CC BY
14
УДК 577.1
DOI: 10.17277/vestnik.2021.03 .pp.442-448
ВЛИЯНИЕ ХАЛКОНОВ И ФЛАВАНОНОВ НА ЗИМАЗНУЮ АКТИВНОСТЬ ДРОЖЖЕЙ Saccharomyces cerevisiae
С. Е. Синютина, А. Г. Шубина, Л. В. Розенблюм
Кафедра биохимии и фармакологии, sinjutina_s_e@mail.ru; ФБГОУ ВО «Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина»
Ключевые слова: биологическая активность; дрожжевая клетка; семейство Saccharomycetaceae; флаваноиды; халконы.
Аннотация: Исследована биологическая активность семи халконов и шести флаванонов в отношении дрожжей семейства Saccharomycetaceae. Показано, что 2',4'-дигидроксихалкон, 2',4'-дигидрокси-5'-этилхалкон, 7-гидрокси-6-этил-флаванон, 7-гидрокси-6-н-гексилфлаванон, 7-метокси-6-трет-бутилфлаванон в концентрации 50... 100 мкмоль/л подавляют метаболизм дрожжевой клетки и снижают зимазную активность Saccharomyces cerevisiae. Установлено, что исследованные флаваноиды не обладают биологической активностью по отношению к Candida albicans.
Введение
Флавоноиды - группа соединений, представляющих собой производные бен-зо-у-пирона. К ним относятся халконы и изомерные им флаваноны (рис. 1). Они отличаются большим структурным многообразием, в частности, за счет наличия различных заместителей. Флаваноидные соединения обладают биологической активностью, в основе которой лежат их участие в окислительно-восстановительных процессах, взаимодействие с мембранами клеток, ферментами и рецепторами. Флаваноиды проявляют антиоксидантное действие, блокируя неконтролируемые свободнорадикальные процессы, оказывают противовоспалительное действие, обладают антидиабетической активностью, благотворно влияют на липидный обмен [1, 2]. Вместе с тем флаваноиды способны повреждать биологические структуры клеток и снижать их жизнеспособность [3, 4]. Для многих соединений флаваноидного ряда характерны антимикробная, противогрибковая, противопаразитарная, противоопухолевая активность [5 - 7].
Рис. 1. Общая структура молекул халкона (а) и флаванона (б)
Биологическая активность флаваноидных соединений сильно варьирует в зависимости от вида соединения, природы и расположения заместителей. Закономерности влияния структуры флаваноидов на проявляемую активность исследованы недостаточно, поэтому изучение биологической активности флаваноидных соединений продолжает оставаться актуальным.
Методика эксперимента
Исследована биологическая активность семи халконов: 1 - 2',4'-дигидрокси-халкон; 2 - 2',4'-дигидрокси-5'-этилхалкон; 3 - 2',4'-дигидрокси-5'-н-гексилхалкон; 4 - 2',4'-дигидрокси-5'-циклогексилхалкон; 5 - 2',4'-дигидрокси-5'-(2-метил-бензил)халкон; 6 - 4'-гидрокси-2'-метоксихалкон; 7 - 2'-гидрокси-4'-метокси-5'-трет-бутилхалкон и шести флаванонов: 8 - 7-гидроксифлаванон; 9 - 7-гидрокси-6-этилфлаванон; 10 - 7-гидрокси-6-н-гексилфлаванон; 11 - 7-гидрокси-6-трет-бутилфлаванон; 12 - 7-гидрокси-6-(2-метилбензил)флаванон; 13 - 7-метокси-
6-трет-бутилфлаванон. Халконы и флаваноны синтезированы по [8, 9].
В качестве биологического объекта исследований выбраны представители класса сахаромицетов (Saccharomycetes) семейства сахаромицетовых (Saccharomycetaceae) - Saccharomyces cerevisiae и Candida albicans. Зимазную активность дрожжей Saccharomyces cerevisiae определяли газометрическим методом при 35 °С по [10] при помощи газометра Елецкого. В качестве субстрата спиртового брожения использовали глюкозу. Готовили этанольные растворы флаваноидов в концентрации 2 и 4 ммоль/л. В реакционную смесь вводили 0,5 мл спиртового раствора соответствующего соединения. Концентрация флаваноидов в реакционной смеси составляла 50 и 100 мкмоль/л. Контрольная проба содержала 0,5 мл этанола. Влияние исследуемых соединений на жизнедеятельность Candida albicans определяли диско-диффузионным методом по [11]. Использовали пористые диски диаметром 5 мм (целлюлоза), содержащие 50 мкг исследуемого соединения.
Экспериментальные результаты и обсуждение
Жизнеспособность дрожжевой клетки определяется скоростью метаболизма глюкозы и сахарозы (зимазная активность) и мальтозы (мальтазная активность) под действием комплекса ферментов спиртового брожения, которые участвуют в превращении моно- и дисахаридов в диоксид углерода и этанол. Зимазная активность соответствует времени (в минутах), за которое происходит выделение 10 мл диоксида углерода в условиях эксперимента.
Введение 0,5 мл этанола в реакционную смесь приводит к незначительному снижению зимазной активности дрожжей. Подобный эффект ожидаем, так как этанол нарушает проницаемость клеточной мембраны, процессы транспорта питательных веществ («этанольный стресс») [12]. Для учета влияния этанола пробы, содержащие 0,5мл С2Н5ОН, использовали как контроль.
Введение халконов в концентрации Схалкона = 100 мкмоль/л приводит к снижению зимазной активности дрожжей и замедлению выделения СО2 в процессе спиртового брожения (рис. 2, а).
В наибольшей степени подавляет процесс катаболизма глюкозы 2',4'-дигид-рокси-5'-циклогексилхалкон. Практически такой же ингибиторный эффект проявляют 2',4'-дигидроксихалкон и 2',4'-дигидрокси-5'-этилхалкон.
Влияние флаванонов в концентрации Сфлаванона = 100 мкмоль/л на процесс спиртового брожения в дрожжевой клетке неоднозначно (рис. 2, б). Флавоны
7-гидрокси-6-этилфлаванон, 7-гидрокси-6-н-гексилфлаванон и 7-метокси-6-трет-бутилфлаванон замедляют расщепление глюкозы, в то время как 7-гидрокси-6-трет-бутилфлаванон и 7-гидроксифлаванон выступают в качестве активаторов процесса.
Ксо2, мл 20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
45
50 55 60 65 70 г, мин
а)
Ксо2, мл 20
18
16
14
12
10
8
6
4
45
50
55
60
65
70 г, мин
б)
Рис. 2. Влияние халконов (а) и флаванонов (б) на объем выделившегося диоксида углерода:
а - -О- - 1; -О - 2; -А- - 3; -•- - 4; -Ж- - 5; -О- - 6; Ч--7; -О- - К
б - -О— 8; -О- - 9; -Д- - 10;-11; -А- - 12; -•- - 13; -О- - К;
Номер соединения соответствует вышепредставленной нумерации; К - контроль
Флаваноны образуются в результате циклизации халконов и являются их изомерами. Проведено сравнение влияния халконов и соответствующих им флаванонов на зимазную активность Засскаготусе^' сегеуг^чае (рис. 3). В паре 2',4'-диоксихалкон и 7-гидроксифлаванон в большей степени замедляет метаболизм дрожжевой клетки халкон. Для остальных пар соединений, содержащих алкильные радикалы в положении 5' (халконы) и в положении 7 (флаваноны), более выраженный эффект демонстрируют флаваноны.
Уменьшение концентрации флаваноида в реакционной смеси до 50 мкмоль/л приводит к снижению ингибиторного эффекта соединения 1 и 3; практически не влияет на биологический эффект соединений 5, 2 и 4 (табл. 1).
Снижение зимазной активности дрожжей в присутствии ряда флаваноидов может быть связано как с ингибированием ферментов зимазного комплекса, так и влиянием на клеточную мембрану и мембранный потенциал, а также с ингиби-рованием матричных синтезов [6, 13]. Установление механизмов действия флава-ноидов требует проведения дополнительных исследований.
Зимазная активность, мин
64 60 56 52 48
—
1 2 3 4 5
Рис. 3. Влияние халконов и соответствующих им флаванонов на зимазную активность Saccharomyces cerevisiae:
1 -1 и 8; 2 - 2 и 9; 3 - 3 и 10; 4 - 4 и 12; 5 - 7 и 13; ^ - халкон; Q - флаванон
Таблица 1
Влияние халконов и флаванонов на зимазную активность Saccharomyces cerevisiae
Номер Зимазная активность, мин,
Соединение при концентрации, мкмоль/л
по порядку 50 100
1 2',4'-дигидроксихалкон 58'19" 62'20"
2 2',4'-дигидрокси-5'-этилхалкон 60'24" 62'31"
3 7-гидрокси-6-этилфлаванон 55'44 63'59''
4 7-гидрокси-6-н-гексилфлаванон 60'32" 62'27"
5 7-метокси-6-трет-бутил-флаванон 60'38" 60'
Candida albicans, так же как и Saccharomyces cerevisiae, относится к семейству Saccharomycetaceae. Candida albicans метаболизирует глюкозу по пути гликолиза либо по гексозо-монофосфатному пути. Данный вид является возбудителем оппортунистических инфекций человека. При использовании диско-диффузионного метода при заданном содержании флаваноидов (50 мкг) не обнаружено подавления зон роста, то есть исследованные халконы и флаваноны не проявляют фунгицидной активности по отношению к Candida albicans в данной концентрации.
Выводы
Алкилгидроксихалконы и изомерные им флаваноны проявляют биологическую активность по отношению к Saccharomyces cerevisiae, снижая зимазную активность. Действие флаваноидов на живые объекты характеризуется высокой избирательностью. Исследование биологической активности не только природных, но и синтезированных флаваноидов является перспективным направлением.
Список литературы
1. Lifestyle, Oxidative Stress, and Antioxidants: Back and Forth in the Pathophysiology of Chronic Diseases / M. Sharifi-Rad, N. V. Anil Kumar, P. Zucca [et al.] // Front Physiol. - 2020. - Vol. 11. - Art. 694. - 21 p. doi: 10.3389/fphys.2020.00694.
2. Pharmacological Properties of Chalcones: A Review of Preclinical Including Molecular Mechanisms and Clinical Evidence / B. Salehi, C. Quispe, I. Chamkhi [et al.] // Front Pharmacol. - 2021. - Vol. 11. - Art. 592654. - 21 p. doi: 10.3389/fphar.2020.592654.
3. Electrochemical Behavior and Antioxidant and Prooxidant Activity of Natural Phenolics / A. Simic, D. Manojlovic, D. Segan, M. Todorovic // Molecules. - 2007. -Vol. 12 (10). - P. 2327 - 2340. doi: 10.3390/12102327.
4. Walle, T. Evidence of Covalent Binding of the Dietary Flavonoid Quercetin to DNA and Protein in Human Intestinal and Hepatic Cells / T. Walle, T. S. Vincent, U. K. Walle // Biochemical Pharmacology. - 2003. - Vol. 65, Issue 10. - P. 1603 - 1610. doi: 10.1016/s0006-2952(03)00151-5.
5. Stompor, M. Antimicrobial Activity of Xanthohumol and Its Selected Structural Analogues / M. Stompor, B. Zarowska // Molecules. - 2016. - Vol. 21 (5). - Art. 608. -10 p. doi: 10.3390/molecules21050608.
6. Antifungal Activity of Phenolic-Rich Lavandula Multifida L. Essential Oil / M. Zuzarte, L. Vale-Silva, M. Gongalves [et al.] // European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases. - 2012. - Vol. 31. - P. 1359 - 1366. doi: 10.1007/s10096-011-1450-4.
7. Synthesis of Chalcones with Anticancer Activities / S. Syam, S. I. Abdelwahab, M. A. Al-Mamary, S. Mohan // Molecules. - 2012. - Vol. 17. - P. 6179 - 6195. doi: 10.3390/molecules17066179.
8. Старков, С. П. Синтез 5'-алкил-2',4'-диоксихалконов / С. П. Старков, А. И. Па-насенко // Журнал органической химии. - 1971. - Т. 7, № 7. - С. 1463 - 1466.
9. Панасенко, А. И. Кинетика и механизм образования 7-оксифлаванона из 2',4'-диоксихалкона в щелочной среде / А. И. Панасенко, О. И. Качурин, С. П. Старков // Изв. высш. учеб. заведений. Химия и хим. технология. - 1975. -Т. 18, № 8. - С. 1203 - 1207.
10. Справочник по производству хлебопекарных дрожжей / Под ред. С. С. Нова-ковской, Ю. И. Шишацкого. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М. : Пищевая промышленность, 1980. - 375 с.
11. МУК 4.2.1890-04 Определение чувствительности микроорганизмов к антибактериальным препаратам. - Текст электронный // Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. -URL : https://www.rospotrebnadzor.ru/documents/details.php?ELEMENT_ID=4957 (дата обращения: 01.06.2021).
12. Влияние окислительного, теплового и этанольного стрессов на выживаемость дрожжей Yarrowia Lipolytica / Г. П. Ежова, А. Ю. Аринбасарова, В. Ф. Смирнов, Е. В. Гусева // Вестн. Нижегородского ун-та им. Н. И. Лобачевского. - 2010. - № 6. - С. 113 - 118.
13. Antimicrobial Action Mechanism of flavonoids from Dorstenia Species / Dzoyem J. P., Hamamoto H., Ngameni B. [et al.] // Drug Discoveries & Therapeutics. -2013. - Vol. 7 (2). - P. 66 - 72. doi: 10.5582/ddt.2013.v7.2.66.
The Effect of Chalcones and Flavanones on Zymase Fermentation of Saccharomyces cerevisiae
S. E. Sinyutina, A. G. Shubina, L. V. Rosenblum
Department of Biochemistry and Pharmacology, sinjutina_s_e@mail.ru;
Derzhavin Tambov State University, Tambov, Russia
Keywords: biological activity; yeast cell; family Saccharomycetaceae; flavanoids; chalcones.
Abstract: The biological activity of seven chalcones and six flavanones in yeasts of the Saccharomycetaceae family has been investigated. It has been shown that 2',4'-dihydroxychalcone, 2',4'-dihydroxy-5'-ethylchalcone, 7-hydroxy-6-ethylflavanone, 7-hydroxy-6-n-hexylflavanone, 7-methoxy-6-tert-butylflavanone at a concentration of 50...100 ^mol/l suppresses the metabolism of the yeast cell and reduces the zymase fermentation of Saccharomyces cerevisiae. It was found that the investigated flavanomes have no biological activity in relation to Candida albicans.
References
1. Sharifi-Rad M., Anil Kumar N.V., Zucca P. [et al.] Lifestyle, Oxidative Stress, and Antioxidants: Back and Forth in the Pathophysiology of Chronic Diseases, Front Physiol, 2020, vol. 11, art. 694, 21 p., doi: 10.3389/fphys.2020.00694.
2. Salehi B., Quispe C., Chamkhi I. [et al.] Pharmacological Properties of Chalcones: A Review of Preclinical Including Molecular Mechanisms and Clinical Evidence, Front Pharmacol, 2021, vol. 11, art. 592654, 21 p., doi: 10.3389/fphar.2020.592654.
3. Simic A., Manojlovic D., Segan D., Todorovic M. Electrochemical Behavior and Antioxidant and Prooxidant Activity of Natural Phenolics, Molecules, 2007, vol. 12 (10), pp. 2327-2340, doi: 10.3390/12102327.
4. Walle T., Vincent T.S., Walle U.K. Evidence of Covalent Binding of the Dietary Flavonoid Quercetin to DNA and Protein in Human Intestinal and Hepatic Cells, Biochemical Pharmacology, 2003, vol. 65, issue 10, pp. 1603-1610, doi: 10.1016/s0006-2952(03)00151-5.
5. Stompor M., Zarowska B. Antimicrobial Activity of Xanthohumol and its Selected Structural Analogues, Molecules, 2016, vol. 21 (5), art. 608, 10 p., doi: 10.3390/molecules21050608.
6. Zuzarte M., Vale-Silva L., Gongalves M. [et al.] Antifungal Activity of Phenolic-Rich Lavandula Multifida L. Essential Oil, European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases, 2012, vol. 31, pp. 1359-1366, doi: 10.1007/s10096-011-1450-4.
7. Syam S., Abdelwahab S.I., Al-Mamary M.A., Mohan S. Synthesis of Chalcones with Anticancer Activities, Molecules, 2012, vol. 17, pp. 6179-6195, doi: 10.3390/molecules17066179.
8. Starkov S.P., Panasenko A.I. [Synthesis of 5'-alkyl-2',4'-dioxychalcones], Zhurnal organicheskoy khimii [Journal of organic chemistry], 1971, vol. 7, no. 7, pp. 1463-1466. (In Russ.)
9. Panasenko A.I., Kachurin O.I., Starkov S.P. [Kinetics and mechanism of formation of 7-hydroxyflavanone from 2',4'-dioxychalcone in an alkaline medium], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya [Proceedings of higher educational institutions. Chemistry and chemical technology], 1975, vol. 18, no. 8, pp. 1203-1207. (In Russ.)
10. Novakovskaya S.S., Shishatskiy Yu.I. [Eds.] Spravochnik po proizvodstvu khlebopekarnykh drozhzhey [Handbook on the production of baker's yeast], Moscow: Pishchevaya promyshlennost', 1980, 375 p. (In Russ.)
11. https://www.rospotrebnadzor.ru/documents/details.php?ELEMENT_ID=4957 (accessed 01 June 2021).
12. Yezhova G.P., Arinbasarova A.Yu., Smirnov V.F., Guseva Ye.V. [The influence of oxidative, heat and ethanol stresses on the survival of the yeast Yarrowia Lipolytica], Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N. I. Lobachevskogo [Bulletin of Nizhny Novgorod University. N.I. Lobachevsky], 2010, no. 6, pp. 113-118. (In Russ., abstract in Eng.)
13. Dzoyem J.P., Hamamoto H., Ngameni B., Ngadjui B.T., Sekimizu K. Antimicrobial Action Mechanism of flavonoids from Dorstenia Species, Drug Discoveries & Therapeutics, 2013, Vol. 7 (2), pp. 66-72, doi: 10.5582/ddt.2013.v7.2.66.
Wirkung von Chalconen und Flavanonen auf Zymase-Aktivität der Hefe Saccharomyces cerevisiae
Zusammenfassung: Es ist die biologische Aktivität von sieben Chalconen und sechs Flavanonen gegen Hefen der Familie der Saccharomycetaceae untersucht. Es ist gezeigt, dass 2',4'-Dihydroxychalcon, 2',4'-Dihydroxy-5'-Ethylchalcon, 7-Hydroxy-6-Ethylflavanon, 7-Hydroxy-6-n-Hexylflavanon, 7-Methoxy-6-tert-Butylflavanon bei einer Konzentration von 50... 100 ^mol/l den Stoffwechsel der Hefezelle unterdrücken und die Zymaseaktivität von Saccharomyces cerevisiae reduzieren. Es ist festgestellt, dass die untersuchten Flavanonen gegenüber Candida albicans keine biologische Aktivität aufweisen.
Effet des chalcones et des flavanones sur l'activité zimase de la levure Saccharomyces cerevisiae
Résumé: Est étudiée l'activité biologique de sept chalcones et de sept flavanones contre des levures de la famille des Saccharomycetaceae Spectacle. Est montré que 2',4'-dihydroxychalcone, 2',4'-dihydroxy-5'-ethylchalcone, 7-hydroxy-6-ethylflavanone, 7-hydroxy-6-w-hexylflavanone, 7-méthoxy-6-tert-butylflavanone à une concentration de 50...100 ^mol/l inhibent le métabolisme des cellules de levure et réduient l'activité hivernale de Saccharomyces cerevisiae. Est établi que les flavanoïdes étudiés n'ont pas d'activité biologique par rapport à Candida albicans.
Авторы: Синютина Светлана Евгеньевна - кандидат химических наук, доцент, заведующий кафедрой биохимии и фармакологии; Шубина Анна Геннадиевна - кандидат химических наук, доцент кафедры биохимии и фармакологии; Розенблюм Людмила Васильевна - старший преподаватель кафедры биохимии и фармакологии, ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина», г. Тамбов, Россия.
Рецензент: Дворецкий Дмитрий Станиславович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологии и оборудование пищевых и химических производств», ФГБОУ ВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия.
