Лекция 10. Экологическая биохимия Основная литература Дж.

Лекция 10. Экологическая биохимия Основная литература Дж. Харборн «Введение в экологическую биохимию» . М. «Мир» . 1985. Конспекты, презентация. Дополнительная литература Л. В. Коваленко «Биохимические основы химии биологически активных веществ» . М. : Бином. 2010. В. П. Саловарова, А. А. Приставка, О. А. Берсенева «Введение в биохимическую экологию» . Иркутск: ГОУ ВПО «Ирг. ГУ» . 2007. М. М. Телитченко, С. А. Остроумов «Ввебение в проблемы биохимической экологии» . М. : Наука. 1990.

Экологическая биохимия - новое междисциплинарное направление исследований (химическая экология, фитохимическая экология, биохимическая экология) – исследование основ взаимодействий (взаимоотношений) между живыми организмами, живыми организмами и окружающей средой, опосредованные химическими соединениями. Основные направления - изучение продуктов вторичного метаболизма (алкалоиды, флавоноиды, терпеноиды) животных, растений и микроорганизмов - участие вторичных метаболитов во взаимодействиях природных систем: животное – животное, растение – растение, животное – растение и т. д. и т. п. - биохимические основы адаптации живых организмов к окружающей среде(климат, почва, загрязнение и т. д. ) - биохимический ответ на стресс, понятие об окислительным стрессе - разложение ксенобиотиков в окружающей среде, воздействие продуктов их деградации на живые организмы

Биохимические основы взаимодействий между организмами • Взаимодействия «организм – организм» : Взаимодействия с участием прокариот Взаимодействия с участием грибов Взаимодействия с участием водорослей Взаимодействия с участием высших растений Взаимодействия между животными • Взаимодействия «организм – среда» трофические и нетрофические (иные) – молекулы посредники или регуляторы процессов взаимодействия

Классификация типов химических взаимодействий (по М. Барбье, 1978) Группа веществ Характер воздействия Тип химического воздействия (пример) Межвидовые Алломоны Отпугивающие вещества, взаимодействия (польза продуценту) яды, приманки (аллелопатия) Кайромоны Сигналы опасности, (польза рецепиенту) токсичности, стимуляторы роста Депрессоры Отбросы, отравляющие рецепиента Внутривидовые Аутотоксины Отбросы, отравляющие взаимодействия рецепиента Аутоингибиторы Вещества, сдерживающие адаптации численность популяции Феромоны Половые, общественные, тревоги, метчики

Функции химических веществ, участвующих в нетрофических взаимодействиях • Защита от хищника, паразита, консумента (защитные вещества) • Наступательное биохимическое оружие (токсины и экзоферменты) • Сдерживание конкурентов того же трофического уровня (мечение территории) • Сигналы – аттрактанты • Регуляция взаимодействий внутри популяций, группы особей, семьи • Снабжение организмов необходимыми молекулами- полуфабрикатами • Участие в формировании среды обитания • Индикаторы местообитаний, подходящих для заселения, колонизации, размножения

Вторичные метаболиты • Вторичные метаболиты – вещества микробного, растительного и животного происхождения, специфичные для отдельных таксонов организмов, образующиеся из метаболитов первичного метаболизма (аминоциклитолы, кумарины, эпоксиды, рибосомальные и нерибосомальные пептиды, полиены, пирролы, терпеноиды, тетрациклины и т. д. ) Экологические функции вторичных метаболитов • Участие в различных типах взаимодействий между организмами: конкурентные отношения, факультативный и облигатный симбиоз • Сигнальные метаболиты: опыление, размножение, дифференцировка стадий развития • Гормональный контроль • Приспособление к разнообразным факторам окружающей среды • Вещества, принимающие участие в ответе на разнообразные стрессы

Антибиотики (межвидовые отношения – аллелопатия) • Антибиотики – низкомолекулярные продукты метаболизма микроорганизмов, накапливающиеся внутри клетки и выделяющиеся во внешнюю среду, подавляющие в малых концентрациях рост других микроорганизмов. Н. С. Егоров «Основы учения об антибиотиках» . М. «Наука» . 2004. Л. В. Лысак, А. А. Лихачева, И. В. Алферова «Методы выделения и изучения почвенных актиномицетов, продуцентов антибиотиков» . М. МАКС Пресс. 2005

Разнообразие (классификация) антибиотиков по химическому строению • Углеводные антибиотики (стрептомицеты): сахариды (стрептозотоцин), аминогликозиды(аминоциклитолы) – стрептомицин • Макроциклические лактоны: макролиды(эритромицин), полиеновые (нистатин), макролактоны (олигомицин), макротетралиды (нактины), макролактамы (рифамицин) • Хиноны и подобные: линейные конденсированные (тетрациклины), производные нафтохинонов (антрациклины), производные бензохинонов (фумигатин) • Аминокислоты, пептиды, производные: бета-лактамы (пенициллины), гомопептиды (грамицидин), гетеромерные пептиды (полимиксины), пептолиды (актиномицин Д), высокомолекулярные производные (циклоспорин) • Азотсодержащие гетероциклические (азомицины, пуромицин, пликацетин)

Классификация антибиотиков по химическому строению (продолжение) • Алициклические: производные циклопентана (саркомицин), циклогексана (актидион), олиготерпены (фузидиевая кислота) • Кислородсодержащие гетероциклические ( цитринин, трихотецин) • Ароматические: производные бензола (хлорамфеникол), конденсированные ароматические (гризеофульвин), небензольные (новобиоцин) • Алифатические: производные алканов (диатретин), производные ароматических кислот (вариотин), серусодержащие (аллицин) • Холестериноподрбные (скваламин)

Структура потребления антибиотиков в медицине 1. Беталактамы 60% 2. Макролиды 20% 3. Аминогликозиды 10% 4. Анзамицины 3 -5% 5. Тетрациклины 6. Полиеновые 7. Полипептиды 8. Антрациклины 9. Индолокарбазолы

Основные реакции образования вторичных метаболитов из первичных • Преобразование первичного метаболита в специфический предшественник для вторичного метаболита • Реакции модификации или активации, уводящие специфический предшественник на путь вторичного метаболизма • Реакции полимеризации и конденсации • Поздние реакции модификации

Кворум-сенсинг (Quorum Sensing) – внутривидовые отношения Кворум-сенсинг – реакция клеток на плотность популяции Клетки прокариот способны к межклеточным внутрипопуляционным контактам и кооперативному поведению. Cенсорная система аутоиндукции, позволяющая клеткам реагировать на плотность своей популяции. Аутоиндуктор (АИ), накапливаясь в среде, вызывает активацию определенных генов Примеры: «социальное» поведение миксобактерий биолюминесценция и «роение» у Vibrio, Proteus, Serratia вирулентность Erwinia carotovora, Pseudomonas aeruginosa конъюгация у Agrobacterium tumefaciens превращение нормальных клеток Rhizobium в бактероиды начальные стадии образования «биопленок» спорообразование у актиномицетов

QS регулируемые процессы

Общая схема процесса Quorum Sensing 1. Образование аутоиндуктора (АИ – продукт вторичного метаболизма) 2. Распространение АИ в среде обитания 3. Детектирование клетками концентрации АИ 4. Запуск ответных реакций метаболизма

Низкомолекулярные сигнальные соединения бактерий

Ацилгомосеринлактоны и тетрамовые кислоты