PRIMARNI METABOLIZAM obuhvata hemijske procese koji se odigravaju

PRIMARNI METABOLIZAM obuhvata hemijske procese koji se odigravaju u biljci svakodnevno da bi preživjela i reprodukovala se, što znači da su esencijalni za rast i razviće biljke obuhvata: fotosintezu, glikolizu, ciklus limunske kiseline, sintezu aminokiselina, transaminaciju, sintezu proteina i enzima, sintezu koenzima, sintezu strukturnog materijala, duplikaciju genetskog materijala, reprodukciju ćelija, apsorpciju hranljivih sastojaka. (znači, procesi primarnog metabolizma se odvijaju istim mehanizmima u svim biljaka i njima nastaju, transformišu se i razgrađuju osnovna gradivna jedinjenja koja ujedno obezbjeđuju energiju za rastenje, razviće, funkcionisanje i reprodukciju živog organizma)

SEKUNDARNI METABOLIZAM obuhvata hemijske procese koji su jedinstveni za datu biljku nije univerzalan kao ni esencijalan za rast i razviće biljke (mada su poznati po kompleksnosti svojih hemijskih struktura i biosintetskih puteva, prirodni produkti dugo su smatrani biološki nevažnim i istorijski malo su privlačili pažnju većine biljnih biologa) VEZA PRIMARNOG I SEKUNDARNOG METABOLIZMA

- interes za prirodne produkte nije čisto akademski već je više potaknut njihovom velikom upotrebom kao boje, polimeri, vlakna, ljepila, ulja, voskovi, parfemi i ljekovi - poznavanje bioloških svojstava prirodnih produkata doprinosi istraživanju i stvaranju novih lijekova, antibiotika, insekticida, herbicida -takođe je važno da pojačan interes za veoma raznolike biološke efekte koje proizvode prirodni produkti, pokreće reevaluaciju mogućih uloga koje ova jedinjenja igraju u biljkama, posebno u kontekstu ekoloških inetrakcija. - mnoga od ovih jedinjenja danas imaju važnu adaptivnu važnost u zaštiti od herbivora i mikrobne infekcije, kao atraktanti za polinatore i životinje koje raznose sjemenke i kao alelopatski agensi (alelohemikalije koje utiču na kompeticiju između biljnih vrsta)

- sekundarni metabolizam je hemija koja vodi stvaranju prirodnog produkta - ponekad su djelovi ove hemije zajednički za jedan broj različitih biljaka ili biljnih familija, ali je stvarni hemijski produkt (prirodni produkt) obično različit od jedne do druge biljke - zajednički hemijski prekursori vode različitim produktima; sekundarni metaboliti (u većini slučajeva) ne izgleda da su neohodni za preživljavanje biljke, ali mogu imati kompetitivnu prednost

- karakteristika metabolizma sekundarnih biomolekula je vrlo visoka složenost biosintetskih puteva, koji su višefazni i uključuju veći broj enzima, multienzimskih sistema, regulatora ovih enzima, i njihovu ćelijsku organizaciju -najznačajniji biosintetski putevi sekundarnih biomolekula obuhvataju: -put mevalonske kiseline, kojim nastaju izoprenoidi (steroidi i terpenoidi) - metabolički put šikimske kiseline, kojim nastaju fenolna jedinjenja i aromatične aminokiseline - biosintezu iz acetata (acetogeninski put), kojim nastaju masne kiseline, voskovi, fosfolipidi, eikosanoidi, poliketidi (antrahinoni, aflatoksini, makrolidi), poliketidi mješovitog porijekla (flavonoidi) - divergentni putevi biosinteze azotnih jedinjenja (alkaloida ) iz aminokiselina

ALKALOIDI -alkaloidi igraju vrlo važnu ulogu u metabolizmu i funkcionalnoj aktivnosti organizma - to su veoma različita hemijska jedinjenja i biomolekule, ali su svi produkti sekundarnog metabolizma i dobijaju se iz aminokiselinskih ili transaminacionih procesa; slični alkaloidi mogu imati sasvim različite biosintetičke puteve i različite bioodnose; potiču od L-lizina, L-tirozina, L-histidina, nikotinskih kiselina ili acetata, a bitni su i terpenoid, steroidni i purinski alkaloidi -procjenjuje da postoji oko 20 000 alkaloida kojima je određena hemijska struktura - alkaloidi posjeduju veliku biološku aktivnost i brojne fitoterapeutske efekte kao npr. jedinjenja potrebna za ćelijsku aktivnost i realizaciju genetskog koda unutar genotipa; aktivni stimulatori, inhibitori i determinatori rasta; posjeduju antimikrobna, antifugalna, insekticidna i antiparazitska svojstva; pojedini molekuli mogu delovati kao narkotici; aktivni su agensi u evolucionim interakcijama; alkaloidi mogu promijeniti svoju konfiguraciju u skladu sa promjenom p. H vrijednosti u ćeliji; imaju veoma važnu ulogu u imunom sistemu

- pošto alkaloidi i druga alelojedinjenja (cijanogeni glikozidi i glukozinolati) sa azotom prvenstveno služe kao odbrambena jedinjenja, potrebno je da budu prisutni u visokim koncentracijama i na pravom mjestu u pravo vrijeme - ovo zahtijeva visoko koordiniran sekundarni metabolizam, što se može vidjeti na primjeru nastajanja alkaloida koje je često zavisno od faze razvoja biljke -njihov sadržaj i sastav može da varira sa godišnjim ili čak dnevnim ciklusom - efekti alelojedinjenja zavise od doze; da bi bile efikasne, biljke moraju uskladištiti dovoljne količine odbrambenih jedinjenja, obično na strateškim mestima (epidermalno tkivo, ili biljni delovi značajni za reprodukciju i/ili opstanak, kao što su kora, cvjetovi, sjeme ili plodovi) - da bi spriječile bilo kakav vid intoksikacije sopstvenog metabolizma, biljke moraju skladištiti alelojedinjenja u vakuolama, lateksu, smolnim kanalima ili u mrtvim tkivima. . .

-prisustvo alkaloida utvrđeno je u oko 15% biljaka, bakterija, gljiva, pa čak i životinja - u biljnom carstvu alkaloidi se sreću u primitivnim grupama kao što su Lycopodium ili Equisetum, u golosemenicama i skrivenosemenicama - u višim biljkama, neke familije sadrže veći broj alkaloidnih predstavnika nego druge; bogate alkaloidima su familije Papaveraceae, Berberidaceae, Fabaceae, Boraginaceae, Apocynaceae, Asclepiadaceae, Liliaceae, Gentaceae, Ranunculaceae, Rubiaceae, Solanaceae i Rutaceae -specifični tipovi alkaloida su ograničeni na određene taksonomske jedinice i zato su važni za sistematiku, taksonomiju i filogeniju biljaka - npr. , benzilizohinolinski alkaloidi su tipični za Papaveraceae, Berberidaceae i Ranunculaceae koje su najverovatnije filogenetski povezane

AKUMULACIJA I SKLADIŠTENJE - iako su egzaktna mjesta sinteze alkaloida u biljnim ćelijama određena samo kod nekih vrsta, zna se pouzdano da najveći broj ovih jedinjenja nastaje u citoplazmi - u biosintezi berberina ključna mjesta su vezikule vezane za membrane - hloroplasti nisu samo mjesta fotosinteze i za nju vezanih procesa, već i mjesta različitih biosintetskih puteva, poput onih vezanih za metabolizam masnih kiselina i aminokiselina - pored toga, hinolizidinski alkaloidi (HA) se sintetizuju u stromi hloroplasta, pri čemu su i alkaloidi i njihovi aminokiselinski prekursori locirani u istoj organeli. Sinteza HA je regulisana svjetlošću i pokazuje dnevni ritam - alkaloidi ne nastaju u međućelijskom prostoru niti u vakuolama (ipak, čini se da vakuole funkcionišu kao glavna organela za skladištenje alkaloida)

Alkaloidi se skladište - najviše u tkivima koja su značajna za preživljavanje i reprodukciju, što uključuje mlada tkiva aktivnog rasta, koru korijena i stabla, cvjetove (naročito sjemena), klijance i fotosintetički aktivna tkiva - sadržaj alkaloida u skladišnim organima može biti dosta visok, do 10% suve mase u nekim slučajevima, što je važno ako alkaloidi funkcionišu kao efektivne odbrambene supstance - u nekim zeljastim biljkama alkaloidi se skladište u epidermalnom i subepidermalnom tkivu (npr. kokain, kolhicin, akonitin, steroidni alkaloidi, nikotin, veratrin, buksin, konin) što je prvenstveno u funkciji odbijanja sitnih neprijatelja (insekata i mikroorganizama). . . - u nekim biljkama koncentracija alkaloida se čak mijenja u toku dnevnog ciklusa; na sintezu alkaloida i njihovo skladištenje mogu uticati stresni faktori spoljašnje sredine, poput ozljeda i infekcija. . . Alkaloidi Hinolizidinski Tropanski Nikotinski Morfinski Maksimum sinteze alkaloida rano podne i veče i ponoć podne Biljni izvor Lupinus, Cytisus, Atropaz Nicotiana Papaver

-određeni broj alkaloida se sintetizuje i skladišti u svim djelovima biljaka, dok su drugi ograničeni na određene organe -alkaloidi se mogu sintetizovati a zatim i transportovati u mnoge organe udaljene od mesta sinteze - ovo zahteva transport na veću udaljenost, obično putem simplasta i apoplasta. Ipak, čini se da je češći put transporta onaj preko floema i ksilema. O ovome postoji mali broj rezultata istraživanja pošto je teško tehnički izvesti uzorkovanje soka iz ksilema i floema. - pored transporta na veću udaljenost, postoji i transport na malu udaljenost i intracelularni transport uopšte, alkaloidi se sintetizuju u citosolu ili vezikulama vezanim za membrane (endoplazmatični retikulum, mitohondrije, hloroplasti), ali se akumuliraju i raspoređuju u vakuolama - nakupljanje velikih koncentracija alkaloida je preduslov njihove alelohemijske uloge kao odbrambenih jedinjenja -s obzirom da ove velike koncentracije mogu ometati normalni metabolizam, alelohemikalije se skladište na sigurnom, u vakuolama često specijalizovanih ćelija ili tkiva (kao što je epidermis) -vakuole ovih alkaloidnakupljajućih ćelija nazvane su “toksične” ili “odbrambene” organele

-skladištenje alkaloida u vakuolama ili vezikulama podrazumeva da oni moraju proći tonoplast i zatim se akumulirati unutar vakuole nasuprot gradijentu koncentracije -za prolazak kroz tonoplast moguća su tri mehanizma: 1) prosta difuzija - (odvija se u slučaju lipofilnih alkaloida, npr. nikotin, ajmalicin, vinblastin, kolhicin) 2) transport omogućen nosačem - (u slučaju polarnih i alkaloida sa električnim nabojem, što je pravilo za većinu alkaloida u fiziološkim uslovima, npr. hiosciamin, lupanin, retikulin, skulerin, senecionin) 3) fuzija sa membranom - (npr. berberin)

OBNAVLJANJE ALKALOIDA - alkaloidi uskladišteni u sjemenu djelimično degradiraju tokom klijanja i nicanja i azot iz njih se vjerovatno koristi u sintezi aminokiselina (degradativni put još nije u potpunosti objašnjen) - pored ovog vida reciklacije vezanog za razvojne procese biljaka, ustanovljeno je da se jedan broj alkaloida neprestano metabolički “obnavlja” (engl. “turn over”), sa periodom polu-života između 2 i 48 h - primjeri za ovo su nikotin, hinozidinski alkaloidi HA i tropanski alkaloidi - “turn over” alkaloida je često veoma značajan u kulturama ćelija nekih biljaka (kultura Lupinus kalusa je čak sposobna da živi na hinolizidinskom alakloidu sparteinu kao jedinom izvoru azota više od šest mjeseci

FUNKCIJA ALKALOIDA - glavna uloga alkaloida je u hemijskoj odbrani od biljojeda (i to od insekata, drugih artropoda i kičmenjaka) što se vidi iz činjenice da mnogi alkaloidi imaju visok afinitet za receptore neurotransmitera koji su prisutni samo u u životinjama - u nekim slučajevima, alkaloidi igraju dodatnu ulogu u odbrani od mikroorganizama (bakterija, gljiva i virusa) pa čak i u interakcijama između samih biljaka (alelopatija) - alkaloidi su svakako jedinjenja sa mnogo svrha, i oni, u zavisnosti od situacije, mogu biti aktivni u više od jedne interakcije sa spoljašnjom sredinom - npr, hinozidinski alkaloidi (HA) su najvažnije odbrambene supstance u leguminozama protiv insekata i drugih biljojeda, ali oni takodje utiču i na bakterije, gljive, viruse i čak na klijanje drugih biljaka; pored toga, koriste se i kao degradabilna jedinjenja za transport i skladištenje azota

-alkaloidi odbijaju ili odvraćaju mnoge životinje od hranjenja i ako se unesu u organizam su toksični - za ljude i druge kičmenjake mnogi imaju gorak ili opor ukus - uobičajeni vidljivi efekat intoksikacije alkaloidima kod mikroorganizama i drugih biljaka je redukcija porasta - iako sva jedinjenja nisu detaljno istražena, ustanovljen je veoma veliki broj ćelijskih i molekulskih komponenti koje alkaloidi selektivno inhibiraju ili moduliraju; kao posledica ovih interakcija, loš rad organa (srca, pluća, jetre, bubrega, CNS) može rezultirati u smanjenju reprodukcije i fertilnosti kod životinja i drugih organizama, ili ih jednostavno ubiti -tokom evolucije, mnogi alkaloidi su počeli da se upotrebljavaju u humanoj medicin kao ljekovi - korišćenjem u netoksičnim koncentracijama, ove alelohemikalije mogu imati pozitivan efekat

BIOLOŠKO DEJSTVO ALKALOIDA -antimikrobno, antibakterijsko, antifugalno -Stimulatori i inhibitori rasta bilajka -Zaštitni agensi -Rezervoari azota (veza između nutriejnata u zemljištu i promjene u količini alkaloida) -Štite biljke od fiziološkog stresa kao što je UV-svjetlost i toplota -Neurotransmiteri, dio signalnog sisitema ALKALODI I BIOTOKSIČNOST. . . NARKOTICI. . ALKALOIDI I BIOTEHNOLIGIJA. . .

Cijanogeni glikozidi i glukozinolati -ove grupe sekundarnih metabolita sa azotom (N) se odlikuju brojnim neobičnim karakteristikama - u osnovi nastaju iz aminokiselina kao prekursora i kao glikozidi se skladište u vakuolama - oni funkcionišu kao “prefabrikovane” zaštitne komponente koje se aktiviraju -glukozidazom i u tom slučaju se obrazuje strašno toksičan cijanid iz cijanogena ili izotiocijanat iz glukozinolata - u slučaju opasnosti, kada su biljke napadnute biljojedima ili drugim organizmima kompartmenti ćelije se razgrađuju I cijanogeni glikozidi dolaze u kontakt sa aktivnom - glikozidazom koja iste hidrolizuje stvarajući 2 -hidroksinitril (cijanohidrin)

Glukozinolati - su veoma slični cijanogenima u mnogim osobinama ali sadrže sumpor kao dodatni atom, zbog čega se mogu klasifikovati i kao tioglukozidi - kada hidrolizuju glukozinolati oslobađaju D-glukozu, sulfat i nestabilan aglikon, koji može obrazovati izotiocijanat (obično nazvan “senf ulje”) kao glavni proizvod pod određenim uslovima, ili tiocijanat, nitril ili cijano-epitioalkan (izotiocijanati su odgovorni za karakterističan ljut ukus senfa i rena)

FIZIOLOŠKA ULOGA FENOLA - uključeni su u regulaciju pojedinih fizioloških procesa - rast, zrenje, dozrijevanje. . . - nakon gnojidbe rast biljaka kontroliran je endogenim hormonima (auksin, giberelin, citokinin, etilen itd. ) - interakcije s fitohormonima (interakcije polifenol-metabolizam auksina) -direktan utjecaj na vezanje pojedinih konstituenata na primarn. I ćelijski zid - fotoregulacijom - može se uticati na promjene konformacije (cis-trans)