Как образуется это разнообразие структур?

Скачать презентацию Как образуется это разнообразие структур? Скачать презентацию Как образуется это разнообразие структур?

14_vtorichnye_metabolity.ppt

  • Размер: 28.9 Мб
  • Автор: Эля Алиева
  • Количество слайдов: 125

Описание презентации Как образуется это разнообразие структур? по слайдам

 Как образуется это разнообразие структур?     Общие принципы.  Предшественниками Как образуется это разнообразие структур? Общие принципы. Предшественниками синтеза служат относительно небольшое количество первичных метаболитов. Синтез четко спланирован и обслуживается набором специальных ферментов, причем некоторые из них весьма специфичны, а некоторые – нет Для многих групп вторичных метаболитов существует несколько путей их синтеза. Часто этапы синтеза дублированы в разных компартментах клетки (например, пластиды – цитозоль).

 Биохимический моделист-конструктор. 1 этап Образуется «скелет»  молекулы - - базовая структура, на Биохимический моделист-конструктор. 1 этап Образуется «скелет» молекулы — — «базовая» структура, на основе которой затем формируются многочисленные варианты. Принципы формирования «скелета» различны для разных групп вторичных метаболитов. Для изопреноидов – формирование гибких цепочек разной длины — 10, 15, 20, 30, 40 атомов углерода (пренилтрансферазы), а затем сворачивание их в разнообразные циклы (циклазы). Для алкалоидов – формирование гетероциклов за счет конденсации аминоальдегидов и / или аминокетонов, получаемых из аминов (аминооксидазы), которые в свою очередь формируются из аминокислот (декарбоксилазы)

 Биохимический моделист-конструктор. 2 этап «Декорирование» скелета:  метилирование,  ацилирование,  десатурация, гидроксилирование, Биохимический моделист-конструктор. 2 этап «Декорирование» скелета: метилирование, ацилирование, десатурация, гидроксилирование, гликозилирование. «Декорирование» может кардинально менять биологическую активность молекулы. У арабидопсиса в геноме: Найдено более 300 (!) генов различных изоформ цитохрома Р 450. Трансгенные растения арабидопсиса и табака с двумя чужеродными генами «цианогенных» цитохромов синтезировали цианогенные гликозиды. Найдены гены более 100 диоксигеназ. Диоксигеназы участвуют в биосинтезе алкалоидов, флавонидов, гиббереллинов, этилена. Для них характерна широкая субстратная специфичность — возможность использовать разные субстраты и образовывать несколько продуктов.

 Биохимический моделист-конструктор. 2 этап  Ацилтрансферазы. У арабидопсиса – более 50 генов. Биохимический моделист-конструктор. 2 этап Ацилтрансферазы. У арабидопсиса – более 50 генов. Ацилтрансферазы вторичного метаболизма у разных видов структурно близки и имеют консервативный гистидин-содержащий мотив. Структурно они также похожи на ацилтрансферазы первичного метаболизма. Гены ацилрансфераз в арабидопсисе собраны в кластеры на 5 хромосоме, тогда как гены диоксигеназ разбросаны по геному Метилтрансферазы. OO -, -, CC -, -, NN -и S- метилтрансферазы, метилируют флавониды, изопреноиды, алкалоиды, полиамины, поликетиды. CC -, -, NN -и S- метилтрансферазы эволюционно не связаны, О-метилтрансферазы представляют одну группу и имеют консервативный SS АМАМ — связывающий мотив. Гликозилтрансферазы. OO -, -, CC -, S- гликозилтрансферазы.

 Образование алкалоидов. Общий взгляд Образование алкалоидов. Общий взгляд

 Образование пирролидиновых, пиперидиновых и пуриновых алкалоидов Образование пирролидиновых, пиперидиновых и пуриновых алкалоидов

 Образование тропановых алкалоидов Образование тропановых алкалоидов

 Образование пирролизидиновых алкалоидов.  Образование пирролизидиновых алкалоидов.

 Образование акридоновых алкалоидов Образование акридоновых алкалоидов

 Образование пуриновых алкалоидов.  Образование пуриновых алкалоидов.

 Образование изохинолиновых алкалоидов. Формирование исходной структуры. Образование изохинолиновых алкалоидов. Формирование исходной структуры.

 Образование изохинолиновых алкалоидов. Формирование  «скелетов» Образование изохинолиновых алкалоидов. Формирование «скелетов»

 Образование изохинолиновых алкалоидов.  Протоберберины.  Образование изохинолиновых алкалоидов. Протоберберины.

 Синтез изохинолиновых алкалоидов. Морфинаны Синтез изохинолиновых алкалоидов. Морфинаны

 Образование сложных индольных алкалоидов. Исходная структура Образование сложных индольных алкалоидов. Исходная структура

 Образование индольных алкалоидов. Формирование  «скелетов» . Образование индольных алкалоидов. Формирование «скелетов» .

 Ферменты синтеза алкалоидов.  H 6 H , hyoscyamine 66 ββ -hydroxylase; Ферменты синтеза алкалоидов. H 6 H , hyoscyamine 66 ββ -hydroxylase; ODCODC , ornithine decarboxylase; PMT, putrescine-N-meth yltransferase; TR-1 , tropinone reductase 1 BBEBBE , berberine bridge enzyme; CYP 80 B 1, ( S)-Nmethylcoclau rine 3′-hydroxylase; TYDC , tyrosine decarboxylase.

 Ферменты синтеза алкалоидов.  AS,  anthranilate synthase;  CPRCPR , cytochrome P Ферменты синтеза алкалоидов. AS, anthranilate synthase; CPRCPR , cytochrome P 450 reductase; D 4 H, desacetoxyvindoline 4 -hydroxylase; DATDAT , , acetyl-Co. A: 4 -O-deac etylvindoline 4 -O-acetyltransferas e; e; DXSDXS , , D-1 -deoxyxylulose 5 -phosphate synthase; G 10 H, geraniol 10 -hydroxylase; SGDSGD , strictosidine ββ -D-glucosidase; SLSSLS , secologanin synthase; STRSTR , strictosidine synthase; TDCTDC , tryptophan decarboxylase; T 16 H , tabersonine 16 -hydroxylase.

  Два пути синтеза ИДФ в растениях:  «классический» в в цитозоле и Два пути синтеза ИДФ в растениях: «классический» в в цитозоле и «альтернативный» в пластидах.

  Два пути синтеза изопентенилдифосфата в растениях:  «классический» ( MVA)  в Два пути синтеза изопентенилдифосфата в растениях: «классический» ( MVA) в цитозоле и «альтернативный» (MEP) в пластидах. Isoprene Monoterpenes. GPP(C 10) Diterpenes. Tocopherols Plastoquinones. ABA GGPP(C 20) DMAPPIPP GA 3 P+Pyruvate 1 Deoxy. Dxylulose 5 P Plastid DXS 2 CMethyl. Derythritol 4 P DXR IDI Carotenoids. Chlorophylls Phylloquinones Cytoplasm 2 Acetyl. Co. A HMGR Mevalonicacid(MVA) FPP(C 15) Sesquiterpenes Phytosterols Brassinosteroids Polyprenols DMAPPIPP Acetoacetyl. Co. A HMGS Dolichols IDI? GPPS MEPPathway MVAPathway

 Синтез изопреноидов. Формирование исходных структур ( «цепочек» ) Синтез изопреноидов. Формирование исходных структур ( «цепочек» )

 Образование изопреноидов: формирование  «скелетов» Образование изопреноидов: формирование «скелетов»

 В образовании вторичных метаболитов участвуют сотни ферментов Синтез изопреноидов: 20 – 30 пренил-трансфераз В образовании вторичных метаболитов участвуют сотни ферментов Синтез изопреноидов: 20 – 30 пренил-трансфераз 100 – 200 циклаз 200 – 300 «декорирующих» ферментов (оксигеназ, гидроксилаз, метил-, гликозил-, ацил-трансфераз)

 Синтез фенольных соединений. Схема синтеза ароматических аминокислот Синтез фенольных соединений. Схема синтеза ароматических аминокислот

 Синтез фенольных соединений. Шикиматный путь. Синтез фенольных соединений. Шикиматный путь.

 «Работа» глифосата связана с нарушением транспорта в хлоропласты ERSP -синтазы  «Работа» глифосата связана с нарушением транспорта в хлоропласты ERSP -синтазы

 Синтез фенольных соединений. Формирование фенилаланина и тирозина Синтез фенольных соединений. Формирование фенилаланина и тирозина

 Синтез фенольных соединений. Изозимы хоризмат-мутазы Синтез фенольных соединений. Изозимы хоризмат-мутазы

 Синтез фенилпропаноидов Синтез фенилпропаноидов

 Синтез фенилпропаноидов.  Синтез фенилпропаноидов.

 Начальные ферменты синтеза фенилпропаноидов Фенилаланин–аммиак-лиаза (ФАЛ,  PAL).  Первое сообщение – 1961 Начальные ферменты синтеза фенилпропаноидов Фенилаланин–аммиак-лиаза (ФАЛ, PAL). Первое сообщение – 1961 год (юбилей!), из ячменя, МВ ~ 330 k. Da , гомотетрамер, Опт. р. Н ~ 8, 8, без кофакторов. Структурно сходна с гистидин-аммиак-лиазой из Pseudomonas putid a. Ряд изоформ. Как минимум две – ФАЛ 1 ингибируется кофейной и феруловой кислотами, ФАЛ 2 – бензойными кислотами. Кодируется мультигенным семейством. У Arabidopsis thaliana – 4 гена. Считается растворимым ферментом, однако известны цитоплазматическая и мембрано-связанные изоформы. Предполагается ее ассоциация с гидроксилазой коричной кислоты (С 4 Н), ассоциированной с ER. Активируется многими факторами (патогены, УФ). Для травянистых растений – распространена тирозин-аммиак лиаза (ТАЛ, TAL). Гидроксилаза коричной кислоты (С 4 Н, САН). Цитохром-Р 450 монооксигеназа. CYP 73 A 1. Известно более 80 цитохром-Р 450 семейства CYP 73 А 1, но не все имеют активность С 4 Н Мультигенное семейство, Два класса, существенно различающиеся по а-к последовательности, I – для однодольных, II – для двудольных. Гены клонированы, пробовали их экспрессировать в дрожжах… Кумарат-Со. А-лигаза (4 CL). Два класса, I и II. У арабидопсиса – 11 генов, но не все белки проявляют активность. Клонированы, экспрессированы в дрожжах…

 Синтез фенольных соединений. Формирование лигнанов Синтез фенольных соединений. Формирование лигнанов

  Синтез фенольных соединений: пигменты cinnamate-4 - hydroxylase (C 4 H),  chalcone Синтез фенольных соединений: пигменты cinnamate-4 — hydroxylase (C 4 H), chalcone isomerase (CHI), chalcone reductase (CHR), chalcone synthase (CHS), 4 -coumaroyl: Co. A- ligase (4 CL), dihydroflavonol 4 -reductase (DFR), 7, 29 -dihydroxy, 49 — methoxyisoflavanol dehydratase (DMID), flavanone 3 — hydroxylase (F 3 H), flavone synthase (FSI and FSII), flavonoid 39 hydroxylase (F 39 H)

 Формирование флавоноидов Формирование флавоноидов

 Синтез фенольных соединений. Формирование флавоноидов Синтез фенольных соединений. Формирование флавоноидов

 Синтез фенольных соединений. Формирование флавоноидов Синтез фенольных соединений. Формирование флавоноидов

 Синтез фенольных соединений. Формирование изофлавоноидов Синтез фенольных соединений. Формирование изофлавоноидов

 Образование беталаинов Образование беталаинов

  Синтез цианогенных гликозидов Синтез цианогенных гликозидов

 Образование цианогенных гликозидов Образование цианогенных гликозидов

 Образование цианогенных гликозидов Образование цианогенных гликозидов

 Образование глюкозинолатов Образование глюкозинолатов

 «Перекрест» образования глюкозинолатов и цианогенных гликозидов «Перекрест» образования глюкозинолатов и цианогенных гликозидов

  Пример метаболической инженерии – вместо глюкозинолатов – амины…  Пример метаболической инженерии – вместо глюкозинолатов – амины…

 Как появились ферменты вторичного метаболизма? Модель мембранной локализации 3 -гидрокси-3 метилглутарил-Ко. А-редуктазы ( Как появились ферменты вторичного метаболизма? Модель мембранной локализации 3 -гидрокси-3 метилглутарил-Ко. А-редуктазы ( HMGR). Белок содержит вариабельный гидрофобный N -концевой участок (синий), консервативные трансмембранные домены (оранжевые), вариабельные линкерные участки (зеленый и фиолетовый) и консервативный обращенный в цитозоль С-концевой каталитический домен (желтый). Изоформы HMGR, которые определяют синтез вторичных метаболитов после действия элиситоров (сесквитерпеноидных фитоалексинов) отличаются по N -концевому домену и гликозилированы в люмене ЭР.

  Основные метаболические пути образования вторичных метаболитов. Часть I. I. Основные метаболические пути образования вторичных метаболитов. Часть I. I.

  Основные метаболические пути образования вторичных метаболитов. Часть II. Основные метаболические пути образования вторичных метаболитов. Часть II.

  Вторичные метаболизм – дорогое удовольствие… Вторичные метаболизм – дорогое удовольствие…

 Синтез и накопление вторичных метаболитов как правило, пространственно разделены Внутриклеточное разделение: Синтез: Синтез и накопление вторичных метаболитов как правило, пространственно разделены Внутриклеточное разделение: Синтез: цитозоль, ЭР, пластиды. Накопление: вакуоль, периплазматическое пространство Флуоресценция стероидных гликозидов в клетке Dioscorea deltoidea in vitro

  Внутриклеточная локализация синтеза и хранения вторичных метаболитов Внутриклеточная локализация синтеза и хранения вторичных метаболитов

  Места хранения вторичных метаболитов Места хранения вторичных метаболитов

 Вторичный метаболизм тонко скоординирован в пространстве и во времени и на уровне интактного Вторичный метаболизм тонко скоординирован в пространстве и во времени и на уровне интактного растения. Синтез стероидных гликозидов происходит в листьях в водорастворимой (фуростаноловой) форме. Транспорт осуществляется по флоэме. Накопление происходит в эпидермальных тканях листьев и стеблей в фуростаноловой форме, в корневищах – в паренхиме в водонерастворимой спиростаноловой форме Фуростаноловый и спиростаноловые гликозиды отличаются наличием лишь одного остатка глюкозы, но кардинально — по биологической активности. .

  Аналогично – для хинолизидиновых алкалоидов Аналогично – для хинолизидиновых алкалоидов

 Локализация синтеза тропановых алкалоидов. PMT  (путресцин- N -метил трансфераза) – экспрессия в Локализация синтеза тропановых алкалоидов. PMT (путресцин- N -метил трансфераза) – экспрессия в перицикле корня красавки ( A. belladonna ) TR-1 (тропинон редуказа) – локализация в эндодерме и наружном кортексе корня белены (иммунологический анализ) H 6 H (гиосциамин -6 β -гидроксилаза) – в перицикле корня белены (иммунологический анализ) Синтез алкалоидов наблюдается только в кончиках молодых корней (1 – 3 см)

 Локализация синтеза индольных алкалоидов Catharaynthus roseus TDC  (триптофан декарбоксилаза) STR-1 ( стриктозидин Локализация синтеза индольных алкалоидов Catharaynthus roseus TDC (триптофан декарбоксилаза) STR-1 ( стриктозидин синтаза локализованы в клетках верхнего и нижнего эпидермиса листа. D 4 H (дезацетоксивиндолин –гидроксилаза DAT (деацетилвиндолин 4 -О-ацетилтрансфераза) – экспрессируются в идиобластах и млечниках листа. TDC и STR-1 также экспрессируются в в протодерме корня и кортикальных клетках корня вокруг апикальной меристемы. Синтез идет только в молодых листьях и корнях.

 Локализация синтеза монотерпеновых индольных алкалоидов Локализация синтеза монотерпеновых индольных алкалоидов

 Локализация синтеза индольных алкалоидов барвинка Локализация синтеза индольных алкалоидов барвинка

  Метаболизм растительной клетки - причудливое сочетание работы прокариотческих и эукариотических систем Синтез Метаболизм растительной клетки — причудливое сочетание работы прокариотческих и эукариотических систем Синтез жирных кислот: согласованная работа многих органелл; две ацетил-Ко. А-карбоксилазы: • прокариотческого типа в пластидах, • эукариотического – в цитозоле. Синтез флавоноидов : параллельная работа шикиматного пути в пластидах и цитозоле. Синтез изопреноидов ? ?

  Два пути синтеза изопреноидов в растениях:  «классический» (от архебактерий) в цитозоле Два пути синтеза изопреноидов в растениях: «классический» (от архебактерий) в цитозоле и «альтернативный» (от эубактерий) в пластидах. Моно- сескви- и тритерпеноиды синтезируются по «классическому» пути в цитозоле клетки Моно- ди- и тетратерпеноиды — по «альтернативному» в пластидах Всегда ли?

  Пластиды и вакуоли – важнейшие игроки в метаболическом «пасьянсе» ПП ластиды - Пластиды и вакуоли – важнейшие игроки в метаболическом «пасьянсе» ПП ластиды — «фабрика опасных и энергоемких производств» клетки: Фотосинтез, Восстановление нитритов и сульфатов, Синтез всех жирных кислот, Синтез аминокислот, пуринов, пиримидинов, Синтез вторичных метаболитов. . Вакуоли : : Место хранения многих метаболитов, в том числе вторичных (запасающие вакуоли), Место разрушения метаболитов (литические вакуоли)

  Тканевая локализация вторичных метаболитов   А. Сканирующая электронная микрофотография поверхности листа Тканевая локализация вторичных метаболитов А. Сканирующая электронная микрофотография поверхности листа тимьяна. Круглые структуры — пельтатные железистые волоски (трихомы), в которых синтезируются моно- и сесквитерпены. B Световая микрофотография железистого волоска мяты, показанного в продольном сечении. C – субкутикулярное пространство; S, секреторные клетки; St — ножка; B, базальная клетка; E, эпидермальная клетка. C. Световая микрофотография секреторной полости в листе лимона, показанной в поперечном сечении. L, люмен; Sh , клетки футляра; P, клетки паренхимы. D. Световая микрофотография смоляного хода в древесине сосны Джеффра, показанной в поперечном сечении X, вторичная ксилема.

  Трихомы и железы листа стевии   Трихомы и железы листа стевии

  Ультраструктура клеток железки листа стевии   Ультраструктура клеток железки листа стевии

  Летучие вторичные метаболиты львиного зева и петунии myrcene dimethoxytoluene OH nerolidol 8 Летучие вторичные метаболиты львиного зева и петунии myrcene dimethoxytoluene OH nerolidol 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Время выхода (min)И нтенсивность(E) ocimene linalool OH O OCH 3 И нтенсивность 5 10 Время выхода (min) O O benzylbenzoate O H O C H 3 isoeugenol. O H benzaldehyde ISC H 2 O H phenylacetaldehydemethylbenzoate O C H 3 O Фенилпропаноиды и бензоиды Изопреноиды* * * * *

  Возможные пути биосинтеза летучих бензоидов и фенилпропаноидов в цветках петунии. . 3 Возможные пути биосинтеза летучих бензоидов и фенилпропаноидов в цветках петунии. . 3 h y d r o x y 3 p h e n y l p r o p i o n i c a c i d. C O O H N H 2 L p h e n y l a n i n e t r a n s c i n n a m i c a c i d. C O O H P A L t r a n s c i n n a m o y l C o A O H C OS C o A 3 h y d r o x y 3 p h e n y l p r o p i o n y l C o A N A D HN A D O C OS C o A 3 o x o 3 p h e n y l p r o p i o n y l C o A b e n z o y l C o A O H C O H 2 O b e n z a l d e h y d e b e n z o i c a c i d. C H 3 C O O r e t r o a l d o l c l e a v a g e N A D HC o A S H H 2 O C H 3 C O S C o A S H O HO HO s a l i c y l i c a c i d m e t h y l b e n z o a t e. C o A d e p e n d e n t , o x i d a t i v e B A 2 H O g l u c o s e O S A G T a s eh y d r a t i o n. C OS C o A O g l u c o s e O O He n o y l C o A h y d r a t a s e d e h y d r o g e n a s e t h i o l a s e C o A S H C H 3 C O S C o A G T a s er e t r o a l d o l c l e a v a g e p a r a c o u m a r i c a c i d f l a v o n o i d s l i g n i n. C 4 H h y d r o x y l a s ed e h y d r o g e n a s e C OO g l u c o s e c i n n a m o y l — g l u c o s e C OS C o A O H s a l i c y l o y l C o Ah y d r o x y l a s e G T a s e O HO O C H 3 m e t h y l s a l i c y l a t e C o A i n d e p e n d e n t , n o n o x i d a t i v e. C H 2 N H 2 2 p h e n y l e t h y l a m i n e C O 2 p h e n y l a c e t a l d e h y d e. C H 2 O H p h e n y l e t h a n o l. C H 2 O HO H C O C H 2 C O H p h e n y l l a c t i c a c i d C O 2 b e n z y l b e n z o a t e. O O O C H 3 O O HOO H B Z L i s o e u g e n o l. O H O C H 3 e u g e n o ld e h y d r o g e n a s e. Co. Aligase phenylalanine decarboxylase thioesterase O H O C H 3 O H b e n z o y l g l u c o s e s a l i c y l o y l — g l u c o s ep h e n y l e t h y l b e n z o a t e. O O BPBT b e n z y l a l c o h o l p h e n y l p y r u v i c a c i d. O H C O C H 2 C = O C O O H N H 2 * * * 2 H 5 Phe PAL 2 H 52 H 52 H 5 2 H 3 Methylbenzoate 55 75 95 115 155 195 m/zunlabeled 04080120 040 80120 55 75 95 115 155 195 m/zd 5 labeled Relative. Ion. Intensity

  Свет. Пути синтеза бензоидов в цветках петунии ночью и днем Темнота Синтез Свет. Пути синтеза бензоидов в цветках петунии ночью и днем Темнота Синтез бензойной кислоты из бензилбензоата является светозависимым процессом. нет потока толщина линии отражает интенсивность потока очень слабый поток Orlovaetal. (2006)Plant. Cell

  Свет. Ночью и днем в цветках петунии активизируются различные пути биосинтеза бензоидов Свет. Ночью и днем в цветках петунии активизируются различные пути биосинтеза бензоидов Темнота нет потокатолщина линии отражает интенсивность потока очень слабый поток В темноте основной вклад в формирование бензоидов вносит путь синтеза, начинающийся не из фенилаланина… Orlovaetal. (2006)Plant. Cell

  Что сделали в Японии (группа  F. Sato) в качестве исходного субстрата Что сделали в Японии (группа F. Sato) в качестве исходного субстрата использовали дофамин, а в E. coli ввели гены моноамин оксидазы ( MAO ), норкоклуарин синтазы ( NCS ), норкоклаурин 6 — O -метилтрансферазы (6 OMT), коклаурин— N -метилтрансферазы ( CNMT ) и 3’-гидрокси-N-метилкоклаурин-4’-O-метилтра нсферазы (4’OMT). В результате в клетках E. coli был получен синтез коклаурина. Важно, что в экспериментах были использованы гены двух изоформ NCS , но только одна из них показала высокий уровень экспрессии в E. coli.

  А затем – уже в дрожжи ввели ген недавно идентифицированной цитохром-Р 450 А затем – уже в дрожжи ввели ген недавно идентифицированной цитохром-Р 450 -оксидазы ( CYP 80 G 2, коритуберин-синтаза) вместе с генами CNMT и берберин-формирующего энзима ( BBE ) из Coptis japonica. Трансгенные дрожжи выращивали на среде, содержащей коклаурин, экскретируемый трансгенными клетками E. coli. Показали, что клетки дрожжей содержат магнифлорин и скоулерин. Конечная продуктивность – 55 мг/л ( S )-ретикулина, 7, 2 мг/л магнифлорина и 8, 3 мг/л скоулерина.

  И, наконец… Дополнительная экспрессия в дрожжах генов трех ферментов ( NCS , И, наконец… Дополнительная экспрессия в дрожжах генов трех ферментов ( NCS , 6 OMT, CNMT ) из Thalictrum flavum , Papaver somniferum и A. thaliana привела к синтезу (S) -скоулерина, (S) -тетрагидроколумбамина и (S) -тетрагидроберберина из (S) -ретикулина. Любопытно, что экспрессия человеческой цитохром-Р 450 -оксидазы вместе с соответствующей редуктазой привела к формированию из ретикулина салютаридина, показав новую активность введенного фермента…

  Паклитаксел в дрожжах? Пять генов начальных этапов биосинтеза паклитаксела (до образования таксадиен-5 Паклитаксел в дрожжах? Пять генов начальных этапов биосинтеза паклитаксела (до образования таксадиен-5 -ацетокси-10 -ола) были введены в Saccharomyces cerevisiae. Было показано, что ферменты, кодируемые гетерологичными генами, с успехом используют предшественники синтеза изопреноидов дрожжей. Это привело к образованию в клетках дрожжей таксадиена (1 мг/л) и таксадиен-5 -ола (более 25 мкг/л). Однако биосинтез прерывался на стадии гидроксилирования, осуществляющегося цитохром-Р 450 -оксидазой THY 10 b…

  Артемизинин в дрожжах… В Saccharomyces cerevisiae осуществили экспрессию трех генов - аморфадиен Артемизинин в дрожжах… В Saccharomyces cerevisiae осуществили экспрессию трех генов — аморфадиен синтазы, аморфадиен-оксидазы и цитохром Р 450 -редуктазы — биосинтез от фарнезил-дифосфата до артемизиновой кислоты. Получили артемизиновую кислоту более 100 мг/л.

  Пока единственный пример полного синтеза растительного вторичного метаболита в бактерии… В Пока единственный пример полного синтеза растительного вторичного метаболита в бактерии… В E. coli ввели «сборную солянку» генов – Фенилаланин-аммаик лиазу ( PAL ) из Rhodotorula rubra 4 -Кумарил- K о. А-лигазу 4 CL из S. coelicor Халконсинтазу CHS из Glycyrrhiza echinata Халконизомеразу CHI из Pueraria lobata Флавоноидов получили мало, но получили. Однако после оптимизации и всяческих доработок — 700 mg/л флавононов 113 mg/л антоцианинов…

  Зачем нужен вторичный метаболизм растению?  Основные точки зрения:  Совсем не Зачем нужен вторичный метаболизм растению? Основные точки зрения: Совсем не нужен (вторичные метаболиты – «отходы производства» ) Вторичные метаболиты – запасные соединения Вторичные метаболиты – защитные соединения Вторичные метаболиты – «биохимические инструменты» взаимодействия растения с окружающей средой Но как это доказать ?

  Стратегия защиты растения от патогенов. Три круга обороны.  Проще всего доказать Стратегия защиты растения от патогенов. Три круга обороны. Проще всего доказать защитную роль вторичных метаболитов, участвующих в работе третьего круга обороны: фитоалексины

  ПАТОГЕН системин ферменты терпеноидного метаболизма. ФА СК ингибиторы гликаназ, протеиназ пролилгидроксилазакаллозосинтаза летучие ПАТОГЕН системин ферменты терпеноидного метаболизма. ФА СК ингибиторы гликаназ, протеиназ пролилгидроксилазакаллозосинтаза летучие терпеноиды цистеиновые протеиназы нуклеазы апоптоз. РИБ дефензины хитиназа, -1, 3 глюаназа пероксидазывакуольсистемный ответ ферменты фенил-пропаноид ного метаболизма м. РНК К К укрепление КСОПБкал- лоза КС

 Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты

 Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты

 Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты

 Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты

 Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты

 Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты

 Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты

 Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты

 Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты

 Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты

 Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты

  А как доказать функции не индуцибельных вторичных метаболитов? Авенацин А 1 присутствует А как доказать функции не индуцибельных вторичных метаболитов? Авенацин А 1 присутствует только в корнях овса, его нет у пшеницы и ячменя. Мощная защита от патогенного гриба Gaeumannomyces graminis var. tritici , который поражает пшеницу и ячмень, но никогда – овес. У гриба Gaeumannomyces graminis var. avenae есть фермент авенациназа, который удаляет концевые глюкозы и делает молекулу нетоксичной — и этот гриб прекрасно «кушает» овес…Примеры защитных соединений «первого круга» обороны.

  Примеры защитных соединений «первого круга» обороны:  алкалоиды Примеры защитных соединений «первого круга» обороны: алкалоиды

  Примеры защитных соединений «первого круга» обороны:  изопреноиды •  инсектициды: Примеры защитных соединений «первого круга» обороны: изопреноиды • инсектициды: αα — и ββ -пинены, мирцен, камфен, пиретрин-1 • аллелопатические свойства: лимонен, цинеол, карвон, камфора • реппеленты: ментол, непаталактон. αα -пинен • против травоядных : : 1, 8 -цинеол Но. Но – линалоол – привлечение опылителей… Механическое повреждение – в смоле пихты изменяется содержание пинена, каурена, мирцена. У устойчивых к абиотическому стрессу растений (загрязнение атмосферы )) – много камфена и лимонена, но мало ββ -пинена, у неустойчивых – наоборот. После стресса (обработка SOSO 22 ) – в 5 – 10 раз повышается содержание камфена, αα — и ββ -пинена.

 Эфирные масла с антимикробиальной активностью Эфирные масла с антимикробиальной активностью

 Эфирные масла с антимикробиальной активностью Эфирные масла с антимикробиальной активностью

 Эфирные масла с антимикробиальной активностью Эфирные масла с антимикробиальной активностью

 Эфирные масла с антимикробиальной активностью против Helicobacter  Эфирные масла с антимикробиальной активностью против Helicobacter

 Эфирные масла чайного дерева Эфирные масла чайного дерева

 Алкалоиды с антимикробиальной активностью против Helicobacter  Алкалоиды с антимикробиальной активностью против Helicobacter

 Алкалоиды с антимикробиальной активностью против Helicobacter  Алкалоиды с антимикробиальной активностью против Helicobacter

 Алкалоиды с антимикробиальной активностью против Helicobacter  Алкалоиды с антимикробиальной активностью против Helicobacter

 Алкалоиды с антимикробиальной активностью против Helicobacter  Алкалоиды с антимикробиальной активностью против Helicobacter

 Антивирусная активность эфирных масел Plant source     Viruses IC 50 Антивирусная активность эфирных масел Plant source Viruses IC 50 (%; ppm) References Herpes simplex virus ( HSV; DNA virus) Aloysia gratissima HSV-1 65 ppm Garcia et al. (2003) Artemisia douglasiana HSV-1 83 ppm Garcia et al. (2003) Citrus limon HSV-1 0. 0015% Koch (2005) Eucalyptus globulus HSV-1 0. 009% Schnitzler et al. (2001) HSV-2 0. 008% Schnitzler et al. (2001) Eupatorium patens HSV-1 125 ppm Garcia et al. (2003) Houttuynia cordata HSV-1 0. 0013% Hayashi et al. (1995) Hyssopus officinalis HSV-1 0. 0001% Koch (2005) HSV-2 0. 0006% Koch (2005) Illicium verum HSV-1 0. 004% Koch (2005) HSV-. 2 0. 003% Koch (2005) Leptospermum HSV-1 0. 0001% Reichling et al. (2005 scoparium HSV-2 0. 00006% Reichling et al. (2005 Matricaria HSV-1 0. 00003% Koch (2005) recutita HSV-2 0. 00015% Koch (2005) Melaleuca alternifolia HSV-1 0. 0009% Schnitzler et al. (2001) HSV-2 0. 0008% Schnitzler et al. (2001) Mentha piperita HSV-1 0. 002% Schuhmacher et al. (2003) HSV-2 0. 0008% Schuhmacher et al. (2003) Pinus mugo HSV-1 0. 0007% Koch (2005) HSV-2 0. 0007% Koch (2005) Santalum album HSV-1 0. 0002% Koch (2005) HSV-2 0. 0005% Koch (2005) Tessaria absinthioides HSV-1 105 ppm Garcia et al. (2003) Thymus vulgaris HSV-1 0. 001% Koch (2005) HSV-2 0. 0007% Koch (2005) Zingiber officinale HSV-1 0. 0002% Koch (2005) HSV-2 0. 0001% Koch (2005)

  Примеры защитных соединений «первого круга» обороны:  изопреноиды Сесквитерпеноиды:  селинен – Примеры защитных соединений «первого круга» обороны: изопреноиды Сесквитерпеноиды: селинен – инсектицид Е-Е- ββ -фарнезен (паслен) – ферромон тревоги насекомых Дитерпены: кауреновая и трахилбановая кислоты (цветки подсолнечника) – гибель личинок бабочек Паклитаксел (тис) – яд для животных Тритерпеноиды: сердечные гликозиды — яд для животных Экдистероиды – нарушение развития насекомых.

  Защитное действие смол. Массовая атака короедов сосны на  ствол Pinus contorta. Защитное действие смол. Массовая атака короедов сосны на ствол Pinus contorta. Каждое белое пятно на стволе — место нападения жуков и выделения смолы из поврежденного ими участка. Дерево пережило атаку жуков, так как содержание токсичных компонентов эфирного масла, содержащихся в смоле, было достаточно, чтобы убить короедов, которые были затем “удалены” оттоком смолы. После испарения эфирных масел и воздействия воздуха, дитерпеновые смоляные кислоты затвердевают и формируют «пробку» , которая «запечатывает» рану.

  Примеры защитных соединений «второго круга» обороны:  цаногенные гликозиды, глюкозинолаты. Примеры защитных соединений «второго круга» обороны: цаногенные гликозиды, глюкозинолаты.

  Примеры защитных соединений «второго круга» обороны:  кумарины, фурокумарины Антимикробное, фунгицидное действие. Примеры защитных соединений «второго круга» обороны: кумарины, фурокумарины Антимикробное, фунгицидное действие. Наркотическое действие – на земляных червей и кроликов Гипнотическое действие – на мышей. Кумарины с аминоалкильным заместителями – стимулируют ЦНС. Псорален, бергаптен – яды для рыб. Псрален – аллелопатическое действие. Южные широты – в качестве заместителей – изопреноиды. Средние широты – кумарины, обогащенные кислородом. Северные широты – гликозиды, сложные эфиры, метокси- окси-группы. Псорален – фотосенсибилизатор. 270 и 360 нм. 5 мг на кожу – УФ лампа – через 5 минут сильный ожог. Граница распространения – между 45 и 55 о с. ш. Севернее – он не встречается. К югу – число видов с псораленом увеличивается.

  Но: постоянное присутствие и биологическая активность не являются достаточным доказательством. Что делать? Но: постоянное присутствие и биологическая активность не являются достаточным доказательством. Что делать? Один из возможных подходов – использование культур клеток высших растений

  Но: постоянное присутствие и биологическая активность не являются достаточным доказательством. Что делать? Но: постоянное присутствие и биологическая активность не являются достаточным доказательством. Что делать? Снятие организменного контроля развития — переход к популяционным механизмам развития системы Отбор клеток по максимальной и/или устойчивой пролиферации основной принцип развития поуляции гетерогенность системы по различным признакам основа адаптационных возможностей системы Узкие адаптационые возможности системы следствие отсутствия длительной эволюции Большой невостребованный генетический материал – – клетки in vitro имеют полную информацию об интактном растении Влияние невостребованных генов на развитие популяции Судьба невостребованного генетического материала – возникновение и скорость мутаций, сомаклональных вариаций Включение/выключение невостребованных блоков – программы морфогенеза, соматического эмбриогенеза. Основные свойства культуры клеток высших растений — экспериментально созданной популяции соматических клеток. Один из возможных подходов – использование культур клеток высших растений

  Клетки высших растений in vitro  - - слабовакуолизированные пролиферирующие клетки с Клетки высших растений in vitro — — слабовакуолизированные пролиферирующие клетки с небольшим количестовм пластид

  Некоторые закономерности синтеза вторичных метаболитов в культуре клеток высших растений Избирательная возможность Некоторые закономерности синтеза вторичных метаболитов в культуре клеток высших растений Избирательная возможность синтеза метаболитов не получен синтез морфинанов, димерных индольных алкалоидов, карденолидов. Различия в синтезе по классам соединений добиться синтеза фенольных соединений и изопреноидов проще, чем алкалоидов Различная стабильность синтеза для разных соединений при длительном субкультивирвоании. Стабильный синтез соединений, способствующих пролиферации клеток. Различные закономерности синтеза в цикле культивирования. Часто синтез активируется при замедлении роста культуры, реже – во время активной пролиферации клеток.

  Клетки высших растений in vitro  - -  гетерогенная популяция соматических Клетки высших растений in vitro — — гетерогенная популяция соматических клеток Морфологическая — — клетки табака в суспензии Биохимическая — — флуоресценция клеток диоскореи в культуре Генетическая — — различное число хромосом в клетках женьшеня перестройки хромосом в клетках пшеницы

  Вторичный метаболизм в клетках in vitro - синтез изопреноидов Dioscirea deltoidea Вторичный метаболизм в клетках in vitro — синтез изопреноидов Dioscirea deltoidea стероидные гликозиды Panax ginseng, P. jj aponicus, тритерпновые гликозиды P. quinquefolius (гинзенозиды) Serratula coronata, экдистероиды Ajuga reptans Stevia rebaudiana дитерпеновые гликозиды (стевиол-гликозиды) Polyscias filicifolia тритерпеновые гликозиды

  Синтез фуростаноловых гликозидов в культуре клеток Dioscorea deltoidea Протодиосцин В клетках диоскореи Синтез фуростаноловых гликозидов в культуре клеток Dioscorea deltoidea Протодиосцин В клетках диоскореи синтезируются стероидные гликозиды, характерные как для листьев (протодиосцин), так и для корневища (дельтозид) интактного растения. Кроме того появляются 26 -26 — S-S- изомеры, не характерные для интакнтого растения. S-

  OH O OH HНО НО Макистерон А OH OH HНО НО Экдизон. OH O OH HНО НО Макистерон А OH OH HНО НО Экдизон. Экдистероиды Serratula coronata 25 S — инокостерон. НО НО H HO OH H CH 2 OH OHOH H O OH HO HOHO 20 -гидроксиэкдизон

  C 28 - стероиды  Экдистероиды Ajuga reptans  OH OH HО C 28 — стероиды Экдистероиды Ajuga reptans OH OH HО HО Полиподин ВOHOH H O OH HO HOHO 20 — гидроксиэкдизон. С 27 — стероиды OH O OHHО HО HО Н О О 29 — норсенгостерон. O 29 — норциастерон OH OHHО HО HО О О НО HO HO OH OH Аюгастерон ВC 29 — стероиды O HO HO OH OH O HO O Аюгалактон OH O OHHО HО HО O О НО Сенгостерон

  а - листья интактного растения б - длительно культивируемая каллусная культура в а — листья интактного растения б — длительно культивируемая каллусная культура в — молодая каллусная культура, 1 — 20 -гидроксиэкдизон; 2 — инокостерон; 3 — макистерон А; 5 — экдизон; ВЭЖХ хроматограммы экдистероидов интактного растения и культур клеток серпухи Serratula coronata OHOH H O OH HO HOHO 20 -гидроксиэкдизон. Состав экдистероидов длительно культивируемого каллуса приближается к составу этих соединений в листьях растения

  а - листья интактного растения  б - длительно культивируемая каллусная культура а — листья интактного растения б — длительно культивируемая каллусная культура в — молодая каллусная культура, 1 — полиподин В; 2 — 20 -гидроксиэкдизон; 3 — 29 -норциастерон; 4 — 29 -норсенгостерон; 5 — сенгостерон; 6 — аюгалактон; 7 — аюгастерон В; Хроматограммы ВЭЖХ экдистероидов интактного растения и клеточных культур Ajuga reptans OHOH H O OH HO HOHO 20 -гидроксиэкдизон

  Женьшень и структура гинзенозидов - тритерпеновых гликозидов даммаранового ряда Женьшень и структура гинзенозидов — тритерпеновых гликозидов даммаранового ряда

  CC структура семи основных гинзенозидов Гинзенозиды Rg- группы Гинзенозиды Rb- группы CC структура семи основных гинзенозидов Гинзенозиды Rg- группы Гинзенозиды Rb- группы

  Содержание гинзенозидов в культуре клеток Panax ginseng в трех последовательных субкультивированиях на Содержание гинзенозидов в культуре клеток Panax ginseng в трех последовательных субкультивированиях на двух разных средах % % Среда ТО Среда

 Содержание гинзенозидов в цикле выращивания суспензионной культуры клеток Panax japonicus (repens )) Общее Содержание гинзенозидов в цикле выращивания суспензионной культуры клеток Panax japonicus (repens )) Общее содержание гинзенозидов Соотношение Rg/Rb групп

  Структура стевиол-гликозидов - тетрациклических дитерпеновых гликозидов стевии Стевиозид =   = Структура стевиол-гликозидов — тетрациклических дитерпеновых гликозидов стевии Стевиозид = = RR 11 : Glu RR 22 : Glu- Glu Ребаудиозид А = RR 11 : Glu RR 22 : Glu- Glu || Glu Ребаудиозид С = RR 11 : Glu RR 22 : Glu- Rha || Glu

  Содержание стевиол-гликозидов в интактных растениях Stevia rebaudiana и культурах in vitro (mg/g Содержание стевиол-гликозидов в интактных растениях Stevia rebaudiana и культурах in vitro (mg/g ))0 10 20 30 40 50 123 0 0, 1 0, 2 0, 3 0, 4 0, 5 0, 6 1234 1. Intact plant 1. Callus culture 2. Plant in vitro 2. Suspension culture 3. “Roller” plant 3. Morphogenic callus 4. Shoots from morphogenic callus

  Содержание стевиол-гликозидов в миксотрофных каллусных культурах стевии 0 20 40 60 80 Содержание стевиол-гликозидов в миксотрофных каллусных культурах стевии 0 20 40 60 80 100 120 1 Клинии С Г , м к г/г сух. м ассы Реб. А Реб. С Сумма

  Ультраструктура клеток каллусных культур стевии      Миксотрофная Ультраструктура клеток каллусных культур стевии Миксотрофная каллусная культура Гетеротрофная каллусная культура

  Вторичный метаболизм – лужок с еще не выщипанной травкой… Вторичный метаболизм – лужок с еще не выщипанной травкой…