-
Chem. Listy 92, 406-414 (1998)
ZÁKLADNÉ ASPEKTY SEKUNDÁRNÉHO METABOLIZMU A JEHOPREJAVY V
METABOLIZME HÚB
RENÁTA PAVLOVIČOVÁ
Katedra biochemie a mikrobiologie, Chemickotechnolo-gická
fakulta, Slovenská technická univerzita, Radlinské-ho 9, 812 037
Bratislava, Slovenská republika
Došlo dňa 13.VL1997
Obsah
1. Charakteristika primárného a sekundárnéhometabolizmu1.1.
Nadváznosť sekundárného metabolizmu
na primárné metabolické dráhy1.2. Regulácia metabolizmu1.3.
Regulácia sekundárného metabolizmu
2. Primárné a sekundárné metabolity a ich význam2.1. Sekundárné
metabolity ako přírodně látky2.2. Funkcie sekundárných
metabolitov
2.2.1. Aktivity sekundárných metabolitov2.3. Příčiny
rozmanitosti sekundárných metabolitov
3. Diferenciácia a sekundárný metabolizmus húb3.1. Sekundárný
metabolizmus a rast3.2. Mikrobiálna diferenciácia a sekundárný
metabolizmus3.2.1. Diferenciácia húb
4. Produkcia sekundárných metabolitov hubami4.1. Klasifikácia
fungálnych metabolitovZávěr5.
1. Charakteristika primárnéhoa sekundárného metabolizmu
Primárný metabolizmus daného organizmu definovalTurner1 ako
súhrn vzájomných vzťahov enzýmovo-kata-lyzovaných reakcií
(degradačných aj syntetických), ktoréposkytujú organizmu energiu,
biosyntetické intermediátya klučové makromolekuly, ako sú proteiny
a DNA. Naprotitomu sekundárný metabolizmus zahřňa hlavně
biosynte-tické procesy, ktorých koncové produkty - sekundárné
metabolity hrajú zreteFnú úlohu v ekonomike organizmu.Primárný
metabolizmus je základom pre všetky živé systé-my, sekundárný
metabolizmus sa váčšinou obmedzuje nanižie formy života a je
specifický pre druhy a často prekmene.
Pretože sekundárné metabolity sú odvodené od inter-mediátov
primárného metabolizmu, často možu poskytovatniektoré informácie o
primárnom metabolizme. Na druhejstraně primárný metabolizmus
poskytuje intermediáty, kto-ré sa mnohokrát stávajú základom pre
tvorbu sekundárnýchmetabolitov.
Prvá zmienka o pojme „sekundárný metabolizmus" po-chádza z roku
1891 a prvýkrát sa týmto zaoberal AlbrechtKossel1'2. Pojem
„sekundárný" pre rastlinné produkty(napr. alkaloidy, regulátory
rastu rastlín, terpény a iné) bolobnovený Czapekom v roku 1925. Do
mikrobiálnej bioche-mie ho zaviedol profesor BďLock roku 1961,
ktorý tentopojem přebral z rastlinnej biochemie3.
Sekundárný metabolizmus nadvazuje na primárný voviacerých
aspektoch. Medziprodukty primárného metabo-lizmu sú stavebným
materiálom pre biosyntézu sekundár-ných metabolitov. Táto
biosyntéza však vyžaduje přísunenergie, ktorá sa zvyčajne získává v
podobě adenozíntrifos-fátu (ATP) z primárného metabolizmu. Niektoré
sekundár-né metabolity vznikajú biosyntetickými dráhami, ktoré
súpříbuzné biosyntetickým dráhám primárného metaboliz-mu. (Napr.
biosyntéza polyketidov je podobná biosyntézevyšších mastných
kyselin). Enzymy, ktoré katalyzujú tvor-bu sekundárných
metabolitov, vznikajú v zásadě tým istýmspósobom ako enzymy
primárného metabolizmu. Ak tvor-ba a aktivita enzýmov primárného
metabolizmu podlieharozličným regulačným mechanizmom, dá sa
očakávať, žepodobné mechanizmy sa uplatňujú aj pri tvorbě a
aktivitěenzýmov potřebných na katalýzu syntézy
sekundárnýchmetabolitov. Reguláciám musia podliehať aj
vzájomnévzťahy medzi primárným a sekundárným metabolizmom.Ak určitý
intermediárny produkt primárného metabolizmuslúži súčasne ako
východisková látka na syntézu sekundár-ného metabolitu, musí aj
jeho odčerpáváme do jednéhoalebo druhého procesu podliehať
regulácii1.
Zahner a kol.4 (1982) opísali sekundárný metabolizmusako „hraciu
izbu" („games room") molekulárnej rulety a po-
406
-
Tabulka IZákladné znaky primárného a sekundárného
metabolizmu5
Metabolizmus
primárný sekundárný
Potřebný pre rastFyziologická úloha známaPrítomnosť za róznych
rastových podmienokPřítomný vo všetkých organizmochSú tvořené
samostatné definované produktyObyčajne produkty s relativné
jednoduchou chemickou strukturou
nepotřebný pre rastfyziologická úloha nie až tak
samozřejmáprítomnosť závislá od rastových podmienok
nie je všade přítomnýčasto je tvořená zmes příbuzných
produktovčasto produkty s komplexnou chemickou strukturou
kúšali sa vysvetliť, najma ako sa produkujú
sekundárnémetabolity. Navrhli 5 hladin sekundárného metabolizmu:I.
intermediárny metabolizmus, II. regulácia, III. transport,IV.
diferenciácia, V. morfogenéza.
Campbell6 definoval primárné a sekundárné metabolitynásledovně:
„Primárné metabolity sú produktami normál-neho buňkového
metabolizmu, ktoré sa vo vel'kej mierenachádzajú v přírodě a
vyskytujú sa aspoň v každom rodev aspoň jednom rodokmeni.
Sekundárné metabolity súproduktami normálneho buňkového
metabolizmu, ktorýchvýskyt je obmedzený a nachádzajú sa v menej,
než v kaž-dom druhu samostatného rodu."
l . l . N a d v á z n o s ť s e k u n d á r n é h om e t a b o l
i z m u n a p r i m á r n ém e t a b o l i c k é d r á h y
Základná uhlíková dráha
Sekundárný metabolizmus nadvazuje na primárný me-tabolizmus a v
ňom najma na metabolizmus uhlíka a v men-šej miere na metabolizmus
dusíka.
Vačšina heterotrofných mikroorganizmov využívá glu-kózu ako
základný zdroj uhlíka a energie1-
Niekofko fungálnych metabolitov je odvodených pria-
407
Obr. 1. Tvorba sekundárných metabolitov z intermediátov
primárného metabolizmu. Hrubo vyznačené sú základné dráhydegradácie
glukózy1
-
mo od glukózy, ale uhlík glukózy sa stává použitelný aj premnohé
biosyntetické procesy pri tvorbě intermediátov v ra-dě energiu
uvofnujúcich reakcií. Hlavné linie týchto proce-sov sú naznačené na
obr. 1. Ak sa intermediáty nepoužijúna syntetické účely, celkový
výsledokreakčného poradiajeoxidácia molekuly glukózy na CO2 a vodu
s produkciou 38molekul ATP. Disimilácia glukózy začíná jej přeměnou
natriózy Embdenovou-Meyerhofovou dráhou alebo pentózo-fosfátovým
cyklom. Ďalšia dráha vytvára pentózy, doležitév biosyntéze
nukleotidov a tetrózu, ktorá móže reagovaťs fosfoenolpyruvátom a
poskytuje kyselinu šikimovú. Ky-selina šikimová je intermediátom
pre aromatické aminoky-seliny a tiež pre mnohé sekundárné
metabolity. Trióza jetiež prekurzor serínu, ktorý sa premieňa na
glycřn so stratouatomu uhlíka, a ten vstupuje do bunkovej hotovosti
Cl -zlú-čenín. Postupnou dráhou uhlíka sa trióza přemění v
prvejfáze na pyruvát a potom na acetyl-CoA, ktorý je
najdóleži-tejším samostatným intermediátom vo fungálnom
sekun-dárnom metabolizme. Karboxyláciou acetyl-CoA sa získa-va
malonyl-CoA a lineárnou kondenzáciou acetyl-CoAs róznym počtom
molekul malonyl-CoA sa získavajú po-lyketidy, najčastejšie sú to
sekundárné metabolity húb ale-bo mastné kyseliny, ktoré móžu spatné
viesť k vznikusekundárných metabolitov1-
Aktinomycéty sú schopné tvoriť polyketidy jednakz acetyl-CoA a
malonyl-CoA, ale aj z propionyl-CoA a me-tylmalonyl-CoA.
Alternativně, kondenzáciou troch mole-kul acetyl-CoA sa získává
kyselina mevalónová ako kíúčo-vý intermediát v biosyntéze
terpenoidov.
Kondenzáciou acetyl-CoA s oxálacetátom uhlík pochá-dzajúci z
glukózy vstupuje do cyklu trikarboxylových ky-selin a slúži nielen
na úplnú oxidáciu glukózy, ale tiež akomateriál uhlíkových skeletov
niektorých aminokyselin ale-bo sekundárných metabolitov (obr.
1).
Vznik koncových primárných a sekundárných metabo-litov si móžeme
představit' tak, že existujú rozvětvené me-tabolické dráhy a v nich
příslušné medziprodukty, od kto-rých jedna vetva dráhy vedie ku
koncovému primárnémumetabolitu a druhá vetva ku sekundárnému
metabolitu7.
Na přeměnách týchto produktov primárného metaboliz-mu pri
zabudovaní do sekundárných metabolitov sa uplat-ňujú tri typy
výzmamných biochemických procesov1:7) oxidácie a redukcie,2)
metylácie,3) halogenácie.
Biologické oxidácie a redukcie významné pre sekun-dárný
metabolizmus sú najma tieto: oxidácie alkoholov,redukcie
karbonylových zlúčenín, zavedenie alebo reduk-
cia dvojitých vazieb, zavedenie atómov kyslíka a
oxidačněotvorenie aromatických kruhov.
1 . 2 . R e g u l á c i a m e t a b o l i z m u
Vzájomné vztahy reakcií naznačené na obr. 1 si vyža-dujú určitú
kontrolu, ktorá zabráni nadprodukcii interme-diátov. Toto sa v
každom případe dosiahne inhibíciou syn-tézy enzýmov alebo enzýmovej
aktivity'. Existuj ú dva typyenzýmov: konstitutivné a indukovatelné
enzymy.
Existencia indukovatelných enzýmov priamo poskytujeorganizmu
kontrolu nad jeho metabolizmom, a to zabraňujenadprodukcii enzymu.
Organizmus má dva ďalšie použitelnékontrolně mechanizmy: represiu
produkcie syntézy enzymukoncovým produktom a allosterickú inhibíciu
enzýmovejaktivity. V represii koncovým produktom posledný
produktbiosyntetickej dráhy specificky potláča syntézu
všetkýchenzýmov katalyzujúcich jednotlivé kroky tohto sledu
reakcií.
V allosterickej inhibícii koncový produkt inhibuje akti-vitu
enzýmov, táto inhibícia sa uskutočňuje připojenímkoncového produktu
na receptorovom mieste (nie obsade-nom substrátom) enzymu,
zapříčiňujúceho konformačnúzměnu v enzyme takú, že jeho molekula
nemóže byť pri-spósobená danému substrátu.
Enzymy sekundárného metabolizmu musia byť tiež podanalogickou
kontrolou.
1 .3 . R e g u 1 á c i a s e k u n d á r n é h om e t a b o l i
z m u
Podfa Demaina9 mikrobiálny sekundárný metabolizmusumožňuje nový
teoretický pohlad a nové příležitosti priemy-selnej výroby
sekundárných metabolitov a ich praktickéhovyužitia. Intenzita
sekundárného metabolizmu móže byťčasto zvyšovaná prídavkom
limitovaných prekurzorov. Akopříklad móžeme uviesť zo skupiny húb
Penicillium chrysoge-num, kterého sekundárný metabolit je
benzylpenicilín a jehoprekurzorom je kyselina fenyloctová, připadne
jej amid.
Sekundárný metabolizmus prebieha najlepšie pri sub-maximálnych
rastových pomeroch, po skončení rastu máklesajúcu tendenciu.
Rozlišovanie medzi rastovou fázou(trofofázou) a produkčnou fázou
(idiofázou) je niekedyvelmi zreteFné, ale v mnohých prípadoch
idiofáza překrývátrofofázu. Načasovanie medzi dvomi fázami móže byť
ma-nipulovatelné, v komplexnom médiu upredňostňujúcomrýchly rast sú
fázy často oddělené, kdežto ich čiastočnýalebo celkový překryv v
chemicky definovanom médiupodporuje zvačša pomalší rast9.
408
-
Gatenbeck, ktorý študoval biosyntézu antrachinóno-vých pigmentov
v Penicillium islandicum, zistil, že syntézatýchto látok prebieha
maximálnou intenzitou v střede ras-tovej fázy10.
Sekundárné metabolity nie sú „sekundárné" preto, že
súprodukované po skončení rastu, ale preto, že sú obsiahnutév raste
produkujúcej kultury. Eliminácia produkcie sekun-dárného metabolitu
mutáciou nezastaví ani nespomalí rast,samozřejmé móže zvýšit'
rychlost' rastu. Rýchlosť rastu jedóležitá, ale nepoznáme jej
základný mechanizmus. Nedo-statky v určitých nutričných faktoroch
sú tiež důležité, aleopat' sú neznáme ich základné mechanizmy.
Mnohé sekundárné metabolity majú antibiotickú akti-vitu a mohli
by usmrtiť alebo poškodiť produkuj úcu kulturu,ak sú 1'ahko
produkované. Samozřejmé, že rezistencia pro-ducentov antibiotik
proti ich vlastným metabolitom je dob-ré známa1'. Rody produkujúce
antibiotika vlastnia ochran-né mechanizmy, ktoré majú vedúce
postavenie. Napr. ami-noglykozidové antibiotika aktinomycét by
mohli inhibovaťsyntézu bielkovín v buňkách svojich producentov.
Tomusa zabraňuje dočasnou fosforyláciou alebo adenylylácioumolekuly
antibiotika počas jeho přítomnosti v buňkáchproducenta. V procese
vylučovania do kultivačného pro-stredia uvedená modifikácia
zaniká.
V nutričně bohatých zdroj och, takých ako má napr.črevný trakt
cicavcov (priaznivý pre enterobaktérie), nie jeprodukcia
sekundárných metabolitov tak frekventovanáako v pode a vo vodě, kde
je výživa limitovaná mikrobiál-nym rastom. Teda sekundárné
metabolity nie sú vačšinouprodukované enterobaktériami, ako je
napr. Escherichiacoli, ale podnymi a vodnými mikroorganizmami, a to
baci-lami, aktinomycétami a hubami. Nutričný deficient v prí-rode
často indukuje morfologickú a chemičku diferenciáciu- sporuláciu a
sekundárný metabolizmus, čo je vefmi dóle-žité pre prežitie v
púšťach.
Vačšina sekundárných metabolitov vzniká osobitnýmienzymovými
cestami9. Enzymy sa vyskytujú ako individu-álně proteiny vol'né
alebo viazané v komplexoch alebo akočasti veVkých multifunkčných
polypeptidov umožňujúcichvellcý počet enzymových reakcií napr.
krokov biosyntézypolyketidov a peptidov9.
2. Primárné a sekundárné metabolitya ich význam
Primárný metabolizmus a primárné metabolity (amino-kyseliny,
nukleotidy, mastné kyseliny a sacharidy) sú po-
třebné a nevyhnutné pre všetky organizmy. Okrem tohtotypu
metabolizmu a metabolitov existujú také taxonomickéskupiny
mikroorganizmov, rastlín a živočíchov, ktoré súschopné
syntetizovat' sekundárné metabolity.
Sekundárné metabolity mikroorganizmov sú odvodenéod
intermediátov primárného metabolizmu, ako sú: sacha-ridy, kyselina
šikimová a (alebo) aromatické aminokyse-liny, nearomatické
aminokyseliny, Cj zlúčeniny, mastnékyseliny, intermediáty
citrátového cyklu, puríny a pyrimi-díny. Preto sa niekedy primárné
a sekundárné metabolityoznačujú ako „všeobecné" a „speciálně"
metabolity.
V rastlinnej fyziologii sa termín „sekundárné metabo-lity"
používá pre alkaloidy, terpény, flavonoidy a iné pro-dukty, ktoré
nie sú potřebné a nevyhnutné pre rast samot-ných rastlín. Rastlinné
sekundárné metabolity móžu slúžiťna ochranu rastlín13.
Za sekundárné metabolity sa dnes ďalej považujú spe-ciálně
produkty biochemickej aktivity baktérií, húb, užspomenutých vyšších
rastlín, ba aj bezstavovcov a stavov-cov. Najnovšou skupinou
sekundárných metabolitov súpeptidové defenzíny, objavené v krvných
buňkách cicav-cov. Daktoré z nich fungujú ako endogenně
antibiotickélátky v Tudských leukocytoch.
Bioaktívne sekundárné metabolity mikroorganizmov sahodnotia zo
štyroch základných poMadov7:7) ich biosyntéza z intermediátov
primárného metabo-
lizmu,2) vzťahy medzi strukturou a biologickou aktivitou,3)
biochemické mechanizmy ich účinku,4) mechanizmy rezistencie.
2 .1 . S e k u n d á r n e m e t a b o l i t ya k o p r í r o d
n é l á t k y
Antibiotika a iné sekundárné metabolity sú přírodnělátky. Kedže
výše 30 rokov sa viedol spor okolo tohtotvrdenia, nakoniec sa po
mnohých diskusiách táto tézapotvrdila a bola odóvodnená Demainom a
Piretom8:7) Viac ako 40 % húb, aktinomycét a lišajníkov čerstvo
izolovaných z přírody produkovalo antibiotika.2) Normálna póda a
polnohospodárske produkty obsaho-
vali antibakteriálne a antifungálne substancie. Jeden
zovšeobecné spoločenských zdravotných problémov jeprodukcia
mykotoxínov v pode a počas skladovaniazrna. Tieto mykotoxíny sú
sekundárné metabolity s po-tenciálnymi mutagénnymi, toxickými a
antibiotickýmivlastnosťami.
3) Antibiotika ako sekundárné metabolity stí vačšinou
409
-
produkované v prírodných podmienkach, ako je napr.nesterilná,
neobohatená podá, nesterilná podá obohate-ná pšenicou, ďatelinou,
hořčičnými semienkami alebokukuricou a nesterilné ovocie.
4) Syntézu antibiotik katalyzujú multienzýmové sekven-cie, ktoré
sú přítomné v přírodě14.
2 . 2 . F u n k c i e s e k u n d á r n ý c hm e t a b o l i t o
v
Po mnohé storočia sa chemici zaujímali o objasňovanie,izoláciu a
charakterizáciu látok v zemskej biosféře. Apliko-vali to aj na
sekundárné metabolity, ktoré boli objavovanépostupné a v určitých
množstvách. Po zavedení pojmu„sekundárné metabolity" nastal medzi
biológmi a bioche-mikmi silný záujem o skúmanie ich funkcií.
Struktury sekundárných metabolitov sú velmi rozmani-té a
odlišné, niekedy právě u jedného druhu mikroorganiz-mu a tento
poznatok pri úzko Specifikovaných podmien-kach iba posilňuje
teóriu, že sekundárné metabolity nemajúesenciálnu metabolickú
funkciu. Sú produktami špeciálne-ho metabolizmu15.
Podlá Demaina a Pireta8 funkcie sekundárné metabolityzhrnúť do
takejto podoby:1) Sekundárné metabolity móžu fungovat' ako
transportně
činitele v přenose kovov cez biologické membrány.Príkladom sú
sideramíny, ktorých funkcia je chápanáako přenos a solubilizácia
Fe. lnou skupinou móžu byťionofórové antibiotika, ktorých funkciou
je přenos al-kalických iónov. K nim patria aj makrotetrolidové
anti-biotika, ktoré zvačšujú permeabilitu membrán pre vápnik.
2) Mnohé trispórové kyseliny a sekundárné metabolityradu
Mucorales majú funkciu sexuálnych hormónova regulátorov sexuálneho
rozmnožovania16.
3) Aktivně sekundárné metabolity vo funkcii fytotoxínov(napr.
fytotoxíny Pseudonionas) sú rozhodujúce v pa-togenite pre
rastliny17-18. Tieto toxíny indukujúce chlo-rózu v rastlinných
tkanivách zahrňujú napr. tabtoxína fazeolitoxín.
4) Huby móžu produkovat antibiotika, ktoré slúžia naochranu
rastlín proti patogénnym baktériám. Stávajú sarastlinnými
symbiotickými činitelmi.
5) Spórotvorná funkcia.Speciálně antibiotika pósobia ako
dóležité elementy
v premene vegetatívnych buniek na spory. Sarkar a Pau-lus1 9
zistili, že antibiotika regulujú transkripciu (počaspřechodu
baktérií z rodu Bacillus z vegetatívneho rastu nasporuláciu)
selektívnou termináciou funkcií vegetatívnych
génov. Ďalej sa potvrdila inhibícia RNA-polymerázy tyro-cidínom
a lineárnym gramicidínom. Nie je však isté a po-tvrdené, že tvorba
spor je závislá od antibiotickej aktivity.Jedna možnost'je taká, že
tvorba antibiotik a tvorba spor súsamostatné fenomény regulované
všeobecným kontrolnýmmechanizmom20. Druhá možnost' je však taká, že
antibio-tická produkcia často sprevádza sporuláciu. Antibiotikumje
zabalené v spore a funkcia inhibovať klíčenie sa za týchtopodmienok
stává znemožněnou. Samotné inhibitory klíče-nia sú velmi známe v
hubách a sú to extrémně účinnésekundárné metabolity.
Nisbet21 popisuje využitie funkcií mikrobiálnych meta-bolitov a
zaoberá sa vyhledáváním mikrobiálnych metabo-litov na inhibíciu
proteín-proteínových interakcií. Dospělk dvom zaujímavým
hypotézám:1) mikroby produkujúce sekundárné metabolity, ktoré
spósobujú zahynutie iných konkurenčných organiz-mov, sú takto
užitočné pre objavenie nových antibiotik,
2) nie je možné hl'adať molekuly, ktoré selektivně zasahujúdo
proteín-proteínových interakcií (napr. medzi rasto-vými faktormi a
ich receptormi).Vining22 sa v roku 1992 opat' vracia k vysvetleniu
úloh
sekundárných metabolitov získaných z mikróbov. Úlohysekundárných
metabolitov smerujú k variabilnosti a rozma-nitosti ciest, ktorými
boli sekundárné metabolity získané.Poukazuje na to, že sekundárné
metabolické produkty pod-porujú produkujúci organizmus dvoma
spósobmi:a) zlepšujú schopnost' organizmu rásť, reprodukovať
alebo
rozšiřovat' sa vo vhodných podmienkach alebob) móžu poskytovat'
ochranu daného organizmu. Medzi
tieto dané rastové výhody patria siderofóry (vyššie spo-menuté
Fe-komplexné látky) a autoregulátory.I keď úlohy mnohých
mikrobiálnych sekundárných me-
tabolitov móžu byť dedukované s určitou dóverou, nie súvždy
použitelné. Existujú tiež niektoré látky, pre ktoré jeich úloha pre
producenta iba hypotetická. Porovnáníms primárným metabolizmom,
enzymológia a regulácia se-kundárných metabolických drah je stále
málo preskúmaná.Preto sa molekulovej biologii ponuka riešiť
problémy funk-cií sekundárných metabolitov a ukázat' nový pohtad
nageny, ktoré kódujú tieto metabolity. Ide o pochopenie tých-to
signálov určujúcich úlohu metabolitov pre daný organiz-
mus23,24
2.2.1. Aktivity sekundárných metabolitov
Rozsah a druh aktivity sekundárných metabolitovv rastlinách a
živočíchoch sledoval Vining15. Na základe
410
-
jeho prieskumov je možné hovoriť o viacerých
aktivitáchsekundárných metabolitov.
Antibiotická aktivita
Vysoký poměr mikroorganizmov izolovaných z pódyukázal
antibiotickú aktivitu. Hlavně početné produkty ak-tinomycét a
mikroskopických hub sa zaraďujú medzi kli-nicky používané
antibiotické látky. V pode, kde sú přítom-né velmi rozmanité
antagonistické organizmy, je schopnost'prežitia jedného
mikroorganizmu pravděpodobné násled-kom vylučovania toxických
metabolitov.
Aktinomycéty sú pozoruhodné producenty antibiotik,pretože 3/4
všetkých známých produktov je získaných prá-vě z aktinomycét.
Streptomycéty sú špeciálnymi producen-tami. Antibiotika z
aktinomycét majú rozmanité chemickéstruktury - sú to často peptidy
alebo modifikované peptidy,ale aj iné nízkomolekulové látky.
Imperfektné huby produkujú váčšinou antibiotika fun-gálneho
typu.
Askomycéty a bazidiomycéty sú menej produktivně,ale aj ich
antibiotika sú menej rozmanité svojimi chemic-kými strukturami.
Málokedy sa objavuje produkcia anti-biotik fykomycétami alebo
kvasinkami.
Antibiotika ako sekundárné metabolity majú schopnostinhibovať
esenciálně primárné metabolické procesy. Viace-ré z nich vykonávajú
funkcie antimetabolitov. Avšak, pro-dukty získané z jednej
metabolickej dráhy móžu vo vše-obecnosti inhibovať rózne primárné
procesy. Ich aktivita jeúplné závislá od formy a od rozmiestnenia
funkčných sku-pin.
Aktivita v živočíchoch
Mnohé antibiotika sa nemóžu používat' na terapeutickéúčely v
živočíchoch, lebo sú pre ne toxické. Táto zápornávlastnosť je často
výsledkom spósobu činnosti usmernenejproti jednej z univerzálnych
primárných drah. Napříkladamfomycín, ktorý ruší membránový
transport intermediá-tov peptidoglykánov v baktériách, blokuje
glykozyláciuv eukaryotických buňkách25.
Mnohé z toxických metabolitov produkované hubamipatria do
kategorie širokospektrálnych antibiotik. Selektív-nu aktivitu proti
specifickým živočišným funkciám majúniektoré mykotoxíny.
Aktivita v rastlinách
Niektoré mikrobiálně patogény rastlín produkujú toxic-ké
sekundárné metabolity, ktoré napomáhajú k patogén-nym poškodzujúcim
efektom na hostitelovi. Medzi fungál-
ne patogény patria napr. Fusarium oxysporum, ktorý pro-dukuje
kyselinu fuzárovú.
Iné aktivity
Sekundárné metabolity móžu mať ďalšie aktivity15, ato:a) m6žu
pósobiť ako inhibitory enzýmov, b) autoregu-
látory, c) zachytávače minerálov, ď) povrchovo-aktívnelátky.
2 . 3 . P ř í č i n y r o z m a n i t o s t is e k u n d á r n ý
c h m e t a b o l i t o v
Hranice medzi primárným a sekundárným metaboliz-mom nie sú
vel'mi ostré. Primárné metabolické dráhy súveími podobné až rovnaké
pre vrfmi rozdielne skupinymikroorganizmov7. Naproti tomu
sekundárné metabolitya medzi nimi aj antibiotika sú produktami len
určitýchskupin mikróbov a často sú odlišné, aj keď pochádzajúz
velmi příbuzných kmeňov toho istého druhu. Genetickáinformácia na
ich biosyntézu je nielen obmedzená na po-merne úzku taxonomickú
skupinu, ale zvyčajne sa prejavu-je len v určitých štádiách
životného cyklu organizmu alebov jednorazovej fermentácii14.
Genetická rozmanitost sekundárného metabolizmu savšak prejavuje
rozvětvenými sériami reakcií. Začiatočnéstupně týchto sérií sa
často vyskytujú v taxonomicky odliš-ných skupinách druhov, kým
nasledujúce stupně sú charak-teristické pre jednotlivé produkty,
ako aj pre určité organizmy.
Bu'Lock3 (1975) dokumentuje tuto skutočnosť na ter-pénoch húb a
v ich rámci na skupině asi 60 seskviterpénov,ktoré uvádza Turner1
(1971) ako produkty okolo 35 druhov húb.
Enzymy primárného metabolizmu majú zvyčajne vyso-kú špecifickosť
- katalyzujú přeměnu jedného substrátu najediný produkt. V
sekundárnom metabolizme sa však vy-skytujú enzymy, ktoré nemajú
takúto špecifickosť.
3. Diferenciácia a sekundárnýmetabolizmus húb
3 . 1 . S e k u n d á r n y m e t a b o l i z m u s a r a s
t
Pozorovania, pri ktorých sa uskutočňuje rast danej kul-tury v
nutričně bohatom médiu, obsahujú vysoké množstvasekundárných
metabolitov pravidelné produkovaných naj-častejšie vo fáze rastu.
BďLock1 rozlišil rastovú fázu ako„trofofázu" a produkčnú fázu ako
„idiofázu". Rozdiel me-dzi trofofázou a idiofázou je pozorovaný
najma v kulturách
411
-
jednobunkových baktérií produkujúcich antibiotika, ale nietak
zřetelné v kulturách vláknitých aktinomycét a húb. Pofáze
nelimitovaného rastu množstvo kultur húb bolo spre-vádzané
progresívnou spotřebou nutričných látok, čo jenevyhnutné pre
limitový rast. Týmto sa pravidelné zabez-pečuje kontrola
myceliárnej diferenciácie a biosyntézy se-kundárných
metabolitov.
Medzi najlepšie preštudované procesy trofofázy-idiofá-zy patří
produkcia patulínu druhom Penicillium urticae.Penicillium urticae
produkuje sériu polyketidových meta-bolitov zo skupiny patulínu,
ktoré stí derivátmi kyseliny6-metylsalicylovej10.
Mnohé laboratorně a priemyselné fermentácie pouka-zujú na to, že
sekundárné metabolity sú tvořené počasidiofázy1.
Kinetiku produkcie sekundárných metabolitov hubamipočas
submerzného rastu charakterizuji! tri skutečnosti26:1)
charakteristická idiofázová produkcia patulinu a iných
fungálnych metabolitov,2) biosyntéza kyseliny mykofenolovej,
enniatinu a tento-
xínu počas trofofázy,3) bifázová produkcia citrinínového typu, v
ktorom sú
produkčně maxima dosahované počas rastu a stacionár-nej
fázy.
3 . 2 . M i k r o b i á l n a d i f e r e n c i á c i aa s e k u
n d á r n ý m e t a b o l i z m u s
Podlesek a Grabnar27 zosumarizovali rózne interpretá-cie vzťahu
mikrobiálnej diferenciácie a sekundárného me-tabolizmu
následovně:
Posledně štádiá rastu v baciloch sú charakterizovanésporuláciou
a syntézou sekundárných metabolitov.
Uzavretý vzájomný vzťah medzi přerušeným vegetatív-nym rastom a
syntézou antibiotik je podporovaný pozoro-vaniami citlivosti
produkujúcich organizmov na ich vlastněantibiotika. Táto citlivosť
sa ukazuje v nepřítomnosti anti-biotika (počas vegetatívneho rastu
buniek). Skúmanie tohtodruhu móže indikovať, že peptidové
antibiotika jednoznač-né inhibujú rast a následnú iniciáciu
sporulácie. Peptidovéantibiotika móžu mať regulačně funkcie pri
sporulácii alebopri vyrastení klíčiacich spor. Mutanty v
antibiotickej syn-téze nestratili schopnost' sporulácie.
Hypotéza navrhnutá Demainom a Piretom8 roku 1981naznačuje, že
syntéza antibiotik a sporulácia móžu byť dvasamostatné procesy
regulované všeobecným kontrolnýmmechanizmom nájdeným v niektorých
štúdiách syntézyantibiotik a diferenciácie v aktinomycétach.
3.2.1. Diferenciácia húb
V roku 1980 boli postulované tri dominantně možnostifunkcií
sekundárných metabolitov pre ich producentov7'10:1) ekologická
úloha v přírodě, 2) regulačná úloha v meta-bolizme, 3) regulačná
úloha v diferenciácii alebo časovozhodná s ňou.
Biosyntéza sekundárných metabolitov húb (niekedyv asociácii so
specifickou buňkovou diferenciáciou), ktoráprebieha počas
asexuálnej sporulácie, je limitovaná rastomdaného
mikroorganizmu3.
Smith a Berry28 uviedli, že genetické a biochemickémechanizmy,
ktoré sú striktně obsiahnuté v regulácii dife-renciálnej génovej
expresie a biosyntéze daných molekul,sú centrálnym problémom.
Vzájomný vzťah medzi produkciou sekundárných me-tabolitov, a
fungálnou diferenciáciou je rozmanitý a nedása jednoznačné určit'
jeho priama závislost' alebo nezávi-slost' pri róznych typoch húb.
Smith a Berry v roku 1974(cit. 2 8 ) zistili, že maximálna
parazitická produkcia ergoto-vých alkaloidov z Claviceps purpurea
je v čase, keď satvoria skleróciá. Naopak, pri saprofytickej
submerznej kul-tivácii sú tieto alkaloidy tvořené až po vytvoření
konídií.
Mnohí autoři zistili přítomnost fungálnych sekundár-ných
metabolitov v iných reprodukčných strukturách ichproducentov.
Zaujímavé výsledky sa získali pri štúdiáchsekundárných metabolitov
húb, v ktorých je konidiáciaindukovaná svetlom29. V našom
laboratóriu sa připravilisérie nekonidiujúcich a konidiujúcich
farebných mutantovTrichoderma viride^0. Z hnědého konidiujúceho
mutantasa izolovali dva pigmenty antrachinónovej struktury. Akvšak
kultura rástla v trne, konidiácia aj tvorba pigmentovbola velmi
slabá29'31.
Na závěr tejto kapitoly však móžeme jednoznačné po-vedať, že
diferenciácia a sekundárný metabolizmus húb sajavia ako dva
samostatné procesy regulované všeobecnýmmechanizmom a neexistuje
jednoznačnost' týchto procesov.
4. Produkcia sekundárných metabolitovhubami
Mnohé huby sú schopné produkovať sekundárné meta-bolity. V
případe bazidiomycét, rozšířených askomycéta lišajníkov, móžu to
byť látky získané z organizmov ob-siahnutých v pode. Ale velice
množstvo húb ako producen-tov sekundárných metabolitov má schopnosť
produkovaťlátky na kvapalných médiách. Sekundárné metabolity
róz-
412
-
něho typu sú vhodné použitelné v laboratóriu na
chemické,biochemické a biologické studie. V iných prípadoch tie
istésekundárné metabolity móžu byť získané z prírodnýchzdrojov a z
kvapalných kultur bazidiomycét. V kvapalnýchkulturách sú sekundárné
metabolity přítomné v médiu ajv mycéliu. Pre příbuzné látky móže
byť rozdelenie medzimédiom a mycéliom často korelované s
rozpustnosťou vovodě, hoci táto zdánlivá korelácia móže byť
výsledkomniektorých dalších faktorov, napr. přenosu látky cez
buňko-vé membrány1.
Foster32 pokládal sekundárné metabolity za rezervnělátky
zhromaždené počas produkcie nadbytočných sacha-ridov a použitelné v
čase, keď sú zásoby sacharidov vyčer-pané. Tento názor však
nevysvetfuje rozmanitost sekundár-ných metabolitov a ich
distribúciu medzi buňkami a danýmipodmienkami. Vysvetlenie
produkcie sekundárných meta-bolitov a chemickej rozmanitosti skupin
zhrnul Foster32 dodvoch závažných poznatkov.1) Sekundárné
metabolity móžu byť produkované z nie-
kol'kých klučových intermediátov primárného metabo-lizmu a to
vtedy, ak je množstvo substrátu iného nežuhlíka obmedzené.
2) Sekundárný metabolizmus poskytuje dráhy na odstrá-nenie
intermediátov, ktoré by sa ináč nazhromaždili,a takto umožňujú
nasmerovanie primárných procesovk týmto intermediátom a k
nasledujúcim operáciámpočas časového stresu.
4 . 1 . K l a s i f i k á c i a f u n g á l n y c hm e t a b o l
i t o v
Turner1 navrhol klasifikáciu fungálnych sekundárnýchmetabolitov
do viacerých skupin:1) Sekundárné metabolity odvodené bez účasti
acetátu
Tieto sú ďalej odvodené:- striktně od glukózy (napr. kyselina
kójová, muska-
rín, muskaridín) alebo od manitolu, kyseliny glukó-novej a
i.;
- od intermediátov dráhy kyseliny šikimovej (napr.fenylalanín,
tyrozín, tryptofán, ďalšie aromatickékyseliny);
- od intermediátov metabolizmu sacharidov a acetátu(napr.
purínové a pyrimidínové bázy).
2) Sekundárné metabolity odvodené od mastných kyselina)
samostatné deriváty mastných kyselin (napr. kyse-
lina laktarinová, kyselina fagikladospórová),b) polyacetylény
(napr. konjugované acetyl-etylénové
systémy, hexatriín, aromatické a heterocyklické látky),
c) cyklopentány (napr. brefeldín A 3 3 známy tiež akocyaneín
alebo dekumbin, jazmínová kyselina, pro-staglandíny),
ď) iné látky (napr.polyketidy, palitantín, kurvalarín).3)
Polyketidy (rozdelujú sa na základe biochemických
procesov na tri- až dekaketidy)4) Terpény a steroidy
terpény vyskytujúce sa ako monoterpény,sesquiterpény (napr.
trichotecény, kulmorín, fomano-zin, salivén a iné),diterpény (napr.
pimarín, giberelíny, kaurény)sesterterpény (napr. ofiobolín,
fuzikocín A)triterpény a steroidy (napr. cholesterol, ergosterol,
fun-gisterol, tetracyklické triterpény, cefalosporín PÍ, kyse-liny
trispórové).
5) Sekundárné metabolity odvodené od intermediátov cy-klu
trikarboxylových kyseliná) metabolity odvodené od intermediátov
cyklu trikar-
boxylových kyselin,b) metabolity tvořené kondenzáciou acetátu s
interme-
diátmi cyklu trikarboxylových kyselin (napr. ky-selina
y-metyltetrónová, erytroskyrín a pod.).
Tieto metabolity majú predovšetkým strukturu 5-člán-kových
laktónov, připadne dvoch spojených laktónov;v obidvoch prípadoch sú
tieto laktóny substituované vovol'ných polohách laktónového
kruhu.6) Sekundárné metabolity odvodené od aminokyselin
(napr. penicilíny, cefalosporíny, diketopiperazíny,
side-rochrómy)
7) Rozmanité sekundárné metabolity (apr. cytochalazí-ny34)
5. Závěr
Předložený referát zahrnuje základné teoretické poznat-ky o
sekundárnom metabolizme ako špecifickom metabo-lickom procese,
ktorého prejavy sa nemusia vyskytovat'v každom organizme.
Špecifickosť sekundárného metabo-lizmu je daná jeho předpokládaným
druhořadým, vedlej-ším postavením v ekonomike organizmu.
Hoci klučové prekurzory primárných a sekundárnýchmetabolitov sú
spoločné, jednako v sekundárnom metabo-lizme vzniká širšia paleta
výsledných produktov - sekun-dárných metabolitov. Zaujímavé je
potom sledovat' ichbiosyntetickú dráhu, biologické vlastnosti,
funkcie v pro-dukčnom mikroorganizme a určit' ich chemičku
strukturu.Rozmanitost' struktur sekundárných metabolitov v mno-
413
-
hom nasvědčuje, že biosyntetické dráhy ich tvorby a pro-dukcie
sa prejavujú rozvětvenými sériami reakcií, čo móžebyť predmetom
studia mikrobiálnej biochemie.
LITERATURA
1. Turner W. B.: Fungal Metabolites. Academie Press,London
1971.
2. Bennet J. W., Bentley R.: Adv. Appl. Microbiol. 34,1
(1989).
3. Bu'Lock J. D., v knihe: IndustrialMycology (Smith J.E., Berry
R. D., ed.), 1, str. 33. Edward Arnold Ltd.,London 1975.
4. Zahner H., Drautz H., Weber W., v knihe: BioactiveMicrobial
Products, Search andDiscovery (BiťLock,D. J. et al., ed.), str. 51.
Academie Press, New York1982.
5. Lancashire Polytechnic, Department of Applied Bio-logy:
Microbial Fermentation (Lecture notě supple-ment)
M.Sc.Biotechnology, 1992.
6. Campbell I. M.: Adv. Microb. Physiol. 25, 2 (1984).7. Betina
V.: The Chemistry and Biology of Antibiotics.
Elsevier, Amsterdam 1983.8. Demain A. L., Piret J. M: Am. Soc.
Microbiol. 1981,
363.9. Demain A. L., v knihe: Secondary Metabolites: Their
Function and Evolution (Chadwick D. J., Whelan J.,ed.), Ciba
Foundation Symposium 171, str. 3. Wiley,Chichester 1992.
10. Betina V.: Mycotoxins - Chemical, Biological
andEnvironmental Aspects. Bioactive Molecules, 9. Else-vier,
Amsterdam 1989.
11. Coundliffe E.: Annu. Rev. Microbiol. 43, 207 (1989).12.
BďLock J. D.: Adv. Appl. Microbiol. 3, 293 (1961).13. Betina V.:
Folia Microbiol. 40 (1), 51 (1995).14. Hopwood D. A., Merrick M.
J.: Bacteriol. Rev. 41,
595 (1977).15. Vining C. L.: Annu. Rev. Microbiol. 44, 395
(1990).16. Wolf J. C, Mirocha J. C: App. Environ. Microbiol.
33,546(1977).17. Gasson M. J.: Appl. Environ. Microbiol. 39,25
(1980).18. Staskowics B. J., Panopoulos J. N.: Phytopathology
69, 663 (1979).19. Sarkar N., Paulus H.: Nature New Biol. 239,
228
London (1972).20. Vaněk Z., Mikulík K.: Folia Microbiol. 23, 309
(1978).21. Nisbet J. L., v knihe: Secondary Metabolites: Their
Function and Evolution (Chadwick D. J., Whelan J.,
ed.), Ciba Foundation Symposium 171, str. 215. Wi-ley,
Chichester 1992.
22. Vining C. L., v knihe: Secondary Metabolites: TheirFunction
and Evolution (Chadwick D. J., Whelan J.,ed.), Ciba Foundation
Symposium 171, str.184. Wi-ley, Chichester 1992.
23. Grove F. J., v knihe: Biochemistry of Industrial
Mic-roorganisms (Rainbow C, Rose H. A., ed.), str. 320.Academie
Press, London 1963.
24. Hunter S. L.: Tibtech. 10, 144 (1992).25. Banerjee D. K.,
Scher M. G., Waechter C. J.: Bioche-
mistry 20, 1561 (1981).26. Betina V.: Závěrečná správa -
Diferenciácia mikro-
mycét pod vplyvom faktorov prostredia. Chemicko-technologická
fakulta, Slovenská vysoká školatechnická, Bratislava 1989.
27. PodlesekZ., GrabnarM.: J. Gen. Microbiol.
735,2813(1989).
28. Smith J. E., Berry D. R.: An Introduction to Bioche-mistry
of Fungal Development. Academie Press, Lon-don 1974.
29. Betina V.: Biol. Listy 42, 1 (1977).30. FargašováA.,
SipiczkiM., Betina V.: Folia Microbiol.
30, 433 (1985).31. Betina V.: Folia Microbiol. 40, 219
(1995).32. Foster W. J.: Chemical Activities ofFungi. Academie
Press New York, London 1949.33. Betina V.: Folia Microbiol. 37,
3 (1992).34. Cole J. R.: Handbook of Toxic Fungal Metabolites.
Academie Press, New York 1981.
R. Pavlovičová (Department of Biochemistry andMic-robiology,
Faculty of Chemistry and Chemical Technology,Slovák Technical
University, Bratislava, Slovák Repub-lic): Fundamental Aspects of
Secondary Metabolismand Its Expression in Fungal Metabolism
Borderline between the primary and secondary metabo-lism is not
very sharp. Secondary metabolism is discussedas a specific
metabolic process that does not necessarilyoceurs during the whole
life of organism. Its specificity isgiven by its probably minor
side position in the economyof organism. The secondary metabolism
involves syntheticprocesses producing secondary metabolites of
variousstructures without obvious function in the producing
orga-nism. Some secondary fungal metabolites are
beneficial(antibiotics such as penicillin) while others are
harmful(carcinogens such as sterigmatocystin and aflatoxins).
414