CC BY
451
1 ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
УДК 582.29
А.И. Шербакова, А.В. Коптина, А.В. Канарский
Поволжский государственный технологический университет
Щербакова Анастасия Игоревна окончила в 2010 г. Марийский государственный технический университет, магистрант кафедры лесной селекции, недревесных ресурсов и биотехнологии Поволжского государственного технологического университета. Имеет 1 научныую работу в области изучения вторичного метаболизма растений и их биологической активности. E-mail: [email protected]
Коптина Анна Владимировна окончила в 2005 г. Казанский государственный технологический университет, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры лесной селекции, недревесных ресурсов и биотехнологии Поволжского государственного технологического университета. Имеет более 30 научных работ и 1 патент РФ в области технологии натуральных лекарственных веществ, изучения их биологической активности и механизма действия, иследования вторичного матаболизма растений, микроорганизмов и человека. E-mail: [email protected]
Канарский Альберт Владимирович родился в 1946 г., окончил в 1975 г. Ленинградскую лесотехническую академию, доктор технических наук, профессор кафедры лесной селекции, недревесных ресурсов и биотехнологии Поволжского государственного технологического университета. Имеет более 200 научных работ в области химической и биохимической технологии, получения и переработки целлюлозы, бумаги и картона, крахмала, адсорбентов и биологически активных веществ. E-mail: [email protected]
БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА ЛИШАЙНИКОВ *
Рассмотрены биологические особенности лишайников. Проведен анализ их биологического состава. Установлено, что лишайниковые вещества обладают широким спектром лекарственных свойств, включая противомикробные, противомикотические, противовирусные, противовоспалительные, обезболивающие, жаропонижающие,
*Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072013 годы» (государственные контракты № 16.552.11.7050 от 29 июля 2011 г. и № 16.552.11.7089 от 12 июля 2012 г.) с использованием оборудования ЦКП ЭБЭЭ ФГБОУ ВПО МарГТУ.
©Шербакова А.И., Коптина А.В., Канарский А.В., 2013
i tk
антипролиферативные и цитотоксические. Особый интерес представляет усниновая кислота, обладающая противораковой активностью.
Ключевые слова: лишайники, биоразнообразие, биологически активные вещества, биологическая активность.
Биологические особенности лишайников. Лишайники - это своеобразная группа живых организмов, тело (слоевище) которых образовано двумя организмами - микобионтом и фикобионтом, живущими в симбиозе. Мико-бионты лишайников представлены грибами, принадлежащими к классам ас-комицетов и базидиомицетов. В качестве фитобионтов выступают зеленые и желто-зеленые водоросли, реже - цианобактерии [5]. Дуалистическую природу лишайников открыл швейцарский ботаник Симон Швенденер в 1869 г. [3]. Симбиотические (мутуалистические) взаимоотношения между компонентами лишайников сводятся к тому, что фикобионт снабжает гриб созданными им в процессе фотосинтеза органическими веществами, а получает от него воду с растворенными минеральными солями. Кроме того, гриб защищает фико-бионт от высыхания [3]. Многие лишайниковые грибы и водоросли не живут в свободном состоянии [5]. Например, водоросль Trebouxia обнаруживается только в симбиозе с грибом. При этом лишайники отличаются от других групп организмов способами размножения, медленным ростом, отношением к экологическим условиям и др. [3], их метаболизм отличается от метаболизма его нелихенизированных компонентов [3, 5].
Благодаря своей способности расти на самых разнообразных субстратах лишайники широко распространены на земном шаре. Они встречаются почти во всех наземных экосистемах (почва, стволы деревьев, валуны и скалы). На сегодняшний день список лишайников насчитывает около 20 тыс. видов [3, 17], на территории России известно примерно 100 видов лишайников, не отмеченных в других странах [17].
В силу размеров территории Российской Федерации изучение лихенофлоры весьма затруднено и чаще носит региональный характер. К настоящему времени известно 3435 видов лишайников [17], их распространение по территории неравномерно. В центре Европейской равнины лишайники представлены 834 видами [17]. Например, биоразнообразие лишайников Кемеровской области определяется 1311 видами, Салаира - 671 видом, Красноярского края (Западный и Восточный Саяны) - 1318 видами, Республики Алтай - 1572 видами, Республики Хакасия -1272 видами, Республики Тыва - 1222 видами [14], Республики Марий Эл -394 видами (265 из них - на территориях НП «Марий Чодра» и заповедника «Большая Кокшага», 4 - занесены в Красную книгу РФ) [1]. В основном лишайники Марий Эл представлены родами Cladonia, Lecanora, Arthonia, Chaenotheca, Usnea, Bacidia, Peltigera, Caloplaca, Pertusaria, Bryoria, Melanelia [17].
Разнообразие лишайников велико, но, к сожалению, при рубке они являются отходами вместе с корой и ветвями. Однако лишайники с давних пор используются как лечебное средство, что обусловлено их биохимическим составом.
Биохимический состав лишайников. Основу оболочки гиф лишайников составляют углеводы, образующиеся при освобождении фотосинтетического углерода. В грибах данные углеводы превращаются в грибные полиолы -манит, арабит [5]. В гифах лишайников также обнаружены хитин (характерен для большинства грибов) и гомополисахарид лихенин, или лишайниковый крахмал [3, 9], а из азотсодержащих веществ - аминокислоты. Фикобионт лишайников продуцирует витамины [2, 3].
Лишайники обладают уникальной способностью извлекать из окружающей среды и накапливать в своем слоевище различные химические элементы, что влияет на их биохимический состав [3, 18]. Определение многих видов лишайников осуществляется с помощью качественных химических реакций, но, зная адсорбционные свойства лишайников, нельзя говорить об их принадлежности к разным видам, а не к экобиоморфам, меняющимся по составу в зависимости от условий местообитания. Так, группа ученых Тверского государственного университета, изучая динамику накопления экотоксиканта (окись азота) в слоевище лишайника Hypogymnia physodes (Ь.) Ку1., пришла к выводу, что экотоксикант не только накапливается в слоевище лишайника, но и активно реагирует с его органическими компонентами (например, с белковыми молекулами) [8]. Кроме того, лишайники способны накапливать небольшое, но постоянное количество азота, не менее 70 % которого участвует в построение белковых молекул [8].
Вторичные лишайниковые вещества, на долю которых приходится до 5 % сухой массы, представляют собой безазотистые соединения фенольного характера, близкие по своей природе к дубильным веществам растений, но имеющие более простое строение. По одним данным [3], общее их количество достигает 270, по другим [19] - более 700, из которых около 80 встречаются только в лишайниках [3]. Впервые вторичные лишайниковые вещества обнаружил Пфафф в 1826 г. [9]. Но наибольшее изучение метаболитов в лишайниках началось после открытия пенициллина. Одна из проблем лихенологии - это неспособность микобионтов, изолированных из слоевища лишайников, синтезировать в культуре те химические соединения, которые они синтезируют с водорослью. Факты доказывают, что биосинтез лишайниковых веществ является результатом совместных усилий лишайниковых партнеров [14]. Некоторые биологически активные вещества лишайников представлены в таблице.
Биологическая активность лишайниковых веществ. С давних пор экстракты лишайников используются как лечебное средство, на что указывал еще Теофраст [3]. Лишайниковые вещества обладают широким спектром действия, включая противомикробное, противомикотическое, противовирусное, противовоспалительное, обезболивающее, жаропонижающее, антипролиферативное и цитотоксическое [23]. Во время Великой Отечественной войны в СССР была разработана методика получения из лишайников глюкозы [13]. Половина углеводов, содержащихся в слоевищах лишайников, представлена гомополисахари-дом лихенином, а также изолехинином, обладающими как иммуномодулирую-щими, противоопухолевыми, так и гепатопротекторными свойствами [12].
Биологически активное вещество
Вид лишайника
Атранорин (С19Н18О8)
Вульпиновая кислота (С19Н14О5)
Гирофоровая кислота (С24Н20О10)
Норстиктовая кислота (С18Н12О9)
Большинство видов рода Anzia, Cladonia, Anaptychia ciliaris A. Speciosa, Asahinea chry-santha, Cetrelia cetrarioides, Evernia prunastri, Haematomma coccineum, Hypogymnia en-causta, Parmelia acetabulum,
Cetraria juniperina, C. pinastri, Letharia vulpine
Большинство видов рода Umbilicaria, Cetrar-ia delisei, Dactylina arctica
Cladonia subcariosa, Lobaria pulmonaria, Menegazzia terebrata, Parmelia acetabulum
Продолжение таблицы
Биологически активное вещество Вид лишайника
Пинастровая кислота (СЧ.НрО,,) / О н Большинство видов рода Pseudocyphellaria, Rhizocarpon, Cetraria commixa, Cetraria cu-cullata, C. delisei, C. islandica, C. juniperina, C. oakesiana, C. pinastri, Letharia vulpine
V Протоцетраровая кислота (С18Н1409) н о' Cetraria islandica, Hypogymnia encausta, Parmelia caperata, Parmelia olivacea, Par-melia sulcata
X"- н 1 0
Пульвиновый дилактон (С^НюО^ Большинство видов рода Candelaria, Cande-lariella, Pseudocyphellaria, Rhizocarpon, Ce-traria commixa, C. cucullata, C. delisei, C. islandica, C. juniperina, C. oakesiana, C. pinastri, Letharia vulpine
о
Салациновая кислота (С^НрОк,) -г Большинство видов рода Parmelia, Ramalina farinacea, Usnea comosa
1 У"'« " )—о О Стиктовая кислота (С'руНрОу) О )-----\ Большинство видов рода Parmelia, Lecidea albocoerulescens, Lobaria pulmonaria, Mene-gazzia terebrata, Rizocarpon grande
\ г ~н }--0 о
Окончание таблицы
Биологически активное вещество
Вид лишайника
Эверновая кислота (Ci7Hi607)
Эпанорин (C25H25NO5)
Фумарпротоцетраровая
(С22Н16°12)
кислота
Evernia prunastri, Ramalina polinaria
Большинство видов рода Candelaria, Cande-lariella, Pseudocyphellaria, Rhizocarpon, C. commixa, C. cucullata, C. delisei, C. islandica, C. juniperina, C. oakesiana, C. pinastri, Letharia vulpine
Большинство видов рода Cladonia, Cetraria islandica, Hypogymnia encausta, Parmelia con-spersa, Parmelia olivace
Водно-спиртовые экстракты лишайников оказывают антибактериальное действие, в том числе и на Mycobacterium tuberculosis, вызывающих туберкулез у человека и некоторых животных [10, 12, 14].
Многие вторичные вещества лишайников (например, канарион, тамно-ловая кислота, скваматиновая кислота, вермикуларин, норстиковая кислота, баеомицезическая кислота, леканориновая кислота, барбатиновая кислота, усниновая кислота) обладают сильными гиполипидемическими и антиокси-дантными свойствами, так как, благодаря своей фенольной природе, способны связывать токсичные свободные радикалы [22, 23].
Кершенгольц с соавторами рассматривал влияние биологически активных веществ (БАВ) лишайников на состояние крыс при их алкоголизации [6]. Экпериментально было показано, что комплекс лишайниковых БАВ при введении в 40 %-ную водно-спиртовую смесь в 2 раза снижает ее тимоэргическое
действие, почти полностью снимает постинтоксикационный эффект и в 6 раз уменьшает скорость формирования алкогольной зависимости при длительной алкоголизации животных [6].
Особый интерес среди лишайниковых веществ представляет усниновая кислота, которая, по одним данным [15], найдена в талломах 16 видов лишайников, 6 из которых растут в лесном растительном поясе (Cladonia deformis, Parmelia vagans, Thamnolia vermicularis, Usnea dasypoda, Usnea florida, Usnea hirta), по другим - примерно у 70 видов лишайников [14].
Усниновая кислота - это кислородсодержащее гетероциклическое соединение, по структуре относящееся к дибензофуранам. По внешнему виду -желтые моноклинные кристаллы; молекулярная масса - 344,33 а.е.м.; температура плавления - 194 °C; не растворима в воде, растворима в хлороформе, трудно растворима в этаноле [16]. Усниновая кислота впервые была получена в 1843 г. из лишайников Ramalina fraxinea и Usnea borbata [4]. Усниновая кислота обладает широким спектром действия: противомикробным (эффективна против Candida orthopsilosis и C. Parapsilosis [29], метициллин-резистентного золотистого стафилококка Staphylococcus aureus [28], чувствительных и резистентных штаммов Mycobacterium tuberculosis, не вызывающих туберкулез штаммов микобакте-рий [30]);
синергист инсектицидов [11];
противораковым (в различной степени оказывает ингибирующее действие на A2780, HeLa, MCF-7, H1299, SK-BR-3, HT-29, HCT-116 p53(+/+), HCT-116 p53(-/-), HL-60 и Jurkat раковые клетки человека в услових in vitro [21, 24, 31, 32];
противооксидантным и гепатопротекторным (используется в составе БАД для снижения веса) [25]); антималярийным.
Недавние исследования группы бразильских ученых показали, что ус-ниновая кислота является ингибитором гидроксифенилпируватдиоксигеназы в биосинтезе витамина Е в плазмодиях Plasmodium falciparum, вызывающих малярию [27]. Это открытие является крайне перспективным, так как малярия ежегодно вызывает около 350...500 млн инфицирований и около 1,3...3,0 млн смертей у людей [20]. Согласно ВОЗ, это число ежегодно возрастает на 16 % [7]. Самым распространенным медикаментом для лечения малярии сегодня, как и раньше, является хинин из коры хинного дерева, которая веками использовалась индейцами как жаропонижающее [26]. Наилучшим лечением считается основанная на артемизинине комбинированная терапия (артемези-нин выделен из растения Artemisia annua - полынь однолетняя) [7]. Однако растущая устойчивость к противомалярийным препаратам распространяется
быстрыми темпами, что подрывает усилия по борьбе с малярией [7] и делает перспективным поиск новых лекарственных средств.
В связи с тем что лишайниковые вещества обладают широким спектром лекарственных свойств, включая противомикробные, противомикотические, противовирусные, противовоспалительные, обезболивающие, жаропонижающие, антипролиферативные и цитотоксические, их терапевтический потенциал еще недостаточно изучен, что сдерживает широкое производство на их основе фармацевтических препаратов и применение в медицине [23].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богданов Г.А., Урбанвичюс Г.П. О разнообразии лишайников Республики Марий Эл // Флора лишайников России: состояние и перспективы исследований: тр. междунар. совещания, посвященного 120-летию со дня рождения В.П. Савича. 2006. С. 41-45.
2. Вершинина С.Э., Вершинин К.Е., Кравченко О.Ю. Анализ состава растительного сырья Cetraria laevigata Rassad. 1945 и C. islandica (L.) Ach/1803 (Parmeliaceae, lichens) // Вест. ИГСХА. 2010. № 41. С. 13-21.
3. Водоросли. Лишайники. Т. 3 / Под ред. М.М. Голлербаха М.: Просвещение, 2000. 487 с.
4. Гетероциклические соединения. Т. 2 / Под ред. Р. Эльдерфилда. М.: Иностр. лит-ра, 1954. С. 42-50.
5. Зенова Г.М. Лишайники // Соросовский образоват. журн. 1999. С. 30-34.
6. Кершенгольц Е.Б., Шеин А.А., Кершенгольц Б.М. Комплекс биологически активных веществ, выделенных из лишайников методом СО2 флюидной сверхкритической экстракции, и оценка его влияния на состояние крыс при их алкоголизации // Наука и образование. 2005. С. 74-80.
7. Малярия // Информационный бюллетень / ВОЗ. 2011. № 94. Режим доступа: http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs094/ru/ (дата обращения: 02.02.2012).
8. Мейсурова А.Ф., Хижняк С.Д., Пахомов П.М. Характер воздействия азотсодержащих поллютантов на химически состав Hypogymnia physodes // Вест. ТГУ. Сер.: Биология и экология. 2010. № 18. С. 129-136.
9. Окснер А.Н. Определитель лишайников СССР. Морфология, систематика и географическое распространение. Л.: Наука, 1974. Вып. 2. 284 с.
10. Пат. РФ № 2203081. Препарат Ислацет для профилактики и лечения туберкулеза и способ его получения / Е.Е. Лесиовская, Е.И. Саканян, Е.И. Сафронова и др. Заявл. 13.12.2001.
11. Пат. РФ № 2328493. Применение усниновой кислоты в качестве синергиста инсектицидов на основе энтомопатогенных микроорганизмов / М.П. Половинка, Н.Ф. Салахутдинов, О.А. Лузина, В.В. Глупов, В.В. Серебряков, И.М. Дубовский, В.В. Мартемьянов, В.Ю. Крюков. Заявл. 09.01.2009.
12. Пат. РФ № 2385159. Способ получения препарата ягель-М, обладающего противотуберкулезным действием / Г.В. Филиппова, М.М. Шашурин, Б.М. Кершенгольц, А.Н. Журавская, О.И. Ломовский, Н.Г. Павлов, А.А. Шеин. Заявл. 05.09.2007.
13. ПчелкинА.В. Популярная лихенология. М.: МГСЮН, 2006. 40 с.
14. Растение-Сфинкс // Наука в Сибири. Еженедельная газета Сиб. отд. РАН. 2006. № 35. С. 7. Режим доступа: http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?13+386+1 (дата обращения: 02.02.2012).
15. Слонов Л.Х., Слонов Т.Л. Вторичные лишайниковые вещества и их содержание в слоевищах // Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века: материалы XII съезда Русского ботанического общества. Ч. 2. Петрозаводск: Кар НЦ РАН. 2008. C. 238-241
16. Справочник химика. Л.; М.: Химия, 1964. С. 1034-1035.
17. Урбанвичюс Г.П. Особенности разнообразия лихенофлоры России // Изв. РАН. Серия географическая. 2011. С. 66-78.
18. Элементный состав лишайников P. сetraria Ach. из различных регионов России / С.Э. Вершинина [и др.] // Химия растительного сырья. 2009. № 1. С. 141-146.
19. Antibacterial properties of four pacific Northwest lichens / M. Crockett [et al.] // 2003. URL:http://lichens.science.oregonstate.edu/antibiotics/lichen_antibiotics.htm#results (дата обращения: 02.02.2012)
20. CampbellN.A., Reece J.B., MitchelL.G. Biology. 2005. 1175 р.
21. Cellular mechanisms of the anticancer effects of the lichen compound usnic acid / E. Einarsdottir [et al.] // Planta Med. 2010. Р. 969-974.
22. Characterisation of phenols and antioxidant and hypolipidaemic activities of Lethariella cladonioides / A.H. Wei [et al.] // J. Sci. Food Agric. 2011.
23. Chemical composition, antioxidant, and antimicrobial activites of Lichen umbilicaria cylindrica (L.) Delise (Umbilicariaceae) / N.T. Manojlovic [et al.] // Evid Based Complement Alternat Med. 2011.
24. Does usnic acid affect microtubules in human cancer cells? / M.A. O'Neill [et al.] // Braz. J. Biol. 2011. Р. 659-664.
25. Effects of usnic acid exposur on human hepatoblastoma HepG2 cells in culture / S.C. Sahu [et al.] // J. Appl. Toxicol. 2011.
26. Fluckiger F.A. Pharmacographia: a history of the principal drugs of vegetable origin, met with in Great Britan and British India. 1874. 704 р.
27. Intraerythrocytic stages of Plasmodium falciparum biosynhesize vitamin E / R.A. Sussmamm [et al.] // FEBS Lett. 2011.
28. Mechanical effects, antimicrobial afficacy and cytotoxicity of usnic acid as a biofilm prophylaxis in PMMA / S. Kim [et al.] // J. Mater Sci Matter Med. 2011.
29. Pires R.H., Lucarini R., Mendes-Giannini M.J. Effect of usnic acid on C. orthopsilosis and C. parapsilosis // Antimicrob Agents Chemother. 2011.
30. Ramos D.F., Almeida da Silva P.E. Antimycobacterial activity of usnic acid against resistant and susceptible strains of Mycobacterium tuberculosis and Non-tuberculous mycobacteria // Pharm. Biol. 2010. C. 260-263.
31. Usnic acid: a non-genotoxic compound with anti-cancer properties / M. Mayer [et al.] // Anti-Cancer Drugs. 2005. Р. 805-809.
32. Veriable responses of diferent human cancer cells to the lichen compounds parietin, atranorin, usnic acid and gyrophoric acid / M. Backorova [et al.] // Toxicol in vitro. 2011. Р. 37-44.
Поступила 09.02.12
A.I. Shcherbakova, A. V. Koptina, A. V. Kanarskiy Volga State University of Technology
Biologically Active Substances of Lichens
The article considers biological features of lichens. Lichens are wide-spread in the nature and are able to grow on a variety of substrates. An analysis of the biological composition of lichens has been carried out. Attention is given to the fact that lichen substances have a wide range of medical properties including antimicrobial, antimycotic, antiviral, anti-inflammatory, analgesic, antipyretic, anti-proliferative and cytotoxic. Of particular interest is usnic acid which in addition has anticancer potency.
Key words: lichen, biodiversity, biologically active substances, biological activity.
