Sekundarni metabolit

Većina sekundarnih metabolita od interesa za čovječanstvo svrstavaju se u kategorije koje klasificiraju sekundarne metabolite na osnovu njihovog biosintetskog porijekla. Budući da su sekundarni metaboliti često stvoreni u modificiranim sintazama primarnog metabolizma ili "posuđivanjem" supstrata primarnometabolitskog porijekla, ove kategorije ne bi se trebale tumačiti kao da su sve molekule iz kategorije sekundarni metaboliti (naprimjer, kategorija steroida), već da u tim kategorijama postoje sekundarni metaboliti.

Biljke su sposobne da proizvode i sintetiziraju različite grupe organskih spojeva u dvije glavne grupe: primarni i sekundarni metaboliti. Sekundarni metaboliti su metabolički intermedijari ili proizvodi koji nisu bitni za rast i život biljaka koje ih proizvode, ali su prijeko potrebni za interakciju biljaka sa okolinom i proizvedeni kao odgovor na stres. Njihova antibiotska, antigljivična i antivirusna svojstva štite biljku od patogena. Neki sekundarni metaboliti, kao što je fenilpropanoid, štite biljke od UV oštećenja.^[8]

Biološki učinci biljnih sekundarnih metabolita na ljude poznati su od davnina. Biljka pelin, vrsta Artemisia annua, koja sadrži artemizinin, široko se koristi u kineskoj tradicijskoj medicini od prije više od dvije huljade godina. Biljni sekundarni metaboliti klasificiraju se po svojoj hemijskoj strukturi i mogu se podijeliti u četiri glavne klase:

• terpeni,
• fenoli,
• glikozidi i
• alkaloidi.^[9]

• Terpeni predstavljaju veliku klasu prirodnih proizvoda koji su sačinjeni od izoprenskih jedinica. To su samo ugljikovodici, a terpenoidi su ugljikovodici sa kisikom. Opća molekulska formula terpena je uvišestručavajuća (C₅H₈)_{n ,} gdje je n broj povezanih izoprenskih jedinica. Stoga se terpeni nazivaju i izoprenoidnim spojevima. Klasifikacija se zasniva na broju izoprenskih jedinica koje su prisutne u njihovoj strukturi.

• Fenolni hemijski spoj je onaj koji karakterizira prisustvo aromatske prstenaste strukture sa jednom ili više hidroksilnih grupa. Fenoli su najzastupljeniji sekundarni metaboliti biljaka, u rasponu od jednostavnih molekula poput fenolne kiseline do visoko polimeriziranih tvari poput tanina. Klase fenolnih kiselina obilježene su na osnovu njihovog osnovnog skeleta.

• Glkozid je molekula u kojoj je ugljikohidrat glikozidnom vezom vezan na ostatak koji ne sadrži ugljikohidrate sa hidroksilnom grupom. Šećer koji se najčešće nalazi u glikozidima je glukoza. Među raznolikom skupinom glikozida tri su najvažnija. To su saponini, srčani glikozidi i cijanogeni glikozidi.
• Alkaloidi su raznolika grupa osnovnih spojeva koji sadrže dušik. Obično se dobijaju iz biljnih izvora i sadrže jedan ili više dušikovih atoma. Hemijski su jako heterogeni. Na osnovu hemijskih struktura mogu se svrstati u dvije široke kategorije:
  • Neheterociklični ili atipski alkaloidi, naprimjer hordein ili N-metiltiramin, kolhicin i taksol;
  • Heterociklični ili tipski alkaloidi, naprimjer kinin, kofein i nikotin

Proizvodnja sekundarnih metabolita kod bakterija započinje u stacionarnoj fazi, kao posljedica nedostatka hranjivih sastojaka ili kao odgovor na okolinski stres. Sinteza sekundarnih metabolita u bakterija nije od suštinskog značaja za njihov rast, ali im omogućuje bolju interakciju sa svojom ekološkom nišom. Glavni sintetski putevi proizvodnje sekundarnih metabolita u bakterijama su: b-laktamski, oligosaharidni, shikimatni, poliketidni i neribosomni put.^[10] Mnogi sekundarni metaboliti su toksični za sisare. Kada se izlučuju ti otrovni spojevi poznati su kao egzotoksini dok su oni koji se nalaze u ćelijskom zidu prokariota endotoksini.

Primjer bakterijskog sekundarnog metabolita s pozitivnim i negativnim učinkom na ljude je botulinski toksin koji sintetizira Clostridium botulinum. Taj se egzotoksin nagomilava u pogrešno konzerviranim namirnicama i kada se jelom blokira kolinergična neurotransmisija što dovodi do paralize mišića ili smrti. Međutim, botulin ima i višestruku medicinsku upotrebu, kao što je liječenje mišićne spastičnosti, migrena i u kozmetici.

Tri glavne klase sekundarnih gljivičnih metabolita su: poliketidi, neribosomni peptidi i terpeni. Iako gljivični SM nisu potrebni za rast, imaju ključnu ulogu u opstanku gljiva u njihovoj ekološkoj niši.^[11] Najpoznatiji sekundarni gljivični metabolit je penicilin kojeg je otkrio Alexander Fleming 1928. Kasnije 1945., Fleming je. zajedno s Ernsom Chainom i Howardom Floreyjem, dobio Nobelovu nagradu za svoje otkriće koje je bilo ključno u smanjenju broja umrlih u Drugom svjetskom ratu za preko 100.000.^[12]

Lovastatin je prvi sekundarni metabolit kojeg je odobrila FDA za snižavanje nivoa holesterola. Lovastatin se prirodno pojavljuje u niskim koncentracijama u Pleurotus ostreatus (gljivici na ostrigama),^[13] crveni kvasac riže^[14] i Pu-erh.^[15] Lovastatinski model djelovanja je konkurentna inhibicija HMG-CoA reduktaza, a enzim koji ograničava brzinu odgovoran je za pretvaranje HMG-Coa u mevalonat.

Također se zna da su gljivični sekundarni metaboliti opasni i za ljude. Claviceps purpurea, član grupe Ergot gljiva koja obično raste na raži, nakon konuumiranja, rezultira smrću. Nakupljanje otrovnih alkaloida pronađenih u Claviceps purpurea dovodi do simptoma kao što su napadi i grčevi, proliv, parestezija, svrbež, psihoza ili gangrena. Uklanjanje ergotnih tijela moguće je potapanjem u zasićenu slanu otopinu sa zdravim žitaricama koje potonu, a zaražene plutaju.^[16]

Većina polifenolnih hranljivih sastojaka biljnog porijekla mora proći crijevne transformacije, enzimima mikrobiote i enterocita, da bi se apsorbirali na razini enterocita i kolonocita. To stvara raznolike korisne efekte na potrošača, uključujući ogroman niz zaštitnih učinaka protiv virusa, bakterija i protozojskih parazita.^[17]

Sekundarni metaboliti također imaju snažan utjecaj na ljudsku hranu. Neki istraživači vjeruju da je određeni hlapljivi sekundarni metabolit odgovoran za ljudske prehrambene postavke koje se evolucijski mogu zasnovati u prehrani.^[18] Ovo interesantno područje nije temeljito istraženo, ali ima zanimljive implikacije na ljudske sklonosti. Mnogi sekundarni metaboliti pomažu biljci u dobijanju esencijalnih hranjivih sastojaka, poput dušika. Naprimjer, mahunarke koriste flavonoide za signalizaciju simbiotskih odnosa s bakterijama koje fiksiraju dušik (rizobij) povećajući unos dušika.^[7] Stoga, mnogi biljke sa sekundarnim metabolitima imaju veliku količinu hranjivih sastojaka i korisne su za ljudsku upotrebu.

Mnogi lijekovi koji se koriste u savremenoj medicini potiču iz biljnih sekundarnih metabolita.

Dva najčešće poznata terpenoida su artemisinin i taksol®. Artemisinin se široko koristio u tradicionalnoj kineskoj medicini, a kasnije ga je kineska naučnica Tu Youyou reotkrila kao snažan antimalarijski proizvod. Za to otkriće, dodijeljena joj je Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu, 2015. godine. Parazit malarije, Plasmodium falciparum, postao je otporan na artemisinin ako se uzima sam. Svjetska zdravstvena organizacija preporučuje njegovu upotrebu s drugim antimalarijskim lijekovima za uspješnu terapiju. Paclitaksel, aktivni sastojak koji se nalazi u taksolu je hemoterapijski lijek koji se koristi za liječenje mnogih oblika raka uključujući karcinom jajnika, karcinom dojke, karcinom pluća, Kaposhi sarkom, rak grlića maternice i karcinom gušterače.^[19] Taksol je prvi puta izoliran 1973., iz kore pacifičke tise.

I morfin i kodein pripadaju klasi alkaloida i potiču od opijumskih makova. Morfij je otkrio njemački farmaceut Friedrich Sertürner, 1804. Bio je to prvi aktivni alkaloid izvađen iz opijumskog maka. Najpoznatiji je po snažnim analgetskim efektima, ali se koristi i za liječenje kratkoće daha i liječenje ovisnosti o jačim opijatima kao što je heroin.^[20][21] Unatoč svojim pozitivnim djelovanjima na ljude, morfij ima vrlo jake štetne učinke, poput ovisnosti, neravnoteže hormona ili izazivanja zatvora.^[21][22] Zbog vrlo izražene ovisnosti, morfij je strogo kontrolirana supstanca u svijetu, a koristi se samo u vrlo teškim slučajevima u nekim zemljama koje ga potcjenjuju u odnosu na globalni prosjek zbog njegove društvene stigme.^[23]

Kodein, također alkaloid, dobijen iz opijumskog maka, prema Svjetskoj zdravstvenoj organizaciji, smatra se najčešće upotrebljavanim lijekom na svijetu. Prvi put ga je izolirao francuski hemičar Pierre Jean Robiquet, 1832., također poznat i po otkriću kofeina i široko korištenom crvenom bojilu alizarin.^[25] Primarno se koristi za liječenje blage boli i olakšavanje kašlja^[26] iako se u nekim slučajevima koristi i za liječenje dijareje i nekih oblika sindroma iritabilnog crijeva. Kodein ima jačinu 0,1-0,15 u odnosu na oralno uzeti morfij,^[27] pa ga je mnogo sigurnije koristiti. Iako se kodein može dobiti iz opijumskog maka, postupak nije ekonomski isplativ zbog malih količina čistog kodeina u biljci. Hemijski proces metilacije mnogo obimnijeg morfina glavni je metod proizvodnje.^[28]

Atropin je alkaloid koji je prvi put pronađen u Atropa belladonna, članu porodice Solanaceae. Čisti atropin prvi put je ekstrahiran u 19. stoljeću, ali njegova medicinska upotreba datira još iz četvrtog stolječa p. n. e., kada se koristio za rane, giht i nesanicu. Sada se atropin daje intravenski za liječenje bradikardije i kao antidot za trovanje organofosfatom. Predoziranje atropinom može dovesti do trovanja, što ima za posljedicu nuspojave kao zamagljen vid, mučnina, nedostatka znojenja, sušenje usta i tahikardija.^[29]

Resveratrol je flavinoid koji pripada porodici fenolnih spojeva. Visoko je prisutan u grpžđu, borovnicama, malinama i kikirikiju. Obično se koristi kao dodatak prehrani za produženje života i smanjenje rizika od raka i srčanih bolesti, iako ne postoje čvrsti dokazi koji bi to potvrdili.^[30][31] Unatoč nedostatku snažnih dokaza za upotrebu, resveratrolni flavonoidi u cjelini imaju korisne efekte na ljude. Naprimjer, određena istraživanja pokazala su da flavonoidi imaju izravno antibiotsko djelovanje.^[32] Brojna istraživanja in vitro i ograničena in vivo pokazala su da flavonoidi poput kvercetina imaju sinergističku aktivnost sa antibioticima i sposobni su suzbiti bakterijsko opterećenje.^[33]

Digoksin je srčani glikozid kojeg je William Withering prvi put dobio 1785. godine iz biljke Digitalis purpurea. Obično se koristi za liječenje srčanih stanja poput atrijalna fibrilacija, atrijalno drhtanje ili zatajenje srca.^[34] Međutim, digoksin može imati nuspojave kao što su mučnina, bradikardija, proliv ili čak aritmije opasne po život.

Selektivni uzgoj korišten je kao jedna od prvih biotehnoloških tehnika koja se koristi za smanjenje neželjenih sekundarnih metabolita u hrani, poput naringina koji uzrokuje gorčinu u grejpu.^[35] U nekim slučajevima, povećanje sadržaja sekundarnih metabolita u biljci je željeni ishod. Uobičajeno se to radi upotrebom tehnika kultura biljnog tkiva in vitro koje omogućavaju: kontrolu uslova rasta, ublažavanje sezonalnosti biljaka ili zaštitu od parazita i štetnih mikroba. Sinteza sekundarnih metabolita može se dalje poboljšati unošenjem elikatora u biljnu kulturu tkiva, kao što su jasmonska kiselina, UV-B ili ozon. Ovi spojevi induciraju stres, što dovodi do povećane proizvodnje biljnih sekundarnih metabolita.

Da bi dodatno povećali prinos sekundarnih metabolita razvijeni su novi pristupi. Novi pristup koji koristi Evolva uključuje rekombinantne sojeve kvasca S. cervisiae za proizvodnju sekundarnih metabolizera, koji se obično nalaze u biljkama. Prvi uspješni hemijski spoj sintetiziran s Evolvom bio je vanilin, koji se široko koristi u industriji prehrambenih pića kao aromatizer. Proces uključuje ubacivanje željenog gena sekundarnog metabolita u vještački hromosom u rekombinantnom kvascu, što dovodi do sinteze vanilina. Sada Evolva proizvodi širok spektar hemikalija poput stevia, resveratrola ili nootkatona.

Razvojem tehnologija rekombinih organizama, potpisan je 2010. godine protokol iz Nagoye o pristupu genetičkim resursima i pravednoj i pravičnoj podjeli koristi proisteklih iz njihove upotrebe po Konvenciji o biološkoj raznolikosti. Protokol regulira očuvanje i zaštitu genetičkih resursa radi sprječavanja eksploatacije manjih i siromašnijih zemalja. Ako genetički, proteinski ili resursi malih molekula dobiveni iz biodiverzitskih zemalja postanu profitabilni, uspostavila bi se kompenzacijska shema za zemlje porijekla.^[36]

• Alkaloidi (obično male, teško izvedene aminokiseline):
  • Hiosciamin, u Datura stramonium
  • Atropin, u Atropa belladonna
  • Koain, u Erythroxylum coca biljka Coca
  • Skopolamin, u porodici biljaka Solanaceae
  • Kodein i morfin, u Papaver somniferum,opijumski mak
  • Tetrodotoksin, mikrobni proizvod u gljiva i nekim salamanderima
  • Vincđkristin i vinblastin, inhibitor mitoze, i biljkama roda Vinca
• Terpenoidi (dolazi od semiterpena, oligomerizacijama):
  • Azadirahtin, indijska stablašica nim
  • Artemisinin, u Artemisia annua kineskom pelinu
  • Tetrahidrokanabinol, u kanabisu
  • Steroidi (terpeni s određenom strukturom prstena)
  • Saponini (biljni steroidi, često glikozilirani)
• Flavonoidi (ili bioflavonoidi; od latinske reči flavus što znači žuta, njihova boja u prirodi) su klasa biljnih i gljivičnih sekundarnih metabolita):
  • Izoflavonoid i neoflavonoidi, flavon, flavanoni
• Glikozidi (jako modificirane molekule šećera):
  • Nojirimicin
  • Glukozinolati
• Prirodni fenoli:
  • Resveratrol
• Fenazini:
  • Piocijanin
  • Fenazin-1-karboksilna kiselina (i njeni derivati)
• Bifenili i dibenzofurani su fitoaleksini grupe Pyrinae^[37]

• Poliketidi:
  • Eritromicin
  • Lovastatin i ostali statini
  • Discodermolid
  • Aflatoksin B1
  • Avermektin
  • Nistatin
  • Rifamicin
• Masna kiselina proizvodi sintaze:
  • Javsamicin (FR-900848)
  • U-106305
  • Floroglukinoli
• Neribosomni peptidi:
  • Vankomicin
  • Ramoplanin
  • Teikoplanin
  • Gramicidin
  • Bacitracin
  • Ciklosporin
  • Malacidin
• Ribosomski sintetizirani i posttralacijski modificirani peptidi:
  • Tiostrepton
• Hibridi gornja tri:
  • Epotilon
  • Polifenoli

• Ribosomni peptidi:
  • Mikrocin-J25

• Metabolizam
• Metabolit