Сравнительный аминокислотный состав растений продуцентов экдистероидов Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Химия растительного сырья. 2002. № 1. С. 63-68.

УДК 547.913:543.544.45

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ РАСТЕНИЙ -ПРОДУЦЕНТОВ ЭКДИСТЕРОИДОВ

© М.И. Алиева3, О.А. Бездуднаяа, С.О. Володинаб, В.Н. Филипповаб, Г.П. Потапова,

В.В. Володин6*

а Сыктывкарский государственный университет, ул. Петрозаводская, 120,

Сыктывкар, 167000 (Россия)

б Институт биологии Коми Научного центра УрО РАН, ул. Коммунистическая, 28, Сыктывкар, 167610 (Россия) e-mail: [email protected]

Проведено сравнительное изучение аминокислотного состава Serratula coronata и Ajuga reptans -продуцентов экдистероидов. Установлено, что оба исследованных вида характеризуются высоким содержанием незаменимых аминокислот (30-40% от суммы учтенных). Впервые показано высокое содержание свободного аланина во всех органах экдистероидсодержащих растений, что позволяет предположить его активное участие в биосинтезе метаболических предшественников экдистероидов.

Введение

Получение биологически активных соединений из природных источников является одной из актуальных задач современной биоорганической химии и биотехнологии. В настоящее время большой интерес представляют фитоэкдистероиды - полигидроксилированные стерины, структурно идентичные или подобные гормонам линьки и метаморфоза насекомых и обладающие анаболическим и адаптогенным действием на млекопитающих и человека. На сегодняшний день уже выделено более 150 различных по структуре экдистероидов у растений, принадлежащих более чем 100 семействам из отделов Polypodiophyta, Pinophyta и Magnoliophyta [4]. Недавними исследованиями показано, что следовые количества экдистероидов, обнаруживаемые с помощью радиоиммунного анализа в концентрациях 0,1-0,5 мкг экдизон-эквивалент/г растительного материала, содержат едва ли не все растения [2], что свидетельствует в пользу гипотезы о том, что, вероятно, все растения могут обладать генетически обусловленной способностью синтезировать экдистероиды, но они различаются уровнем экспрессии генов или регуляцией активности ферментов, участвующих в биосинтезе экдистероидов [4, 13]. Таким образом, если мы уже располагаем значительным знанием о химической природе и распространении экдистероидов в царстве растений, то наши сведения о механизме регуляции биосинтеза и функциях экдистероидов в растениях недостаточны. В этой связи несомненный интерес могут представить данные, позволяющие выявить связь между первичным метаболизмом и синтезом экдистероидов в растениях. Настоящая работа посвящена сравнительному изучению аминокислотного состава у двух филогенетически удаленных видов растений - серпухи венценосной (Serratula coronata Ь.) и живучки ползучей (Ajuga reptans Ь.)

Автор, с которым следует вести переписку.

64

М.И. Алиева, О.А. Бездудная, С.О. Володина, В.Н. Филиппова .

Характеристика объектов исследования

Серпуха венценосная (БеттаЫа coronata Ь) - многолетнее травянистое поликарпическое растение из семейства А&1етасеае. Имеет широкий ареал, приуроченный к лесной и степной зонам, а также широкую экологическую амплитуду: обитает в разреженных сосновых, лиственных, березовых и смешанных лесах, в высокотравных, пойменных и степных лугах, на травянистых горных склонах. Распространена в Северной Европе, южной половине европейской части России, на Кавказе, Средней Азии, в Западной Сибири, на Дальнем Востоке [1]. На территории Республики Коми БеттаШа coronata не произрастает, однако ее удалось ввести в полевую культуру. В местных условиях растение характеризуется высокой скоростью роста и достигает в высоту 190 см [6]. Серпуха венценосная является лекарственным растением, хотя и не входит в Государственную фармакопею РФ. В Сибири она издавна используется в народной медицине как ранозаживляющее средство, а также при лечении неврозов, желтухи, злокачественных опухолях.

Живучка ползучая (Ajuga reptans Ь.) - многолетнее травянистое растение из семейства Lamiaceae. Ajuga reptans - растение смешанных и широколиственных лесов, неморальный мезофит, гемикриптофит. Распространена в Европе, Малой Азии, как заносное и декоративное - в северной Америке [5]. Юг подзоны средней тайги европейского Северо-Востока является северной границей ареала [10]. Многие виды Ajuga обладают антифидантными свойствами по отношению к насекомым. Ajuga reptans используется в медицине как ранозаживляющее средство, а также проявляет антисептические, гемостатические свойства, улучшает обмен веществ. Настой растения используется при язвенной болезни желудка, ревматизме, при простудных заболеваниях и малярии [8].

В настоящее время показано, что многие фармакологические свойства обоих видов растений обусловлены содержащимися в них экдистероидами [9, 12].

Экспериментальная часть

Эксперимент проводился в течение 1999-2000 гг. Растения БеттаШа coronata собирали в фазу бутонизации в июле. Состав аминокислот определяли в листьях разного возраста и бутонах. Растения Ajuga reptans собирали в фазу цветения в июне, когда плагиотропные побеги еще не укоренились. Состав аминокислот определяли в листьях генеративного и плагиотропного побегов, стеблях генеративного побега и соцветиях.

Для дезактивации биохимических процессов части растений подвергали замораживанию или обработке парами этанола. После этого растительные образцы высушивали и хранили в сухом месте. Содержание общего азота в сухом измельченном материале определяли на автоматическом анализаторе АМА-1500 («Саг1о-ЕгЬа», Италия), а аминокислоты - на аминокислотном анализаторе (АЛЛ Т-339М) после предварительного гидролиза 20%-ным раствором соляной кислоты при 105°С в течение 24 ч [7].

Результаты и обсуждение

Нами установлено, что содержание азота и сырого протеина в нижних и верхних листьях БеттаШа coronata примерно одинаково, а в бутонах - почте в 1,5 раза меньше, чем в листьях (табл. 1).

Таблица 1. Содержание азота и сырого протеина в различных органах БеттЫа coronata, %

Органы растения Содержание азота в сухом веществе, % Содержание сырого протеина, %

Нижние листья 3,4 22

Верхние листья 3,4 21

Бутоны 2,1 13

Аминокислотный состав листьев серпухи венценосной характеризуется высоким содержанием аспарагиновой и глутаминовой кислот и лейцина независимо от возраста листа, низким содержанием метионина и гистидина, отсутствием цистина и цистеина. Для бутонов характерно высокое содержание пролина, превышающего его содержание в листьях примерно в три раза; более высокое содержание метионина, тирозина и присутствие в небольшом количестве цистина и цистеина; более низкое содержание таких аминокислот, как валин и фенилаланин (табл. 2).

Содержание азота в листьях разного возраста генеративного и плагиотропного побегов Ajuga reptans варьирует от 2 до 4%; соцветия содержат 3,5%, а стебли - 1,4% азота (табл. 3).

Следует отметить, что аминокислотный состав листьев разного возраста генеративного побега Ajuga reptans в основном сходен. Однако верхние листья содержат повышенное количество глутаминовой кислоты и аргинина. В то же время в нижних листьях более высокое содержание таких аминокислот, как пролин, лейцин, финилаланин, гистидин и лизин. В соцветиях содержится самое высокое количество аспарагиновой кислоты и метионина. Напротив, по сравнению с листьями содержание аргинина минимально, а цистин и цистеин отсутствуют. В стеблях самое высокое содержание аспарагиновой кислоты, хотя в целом их аминокислотный состав сходен с листьями (табл. 4).

Листья плагиотропного побега Ajuga reptans характеризуются высоким содержанием аспарагиновой кислоты (причем в молодых листьях ее содержание выше), глутаминовой кислоты и лейцина (их содержание выше у старых листьев). Самым высоким содержанием аспарагиновой кислоты характеризуется стебель плагиотропного побега (табл. 5).

Таблица 2. Содержание аминокислот в различных органах БеттаШа coronata

Аминокислоты Нижние листья Верхние листья Бутоны

г/100 г сухого вещества в % от суммы учтенных аминокислот г/100 г сухого веса в % от суммы учтенных аминокислот г/100 г сухого вещества в % от суммы учтенных аминокислот

Аспарагиновая кислота 0,5 11,4 0,3 11,2 1,0 12,6

Треонин 0,2 5,6 0,2 5,5 0,4 4,6

Серин 0,2 5,4 0,2 5,5 0,4 5,6

Глутаминовая кислота 0,5 12,3 0,4 12,4 0,9 11,2

Пролин 0,2 4,9 0,3 5,4 1,1 13,9

Глицин 0,3 6,8 0,2 6,2 0,4 5,1

Аланин 0,3 6,9 0,2 6,9 0,5 5,8

Цистин - - - - следы 0,1

Валин 0,2 6,0 0,2 6,1 0,3 4,0

Метионин следы 0,3 следы следы 0,2 2,7

Изолейцин 0,2 4,5 0,1 4,4 0,3 3,2

Лейцин 0,4 9,9 0,3 9,8 0,6 7,1

Тирозин 0,2 4,8 0,2 5,0 0,5 6,5

Фенилаланин 0,3 6,4 0,2 6,1 0,3 4,2

Гистидин 0,1 2,3 0,1 2,2 0,1 1,9

Лизин 0,3 7,7 0,2 6,9 0,5 7,0

Аргинин 0,2 4,9 0,2 6,3 0,4 4,8

Таблица 3. Содержание азота и сырого протеина в различных органах Ajuga reptans, %

Орган растения Содержание азота в сухом веществе Содержание сырого протеина

Генеративный побег

Нижние листья 3,9 24

Центральные листья 4,0 25

Верхние листья 2,3 14

Соцветия 3,5 22

Стебель 1,4 9

Вегетативный побег

Нижние листья 3,6 22

Серединные листья 3,5 22

Верхушечные листья 3,9 24

Розеточные листья 3,3 21

Стебель 1,4 8

Таблица 4. Содержание аминокислот в различных органах генеративного побега Ajuga геріат

Аминокислота Нижние листья Центральные листья Верхние листья Соцветия Стебель

г/100 г сухого вещества % от суммы учтенных г/100 г сухого вещества %от суммы учтенных г/100 г сухого вещества %от суммы учтенных г/100 г сухого вещества % от суммы учтенных г/100 г сухого вещества % от суммы учтенных

Аспарагиновая кислота 1,3 12,8 1,0 12,3 0,7 12,9 0,7 19,3 1,4 16,5

Треонин 0,6 5,6 0,4 5,2 0,3 4,9 0,2 4,3 0,4 4,9

Серин 0,5 5,5 0,4 5,2 0,3 5,2 0,2 5,9 0,5 5,2

Глутаминовая кислота 0,8 7,6 1,0 12,3 0,8 14,0 0,4 11,8 1,2 14,3

Пролин 0,7 6,7 0,5 5,9 0,3 5,2 0,2 4,5 0,5 5,7

Глицин 0,7 7,3 0,6 6,7 0,4 6,4 0,2 5,7 0,5 6,3

Аланин 0,7 6,8 0,6 6,6 0,4 6,2 0,2 5,7 0,5 6,3

Цистин 0,0 0,1 0,0 0,1 0,0 0,3 - - - -

Валин 0,5 5,4 0,5 5,5 0,3 5,6 0,2 6,9 0,5 5,3

Метионин 0,1 1,2 0,1 1,2 0,1 1,2 0,2 6,7 0,1 1,2

Изолейцин 0,4 4,2 0,4 4,2 0,2 4,0 0,2 4,7 0,3 3,8

Лейцин 1,0 9,8 0,8 9,6 0,5 8,4 0,2 6,5 0,7 8,1

Тирозин 0,5 5,1 0,4 4,9 0,3 4,6 0,1 3,9 0,5 5,3

Фенилаланин 0,6 6,3 0,5 6,0 0,3 5,5 0,1 3,8 0,5 5,7

Гистидин 0,2 2,1 0,2 2,0 0,1 1,8 0,1 1,9 0,1 1,6

Лизин 0,7 6,6 0,5 5,7 0,3 5,4 0,2 4,7 0,4 4,6

Аргинин 0,7 7,0 0,6 6,6 0,5 8,4 0,1 3,6 0,5 5,2

Таблица 5. Содержание аминокислот в различных органах плагиотропного побега Ajuga геріат

Аминокислота Нижние листья Центральные листья Верхние листья Листья розетки Стебель

г/100 г сухого вещества %от суммы учтенных г/100 г сухого вещества %от суммы учтенных г/100 г сухого вещества %от суммы учтенных г/100 г сухого вещества %от суммы учтенных г/100 г сухого вещества %от суммы учтенных

Аспарагиновая кислота 2,2 12,5 2,0 12,9 2,2 16,0 1,7 16,2 1,2 23,8

Треонин 1,0 5,3 0,8 5,3 0,7 5,0 0,5 4,9 0,2 4,5

Серин 0,6 5,2 0,8 5,1 0,7 4,7 0,5 5,0 0,3 5,4

Глутаминовая кислота 2,2 12,3 1,9 12,2 1,7 11,8 1,3 12,0 0,7 13,2

Пролин 1,2 6,6 1,0 6,2 0,8 5,7 0,7 6,1 0,3 5,0

Глицин 1,2 6,8 1,0 6,5 0,9 6,2 0,6 5,9 0,3 5,5

Аланин 1,2 6,7 1,0 6,5 0,8 6,0 0,7 6,3 0,3 5,6

Цистин - 0,1 - 0,1 - 0,1 - 0,2 - 0,1

Валин 0,9 5,0 0,8 5,3 0,7 5,0 0,5 4,7 0,2 4,0

Метионин 0,2 1,1 0,2 1,0 0,2 1,5 0,3 3,1 0,1 2,0

Изолейцин 0,7 3,9 0,6 4,0 0,7 5,1 0,4 3,3 0,2 2,9

Лейцин 1,7 9,3 1,5 9,5 1,1 7,9 0,9 8,4 0,4 6,9

Тирозин 0,9 4,9 0,7 4,6 0,6 4,5 0,5 5,0 0,3 5,4

Фенилаланин 1,1 5,9 0,9 5,9 0,8 5,7 0,5 5,0 0,2 4,5

Гистидин 0,3 1,9 0,3 1,9 0,3 1,9 0,2 2,0 0,1 1,7

Лизин 1,2 6,4 1,1 6,8 0,9 6,6 0,7 6,5 0,3 5,2

Аргинин 1,1 6,0 1,0 6,3 0,9 6,5 0,6 5,4 0,2 4,4

66 М.И. Алиева, О. А. Бездудная, С.О. Володина, В.Н. Филиппова .

Сравнивая аминокислотый состав серпухи венценосной и живучки ползучей, следует отметить, что общее содержание аминокислот выше у живучки ползучей, однако у обоих видов картина распределения отдельных аминокислот от суммы учтенных имеет много общего. Для обоих видов отмечается высокое содержание аспарагиновой и глутаминовой кислот в более молодых листьях. В листьях растений БеггаШа согвп^а примерно 40% от суммы учтенных аминокислот составляют незаменимые аминокислоты, что свидетельствует об их высокой кормовой ценности (рис. 1). Содержание незаменимых аминокислот в растениях Ajuga гер(ат несколько ниже, чем у БвггаШа согопа1а (рис. 2).

Сведения о содержании первичных аминокислот: аланина, аспарагиновой и глутаминовой кислот, могут дать важную информацию о наличии связи между первичным и вторичным метаболизмом, в том числе о синтезе интересующего нас класса экдистероидов. Аспарагиновая кислота синтезируется путем прямого аминирования, а две другие аминокислоты - аланин и глутаминовая кислота - образуются в результате восстановительного аминирования. Все остальные аминокислосты являются вторичными, поскольку образуются в результате реакций переаминирования указанных выше аминокислот с соответствующими кетокислотами, возникающими в процессе обмена веществ, а также путем превращения одних кислот в другие [11].

Источниками ацетил-КоА, который является предшественником синтеза стеринов и экдистероидов, могут быть углеводы, жирные кислоты и аминокислоты. Ацетил-КоА через пировиноградную кислоту синтезируется из аланина, треонина, глицина, серина, цистина и цистеина, а через ацетоацетил-КоА - из триптофана, лизина, фенилаланина, тирозина и лейцина [3]. Важную роль в образовании ацетил-КоА играют первичные аминокислоты. Содержание первичных аминокислот у БгггаЫЫ согопа1а в листьях и бутонах составляет примерно 30%. Нижние и верхние листья имеют одинаковое содержание первичных аминокислот, а бутоны имеют более высокое содержание аспарагиновой кислоты и более низкое -глутаминовой кислоты (табл. 2). Одинаковый уровень аланина (около 6%) во всех органах данного растения может указывать на его активное участие в процессах вторичного метаболизма (например, биосинтеза экдистероидов), так как две другие кислоты могут свободно превращаться в аланин.

Рис. 1. Содержание незаменимых аминокислот в листьях Бегала согопа1а (1 - валина; 2 - лейцин;

3 - изолейцин; 4 - треонин; 5 - метионин; 6 - лизин; 7 - фенилаланин)

1 2 3 4 5 6 7

□ нижние листья генеративного побега О верхние листья генеративного побега Шни^ие листья плагиотропного побега В верхние листья плагиотропного побега

Рис. 2. Содержание незаменимых аминокислот в составе свободных и связанных аминокислот в листьях Ajuga гер(аш (1 - валина; 2 - лейцин;

3 - изолейцин; 4 - треонин; 5 - метионин; 6 - лизин;

7 - фенилаланин)

68

М.И. Алиева, О.А. Бездудная, С.О. Володина, В.Н. Филиппова .

Содержание первичных аминокислот в генеративном побеге Ajuga reptans увеличивается от более старых листьев к соцветию и составляет соответственно 27 и 37%, при этом содержание аланина остается на уровне примерно 6%. При одинаковом уровне аланина во всех органах растения наблюдается изменение количественного состава других первичных аминокислот. Содержание аспарагиновой кислоты в листьях составляет более 12% и увеличивается до 19% в бутонах. Содержание глутаминовой кислоты в старых листьях - около 7%, в молодых листьях в два раза больше, а в соцветиях - около 12%. Сумма первичных аминокислот в стебле примерно 37%. В плагиотропном побеге содержание первичных аминокислот незначительно повышается от старых листьев к молодым, составляя от 32 до 34%, а в стебле увеличивается до 43%. При этом содержание аланина во всех органах вегетативного побега составляет приблизительно те же 6% (табл. 5).

Учитывая тот факт, что нами определялось содержание аланина в общем пуле связанных и свободных аминокислот, нельзя исключить факт возможного участия аланина в синтезе ацетил-КоА и за счет его образования вследствие катаболизма белков, как это было доказано при выявлении связей между биосинтезом флавоноидов и уровнем фенилаланина в растительных тканях. Изучению механизма включения аминокислот, синтезирующихся в растениях или образующихся вследствие распада белков, в пути биосинтеза вторичных метаболитов будут посвящены наши дальнейшие исследования, выполняемые на культуре клеток экдистероидсодержащих растений Serratula coronata и Ajuga reptans.

Список литературы

1. Борисова А.Г. Флора СССР. М.-Л., 1963. Т. 28.

2. Володин В.В. Экдистероиды в интактных растениях и клеточных культурах: Автореф. дис. ... докт. биол. наук. М., 1999. 50 с.

3. Кильчевская М.А. Метаболический атлас. Минск, 1976.

4. Лафон Р. Фитоэкдистероиды и мировая флора: разнообразие, распределение и эволюция // Физиология растений. 1998. Т. 45. № 3. С. 326-346.

5. Лесные травянистые растения. М., 1988. 223 с.

6. Мишуров В.П., Портнягина Н.В., Рубан Г.А. Интродукция серпухи венценосной на севере // Тр. Коми науч. центр УрО Рос. АН №140. Сыктывкар, 1995. С. 91-100.

7. Практическая химия белка / Под ред. А. Дарбе. М., 1989. С. 158-163.

8. Растительные ресурсы СССР. Цветковые растения, их химический состав, использование: Семейство Lamiaceae. СПб/, 1991.

9. Саатов З., Сыров В., Маматханов А.У., Абубакиров Н.К. Фитоэкдистероиды растений рода Ajuga и их биологическая активность // Химия природных соединений. 1994. №2. С. 152-155.

10. Тетерюк Л.К. Особенности репродуктивной биологии Ajuga reptans на северной границе ареала // Тр. Коми науч. центр УрО Рос. АН №158. Репродуктивная биология растений. Сыктывкар, 1996. С. 120-127.

11. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. М., 1969.

12. Холодова Ю.Д. Фитоэкдситероиды // Биохимия животных и человека. 1987. №11. С. 27-41.

13. Adler J., Grebenok R. Biosinthesis and distribution of insect-moulting hormone in plants: a review // Lipids. 1995. V. 30. P. 257-262.

Поступило в редакцию 13 августа 2001 г. После переработки 27марта 2002 г.