Тема 1. Біологічно активні речовини

Це загальна назва органічних сполук, які беруть участь у здійсненні певних функцій організму та виявляють високу специфічну дію. До таких речовин відносяться ферменти, гормони, вітаміни тощо.

При введенні цих речовин в організм хворої людини може настати одужання або змінюється перебіг хвороби.

До біологічно активних речовин рослин відносяться білки, ферменти, ліпіди, фітогормони, фітонциди, вітаміни та інші.

Вони містяться в рослинах у невеликій кількості і відзначаються різноманітністю структури та властивостей.

Білки – це високомолекулярні органічні речовини, які відіграють фундаментальну роль у структурі та життєдіяльності рослин. Інформація, що міститься в білку, записана у формі довгих послідовностей залишків амінокислот і транслюється з генетичного апарату клітин при біосинтезі. Структурними елементами його є амінокислоти.

Білки поділяють на протеїни та протеїди. Протеїни – прості білки, які складаються тільки із залишків амінокислот. До них відноситься багато запасних білків.

Назва "протеїни" була вперше введена у 1938 році голландським хіміком і лікарем Г. Я. Мульдером.

До простих рослинних білків належать:

• • альбуміни, які є в насінні деяких рослин: пшениці, жита, ячменю, гречки, бобів, гороху, сочевиці, сої тощо;
• • глобуліни, які містяться також у насінні: конопель, мигдалю, волоського горіха та ін.;
• • проламіни і глютеліни: містяться у насінні злаків (пшениця, жито, ячмінь та ін.), складаючи основну масу клейковини.

До проламіну відноситься гліадин (у пшениці), зеїн (у кукурудзі), гордеїн (у ячмені), авенін (у вівсі), оризин (у рисі).

Протеїди – складні білки, які в залежності від протестетичних груп поділяють на:

• • глікопротеїди (молекула включає протеїн і вуглеводну простатичну групу);
• • ліпопротеїди (асоціати ліпідів з білками);
• • пуклеопротеїди (комплекси нуклеїнових кислот з білками);
• • хромопротеїди (молекула при гідролізі розпадається на простий білок та небілкову забарвлену частину);
• • фосфопротеїди (структурними компонентами є білок та залишки фосфорної кислоти);
• • металопротеїди (сполуки білків з різними металами).

Ферменти – сполуки білкової природи, в основі каталітичної дії яких лежать фізико-хімічні та термодинамічні закономірності хімічної кінетики. Термін "фермент" уперше увів у науку голландський учений XVII ст. Ван-Гельмон для речовин, що стимулюють перетворення виноградного соку у вшю. Пізніше був запропонований термін – ензими (від грец. en zyme – у дріжджах). Обидва ці терміни використовують як синоніми.

У 1814 році російський хімік-органік К. С. Кірхгоф відкрив явище перетворення крохмалю на цукор у ячмінному солоді.

У 1833 році французькі учені А. Пайєн та Ж. Персо виявили в осаді, утвореному при додаванні спирту до солодового екстракту, термолабільну речовину (діастазу, нині амілаза) і довели, що вона здатна перетворювати крохмаль на цукор.

У 1860 році французький учений Л. Пастер описав бродильний процес, що складається з послідовних ферментативних реакцій.

У 1897 році німецький хімік Е. Бухнер одержав блок ферментів з екстракту, в якому були відсутні клітини дріжджів.

Білкову природу ферментів довів американський біохімік Джеймс Самнер у 1926 році, виділивши у кристалічному стані уреазу.

У зв'язку з безперервним зростанням числа ферментів Міжнародний біохімічний союз видав "Номенклатуру ферментів".

Всі відомі нині ферменти поділяють на шість класів:

• • оксидоредуктази – каталізують окисно-відновні реакції;
• • трансферази – каталізують реакції міжмолекулярного перенесення різних хімічних груп і залишків;
• • гідролази – каталізують реакції гідролітичного розщеплення внутрішньо- молекулярних зв'язків;
• • ліази – каталізують реакції негідролітичного розщеплення, а також приєднання груп з подвійними зв'язками та зворотні реакції;
• • ізомерази – каталізують реакції ізомеризації субстратів;
• • лігази (синтетази) – реакції синтезу речовин з використанням енергії АТФ.

Ліпіди – жири, природні органічні сполуки нерозчинні у воді, але розчинні в органічних розчинниках (спирт, ефір, хлороформ, ацетон). Вони є похідними вищих жирних кислот, спиртів та альдегідів.

У відповідності з класифікацією їх поділяють па наступні групи:

• • гліцериди – складні ефіри багатоатомного спирту гліцерину з вищими жирними кислотами;
• • гліцерофосфоліпіди (фосфоліпіди) – складні ефіри гліцерину з вищими жирними кислотами і фосфорною кислотою;
• • кардіоліпіни – складаються з 2 молекул фосфатидної кислоти зв'язаних за допомогою однієї молекули гліцерину;
• • сфінгомієліни – складні ефіри багатоатомного спирту сфінгозину з вищими жирними кислотами і фосфорною кислотою;
• • стероїди л представлені спиртом холестеролом та його складними ефірами з жирними кислотами (ефіри холестерину);
• • віск – складні ефіри вищих жирних кислот і вищих одноатомних або двоатомних спиртів з числом вуглецевих атомів від 16 до 22. У рослин 80 % від усіх ліпідів, що утворюють плівку на поверхні листя і плодів, складає віск;
• • гліколіпіди – складні ефіри багатоатомних спиртів з вуглеводами та іншими сполуками.

У свою чергу в залежності від складових, гліколіпіди поділяються на:

• • галактозілцераміди – до складу входить галактоза, яка зв'язана ефірним зв'язком із гідроксильною групою аміноспирту сфінгозину;
• • сульфогалактозілцераміди – до складу входить галактоза, яка зв'язана ефірним зв'язком із гідроксильною групою аміноспирту сфінгозину і залишком сірчаної кислоти;
• • глюкозілцераміди – до складу входить D-глюкоза, яка зв'язана ефірним зв'язком із гідроксильною групою аміноспирту сфінгозину.

До похідних ліпідів відносять стероїдні гормони, жовчні кислоти і вітамін D ₃, простагландини, тромбоксани та лейкотрієни.

До складу більшості ліпідів входять жирні кислоти. Виділяють насичені (масляна, лауринова, міристинова, пальмітинова, стеаринова), мононенасичені (пальмітоолеїнова, олеїнова, нервонова) та поліненасичені (лінолсва, ліноленова, арахінова, арахідонова) жирні кислоти.

Слід відмітити, що складні ефіри високомолекулярних жирних кислот і триатомного спирту гліцерину представляють жирні олії, що зустрічаються майже в усіх рослинах (складають основний продукт запасу, який при окисленні виділяє велику кількість енергії).

У медицині використовуються у натуральному вигляді та у вигляді емульсій. Становлять основу різних препаратів. Так, жирна олія рицини використовується як послаблювальний засіб, а соняшникова є основою для виготовлення медичних препаратів, кісточкова – як основа для ін'єкційних форм.

Ефірні олії – суміш рідких ароматних летких речовин, які можна одержати з рослин шляхом дистиляції, екстракції, пресування. Більшість ефірних олій добре розчиняється у бензині, ефірі, хлороформі, ліпідах, в оліях та інших ліпофільних речовинах, та погано – у воді.

Основними компонентами ефірних олій є терпеноїди, насичені і ненасичені жирні та органічні кислоти, альдегіди, складні ефіри, спирти, а також гетероциклічні сполуки аміни, феноли, органічні сульфіди, оксиди та інші.

Ефірні олії утворюються й концентруються у цитоплазмі окремих рослинних клітин. Це леткі сполуки, які утворюються рослинами й обумовлюють їх запах.

Склад ефірних олій залежить від виду рослини, погодних умов під час збирання, умов зберігання сировини, способу приготування олії, а також, у багатьох випадках, від тривалості та умов зберігання. Вибір показників якості ефірних олій залежить від сфери застосування і визначається їх натуральністю, парфумерними, фармакологічними і смако-ароматичними властивостями.

Медичне значення досить значне. Наприклад, ефірна олія з листків евкаліпту використовується як відхаркувальний, антисептичний та болезаспокійливий засіб (входить до складу крапель для носа, інгаляцій); із пелюсток троянд використовується як антисептичний засіб (препарат Розанол).

Фітогормони – гормони, які утворюються рослинами в дуже малих кількостях (10^-8 – 10^-5 моль), регулюють їх ріст і розвиток. Вони також обумовлюють формотворні процеси рослини, контролюють інтенсивність обміну речовин у клітинах і органах, що завершили ріст.

До фітогормонів відносять ауксини, гібереліни, цитокініни та абсцизову кислоту.

Ауксини – за хімічною будовою одноосновні оксикислоти. Утворюються у точках росту стебел, коренів, у молодих листках, бруньках, активуючи надходження поживних речовин до ростучих тканин. Синтетичні аналоги – β-індоліл- масляна кислота.

Гібереліни – прискорюють ріст і цвітіння рослин. Велика кількість їх знаходиться в частинах стебел, що знаходяться у фазі росту. За хімічною будовою це тетрациклічні карбонові кислоти. Найактивніший представник – гібереліно- ва кислота, препарати якої одержують з продуктів життєдіяльності грибів роду Fusarium.

Цитокініни – найхарактернішим проявом дії є активація поділу клітин та проростання насіння, закладення бруньок у рослин. Найбільш вивченим представником є зеатин.

Абсцизова кислота – природний регулятор росту рослин терпеноїдної природи, виконує зворотну функцію щодо інших груп фітонцидів – затримує ріст та розвиток рослин (розпускання бруньок, проростання насіння), прискорює процеси опадання листя, дозрівання плодів.

Фітонциди – речовини, які утворюються вищими рослинами і мають бактерицидну, фунгіцидну і протистоцидну дію, а деякі з них токсично діють на комах, кліщів, червів та інших макроорганізмів, стимулюють або гальмують розвиток і ріст рослин, їх відкрив російський ембріолог Б. П. Токін. Вони є одним із чинників природного імунітету рослин, що захищають їх від збудників інфекційних хвороб та комах-шкідників.

За хімічним складом, це – глікозиди, терпеноїди та інші вторинні метаболіти. Так, наприклад, у комплекс фітонцидів яблуні входить 28 компонентів (кислоти, спирти, альдегіди, кетони, прості та складні ефіри, лімонен).

Слід відмітити, що біологічна активність їх обумовлена не усім комплексом сполук, а групою речовин (алкалоїдами, глікозидами, хінонами, лактонами, флавоноїдами, кислотами, смолами, ефірними оліями тощо).

Розрізняють леткі фітонциди, які виділяються наземними частинами рослини у повітря; підземними – частинами рослини у грунт; водними рослинами – у воду.

Виділяють і неекскреторні фітонциди. Останні утворюються у тканинних соках і протоплазмі клітин.

Продукування їх змінюється в залежності від пори року, доби, грунту, кліматичних умов, стадії вегетації, та у цілому, від фізіологічного стану рослини. Причому, різні органи рослини можуть виділяти різні фітонциди, а однакові – у різних кількостях.

Рослини продукують порівняно велику кількість фітонцидів. Наприклад, 1 гектар хвойного лісу виділяє у повітря в середньому 4-5 кг фітонцидів на добу, листяного – 2 кг, тоді як яловець звичайний виділяє до 30 кг.

Виділення в атмосферу фітонцидів особливо інтенсивно проходить під час цвітіння рослин. Відмічають, що у цей час повітря лісів, степів та навколишнього середовища особливо насичено ними.

Відкриття фітонцидів, до певної міри, дало можливість з'ясувати складні співіснування між рослинами. Справа у тому, що деякі з них гальмують, а інші стимулюють розвиток та ріст інших, тобто впливають на стан фітоценозів.

Для прикладу, якщо висіяти по сусідству пшеницю та альпійську фіалку, то пшениця дасть високий врожай, а фіалка не випустить жодного паростка. Ця ж фіалка, якщо росте по сусідству із капустою, проявляє такий антагонізм, що обидві рослини гинуть.

Якщо вирощувати озиме жито й пшеницю на одній і тій же площі, протягом трьох років поспіль, то на четвертий рік пшениця не дасть урожаю.

Спостерігають, що огірки краще ростуть поряд з квасолею.

Відмічається різне співіснування і у дерев. Так, дуб і горіх не можуть рости поряд; хвойні породи дерев пригнічують ріст навіть свого родича – сосну; ясень пригнічує ріст дуба; шипшина не може рости поряд з ялиною; липа дрібнолиста пригнічує акацію жовту і бузину жовту; тополя запашна пригнічує ріст вільхи сірої. Своєрідна несумісність існує між бузиною червоною і мадриною сибірською. Водночас, магнолія стимулює проростання насіння люцерни та тимофіївки; троянди краще ростуть поряд із лілією.

Вищенаведені приклади свідчать про те, що фітонциди є одним із вирішальних чинників природного добору рослин у фітоценозах.

Фітонциди у цілому впливають і на склад біоценозів. Зокрема, в залежності від якісного і кількісного складу лісів, садів, полів, лугів змінюється склад мікрофлори повітря, бо фітонциди до деякої міри його знезаражують.

Мікробіологічними дослідженнями встановлено, що у соснових і кедрових лісах повітря містить на 1 м³ усього близько 200-300 бактерій.

Проведеними дослідами встановлено, що в лабораторних умовах фітонциди квіток і листя черемхи на перших секундах убивають мух, комарів, гедзів, а через 15-90 хвилин можуть гинути і щури. Також доведено, що досить 2,0 г подрібнених листків лавровишні, щоб їх фітонциди привели до загибелі великих пацюків.

Бузина своїми фітонцидами захищає смородину та агрус від гусениці метелика-вогневика, а яблуня – від плодожерки; календула – квіткові рослини і ягідні кущі від нематод.

Цибуля своїми фітонцидами відлякує кліщів, довгоносиків та інших шкідників від ягідних кущів.

Виходячи із цього, необхідно у містах і селищах міського типу, а також біля медичних і профілактичних закладах (лікарні, санаторії, будинки відпочинку тощо) висаджувати дерева та кущі з високою фітонцидною активністю.

У деяких країнах проводять обкурювання приміщень димом, який одержують при спалюванні різних рослин або їх сумішей.

Поширення, заготівля, хімічний склад та медичне застосування описані нижче в розділах рослини, які місять комплекс біологічно активних речовин.