Anthocyaninek: a szín titkai

Anthocyaninek: a szín titkai

O. Yu. Shoeva,
Biológiai Tudomány kandidátusa
"Kémia és élet" №1, 2013

Több évszázaddal ezelőtt kezdte a biológiai tudomány egyik legérdekesebb és legszebb történetét – a növények színének tanulmányozásának története. Az antocianin növényi pigmentek fontos szerepet játszottak a Mendel törvények felfedezésében, a mobil genetikai elemekben, az RNS-interferenciában – mindezeket a felfedezéseket a növények színének megfigyelésével végezték. Eddig az antocianinok biokémiai természetét, bioszintézisét és szabályozását részletesen tanulmányozták. A kapott adatok lehetővé teszik, hogy szokatlanul színes dísznövények és növények termését hozzuk létre. A kék rózsa már nem mese.

Mi az antocianin? Kevés a kémia

Ábra. 1. "Chudesnik" burgonyafajták, amelyek Ural tenyésztőket hoztak (foto E. Shanina jóvoltából)

Nemrégiben az orosz és a külföldi médiában gyakran jelentek meg csoda gyümölcsök, csoda zöldségek és csoda virágok szokatlan színű, amely vagy nem fordul elő ilyen növényfajok, vagy megtalálható, de nagyon ritkán. Az orosz közönség körében a közelmúltban nemrégiben jelentették be az Ural Mezőgazdasági Kutatóintézet tenyésztői által létrehozott új "Chudesnik" burgonyafajták lila színű pépét (1.A zöldségektől a lila színű szokatlan számunkra, megemlíthetjük a káposzta, bors, sárgarépa, karfiol. Meg kell jegyezni, hogy a szelekciós munka során a kereskedelmi művelésre jóváhagyott lila zöldségfélék, gyümölcsök és gabonafélék minden fajtáját hoztak létre, ezek nem genetikailag módosított fajták.

Egy másik példa a kék rózsa, a tenyésztők és kertészek több generációjának álma. 2004-ig a rózsa kék rügyeit csak kémiai színezékek, például indigók segítségével lehetett előállítani, amelyeket egy fehér rózsa gyökereibe injektáltak (lásd Chemistry and Life, 1989, 6. szám). 2004-ben, a világon először a géntechnológiát alkalmazva valódi kék rózsát állítottak elő (2.

Ezek és más merész szín manipulációk, amelyeket a sajtó "csodáknak" nevez, az antocián pigmentáció természetének és az antociánok bioszintézisének genetikai összetevőjének átfogó vizsgálatának köszönhető.

Ábra. 2. A világ első kék rózsa, amelyet ausztrál tudósok hoztak létre a "Florigen" cégtől a japán "Santori" holdingtársaság támogatásával,

Napjainkban a növényi pigmenteket, mint a flavonoidokat, a karotinoidokat és a betalainokat jól tanulmányozták.Mindenki ismeri a karotinoidok sárgarépát, és a betalains például a cékla-pigmenteket tartalmazza. A flavonoidvegyületek csoportja a legnagyobb mértékben hozzájárul a növények különböző színeihez. Ebbe a csoportba tartozik a sárga auronok, kalkonok és flavonolok, valamint a cikk főszereplői – antocianinok, amelyek rózsaszín, vörös, narancssárga, skarlát, lila, kék, sötétkék színeket festenek. By the way, az antocianinok nemcsak gyönyörűek, de nagyon hasznosak az ember számára is: ahogy tanulmányuk során kiderült, ezek biológiailag aktív molekulák.

Tehát az antocianinok növényi pigmentek, amelyek mind a generatív szervekben (virágok, pollen), mind vegetatív (szár, levél, gyökér), valamint gyümölcsök és magvak jelenlétében jelen lehetnek. Ezek a sejtek folyamatosan vagy a növény fejlődésének adott szakaszában vagy a stressz hatása alatt jelentkeznek. Ez utóbbi körülmény arra késztette a tudósokat, hogy higgyék el, hogy az antocianinokra nemcsak vonzó pollinátorok és magleválasztók vonzására van szükség, hanem a különböző típusú stressz elleni küzdelemre is.

Az antocianin vegyületek vizsgálatának és kémiai természetének első kísérleteit a híres angol kémikus, Robert Boyle végezte.1664-ben először felfedezte, hogy savak hatása alatt a búzavirágszirmok kék színe pirosra változik, míg a lúg hatása alatt a szirmok zöld színűvé válnak. 1913-1915 között a német biokémikus, Richard Willstätter és svéd társa, Arthur Stol kiadott egy sor papírt az antociánokról. Elkülönítették az egyes pigmenteket a különböző növények virágaitól, és leírták kémiai szerkezetüket. Kiderült, hogy az antocianinok a sejtekben elsősorban glikozidok formájában jönnek létre. Az agglikonok (alapvető prekurzor molekulák), az úgynevezett antocianidinek, elsősorban cukrok, glükóz, galaktóz és ramnóz. "A növényvilág, különösen a klorofill" 1915-ben végzett kutatásával Richard Willstätter elnyerte a kémiai Nobel-díjat.

Több mint 500 egyedi antocianin vegyület ismert, és ezek száma folyamatosan növekszik. Mindannyian C van15– szénváz – két A és B benzolgyűrű, összekapcsolva3amely az oxigénatomnál γ-piron gyűrűt képez (C-gyűrű, 3. ábra). Ugyanakkor az antocianinok különböznek más flavonoidvegyületektől pozitív töltés és kettős kötés jelenlétében a C-gyűrűben.

Ábra. 3. Az antocianidinek és az antocianinok alapvető szerkezete.A szénatomok száma

Mert minden a sokféle antocianin vegyületek – származékok csak hat fő anthocyanidins: pelargonidin, cianidin, peonidina, delfinidin, petunidin és malvidin amelyek különböznek oldalirányú R1 és R2 gyökök (3. ábra, táblázat.). Mivel a bioszintézis cianidin képződött peonidin, és petunidin és malvidin – a delfinidin, három fő antocianidin: pelargonidin, cianidin és delfinidin – ez a prekurzor az összes antocianin vegyületek.

A fő C15create-szénváza egyes vegyületek osztályából antocianinok. Példaként a 6. ábrán. A 4. ábra a szerkezet az úgynevezett ég-kék antocianin, mely színek a virágok szulák Ipomoea kék.

Ábra. 4. Az ég kék antocián szerkezete. Csatlakozás elszigetelt kötőfűből Ipomoea tricolor. kék megnevezik a peonidint (egy metilezett cianidinszármazékot); zöld – caffeinsavmaradékok; fekete – glükózmaradékok.
Ábra: „Schroeder csoport” www.bblogk.uni-freiburg.de oldalon. Fotó: E. Russell

Lehetséges lehetőségek

A színes antocianin színének színe számos tényezőtől függ.Először is, a színt az antocianinok szerkezete és koncentrációja határozza meg (stressz alatt emelkedik). A delfinidin és származékai kék vagy kék színűek, vörös-narancssárga színűek pelargonidinből származnak, és a bíborvörös színű cianidin (5. Ebben az esetben a kék színt a hidroxilcsoportok határozzák meg (lásd a táblázatot és a 4. ábrát), és metilezésük, vagyis CH3-csoportok pirosságot okoznak ("International Journal of Molecular Sciences", 2009, 10, 5350-5369, doi: 10.3390 / ijms10125350)

Ábra. 5. A pigmentek túlnyomó részét tartalmazó eustóma különböző fajtái – a pelargonidin származékai (a bal oldalon), cianidin (a központban) és delfinidin (a jobb oldalon). A könyvből "Antocianinok: bioszintézis, funkciók és alkalmazások"(Springer, 2008)

Ezenkívül a pigmentáció a vacuolok pH-jától függ, ahol az antocianin vegyületek felhalmozódnak. Az egyik és ugyanazon vegyület, a sejtzsír savasságának eltolódásától függően különböző árnyalatokat nyerhet. Így az antocianinok savas környezetben történő oldása vörös színű, semleges – ibolyaszínű és lúgos – sárga – zöld színű.

A vákuumban lévő pH azonban 4-6 lehet, ezért a kék szín megjelenése a legtöbb esetben nem magyarázható a táptalaj pH-jának hatásával. Ezért további vizsgálatokat végeztek, amelyek azt mutattákhogy az antocianinok a növényi sejtekben nem jelen vannak szabad molekulák formájában, hanem olyan fémionokkal alkotott komplexek formájában, amelyek csak kék színűek ("Természetes termékjelentések"Az antociánok komplexei az alumínium, a vas, a magnézium, a molibdén és a volfrám ionjaival, amelyeket copigetek (főleg flavonok és flavonolok) stabilizálnak, fém antocianinek neveznek (6.

Ábra. 6. A hat molekula antocianin, flavon és két fémion képződésének metalloantocianin képződési rendszere. Jobbra A kukoricaszemszálakból izolált protocianin térbeli szerkezete ("Termékspecifikus jelentések“, 2009, 26, 884-915)

Az antocianinok elhelyezkedése a növényi szövetekben és az epidermisz sejtjeinek alakja szintén fontos, mivel meghatározzák a pigmenteket elérő fény mennyiségét, és így a szín intenzitását. Kimutatták, hogy az oroszlán garatának virágai kúp alakú epidermális sejtekkel színesebbek, mint a mutáns növények virágai, amelyeknek epidermiszsejtjei nem képesek ezen a formán, bár ezeken és más növényeknél antocianinok keletkeznek azonos mennyiségben ("természet“, 1994, 369, 6482, 661-664).

Tehát elmondtuk, mi okozta az antocián pigmentáció árnyalatait, miért különböznek különböző fajokban, vagy akár ugyanabban a növényben különböző körülmények között.Az olvasó kísérletezhet otthoni növényeivel, figyelve a színeik változását. Talán ezen kísérletek során elérni fogja a kívánt színárnyalatot, és a növény túlélni fog, de biztosan nem ad majd ezt az árnyékot leszármazottainak. Annak érdekében, hogy a hatás örökölhető legyen, meg kell érteni a színkép kialakulásának másik aspektusát, nevezetesen az antocianinok bioszintézisének genetikai összetevőjét.

Kék és mályva gének

Az antocianinok bioszintézisének molekuláris genetikai alapjait alaposan alaposan tanulmányozták, és ezt a változatos színű különböző növényfajok mutánsai nagymértékben hozzájárultak. Az antocianinok bioszintézisét, és ennek következtében a színt háromféle gének mutációi befolyásolják. Az első olyan gének, amelyek kódolják a biokémiai transzformációk (strukturális gének) láncában részt vevő enzimeket. A második a gének, amelyek meghatározzák a szerkezeti gének átírását a megfelelő időben a megfelelő helyen (szabályozó gének). Végül a harmadik a transzportergének, amelyek az antocianint vacuolákká transzferálják. (Ismeretes, hogy az antocianinok a citoplazmában oxidálnak és bronzszínű aggregátumokat képeznek, amelyek toxikusak a növényi sejtekre ("természet“, 1995, 375, 6530, 397-400).)

Eddig az antocianinok bioszintézisének és az ezeket végrehajtó enzimek bioszintézisének minden szakasza ismert és alaposan megvizsgálták a biokémia és a molekuláris genetika módszereit (7. Az antocián bioszintézis szerkezeti és szabályozó génjeit számos növényfajta izolálta. Az antocianin pigmentek bioszintézisének egy adott növényfajban való ismerete lehetővé teszi, hogy színét genetikai szinten manipuláljuk, és szokatlan pigmentációval rendelkező növényeket hozzunk létre, amelyeket nemzedékről nemzedékre továbbítunk.

Ábra. 7. Antocianidinek bioszintézise: cianidin, pelargonidin, delfinidin. Az antocianidinek további módosításai – glikozilezés, acilezés, metilezés, amelyek glikozil-transzferázt (GT), acil-transzferázt (AT) és metil-transzferázt (MT) végzik. Az ábrán egy tipikus színű, amely antociánokat tartalmaz, amelyek a fenti antocianidinekből állnak, de számos tényezőtől függ: pH, színtelen flavonoidokkal történő másolás, nehézfémionokkal komplexek. Figyeljük meg, hogy a B-gyűrű metilezése (kék szaggatott nyilakkal) antocianinek, nem antocianidinek.
Rövidítések: kalkon szintáz (CHS); kalkonfonononomeráz (CHI); dihidroflavonol-4-reduktáz (DFR); flavanon-3-hidroxiláz (F3H); flavonoid 3'-hidroxiláz (F3'H); flavonoid-3 ', 5'-hidroxiláz (F3'5'H); antocianidin-szintáz (ANS); flavon-szintáz (FNS); flavonol-szintáz (FLS) (az "International Journal of Molecular Sciences“, 2009, 10, 5352)

Kiválasztás és génmódosítás

A növényi színmódosítás forró pontjai főként strukturális és szabályozó gének. A növények színének módosítására szolgáló módszerek kétféleképpen oszlanak meg. Az első a kiválasztási módszereket tartalmazza. A kiválasztott növényfajok keresztezéssel kapnak géneket a donoroktól – egy közeli rokonságban álló fajoktól a kívánt tulajdonsággal rendelkező növények. A szerzõ szerint az Ural MTA Mezőgazdasági Kutatóintézet GNU-jének, az E. Shanina Agrártudományi Doktori Kódexének fejvilága, a "Csodálatos" burgonyafajtát a kiválasztási módszer felhasználásával hozták létre.

Egy másik fényes példa a búza lila és kék színű gabona, az antociánok miatt (8. A vadonban egy lilás gabonával búzát először Etiópiában fedezték fel, ahol nyilvánvalóan ez a tulajdonság jelent meg, majd a felelős génjei a kenyérbúza tenyésztési fajtáiból válogathatóak.A kék szemű búzát nem találja a természetben, de a kék búzának van egy búza rokona – búzafű. A búzafű és a búza átkelésével, és ennek a tulajdonságnak a kiválasztásakor a tenyésztők kék szemű búzát ("Euphytica“, 1991, 56, 243-258).

Ábra. 8. Lila (a bal oldalon), kék (a jobb oldalon) és festetlen (a központban) búzaszemet. "Metro Hírek"a metronews.ca-ból

Ezekben a példákban szabályozó géneket vezettek be a búza genomjába. Más szavakkal, a búza funkcionális készülék az antociánok bioszintéziséhez (a bioszintézishez szükséges összes enzim rendben van). A rokon fajokból nyert szabályozó gének csak az antocián bioszintézis gépet kezdik el a gabona búzában.

Ábra. 9. A gyümölcsök magas antocianin tartalmú paradicsomok, amelyeket géntechnológiával állítottak elő

Hasonló példa, de a színmódosítási módszerek második csoportja – a géntechnikai módszerek – a magas antocianin tartalmú paradicsom termelése ("TermészetbiotechnológiaA normálisan érett paradicsom karotinoidokat tartalmaz, beleértve a zsíroldható antioxidáns likopint a flavonoidokból, kis mennyiségben találtak naringenin kalkont (2 ', 4', 10 '), , 6 ', 4-tetrahidroxi-helon, lásd 8. ábra) és rutin (glikozilezett 5,7,3', 4'-tetrahidroxi-foszfonol).A növényekbe egy genetikai konstrukciót vezetünk be, amely az antracián-antraciális bioszintézis szabályozó génjeit tartalmazza Ros1 és del A paradicsom gyümölcsein aktív E8 promoter irányítása alatt egy nemzetközi tudóscsoport nagy mennyiségű antocianin tartalmú paradicsomot nyert – intenzív lila színű (9.

Mindezek a szabályozó génekkel való manipulációk példái voltak. Az antociánok bioszintézisének szerkezeti génjei miatt bekövetkező színváltozásnak a génsebészet használatának egyik példája a nyolcvanas években a petúniában dolgozó német tudósok ("természet", 1987, 330, 677-678, doi: 10.1038 / 330677a0) A történelemben először a növény színét genetikai módszerek változtatták.

Normális esetben a petúnia növény nem tartalmaz pelargonidint tartalmazó pigmenteket. Ahhoz, hogy kiderüljön, miért történik ez, térjen vissza a fig. 7. A petúnia DFR enzimének (dihidroflavonol-4-reduktáz) legelőnyösebb szubsztrátja a dihidro-mricetin, kevésbé előnyös a dihidroquercetin, és a dihidro-semferol egyáltalán nem alkalmazható szubsztrátumként. Az enzim szubsztrát-specifitásától teljesen eltérő képet mutat a kukorica, amelynek DFR-je "dihidrokampferol" előnyös.Ezzel a tudással felfegyverkezve Meyer mutáns vonalat használt a petuniákra, amelyek hiányoztak az F3'H és az F3'5'H enzimekkel. A képen. 7, nem nehéz kitalálni, hogy ez a mutáns vonal felhalmozódott a dihidrocempferol. És mi történik, ha a genetikai konstrukcióba belép a mutáns vonalba, amely tartalmazza a gént dFr kukoricát? Egy olyan enzim jelenik meg a petúnia sejtjeiben, amely – ellentétben a petunia "natív" DFR-jével, képes a dihidroampferolt pelargonidinké alakítani. Ily módon a kutatók egy téglavörös virágmintát vettek fel, ami nem jellemző rá (10.

Ábra. 10. Balra a corolla halvány rózsaszín színű petunia mutáns vonala, amely nyomnyi mennyiségű antocianin, cianidin és delfinidin származéka, a jobb oldalon – az antociánokat halmozódó genetikailag módosított petúniák – a pelargonidin származékai ("természet“, 1987, 330, 677-678)

A kutatók azonban nem mindig rendelkeznek ilyen kényes mutánsokkal, ezért leggyakrabban a növény színének megváltoztatásakor "ki kell kapcsolni" a felesleges enzimatikus aktivitást és "be kell kapcsolni" azt, ami szükséges. Ezt a megközelítést alkalmazták az első rózsa létrehozására a világon, kék színű rügyekkel (2.

Ábra. 11. Kék rózsaszínű design.A szokásos rózsák nem képeznek dihidro-mricetint, így a színükben nincs kék árnyalat. A kék rózsa éppen ellenkezőleg kikapcsolta a vörös és a narancssárga pigmentek kialakulását.

A tenyésztők erőfeszítései által létrehozott rózsákban a szirmok színe vöröses és halvány rózsaszíntől sárgáig és fehérig változik. Az antocianinok rózsák bioszintézisének intenzív vizsgálata lehetővé tette annak megállapítását, hogy nem rendelkeznek F3'5'H aktivitással, és a rózsa DFR enzim szubsztrátként dihidroquercetin és dihidrokemferol, de nem dihidro-mricetin. Ezért a kék rózsák létrehozásakor a tudósok a következő stratégiát választották. Az első szakaszban a saját DFR enzimét kikapcsolta a rózsa (ez RNS-interferencia-megközelítésen alapult), a másodikban egy funkcionális F3'5'H pansy-t (viola) kódoló gént vezettek be a rózsa genomjába; gén dFr iris, amely egy olyan enzimet kódol, amely delfinidint termel a dihidromiricetinből, a kék színű antocianinok előfutára. Ezenkívül annak biztosítása érdekében, hogy a vértestek és az F3'H rózsák F3'5'H enzimjei ne versengjenek egymással a szubsztrát (azaz a dihidroamperol, 7. ábra), az F3'H aktivitás hiányában a genotípust választották kék rózsák létrehozására.

Egy másik példa arra a csodálatos lehetőségre, hogy a flavonoid pigmentek bioszintézisére összegyűjtött adatok a géntechnológia módszereivel kombinálva megnyílnak számunkra a sárga virágokkal rendelkező növények termelése (12.

Ábra. 12. Antocianinok és auronok bioszintézisének rendszere. alulról közönséges tövisek virágai, az antociánok felhalmozódása (a bal oldalon) és transzgenikus, halmozódó auronok (a jobb oldalon). Legend: GCB – tetrahidroxi- UGS pentahidroxi-alkont

Ismeretes, hogy a pigmentek két típusa sárga színű: auronok, a flavonoid pigmentek egy csoportja, melyeket fényes sárga virágok és dáliák festenek, karotinoidokat, paradicsom- és tulipánvirág-pigmenteket. Azt találták, hogy az oroszlán garatában két enzimből – 4'CGT (4'halkon-glikozil-transzferáz) és AS (aureuzidin-szintáz) – kalkonokból szintetizálódik. Genetikai konstrukciók bevezetése génekkel 4'Cgt és mint az oroszlán garatja az ültetvényekben (rendszerint kék virágokkal rendelkezik), az antocianin pigmentek bioszintézisének gátlásával együtt auronok felhalmozódásához vezetett, következésképpen a növény virágai világossárga színűvé váltak.Hasonló stratégia használható a virágok sárga színének megszerzésére, nemcsak szövésnél, hanem gerániumokban és ibolyákban is ("A Nemzeti Tudományos Akadémia (USA) munkássága USA"2006, 103, 29, 11075-11080, doi: 10.1073 / pnas.0604246103).

A megadott példák csak azoknak a manipulációknak a kis részét képezik, amelyeket a tudósok ma az antociánok bioszintézisével végeznek. Mindez a pigmentek biokémiai természetének, valamint bioszintézisének a különböző növényfajokban mutatott jellemzői, mind az enzimek szintjén, mind a molekuláris-genetikai szinten végzett kutatása miatt lehetséges. Az antociánvegyületek felhalmozott ismerete eddig kimeríthetetlen lehetőségeket teremtett a szokatlan színezésű dísznövények, valamint az antocianin pigmentek magas tartalma mellett termesztett növényfajok létrehozásával. És bár a tenyésztés eredményei – szokatlanul színes zöldségek és gyümölcsök – néhány országban már megvásárolhatók, a génsebészeti módszerekkel létrehozott dísznövények még mindig ritkák. Számos megoldatlan nehézség miatt, például egy módosított szín öröklésének stabilitása miatt, még nem forgalmaztak (kivételt képezve a petúnia, a kék rózsa és a lila szegfű kivételével).Azonban az ebben az irányban folytatott munka folytatódik. Reméljük, hogy hamarosan szemmel fogható "tudomány csodái" lesznek, amelyek a szépség minden szerelmese számára elérhetőek.

Mit tud még olvasni az antociánokról:
Karabanov I.A. Flavonoidok a növényvilágban. – Minszk: Urajay, 1981.
Andersen O.M., Jordheim M. Az antocianinok // Andersen O.M., Markham K.R. (Eds.). Flavonoidok: kémia, biokémia és alkalmazások. – Boca Raton, FL: CRC Press, 2006, 452-471.
Mol J., Grotewold E., Koes R. Hogyan festik a géneket virágok és magvak // Trends Plant Sci. 1998, 3, 212-217.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: