Реферат: Н. И. Румянцева Вторичные метаболиты растений: физиологические и биохимические аспекты (Часть Фенольные соединения): Учебно-методическое пособие / > А. И. Валиева, Й. Р. Абдрахимова. Казань: Казанский Федеральный ун

КАЗАНСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Биолого-почвенный факультет

Кафедра физиологии и биотехнологии растений


ВТОРИЧНЫЕ МЕТАБОЛИТЫ РАСТЕНИЙ:

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ

АСПЕКТЫ

(Часть 3. Фенольные соединения)


Учебно-методическое пособие к курсу
“Вторичный метаболизм растений”



Казань – 2010 Печатается по решению Редакционно-издательского совета ФГАОУВПО
«Казанский Федеральный (Приволжский) университет»
^ учебно-методической комиссии биолого-почвенного факультета КФУ Протокол № 3 от 12 сентября 2010 г.
заседания кафедры физиологии и биотехнологии растений

Протокол № 3 от 31 мая 2010 г.


Составители

доцент кафедры физиологии и биотехнологии растений КФУ,

к.б.н. Й.Р.Абдрахимова

н.с. лаб. физиологии и генетики культивируемых клеток КИББ КазНЦ РАН, к.б.н. А.И.Валиева

^ Научный редактор

заведующая кафедрой физиологии и биотехнологии растений КФУ,

профессор, д.б.н. Т.В. Багаева

Рецензент

заведующая лабораторией физиологии и генетики культивируемых клеток

КИББ КазНЦ РАН, к.б.н. Н.И.Румянцева


^ Вторичные метаболиты растений: физиологические и биохимические аспекты (Часть 3. Фенольные соединения): Учебно-методическое пособие /

А.И.Валиева, Й.Р.Абдрахимова. – Казань: Казанский Федеральный университет, 2010. - 40 с.

Пособие является продолжением цикла изданий КГУ (КФУ) (2001, 2002, 2009), посвященных изучению вопросов вторичного метаболизма растений. В нем даны основные современные представления о принципах классификации, особенностях биосинтеза, физиологическом и фармакологическом значении наиболее широко распространенного класса вторичных веществ – фенольных соединений.

Пособие предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей биологических факультетов университетов, медицинских, педагогических, сельскохозяйственных и ветеринарных вузов, а также преподавателей медицинских колледжей.

© Казанский Федеральный университет, 2010

© Абдрахимова Й.Р., Валиева А.И., 2010
ВВЕДЕНИЕ
К фенольным соединениям относят вещества, содержащие в своей молекуле бензольное кольцо, которое несет одну или несколько гидроксильных групп, называемых также "фенольными группировками". Соединения, имеющие две и более гидроксильные группы, получили название полифенолов. И хотя растительные фенолы отнесены к веществам вторичного или специализированного метаболизма, которым по определению свойствена хемоспецифичность, многие из них, например, флавоноиды или лигнин, универсальны по своей распространенности в природе.

В основу классификации природных фенолов положен биогенетический принцип, согласно которому группы располагают в порядке усложнения молекулярной структуры. В данном пособии будут рассмотрены следующие:

^ 1) С6-ряда - простые фенолы;

2) С6-С1-ряда - производные бензойной кислоты (фенольные кислоты);

3) С6-С2-ряда - фенолоспирты и фенилуксусные кислоты;

4) С6-С3-ряда - производные фенилпропана (оксикоричные кислоты (ОКК) и спирты, кумарины);

^ 5) С6-С4-ряда - нафтохиноны;

6) С6-С2-С6-ряда - антрахиноны и стильбены;

7) С6-С3-С6-ряда - флавоноиды и изофлавоноиды;

8) (С6-С3)2-ряда - лигнаны и неолигнаны;

9) полимерные фенольные соединения (лигнины, таннины, меланины).
^ ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Фенольные соединения разнообразны как по своей структуре, так и по функциональным значениям, которые они выполняют в растительном организме. Практически все фенольные соединения играют важную защитную роль в реакциях организма на разных уровнях. Хорошо установлено, что растительные клетки реагируют на механические повреждения или проникновения патогенов повышением активности фенилаланинаммиак-лиазы, 4-гидроксилазы транс-коричной кислоты, пероксидазы и других ферментов. Это сопровождается "вспышкой" новообразования фенольных соединений. Связываясь с нефенольными полимерами клеточных стенок, лигнин и оксикоричные кислоты способствуют их упрочнению и таким образом препятствуют проникновению патогенов, а также неконтролируемой потере воды. Следует отметить, что усиление процессов лигнификации является одной из стратегий метаболической адаптации к действию стресс-факторов разной природы.

Среди защитных функций фенольных соединений выделяют фотопротекторную роль. Давно замечено, что растения, произрастающие в тропических и альпийских районах, содержат большее количество фенолов, чем растения умеренных зон. Так, пигментированные формы культурных растений с высоким содержанием антоцианов происходят в основном из горных районов, например, столовая свекла по сравнению со своим предшественником листовой свеклой - мангольд. Установлено, что эпидермальные клетки, пропуская видимый свет, поглощают до 95% УФ лучей, благодаря повышенному содержанию фенольных соединений, в первую очередь, флавоноидов (Evans, 1995). Считается, что флавоноиды, в частности антоцианы, снижают риск фотоокислительных повреждений клеток за счет уменьшения количества активных форм кислорода (Feild et al., 2001). Кроме того, они могут связывать ионы тяжелых металлов в устойчивые комплексы. Известно, что флавоноиды, содержащиеся в зеленом чае и красном вине, изофлавоноиды сои, а также стильбен резвератол, обнаруженный в красном вине и винограде, обладают выраженными противораковыми свойствами именно благодаря своим антиоксидантным свойствам. В лаборатории фенольного метаболизма ИФР РАН показано, что холодовое закаливание растений пшеницы приводит к повышению содержания фенольных веществ в 2.5-3 раза, причем в молодых органах синтез их мономерных форм происходит достаточно интенсивно. При этом фенольные соединения, сходные, но не идентичные лигнину древесины, могут участвовать в индукции апоптоз-подобных процессов (Олениченко, 2006).

Защитная функция фенольных соединений проявляется и в качестве так называемых детеррентов (от лат. deterreo – отпугивать) или антифидантов (от аnti – против и англ. feed – питание) соединений, снижающих привлекательность и пищевую ценность растительных тканей для фитофагов. Увеличение содержания лигнанов, таннинов, пирокатехола и феруловой кислоты, наблюдаемое в немолодых листьях, делает их малосъедобными для личинок и взрослых насекомых. Кроме того, прочные белково-танниновые комплексы труднопереваримы, поэтому многие млекопитающие, например, крупный рогатый скот, избегают есть растения или их части, накапливающие таннины.

Для многих фенольных соединений характерна сигнальная функция. Флавоноиды аригенин и лутеолин принимают участие в формировании клубеньков у бобовых растений. Салициловая кислота запускает процесс термогенеза при цветении аронниковых, реакцию сверхчувствительности при ранениях и атаке патогенов. Часто фенольные соединения определяют взаимодействия между представителями растительного и животного царств. Например, привлекающая насекомых и птиц окраска цветов, фруктов и семян обусловлена такими фенольными соединениями, как антоцианы, флавононы, флавонолы, нафтохиноны и меланины. Пищевые аттрактанты фенольного происхождения, например, изокверцетин, на практике используются для привлечения потенциальных опылителей цветов и распространителей семян.

Растительные фенолы являются регуляторами роста и развития растений, оказывая при этом как стимулирующее, так и ингибирующее воздействие. Так, фенольные соединения, содержащие орто-гидроксильную группировку ингибируют активность оксидазы ИУК, а монофенолы и мета-дифенолы, наоборот, стимулируют. Флаванон нарингенин ингибировал образование гормонов-активаторов роста гиббереллинов и цитокининов. На культуре покоящихся зародышей бересклета было выяснено, что пара-кумаровая кислота предотвращает выведение зародышей из состояния покоя, а на семенах хлопчатника показано, что последние приобретали всхожесть только после того, как содержащиеся в их оболочке фенольные соединения подвергнутся конденсации. Фенольные соединения наряду с фитогормоном АБК входят в состав так называемого β-ингибиторного комплекса, который ответственен за физиологический покой семян и предотвращает их прорастание даже в сочных плодах (томаты, огурцы и т.д.). Кроме того, фенольные соединения могут лимитировать рост клеток посредством образования ковалентных связей со структурными полисахаридами, гидроксипролином белков клеточных стенок. Откладываясь в клеточной стенке, оксикоричные кислоты и/или лигнин скрепляют целлюлозные волокна, действуя как жесткий матрикс (Brett, Waldron, 1990).

Изучение перекрестного опыления двух видов форзиции показало, что фертильная пыльца содержит флавоноловый гликозид рутин, тогда как стерильная, не способная к оплодотворению, - свободный кверцитин, поскольку содержит фермент, гидролизующий этот гликозид. Выявлена прямая корреляция между увеличением количества фенольных соединений и образованием эмбриоидов в процессе соматического эмбриогенеза в культурах клеток разных растений (Kouakou et al., 2007; Reis et al., 2008).

Следует отметить важную структурную функцию растительных фенолов, которые являются компонентами клеточных клеток (лигнин, ОКК, суберин). Кроме того, фенольные соединения являются резервными веществами. Долгое время фенольные соединения считались конечными продуктами метаболизма растений. Экспериментально доказано, что высшие растения способны подвергать фенолы глубокому окислению с разрывом бензольного кольца и с образованием продуктов первичного обмена веществ вплоть до углекислого газа (Запрометов, 1996).

Хорошо известно, что фенольные соединения играют важную роль в окислительно-восстановительных реакциях, например, в качестве компонентов электрон-транспортных цепей дыхания и фотосинтеза (уби- и пластохиноны). Некоторые фенольные соединения служат, наоборот, разобщителями или ингибиторами дыхания (ротенон, кумарин, платанетин).
^ БИОСИНТЕЗ ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
К настоящему времени выявлено два пути образования природных фенольных соединений: шикиматный и ацетатно-малонатный. Подавляющее большинство известных фенольных соединений, а также ароматические аминокислоты образуются с использованием в качестве предшественника шикимовой кислоты. Следует отметить, что гербицидный эффект глифосата обусловлен именно блокированием шикиматного пути. Отсутствие этого метаболического пути у животных делает ароматические аминокислоты (триптофан, фенилаланин, тирозин) незаменимыми, поэтому фенольные вещества должны постоянно поступать с пищей. Ацетатно-малонатный путь у высших растений сочетается с шикиматным в биосинтезе флавоноидов, а также некоторых антрахинонов. Кроме того, ацетатно-малонатый путь широко распространен у грибов, лишайников и микроорганизмов.
^ Шикиматный путь. Как видно из схемы (рис. 1), шикиматный путь начинается с конденсации фосфосфоенолпирувата, образующемся при гликолитическом распаде глюкозы, и эритрозо-4-фосфата, промежуточного продукта окисления глюкозы по пентозофосфатному пути. При этом формируется семиуглеродное соединение 3-дезокси-D-арабиногептулозонат-7-фосфат, которое затем подвергается циклизации, превращаясь в 3-дегидрохинную кислоту. На следующей стадии 3-дегидрохинная кислота теряет воду и превращается в 3-дегидрошикимовую кислоту и далее под влиянием фермента оксидоредуктазы - в шикимовую кислоту, которая по структуре близка к фенольным соединениям, однако ее шестичленное углеродное кольцо содержит только одну двойную связь.
Дальнейшие преобразования этого кольца начинаются с фосфорилирования шикимовой кислоты по 3-му углеродному атому и присоединения молекулы фосфоенолпирувата с получением 5-енолпирувилшикимат-3-фосфата. Последнее соединение претерпевает далее дефосфорилирование и дегидратацию, что приводит к образованию хоризмовой кислоты - другого важного промежуточного соединения, которое в своем кольце имеет уже две двойные связи.




^ Рис 1. Биосинтез ароматических аминокислот в шикиматном пути.


На этой стадии происходит разветвление шикиматного пути. По одному направлению из хоризмовой кислоты образуется ^ L-триптофан (и далее индольные производные), по другому - L-фенилаланин и L-тирозин. Именно с последним ответвлением сопряжены дальнейшие превращения, которые в конечном счете приводят к образованию в растительных клетках фенольных соединений. Начинается этот процесс с превращения хоризмовой кислоты в префеновую, которая подвергается либо дегидратации и декарбоксилированию с образованием фенилпировиноградной кислоты, либо окислительному декарбоксилированию с формированием п-гидроксифенилпировиноградной кислоты. Далее следует аминирование этих кетокислот с образованием соответственно фенилаланина и тирозина. 

Указанные трансформации могут совершиться и в другой последовательности. Аминирование может иметь место уже на стадии префеновой кислоты с преобразованием ее сначала в L-арогенную кислоту. Лишь затем молекула подвергается дегидратации с декарбоксилированием или окислительному декарбоксилированию, в результате которых образуются L-фенилаланин и L-тирозин. Формированием этих двух ароматических аминокислот построение бензольного кольца завершается. Заканчивается и весь шикиматный путь, который как источник указанных аминокислот фактически представляет собой одну из составных частей первичного метаболизма клетки. Специфические вторичные превращения, ведущие к биосинтезу фенольных соединений, начинаются только после этой стадии метаболизма, они берут начало от ароматических аминокислот - фенилаланина или тирозина.
^ Образование оксикоричных кислот
Первой, ключевой, реакцией на этом ответвлении вторичных превращений является реакция дезаминирования L-фенилаланина (рис.2), катализируемая центральным ферментом фенилпропаноидного метаболизма - фенилаланинаммиак-лиазой (ФАЛ). Аминогруппа донируется для образования префеновой кислоты. При дезаминировании фенилаланина под действием ФАЛ образуется предшественник фенилпропаноидов - транс-коричная кислота, которая на следующей стадии подвергается пара-гидроксилированию с образованием из нее п-оксикоричной или п-кумаровой кислоты.

п-Кумаровая кислота сходным путем образуется из тирозина при действии тирозинаммиак-лиазы, однако масштабы дезаминирования тирозина гораздо меньше, чем фенилаланина, а у двудольных растений он отсутствует вообще. Таким образом, фенилаланин считается основным предшественником фенольных соединений, а п-кумаровая кислота - первым простейшим



Рис.2. Схема биосинтеза фенолов из фенилаланина. Разнообразие фенольных соединений: производные гидроксибензойной кислоты (А), простые фенилпропаноиды (Б), кумарины (В), фенилпропаноидные спирты (Г) - предшественники лигнина, флавоноиды.

фенольным соединением растений, которое служит родоначальником большинства других растительных фенолов.

Следует отметить, что существуют минорные пути, минующие конечную стадию шикиматного пути, образования ряда фенольных соединений, таких как галловая, протокатеховая и салициловая кислоты. У некоторых растений (Rhus typhina, Camellia sinensis, Vaccinium vitis-idaea) шикимовая кислота может подвергаться прямой ароматизации, минуя стадию фенилаланина, с образованием галловой кислоты. Следовательно, у этих растений фенольная часть галлотаннинов может быть синтезирована непосредственно из шикимовой кислоты, а не из фенилаланина по стандартному пути биосинтеза фенольных соединений. Кроме того, п-оксибензойная и салициловая кислоты могут образовываться непосредственно из хоризмовой кислоты - одного из промежуточных продуктов шикиматного пути.

При образовании фенилпропаноидных соединений в гидроксилирование ароматического кольца вовлечены три фермента, все микросомального происхождения. Наиболее хорошо изучена из них 4-гидроксилаза коричной кислоты, которая присоединяет гидроксильную группировку к коричной кислоте в пара-положении. Итак, транс-коричная кислота при участии этого фермента превращается в п-кумаровую кислоту (рис.3). Другие гидроксилазы катализируют присоединение ОН-группировки при орто-положении. Орто-гидроксилирование п-кумаровой кислоты приводит к образованию кофейной кислоты, а из нее благодаря последовательному гидрокслированию и метоксилированию образуются феруловая, 5-оксиферуловая и синаповая кислоты. На этом завершается формирование основных представителей фенилпропаноидного блока фенольных соединений.



Рис.3. Образование оксикоричных кислот из коричной кислоты.


^ Образование кумаринов
Помимо широко распространенной п-оксикоричной кислоты в некоторых растениях найдена о-оксикоричная кислота. Ее транс-форма устойчива, но цис-форма, называемая также кумариновой кислотой, в кислой среде мгновенно циклизуется с образованием устойчивого лактона кумарина (рис.4).


^ Рис.4. Циклизация о-оксикоричной кислоты с образованием кумарина.


Ацетатно-малонатный путь
Этот путь принципиально отличается от шикиматного. Он связан с промежуточным синтезом поликетометиленовых предшественников. Исходное соединение ацетил-КоА.

CH3CO~SCoA + CO2 → COOH-CH2CO~SCoA (ацетилСоА-карбоксилаза, АТФ, Mn2+)

Таким путем при постепенном наращивании углеродной цепи возникает поли-кетометиленовая цепочка. Циклизация поликетидной цепи приводит к образованию различных фенольных соединений, например, антрахинонов.
^ Биосинтез флавоноидов
С
ущественной особенностью строения флавоноидов по сравнению со строением других полифенолов является двоякое биогенетическое происхождение двух бензольных колец их структуры. Опыты с 14С-продуктами показали, что фенилпропановый скелет (кольцо В и трехуглеродный фрагмент) происходит от п-кумаровой кислоты (шикиматный путь), а кольцо А синтезируется по ацетатно-малонатному пути из трех молекул малонилСоА.


К алифатической боковой цепочке п-кумаровой кислоты по поликетидному типу конденсации углеродных единиц присоединяются три ацетатных фрагмента, из которых после внутримолекулярного замыкания (с участием фермента халконсинтазы) возникает второе бензольное кольцо 15-углеродного скелета флавоноидов. При этом сначала на основе такой структуры образуется халкон (рис.2) - простейшая форма флавоноидов, у которой центральное гетероциклическое кольцо еще не замкнуто. Халкон под влиянием соответствующей изомеразы обычно сразу превращается в свою изомерную форму - флаванон. Последний уже полностью обладает той типичной трехкольцевой структурой, которая характерна для большинства флавоноидов.

Следует отметить, что образование флаванона является обязательной промежуточной стадией на пути биосинтеза всех флавоноидов. В дальнейшем могут происходить окислительные или восстановительные превращения, ведущие к изменению степени окисленности центрального гетероциклического кольца молекулы. В результате из флаванона образуются все остальные классы флавоноидов: флавоны, флавонолы, антоцианидины, катехины - флаван-3-олы, флаван-3,4-диолы, изофлавоноиды и др.

^ Синтез нафтохинонов и антрахинонов

Шикимовая кислота почти всегда служит предшественником при биосинтезе производных нафтохинона. Вторым компонентом в этом биосинтезе является α-кетоглутаровая кислота, а важным промежуточным продуктом ее конденсации с шикимовой кислотой - о-сукцинилбензойная кислота. Далее следует циклизация с образованием уже типичных нафтохиноновых структур, где ароматическое кольцо построено на базе шикимовой кислоты, хиноидная же часть молекулы - из некарбоксильных С-атомов α-кетоглутаровой кислоты. У представителей семейства Rubiaceae сходным путем образуются и антрахиноновые производные. Дополнительное шестичленное углеродное кольцо их молекулы синтезируется путем конденсации нафтохинонового производного с диметилаллильной формой «активированного изопрена» - изопентенилдифосфата. Продукт конденсации, подвергаясь окислительной циклизации, превращается в антрахинон (рис.5).




^ Рис.5. Образование нафтохинонов и антрахинонов из шикимовой кислоты.

У других же высших растений антрахиноновые производные образуются из ацетатных-малонатных остатков по типу поликетидного синтеза (рис.6). Антрахиноны являются, по-видимому, единственной группой растительных полифенолов, углеродный скелет которых может целиком синтезироваться по ацетатно-малонатному пути. В этом процессе в качестве молекулы-«затравки» участвует молекула ацетил-КоА, к которой последовательно присоединяются семь молекул малонил-КоА с отщеплением от последних в ходе конденсации свободной карбоксильной группы и с образованием поликетидной цепи типа поликетокислоты.




^ Рис.6. Поликетидный путь образования антрахинонов.

Эта кислота неустойчива и приобретает стабильную форму лишь после замыкания колец с образованием из нее промежуточного соединения - антрона. Отличительной особенностью структуры антрона является наличие во 2-м положении его молекулы карбоксильной, а в 3-м - метильной групп. В ходе дальнейших реакций на пути биосинтеза антрахинонов и других антраценовых производных карбоксильная группа обычно отщепляется, а метильная либо сохраняется, либо окисляется в спиртовую или карбоксильную.




^ Синтез лигнанов и лигнинов
Лигнины и лигнаны имеют общих фенилпропаноидных предшественников - это синаповый, конифериловый и п-кумаровый оксикоричные спирты. Однако биосинтез лигнанов связан с избирательным стереоспецифическим образованием димеров в отличие от формирования оптически неактивных лигнинов (Lewis, Davin, 1999).

Лакказы катализируют одно-электронное окисление 2-х молекул кониферилового спирта, после чего белок диригент (от лат. dirigere - направлять) ориентирует свободно-радикальные формы в определенном положении, которое приводит к формированию 8-8`-связанного продукта (рис.7). Простейший представитель лигнанов пинорезинол может превращаться в ларицирезинол и другие лигнаны. Интересно, что фермент этой реакции гомологичен фитоалексин-индуцируемой изофлавоноидредуктазе, что указывает на эволюционно общее звено в системе защиты растений для лигнанов и изофлавоноидов (Croteau et al., 2000.).




Рис.7. Предполагаемая схема синтеза лигнанов (по Croteau et al., 2000).

Механизм синтеза лигнина также не раскрыт полностью, его условно можно разделить на два этапа. Оксикоричные спирты подвергаются окислению в соответствующие феноксильные радикалы (п-гидроксифенильный, гваяцильный и сирингильный), а последние уже вовлекаются в процесс полимеризации.

Первый этап – окисление оксикоричных спиртов с участием пероксидаз или лакказ с образованием свободных радикалов. Различные формы изопероксидаз могут иметь различное сродство к различным предшественникам полимера. Так, ионно-связанная пероксидаза имеет большее сродство к синаповому спирту, тогда как растворимая и ковалентно-связанная более активны с конифериловым спиртом. Таким образом, активность различных типов пероксидаз может контролировать соотношение разных фенилпропаноидных единиц в лигнине (Dewick, 1995).

На втором этапе феноксильные радикалы вовлекаются в процесс полимеризации по свободно-радикальному механизму. Каждый монолигнол может образовывать несколько связей, в результате образуется сложная трехмерная структура, в которой нельзя выявить повторяющееся звено (Горшкова, 2007). Формирование лигнина происходит путем присоединения монолигнолов к растущему полимеру. Тем не менее, отложение лигнина является высокоорганизованным, а не случайным процессом. Исследования с помощью раман-микроспектрофотометрии показали, что ароматические кольца ориентированы параллельно поверхности вторичных клеточных стенок (Atallа, Agarwal, 1985). Биосинтез лигнина инициируется в определенных местах: в углах клеток и в срединной пластинке. Гетерогенность лигнина зависит от природы каждой индивидуальной клетки (Boudet et al., 1995). УФ-микроскопия и радиоактивное мечение показало различное отложение определенных монолигнолов в различных тканях, растениях. Например, в хвойных, п-кумаровый спирт изначально откладывается в углах клеток и в срединной пластинке, а конифериловый - преимущественно только во вторичной клеточной стенке. При этом ОКК, связанные с полисахаридами клеточной стенки, могут служить затравками в синтезе лигнина (Ralph et al., 1995). Это контролируемое отложение монолигнолов создает домены с определенной структурной конфигурацией.

Лигнификация - процесс, находящийся под строгим биохимическим контролем программируемого процесса в клетке. Соотношение трех главных единиц, а также типов внутримолекулярных связей может существенно изменяется в онтогенезе клетки и может зависеть от условий роста, стадий развития клетки, действия стресса и прочих факторов (Wallace, Fry, 1993).


Образовавшиеся фенолы всех основных классов и подклассов могут в дальнейшем подвергаться дополнительному окислению с увеличением числа фенольных ОН-групп в их молекуле. Через эти группы легко могут происходить реакции метилирования, гликозилирования и ацилирования, ведущие к включению разных заместителей в молекулу. Большинство фенолов встречается в растениях в форме водорастворимых гликозидов. Возможны и некоторые другие формы вторичной модификации основной структуры фенолов. В результате конечная структура индивидуальных соединений в пределах каждого класса фенолов может в широких пределах варьировать как по набору заместителей, так и по другим особенностям. Какими именно окажутся вторичные признаки строения у индивидуальных представителей полифенолов в каждом отдельном случае, определяет активирование комплекса ферментов (метил-, гликозил- и ацилтрансфераз и др.) в определенные фазы развития конкретных видов растений.

Представляет интерес вопрос о пространственном местонахождении в клетке ферментов и интермедиатов фенольного метаболизма. В клетках растений, помимо цитозоля, имеется несколько компартментов образования фенольных соединений. Прежде всего, это хлоропласты (или этиопласты) и ЭПР (Запрометов, 1996). Функционирование в хлоропластах С3-цикла (источник ФЕП) и пентозофосфатного пути (источник ацетилСоА) наряду с наличием в хлоропластах АТФ и НАДФH2 может объяснить, почему хлоропласты являются основным местом синтеза фенольных соединений в клетках мезофилла. Помимо хлоропластов и ЭПР (место образования ОКК, некоторых флавоноидов) фенольные соединения в клетке образуются в митохондриях и микротельцах (образование п-оксибензойной кислоты, предшественника убихинонов).
^ ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Фенольные соединения - химически активные вещества, у которых мобильные электроны бензольного кольца и неспаренные электроны кислорода фенольной группировки взаимодействуют.







Это смещает электроны кислорода, в результате чего электронная плотность кислорода снижается и появляется частично положительный заряд. Следовательно, разорвать связь между кислородом и водородом легче, чем между углеродом и кислородом, что объясняет кислую природу фенольных соединений, причем она повышается с увеличением гидроксильных группировок. Например, пикриновая кислота (2,4,6-тринитрофенол) является очень сильной кислотой, так как нитрогруппировки увеличивают поляризацию фенольной группы, а, соответственно, и кислотные свойства. Тот же самый эффект наблюдается в случае флавоноидов, имеющих γ-пироновое кольцо, где карбонильная группа (=С=О) оттягивает электроны с бензольного кольца на себя и тем самым увеличивает поляризацию фенольной группировки.

Фенольные соединения характеризуются способность к образованию внутримолекулярных водородных связей, например, между гидроксильными группировками в орто-дифенолах, а также между гидроксильной группой и кислородом пиранового кольца во многих флавоноидах. Межмолекулярные водородные связи часто образуются между гидроксильной группировкой фенольной молекулы и пептидной связью белка или гидроксильной группировкой углеводов клеточной стенки.





Фенольные соединения образуют простые и сложные эфирные связи, что является одной из причин разнообразия данных вторичных метаболитов. Простые эфирные связи (метоксильные, гликозидные) более распространены, чем сложные. Сложноэфирные связи характерны для кумаринов, эллаговой кислоты, депсидов и др.

Другим важным свойством фенольных соединений является способность образовывать хелаты с металлами. Одной из причин разнообразия антоциановых пигментов является их комплексообразование с различными ионами металлов – М (Al3+, Fe3+, K+, Mg2+,Ca2+), а также другими группами флавоноидов.




Важным и распространенным свойством фенольных соединений является их способность к окислению, что обусловливает большое природное разнообразие фенольных соединений, в том числе полимерных. Наиболее лабильные фенольные соединения окисляются в аэробных условиях при действии солнечного освещения. Следует заметить, что при этом большое значение имеет картина гидроксилирования бензольного ядра: мета-замещенные дифенолы окисляются значительно труднее, чем пара- и особенно орто-дифенолы. Окисление протекает через промежуточное образование феноксильных свободных радикалов, возникающих при отрыве атома водорода. Гидроксилирование является еще одним из способов окисления, участвующих в биосинтезе и превращениях фенольных соединений. В растениях обнаружены специфические ферменты, такие как фенолазы, которые окисляют монофенолы до дифенолов и хинонов.
^ КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИРОДНОЕ РАЗНООБРАЗИЕ ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Простые фенолы
По числу гидроксильных групп различают одноатомные, двухатомные и трехатомные простые фенолы (рис.8). Чаще всего они находятся в связанном виде в форме гликозидов или сложных эфиров или являются структурными элементами более сложных соединений, в том числе полимерных (дубильные вещества).




^ Рис.8. Представители класса простых фенолов.

Гидрохинон (рис.8) - один из немногих простых фенолов, который может присутствовать в растениях в несвязанном виде. Гидрохинон легко окисляется до бензохинона, очень активного и токсического вещества, образуемого только как защитное вещество против микроорганизмов и/или насекомых. Наглядный пример токсического эффекта простых бензохинонов можно привести в случае примина (6-метокси-2-n-пентилбензохинона), хинона образуемого при обламывании волосков на листьях примулы обратноконической (Primula obconica Hance) и ответственного за аллергический эффект, проявляемый в виде дерматитов у некоторых людей. Большинство простых бензохинонов встречаются в грибах, главным образом в базидиомицетах и гифомицетах, где они обеспечивают окраску созревающих телец. Так, саркодоновая кислота ответственна за интенсивно желтую окраску возбудителя корневой гнили яблонь Sarcodontia setosa.

Простые фенолы могут обладать лечебными свойствами. Например, фенологликозиды родиолы розовой (^ Rhodiola rosea L.) снимают умственную и физическую усталость, β-глюкозид гидрохинона арбутин из толокнянки обыкновенной (Arctostaphylos uva-ursi L.) используется для лечения воспалительных процессов мочевого пузыря, ацилфлороглюцинолы из корневища щитовника мужского (Dryopteris filix-mas (L.) Scott.) обладают противоглистными свойствами.

В растениях также встречаются более сложные бензохиноны с изопреноидной цепочкой (рис.9), их относят к классу терпеноидных бензохинонов, которые образуются путем присоединения полиизопреновой цепочки к р-бензойной кислоте (Dewick, 2002). Они служат переносчиками электронов по ЭТЦ хлоропластов (пластохинон) или митохондрий (убихинон).



^ Рис.9. Сложные бензохиноны с изопреноидной цепочкой.


Фенольные кислоты (фенолокислоты) – производные бензойной кислоты (С6-С1), содержащие одну или несколько гидроксильных групп, широко распространены в растениях. Сама бензойная кислота – хороший антисептик, поэтому содержащие его ягоды (брусника, клюква, калина) при хранении долго не портятся, а также оказывают выраженное противомикробное действие. Бензойная кислота (Е210), бензоат натрия (Е211) или калия (Е212) широко используется в пищевой промышленности как относительно безопасные консерванты. Однако из-за взаимодействия этих консервантов с аскорбиновой (Е300) или лимонной (Е330) кислотами, которые часто используются как регуляторы кислотности, может образоваться «чистый» бензол, канцерогенный эффект которого хорошо установлен. В последнее время обсуждается проблема многократного превышения предельной концентрации бензола, допускаемой Всемирной организацией здравоохранения, в газированных напитках.

В зависимости от положения гидроксильной группы относительно карбоксильной различают пара- и орто-оксибензойные кислоты (рис.10), из последних наиболее известной является салициловая кислота (СК), получившая название от лат. Salix – ива. Кора ив издавна используется в народной медицине для лечения воспаленных суставов, и была источником выделения салицина (глюкозида салицилового спирта) в 1838 г. Позднее была синтезирована ацетилсалициловая кислота и ее водорастворимая лекарственная форма, названная компанией Bayer аспирином (1898г.), отрицающим природное происхождение из соцветий спиреи (Spiraea sp.). Аспирин обладает широким спектром лечебного действия - противовоспалительного, болеутоляющего, особенно эффективного при ревматоидном артрите, противомикробного, а также в предотвращении тромбообразования, уменьшении вязкости крови, рассасывании мозолей и др. Аспирин был назван лекарством XX в.: объемы его производства в мире превышают 0.1 млн т/год, только в США закупается более 16000т на сумму 2 биллионов долларов (Raskin, 1992; Бахтенко, Курапов, 2008). Множественное действие салицилатов на организм человека до конца не изучено. Предполагается, что одним из механизмов действия является блокирование индуцируемого воспалением синтеза простагландинов из арахидоновой кислоты. Кроме того, салицилаты могут разрушать клеточные взаимодействия, предотвращая активацию нейтрофиллов и других клеток, вовлеченных в первую стадию воспаления.

В растениях СК играет важную защитную роль, участвуя в реакции сверхчувствительности и индуцируя синтез многих PR-белков (от англ. pathogenesis related –связанных с патогенезом), таких как глюканазы, хитиназы и др. (Croteau et al., 2000). Кроме того, СК может ингибировать синтез этилена, индуцировать цветение (у рясковых и ароидных), образование адвентивных корней, вегетативных почек, регулировать устьичные движения. Большинство исследователей относят СК к новому классу фитогормонов, однако его внутриклеточные концентрации при патогенезе могут достигать 1 мМ (Raskin, 1992; Запрометов, 1996), что на два-три порядка выше верхней границы диапазона концентраций классических гормонов.

Наиболее полно механизм действия СК расшифрован при развитии уникального для растительного царства явления термогенеза, впервые описанного еще в 1778 г. Ж.Б.Ламарком для растений семейства Ароидные (Araceae). Оно заключается в том, что во время цветения придатки початка (осмофор) нагреваются на 15-20°С выше температуры окружающей среды, в результате чего низкомолекулярные соединения начинают расщепляться до летучих аминов и индолов, запах которых привлекает опыляющих насекомых и делает процесс опыления максимально независимым от неблагоприятных условий среды, в первую очередь пониженных температур. Роль СК как сигнального вещества состоит в индукции биогенеза новой популяции митохондрий с такими структурно-функциональными особенностями, которые обеспечивают значительное усиление интенсивности дыхания. Скорость дыхания становится сопоставимой с таковой теплокровных животных (минимум на порядок выше, чем у растений) и полностью теряет чувствительность к дыхательному яду – цианистому калию. Отсюда перенос электронов по альтернативному, цианидрезистентному пути дыхательной цепи происходит не с запасанием энергии, а с ее диссипацией, то есть рассеиванием в виде тепла (Скулачев, 1989).



^ Рис.10. Представители класса фе