Másodlagos anyagcsere 2024/25 PDF

Növényi anyagcsere folyamatok és bioszintetikus utak A terminológia nem egységes, az anyagcsere folyamatok csoportjaira kétféle elnevezést használnak: I. Primer anyagcsere – termékei: szénhidrátok, aminósavak, zsírsavak, itokrómok, klorofillok és a felépítő és lebontó utak anyagcsere intermedierjei,...

Növényi anyagcsere folyamatok és bioszintetikus utak A terminológia nem egységes, az anyagcsere folyamatok csoportjaira kétféle elnevezést használnak: I. Primer anyagcsere – termékei: szénhidrátok, aminósavak, zsírsavak, itokrómok, klorofillok és a felépítő és lebontó utak anyagcsere intermedierjei, amelyek minden növényfajra jellemzőek és ugyanazon metabolikus funkciókat töltenek be. esszenciális vegyületek szintézise Szekunder (másodlagos) anyagcsere – termékei: ún. szekunder anyagok, nem töltenek be direkt anyagcsere szerepet, primer vegyületekből képződnek, legtöbbjük nem esszenciális vegyület. Szekunder anyagok: nem táplálék jellegű vegyületek, hatással vannak más fajok biológiai folyamataira, és ezáltal befolyásolják az együttélést és a ko-evolúciót. Specifikus ökológiai szerepük lehet, pl. a megporzást vagy magvak terjedését segítő vegyületek, vagy természetes inszekticidek. Köztük vannak esszenciális vegyületek is. II. Univerzális folyamatok és anyagok (primer anyagcsere) Speciális folyamatok és anyagok (szekunder anyagcsere) A növények környezeti toleranciájában szerepet játszó vegyületek és a másodlagos anyagcsere Védő vegyületek a herbivóra szervezetekkel szemben 1) Konstitutív vegyületek. 2) Rágást követően képződő védő vegyületek: pl. tanninok 3) Hernyókárosodást követően képződő illékony vegyületek: vonzzák a darazsakat, amelyek a a petéiket a hernyókba rakják és elpusztítják azokat. Patogén mikróbákkal szembeni védő vegyületek Fertőzést (főleg gombás) követően gyorsan indukálódó védő vegyületek: fitoalexinek: sokféle vegyület: izoprenoidok, flavonoidok, stilbenek, sok közülük antibiotkumként hat sok gomba és bakatériummal szemben Agresszív reaktív oxigén formák és specifikus enzimek Patogén által kiválasztott elicitorok (fehérjék) váltják ki a képződésüket. Szuperoxid ( O2), hidrogén peroxid (H2O2) és NO; Egyes enzimek (béta-glukanáz,kitináz, proteázok, amelyek a gombák és baktériumok sejtfalát támadják. De: sok védő vegyület az emberre is veszélyes, pl. a lektinek, amiláz inhibitorok, proteáz inhibitorok, cianogén glükozidok és glükozinolátok. A növényi test felületi védelmében résztvevő anyagok: hidrofób vegyületekből állnak Kutin: hidroxi- zsírsavak, amelyek polimerizálódnak Viaszok: Alkánok Zsírsav észterek Hosszú-láncú zsírsavak és alkoholok Szuberin: hidroxi zsírsavak amelyek egyéb vegyületekkel polimerizálódnak Viaszok lerakódás: viasz kristályok A növényi másodlagos anyagcseretermékek bioszintézise és kapcsolata az elsődleges szénanyagcserével Növényi másodlagos anyagcseretermékek Közülük 3 csoportról bővebben: 1)Terpének 2)Fenolok (fenoloidok) 3)Nitrogéntartalmú vegyületek (azotoidok)  1) Terpének vagy terpenoidok Ez a legnagyobb csoport. Vízben nem oldódó vegyületek. Acetil-Co-A-ból vagy glikolitikus intermedierekből szintetizálódnak A terpének 5 C-atomszámú izoprén egységek egyesülésével jönnek létre: izopentán bomlásakor izoprén Ezért szokás izoprén egységekből felépülő vegyületeknek nevezni a terpéneket (izoprenoidok) Csoportosítás C atomszám alapján: monoterpének (C10), szeszkviterpének (C15), diterpének (C20), triterpének (C30) stb. politerpének (C5)n. Az izopén (C5) hemiterpén.  A terpének szerepe Elsődleges szerep: Növekedés és fejlődési folyamatok: gibberellinek (C20) Sejtmembránok stabilitása: szterolok (C30) Fotoszintézis: karotinoidok (C40) Sztómareguláció: abszcizinsav (C15) Molekulák oldalláncaként pl. a membránhoz való kötődést segítik: Politerpénalkoholok pl. fitol (klorofill molekula) Másodlagos szerep: védelem Toxikusak és a herbivóra szervezeteket befolyásolják Pl. piretroidok (Chrysanthemum sp.) természetes inszekticidek !!!  A terpének szintézise Mevalonsav út 3 molekula acetil-CoA mevalonsav izopentenil-difoszfát (IPP) Metil-eritritol-foszfát (MEP) út: kloroplasztiszban és más plasztiszban Glicerinaldehid-3-foszfát Piroszőlősav izopentenildifoszfát (IPP) Terpének bioszintézise MEP = Metil- eritritol-foszfát A terpének szintézise 1) Mevalonsav (mevanolát) útvonal Kiinduló vegyület: 3 molekula acetil-CoA mevalonsav izopentenil-difoszfát (IPP) Geranil-difoszfát 2) Metil-eritritol-foszfát (MEP) útvonal: kloroplasztiszban és más plasztiszban Kiinduló vegyület: glicerinaldehid-3- foszfát vagy piroszőlősav metil-eritritolfoszfát (MEP) dimetilallil-difoszfát (DMAPP) (az izopentenil-difoszfát izomerje) Geranil-difoszfát A két útvonal a geranil-difoszfáttól (C10) ugyanazon lépéseken keresztül folytatódik és az intermedierek különböző C atomszámú terpének képződéséhez használódhatnak fel. A geranil-difoszfát prekurzor a monoterpének (C10) szintéziséhez. Monoterpének Limonén Mentol Monoterpének Gyakran a hajtások felületén mirigyszőrökben. Triterpének Azadirachta indica (Afrika és Ázsia) (a mahagónifélék családjába tartozik, fásszárú) Azadiaraktin -ekdizon Herbivóra rovarokkal Polypodium vulgare szembeni (páfrány) védelemben, A rovarok fejlődését, átalakulását gátolják.  Terpének: gerinces herbivorákkal szembeni védelem Kardenolidok: Glikozidok formájában. Keserű ízűek, és nagyon toxikusak a magasabbrendű állatokra. Az emberi szervezetben a szívizomra fejtenek ki drasztikus hatást, mivel a Na+/K+ aktivált ATP-ázokat befolyásolja Gyógyszerként Digitalis sp. (gyűszűvirág) Szaponinok: Szteroid és triterpén glikozidok (szappanszerű tulajdonságaik vannak) Toxikusság: a szterolokkal komplexeket alkotnak  2)Fenolok Felépítésük: fenol csoportot tartalmazó vegyületek (aromás gyűrűn hidroxil csoport) Néhány csak szerves oldószerben oldódik, néhány vízben oldódó karboxilsav és glikozid, mások oldhatatlanok. Szerepük: Védelem hetbivora szervezetekkel és patogénekkel szemben Mechanikai szerepük van Megporzást és termésterjesztést segítik Abszorbeálják az UV sugárzást Csökkentik a szomszédos versengő növények növekedését  A fenolok, mint másodlagos anyagcseretermékek bioszintézisének a kapcsolata az elsődleges C-anyagcserével Prekurzor vegyületek a C anyagcsere intermedierjeiből kindulva: Eritróz-4-foszfát (pentóz- foszfát út), Foszfoenol-priroszőlősav (glikolitikus intermedier) a sikimisav úton keresztül, és a képződő aromás aminósavakból ill. piruvát és acetil-CoA (glikolitikus intermedier) a malonsav útvonalon keresztül (a növényekben ritkább).  A fenolok bioszintézise a sikimisav út során képződő aromás aminósavból PAL ( -NH3) Kulcs enzim a fenilalanin-ammónia liáz (PAL): fenilalanin fahéjsav átalakulás Egyszerű fenilpropanoidok Pl. a transz-fahéjsav és származékai, a p-kumarinsav és származékai kávésav Fenilpropanoid laktonok (ciklikus észterek): kumarinok (fenilpropanoid vázzal) Benzoésav származékok, amelyek fenilpropanoidokból képződnek az oldallánc két szén fragmentumának a leválásával.  Furanokumarinok A vegyületek csak UV-A sugárzás hatására válnak toxikussá. UV-A hatására: a furanokumarinok aktiválódnak, magas-energiájú állapotba kerülnek. Az aktivált vegyületek a DNS kettős hélixhez kapcsolódnak, kötődnek a pirimidin bázisokhoz, a citozinhez és a timinhez. Blokkolják a transzkripciót és a javítást és végül sejthalálhoz vezetnek. A fitotoxikus furanokumarinok különösen az Umbelliferae családban elterjedtek. Egyszerű fenilpropaniodok és bensoésav származékok Allelopatikus hatással rendelkeznek. A kávésav, ferulinsav gátolja más növények magvainak a csírázását és növekedését.  Lignin: a komplex fenolszármazék makromolekula Elsődleges, és másodlagos szerepet is betölt. Három fenilpropanoid alkoholból képződik: koniferil, kumaril és szinapil alkoholok, amelyek fenilalaninból szintetizálódnak különböző fahéjsav-származékon keresztül. Az alapegységek aránya különbözik fajonként, szervenként, és sejtfalrétegenként. A polimerben gyakoriak a C-C és C-O kötések az egyes feni-lpropanoid alkohol egységekben – komplex három dimenziós szerkezet. Mechanikai védelem, szilárdítás Szállítószövet  Flavonoidok a növényi fenolok legnagyobb csoportja. Antociánok Flavonok Falvonolok Izoflavonok Flavonoidok alapváza: 15 C atom két aromás gyűrűben, amelyeket egy 3 C atomos híd köt össze:  Antocianinok Glikozidok, amelyek a cukrot a 3. helyzetnél tartalmazzák Cukor nélkül antocianidinek. A színüket befolyásolja: a hidroxil és metoxil csoportok száma a B gyűrűben, az aromás sav jelenléte, a sejtnedv pH-ja. A gyűrűn lévő szubsztituensek hatása az antocianidinek színére  Avoidance mechanisms: osmoregulation Lower leaf water potential by synthesizing solutes (amino acids, sugars, ions, etc.) What will this do? Leaf anthocyanins in young leaves of Corymbia gummifera Flavonolok és flavonok Rövidebb hullámhosszon abszorbeálják a fényt, mint az antociánok. A rovarok érzékelik az ilyen színű virágokat. A flavonolok a virágban gyakran szimmetrikus folt, vagy koncentrikus kör mintázatban akkumulálódnak. Szerepük van a beporzásban.  Izoflavonoidok Antimikrobiális aktivitással rendelkeznek. Pillangósvirágúakban fordulnak elő főleg, rovarokkal szembeni védelem. Fitoalexinek: bakteriális és gomba fertőzéssel szembeni védelemben Tanninok Elnevezés: olyan anyagok, amelyeket a bőrfeldolgozásban (tanning) használtak. Két csoportjuk: Kondenzált tanninok: flavonoidokból kondenzációval Fás szárú növényekben Mivel gyakran hidrolizálódhatnak antocianidinekké, pro-antocianidineknek is nevezzük. Hidrolizálható tanninok A tanninok a herbivorák bélrendszerében a fehérjékkel hidrogén kötéseket hoznak létre a hidroxil-csoportjaik és a fehérjék elektronegatív helyei között.  N-tartalmú másodlagos vegyületek: a szintézisük kapcsolata az elsődleges szénanyagcserével Prekurzorok a primer szénanyagcseréből: glikolitikus intermedierek, a foszfoenol-piroszőlősav és piroszőlősav (acetil Co-A) Közvetlen perekurzorok: aromás és alifás aminósavak  Nitrogén-tartalmú másodlagos vegyületek Herbivorákkal szembeni védő vegyületek: Alkaloidok és cianogén glikozidok Toxikusak Gyógyszer alapanyagok Legtöbbjük aminosavakból képződik Alkaloidok: 15 ezer vegyület kb. az edényes növényfajok 20%-ában A nitrogén atom rendszerint egy heterociklikus gyűrűben van, amely mind nitrogént mind C atomot is tartalmaz. Legtöbbjük bázikus vegyület A citoszol pH-ján (7,2), és a vakuolum pH-jánál ( 5-6) protonálódik, pozitív töltésű és vízben jól oldódik. Lizin, tirozin, triptofán aminosavakból.  Az alkaloidok típusai, a fő aminosav Némelyikük szénváza prekurzorok a terpén út során képződött komponenst tartalmazza. Pl. Nikotin és rokon vegyületek: ornitinből, az arginin bioszintézis köztes termékéből képződik Az alkaloidok típusok Pl. Nikotin és rokon vegyületek: ornitinből, az arginin bioszintézis köztes termékéből képződik. Nikotin: Nikotinsav (nikotinsav- mononukleotidból) a közvetlen prekurzora a piridin (hattagú) gyűrűjének, a pirrolidin gyűrűje pedig az ornitinből származik.  Cianogén glikozidok és glükozinolátok Önmagukban nem toxikusak, de ha bomlanak illékony mérgező vegyületek képződnek. HCN, cián képződik. A cianogen glikozidok bomlása két lépésben megy végbe: Két enzim: a cukor hidrolizishez és a HCN felszabaduláshoz. 1.Glükozidáz enzim katalizálja: cukor szabadul fel 2. Hidronitril vagy cianohidrin átalakulása, CHN felszabadulás. Ezt a lépést gyorsítja a hidroxinitril-liáz enzim. Védő funkció: a HCN egy gyorsan ható toxin és gátolja metallo-proteineket, így a vas-tartalmú citokróm-oxidázt, a mitokondriális légzés kulcsenzimét. Csökkenhet a károsodás, mivel a herbivórák adaptálódnak a HCN-hez és tolerálják a nagy dózisokat. A vegyület és a bomlását katalizáló enzimek a növényi sejt eltérő kompartmentjeiben, a növény számára nem toxikus. A cianogén glikozidok bomlása  Glükozinolátok Vagy mustár glikozidok: illékony védekező anyagok képződnek a bomlásuk során. Brassicaceae család fajai, glükozinolátok adják a jellegzetes szagát, ízét a zöldségféléknek:pl. karalábé, káposzta, brokkoli, retek. Bomlás termékek:izotiocianátok, és nitrilek, attól függően, hogy milyen körülmények között megy végbe a hidrolízis. A termékek védő vegyületek a herbivorákkal szemben. A cianogén glikozidekhez hasonlóan a glükozinolátok a növényben hidrolizáló enzimektől elkülönítve vannak tárolva. Köszönöm a figyelmet!