WYKŁAD NR 12

Wtórne metabolity

• Są to niskocząsteczkowe związki będące wytworem wyspecjalizowanej przemiany materii u roślin. Charakteryzują się różnorodną budową chemiczną (należą tu np. alkaloidy, związki fenolowe, flawonoidy, terpeny) i bardzo często właściwościami biologicznymi.

• Niektóre stanowią leki naturalne. Zgodnie z definicją Borkowskiego za leki naturalne uważa się te wszystkie związki występujące w roślinach i u zwierząt, które znalazły zastosowanie w lecznictwie w postaci wysuszonych organów, wyciągów lub w czystej postaci.

• Obecnie około 25% środków leczniczych to związki pochodzące z roślin. Przykłady: skopolamina (występuje u Solanaceae; poraża układ parasympatyczny), winkrystyna (stosowana przy nowotworach), ginsenozydy w Panax ginseng. Obecnie znamy co najmniej 300 000 metabolitów wtórnych syntezowanych przez rośliny. Podział substancji wytwarzanych przez rośliny na metabolity wtórne i pierwotne wprowadził Czapek (początek XX wieku).

• Za substancje podstawowe, czyli pierwotne, uważa się metabolity obecne w zasadzie w każdej roślinie, gdzie spełniają podstawowe funkcje fizjologiczne, stanowiąc substancje energetyczne, budulcowe lub zapasowe. Odpowiadają za wzrost, różnicowanie i rozmnażanie.

• Należą tu cukry proste, skrobia, chlorofile, tłuszcze, aminokwasy, białka, kwasy nukleinowe. Są niezbędne dla rozwoju, rozmnażania i życia rośliny.

• Metabolity wtórne należy traktować niezależnie od metabolitów pierwotnych. Nie biorą one udziału w podstawowych procesach życiowych rośliny. Stanowią jakby odgałęziające się drogi biosyntezy i dalszych przemian metabolitów. Pierwsze substancje wtórne pochodzą od substancji podstawowych.

• Są wytworem wyspecjalizowanej przemiany materii u roślin i nie biorą bezpośredniego udziału w podstawowych procesach życiowych komórki, aczkolwiek metabolity wtórne mogą pełnić różnorodne funkcje biochemiczne i fizjologiczne, np. karotenowcom przypisuje się funkcję ochrony organelli czy komórek przed szkodliwym działaniem światła.

• Sterydy roślinne, podobne do swoich odpowiedników zwierzęcych (np. cholesterol) wykazują liczne funkcje regulacyjne w procesach rozmnażania i transportu przez błony.

• Flawonoidy stanowią m.in. sygnały dla organizmów zapylających kwiaty, a bardziej ogólna funkcją jest współdziałanie z metabolizmem AUKSYNY (kwas 3-indolilooctowego). Flawonoidy roślin motylkowatych inicjują zasiedlanie drobnych korzeni przez bakterie wiążące azot

• Obecnie uważa się, że najważniejszą rola substancji wtórnych w roślinie jest ich rola obronna przeciw różnego rodzaju oddziaływaniom na organizm rośliny lub związaną ze współzawodnictwem o przestrzeń życiową, dostęp do światła, itp.

• Alkaloidy ze względu na toksyczność i gorzki smak chronią rośliny przed zżeraniem przez zwierzęta, a ponadto mogą regulować biosyntezę białek przez typowe chemiczne współdziałanie z DNA.

• Duża część metabolitów wtórnych należy do tzw. FITOALEKSYN- są to substancje niskocząsteczkowe wytwarzane w roślinach w odpowiedzi na stres, np. mróz lub atak patogenów; wykazują one często działanie antybiotyczne w odniesieni do określonych bakterii i grzybów.

• W roślinach niezakażonych fitoaleksyny albo nie występują wcale, albo występują w niewielkich ilościach. Dziś znamy ponad 250 fitoaleksyn. Do nich należy, np. pizatyna o szerokim spektrum działania grzybobójczego, ale o niezbyt silnym działaniu antybiotycznym, wytwarzana u grochu- Pisum sativum.

• Gdy roślina groch jest porażona przez patogenny grzyb, pizatyna gromadzi się zarówno w częściach porażonych, jak i zdrowych. Wytwarzanie jej w roślinie jest indukowane zarówno przez grzyby patogenne w stosunku do grochu, jak i przez niepatogeniczne.

• W tkankach roślinnych jest prawdopodobnie rozkładana przez enzymy, co zapewne jest konieczne, gdyż fitoaleksyny w pewnym stopniu mogą być toksyczne także dla tkanek roślinnych gospodarza. U fasoli (Phaseolus vulgaris) odkryto fitoaleksynę- FAZEOLINĘ. Hydroksyfazeolina występuje u soji (Glicine max), u czosnku, cebuli występują 2 fitoaleksyny- CEBULINY.

• Toksyczność fitoaleksyn dla grzybów jest niekiedy bardzo duża, np. u niektórych odmian soji stężenie hydroksyfazeoliny przewyższa 100-400-krotnie stężenie potrzebne do zahamowania w 50% rozwoju grzybni patogennego grzyba. Zwykle rośliny mają nie jedną, ale cały kompleks fitoaleksyn, co czyni obronę przeciwko patogenom skuteczniejszą.

• Uodparnianie patogenów na fitoaleksyny utrudnia również fakt, że należą one do różnych grup chemicznych. Fitoaleksyny działają na integralność błon cytoplazmatycznych patogenów- działanie o tak bardzo ogólnym charakterze czyni, że bardzo trudno jest drobnoustrojom wytworzyć szczepy oporne.

• Synteza fitoaleksyn indukowana jest przez tzw. wywoływacze, czyli ELICYTORY. Elicytory mogą być pochodzenia biotycznego (np. węglowodany pochodzące ze ścian komórek roślin lub grzybów, związki tłuszczowe, enzymy produkowane przez mikroorganizmy) lub abiotycznego (sole metali ciężkich, detergenty, UV).

• Także patogeny próbują bronić się przed fitoaleksynami, np. niektóre grzyby mają zdolność ich metabolizowania albo tak jak na przykład grzyb patogen grochu, który wytwarza substancję częściowo unieczynniającą wywoływacz pizatyny, wskutek czego pizatyna gromadzi się w tkankach z opóźnieniem.

• Odporność roślin może opierać się także na innych metabolitach wtórnych, które stale znajdują się w tkankach, a zmieniają się w związki toksyczne dla drobnoustrojów w momencie, gdy te atakują rośliny.

• Należą tu glikozydy fenolowe, które w czasie zakażenia przez patogen zmieniają się pod wpływem enzymu β-glukozydazy w wolne związki fenolowe silnie toksyczne dla drobnoustrojów (np. u borówki arbutyna przekształcana w hydrochinon przez β-glukozydazy w czasie działania patogena- wyizolowany i stosowany w infekcjach dróg moczowych).

• Normalnie glukozydaza nie ma do tych związków dostępu, gdyż znajdują się one w innych częściach komórki. Przykładem może być arbutyna występująca w gruszy. Gdy roślina jest atakowana przez patogen związek ten zmienia się w hydrochinon toksyczny dla mikroorganizmów.

• Podobny mechanizm wpływa na to, że w czasie atakowania rośliny przez patogeny AMYGDALINA (cyjanoglukozyd; produkowany przez Amygdalus communis- Prunus amygdalus) zmienia się w benzaldehyd i cyjanowodór.

• Czosnek (Allium sativum, rodz. Alliaceae) zawiera ALLINĘ, związek niewykazujący działania antybiotycznego. Jednak, gdy tkanki zostaną zranione allina pod wpływem enzymu (allinazy) zmienia się w allicynę i diallilodisulfit (sulfotlenek alkilowy)- są to związki bardzo toksyczne dla mikroorganizmów.

• Allicyna nadaje czosnkowi charakterystyczny zapach. Ma działanie bakteriobójcze, przeciwrobacze oraz hipotensyjne. Substancją ochronną w pomidorach jest TOMATYNA- glikoalkaloid steroidowy należący do saponin.

• Tomatyna występuje zwłaszcza w niedojrzałych owocach i może uszkadzać grzyby, ale tylko przy pH niższym od 6 i także takie właśnie pH występuje w częściach zranionych.

• Niektóre metabolity wtórne odgrywają rolę w allelopatii. Termin ten został wprowadzony dla określenia szkodliwych lub korzystnych wzajemnych wpływów między roślinami (włączając grzyby i drobnoustroje).

• Zjawisko wzajemnego oddziaływania między roślinami ma związek z substancjami chemicznymi wytwarzanymi przez rośliny. Substancje te to tzw. substancje allelopatyczne. Substancje allelopatyczne; mogą stymulować(allelopatia dodatnia) lub hamować wzrost roślin (allelopatia ujemna- występuje znacznie częściej).

• Substancje allelopatyczne dzieli się na szereg grup w zależności od organizmu wydzielającego(donore) lub odbierającego(akceptore). Substancje wytwarzane przez rośliny wyższe i działające na rośliny wyższe nazywamy KOLINAMI, te zaś, które na kiełkujące nasiona i młode siewki to BLASTOKOLINY.

• Natomiast związki produkowane przez rośliny wyższe, ale hamujące rozwój drobnoustrojów nazwano FITONCYDAMI. Natomiast wydzieliny hamujące rozwój roślin wyższych określamy jako MARAZMINY, a działające na inne drobnoustroje jako antybiotyki.

• Obecnie zidentyfikowano około 10 000 substancji allelopatycznych. Mogą to być substancje metabolizmu podstawowego (niektóre aminokwasy), ale najczęściej są to metabolity wtórne. Z allelosubstancji stymulujących wzrost roślin dotychczas poznano zaledwie kilka. Należy do nich LEPIDIMOID, wykryty w wydzielinach kiełkującej rzeżuchy, gryki i słonecznika.

• Znaczną większość grupy stanowią związki allelopatyczne hamujące wzrost roślin. Hamują one kiełkowanie nasion(BLASTOKOLINY) lub ograniczają wzrost i rozwój roślin(KOLINY). Należą tu np. glikozydy cyjanogenne(amigdalina, prunazyna, duryna) wytwarzane przez tkanki wyki, lnu, śliwy, migdałowca, a z nich podczas hydrolizy enzym, uwalnia się benzaldehyd lub p-hydroksybenzaldehyd i HCN.

• Te dwa ostatnie związki hamują wzrost roślin silne allelopatycznym gazem jest amoniak. Do substancji allelopatycznych należą różnego typu terpeny: α-pinen i β-pinen.

• Inna grupa to rośliny z rodz. Kapustowatych, wiele z nich zawiera naturalne glikozydy siarkowe tzw. glukozynolany. W tkankach tych roślin znajduje się enzym MIROZYNAZA, zdolny do hydrolizy glukozynolanów, jednakże w nieuszkodzonych tkankach do hydrolizy nie dochodzi, gdyż substrat i enzym nie mają ze sobą kontaktu- dopiero uszkodzenie tkanki prowadzi do zetknięcia się enzymu z glikozydem i uwalnia olejki gorczyczne, czyli izosiarkocyjaniany hamujące kiełkowanie i wzrost siewek.

• Te olejki np. olejek gorczyczny pochodzący z nasion Brassica nigra(Sinapis oleum ) stosowany jest jako środek rozgrzewający, drażniący skórę, wywołuje przekrwienie skóry. Niektóre izotiocyjaniany działają żółciopędnie lub żółciotwórczo(np. Raphanus- rzodkiew).

• Kwasy organiczne, które występują w sokach owoców, są inhibitorami kiełkowania nasion. Ich występowanie zapobiega kiełkowaniu nasion wewnątrz owoców. Silnymi inhibitorami kiełkowania są kumaryny( eskuletyna, psolaren, skopoletyna), które są wytwarzane w nasionach wielu roślin Motylkowatych i Złożonych.

• Najbardziej znaną substancją allelopatyczną jest chinon- JUGLON, występujący w orzechach włoskich- Juglans regia- związek ten ma właściwości bakterio- i grzybostatyczne i jest wysoce toksyczny dla wielu roślin, np. pomidorów, lucerny, róży, jabłoni.

• Jest on wydzielany z liści, owoców i korzeni orzecha i powoduje więdnięcie wrażliwych roślin i ich powolne obumieranie. Allelopatyczną aktywność wykazują także alkaloidy. Najbardziej aktywna jest kokaina, kofeina, chinina, kodeina, strychnina.

• Organizmy niższe np. niektóre grzyby glebowe mogą wytwarzać związki allelopatyczne będące inhibitorami kiełkowania nasion; takim związkiem jest PATULINA(MARAZMINA).

• Patulina wykazuje wysoką toksyczność zarówno w odniesieniu do roślin, jak i zwierząt. Zjawisko allelopatii wykorzystuje się w praktyce rolniczej w walce z chorobami roślin i chwastami( jako pestycydy i herbicydy).

• Regulatory wzrostu, czyli substancje wzrostowe to związki organiczne, które w bardzo małych stężeniach pobudzają, hamują lub w inny sposób modyfikują procesy fizjologiczne roślin.

• Do regulatorów wzrostu zalicza się zarówno substancje endogeniczne, a więc powstałe w roślinie( substancje określamy mianem fitohormonów), jak i substancje egzogeniczne, wprowadzane z zewnątrz. Fitohormony stanowią więc węższą grupę substancji niż regulatory wzrostu.

Cechy charakterystyczne fitohormonów:

• Działają w bardzo niskich stężeniach( niższych niż egzogenne regulatory wzrostu).

• Powszechnie występują w roślinach, wykazują działanie plejotropowe, uczestniczą w regulacji wielu procesów fizjologicznych.

• Te dwie pierwsze cechy( działanie w bardzo niskich stężeniach i powszechność występowania) dotyczą również hormonów zwierzęcych. W przeciwieństwie do nich w odniesieniu do hormonów roślinnych nie zawsze występuje rozdzielność miejsca wytwarzania i działania.

• Inne regulatory wzrostu, które nie spełniają kryteriów stawianych hormonom, określa się mianem substancji wzrostowych.

• Regulatory wzrostu dzielimy na stymulatory i inhibitory wzrostu.

• Do stymulatorów należą:

- auksyny

- cytokininy

- gibereliny

- brasinosteroidy(hormony sterydowe).

• Do inhibitorów należą:

- kwas abscyzynowy(ABA)

- kwas jasmonowy(JA) i jego ester metylowy(JA-Me)

- retardanty

- etylen.

AUKSYNY

• Auksyny są wytwarzane głównie w młodych częściach roślin. W wierzchołkach pędu, rozwijających się liściach i młodych owocach. Auksyny pobudzają wzrost wydłużeniowy łodyg, biorą udział w wygięciach fototropijnych(w kierunku źródeł światła) i grawitropijnych(grawitacyjnych, w kierunku siły ciążenia w korzeniu lub przeciwnie do niej w pędzie).

• Biorą także udział w ustawianiu się liścia powierzchnią wierzchnią ku światłu(przeciwnie do wektora grawitacji- zjawisko to nazywamy grawistrofizmem) oraz plagiotropizmie- skośnym w stosunku do wektora grawitacji wzrost pędów bocznych i rozłogów(od greckiego plagis- skośny).

• Odpowiadają za dominację wierzchołkową, hamują rozwój pąków pachwinowych, pobudzają u niektórych roślin tworzenie owoców partenokarpicznych(bez zapłodnienia), np. u pomidora(zjawisko to wykorzystuje się w praktyce na dużą skalę).

• Regulują ukorzenianie, stymulują indukcję korzeni. Auksyny hamują zrzucanie organów np. liści, owoców; biorą udział w transporcie asymilatów. Auksyny biorą również udział we wtórnym metabolizmie- działają jako sygnały w syntezie określonych enzymów i wytwarzanych z ich udziałem produktów.

• Np. wiadomo, że jedna z auksyn (IAA) uczestniczy w ekspresji genów sterujących biosyntezą antrachinonów oraz niektórych flawonoidów. Do naturalnych auksyn należą kwas indolilo-3-octowy(IAA)- auksyna powszechnie występująca w roślinach także w roślinach niższych(np. wątrobowcach)- jest łatwo rozkładany przez oksydazy obecne w roślinach.

• Syntetyczne auksyny: kwas indolilo-3-masłowy(IBA), działa silniej niż IAA, gdyż prawdopodobnie nie jest rozkładany enzymy. Chociaż ostatnio wykazano obecność IBA jako naturalnego hormonu u grochu oraz stwierdzono, że u kukurydzy tworzy się z IAA.

Inne syntetyczne auksyny:

• Kwas naftylo-1-octowy (kwas α-naftalenooctowy)- NAA

• Kwas 2-naftooksyoctowy (NAO)

• Kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowy (2,4-D)- silna auksyna i powszechnie stosowana jako herbicyd

• Kwas 2,4,5-trichlorofenoksyoctowy (2,4,5-T)- stosowany m.in. dla pobudzenia partenokarpicznego rozwoju owoców czereśni, w wyższych dawkach silnie toksyczny.

• Z pochodnych kwasu benzoesowego do auksyn należą: dicamba- kwas 2-metoksy-3,6-dichlorobenzoesowy

• Z pochodnych kwasu pikolinowego: kwas 3,5,6-trichloropikolinowy (pichloran)- jest selektywnym herbicydem.

Cytokininy

• Pierwszą wykrytą cytokininą była kinetyna wyizolowana z materiału zwierzęcego w 1955 roku przez Millera. W latach 50. zauważono, że także w roślinach są związki o właściwościach podobnych do kinetyny(pobudzające podziały komórkowe). Wkrótce taki związek wyodrębniono z niedojrzałych ziaren kukurydzy i nazwano go zeatyną od łacińskiej nazwy kukurydzy.

• W następnych latach wyodrębniono szereg innych związków o właściwościach podobnych do kinetyny i zeatyny i całą tę grupę nazwano cytokininami( od działania tych związków stymulujących cytokinezę).

• Charakterystyczną cechą działania cytokinin jest stymulacja podziałów komórkowych oraz opóźnianie procesu starzenia. Cytokininy oddziałują również na wiele istotnych procesów fizjologicznych np. stymulują kiełkowanie nasion, skracają spoczynek pędów.

• Są również bardzo aktywnym czynnikiem w morfogenezie roślin: znoszą dominację wierzchołkową w pędach, indukują pąki przybyszowe, hamują tworzenie i wzrost korzeni.

• Zjawisko indukcji pąków oraz stymulacji podziałów komórkowych jest stosowane w kulturach in vitro, w mikrorozmnażaniu i transformacji.

• Cytokininy są pochodnymi adeniny. Do naturalnych cytokinin należą: zeatyna- pierwsza wyizolowana i zidentyfikowana naturalna cytokinina. W roślinach może występować jako wolna zasada, a także w połączeniu z rybozą(jako rybozyd lub reszta kwasu fosforowego- rybotyd).

• Może występować także w połączeniu z glukozą i innymi cukrami. Naturalnie występującą pochodną zeatyny jest dihydrozeatyna, ale aktywność tego związku jest niska. Naturalną cytokininą jest także izopentyloadenina( ZiP), związek ten występuje w postaci wolnej lub jako rybozyd lub rybotyd.

• Cytkokininy syntetyczne to przede wszystkim kinetyna( wcześniej wyizolowana z materiału zwierzęcego, ale została uznana za artefakt i nie jest zaliczana do związków naturalnych) i benzyloaminoparyna( BAP=BA). Ta ostatnia jest najczęściej stosowaną cytokininą w hodowli in vitro.

• Do związków działających podobnie jak cytokininy należą pochodne mocznika, z których najbardziej aktywny jest TDZ( tidiazuron).

• Pod względem chemicznym należy do terpenoidów. Znaleziono dotychczas 89 giberelin; występują w roślinach wyższych i niższych( paprocie, glony oraz w grzybach). Pierwszą giberelinę wykrył Kurosawa w grzybie Gibberella. Z giberelin najbardziej czynny jest kwas giberelinowy( GA3).

• Gibereliny występują w przyrodzie w trzech różnych postaciach:

- jako wolne związki

- jako glikozydy i estry

- związane z białkiem

• Gibereliny wytwarzane są głównie w częściach wierzchołkowych korzeni i w najmłodszych liściach. Źródłem GA są także węzły traw i pędów roślin dwuliściennych oraz części kwiatów( pręciki), a także rozwijające się nasiona i owoce( one mają dużo wyższą zawartość giberelin niż organy wegetatywne).

• Spełniają różnorodne funkcje. Działają zwykle w połączeniu z innymi hormonami. Współdziałają z auksynami we wzroście wydłużeniowym komórek- są odpowiedzialne za wzrost wydłużeniowy międzywęźli.

• GA pobudzają działanie kambium, opadanie liści, skracają okres spoczynkowy nasion, biorą udział w indukowaniu kwitnienia roślin.

• Giberaliny stają się aktywne w procesie wychodzenia nasion ze stanu spoczynku. Wiele faktów przemawia za tym, że gibereliny mają swój udział w indukowaniu kwitnienia roślin wrażliwych na długość dnia, np. chryzantemy(niektórzy określają gibereliny mianem hormonu kwitnienia).

• Specyficzność i skuteczność poszczególnych cytokinin zmienia się w zależności od rośliny. Gibereliny razem z auksyną indukują powstawanie partenokarpicznych owoców, hamują inicjację korzeni w sadzonkach.

• Kwas giberelinowy jest wykorzystywany na dużą skalę:

- w produkcji beznasiennych owoców,np. winogrono, mandarynki, borówki

- w opóźnianiu dojrzewania owoców(banany, cytryny, pomarańcze)

• Jako produkty naturalne i całkowicie metabolizowane przez rośliny, gibereliny należą do związków dopuszczonych do powszechnego stosowania na terenie Europy i USA.

Hormony sterydowe- brasinosteroidy

• Hormonami roślinnymi są również steroidy(fitosterole-40 związków ). Występują one powszechnie w roślinach i niekiedy są to te same związki jakie spotykamy u zwierząt, np. estrogeny(hormony żeńskie u zwierząt)- estron wyizolowano z pyłku palmy daktylowej i nasion jabłoni, estraolid z nasion moreli.

• W swoim działaniu steroidy współdziałają z innymi hormonami( GA, IAA). Biorą udział w indukowaniu kwitnienia u niektórych roślin. Niektóre glukokortykoidy, jak kortykosteron silnie stymuluje wzrost korzeni. Uczestniczy w fotosyntezie, w niektórych przemianach metabolicznych oraz reakcji roślin na stresy i infekcje.

INHIBITORY WZROSTU:

• Kwas abscyzynowy(AB). Wyodrębniony po raz pierwszy w 1963 roku jest produkowany przez wszystkie organy roślin: liście, nasiona, korzenie, owoce. ABA uważany jest za hormon roślin wyższych, ale występuje także w grzybach, a niedawno stwierdzono jego obecność w mózgu kręgowców.

• Nie znamy dotychczas miejsca jego biosyntezy, ale organami najbogatszymi w ten hormon są plastydy. ABA transportowany jest zarówno przez floem, jak i ksylem.

• Wpływ ABA na rośliny można obserwować właściwie na wszystkich fazach wegetacji, począwszy od indukcji spoczynku nasion i hamowania procesu ich kiełkowania(poprzez hamowanie wytwarzania α-amylazy), poprzez wzrost roślin, kwitnienia, tworzenie nasion i owoców, skończywszy na starzeniu się i odrzucaniu owoców.

• Efektem jego działania jest zazwyczaj hamowanie lub skracanie poszczególnych faz rozwoju wegetatywnego, przyspieszanie dojrzewania owoców, nasion, przyspieszanie procesów starzenia. Podwyższenie zawartości ABA obserwuje się często w tkankach w wyniku infekcji patogenami. Działa przeciwnie do IAA, giberelin i cytokinin, np. IAA opóźnia proces dojrzewania owoców, ABA przyspiesza.

• Kwas jasmonowy(JA) i jego ester metylowy (JA-Me). JA-Me po raz pierwszy wykryto w olejku Jasminum gdandiflorum. Oba związki mają właściwości hamujące wzrost rośli i silnie przyspieszają procesy starzenia( poprzez stymulację produkcji etylenu) JA i JA-Me występują w roślinach wyższych, paprociach, grzybach i glonach.

• RETARDANTY: Biorą udział w procesach obronnych roślin(przeciw owadom, bo uniemożliwiają im dostęp do aminokwasów) i w kulturach in vitro są stosowane w indukcji lub zwiększaniu produkcji metabolitów wtórnych(szczególnie JA-Me).

WYKŁAD NR 14

24.05.2007r.

WYKORZYSTANIE BIOTECHNOLOGII

• Innym ważnym, szczególnie dla farmacji kierunkiem biotechnologii, jest wykorzystanie roślinnych kultur komórkowych dla biosyntezy metabolitów wtórnych.

• Metabolity wtórne to związki występujące w niektórych roślinach i nie spełniające bezpośrednich funkcji fizjologicznych tzn. związki te nie biorą udziału w funkcjonowaniu komórek, w procesach wzrostu i podziałów komórkowych.

• Poza tym wśród metabolitów wtórnych są związki ważne dla gospodarki: gumy, żywice, kauczuk, barwniki, środki zapachowe. Okazało się, że roślinne metabolity wtórne mogą być produkowane przez komórki rosnące in vitro.

• Zalety:

- wiele substancji mających znaczenie w lecznictwie pochodzi z roślin tropikalnych, które nie są dostępne w każdym klimacie. Kultura in vitro pozwala na uniezależnienie się od stref klimatycznych, warunków pogodowych, pór roku, zmienności plonowania, chorób.

- ważne jest również skrócenie cyklu produkcyjnego; dla otrzymania metabolitów wtórnych z roślin potrzeba wielu lat od założenia plantacji, podczas gdy cykl w kulturach komórkowych wynosi jedynie kilka tygodni.

• Dla wytwarzania wtórnych metabolitów największe znaczenie mają kultury zawiesinowe i kultury korzeni transformowanych. Kultury te odznaczają się wysokim przyrostem biomasy i mogą być prowadzone w skali makro, w specjalnych bioreaktorach.

• Pierwszym wtórnym metabolitem otrzymywanym na skalę przemysłową z roślinnych kultur komórkowych SZIKONINA. Związek ten stosowany jest w lecznictwie przy wszelkiego rodzaju skaleczeniach i oparzeniach oraz w kosmetyce. Szikonina wytwarzana jest w korzeniach rośliny z rodz. Boraginaceae: Lithospermum erythrorhizon, ale rośliny muszą być uprawiane przez co najmniej 4 lata, żeby ich korzenie mogły być wykorzystane dla indukcji szikoniny.

• Mało efektywna jest również metoda syntezy chemicznej szikoniny, obejmuje 12 etapów, a końcowa wydajność wynosi zaledwie 7%. Od 1983 roku szikoninę otrzymuje się w Japonii z kultur komórkowych Lithospermum erythrorhizon. Kultura prowadzona jest metodą dwufazową, w dwóch bioreaktorach: 200-litrowym i 750-litrowym. W pierwszym bioreaktorze następuje przyrost biomasy: komórki hodowane są w tzw. podłożu wzrostowym, które stwarza optymalne warunki do wzrostu komórek.

• Po namnożeniu komórki przenoszone są do podłoża produkcyjnego, którego skład jest tak dobrany, żeby produkcja szikoniny była jak najwyższa. W prowadzonej w ten sposób kulturze komórkowej produkcja szikoniny jest 800 razy wyższa niż w korzeniach roślin rosnących w gruncie.

• Kilka innych technologii z wykorzystaniem kultur komórkowych jest obecnie opracowywanych. Podstawowym kryterium decydującym o wdrożeniu nowej technologii jest jej opłacalność. Ponieważ technologie z wykorzystaniem kultur komórkowych są kosztowne, szanse mają produkty drogie, których cena na rynku wynosi co najmniej 400-500 dolarów za kilogram oraz takie na które jest duże zapotrzebowanie.

• Takim produktem może być wanilia, której konsumpcja światowa wynosi 1350 ton co daje wartość rynkową 100 mln dolarów. Produktami, które mogłyby być wytwarzane w kulturach in vitro są alkaloidy przeciwnowotworowe, winkrystyna i winblastyna wytwarzane przez Catharanthus roseus (barwinek różowy z rodz. Apocynaceae). Należą do najcenniejszych związków przeciwnowotworowych. Są również bardzo drogie bo roślina wytwarza je w bardzo małych ilościach. Dotąd nie udało się doprowadzić do wytworzenia winkrystyny i winblastyny w kulturach in vitro. W Japonii stosowana jest metoda półsyntetyczna- połączenie windoliny( w liściach barwinka) i katarautyny(wytwarzana w kulturach in vitro barwinek). Łączy się je na drodze chemicznej lub enzymatycznej- powstaje winblastyna a z niej winkrystyna.

• Katarautyna to monomeryczny alkaloid indolowy otrzymywany z barwinek różowego, służy do otrzymywania winblastyny i winkrystyny.

• Innym kandydatem do wytwarzania w warunkach in vitro jest PAKLITAKSEL (TAKSOL), związek o bardzo obiecującym działaniu przeciwnowotworowym, który otrzymuje się z kory Taxus brevifolia, cisu rosnącego w rejonie Pacyfiku. Paklitaksel znany jest od 1992 roku, jednakże występuje on w korze w bardzo małych ilościach i dla wyleczenia jednego pacjenta trzeba zniszczyć 2 lub 3 50-60-letnie drzewa, a 2-4 tysiące takich drzew trzeba, aby otrzymać 1kg związku.

• W kulturach in vitro poprzez opracowanie odpowiednich warunków hodowli, składu pożywek, dodatku elicytorów uzyskano 10-krotny wzrost zawartości paklitakselu w porównaniu do ilości syntetyzowanych w roślinach in vitro. Wadą są jeszcze wciąż zbyt wysokie koszty kultur in vitro. Dlatego na razie najbardziej dostępnym źródłem surowca są plantacje cisów(Cenexal-otrzymywany w Japonii lek z kultur komórkowych różnych cisów, zawiera paklitaksel).

• Ponieważ paklitaksel zawiera również kora korzeni próbuje się wykorzystać do produkcji tego związku także korzenie transformowane. W 1994 roku uzyskano patent na produkcję paklitakselu w transformowanych korzeniach pochodzących z siewek otrzymywanych z izolowanych zarodków. Stosowana jest także metoda półsyntetyczna z bakatyny lub 10-deacetylobakatyny. Palitaksel występuje w igłach różnych gatunków Taxus.

BIOTRANSFORMACJA:

• Roślinne kultury in vitro maja jeszcze jedną bardzo ważną właściwość tj. zdolność biotransformacji. Biotransformacja polega na przekształcaniu po przez enzymy obecne w komórkach różnorodnych substratów dodawanych do pożywek.

• Dzięki procesom biotransformacji możliwe jest zwiększenie zawartości metabolitów wtórnych, a także synteza nowych związków o wyższej aktywności biologicznej. Procesy te można prowadzić z kulturami zawiesinowymi, a także z komórkami immunobilizowanymi tj. unieruchomionymi na specjalnych nośnikach lub za pomocą enzymów wyizolowanych z kultur zawiesinowych.

• Procesy biotransformacji mogą prowadzić do zwiększenia zawartości metabolitów wtórnych w kulturze in vitro (w tych wypadkach gdy występuje niedobór odpowiednich prekursorów). Można również otrzymać w ten sposób nowe związki, nieznane dotychczas w naturze.

• Najbardziej obiecującą reakcją biotransformacji jest reakcja prowadząca do otrzymania metylodigoksyny, jednego z najważniejszych glikozydów nasercowych. Produktem wyjściowym jest metylodigitoksyna. Jest to reakcja hydroksylacji i zachodzi w kulturze komórkowej Digitalis lanata. Metodą biotransformacji można otrzymać w ciągu 3 miesięcy ok. 0,5 kg metylodigoksyny, ta ilość pozwala na przygotowanie ok. 5 mln tabletek tego leku.

SUROWCE ROŚLINNE

Klasa: Magnoliopsida- Dwuliścienne

Rodzina: Myristicaceae- Muszkatatałowcowate

Myristica fragrans- Muszkatołowiec wonny

• Drzewo do 10m wysokości, o zimozielonych liściach i rozdzielnopłciowych kwiatach, roślina dwupienna, kwitnąca cały rok, uprawiana głównie w Indonezji, Sri Lance, Indiach i Brazylii. Owocem jest mięsista torebka wielkości śliwki, pękająca dwoma klapami. Z dojrzałych owoców wyłuskuje się pojedyncze nasiona okryte osnówką.

• Osnówka świeża jest czerwona, po wysuszeniu żółta. Surowcem jest nasienie Myristicae semen i osnówka Myristicae arillus w handlu znana jako MACIS lub kwiat muszkatołowy. Nasienie po wysuszeniu pozbawione łupiny nasiennej to gałka muszkatołowa, używana jako przyprawa do zup, dań mięsnych itp. oraz środek na dolegliwości trawienne np. w kolce jelitowej.

• Z gałki muszkatołowej i osnówki otrzymuje się olejek- jest on gromadzony w obielmie nasienia. Olejek eteryczny ma zastosowanie w przemyśle perfumeryjnym i farmaceutycznym. Z soku owoców otrzymuje się czerwoną farbę, drewno używane jest do wyrobu mebli.

Klasa: Magnoliopsida- Dwuliścienne

Rodzina: Lauraceae- Wawrzynowate

• Około 1000 gatunków, w połowie trzeciorzędu rozpowszechnionych w całej Europie. Rośliny bardzo wrażliwe na zimno obumarły po ochłodzeniu się klimatu, posiadają specjalne komórki gruczołowe wypełnione olejkiem.

Rodzaj: Cinnamonum- Cynamonowiec

• Obejmuje 50 gatunków drzew i krzewów pochodzących z Azji i Oceanii. Liście ułożone naprzeciwlegle, kwiatostany wiechy, owocem mięsiste jagody. Ważne są 3 gatunki.

• C. camphora- C. kamforowy; zwany też kamforowcem lub drzewem kamforowym, pochodzi z Chin i Japonii, największe plantacje na Tajwanie. Dostarcza drewna służącego do wyrobu olejku kamforowego i kamfory. Olejek kamforowy używany jest do wyrobu lakierów, mas plastycznych, w kosmetyce i farmacji.

• C. zeylonium- C. cejloński; drzewo do 20m wysokie, dziko rośnie na Cejlonie( Sri Lanka). Kora stosowana w lecznictwie od niepamiętnych czasów( w starożytności do balsamowania zwłok). Surowcem jest kora- Cinnamoni cortex, zdzierana z młodych gałązek tej rośliny( około 2-letnich). Z kory zdrapuje się zewnętrzną część( korek i leżącą pod nim korę pierwotną), a pozostałą część suszy się i wtedy kora uzyskuje charakterystyczną cynamonową barwę, a aromat nadaje jej olejek eteryczny. Korę cynamonową używa się jako przyprawę w postaci kawałków lub sproszkowaną, w cukiernictwie( do wyrobu czekolady, likerów), do perfum i różnych preparatów kosmetycznych. Stosowana jest także w lecznictwie, pobudza wydzielanie soku żołądkowego, działa bakteriobójczo, pobudza czynność ruchową jelit.

• C. cassia- C. wonny( C. chiński); dostarcza również kory, jest jednak mniej ceniony od C. cejlońskiego. Występuje w Chinach.

Klasa: Magnoliopsida

Rodzina: Lauraceae

Laurus nobilis- Wawrzyn szlachetny

• Występuje powszechnie na całym obszarze śródziemnomorskim. Jest krzewem lub niskim drzewem(do10m) o skórzastych zawsze zielonych błyszczących liściach. Owocem jest jednonasienna jagoda. Surowcem są liście Lauri folium. Suszone zwane popularnie listkami bobkowymi, używane są jako przyprawa. Z liści otrzymywany jest także olejek, który znajduje zastosowanie w przemyśle perfumeryjnym i w lecznictwie. Wyciągi z owoców działają rozgrzewająco na skórę, uśmierzają ból i są stosowane w reumatyzmie.

Klasa: Magnoliopsida

Rodzina: Piperaceae- Pieprzowate

• Łodygi tych roślin( są to pnącza) mają wiązki rozproszone w 2 lub większej liczbie pierścieni i przypominają budową łodygi roślin jednoliściennych, ale mają przyrost wtórny.

• Piper nigrum- Pieprz czarny; pnącze osiągające 15m wysokości, wytwarzające korzenie czepne. Liście skórzaste, kwiaty obupłciowe( z 2 pręcikami) zebrane w kłosokształtne kwiatostany. Owocem jest drobny( 5mm średnicy) pestkowiec. W nasieniu bardzo rozbudowane jest obielmo( peryspermum). Pieprz w stanie naturalnym występuje w Indiach. Bardzo cenna przyprawa. Dostarcza owoców. Znane są 2 postacie owoców pieprzu: pieprz czarny i biały. Są to owoce tej samej rośliny, ale zebrane w różnym stadium dojrzałości. Pieprz czarny ma bardzo ostry smak, , otrzymuje się go z suszonych jeszcze niedojrzałych zielonych owoców. Owocem jest pestkowiec. Pieprz biały natomiast otrzymuje się z owoców dojrzałych(czerwonych), które po zmoczeniu wodą poddaje się maceracji, po czym usuwa się miąższ. W smaku pieprz biały jest znacznie mniej ostry od pieprzu czarnego i droższy. W lecznictwie używamy pieprzu czarnego jako środka rozgrzewającego i osuszającego.

Klasa: Magnoliopsida

Rodzina: Myrtaceae- Mirtowate

• Wiecznie zielone drzewa, krzewy i krzewinki. Na liściach, korze, młodych gałęziach, kwiatach i owocach występują zbiorniki z olejkiem eterycznym; liczne barwne pręciki wolne lub o nitkach zrośniętych u podstawy w kilka wiązek.

• Myrtus communis- Mirt zwyczajny; krzew o trwałych liściach, owoce służą do wyrobu likieru.

• Eugenia caryophyllata( Syzygium aromatium)- Goździkowiec wonny(G. korzenny); surowcem jest Caryophylli flos, a ściślej pąki kwiatowe, z których pozyskuje się goździki. Jest to drzewo 10-12m wysokości, zimozielone, kwiatostany baldachokształtne; owocem jest 1- lub 2-nasienna jagoda. Zawierają olejek goździkowy. Wykazuje działanie pobudzające, aseptyczne i rozkurczające. Goździki żujemy w stanach zapalnych i bólach jamy ustnej, gardła i zębów. Plantacje Goździkowca znajdują się na Madagaskarze, we Wschodniej Afryce i na Antylach.

• Eucalyptus globulus- Eukaliptus gałkowy; drzewo 60-100m wys., uważane za jedno z najwyższych drzew na świecie. Surowcem jest liść- Eucalipti folium, z którego otrzymuje się olejek eukaliptusowy- Oleum Eucalipti. Obserwujemy tu ciekawą zmianę kształtu liści, które na młodych pędach są dość szerokie ułożone naprzeciwlegle. Natomiast na starszych gałązkach stają się wąskie sierpowato wygięte. Kwiaty zanim przekształcą się w owoce, przybierają kształt kubeczka lub puszki opatrzonej wieczkiem. Owocem jest wielonasienna torebka pękająca szczelinami na szczycie. Liście zawierają olejek eukaliptusowy(2-3%) i znaczne ilości garbników. Olejek stosowany jest przy przeziębieniach(jako środek rozgrzewający) i do inhalacji w nieżytach górnych dróg oddechowych, w chorobach pęcherza moczowego, w chorobach żołądkowo-jelitowych. Olejek jest także stosowany w kosmetyce do wyrobu past do zębów, dezodorantów itp.

• Pimenta officinalis- Korzennik lekarski; drzewo do 13m wys., o zawsze zielonych skórzastych liściach. Kwiaty zebrane w baldachogrona. Owocem jest ciemnobrązowa jagoda o średnicy 5-8mm zwykle z 2 nasionami. Te owoce są surowcem zwanym angielskim zielem lub pieprzem z Jamajki. Zbiera się je przed dojrzeniem i suszy. W miąższu tych owoców, ale przede wszystkim w nasionach, występuje olejek eteryczny. Olejek służy do aromatyzowania słodyczy i likierów, jest używany w perfumerii i farmacji. W lecznictwie olejek pimentowy stosowany jest w bólach reumatycznych oraz w infekcjach skórnych. Suszone owoce stosowane są jako popularna przyprawa. Korzennik występuje na Antylach, Wyspach Bahama i w Ameryce Środkowej. Dzisiaj jest uprawiany na Jamajce, w Meksyku, Indiach.

Rodzina: Araliaceae- Araliowate

Rodzaj: Panax- Żeń-szeń

• P. ginseng- Ż. prawdziwy

• P. quingquefolium- Ż. pięciolistny( Ż. amerykański=Ż. kanadyjski); dostarczają korzenia( w licznych lekospisach całego świata). Są to byliny do 50m wys., o silnie bulwiastym rozgałęzionym korzeniu.

• P. quingquefolium to endemiczny gatunek Ameryki Północnej, rośnie dziko w lasach Kanady i USA( stany Minnesota i Alabama). Kwiaty zebrane w szczytowy baldach. Liści 5 w okółku. Owocem jest czerwona jagoda. Korzeń znany pod nazwą żeń-szeń kanadyjski. W Polsce są próby aklimatyzacji tego gatunku.

• P. ginseng; bardziej ceniony jest korzeń P. ginseng, rośnie dziko w lasach od Nepalu po Mandżurię i Koreę. Uprawiany w Chinach, Rosji i Ameryce Północnej. Zwany jest korzeniem życia( jest panaceum). W Chinach i Korei uważany jest za panaceum- lek uniwersalny, za afrodyzjak, za eliksir życia. Działa wzmacniająco, immunostymulująco. Ciałami czynnymi są saponiny zwane ginsenozydami.

Rodzina: Araliaceae

Eleutherococcus senticosus- Eleuterokok kolczasty(Żeń-szeń syberyjski)

• Krzew, występuje we wschodniej Azji, w północnych Chinach, Korei, Japonii, Syberii. Liście są duże, 5-dzielne. Kwiaty rozdzielnopłciowe, zebrane w kuliste baldachy. Owoc to czarny pestkowiec. Surowcem jest kłącze i korzeń eleuterokoka- Eleuterococci rhizoma et radix. Surowiec zawiera saponiny, lignany. Wyciągi z surowca działają pobudzająco na ośrodkowy układ nerwowy. Środek adaptogenny. Stosowany w celu zwiększenia wydolności umysłowej i fizycznej, przy osłabieniu i przemęczeniu.

• Hedera helix- bluszcz pospolity; zimozielone pnącze wys. do 20m. w Polsce pod ochroną. Bluszcz kwitnie pomiędzy 7 a 10 rokiem życia. Owoc to jagoda(1-4-nasienna). Owoce, liście trujące. Dostarcza surowca Hederae helicis folium- zawiera saponiny, flawonoidy i olejek eteryczny. Działa wykrztuśnie.

14