Экдизоны: нахождение в природе, биологическая активность и химический синтез

`Учреждение образования

«Международный экологический университет  
имени А. Д. Сахарова»

 

Кафедра_____________________________

 

Утверждаю__________________________

(дата)

Зав. кафедрой_______________________

Подпись

Руководитель_______________________

Подпись

Задание принял к исполнению________

(дата)

Подпись студента____________________

 

 

Задание по подготовке курсовой работы

 

Студенту ________________________________________________________

(фамилия, имя, отчество)

1. Тема работы_ Экдизоны: нахождение в природе, биологическая активность и химический синтез___________________________________________________

(утверждена решением  кафедры)

от «_____»_____________200___ г.,  № ________

2. Срок сдачи законченной работы___________________________________

3. Исходные данные к работе.

4. Перечень подлежащих разработке в курсовой работе вопросов или ее краткое содержание:

а) структура экдизонов

б) нахождение в природе

в) способы получения

5. Перечень графических материалов.

6. Дата выдачи задания.

 

 

 

 

 

 

 

 

Министерство образования Республики Беларусь

 

Учреждение образования

«Международный государственный экологический университет

имени А. Д. Сахарова»

 

 

Факультет экологической медицины

Кафедра биохимии и биофизики

 

 

Экдизоны: нахождение в природе, биологическая активность и химический синтез

 

Курсовая работа студентки 3-его курса

 

Адамович Марии Васильевны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ск 2014

Реферат

 

Курсовая работа 25 страниц, 2 таблицы, 27 схем.

В данной работе проведён анализ литературных данных по общей характеристике стероидных гормонов – экдизонов. Изучено их местонахождение в природе, биологическая активность, а также рассмотрены вопросы о химическом синтезе.

 

Abstract

 

Coursework 26 p., 2 tables, 27 schemes.

In following report, has been analyzed the literature of the general characteristics of steroid hormones - ecdysones. Studied their location in nature, effects on plants and arthropods. As well, consider the problems of chemical synthesis.

 

Рэферат

 

Курсавая праца 25 с., 2 табліцы, 27 схем.

У дадзенай працы праведзены аналіз літаратурных дадзеных па агульнай характарыстыцы стэроідных гармонаў - экдзiзонаў. Вывучына іх месцазнаходжанне ў прыродзе, дзеянне на членістаногіх і расліны. А таксама разгледжаны пытанні аб хімічным сінтэзе.  

Содержание

 

 

 

Введение

Определение понятия «экдизоны»

Под названием экдизонов объединяется группа родственных по химическому строению полиоксистероидов, выделенных из животных и растений. Экдизон представляет собой твёрдое, оптически активное вещество, слаборастворимое в воде и хорошо растворимое в полярных органических растворителях. Впервые α-экдизон был выделен из куколок тутового шелкопряда Бутенандтом и Карлсоном в 1954 г., химическое строение доказано в 1965 г. Впоследствии у других насекомых и представителей ракообразных были найдены и другие формы экдизонов, имеющие незначительные структурные различия и вследствие этого отличающиеся по степени биологической активности. В соответствии с источником выделения экдизоны разделяются на зоо- и фитоэкдизоны. В настоящее время известно более 250 соединений. Для большинства экдизонов характерен одинаковый набор заместителей в стероидном скелете: 2β-, 3β- и 14α- оксигруппы, -6-кетогруппировка, 5β-атом водорода (цис-А/В-сочленение). В боковой цепи (за исключением рубростерона и постстерона) почти всегда содержится оксигруппа при С-23 и часто ― оксигруппы при С-20 и С-25. Нельзя не указать на то, что существуют отклонения от указанной структуры, но они немногочисленны. Таким образом, общее химическое строение (так же как и физиологическая активность) позволяет отнести экдизоны в отдельную группу природных соединений.

 

Глава 1. Нахождение экдизонов в природе

1.1 Наличие экдизонов у членистоногих

Основными продуцентами экдизонов в мире животных являются членистоногие. Концентрация экдизонов в их организмах, как правило,  ничтожна – от сотых долей милиграммов на 1 килограмм живого веса, Практически все зооэкдизоны относятся к 27С-экдизонам, при этом наиболее характерными для них принято считать α-экдизон и экдистерон, причем соотношение этих двух гормонов зависит от вида.

 

Таблица 1. Виды экдизонов у членистоногих

 

Вид	Экдизоны, мг/кг
Насекомые (Insecta)
Antheraea pernyi (Lipidoptera)	Экдистерон
Bombyx mori (Lepidoptera)	Экдистерон (0,045), α-экдизон (0,05)
Calliphora erythrocephala (Diptera)	Экдистерон, α-экдизон
Calliphora stygia (Diptera)	Экдистерон
Dociostaurus maroccanus (Orthoptera)	Экдистерон (1,3), α-экдизон (1,1)
Doryphora decemlineata (Coleoptera)	Экдистерон, α-экдизон
Locusta migratoria (Orthoptera)	α-экдизон
Manduca sexta (Lepidoptera)	Экдистерон, α-экдизон, 26-Оксиэкдистерон
Thaumetopoea pityocampa (Lepidoptera)	Экдистерон, α-экдизон
Ракообразные (Crustacea)
Callinectes sapidus	Каллинэкдизон А и В, экдистерон
Jasus lalandei	2-Дезоксиэкдистерон, экдистерон (0,002)

 

1.2 Наличие экдизонов у растений

Первоначально обнаруженные у членистоногих, экдизоны, как оказалось, широко распространены в растительном мире, найдены у папоротникообразных, голосеменных, покрытосеменных. Из лекарственных растений содержатся у левзеи сафлоровидной.

Проведя специализированные исследования, было обнаружено наличие экдизонов примерно у 400 различных видов растений, но, по-видимому, они присутствуют в гораздо большем количестве видов.

Фитоэкдизоды найдены как у двудольных, так и у однодольных. Во многих растениях фитоэкдизоны накапливаются в ничтожных количествах, в десятых и сотых долях процента.

Лишь, в некоторых видах, например серпухе сухоцветной — Serratula xeranthemoiles, количество экдизонов достигает почти 2 %, а в цветках кукушкинa льна — Coccyganthe flos-cuculi (L) Fourr. — около 3 %.

1.3 Нахождение в природе 19С- и 21С-экдизонов

Данные экдизоны являются производными андростана и прегнана.

Они имеют характерный для всего класса набор заместителей в стероидном скелете, однако у них отсутствует боковая цепь. По-видимому, 19С- и 21С-экдизоны представляют собой продукты метаболизма других экдизонов в организмах животных и растений.

К 19С-экдизонам относят рубростерон (схема 1) – выделен из растений,

К 21С-экдизонам относят постстерон (схема 2) – он  также выделен из растений.

 

Схема 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема 2.

1.4 Нахождение в природе 27С-экдизонов

В настоящее время более детально изучены α-экдизон и экдистерон. При открытие либо изучение других видов 27С-экдизонов, определение их строения начинается с установления сходства с α-экдизоном и экдистероном по спектральным и химическим данным.

-экдизон (схема 3) первоначально  был выделен из насекомых, а позднее – из растений.

 

Схема 3.

 

Экдистерон (схема 4) является широко распространённым как в животном, так и в растительном мире. Если экдистерон выделен у ракообразных – его принято называть крустэкдизоном, выделенный из насекомых экдистерон носит название β-экдизон или 20-оксиэкдизон. Экдистерон растений назван полиподином А или изоинокостероном.

 

 

 

Схема 4.

Также к 27С-экдизонам относятся аюгастерон С, витикостерон Е, 2-Дезокси-α-экдизон, 2-Дезоксиэкдистерон, каллинэкдизон А, 26-Оксиэкдистерон, подэкдизон В, полиплодин В, варабистерон, понастерон А, понастерон В, понастерон С, птеростерон, стахистерон С, стахистерон D, хейлантон А, хейлантон В, а также шидастерон.

 

1.5 Нахождение в природе 28С-экдизонов

В настоящее время известно 2 представителя 28С-экдизонов – макистерон А и макистерон В.

Макистерон А (схема 5) выделен из растений,  он является изомером каллинэкдизона, который встречается у ракообразных.

 

Схема 5.

 

Макистерон В (схема 6) представляет собой изомер макистерона А.

 

 

 

 

Схема 6.

 

1.6 Нахождение в природе 29С-экдизонов

 

Из растений выделено девять различных видов 29С-экдизонов. Все они содержат при двадцать четвёртом атоме углерода незамещённую или окисленную этильную группу. Из них четыре фитоэкдизона являются изомерами, они отличаются только положением оксигрупп при атомах боковой цепи. К ним относятся леммастерон (схема 7) – идентичен макистерону С, 2 изомера леммастерона – макистерон D (схема 8) и амарастерон В, содержащий оксигруппы (схема 9).

 

Схема 7.

 

 

 

 

 

 

Схема 8.

 

Схема 9.

 

 

 

Аюгастерон В (схема 10) содержит в боковой цепи незамещенную этильную группу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема 10.

 

Также из растений выделено несколько 29С-экдизонов, содержащих в боковой цепи лактонные группировки. К ним относятся циастерон, сенгостерон, капитастерон, прециастерон. Из перечисленных видов наиболее изученным является циастерон (схема 11).

 

 

 

 

 Схема 11.

 

Глава 2. Биологическая активность

2.1 Регуляция линьки у насекомых

 

У членистоногих жесткий внешний экзоскелет, который мешает этим животным увеличивать свои размеры. Поэтому линька (периодическая смена наружных покровов) для них является необходимым условием роста и развития организма. Линька приурочена к определенным стадиям индивидуального развития и представляет сложный процесс, во время которого последовательно происходит отслоение и частичное растворение старой кутикулы, размножение клеток эпидермиса, секреция новой кутикулы и ее затвердевания (после сбрасывания старой).

Процессы линьки у насекомых регулируются экдизоном, ювенильным гормоном, бурсиконом. Экдизон стимулирует процессы линьки. Его концентрация поднимается каждый раз перед линькой, и низкая в период между ними.

Секреция гормона линьки из проторакальной железы проходит под влиянием пептидного гормона, называемого активационным или экдизотропином, который вырабатывается нейросекреторными клетками мозга насекомого.

 

2.1 Действие экдизонов на различные виды насекомых

 

При изучении активности такого класса органических соединений, как экдизоны, большое внимание уделяется физиологическим реакциям различных насекомых на экдизоны. Нельзя не упомянуть и о том, что физиологические эффекты экдизонов у всех изученных видов насекомых связаны либо с линькой, либо с предшествующими ей реакциями. При этом, при введении экдизонов, линька вызывается даже в тех случаях, когда нормально она отсутствует,  например, у имаго. В настоящее время подробно изучена куколочная линька.  Так же доказано, что активность экзогенного экдистерона является напрямую зависящей от стадии развития насекомого, из этого следует, что при надвижении срока нормального окукливания  активность значительно возрастает. Хотелось бы уточнить и влияние питания, как важнейшего фактора при вызываемом α-экдизоном окукливании насекомых различного вида (голодные личинки на инъекцию гормона не реагируют).

 

Таблица 2. Тип действия экдизонов на различных насекомых

 

Отряд и вид	Тип действия
Diptera Calliphora erythrocephala Drosophila melanogaster Sarcophaga argyrostoma	Образование пупария у личинок
Hemiptera Rhodnius prolixus	Линька личинок
Hymenoptera Cimbex americana Megachile rotundata Nomia melanderi	Окукливание
Isoptera Cerura vinula Calpodes ethli	Линька личинок
Lepidoptera Cerura vinula Calpodes ethlius Ephestia kuhniella Galleria mellonella	Изменение цвета личинок Окукливание
Neuroptera Sialis lutaria	Изменение цвета личинок Окукливание

 

 

2.3 Регуляция других процессов у насекомых

 

Помимо линьки и метаморфоза, гормональной регуляции со стороны экдизонов подвержены многие важные процессы в  жизни насекомых. К примеру, α-экдизон регулирует дифференциацию каст у желтогрудого термита Kalotermes flavicollis и фазовый полиморфизм у саранчи Locusta migratoria и Schistocerca gregaria. Экдизоны влияют также на скорость и ритмы развития насекомых, в частности, управляют таким распространённым у насекомых явлением, как диапауза. Кроме всего вышеперечисленного, α-экдизон также влияет на поведение пустынной саранчи Schistocerca gregaria, т.е данный гормон способен влиять на активность центральной нервной системы. Также он влияет на развитие полового аппарата насекомых, в частности яичников Malacosoma pluvial и Bombyx mori.

Экдизон стимулирует синтез РНК в тканях. Этот эффект был продемонстрирован визуально на политенных хромосомах личинки мухи.

Спустя 15 мин после аппликации экдизона на одном из дисков хромосомы возникал пуф (вздутие); затем спустя некоторое время появлялся второй пуф, тогда как первый начинал уменьшаться. Таким образом, подобно стероидным гормонам млекопитающих, экдизон, по-видимому, непосредственно контролирует процесс транскрипции.

 

2.4 Регуляция линьки у ракообразных

 

Процесс линьки у ракообразных отличается от процесса линьки у насекомых. В глазном стебельке у ракообразных находится, так называемый, Х-орган. В X-органе расположены нейросекреторные клетки, синтезирующие нейрогормон (гормон, тормозящий процесс линьки). Нейрогормон по их аксонам направляется в синусную железу, далее он выделяется в лимфу. Y-орган расположен у основания больших мышц мандибул и состоит из рыхлых эктодермальных клеточных тяжей. По химической природе гормон Y-органа является экдизоном. Гормон Х-органа предотвращает линьку, тормозя секрецию гормона Y-органом. Эти два гормона (экдизон и нейрогомон) являются антагонистами.