Sekundární metabolity David Kaftan, 2014

Sekundární metabolity Rostliny produkují množství organických látek: primární metabolity – fytosteroly, lipidy, nukleotidy, aminokyseliny, organické kyseliny, cukry a polysacharidy sekundární metabolity které nehrají hlavní roli při růstu a vývoji terpenoidy alkaloidy fenylpropanoidy a příbuzné fenolické látky suberin ligniny a lignany flavonoidy coumariny Sekundární metabolity hrají významnou roli jak při ochraně před stresem (herbivoři, mikrobiální infekce) tak jako atraktans pro opylovače a distributory semen. Účastní se také alelopatických reakcí.

Syntéza sekundárních metabolitů Terpenoidy cca. 25000 sekundárních metabolitů je syntetizováno z pětiuhlíkatého prekurzoru isopentenyl difosfátu (IPP). Alkaloidy cca. 12000 známých alkaloidů obsahujících jeden či dva atomy dusíku jsou syntetizovány z aminokyselin. Fenolické látky cca. 8000 látek vzniká buď cestou kyseliny šikimátové nebo malonát/acetátovou cestou.

Terpenoidy Terpenoidy se dělí do skupin podle množství obsažených pětiuhlíkatých jednotek. Hemiterpeny – plyn isopren Monoterpeny – C10, dvě isoprenové jednotky Sesquiterpeny – C15, tři isoprenové jednotky Diterpeny – C20, čtyři isoprenové jednotky Triterpeny – C30 Tetraterpeny – C40 Polyterpeny Meroterpeny Syntéza terpenoidů - sesqui-, tri- a polyterpeny v cytosolu a na endoplazmatickém retikulu - isopren, mono-, di- a tetraterpeny včetně prenylovaných chinonů v plastidech

Hemiterpeny Prekurzorem je isopentenyl difosfát vznikající acetát/mevalonátovou dráhou kondenzací tří acetyl-CoA v cytozolu a na endoplazmatickém retikulu NEBO v plastidech z pyruvátu a thyamin pyrofosfátu. Isopren Plyn produkovaný fotosynteticky aktivními pletivy. Isopren syntáza je přítomná v plastidech listů mnohých C3 rostlin. Je uvolňován jako reakce na ozónem indukovaný vznik NOx

Monoterpeny vonné esence květů, esenciálních olejů bylin a koření až 5% suché váhy volatilní monoterpeny - signál pro kůrovce (rozezná strom) ale také SOS od stromu k patogenům, predátorům kůrovce. uplatnění hlavně v potravinářském a kosmetickém průmyslu Pipeneny – toxické pro brouky okusující kůru Linalool – atraktans pro opylovače 1,8-Cineole – atraktans v květech Myrcene – až 40% váhy listů Thymus Menthol Kafr – odpuzující herbivory spásající listy, alelopatické účinky inhibující klíčení semen Pyrethriny – insekticidy, Chrysanthemum, Tanacetum

Monoterpeny vonné esence květů, esenciálních olejů bylin a koření až 5% suché váhy volatilní monoterpeny - signál pro kůrovce (rozezná strom) ale také SOS od stromu k patogenům, predátorům kůrovce. uplatnění hlavně v potravinářském a kosmetickém průmyslu Pipeneny – toxické pro brouky okusující kůru Linalool – atraktans pro opylovače 1,8-Cineole – atraktans v květech Myrcene – až 40% váhy listů Thymus Menthol Kafr – odpuzující herbivory spásající listy, alelopatické účinky inhibující klíčení semen Pyrethriny – insekticidy, Chrysanthemum, Tanacetum

Sesquiterpeny Vonné esence a oleje, fytoalexiny, součástí pryskyřic jehličnanů. Kyselina abscisová je strukturně sesquiterpen, je ale syntetizována asymetrickým štěpením C40 karotenoidu na xanthoin Phytoalexiny Antibiotické látky produkované rostlinami jako odpověď na mikrobiální útok, látky odpuzující herbivory. Capsidiol – produkován při patogenním útoku Lubimin Gossypol – testován jako prostředek mužské antikoncepce

Diterpeny Fytoalexiny, kyseliny pryskyřic jehličnanů a bobovitých – (mechanická) ochrana před herbivory, jantar. kyselina abietická – oxidací abietadienu Fytol Gibbereliny (některé jsou norditerpenoidy neboť mají jen 19 uhlíků) Taxol – protirakovinné účinky, Taxus Casben – fytoalexin, Ricinus Forskolin – léčba glaukomu

Triterpeny Brassinosteroidy, fytosteroly, fytoalexiny, toxiny, látky odpuzující herbivory, součásti povrchových vosků. Vznikají kondenzací dvou FPP na squalen, který je dále oxidován na 2,3 epoxid – oxidosqualen. Squalen – prekurzor steroidů Oleanan – insekticid Nimbin – insekticid, antiseptické, antihistaminové, protizánětlivé účinky, Azadirachta indica Glykosilované triterpeny - larvy monarchů živící se na rostlině hromadí v křídlech triterpeny a činí je toxickými pro predátory, Asclepias Digitalin – povzbuzuje srdeční sval, Digitalis Oleandrin – narušuje funkci srdečního svalu, Nerium Ouabain – inhibuje Na+/K+-ATPázu, Strophanthus

Tetra-, poly- a meroterpeny Tetraterpeny - karotenoidy polyterpeny - obsahují více než 8 isoprenových jednotek chinony – plastochinol, ubichinol dolichol – přenos cukrů latex meroterpeny - látky smíšeného biosyntetického původu obsahující terpenoidní část cytokininy fenylpropanoidní látky s C5 isoprenoidním bočním řetězcem některé alkaloidy (vincristin, vinblastin) proteiny s bočním C15-C20 terpenoidním řetězcem pro ukotvení v membráně

Terpenoidy Juvabion analog juvenilního hormonu produkován jedlí Abies balsamea blokuje dospívání larev - paper factor Karel Sláma and Carroll M. Williams (1965) Juvenile hormone activity for the bug Pyrrhocoris apterus. PNAS, 54: 2, 411-414 α - Ecdysone způsobuje předčasné svlékání fykoecdysteroid – analog hormonu ecdysonu

Kutin, vosky dlouhořetězcové alifatické látky a jejich deriváty na styku živé rostlinné buňky a vzduchu lipofilní Syntéza a transport C16 a C18 mastné kyseliny v plastidech prodlužování o dva C v endoplasmatickém retikulu redukce na aldehydy, alkoholy export, dekarbonylace (lichý počet C) transport ven z buňky přes kutinovou matrix Ochranná funkce - ztráta vody - patogeny UV kutin (Vinca major) vosk (Quercus robur)

Alkaloidy - dusík obsahující, většinou heterocyklické - syntéza většinou z L-aminokyselin (triptofan, tyrozin, fenylalanin, lyzin, arginin) některé strukturně podobné neurotransmiterům slouží k obraně rostlin proti herbivorům syntetizovány 20 % kvetoucích rostlin, také živočichy extrakty obsahující alkaloidy využívány odedávna: sedativa, projímadla, jedy, proti kašli, horečce, proti uštknutí hadem, šílenství Opium – využíváno již 1400-1200 př. n. l. Theriak – jeden z nejstarších popsaných léků, pochází z řecko-římské kultury, obsahoval opium, víno a další rostlinné a živočišné součásti (hadí maso)

Coniin 399 př. n. l. byl Socrates popraven vypitím extraktu z bolehlavu obsahující alkaloid coniin. Extrémně toxický alkaloid, první úspěšně syntetizovaný. Způsobuje paralýzu motorických nervových zakončení. Socratova smrt, Jacques-Louis David, 1787

Atropin a scopolamin časté u Solanaceae (Atropa belladonna, Datura, Brugmansia, Mandragora) Atropin Scopolamin - kompetitivní antagonosta acetylcholinu v - silné narkotikum parasympatických nervových vláknech - používán při kinetóze - zvyšuje tepovou frekvenci, rozšiřuje zorničky - antidepresivum - protijed při otravě nervovým plynem - odvykání drogové závislosti Scopolamine

Opium: morfin, kodein, heroin - „mléko“ vytékající z poraněných makovic, obsahuje více než 25 alkaloidů Morfin – silné narkotické účinky, váže se na receptory v mozku, míše, střevech, žaludku, návykový Heroin – diacetyl morfin Papaverin - uvolňuje křeče vnitřního svalstva - proti průjmu Kodein - tiší bolest, kašel, relativně nenávykový

Kokain užíván jako stimulant centrální nervové soustavy andskými indiány víno s listy koka – Vin Mariani (Itálie), Pemberton's French Wine Coca (USA) Po zavedení prohibice v Atlantě vyrobil Pemberton nealkoholickou verzi (8. 5. 1886) - léčí závislost na morfinu, nechutenství, vyčerpanost, bolesti hlavy a impotenci. - obsahoval kokain z listů koka a kofein z ořechů Cola nitida od 1904 se používají listy koka, z kterých byl extrahován kokain. Cola nitida

Chinin Antimalarické (Plasmodium falciparum), protizánětlivé, horečku a bolest tišící účinky, svalový relaxant. Chinin byl původně nalezen v kůře chinovníku, je přítomen také ve vrbové kůře. Tonic obsahuje chinin z kůry stromů rodu Remijia při ozáření UV světlem vyzařuje fluorescenci

Nikotin a kofein Kofein Nikotin v listech a plodech koly, maté, kávy, kakaa, čaje celosvětově využíván jako stimulant lidské centrální nervové soustavy. insekticid- blokuje fosfodiesterázu fytofágního hmyzu která hydrolyzuje cAMP Nikotin vysoce toxický, paralyzuje dýchání silný insekticid zneužíván jako návyková droga

Senecionin a lupanin Senecionin: pyrrolizidinový alkaloid - toxický pro savce – ne přímo, ale po oxidaci v játrech - některý fytofágní hmyz je schopen alkaloid modifikovat a tím detoxifikovat, jiné ho v těle ukládají pro svou vlastní obranu, nebo strávené alkaloidy trasformují na feromony. - senecionin N-oxid je syntetizován v kořenech některých Asteraceae a transportován do rostliny a hlavně do květenství Lupanin: quionolizidinový alkaloid toxické pro spásající zvěř, hořká chuť akumulace alkaloidu v semenech

Solanin steroidní glykosilovaný alkaloid inhibitor cholinesterázy, interference s K+ kanály mitochondriální membrány, únik Ca2+ do cytoplasmy spoštějící apoptózu zodpovědný za teratogenní účinky bramborových klíčků častý u Solanaceae (Solanum tuberosum, S. Nigrum, S. lycopersicum) – listy, plody fungicidní a pesticidní účinky jed: 2 až 5 mg na kilogram tělesné váhy způsobuje toxické symptomy

Vinblastin, ajmalin a pilocarpin monoterpenoidní indolový alkaloid součást chemoterapeutik účinný při léčení Hodgkinsova lymfómu obsažen v barvínku (C. roseus) Ajmalin antiarytmikum inhibuje přijímání glukózy mitochondriemi srdce Pilocarpin imidazolový alkaloid stimulant parasympatických nervů používán při léčbě glaukomu

Fenolické látky základem struktury je fenol s jednou nebo více hydroxylovými skupinami složitější struktury odvozeny od fenylpropanoidu a fenylpropanoid acetátu ne všechny fenolické látky jsou však deriváty fenylpropanoidových substrátů

Fenolické látky strukturní role při stavbě buněčných stěn obrana i atraktans – barva, chuť, vůně tvoří cca. 40 % organického uhlíku jejich biodegradace je limitujícím krokem recyklace organického uhlíku Flavonoidy - antokyany - taniny Ligniny a lignany strukturní podpora kmenů suchozemských rostlin Coumariny

Fenolické látky í

Antokyaniny barevná atraktans plodů a květů pro šiřiče semen a opylovače hromadí se ve vakuolách (jsou ve vodě rozpustné) Pelargonidiny Cyanidiny Delfinidiny oranžová, růžová, červená, lososová magenta, karmínová purpurová, modrá, lila

Taniny - polymerizované flavonoidy - váže se na kolagen kůže, zabraňuje mikrobiální infekci (koželužnictví – Egypt 3000 let BC). hromadění v jádrovém dřevě, kůra dubů, smrků, kaštanů čaj, červené víno, trnky – vazba taninu na proteiny slinných žláz = „svíravá“ chuť. - poruchy trávení ale může zabránit nadýmání skotu, proti parazitům zažívacího traktu).

konyferyl alkohol - lignan - lignin

Ligniny Kompresní dřevo obsahuje více ligninu a méně celulózy, tenzní dřevo naopak

Coumariny a stilbeny