stringtranslate.com

Глюкозинолат

Глюкозинолатная структура; боковая группа R варьируется

Глюкозинолаты являются природными компонентами многих острых растений, таких как горчица , капуста и хрен . Острость этих растений обусловлена ​​горчичными маслами, получаемыми из глюкозинолатов, когда растительный материал пережевывают, разрезают или иным образом повреждают. Эти природные химические вещества, скорее всего, способствуют защите растений от вредителей и болезней и придают крестоцветным овощам характерный горький вкус . [1]

Вхождение

Глюкозинолаты встречаются как вторичные метаболиты почти всех растений порядка Brassicales . Сюда входит экономически важное семейство Brassicaceae , а также Capparaceae и Caricaceae . Помимо Brassicales, роды Drypetes [2] и Putranjiva семейства Putranjivaceae являются единственными известными источниками глюкозинолатов. Глюкозинолаты содержатся в различных съедобных растениях, таких как капуста (белокочанная, китайская капуста, брокколи ), брюссельская капуста , кресс-салат , хрен , каперсы и редис , продукты распада которых часто вносят существенный вклад в характерный вкус. Глюкозинолаты также обнаружены в семенах этих растений. [1] [3]

Химия

Глюкозинолаты представляют собой природный класс органических соединений , содержащих серу и азот и происходящих из глюкозы и аминокислоты . Они представляют собой водорастворимые анионы и относятся к глюкозидам . Каждый глюкозинолат содержит центральный атом углерода , который связан с атомом серы группы тиоглюкозы и через атом азота с сульфатной группой (образуя сульфатированный альдоксим ). Кроме того, центральный углерод связан с боковой группой; разные глюкозинолаты имеют разные боковые группы, и именно вариация боковой группы ответственна за изменение биологической активности этих растительных соединений. Суть химии глюкозинолатов заключается в их способности превращаться в изотиоцианат («горчичное масло») при гидролизе тиоглюкозидной связи ферментом мирозиназой. [4]

Полусистематическое наименование глюкозинолатов состоит из химического названия группы «R» на диаграмме, за которым следует слово «глюкозинолат» с пробелом или без него. Например, аллилглюкозинолат и аллилглюкозинолат относятся к одному и тому же соединению: в литературе встречаются обе версии. [5] Изотиоцианаты принято обозначать двумя словами. [4]

Ниже приведены некоторые глюкозинолаты и их изотиоцианатные продукты: [4]

Z форма, синигрин натуральный
E-форма, не встречающаяся в природе

Синигрин был первым из этого класса, который был выделен в 1839 году в виде его калиевой соли. [6] Его химическая структура была установлена ​​к 1930 году и показала, что это производное глюкозы с конфигурацией β- D -глюкопиранозы . В то время было неясно, находится ли связь C=N в форме Z (или син ) с заместителями серы и кислорода на одной стороне двойной связи или в альтернативной форме E, в которой они находятся на противоположных сторонах. Вопрос был решен с помощью рентгеновской кристаллографии в 1963 году. [7] [8] Сейчас известно, что все природные глюкозинолаты имеют Z-форму, хотя обе формы могут быть получены в лаборатории. [5] Окончание «ate» в названии этих соединений подразумевает, что они представляют собой анионы при физиологическом pH , а раннее название этого аллилглюкозинолата было миронат калия. [6] Следует проявлять осторожность при обсуждении этих соединений, поскольку в некоторых старых публикациях неясно, относятся ли они только к аниону, соответствующей кислоте или калиевой соли . [5]

Биохимия

Природное разнообразие из нескольких аминокислот

Известно, что около 132 различных глюкозинолатов встречаются в растениях в природе. Они биосинтезируются из аминокислот : так называемые алифатические глюкозинолаты, полученные главным образом из метионина , а также аланина , лейцина , изолейцина или валина . (Большинство глюкозинолатов на самом деле происходят из гомологов этих аминокислот с удлиненной цепью, например, глюкорафанин происходит из дигомометионина, цепь которого удлиняется дважды по метионину.) Ароматические глюкозинолаты включают индольные глюкозинолаты, такие как глюкобрассицин , полученные из триптофана , и другие из фенилаланина , его гомолог с удлиненной цепью гомофенилаланин и синалбин , производный тирозина . [4]

Биосинтетический путь

Полные детали последовательности реакций, превращающих отдельные аминокислоты в соответствующие глюкозинолаты, изучены у кресс-салата Arabidopsis thaliana . [9] [5]

Используется последовательность из семи этапов, катализируемых ферментами. Атом серы включается из глутатиона (GSH), а сахарный компонент добавляется к полученному тиоловому производному с помощью гликозилтрансферазы перед заключительной стадией сульфирования . [10]

Ферментативная активация

Растения содержат фермент мирозиназу , которая в присутствии воды отщепляет группу глюкозы от глюкозинолата. [11] Оставшаяся молекула затем быстро превращается в изотиоцианат , нитрил или тиоцианат ; это активные вещества, которые служат защитой растения. Глюкозинолаты также называют гликозидами горчичного масла . Стандартный продукт реакции — изотиоцианат (горчичное масло); два других продукта в основном возникают в присутствии специализированных растительных белков, которые изменяют результат реакции. [12]

Гликозид горчичного масла 1 превращается в изотиоцианат 3 (горчичное масло). Глюкоза 2 также высвобождается, показана только β-форма. – R = аллил , бензил , 2-фенилэтил и т. д. [5]

В химической реакции, проиллюстрированной выше, красные изогнутые стрелки в левой части рисунка упрощены по сравнению с реальностью, поскольку не показана роль фермента мирозиназы. Однако показанный механизм в основном соответствует реакции, катализируемой ферментами.

Напротив, ожидается, что реакция, показанная красными изогнутыми стрелками в правой части рисунка, изображающая перестановку атомов, приводящую к образованию изотиоцианата, будет неферментативной. Этот тип перегруппировки можно назвать перегруппировкой Лоссена или перегруппировкой Лоссена , поскольку это название впервые было использовано для аналогичной реакции, приводящей к органическому изоцианату (RN=C=O).

Чтобы предотвратить повреждение самого растения, мирозиназа и глюкозинолаты хранятся в отдельных отсеках клетки или в разных клетках ткани и объединяются только или главным образом в условиях физического повреждения (см. Мирозиназа ).

Биологические эффекты

Люди и другие млекопитающие

Токсичность

Использование культур, содержащих глюкозинолат, в качестве основного источника пищи для животных может иметь негативные последствия, если концентрация глюкозинолата превышает допустимую для данного животного, поскольку было показано, что некоторые глюкозинолаты оказывают токсическое действие (в основном как зобогенное и антигенное действие) . -тиреоидные средства ) у домашнего скота в высоких дозах. [13] Однако уровень толерантности к глюкозинолатам варьируется даже в пределах одного и того же рода (например, Acomys cahirinus и Acomys russatus ). [14]

Диетические количества глюкозинолата не токсичны для человека при нормальном потреблении йода. [15]

Вкус и пищевое поведение

Было показано, что глюкозинолат синигрин , среди прочего, ответственен за горечь вареной цветной и брюссельской капусты . [1] [16] Глюкозинолаты могут изменить пищевое поведение животных. [17]

Исследовать

Изотиоцианаты , образующиеся из глюкозинолатов, находятся в стадии лабораторных исследований с целью оценки экспрессии и активации ферментов, которые метаболизируют ксенобиотики , такие как канцерогены . [18] Были проведены наблюдательные исследования , чтобы определить, влияет ли потребление овощей семейства крестоцветных на риск рака у людей, но, согласно обзору 2017 года, недостаточно клинических доказательств того, что употребление изотиоцианатов в овощах семейства крестоцветных полезно. [18]

Насекомые

Глюкозинолаты и их продукты оказывают негативное воздействие на многих насекомых в результате сочетания отпугивающего действия и токсичности. В попытке применить этот принцип в агрономическом контексте некоторые продукты, полученные из глюкозинолатов, могут служить антифидантами , то есть природными пестицидами . [19]

Напротив, ромбовидная моль , вредитель крестоцветных растений, может распознавать присутствие глюкозинолатов, что позволяет ей идентифицировать подходящее растение-хозяин. [20] Действительно, характерная специализированная фауна насекомых обнаружена на растениях, содержащих глюкозинолат, включая бабочек, таких как большая белая , маленькая белая и оранжевая верхушка , а также некоторых тлей, бабочек, таких как южный совок , пилильщики и блошки . [ нужна цитация ] Например, большая белая бабочка откладывает яйца на этих глюкозинолатсодержащих растениях, а личинки выживают даже при высоких уровнях глюкозинолатов и поедают растительный материал, содержащий глюкозинолаты. [21] Белые и оранжевые кончики содержат так называемый белок-спецификатор нитрила, который направляет гидролиз глюкозинолата в сторону нитрилов , а не в сторону реактивных изотиоцианатов . [22] Напротив, ромбовидная моль обладает совершенно другим белком, глюкозинолатсульфатазой, которая десульфатирует глюкозинолаты, тем самым делая их непригодными для разложения мирозиназой до токсичных продуктов . [23]

Другие виды насекомых (специализированные пилильщики и тли) секвестрируют глюкозинолаты. [24] У специализированных тлей, но не у пилильщиков, в мышечной ткани обнаруживается особая животная мирозиназа, что приводит к деградации секвестрированных глюкозинолатов при разрушении тканей тли. [25] Эта разнообразная группа биохимических растворов одного и того же растительного химического вещества играет ключевую роль в эволюции взаимоотношений растений и насекомых. [26]

Индуцированное производство

Растения производят глюкозинолаты в ответ на степень травоядности . Их производство в зависимости от концентрации CO 2 в атмосфере является сложным: увеличение CO 2 может привести к увеличению, снижению или неизменению производства, и у Brassicales могут возникнуть генетические вариации. [27] [28]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc Исида М., Хара М., Фукино Н., Какидзаки Т., Моримицу Ю. (май 2014 г.). «Метаболизм глюкозинолатов, функциональность и селекция для улучшения овощей Brassicaceae». Селекционная наука . 64 (1): 48–59. дои : 10.1270/jsbbs.64.48. ПМК  4031110 . ПМИД  24987290.
  2. ^ Родман Дж. Э., Карол К. Г., Прайс Р. А., Сицма К. Дж. (1996). «Молекулы, морфология и расширенный порядок Дальгрена Capparales». Систематическая ботаника . 21 (3): 289–307. дои : 10.2307/2419660. JSTOR  2419660.
  3. ^ Фэйи, Джед В.; Зальцманн, Эми Т.; Талалай, Пол (2001). «Химическое разнообразие и распределение глюкозинолатов и изотиоцианатов среди растений». Фитохимия . 56 (1): 5–51. Бибкод : 2001PChem..56....5F. дои : 10.1016/S0031-9422(00)00316-2. ПМИД  11198818.
  4. ^ abcd Агербирк Н., Олсен CE (май 2012 г.). «Глюкозинолатные структуры в эволюции». Фитохимия . 77 : 16–45. Бибкод : 2012PChem..77...16A. doi :10.1016/j.phytochem.2012.02.005. ПМИД  22405332.
  5. ^ abcde Блажевич, Ивица; Монто, Сабина; Бурчул, Франко; Олсен, Карл Эрик; Буроу, Майке; Роллин, Патрик; Агербирк, Нильс (2020). «Структурное разнообразие, идентификация, химический синтез и метаболизм глюкозинолатов у растений». Фитохимия . 169 : 112100. Бибкод : 2020PChem.169k2100B. doi : 10.1016/j.phytochem.2019.112100 . PMID  31771793. S2CID  208318505.
  6. ^ Аб Бенн, Миннесота; Эттлингер, М.Г. (1965). «Синтез синигрина». Химические коммуникации (19): 445. doi : 10.1039/C19650000445.
  7. ^ Васер, Юрг; Уотсон, Уильям Х. (1963). «Кристаллическая структура Синигрина». Природа . 198 (4887): 1297–1298. Бибкод : 1963Natur.198.1297W. дои : 10.1038/1981297b0. S2CID  4187013.
  8. ^ Марш, RE; Васер, Дж. (1970). «Уточнение кристаллической структуры синигрина». Acta Crystallographica Раздел B Структурная кристаллография и кристаллохимия . 26 (7): 1030–1037. Бибкод : 1970AcCrB..26.1030M. дои : 10.1107/S0567740870003539.
  9. ^ Сёндерби, Ида Э.; Геу-Флорес, Фернандо; Халкиер, Барбара А. (2010). «Биосинтез глюкозинолатов - открытие генов и не только». Тенденции в науке о растениях . 15 (5): 283–290. doi :10.1016/j.tplants.2010.02.005. ПМИД  20303821.
  10. ^ Петерсен, Аннетт; Кроколл, Кристоф; Халкиер, Барбара Энн (2019). «Производство бензилглюкозинолата de novo в Escherichia coli». Метаболическая инженерия . 54 : 24–34. дои : 10.1016/j.ymben.2019.02.004 . PMID  30831267. S2CID  73475853.
  11. ^ Бонгони Р., Веркерк Р., Стенбеккерс Б., Деккер М., Штигер М. (сентябрь 2014 г.). «Оценка различных условий приготовления брокколи (Brassica oleracea var. italica) для повышения пищевой ценности и признания потребителями». Растительные продукты для питания человека . 69 (3): 228–234. дои : 10.1007/s11130-014-0420-2. PMID  24853375. S2CID  35228794.
  12. ^ Буров М., Бергнер А., Гершензон Дж., Уиттсток Ю. (январь 2007 г.). «Глюкозинолат-гидролиз в Lepidium sativum - идентификация тиоцианат-образующего белка». Молекулярная биология растений . 63 (1): 49–61. дои : 10.1007/s11103-006-9071-5. PMID  17139450. S2CID  22955134.
  13. ^ «Растения, ядовитые для домашнего скота: глюкозинолаты (зобогенные гликозиды)» . Корнелльский университет, факультет зоотехники. 10 сентября 2015 года . Проверено 16 августа 2018 г.
  14. ^ Самуни-Бланк М., Арад З., Диринг М.Д., Герхман Ю., Карасов В.Х., Ижаки И. (2013). «Друг или враг? Несопоставимые взаимодействия растений и животных двух родственных грызунов». Эволюционная экология . 27 (6): 1069–1080. Бибкод : 2013EvEco..27.1069S. doi : 10.1007/s10682-013-9655-x. S2CID  280376.
  15. ^ «Крестоцветные овощи». Институт Лайнуса Полинга . 28 апреля 2014 г. Архивировано из оригинала 13 сентября 2023 г. . Проверено 27 августа 2023 г. Однако повышенное воздействие ионов тиоцианата при потреблении крестоцветных овощей или, чаще, при курении сигарет, по-видимому, не увеличивает риск гипотиреоза, если только оно не сопровождается дефицитом йода. Одно исследование на людях показало, что потребление 150 г вареной брюссельской капусты в день (5 унций/день) в течение четырех недель не оказало вредного воздействия на функцию щитовидной железы (56). Аналогичным образом, потребление большого количества овощей семейства крестоцветных было связано с повышенным риском рака щитовидной железы только в районах с дефицитом йода (57).
  16. ^ Ван Доорн HE, Ван дер Крук GC, ван Холст GJ, Raaijmakers-Ruijs NC, Postma E, Groeneweg B, Jongen WH (1998). «Глюкозинолаты синигрин и прогоитрин являются важными определяющими вкусовыми предпочтениями и горечью брюссельской капусты». Журнал науки о продовольствии и сельском хозяйстве . 78 : 30–38. doi :10.1002/(SICI)1097-0010(199809)78:1<30::AID-JSFA79>3.0.CO;2-N.
  17. ^ Самуни-Бланк М., Ижаки И., Диринг М.Д., Герчман Ю., Трабельси Б., Лотан А., Карасов В.Х., Арад З. (июль 2012 г.). «Внутривидовое направленное сдерживание с помощью бомбы с горчичным маслом на заводе в пустыне». Современная биология . 10 (22): 1218–1220. дои : 10.1016/j.cub.2012.04.051 . ПМИД  22704992.
  18. ^ аб «Изотиоцианаты». Информационный центр по микроэлементам, Институт Лайнуса Полинга, Университет штата Орегон. 1 апреля 2017 года . Проверено 26 июня 2022 г.
  19. ^ Фурлан Л., Бонетто С., Финотто А., Лаццери Л., Малагути Л., Паталано Г., Паркер В. (2010). «Эффективность биофумигантов и растений для борьбы с популяциями проволочников». Технические культуры и продукты . 31 (2): 245–254. дои : 10.1016/j.indcrop.2009.10.012.
  20. ^ Баденес-Перес Ф.Р., Райхельт М., Гершензон Дж., Хекель Д.Г. (январь 2011 г.). «Расположение глюкозинолатов в филлоплане у видов Barbarea (Brassicaceae) и вводящая в заблуждение оценка пригодности хозяина специалистом-травоядным». Новый фитолог . 189 (2): 549–556. дои : 10.1111/j.1469-8137.2010.03486.x . ПМИД  21029103.
  21. ^ Дэвид, WAL; Гардинер, БОК (1962). «Откладка яиц и вылупление яиц Pieris Brassicae (L.) в лабораторной культуре». Бюллетень энтомологических исследований . 53 : 91–109. дои : 10.1017/S0007485300047982.
  22. ^ Уиттсток Ю, Агербирк Н., Стаубер Э.Дж., Олсен К.Э., Хипплер М., Митчелл-Олдс Т. и др. (апрель 2004 г.). «Успешная атака травоядных животных за счет метаболического отклонения химической защиты растений». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (14): 4859–4864. Бибкод : 2004PNAS..101.4859W. дои : 10.1073/pnas.0308007101 . ПМЦ 387339 . ПМИД  15051878. 
  23. ^ Рацка А., Фогель Х., Клибенштейн DJ, Митчелл-Олдс Т., Кройманн Дж. (август 2002 г.). «Обезвреживание бомбы с горчичным маслом». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (17): 11223–11228. Бибкод : 2002PNAS...9911223R. дои : 10.1073/pnas.172112899 . ПМЦ 123237 . ПМИД  12161563. 
  24. ^ Мюллер С., Агербирк Н., Олсен С.Э., Боеве Дж.Л., Шаффнер Ю., Брейкфилд П.М. (декабрь 2001 г.). «Секвестрация глюкозинолатов растения-хозяина в защитной гемолимфе пилильщика Athalia rosae». Журнал химической экологии . 27 (12): 2505–2516. дои : 10.1023/А: 1013631616141. PMID  11789955. S2CID  24529256.
  25. ^ Бриджес М., Джонс А.М., Боунс А.М., Ходжсон С., Коул Р., Бартлет Э. и др. (январь 2002 г.). «Пространственная организация глюкозинолат-мирозиназной системы у специализированной тли Brassica аналогична организации растения-хозяина». Слушания. Биологические науки . 269 ​​(1487): 187–191. дои :10.1098/рспб.2001.1861. ПМК 1690872 . ПМИД  11798435. 
  26. ^ Пшеница CW, Фогель Х, Уиттсток Ю, Браби МФ, Андервуд Д, Митчелл-Олдс Т (декабрь 2007 г.). «Генетическая основа ключевой коэволюционной инновации растений и насекомых». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (51): 20427–20431. Бибкод : 2007PNAS..10420427W. дои : 10.1073/pnas.0706229104 . ПМК 2154447 . ПМИД  18077380. 
  27. ^ Бидар-Буза, М. Габриэла; Имех-Натаниэль, Адебобола (2008). «Влияние глобальных изменений на химическую защиту растений от насекомых-травоядных». Журнал интегративной биологии растений . 50 (11): 1339–1354. дои : 10.1111/j.1744-7909.2008.00751.x . ПМИД  19017122.
  28. ^ Завала Дж.А., Набити ПД, ДеЛюсия Э.Х. (7 января 2013 г.). «Новое понимание механизмов, регулирующих травоядность насекомых при повышенном уровне CO 2 ». Ежегодный обзор энтомологии . Ежегодные обзоры . 58 (1): 79–97. doi : 10.1146/annurev-ento-120811-153544. hdl : 11336/26301 . ПМИД  22974069.

Внешние ссылки