Metabolity wtórne

Wyróżnia się dwie grupy związków chemicznych syntezowanych przez porosty, metabolity pierwotne oraz wtórne. Pierwsze z nich są produktami metabolizmu podstawowego wytwarzanymi niespecyficznie wewnątrz komórek obu partnerów, ale też w organizmach niebędących porostami. Do tej grupy związków należą białka, aminokwasy, polisacharydy, polialkohole i witaminy. Niemniej jednak znaczna więk-szość związków organicznych znalezionych w obrębie plech porostów należy do drugiej grupy związków, metabolitów wtórnych wytwarzanych przez komponent grzybowy.

Rozmieszczone są przeważnie na powierzchni strzępek grzyba i mają hydrofobowy charakter. Mogą stanowić nawet 30% suchej masy plechy [14]. Dotychczas opisano już ponad 1000 tych związków. Pomimo ich grzybowego pochodzenia, zaledwie 100 z nich zostało zidentyfikowanych w grzybach niezlichenizowanych [15, 16].

Większość metabolitów wtórnych, zarówno roślin jak i grzybów, powstaje jako produkty kilku charakterystycznych szlaków (rys. 3). Jednym z nich jest szlak poli-ketydowy, zwany również acetylo-polimalonylowym ze względu na rolę acetylo-CoA oraz malonylo-CoA jako głównych prekursorów syntezy. Innymi ważnymi szlakami, na których powstają metabolity wtórne, to szlaki szikimowy i mewalonowy [2].

Pionierskie grzyby zlichenizowane, czyli porosty jako samowystarczalne źródło unikalnych metabolitów wtórnych

Rysunek 3. Schemat ścieżek metabolizmu wtórnego prowadzących do poszczególnych klas związków [opracowanie własne]

2.1. Produkty szlaku poliketydowego

Związki będące produktami szlaku poliketydowego są powszechne u różnych grup organizmów, w tym bakterii, grzybów, roślin wyższych, a także przedstawicieli królestwa zwierząt takich jak gąbki, owady i mięczaki. Powstają w obecności dużych komp-leksów enzymatycznych z grupy syntaz poliketydowych PKS (polikethyde synthase).

Te kompleksy posiadają dwa miejsca wiążące: kwas fosfopantoteinowy i resztę cystyny.

Synteza polega na wydłużaniu łańcucha powstającego z jednostek acylo-CoA, którymi mogą być acetylo-CoA, propionylo-CoA oraz malonylo-CoA i jego pochodne. Proces zachodzi na drodze dekarboksylacyjnej kondensacji i przypomina biosyntezę kwasów tłuszczowych. Zasadniczą różnicę stanowi różnorodność jednostek inicjujących reakcję oraz wydłużających łańcuch w szlaku poliketydowym. Dla biosyntezy kwasów tłuszczo-wych te dwie rolę pełni odpowiednio acetylo-CoA i malonylo-CoA. W końcowym etapie syntezy poliketydów łańcuch ulega licznym modyfikacjom, w tym cyklizacji, utlenianiu, redukcji i wprowadzaniu rozmaitych podstawników [2].

2.1.1. Alifatyczne kwasy tłuszczowe i ich pochodne

Niektóre produkty szlaku poliketydowego ulegają przekształceniom na drodze cyklu kwasów trikarboksylowych dając wyższe kwasy karboksylowe. Reprezentacja tych związków w porostach nie jest szczególnie liczna. Pojawiają się w obrębie plechy rzadko, w stosunku do częstości występowania u innych grup organizmów. Do przykładów alifatycznych metabolitów wtórnych należy: aspicylina, kwas akarenowy, kwas kaperatowy, kwas protolichesterinowy, czy kwas rokcellowy [2, 17].

Klaudia Staśkiewicz, Anna Szakiel

2.1.2. Aromatyczne pochodne jednego łańcucha poliketydowego

Znaczną większość metabolitów wtórnych stanowią związki aromatyczne. Spośród nich wyróżnić można grupę związków powstałych w wyniku modyfikacji pojedynczego łańcucha poliketydowego. Najczęściej ulega on wewnątrzcząsteczkowej cyklizacji, utlenianiu, redukcji, dehydratacji i przyłączaniu różnych podstawników. Otrzymane w ten sposób substancje nie są specyficzne wyłącznie dla porostów, a ich analogi lub związki identyczne spotyka się powszechnie u grzybów niezlichenizowanych i roślin wyższych [2, 17]. Należą do nich:

 antrachinony;

 naftachinony;

 ksantony;

 kromony.

Antrachinony, czyli pochodne antracenu o szkielecie 9,10-antrachinonu o rozmaitych podstawnikach, takich jak grupy hydroksylowe, aminowe, sulfonowe, alkilowe, czy eterowe. Większość antrachinonów to żółte kryształy słabo rozpuszczalne w wodzie o właściwościach przeczyszczających i toksycznych. Wśród nich stwierdzono również wiele substancji o działaniu farmakologicznym. Jednym z najlepiej opisanych antra-chinonów występujących w porostach jest parietyna znajdująca się w górnych warstwach plechy porostów o żółtym zabarwieniu, przede wszystkim zaś w złotoroście ściennym Xanthoria parietina (rys. 1), od którego nazwy gatunkowej wywodzi się nazwa tej substancji. Innymi związkami z tej grupy znajdowanymi w plechach porostów są chryzofanol, emodyna, endokrokina, fallacynal, ksantoryna, kwas parietynowy, teloschistyna i wiele innych [2, 17, 18].

Nieco podobne do antrachinonów, lecz pozbawione jednego z pierścieni aroma-tycznych są naftachinony, pochodne naftalenu o szkielecie 1,2-naftachinonu lub 1,4-naftachinonu. Reprezentacja tej grupy związków jest niewielka, jednak w ostatnim czasie identyfikuje się ich coraz więcej. Do przykładów należą: trypetelon, trypete-lonamid, metoksytrypetelon, fenalenon i ich pochodne [19-21].

Liczniej występują ksantony, które od antrachinonów różnią się atomem tlenu zastępującym atom węgla naprzeciwko grupy ketonowej w szkielecie. W przeci-wieństwie do ksantonów obecnych w grzybach niezlichenizowanych, te znajdujące się w porostach często posiadają w cząsteczce atomy chloru jako podstawniki, przykładem jest artotelina. Do lepiej poznanych ksantonów należy licheksanton, norlicheksanton i winetoryna [17].

Inną, nielicznie reprezentowaną wśród porostów grupę tego typu metabolitów stanowią kromony, czyli pochodne benzopiranu o szkielecie benzopiran-4-onu, izomeru kumaryny. Jako przykłady podaje się syfulinę i kwas leprarowy. Związki z tej grupy często występują w postaci glikozydów, jest tak w przypadku rokcelliny, czy galapaginy.

Kromony to substancje o stwierdzonych bardzo wielu aktywnościach biologicznych [22, 23].

2.1.3. Aromatyczne pochodne więcej niż jednego łańcucha poliketydowego

Inną grupą metabolitów wtórnych są związki aromatyczne powstałe w wyniku modyfikacji i połączenia więcej niż jednego łańcucha poliketydowego. Ich budowa opiera się na jednostkach pochodnych kwasów fenolowych połączonych w dwu- lub

Pionierskie grzyby zlichenizowane, czyli porosty jako samowystarczalne źródło unikalnych metabolitów wtórnych

trójczłonowe struktury wiązaniami estrowymi, eterowymi i węgiel-węgiel. Jedno-stkami są głównie cząsteczki kwasu orselinowego i β-orselinowego powstałych na drodze szlaku poliketydowego i następującej po nim kondensacji, często aldolowej lub Claisena. W wyniku łączenia tych struktur powstaje szeroka gama związków złożonych z więcej niż jednego łańcucha poliketydowego, których część charakterystyczna jest wyłącznie dla porostów. Należą do nich depsydy, tridepsydy, depsony, depsydony, estry benzylowe, etery difenylowe, dibenzofurany oraz kwas usninowy i jego pochodne.

Przykładami najintensywniej badanych substancji są: atranoryna, kwas barbatowy (para-depsydy), kwas gyroforowy (tridepsyd), kwas fyzodowy i kwas norstiktowy (depsydony) oraz kwas usninowy. Ten ostatni jest jednocześnie najlepiej poznanym i najbardziej charakterystycznym dla porostów metabolitem wtórnym [17].

2.2. Produkty szlaku mewalonowego

Metabolity wtórne będące produktami szlaku mewalonowego zbiorczo nazywa się izoprenoidami, jako że są one zbudowane z jednostek pięciowęglowego związku dwunienasyconego, izoprenu (-C5H8). Oprócz tego izoprenoidy mogą powstawać też w wyniku innych przemian metabolicznych, głównie na drodze szlaku metyloerytrytolu fosforanu (MEP) zwanego też szlakiem Rohmera. Nie stwierdzono go dotychczas u porostów [24]. Przebieg obu tych szlaków prowadzi do powstania difosforanu izopentynylu (IPP) i jego izomeru difosforanu dimetyloallilu (DMAPP). W przypadku szlaku mewalonowego jako substrat wykorzystywany jest acetylo-CoA. Powstaje z niego 3-hydroksy-3-metyloglutarylo-CoA, który następnie redukowany jest do kwasu mewalonowego. Ten ulega podwójnej fosforylacji, dekarboksylacji i redukcji dając IPP. W wyniku dalszych przemian tego prekursora, mianowicie kondensacji jednostek na sposób głowa-ogon lub ogon-ogon, powstaje szeroka różnorodność związków izoprenoidowych o liczbie atomów węgla będącą wielokrotnością 5, są to zatem związki C5, C10, C15, a nawet C20000 w przypadku kauczuku. Często produkty szlaku mewa-lonowego są dzielone na trzy grupy: terpeny, karoteny i sterole. Ostatnim wspólnym etapem syntezy jest utlenianie skwalenu do 2,3-oksydoskwalenu [17, 25, 26].

2.2.1. Terpenoidy

Najliczniej reprezentowaną kategorią naturalnie występujących u żywych orga-nizmów związków organicznych określane są terpeny i ich pochodne zawierające dodatkowe grupy hydroksylowe, karbonylowe i karboksylowe, terpenoidy. Do tej pory opisano ponad 40 000 tych struktur [26]. Ze względu na liczbę atomów węgla w cząsteczce dzieli się je na hemiterpeny (C5), monoterpeny (C10), seskwiterpeny (C15), diterpeny (C20), triterpeny (C30), tetraterpeny (C40), pentaterpeny (C50) i politerpeny (C5n). Często terpenoidy występują w postaci glikozydów. W porostach znaleziono diterpeny, triterpeny i tetraterpeny, przy czym te ostatnie znane są jako karoteny i stanowią produkty metabolizmu pierwotnego [27, 28]. Kolejne badania wykazały również obecność monoterpenów, seskwiterpenów [29], a nawet rzadko spotykanych sesterterpenów (C25) w obrębie plech niektórych gatunków porostów [30]. Dotychczas opisano ponad 70 tych substancji wśród porostów [17, 29- 32], przy czym przewiduje się istnienie znacznie większej ich liczby, ze względu na rozmaite profile enzymatyczne odpowiadające za syntezę niewykrytych jeszcze związków, co ukazują ostatnie badania obejmujące sekwencjonowanie genomu Cladonia uncialis w celu analizy

Klaudia Staśkiewicz, Anna Szakiel

metabolomu tego gatunku porosta [33]. Wiele terpenoidów opisanych dla porostów są dla nich specyficzne, przykładowo permelabdon u Parmelia perlata [31]. Inne występują powszechnie u roślin wyższych, grzybów niezlichenizowanych, czy zwierząt, jak w przypadku bufotaliny znalezionej u porosta Brachythecium velutinum [32] i w skórze ropuchy Bufo bufo, a także kwasu ursolowego, który wyekstrahować można zarówno z plechy Ramalina hierrensis jak i z roślin wyższych, przykładowo z owoców borówki brusznicy Vaccinium vitis-idaea [34]. Najpowszechniejszym i najlepiej poznanym terpenoidem typowym dla świata porostów jest zeoryna [14, 27].

2.2.2. Steroidy

Podobnie jak terpenoidy, steroidy są bardzo powszechnymi i aktywnymi biolo-gicznie metabolitami porostów, choć nie stanowią tak licznej grupy związków jak poprzednio omówiona. Często uznaje się je jako metabolity pierwotne ze względu na ich obecność w błonach komórkowych obu komponentów, jednak w wielu opraco-waniach podawane są jako produkty metabolizmu wtórnego. Powstają w wyniku cyklizacji 2,3-oksydoskwalenu. W plechach najczęściej stwierdza się obecność ergosterolu, fungisterolu, lichesterolu, β-sitosterolu i brassikasterolu. Ergosterol stanowi główną barierę między grzybową błoną komórkową a otoczeniem [17, 35].

2.3. Produkty szlaku szikimowego

Szlak szikimowy jest jedyną znaną drogą biosyntezy aminokwasów aromatycznych:

fenyloalaniny, tyrozyny i tryptofanu. Biosynteza rozpoczyna się od dwóch substratów, fosfoenolopirogronianu (PEP) uzyskanego z glikolizy oraz erytrozo-4-fosforanu, jednego z produktów szlaku pentozofosforanowego. Są one przekształcane w siedmiu etapach, z kwasem szikimowym jako produktem pośrednim, do choryzmianu będącego prekursorem zarówno aminokwasów aromatycznych, jak i wielu metabolitów wtórnych.

Te powstające w porostach syntezowane są w wyniku przekształcenia choryzmianu do fenylopirogronianu, który następnie jest przekształcany w terfenylchinony lub fenylo-alaninę, a z nich powstaje kwas pulwinowy i jego pochodne [36].

Zaobserwowano, że wśród rodzajów porostów zawierających w obrębie plechy przedstawicieli Cyanobacteria częściej zachodzi biosynteza kwasu pulwinowego i jego pochodnych. Najprawdopodobniej jest to związane z ich lepszym dostępem do przyswajalnego źródła azotu za sprawą wiążących ten gaz sinic. Pomimo, że końcowe produkty często nie zawierają atomu azotu w cząsteczce, jest on niezbędny do przeprowadzenia etapów pośrednich biosyntezy [17].

Szeroko rozpowszechnionymi wśród porostów produktami szlaku szikimowego są terfenylchinony powstające w wyniku kondensacji dwóch cząsteczek fenylo-pirogronianu. Poznano jedynie dwa związki z tej grupy: kwas poliporowy i teleforowy.

Oba spotykane są w grzybach niezlichenizowanych, nie są zatem charakterystyczne wyłącznie dla porostów [35].

Również powszechne i nieco bardziej liczne wśród porostów są pochodne kwasu pulwinowego. Powstają one w wyniku przekształceń fenyloalaniny bądź ter fenyl-chinonów, także w grzybach niezlichenizowanych. Do przykładów oprócz samego kwasu pulwinowego należy kwas wulpinowy i kwas ryzokarpowy [17, 35].

Pionierskie grzyby zlichenizowane, czyli porosty jako samowystarczalne źródło unikalnych metabolitów wtórnych

W dokumencie Osiągnięcia, wyzwania oraz problemy nauk przyrodniczych i medycznych (Stron 176-181)