Растительные продукты. Структуры фитоалексинов

Растительная пища - это, по сути, комбинация химических веществ. Некоторые из этих химических веществ являются необходимыми питательными веществами или непитательными веществами, которые могут препятствовать развитию таких заболеваний, как коронарный тромбоз или рак, но некоторые могут быть токсинами.

Многие токсины присутствуют как в свободном, так и в связанном состоянии (например, гликозиды). В каждом растении есть еще много природных химических веществ, которые не были полностью идентифицированы. Действительно, в каждом растительном продукте, вероятно, есть один или несколько токсикантов, которые естественным образом присутствуют, хотя и в низких концентрациях, в зависимости от различных экологических, генетических и пока неизвестных факторов.

В обычном овоще уровень токсиканта может быть настолько мал, что он нормально метаболизируется и выводится потребителем без какого-либо эффекта, или же продукт никогда не употребляется в постоянном или достаточно высоком количестве, чтобы наблюдались острые или хронические токсические симптомы. Кроме того, известный токсикант, содержащийся в определенных сортах обычного овоща, можно вывести с помощью традиционной селекции растений или генной инженерии.

Например, черный пуэрториканский сорт лимской фасоли дает около 300 мг цинанида на 100 г семян. Это смертельно опасно для взрослого человека, съевшего 100 г таких бобов. Серьезные случаи отравления цианидом произошли в Европе в начале двадцатого века от этих видов тропических импортных бобов лимы. Современные сорта лимской фасоли содержат менее 10 мг HCN на 100 г семян, что обеспечивает довольно большой запас прочности для всех потребителей.

Важные, распространенные пищевые растения могут быть связаны с очень токсичными ядовитыми растениями. Например, помидор и картофель относятся к семейству пасленовых (Solanaceae). К этому семейству относятся белладонна (смертельный паслен), вырабатывающая атропин; багульник, вырабатывающий скополамин; куркума и мандрагора, вырабатывающие атропин и другие тропановые алкалоиды; табак, вырабатывающий никотин; земляная вишня, вырабатывающая соланин (токсичный гликоалкалоид, рис. 3 c); цветы трутовика и паслен волосистый, вырабатывающие алкалоиды паслена. Все эти химические вещества чрезвычайно токсичны, но некоторые из них (например, атропин и скополамин) являются полезными лекарственными средствами.

В виноградной лозе и незрелых плодах томатов, листьях картофеля, зеленых клубнях или проростках клубнеплодов могут содержаться крайне токсичные уровни соланина (см. рис. 3 с), аналогичные уровню (более 1000 мг/кг свежего растительного сырья), который наблюдается в непищевых, ядовитых растениях семейства пасленовых. Следует отметить, что в начале двадцатого века было зарегистрировано несколько случаев отравления людей гликоалкалоидами картофеля, особенно в Европе.

За последние 50 лет в Соединенных Штатах не было зафиксировано ни одного отравления, хотя потребление картофеля и картофелепродуктов составляет в среднем около 125 фунтов в год. Продолжающиеся анализы картофеля, особенно новых сортов, в Соединенных Штатах и Европе показывают, что в клубнях содержится гораздо меньше 200 мг/кг свежего клубня, что является максимальным уровнем безопасности.

Рис 3. Структура фитоалексинов: (а) псорален; (б) ипомеамарон; (с) соланин

Фитоалексины, называемые метаболитами стресса, представляют собой синтезированные токсичные соединения, которые, как считается, необходимы растениям для защиты от патогенов и физических повреждений. Эти соединения проявляют токсичность не только для патогенных микроорганизмов, но и для насекомых, животных и человека, в зависимости, конечно, от их количества. Различные раздражители, такие как бактериальная или вирусная инфекция, холод, ультрафиолетовое излучение, тяжелые металлы, фунгициды, гербицидные средства или нападение нематод, могут способствовать выработке питоалексина.

Таким образом, некоторые из этих токсичных фитоалексинов можно назвать “природными пестицидами”. Токсикологическим аспектам большинства фитоалексинов уделялось мало внимания. Примерами трех фитоалексинов (рис. 3) являются: фуранокумарины, такие как псорален (сельдерей и петрушка), который оказывает фототоксическое воздействие на кожу комбайнеров и грузчиков; ипомеамарон (сладкий картофель), который вызывает дегенерацию печени и отек легких у животных; и соланин (картофель), который является токсичным для человека, ингибитор плазменной холинэстеразы и тератоген животного происхождения. В настоящее время известно более 20 пищевых растений, которые могут синтезировать один или несколько фитоалексинов во время стресса.

Один или несколько генов растений могут экспрессировать природные токсиканты, пример чего был обнаружен в Австралии в начале 1980-х годов. Многие люди в течение нескольких недель жаловались на спазмы в желудке, диарею, рвоту и головные боли после употребления кабачков, которые также были описаны как необычайно горькие. Горькие слабительные вещества, входящие в состав различных непищевых растений семейства тыквенных (Cucurbitaceae), того же семейства, что и кабачки, известны уже по меньшей мере 30 лет.

Тритерпены тетрациклина, известные как кукурбитацины (рис. 4, кукурбитацин Е), которые изучались несколькими годами ранее как возможные лекарственные средства со слабительными, рвотными и наркотическими свойствами, но от которых отказались из-за их высокой острой токсичности, были обнаружены в тыкве токсичной.

Позже в нескольких растениях, произрастающих в садах Алабамы и на полях Калифорнии, была обнаружена горечь кабачков-сквошей. Было установлено, что производство этих кабачков произошло в результате случайного скрещивания на семеноводческих полях. В настоящее время при продаже коммерческих семян кабачков уделяется большое внимание.

Рис. 4. Структура кукурбитацина Е

Селекционеры, используя как традиционные методы селекции, так и современные методики рекомбинантной ДНК, специально разрабатывают растительные продукты, устойчивые к болезням и насекомым. Затем эти культуры требуют меньшего применения химических пестицидов или вообще не требуют их применения. Однако во многих случаях не хватает знаний о потенциальных токсикантах, присутствующих в недавно разработанном гибридном продуктовом растении. Одним из недавних примеров является устойчивый к вирусам гибрид салата-латука, полученный в результате скрещивания с дикорастущими непищевыми штаммами салата-латука Lactuca saligna и L. virosa.

Эта разработка была чрезвычайно важна, поскольку не существует химических пестицидов, эффективных против вирусов растений. Недавно разработанный гибрид салата-латука был выращен, выпущен на рынок и употреблялся в пищу без каких-либо видимых побочных эффектов. Однако уже много лет известно, что штаммы салата дикого типа, которые использовались в традиционном селекционном проекте для получения гибридного салата, содержат большое количество сесквитерпеновых лактонов, известных как лактуцины (рис. 5), которые обладают антибиотическими, цитотоксическими и аллергенными свойствами.

К счастью, более поздние анализы гибридных сортов салата-латука показали довольно небольшое количество сесквитерпеновых лактонов. Хотя лактуцины могут быть, а могут и не быть эффективными природными соединениями, вызывающими устойчивость к вирусам, уровни содержания этих соединений, обладающих известными вредными биологическими эффектами, должны были вызывать серьезную озабоченность и, по крайней мере, быть количественно определены до их коммерческого и публичного выпуска.

Несколько лет назад для селекционеров и разработчиков овощных, зерновых, фруктовых и масличных культур, которые могут содержать природные токсичные соединения, была предложена программа “Интегрированная селекционная и экологическая стратегия”. Оценка этих признанных токсичными веществ, включая оценку безопасности, будет проведена до их выпуска на рынок. По большей части, за некоторыми исключениями, это никогда не проводилось, вероятно, из-за дороговизны и отсутствия конкретных нормативных актов.

Некоторые натуральные пищевые токсиканты могут проявлять многочисленные токсикологические эффекты, но при этом могут иметь потенциальную ценность для здоровья. Глюкозинолаты (рис. 6) - это натуральные растительные биоактивные сероорганические соединения, содержащиеся в крестоцветных овощах (например, капусте, брокколи, брюссельской капусте).

Рис. 6. Глюкозинолаты: (а) общая структура и (б) структура 3-индолилметилглюкозинолата

В растительном мире известно около 100 глюкозинолатов, 10-12 различных видов овощей, которые ферментативно метаболизируются с образованием различных соединений. Эти метаболиты, изучавшиеся в течение последних 50 лет, продемонстрировали разнообразные биологические эффекты - от развития зоба до антиканцерогенных свойств у экспериментальных животных. Один из метаболитов, индол-3-карбинол, образующийся при расщеплении 3-индолилметилглюкозинолата (рис. 6 б), представляется многообещающим в качестве потенциального профилактического средства против рака молочной железы и матки у человека.