3.7. Речовини вторинного походження

Речовини вторинного обміну синтезуються у цитоплазмі та органелах. Вважають, що вони виникають внаслідок незбалансованого росту, що призводить до створення надлишку інтермедіатів, на накопичення яких організм відповідає перетворенням їх на вторинні сполуки. Якщо у процесі метаболізму виникає надлишок якої-небудь сполуки, що може призвести до порушення перебігу нормальних процесів, надлишок продуктів шляхом дифузії або активного механізму видаляється крізь плазмалему чи тонопласт. У першому випадку видалені продукти потрапляють у вільний простір клітини, у другому – у вакуолю:

Вторинні метаболіти різноманітні, хоч і утворюються на небагатьох шляхах обміну речовин. Їхніми попередниками є мевалонат, ацетил-КоА, корична кислота та амінокислоти (рис. 15).

Найважливішими речовинами вторинного походження є терпени, алкалоїди, флавоноїди, глікозиди та ін. Кількість відомих терпеноїдів наближається до 5000 тисяч, алкалоїдів нараховується 7000, флавоноїдів – близько тисячі. У кожній окремій рослині, звичайно, присутні сполуки одного виду.

Вторинні речовини є біологічно активними сполуками і можуть викликати пошкодження цитоплазми. Тому у рослині існують механізми захисту. Ці речовини локалізуються у специфічних органелах, або ж зазнають модифікації до відносно нешкідливих сполук.

Значення продуктів вторинного обміну недостатньо вивчене. На сьогодні встановлено, що багато з них можуть включатися у процеси метаболізму, і тому розглядаються як запасні поживні речовини.

Рис. 15. Найважливіші класи вторинних речовин рослин, їх біогенетичне походження і число приблизно відомих хімічних структур (за Hartmann, 1985).

Різні фактори навколишнього середовища здатні викликати пошкодження рослинного організму, при якому відбувається вивільнення метаболітів і перетворення їх у активні речовини. У фізіологічно активних тканинах рослин фенольні сполуки містяться у вакуолях у формі глікозидів.

Глікозиди – це сполуки, у яких молекули цукрів зв’язані одна з одною або з речовинами невуглеводної природи за допомогою глікозидних з’єднань. Найбільшчастіше у тканинах містяться глікозиди, у яких цукор з’єднаний через атом кисню зі спиртом (фенолом) або органічною кислотою. Крім того цукор може бути зв’язаний безпосередньо з атомом вуглецю, азоту або сірки.

Глікозидами є більшість флавоноїдних пігментів, які зумовлюють яскраве забарвлення тканини і органів. Відмінною ознакою структури молекули таких сполук є наявність двох бензольних кілець і одного кільця з атомом кисню, які пов’язані з вуглеводом. Флавоноїди містяться у листках рослин і пелюстках квітів. Вони здатні поглинати ультрафіолетове випромінювання і таким чином захищати генетичний матеріал і білки клітини від руйнування.

Основним типом флавоноїдів є антоціаніди. Саме вони здебільшого зумовлюють червоний і синій кольори, залежно від кислотності середовища. Так голубе забарвлення волошки синьої (Centaurea cyanus) і червоного маку (Papaver rhoeas) визначається по суті одним і тим же пігментом. Справа у тому, що сік волошки злегка лужний, а у маку – кислий. У природі нерідко після запилення у квіткових пелюстках змінюється кислотність, а значить – і забарвлення.

До флавоноїдів належать і, так звані, флавоноли (наприклад, жовтий - кварцетин) і таніни (безбарвні й гіркі флавоноїди). Деякі флавоноли безбарвні для ока людини, але здатні поглинати ультрафіолетове випромінення. Водночас вони не перешкоджають акумулюванню світлової енергії хлорофілом. Восени, коли хлорофіл руйнується, безбарвні флавоноли втрачають атом кисню і перетворюються в антоціанідини.

Біологічне значення глікозидів багато у чому залишається нез'ясованими. Деякі з них токсичні для тварин. Інші, навпаки, приваблюють комах, які ними живляться. Усі серцеві глікозиди і сапоніни здатні пошкодити мембрани і порушити іонну рівновагу, що може призвести до зупинки серця.

Подальше вивчення функцій глікозидів дасть змогу активізувати природні системи захисту рослин від шкідників і хвороб, знизити використання синтетичних пестицидів.

Алкалоїди дуже поширені у рослинах. Вони зустрічаються приблизно у 20 % родин вищих рослин, зосереджені переважно у активних тканинах, епідермальних і гіподермальних клітинах, у латексі молочних судин і обкладці судинних пучків. Місцем локалізації їх у клітинах є вакуоля. У хімічному значенні це азотисті сполуки, які істотно розрізняються за хімічним складом і будовою. Вони не розчиняються у лугах і розчиняються у воді.

Залежно від природи азотистого гетероциклу, який знаходиться у складі молекули, алкалоїди поділяються на групи: похідні піперидину (анабазин), піридину (нікотин), тропану (атропін), хіноліну (хінин), ізохіноліну (морфін, берберин), пурину (кофеїн), терпеноїдів (соланін), індолу (стрихнін) (рис. 16).

Рис.16. Деякі алкалоїди рослин

Вміст алкалоїдів значною мірою залежить від умов середовища (освітлення, температури, засолення, посухи). На сьогодні виявлено існування їх тісного зв’язку з обміном білків і амінокислот. Зміна кількості алкалоїдів при стресах може бути показником азотного обміну рослин.

Речовини, які утворюються у процесах життєдіяльності організму, можуть виділятися у навколишнє середовище – зовнішня секреція. Зовнішня секреція здійснюється спеціалізованими секреторними клітинами, які розташовані на поверхні наземних частин рослин. До них належать залозисті волоски, залозки, нектарники, осмофори і гідатоди. Екстреторні речовини можуть виконувати захисну функцію.

Крім зовнішньої секреції існує і внутрішня, яка полягає в утворенні газів й невеликих секретів і виділенні їх у міжклітинний простір та інші порожнини рослини. Гази і газоподібні продукти заповнюють повітроносну систему, а нелеткі сполуки заповнюють канали і ходи у тканинах. У рослин існують спеціалізовані клітини (ідіобласти), які виконують секреторну функцію. Ці клітини знаходяться серед інших у вегетативних і репродуктивних органах. Вони можуть значно відрізнятися від клітин тканини за формою, структурою і вмістом. У таких спеціалізованих секреторних клітинах накопичуються мінеральні солі, ефірні олії, смоли, таніни й інші сполуки. Мінеральні солі відкладаються, в основному, у вигляді оксалатів кальцію, карбонатів калію та оксидів кремнію. Тривалий час вважали, що оксалати кальцію є кінцевим продуктом метаболізму, утворюються як пристосування для відведення з обміну надлишку Са. Однак є дані, що за певних умов кристали Са можуть зникати з вакуолі, якщо клітини залишаються живими. Кристали оксалату кальцію формуються у вакуолі у особливих камерах, оточених мембраною. Після завершення формування кристалів навколо кристалоносної вакуолі відкладається полісахаридна оболонка, яка може потім просочуватися лігніном або суберином і залишатися при цьому зв’язаною з клітинною стінкою. При суберинізації ідіобласт відмирає.

Оксид кремнію відкладається в оболонці й порожнині клітини. Своєрідні кремнійумісні клітини зустрічаються у злаків. Вони є двома суміжними клітинами, в однієї з яких оболонка пробковіє, а у другої – просочується оксидом кремнію. Клітина з кремнієм в оболонці рано відмирає і повністю заповнюється кремнієм. Клітина з опробковілою оболонкою містить цитоплазму з розвинутим ендоплазматичним ретикулумом і виконує секреторну функцію.

Під дією факторів середовища як абіотичних (механічні, хімічні і тощо), так і біотичних (проникнення патогена та ін.), які можуть викликати пошкодження рослинного організму, вторинні метаболіти будуть звільнені й перетворяться в активні сполуки. Найбільш чутливі до пошкодження ліпіди, і перш за все деградують мембранні фосфоліпіди. Наприклад, у розрізаних бульбах картоплі втрачається 20 % ендогенних мембранних ліпідів протягом декількох секунд, 40 % – протягом хвилини. При цьому вивільнюються жирні кислоти, які є токсичними для багатьох життєвих процесів, можуть пошкоджувати білкові компоненти мембран. Наприклад, у стресових умовах при руйнуванні або збільшенні проникності тонопласту з вакуолі виходять фенольні сполуки і в цитоплазмі окислюються до хінонів, які, маючи велику окислюючу здатність, впливають на активність ферментів.

До стресових метаболітів належать фітоалексини. Вони утворюються в здорових клітинах рослин, які прилягають до пошкоджених ділянок тканини. Потім фітоалексини або їх попередники, переміщуються і накопичуються у некротизованій тканині, створюючи токсичні для паразита концентрації. Найчастіше фітоалексини накопичуються при пошкодженні тканини грибами чи бактеріями, а також під впливом фізичних і хімічних факторів. Багато рослин при пошкодженні виділяють камеді – полісахариди, які твердішають на повітрі й закривають рану, що й захищає її від попадання інфекції і втрати води.