktánok), keményítő, glükóz, pektin, flavonoidok, cserzőanyagok, szerves savak Levél: 5% nyálka, glükóz, pektin, flavonoidok, cserzőanyagok, szerves savak Alkalmazás leveleit, virágait és gyökerét használják a gyökér bélbevonó (demulcens); hideg macerátumát a száj gyulladásai, gastritis, gyomorfekély, enteritis és colitis kezelésére használják a leveleket száraz köhögés ellen teaként alkalmazzák; bevonóként a felső légúti gyulladások és a gasztrointesztinális traktus gyulladásának kezelésére; ill. gyomorfekély és nyombélfekély 40 kezelésére alkalmazzák
PSYLLI SEMEN - nyálkás és homoki útifűmag Plantago afra L. (P. psyllium L.), P. indica L. PLANTAGINIS OVATAE SEMEN - egyiptomi útifű mag Plantago ovata Forssk. (P. ispaghula Roxb.) (Plantaginaceae) Plantago afra és indica: Dél- és Közép-Európában gyakori; apró, elliptikus, fénylő sötétbarna magja van, felszíne sima és fényes; a hátoldal középső részén egy világosabb árnyalatú, hosszában húzódó kiemelkedés található Plantago ovata: Indiában, Afganisztánban, Iránban, Észak-Afrikában, Spanyolországban honos Jellemző vegyületek, hatóanyagok Nyálkaanyagok (10-12%): arabinoxilánok; zsíros olaj és fitoszterolok Alkalmazás székletlazító és hashajtó, a magvakat krónikus székrekedés és irritábilis bélszindróma kezelésére használják, koleszterinszint-csökkentő A magvak bevétele után bőséges mennyiségű folyadék fogyasztása szükséges. 41
FARFARAE FOLIUM - martilapulevél Tussilago farfara L. Asteraceae Az északi félteke mérsékelt területein honos. A levéllemez kerek, szív, vagy vese alakú, öblösen fogazott szélű, felszíne sötétzöld, erezete ibolyás, fonákja szürkén molyhos. Jellemző vegyületek, hatóanyagok Nyálkaanyagok (6-10%): semleges poliszacharidok (glükánok) és savas poliszacharidok (galakturonsav); cserzőanyagok, pirrolizidin alkaloidok (szenkirkin, szenecionin), flavonoidok, triterpének Alkalmazás Teáját köhögés, a felső légutak gyulladása esetén használták. Alkalmazása nem ajánlott a pirrolizidin alkaloidok karcinogén és hepatotoxikus hatása miatt. Várandósság és a szoptatás ideje alatt kerülendő a fogyasztása! Pirrolizidin alkaloidok max. dózisa 1 μg/nap, legfeljebb 4 6 hétig évente. Külsőleg. 42
LICHEN ISLANDICUS - izlandi zuzmó Cetraria islandica L. Acharius (Parmeliaceae) A zuzmótelep hegyes vidékeken tömegesen terem, szarvasagancsszerűen elágazó, fodros szélű. Felszíne barnászöld, fonákja szürkészöld vagy világosbarna színű, fehér foltokkal, széle pillás. Jellemző vegyületek, hatóanyagok 50% nyálka: Licheninek: lineáris β-d-glükánok, forró vízzel kivonhatók, az emésztőrendszerben nem hidrolizálnak; Izolicheninek: lineáris α-d-glükánok, hideg vízzel is kioldhatók; glükomannánokat, glükuronsavat is tartalmaznak Zuzmósavak - protocetrársav, cetrársav (depszid-származékok); triterpének, illóolaj, nyomokban zsír, keményítő és keserűanyag Alkalmazás Főzete köptető és köhögéscsillapító hatása miatt a légutak hurutos betegségeiben bélbetegségekben, étvágygerjesztőként, preklinikai vizsgálatokban galaktomannánok in vitro immunmoduláns hatásúak 43
LINI SEMEN - házi lenmag Linum usitatissimum L. (Linaceae) rostjáért és olajos magjáért termesztik Drog: az érett mag világos- vagy sötétbarna színű, fényes felületű. Tapintása nyálkás, lapított tojás alakú, egyik végén lekerekített, másik végén hegyes (itt látható a köldök, alatta a mikropile, ahonnan a rafe húzódik a mag élén finom léc formájában) Jellemző vegyületek, hatóanyagok nyálkaanyag (semleges és savas poliszacharidok): semleges pentozánfrakció (arabinoxilánok), savas frakció I és II (ramnoglakturánok) zsíros olaj (linolsav, α-linolénsav, olajsav), fehérje, lignánok, cianogén glikozidok, szterinek és triterpének Alkalmazás: a hidegen préselt lenolaj linolénsav: koleszterinszint-csökkentő hatású: klinikai vizsgálatokban 50 g lenmag több hetes kezelés során 9%-kal csökkentette az összkoleszterin és 18%-kal az LDL-koleszterin szintet. 44
MALVAE FOLIUM - mályvalevél Malva neglecta Wallr., M. sylvestris L. MALVAE SYLVESTRIS FLOS - erdei mályvavirág Malva sylvestris L. (Malvaceae) világszerte elterjedt növény; a levelek kerek vagy vese alakúak, karéjosak, válluk szíves, szélük szabálytalanul csipkés, tenyeres erezetűek; a virág öttagú, kettős csészéje van. A külső 3 szabad csészelevél, hosszas-lándzsás, a belső 5 csészelevél forrt; 5 szabad sziromlevél fordított tojás alakú, csúcsa mélyen kicsípett, színe sötét ibolya Jellemző vegyületek, hatóanyagok 8% heteropoliszacharid (arabinogalaktán, poligalakturoramnán), flavonoidok és cserzőanyagok a virágban antociánok (malvidin és delfinidin glükozidok) Alkalmazás Levél: köhögéscsillapítóként, székrekedés kezelésére; teaként Virág: köhögéscsillapítóként 45
Gomba-poliszacharidok komplex felépítésű sejtfal Valódi gombáknál szerkezeti elem: kitin, mátrixanyagok (mannánok és glükánok) Mikózisokban a gomba-poliszacharidok meghatározzák a patogenitást; összetétel változó ( dinamikus glikán-kód ) Néhány gomba extracelluláris poliszacharidokat is termel, nyálkás bevonatot képez (1 3)-β-glükánok β-(1 6)-elágazásokkal Schizofillán (Schizophyllum commune) Lentinán (Lentinus edodes) Poliszacharid-Peptid-Komplex PSK (Coriolus versicolor) Immunmoduláns és tumorellenes hatásukat igazolták; Japánban és Kínában az adjuváns tumorterápiában alkalmazzák. 46
Alga-poliszacharidok Szerkezeti poliszacharidok, barna és vörös algák sejtfalában negatív töltésű vegyületek, magas uronsav-/szulfáttartalom Alginsavak, karragének, agar Barnaalgák (makroalgák) Mérsékelt-hideg vizekben elterjedtek; akár 60 m hosszúak is lehetnek Macrocystis-, Laminaria-, Ascophyllum-, Fucus-fajok Vörösalgák (vörösmoszatok) Meleg vizekben, a part mentén élnek Chondrus-, Gigartina-, Furcelllaria-, Gelidium-, Gracilaria-fajok 47
AGAR - agar Ahnfeltia plicata (Huds.) Fries, Gelidium-fajok tengeri vörösmoszatokból nyert sűrítő és zselésítő élelmiszeradalékanyag; vékony, lemezes csíkokból álló kötegek formájában vagy porrá őrölve kapható Szürkésfehér vagy sárgásfehér színű, szalag vagy pálcika, ritkábban por alakú Jellemző vegyületek, hatóanyagok heteropoliszacharidok (főleg D-galaktóz molekulákból felépülő hidrofil kolloid poliszacharid) Alkalmazás: Baktérium- és gomba-táptalajként; élelmiszeriparban sűrítőanyagként KARRAGÉN vörösmoszatokból vonják ki lineáris, részben szulfatált homogalaktánok komplex keveréke; három típus: κ-(kappa), λ-(lamda) és ι-(iota); eltérő jellemzők proinflammatorikus hatás ALGINÁTOK makroalgák sejtfalából vonják ki; karboxilezett poliszacharidok; alginsav Ca 2+ -, Mg 2+ -, Na + - és K + -sói (β-d-mannuronsav és β-l-guluronsav polimerjei); A kalcium-alginátot interaktív sebkötésekben, pl.: égési kötszerekben hasznosítják. Elősegítik a gyógyulást és fájdalommentes az eltávolításuk; fogpótlásoknál és a fogászatban öntőformák 48 készítésére