Глюкозинолаты

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Структура глюкозинолата; боковая группа R варьируется

Глюкозинолаты — это органические соединения, встречающиеся в овощах с резким и терпким вкусом, таких как горчица, капуста и хрен. Им придают остроту горчичные масла, которые образуются из глюкозинолатов при пережевывании, нарезании или любом другом повреждении целостности съедобного растения. Эти натуральные химические соединения помогают растениям защищаться от вредителей и болезней и придают характерную терпкость вкусу всех крестоцветных овощей[1]. Между видами варьируются по химической структуре и по содержанию[2].

Глюкозинаты могут быть разделены на 3 класса: алифатические глюкозинолаты, индольные глюкозинолаты и ароматические глюкозинолаты[3].

Глюкозинолаты представляют собой природный класс органических соединений, которые содержат серу и азот и являются производными глюкозы и аминокислоты. Они являются водорастворимыми анионами и относятся к глюкозидам. Каждый глюкозинолат содержит центральный атом углерода, который связан с атомом серы тиоглюкозной группы и через атом азота с сульфатной группой (образуя сульфатированный альдоксим). Кроме того, центральный углерод связан с боковой группой; разные глюкозинолаты имеют разные боковые группы, и именно вариации в боковой группе ответственны за изменение биологической активности этих растительных соединений. Суть химии глюкозинолатов заключается в их способности превращаться в изотиоцианат («горчичное масло») при гидролизе тиоглюкозидной связи ферментом мирозиназой[4].

Природное разнообразие из нескольких аминокислот

[править | править код]

Известно, что около 132 различных глюкозинолатов встречаются в растениях в природе. Они синтезируются из определённых аминокислот: так называемых алифатических глюкозинолатов, полученных в основном из метионина, но также аланина, лейцина, изолейцина или валина. (Большинство глюкозинолатов на самом деле получают из гомологов этих аминокислот с удлиненной цепью, например, глюкорафанин получают из дигомометионина, цепь которого удлинена в два раза). Ароматические глюкозинолаты включают индольные глюкозинолаты, такие как глюкобрассицин, полученный из триптофана, и другие изфенилаланин, его гомолог с удлиненной цепью гомофенилаланин и синальбин, полученные из тирозина[4].

Ферментативная активация

[править | править код]

Растения содержат фермент мирозиназу, который в присутствии воды отщепляет глюкозную группу от глюкозинолата[5]. Оставшаяся молекула затем быстро превращается в изотиоцианат, нитрил или тиоцианат; это активные вещества, которые служат защитой для растения. Глюкозинолаты также называют гликозидами горчичного масла. Стандартным продуктом реакции является изотиоцианат (горчичное масло); два других продукта в основном образуются в присутствии специализированных растительных белков, которые изменяют результат реакции[6].

Гликозид 1 горчичного масла превращается в изотиоцианат 3 (горчичное масло). Глюкоза 2 также высвобождается, показана только β-форма.

В химической реакции, проиллюстрированной выше, красные изогнутые стрелки в левой части рисунка упрощены по сравнению с реальностью, поскольку роль фермента мирозиназы не показана. Однако показанный механизм в основном соответствует реакции, катализируемой ферментом.

Напротив, реакция, проиллюстрированная красными изогнутыми стрелками в правой части рисунка, изображающая перегруппировку атомов, приводящую к образованию изотиоцианата, как ожидается, будет неферментативной. Этот тип перегруппировки можно назвать перегруппировкой Лоссена или перегруппировкой, подобной Лоссену, поскольку это название впервые было использовано для аналогичной реакции, приводящей к органическому изоцианату (R-N = C = O).

Чтобы предотвратить повреждение самого растения, мирозиназа и глюкозинолаты хранятся в отдельных ячейках клетки или в разных клетках ткани и собираются вместе только или главным образом в условиях физического повреждения (см. Мирозиназа).

Растения с глюкозинолатами

[править | править код]

Глюкозинолаты образуются как вторичные метаболиты практически во всех растениях порядка Капустоцветные. К порядку Капустоцветные относится, например, экономически важное семейство Капустные, а также Каперсовые и Кариковые. Растения рода Дрипетес[7] и Путранджива, которые не относятся к порядку Капустоцветные, это единственные представители других видов, содержащие глюкозинолаты. Глюкозинолаты встречаются в различных съедобных растениях, например в капусте (белокочанная, пекинская, брокколи), брюссельской капусте, водяном крессе, хрене, каперсах и редисе, отличительный вкус которым придают продукты деструкции этих соединений. Кроме того, глюкозинолаты содержатся в семенах этих растений.

Биологическое воздействие

[править | править код]

Люди и животные

[править | править код]

Токсичность

[править | править код]

Использование глюкозинолат-содержащих культур в качестве основного источника пищи для животных может иметь негативные последствия, если концентрация глюкозинолатов превышает допустимую для данного животного. Было доказано, что высокие дозы некоторых глюкозинолатов оказывают токсическое действие (в основном в качестве зобных и антитиреоидных агентов) как на людей[нет в источнике], так и на животных[8]. Содержание же глюкозинатов в продуктах животного происхождения намного ниже, чем в овощах, поэтому у людей такие продукты не должны вызывать каких-либо негативных эффектов для здоровья[9]. Однако уровень толерантности к глюкозинолатам варьируется даже в пределах одного и того же рода (например, у каирской иглистой мыши (Acomys cahirinus) и золотистой иглистой мыши (Acomys russatus)[10].

Вкус и пищевое поведение

[править | править код]

Наряду с другими глюкозинолатами синигрин сообщает горьковатый привкус приготовленной цветной и брюссельской капусте[1][11]. Глюкозинолаты могут изменять пищевое поведение животных[12].

Исследования

[править | править код]

Образующиеся из глюкозинолатов изотиоцианаты изучают в лабораторных условиях для оценки экспрессии и активации ферментов, которые подвергают химическим изменениям ксенобиотики, например канцерогены[13]. Были проведены обзорные исследования с целью определить, влияет ли потребление крестоцветных овощей на риск развития рака у людей. Согласно анализу 2017 года, нет достаточных клинических доказательств того, что потребление изотиоцианатов, содержащихся в крестоцветных овощах, полезно для здоровья[13].

Глюкозинолаты и их производные обладают одновременно отпугивающим и токсичным действием на различных насекомых. В попытке применить этот принцип в полеводческом контексте были разработаны продукты на основе глюкозинолатов, которые можно использовать в качестве антифидантов, то есть натуральных пестицидов[14].

В отличие от них такой вредитель крестоцветных, как капустная моль, может распознавать наличие глюкозинолатов и по ним отыскивать нужное для себя растение[15]. Существуют определённые виды насекомых, которые специализируются только на глюкозинолат-содержащих растениях, к ним относятся бабочки-белянки капустница, репница и зорька, некоторые виды тли, мотыльки южная совка, настоящие пилильщики и земляные блошки. Например, бабочка капустница откладывает яйца на растениях, содержащих глюкозинолаты, и личинки способны выживать даже в условиях высокой концентрации этих соединений, питаясь растительной массой. Белянки и зорьки обладают так называемым нитрильным спецификатором, который сводит гидролиз глюкозинолатов к нитрилу, а не реакционноспособным изотиоцианатам[16]. При этом у капустной моли в арсенале совершенно другой белок — глюкозинолат сульфатаза, который десульфатирует глюкозинолаты и не дает им распадаться до токсичных продуктов под действием мирозиназы[17].

Другие виды насекомых (специализированные пилильщики и тля) изолируют глюкозинолаты[18]. У специализированных тлей, но не у пилильщиков, в мышечной ткани обнаружен особый животный фермент мирозиназа, приводящий к деградации изолированных глюкозинолатов при разрушении тканей тлей[19]. Этот разнообразный ассортимент биохимических решений для одного и того же растительного соединения играет ключевую роль в эволюции отношений между растениями и насекомыми[20].

Примечания

[править | править код]
  1. 1 2 Masahiko Ishida, Masakazu Hara, Nobuko Fukino, Tomohiro Kakizaki, Yasujiro Morimitsu. Glucosinolate metabolism, functionality and breeding for the improvement of Brassicaceae vegetables // Breeding Science. — 2014-05. — Т. 64, вып. 1. — С. 48–59. — ISSN 1344-7610. — doi:10.1270/jsbbs.64.48. Архивировано 25 августа 2022 года.
  2. Spyridon A. Petropoulos, Isabel C. F. R. Ferreira, Lilian Barros. Phytochemicals in Vegetables: A Valuable Source of Bioactive Compounds. — Bentham Science Publishers, 2018. — С. 265. — 492 с. — ISBN 978-1-68108-739-9. Архивировано 26 августа 2022 года.
  3. Masahiko Ishida, Masakazu Hara, Nobuko Fukino, Tomohiro Kakizaki, Yasujiro Morimitsu. Glucosinolate metabolism, functionality and breeding for the improvement of Brassicaceae vegetables (англ.) // Breeding Science. — 2014. — May (vol. 64, iss. 1). — P. 48–59. — ISSN 1344-7610. — doi:10.1270/jsbbs.64.48. — PMID 24987290. Архивировано 25 августа 2022 года.
  4. 1 2 Agerbirk N, Olsen CE (May 2012). "Glucosinolate structures in evolution". Phytochemistry. 77: 16—45. doi:10.1016/j.phytochem.2012.02.005. PMID 22405332.
  5. Bongoni R, Verkerk R, Steenbekkers B, Dekker M, Stieger M (September 2014). "Evaluation of different cooking conditions on broccoli (Brassica oleracea var. italica) to improve the nutritional value and consumer acceptance". Plant Foods for Human Nutrition. 69 (3): 228—234. doi:10.1007/s11130-014-0420-2. PMID 24853375. S2CID 35228794.
  6. Burow M, Bergner A, Gershenzon J, Wittstock U (January 2007). "Glucosinolate hydrolysis in Lepidium sativum--identification of the thiocyanate-forming protein". Plant Molecular Biology. 63 (1): 49—61. doi:10.1007/s11103-006-9071-5. PMID 17139450. S2CID 22955134.
  7. James E. Rodman, Kenneth G. Karol, Robert A. Price, Kenneth J. Sytsma. Molecules, Morphology, and Dahlgren's Expanded Order Capparales // Systematic Botany. — 1996. — Т. 21, вып. 3. — С. 289–307. — ISSN 0363-6445. — doi:10.2307/2419660. Архивировано 25 августа 2022 года.
  8. Cornell University Department of Animal Science. poisonousplants.ansci.cornell.edu. Дата обращения: 25 августа 2022. Архивировано 12 июня 2022 года.
  9. Auðunsson, Guðjón Atli et al. Glucosinolates as undesirable substances in animal feed - Scientific Opinion of the Panel on Contaminants in the Food Chain (англ.) // EFSA Journal. — 2008. — 15 January (no. EFSA-Q-2003-061). — P. 1—76. — ISSN 1831-4732. — doi:10.2903/j.efsa.2008.590.
  10. Michal Samuni-Blank, Zeev Arad, M. Denise Dearing, Yoram Gerchman, William H. Karasov. Friend or foe? Disparate plant–animal interactions of two congeneric rodents (англ.) // Evolutionary Ecology. — 2013-11-01. — Vol. 27, iss. 6. — P. 1069–1080. — ISSN 1573-8477. — doi:10.1007/s10682-013-9655-x.
  11. The glucosinolates sinigrin and progoitrin are important determinants for taste preference and bitterness of Brussels sprouts. Дата обращения: 25 августа 2022. Архивировано 25 августа 2022 года.
  12. Michal Samuni-Blank, Ido Izhaki, M. Denise Dearing, Yoram Gerchman, Beny Trabelcy. Intraspecific Directed Deterrence by the Mustard Oil Bomb in a Desert Plant (англ.) // Current Biology. — 2012-07-10. — Т. 22, вып. 13. — С. 1218–1220. — ISSN 0960-9822. — doi:10.1016/j.cub.2012.04.051. Архивировано 8 мая 2013 года.
  13. 1 2 Isothiocyanates (англ.). Linus Pauling Institute (29 апреля 2014). Дата обращения: 25 августа 2022. Архивировано 5 июля 2019 года.
  14. Lorenzo Furlan, Christian Bonetto, Andrea Finotto, Luca Lazzeri, Lorena Malaguti. The efficacy of biofumigant meals and plants to control wireworm populations (англ.) // Industrial Crops and Products. — 2010-03-01. — Vol. 31, iss. 2. — P. 245–254. — ISSN 0926-6690. — doi:10.1016/j.indcrop.2009.10.012. Архивировано 11 марта 2017 года.
  15. Francisco Rubén Badenes-Pérez, Michael Reichelt, Jonathan Gershenzon, David G. Heckel. Phylloplane location of glucosinolates in Barbarea spp. (Brassicaceae) and misleading assessment of host suitability by a specialist herbivore // The New Phytologist. — 2011-01. — Т. 189, вып. 2. — С. 549–556. — ISSN 1469-8137. — doi:10.1111/j.1469-8137.2010.03486.x. Архивировано 25 августа 2022 года.
  16. Ute Wittstock, Niels Agerbirk, Einar J. Stauber, Carl Erik Olsen, Michael Hippler. Successful herbivore attack due to metabolic diversion of a plant chemical defense // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2004-04-06. — Т. 101, вып. 14. — С. 4859–4864. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.0308007101. Архивировано 25 августа 2022 года.
  17. Andreas Ratzka, Heiko Vogel, Daniel J. Kliebenstein, Thomas Mitchell-Olds, Juergen Kroymann. Disarming the mustard oil bomb // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2002-08-20. — Т. 99, вып. 17. — С. 11223–11228. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.172112899. Архивировано 25 августа 2022 года.
  18. C. Müller, N. Agerbirk, C. E. Olsen, J. L. Boevé, U. Schaffner. Sequestration of host plant glucosinolates in the defensive hemolymph of the sawfly Athalia rosae // Journal of Chemical Ecology. — 2001-12. — Т. 27, вып. 12. — С. 2505–2516. — ISSN 0098-0331. — doi:10.1023/a:1013631616141. Архивировано 25 августа 2022 года.
  19. Matthew Bridges, Alexandra M. E. Jones, Atle M. Bones, Chris Hodgson, Rosemary Cole. Spatial organization of the glucosinolate-myrosinase system in brassica specialist aphids is similar to that of the host plant // Proceedings. Biological Sciences. — 2002-01-22. — Т. 269, вып. 1487. — С. 187–191. — ISSN 0962-8452. — doi:10.1098/rspb.2001.1861. Архивировано 25 августа 2022 года.
  20. Christopher W. Wheat, Heiko Vogel, Ute Wittstock, Michael F. Braby, Dessie Underwood. The genetic basis of a plant-insect coevolutionary key innovation // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2007-12-18. — Т. 104, вып. 51. — С. 20427–20431. — ISSN 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.0706229104. Архивировано 25 августа 2022 года.