PRIMARNI I

SEKUNDARNI

METABOLITI

Prirodni produkti

Prirodni produkti su organski spojevi koji nastaju u živim sistemima.

Određivanje njihove strukture, hemijskih osobina, sinteze i biosinteze postali su glavni zadaci organske hemije.

Prirodni produkti

Zbog kompleksnosti svojih hemijskih struktura i

biosintetskih puteva, prirodni produkti (sekundarni

metaboliti) dugo su smatrani biološki nevažnim i

istorijski malo su privlačili pažnju većine biljnih

biologa.

Organski hemičari odavno su zainteresovani za ove

nove fitohemikalije i istražuju njihova hemijska

svojstva intenzivno još od 1850-tih godina.

Prirodni produkti

Spojevi koji se nalaze u svim ćelijama i igraju

važnu ulogu u metabolizmu i reprodukciji ćelije nazivaju se primarnim metabolitima.

Primarni metaboliti kao što su fitosteroli,

kiselinski lipidi, nukleotidi, aminokiseline i

organske kiseline, nađeni su u svim biljkama

i imaju metaboličku ulogu.

Prirodni produkti

Fundamentalni metabolički procesi, procesi primarnog

metabolizma, odvijaju se istim mehanizmima u svim

ćelijama.

Ovim procesima, nastaju, transformišu se i razgrađuju

osnovni gradivni spojevi koji, obezbeđuju energiju za

rast, razvoj, funkcionisanje i reprodukciju živih

organizama; šećeri, masti i belančevine.

Prirodni produkti

Biljke proizvode ogroman broj raznolikih organskih spojeva, od kojih veliki dio ne učestvuje direktno u rastu i razvoju.

Ove supstance koje se tradicionalno smatraju sekundarnim metabolitima, često su različito distribuirane među ograničenim taksonomskim grupama unutar biljnog carstva.

(nastaju u specijaliziranim ćelijama, u određenoj fazi rasta, ne može svaka biljka stvarati svaki sekundarni metabolit)

Njihove funkcije, od kojih mnoge ostaju nepoznate, danas se sa sve većim intenzitetom istražuju.

Prirodni produkti

Primarni metaboliti su molekule koje su

esencijalne za rast i razvoj organizma.

Sekundarni metaboliti su molekule koje nisu

esencijalne za rast i razvoj organizma.

Istraživanja prirodnih produkata stimulirana su

razvojem separacionih tehnika,

spektroskopskim pristupima određivanju strukture i

sintetičkim metodologijama

koje danas predstavljaju osnovu savremene

organske hemije.

Interes za prirodne produkte je više potaknut

njihovom velikom upotrebom kao

boje

polimeri

vlakna

ljepila

ulja

voskovi

parfemi

lijekovi

Poznavanje bioloških svojstava bezbrojnih prirodnih

produkata potiče trenutni fokus u ovoj oblasti, kao što je

istraživanje:

novih lijekova

antibiotika

insekticida

herbicida.

Takođe je važno da pojačan interes za veoma raznolike

biološke efekte koje proizvode prirodni produkti, pokreće

reevaluaciju mogućih uloga koje ovi spojevi igraju u

biljkama, posebno u kontekstu ekoloških interakcija.

Mnogi od ovih spojeva danas imaju važnu

adaptivnu ulogu

u zaštiti od herbivora i mikrobne infekcije,

kao atraktanti za polinatore i životinje koje

raznose sjemenke,

kao alelopatski agensi (alelohemikalije utiču

na kompeticiju između biljnih specija).

Mnoge biljke luče hemijske spojeve koje inhibitorno ili

stimulativno djeluju na druge biljke ili druge organizme.

Ova pojava se često označava kao alelopatija

Npr. Orah (Juglans regia)

luči juglon spoj toksičan za zeljaste biljke

(oko stabla oraha se veoma slabo razvijaju

druge biljke i zemljište je gotovo potpuno golo).

Međusobni odnosi između biljnih vrsta uspostavljaju se putem specifičnih hemijskih supstanci koje biljke sintetiziraju i izlučuju u okolinu.

Alelopatske tvari mogu biti u obliku, plinova i komponenti izlučenih iz korijena ili nadzemnih dijelova, a osim na biljke i mikroorganizme, djeluju i na životinje i čovjeka.

Djelovanje alelokemikalija može se podijeliti na direktno i indirektno

Direktno djelovanje podrazumijeva učinak alelokemikalije izlučene iz jedne biljke na

razne aspekte rasta, razvoja i metabolizma druge biljke, direktan utjecaj alelokemikalija na biljke mnogo je bolje proučen od neizravnog.

Nedirektno uključuje učinke na drugim biljkama kroz promjenu svojstava tla, njegove nutritivne vrijednosti te promjene u veličini populacija i aktivnosti organizama u tlu (npr. oblića, kukaca ili mikroorganizama) koji imaju pozitivan ili negativan utjecaj na rast i razvoj tih biljaka.

Biljke mogu otpuštati alelohemikalije na razne načine i to ;

Isparavanje: biljke otpuštaju alelokemikalije u gasovitom obliku te ih druge biljke u tom obliku apsorbiraju.

Ispiranje: biljke često posjeduju alelokemikalije pohranjene u listovima; one se mogu ispirati sa živog lista uslijed djelovanja atmosferilija, kao što su kiša, rosa ili magla, a moguće je i njihovo ispiranje u tlo nakon opadanja lista.

Razgradnja organskog materijala: uginuli dijelovi, npr. listovi, ukoliko sadrže alelokemikalije, svojom razgradnjom otpuštaju iste u tlo; često listovi koji otpadnu s matične biljke imaju tendenciju ispuštanja više alelokemikalija nego živi listovi na biljci.

Izlučivanje iz korijena: ponekad biljke ispuštaju alelopatske spojeve kroz korijen, te kretanjem vode kroz tlo dospijevaju u korijen ciljne biljke (direktan način), ili svojim djelovanjem modificiraju aktivnost i populacije organizama u tlu, koji utiču na druge biljke (indirektannačin).

Kukuruz je zbog svog oblika služio kao prirodni ''kolac'' za prihvaćanje graha, dok je grah, zbog sposobnosti vezanja dušika korijenom, pružao bolju kvalitetu tla za sljedeće nasade kukuruza.

Grah je svojim rastom oko jedinki kukuruza također pružao svojevrsnu fizičku zaštitu.

Bundeva je svojim oblikom rasta pružala sjenu koja je činila nepovoljne uvjete za korovne vrste u nižim slojevima te također činila sloj pri tlu koji je sprječavao evaporaciju i čuvao vlagu tla. Bundeva je služila i kao zaštita ovih triju biljaka od predatora budući da je nekim tvarima koje ispušta odbijala herbivorne organizme.

Na kraju sezone korišteni su biljni ostaci svih triju vrsta kao organski materijal za obogaćivanje tla za sljedeću godinu

“tri sestre” (u tradiciji

sjvernoameričkih indijanaca)

Ove ekološke funkcije bitno utiču na preživljavanje

biljaka, zato je opravdano prihvatiti termin: “biljni

prirodni produkti” da bi se opisali sekundarni biljni

metaboliti koji prvenstveno djeluju na druge specije.

Prirodni produkti imaju primarno ekološke

funkcije.

Hormoni: Hemijski produkti koji se koriste za prenos informacija između tkiva ili organa u tijelu kako bi koordinirali njihove aktivnosti.

Feromoni : Hemijski produkti koje koriste jedinke iste vrste kako bi izazvali specifično ponašanje.

(Hemijska komunikacija)

Alomoni (alelopatski agensi): Hemijski produkti koje izlučuju (otpuštaju) neke jedinke kako bi izazvali negativne efekte na druge organizme.

(Hemijska odbrana)

Npr; Riža, (zbog alelohemikalija koje luči koristi se kao prirodni herbicidi protiv rasta korova.)

Scrining programi za biološki aktivne

komponente, vode do otkrića novih lijekova

(npr. TAXOL, koji se koristi za tretman

različitih kancera.)

Taxus brevifolia (Tisa)

Na osnovu njihovog biosintetskog porijekla,

biljni prirodni produkti mogu se podijeliti u tri

glavne grupe:

Terpenoidi

Alkaloidi

Fenilpropanoidi i srodni fenolski spojevi

Primarni i sekundarni metabolizam

Svi terpenoidi, uključujući i primarne

metabolite i više od 25 000 sekundarnih

spojeva, izvode se iz peteročlanog

prekursora izopentenildifostfata (IPP)

Više od 12 000 alkaloida koji sadrže jedan ili

više atoma nitrogena, biosintetiziraju se, u

principu, iz aminokiselina.

Više od 8000 fenolskih spojeva stvaraju se ili

preko šikiminske kiseline ili

mevalonat/acetatnim bisintetskim putem.

Primarni metabolizam

Primarnim metabolizmom biljne ćelije smatraju se

procesi fotosinteze i kasnije transformacije nastale

glukoze do polisaharida, odnosno njene glukolize i

formiranja aminokiselina (kasnije peptida) i masnih

kiselina (kasnije lipida).

Primarni metabolizam

Primarni metabolizam obuhvata hemijske procese koje svaka biljka mora svakodnevno izvesti da bi preživjela i reproducirala se.

•Fotosinteza

•Glikoliza

•Ciklus limunske kiseline

•Sinteza aminokiselina

•Transaminacija

•Sinteza proteina i enzima

•Sinteza koenzima

•Sinteza strukturnog materijala

•Duplikacija genetskog materijala

•Reprodukcija ćelija (rast)

•Apsorpcija hranjivih sastojaka

Sekundarni metabolizam

Sekundarni metabolizam obuhvata hemijske procese

koji su jedinstveni za datu biljku i nisu univerzalni.

Sekundarni metabolizam je hemija koja vodi

stvaranju prirodnog produkta.

Ponekad su dijelovi ove hemije zajednički za jedan

broj različitih biljaka ili biljnih familija, ali je stvarni

hemijski produkt (prirodni produkt) obično različit od

jedne do druge biljke.

Sekundarni metabolizam

Zajednički hemijski prekursori vode različitim

produktima.

Sekundarni metaboliti (u većini slučajeva) ne

izgleda da su neophodni za preživljavanje

biljke, ali mogu imati kompetitivnu prednost.

Procesi sekundarnog metabolizma se samo djelomično

generalizirati jer se donekle odvijaju istim mehanizmima u

različitim biljkama.

Srodne hemijske strukture samo do jedne određene faze

(intermedijera) nastaju ujednačenim biosintetskim putevima.

Svaka, pojedinačna, biljna vrsta (ili tkivo) unosi specifičnosti u

ovakve metaboličke procese.

Ove specifičnosti se odnose na enzim koji je prisutan u nekom

određenom tkivu, što može doprinjeti promjenama osnovnog

biosintetskog puta ili njegovom račvanju, što rezultira sintezom

različitih metabolita. Prisustvo i aktivnost određenih enzima i

enzimskih sistema je osnovni preduslov za početak nekih

metaboličkih procesa.

U određenoj fazi ontogenetskog razvića ili delovanjem nekog spoljašnjeg faktora, ćelija biva dovedena do fiziološkog stanja optimalnog za aktiviranje gena i sintezu enzima; tada počinje jedan biohemijski proces.

Enzimi koji uslovljavaju pojedine korake određenih metaboličkih procesa, sekundarnog metabolizma, samo su delimično indentificirani; najveći broj biosintetskih puteva, kojima nastaju farmakološki aktivna jedinjenja biljaka, nije enzimološki razrešen.

Biološka funkcija sekundarnih metabolita

Danas je poznato da ovi spojevi: - sastavni su djelovi nekih enzimskih sistema (koenzimi),

- poseduju hormonsku aktivnost,

- imaju zaštitnu ulogu za biljku,

- regulišu odnose biljke u kojoj nastaju s drugim biljkama

(alelopatska ulogu).

Smatra se da su upravo sekundarni metaboliti predstavljali

adaptaciju biljne vrste na različite ekološke faktore i da su

upravo oni omogućili opstanak vrste.

Ovo se definiše kao ekološki (adaptivni) aspekt sekundarnog

metabolizma biljaka.

Primarni i sekundarni metabolizam

Primarni i sekundarni metaboliti ne mogu se lako

razlikovati na osnovu molekula prekursora, hemijske

strukture ili biohemijskog porijekla. Na primjer, i

primarni i sekundarni metaboliti su nađeni među

diterpenima (C20) i triterpenima (C30).

Primarni i sekundarni metabolizam

U seriji diterpena, i kaurenska kiselina i abietinska kiselina

nastaju sličnim nizom srodnih enzimatskih reakcija; prva je

esencijalni međuprodukt u sintezi giberelina koji je hormon

rasta nađenih u svim biljkama, dok je ova druga komponenta

smole, uveliko ograničena na članove biljaka porodica

Fabaceae i Pinaceae.

Primarni metabolit Sekundarni metabolit

Kaurenska kiselina Abietinska kiselina

Primarni i sekundarni metabolizam

Slično, esencijalna aminokiselina prolin je

klasificirana kao primarni metabolit, dok se C6

analog, pipekolinska kiselina, je alkaloid i prema

tome prirodni produkt.

Primarni metabolit Sekundarni metabolit

Prolin Pipekolinska kiselina

Primarni i sekundarni metabolizam

Čak lignin, esencijalni strukturni polimer drveta i

drugi, iza celuloze kao najzastupljenije organske

supstance u biljkama, smatra se prirodnim

produktom prije nego primarnim metabolitom.

Granica između primarnog i sekundarnog

metabolizma nije jasna i oštra.

Sljedeće predavanje

IZOLACIJA I IDENTIFIKACIJA PRIRODNIH PRODUKATA

...