Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи
Тема 5. Біомолекулярний склад живого
§ 29. БІОЛОГІЧНО АКТИВНІ РЕЧОВИНИ: АЛКАЛОЇДИ, ТОКСИНИ, АНТИБІОТИКИ ТА ІНШІ
Терміни та поняття: алкалоїди, токсини, антибіотики, дисбактеріоз, фітонциди, феромони.
Що та кеалкалоїди та токсини. Окрему групу біологічно активних речовин складають продукти біологічного синтезу, які не мають у межах організму, в якому вони синтезовані, чіткого призначення. Їх біологічна дія проявляється тільки при взаємодіях з іншими живими істотами.
Алкалоїди
Алкалоїди мають лужні властивості, звідки й пішла їх назва. Їх молекули також можуть місти ти ато ми Сульфуру, Хлору й Брому. Деякі алкалоїди рослин, у яких вони містяться (опіумний мак, кок), були відомі людині з античних часів. Вже тоді їх використовували як отруту для стріл. Мабуть найуживанішими людством алкалоїдами є нікотин (мал. 149) і кофеїн (мал. 150). Пер ший виділе ний у чистому вигляді алкалоїд – морфін, а також кокаїн – це наркотичні речовини. Багато сильнодіючих алкалоїдів використовуються в медицині, серед них як препарат, що знеболює, й морфін. Хінін тривалий час був основним засобом боротьби з малярією і врятував мільйони життів. Його отримують із кори хінного дерева.
Мал. 149.Структурна формула молекули нікотину
Мал. 150.Структурна формула молекули кофеїну
Мал. 151.Рослина стріхнос отрутоносний, з кори якої індіанці Південної Америки виробляють отруту кураре
Мал. 152.Із насіння чилибухи, що росте в тропічних районах Азії і Африки, отримують стрихнін
Він і зараз застосовується в медицині, хоча вже існують і більш ефективні штучно синтезовані засоби. Найвідомішим алкалоїдом грибів є мускарин, що міститься в червоному мухоморі (подумайте, чому він так називається). Серед алкалоїдів є й дуже сильні отрути. Індіанці Південної Америки використовують отруту кураре, яку вони отримують із кори тропічної рослини Strychnos toxifera (мал. 151). Із близького виду Strychnos nux-vomica (мал. 152) отримують алкалоїд стрихнін, який у лабораторній практиці відносять до першої категорії отруйних речовин. Кураре, навіть у незначній кількості потрапивши в крихітну ранку, вражає нерви дихальних м’язів, що майже відразу призводить до задухи. Цікаво, що незважаючи на таку активність, кураре у шлунку перетравлюється й руйнується, а тому тварини, вбиті отруйними стрілами, використовуються індіанцями в їжу без жодного побоювання. Дотепер не отримано однозначної відповіді на запитання, навіщо ж алкалоїди потрібні рослинам або грибам, якщо їх біологічна активність жодним чином не проявляється в організмах, де вони синтезуються. Крім того, багато рослин, які втрачають здатність до синтезу певного алкалоїду, почувають себе не гірше, ніж ті, що його містять у значній кількості. Тому більшість вчених вважають, що алкалоїди – це непотрібні організму кінцеві продукти біосинтезу, у яких просто накопичуються відходи обміну речовин. На думку інших вчених, у такий спосіб рослини відлякують рослиноїдних тварин. Однак, як показує досвід екологів, були б рослини, а той, хто буде ними живитися, завжди знайдеться. Можна було б очікувати, що якби алкалоїди давали рослинам якісь переваги, то види з їх значним вмістом стали б найбільш масовими й широко розповсюдженими, але найімовірніше, все навпаки. Найчастіше рослини, що містять сильні алкалоїди, рідкісні й нечисленні, а широко поширеними стали тому, що людина ввела їх у культуру й розселила по земній кулі.
Токсини (від грец. токсікон – отрута) – отруйні речовини природного походження, різноманітної будови й способу дії. Викликають порушення функціонування організму і, зрештою, залежно від дози й характеру ураження, спричинюють смерть. Токсини виробляються майже всіма групами організмів: бактеріями, грибами, рослинами, тваринами (медузами, павуками, скорпіонами, комахами, рибами та ін.).
За типом дії на організм людини природні отрути поділяються на кілька груп: ушкоджують кров, знижують проникність судин (отрути деяких бактерій, рослин і багатьох видів змій); ушкоджують внутрішні органи (отрута блідої поганки та ін.); викликають омертвіння тканин (отрути змій); нервово-паралітичні (отрута кобри, риби фугу, а також токсини зі шкіри деяких видів тропічних жаб).
Мал. 153.Гадюка звичайна – представник отруйних змій нашої фауни
Мал. 154.Каракурт, укус цього павука небезпечний для людини
Мал. 155.Шершень, мабуть, одна з найнебезпечніших для людини комах
Отруйні види тварин, грибів, рослин. У фауні й флорі нашої країни є досить багато отруйних видів. Серед тварин це не тільки два види гадюк (степова й звичайна (мал. 153)), але й скорпіон кримський, павук каракурт (мал. 154), комахи, що жалять (особливо шершні (мал. 155), на отруту яких може виникнути сильна алергічна реакція), метелики строкатки, у гемолімфі яких містяться сполуки синильної кислоти, земноводні (червоночеревна і жовточеревна кумки (мал. 156) і ропуха зелена), у шкірі яких містяться набагато слабкіші, ніж в тропічних жаб, токсини. Серед представників царства Рослин до сильно отруйних відноситься цикута (болиголов (мал. 157)) (за переказами, отрутою, виділеною з неї, отруїли Сократа), вовчі ягоди звичайні – кущ, що красиво цвіте ранньою весною (занесений до Червоної книги України). Найбільш небезпечною отруйною істотою нашої країни по праву слід вважати представника царства Грибів – бліду поганку – мухомор з капелюшком білого або блідозеленого кольору, що містить поліпептидні токсини аманітини і фалоідини. Ці поліпептиди стійкі до термічної обробки і під час приготування грибів не розкладаються. За рік від цих токсинів, що діють на печінку, гинуть десятки грибників. Труднощі лікування полягають у тому, що спочатку ця отрута діє не помітно, а коли проявляються симптоми отруєння (блювота, кишкові кольки, м’язовий біль, пронос і сильна спрага), то внутрішні органи виявляються настільки зруйнованими, що не піддаються лікуванню.
Серед бактеріальних токсинів найбільш небезпечним є ботулотоксин, що викликає бо тулізм – смертельно небезпечну хворобу, яка вражає нервову систему. Продукується він бактеріями (Clostridium botulinum), що живуть в анаеробних умовах: звичайно в грунті й на дні водойм. Може розвиватися в консервах, якщо вони виготовлені з погано промитих овочів і фруктів, у ковбасах, копченостях, в’яленій прісноводній рибі. Ботулотоксин не витримує тривалої термічної обробки.
Токсичність одних організмів (змій, павуків, скорпіонів, шершнів) має очевидний і зрозумілий зміст: за допомогою отрути вони добувають їжу й захищають ся від ворогів. Тоді як причини отруйності інших – тих, у яких отрута просто накопичується в клітинах тіла, залишається й дотепер загадкою. Деякі вчені вважають, що це теж пристосування, особливо якщо у тварин є застережливе яскраве забарвлення, яке попереджає їхніх ворогів про отруйність. (Пригадайте, що таке мімікрія.) Однак більшість дослідників, як і у випадку з алкалоїдами, доводять, що це простий наслідок недосконалості обміну речовин, у результаті якого в клітинах накопичується “метаболічне сміття”, яке не заподіює особливої шкоди даному виду організмів, а тому є для нього нейтральним. Але одна закономірність все ж таки є: отрутні тварини, гриби або рослини аж ніяк не є найчисленнішими й процвітаючими представниками своїх царств, а тому токсичність не дає їм у порівнянні з “їстівними” побратимами ніяких особливих переваг.
Мал. 156.Кумка червоночеревна, у шкірі якої містяться особливі токсини
Мал. 157.Найвідоміша отруйна рослина української флори: болиголов, яка може викликати смертельне отруєння
Що таке антибіотики. Антибіотики (від грец. анти – проти і біос – життя) – у вузькому розумінні – речовини різноманітної хімічної природи, які виробляються в мікроорганізмах (бактеріях і грибах) і здатні вбивати або пригнічувати ріст інших мікроорганізмів або злоякісних пухлин багатоклітинного організму. На цей час описано тисячі природних антибіотиків, хоча в медицині використовується лише кілька десятків. Крім того, антибіотиками в широкому розумінні вважають усі речовини природного походження чи штучного синтезу, які мають антибактеріальні властивості.
Перший антибіотик пеніцилін було виділено з мікроскопічного грибка Penicillium notatum (мал. 158) у 1929 р. англійським мікробіологом О. Флемінгом (мал. 159) (1881-1955). У промисловій кількості його почали виробляти під час Другої світової війни. І незважаючи на те, що він був недостатньо сильним і, більш того, навіть токсичним, пеніцилін все-таки врятував мільйони життів. Другий антибіотик – стрептоміцин, який виділили також з грибка – Streptomyces globisporus (мал. 160), з’явився в 40-х роках ХХ ст., був сильнішим за дією, не таким токсичним і здатним вражати більшу кількість збудників, у тому числі страшної хвороби – туберкульозу. Широковідомим є й інший антибіотик – тетрациклін, який порушує утворення комплексу між транспортною РНК і рибосомою, що приводить до пригнічення синтезу білка. За його допомогою сьогодні лікують інфекції дихальних шляхів, зокрема пневмонію, сечостатевих органів, шкіри та м’яких тканин. Завдяки антибіотикам вдалося певною мірою перемогти багато хвороб, які до відкриття цих речовин вважалися такими, що не піддаються лікуванню. Зараз за допомогою антибіотиків, якщо лікування було розпочато на ранніх стадіях, можна перемогти майже всі бактеріальні хвороби.
Однак при невмілому використанні чи передозуванні антибіотиків можна завдати організму великої шкоди. Зокрема після неадекватного лікування антибіотиками, коли гинуть не тільки хвороботворні бактерії, але й бактерії, які в нормі живуть у шкірі, слизових оболонках і кишечнику і є дуже корисними, їх місце займають інші мікроорганізми, які не в змозі компенсувати втрату. Такі зміни в мікрофлорі кишечнику призводять до дисбактеріозу (від грец. дис – втрата і бактерії), за якого порушуються травлення й імунітет.
Мал. 158.Грибок пеніцилюм, з якого було виділено перший антибіотик – пеніцилін
Мал. 159. О. Флемінг
Мал. 160.Культура грибка стрептоміцету, з якого було виділено антибіотик – стрептоміцин
Мікрофлора людини складає близько 2,5 кг живої маси, причому в кишечнику знаходиться близько 1 кг бактерій-симбіонтів. Практично це є самостійний орган, який відіграє важливу роль у перетравленні вуглеводів, синтезі вітамінів, стійкості організму до дії патогенних мікроорганізмів. Вважається, що тільки в кишечнику людини живе від 300 до 1000 видів бактерій.
Дія антибіотиків полягає в тому, що вони порушують ключові процеси обміну речовин бактерій, внаслідок яких або втрачається цілісність мембрани чи клітинної оболонки, або пригнічується синтез білків і ДНК, або блокується робота дихальних ферментів. За своєю дією й хімічною будовою розрізняють кілька типів антибіотиків, які належать до окремих груп – рядів. Антибіотики пеніцилінового ряду виділяють з колоній гриба – пеніцилюма. Дія цих антибіотиків пов’язана з блокуванням синтезу речовин, не обхідних для побудови клітинної стінки, внаслідок чого бактерії гинуть. Однак виявилося, що бактерії здатні боротися з антибіотиками, у свою чергу виробляючи специфічні речовини, які блокують їх згубну дію. Тому на певному етапі антибіотики одного ряду, які втратили здатність боротися з бактеріями, при лікуванні замінюють на представників іншого. Зокрема, у випадку з пеніциліном – представниками цефалоспоринового ряду. Ці антибіотики виділяють з колоній інших видів грибів.
Із властивостей бактерій адаптуватися до дії будь-яких антибіотиків випливають два важливих наслідки практичного характеру.
По-перше, антибіотики слід приймати в таких дозах і стільки днів, скільки призначено лікарем. Але якщо їх прийом було припинено завчасно або дози були заниженими, то частина хвороботворних бактерій залишиться живими і неушкодженими, а це значить, що не виключений рецидив захворювання. Причому в цьому випадку є велика ймовірність того, що воно буде викликано бактеріями, які вже адаптувалися до даного виду антибіотиків. Якщо ж, навпаки, їх приймання затягти, то, крім хвороботворних бактерій, можна знищити власну мікрофлору, а це обов’язково призведе до дисбактеріозу.
По-друге, не можна зловживати антибіотиками, оскільки рано чи пізно бактерії адаптуються, отже, все менше стає антибіотиків, здатних знищити бактерії і, навпаки, усе більше з’являється штамів мікроорганізмів, яким не страшні цілі групи й ряди антибіотиків. У результаті такої коеволюції (від лат. ко – разом і еволюція) бактерій і антибіотиків доводиться вдаватись до все більш сильних препаратів, які вже не щадять “ані своїх, ані чужих”, завдаючи організму хворого величезної шкоди.
Мал. 161.Комп’ютерна модель колонії кишкової палички
Щодо причин появи антибіотиків, то й тут існують дві протилежні думки. Одні вчені вважають, що антибіотики, хоча і не мають особливого призначення в організмі, однак необхідні бактеріям у боротьбі з “конкурентами”. Невипадково, як вважається, більше за інших виробляють антибіотики мікроорганізми, що живуть у грунті, вочевидь таким чином у середовищі, де бактерій найбільше, вони позбавляються одна одної. Інші вважають, що антибіотики – це просто відходи, похибки обміну речовин, яких у примітивних істот бактерій дуже багато.
Інші вторинні метаболіти. Фітонциди (від грец. фітон і лат. цедо – убиваю) – це особливі леткі речовини найрізноманітнішої хімічної буд ви, які виділяються рослинами в дуже незначній концентрації і здатні пригнічувати й навіть убивати різноманітні мікроорганізми. Ці речовини є важливими факторами імунітету рослин. Іноді фітонциди називають антибіотиками в широкому сенсі цього слова. Як і інші вторинні метаболіти (алкалоїди, токсини чи антибіотики), фітонциди не мають чіткого функціонального призначення в межах організму, в якому синтезуються, і, залежно від виду рослин, належать до різних класів органічних речовин. Типовими представниками фітонцидів є ефірні масла й інші сильно пахучі сполуки, що виділяються рослинами, особливо при їх травмуванні.
Виявляється, дерева нашої кліматичної зони мають сильний фітонцидний ефект: фітонциди сосни згубні для бактерій, що викликають туберкульоз, а також кишкової палички (мал. 161), берези – для золотистого стафілококу, який є збудником великої кількості дуже небезпечних захворювань людини. Тому, гуляючи у лісі, ви не тільки отримуєте естетичне задоволення, а ще й здійснюєте медичну процедуру.
Феромони (від грец. феро – нести) – леткі речовини тварин різноманітної хімічної природи, які у надмалійкількості продукуються, як правило, спеціальними залозами. Феромони завжди видоспецифічні. З їх допомогою одні особини подають сигнали іншим і спонукають до того або іншого способу поведінки. Статеві феромони комах приваблюють особин протилежної статі, готових до спарювання, на відстані кількох кілометрів. Незважаючи на розвиток сучасної біології, на сьогодні навіть важко уявити, яким чином комахам вдається знайти одна одну за такої незначної концентрації цих речовин і на таких величезних відстанях, що їх розділяють. Феромонами тварини мітять свою територію, а бджолина матка визначає, якій особині бути робочою, а якій стати маткою. Вважається, що й у людей є свої феромони, хоча це питання ще мало вивчене.
Особливу групу біологічно активних речовин становлять алкалоїди, токсини, антибіотики, фітонциди й феромони. Здебільшого ці речовини продукуються рослинами, грибами й бактеріями. У тварин їх різноманітність набагато менша. В межах власного організму ніякого функціонального призначення вони, як правило, не мають, а тому в дуже незначних кількостях діють на інші особини. Вважається, що ці речовини є похибками власного метаболізму, а їх функціональне призначення, пов’язане з різного роду міжвидовими взаємодіями: захистом, пригніченням або поведінковими контактами з іншими організмами, є вторинним.
(2 votes, average: 4,00 out of 5)