Związki chemiczne w roślinach i ich znaczenie dla człowieka

Autorka artykułu: Małgorzata Dostatni, Uniwersytet Gdański, Wydział Biologii

Artykuł otrzymany jako esej naukowy w ramach ćwiczeń warsztatowych „Współczesne problemy naukowe w biologii – tutoring naukowy” na III roku kierunku Biologia medyczna: 10.04.2021; Zaakceptowany po recenzji i opublikowany: 14.10.2021

Wszystko co nas otacza w dzisiejszym świecie zbudowane jest z cząsteczek chemicznych. Cząsteczki te, mieszając się i łącząc, tworzą związki chemiczne. Najróżniejsze związki chemiczne występują między innymi w roślinach. Możemy w nich znaleźć takie grupy związków jak alkaloidy, antrachinony, flawonoidy, terpenoidy, taniny, gumy roślinne, glikozydy i wiele, wiele innych. Dzięki ogromnemu zróżnicowaniu wykazują szerokie spektrum działań, funkcji i zastosowań.

Alkaloidy to grupa związków chemicznych o charakterze zasadowym. Należące do nich substancje mają duży wpływ na organizm człowieka, np. alkaloidy takie jak: kamptotecyna, winblastyna i winkrystyna, wpływają na zahamowanie działania enzymów związanych z cyklem wzrostu i aktywnością komórki nowotworowej. Mogą również powodować indukcję apoptozy komórek nowotworowych (Gurgul i Lityńska, 2017). Alkaloidy zawarte w roślinach są metabolitami wtórnymi i służą przede wszystkim im samym – chronią przed atakiem drapieżcy poprzez nadanie roślinie gorzkiego smaku. Ze względu na swoje właściwości „bronią” także przed licznymi mikroorganizmami i możliwymi infekcjami. Większość tych związków najliczniej występuje w okolicach tkanki twórczej, co jest istotne z punktu widzenia regeneracji rośliny po jej ewentualnym uszkodzeniu.

Przykładem rośliny, w której możemy znaleźć alkaloidy jest mak lekarski (Papaver somniferum). Zawiera on między innymi morfinę, która na organizm ludzki wpływa silnie przeciwbólowo, kodeinę działającą przeciwkaszlowo czy papawerynę, która ma działanie rozkurczające.

Ciekawym przykładem silnie trującego alkaloidu jest strychnina. Możemy ją pozyskać z nasion kulczyby wroniego oka (Strychnos nux-vomica) (Fot. 1). Już w małych dawkach (30-120 mg u człowieka) jest bardzo niebezpieczna, powoduje silne skurcze mięśni, które prowadzą do uduszenia się (Verpoorte, 2005).

Fot. 1. Nasiona kulczyby wronie oko zawierające strychninę.

Innym przykładem jest swainsonina. Możemy ją znaleźć w roślinach strączkowych takich jak Astragalus lentiginosus czy Oxytropis campestris. Wykazuje ona działanie silnie toksyczne i jest poważnym problemem w rolniczych obszarach Chin, a także w innych państwach, gdzie odpowiada za liczne zatrucia zwierząt gospodarskich (Zhang i in., 2020).

Drugą, wartą wspomnienia, grupą związków chemicznych są antrachinony. Występują one głównie w roślinach niższych, ale znajdziemy je także w grzybach. Aloes prawdziwy (Aloe vera) zawiera w sobie aloinę, która jest pochodną antrachinonów. Posiada ona silne właściwości przeczyszczające, drażni błonę śluzową oraz wzmaga perystaltykę jelita grubego. Podobne właściwości ma także kora z krzewu kruszyny pospolitej (Frangula alnus). Wchodzi ona w skład wielu preparatów farmaceutycznych o działaniu przeczyszczającym ze względu na zawartość takich związków jak fiscjon czy chryzofanol, które również należą do grupy antrachinonów (Sobotta i in., 2010; Diaz-Muñoz i in., 2018).

Kolejna grupa to flawonoidy. Są one grupą związków chemicznych, które w roślinie pełnią funkcję barwników. Nadają roślinom intensywne kolory od żółtego po pomarańczowy. Zgromadzone są w powierzchniowych warstwach rośliny, a tym samym chronią je przed promieniowaniem UV. Pełnią także rolę „ochroniarzy roślin” – odstraszają owady oraz grzyby. Szczególnie bogatym w flawonoidy jest np. kwiat fiołka trójbarwnego (Viola tricolor) czy bzu czarnego (Sambucus nigra). Jednego z przedstawicieli związków flawonowych – rutynę, możemy znaleźć także w gryce (Fagopyrum). W medycynie znalazła ona zastosowanie już w XIX wieku. Wzmacnia naczynia krwionośne, ma działanie przeciwutleniające, podnosi odporność, a także przyspiesza metabolizm. Innymi roślinami leczniczymi ze względu na zawartość flawonoidów są pietruszka zwyczajna (Petroselinum crispum) czy skrzyp polny (Equisetum arvense ). Mają one działanie moczopędne i antyseptyczne (Panche i in., 2016).

Kolejną, równie ciekawą, grupą związków chemicznych są terpenoidy, które odpowiadają za zapach wielu roślin. Jest to jedna z najbardziej zróżnicowanych grup metabolitów wtórnych, w której na chwilę obecną, wyodrębnionych zostało około 50 000 związków (Chassagne i in., 2019), np. mentol o działaniu pobudzającym występujący w mięcie pieprzowej (Mentha× piperita ) czy karwon o działaniu stymulującym ośrodkowy układ nerwowy, który znajdziemy w kminku zwyczajnym (Carum carvi). Rośliny zawierające terpenoidy są doskonałym źródłem olejków eterycznych, np. olejek z pędów sosny ma właściwości wykrztuśne, a olejek walerianowy ma działanie uspokajające. Stosowane są one także w przemyśle spożywczym, kosmetycznym, a także jako dodatek do leków w celu poprawienia ich smaku. Uważa się, że podstawowym elementem komunikacji rośliny z zapylaczem jest zapach wydzielany przez kwiat. Daje on informację na temat lokalizacji, a nawet jakości i ilości nektaru bądź pyłku. Zapach może przyciągać odpowiedniego zapylacza, a równocześnie odstraszyć niechcianych gości (Bohlmann i Keeling, 2008). Przykładem takiej substancji zapachowej jest linalol, który występuje u wawrzynka wilczełyko (Daphne mezereum).

Następną grupą związków są garbniki roślinne, inaczej taniny. Nadają one roślinom gorzki, cierpki smak, a tym samym odstraszają potencjalnych drapieżników. Dzięki swojemu antyseptycznemu działaniu pełnią funkcję obronną, także przed bakteriami, grzybami i owadami. Ze względu na fakt, że powodują denaturację białek zaliczane są do substancji toksycznych. Od wielu lat taniny są wykorzystywane do obróbki skóry zwierzęcej. Mają silne właściwości ściągające i garbujące. Dzięki temu po wykorzystaniu tanin, skóra staje się trwalsza i nie ulega procesom gnilnym. Także w medycynie jest ona wykorzystywana do hamowania procesów zapalnych, łagodzenia obrzmień czy hamowania drobnych krwotoków (Kohlmünzer, 2000). Przykładem ich występowania są między innymi liście poziomki (Fragaria) czy owoce borówki czarnej (Vaccinium myrtillus) (Swanson, 2003).

Na wspomnienie zasługują również glikozydy, a dokładniej mówiąc, jedna z ich podgrup, czyli glikozydy nasercowe. Występują w takich roślinach, jak konwalia majowa (Convallaria majalis) oraz naparstnica purpurowa (Digitalis purpurea). Mają one bogate zastosowanie w dzisiejszej medycynie ze względu na swoje właściwości. Jak sama nazwa wskazuje, pobudzają one pracę serca, zwiększają siłę jego skurczu, a jednocześnie obniżają jego częstość. Taki efekt wywołują dzięki hamowaniu pompy sodowo-potasowej,
przez co dochodzi do wzrostu stężenia sodu i wapnia w przestrzeni międzykomórkowej. Ma to związek również z pośrednim i bezpośrednim wpływem na układ sympatyczny (pobudzający) i parasympatyczny (hamujący). Glikozydy nasercowe wpływają także pobudzająco na baroreceptory, dzięki czemu zwiększają ich czułość. Istnieje jednak szereg niepożądanych efektów, które mogą wystąpić przy ich samodzielnym stosowaniu. W niektórych przypadkach są wręcz niedozwolone ze względu na korelację z lekami, takimi jak insulina czy kortykosteroidy (Kostowski i Herman, 2003).

Mówiąc o związkach chemicznych występujących w roślinach warto także wspomnieć o gumach roślinnych. Są to związki o budowie polisacharydów, ale innych niż skrobia. Występują głównie u roślin wyższych po zranieniu tkanki takim, jak uszkodzenie mechaniczne czy uszkodzenia wywołane przez pasożyty oraz szkodniki. Proces powstawania gumy w okolicy zranienia nazywany jest gumozą. Gumoza najczęściej występuje na korze i drewnie, ale zgumowaceniu mogą ulec także inne części rośliny. Jest to zjawisko patologiczne, które w konsekwencji może powodować osłabienie rośliny, mniejsze plony, a nawet uschnięcie i śmierć całej rośliny. W Polsce gumoza często występuje u różnych odmian brzoskwini (Persica vulgaris) (Grabowski, 1999). Natomiast z mechanicznych uszkodzeń akacji senegalskiej (Acacia senegal) uzyskujemy gumę arabską (Fot. 2), która ma zastosowanie w medycynie jako środek osłaniający przy różnych stanach zapalnych błony śluzowej. Z gumy arabskiej wytwarza się także artykuły biurowe, takie jak kleje czy farby.

Fot. 2. Guma arabska.

Nie da się ukryć, iż z punktu widzenia człowieka rośliny stały się niezbędnym źródłem wielu istotnych substancji chemicznych, które znajdują swoje zastosowanie nie tylko w medycynie, ale i w przemyśle spożywczym, kosmetycznym, drzewno-papierniczym, jak i odzieżowym. Wielu ze związków chemicznych nie da się otrzymać w sposób syntetyczny, dlatego są tak bezcenne. Wciąż prowadzonych jest wiele badań, które mają na celu odkrycie właściwości związków pochodzenia roślinnego. Co ciekawe, w jednej z publikacji wykazano związek między ich występowaniem geograficznym a daną właściwością. Przykładem są rośliny posiadające właściwości antyseptyczne, które zebrano w 73 krajach. Najliczniej jednak występowały one w Republice Południowej Afryki, Brazylii, Indiach, Iranie oraz Kamerunie (Chassagne i in., 2021).

Warto jednak pamiętać, iż wiele związków chemicznych pochodzenia roślinnego może być równie niebezpiecznych, jak i pomocnych, dlatego związki pochodzenia roślinnego zawarte w produktach ziołowych oraz suplementach należy używać z uwagą i ostrożnością. Nieco ironiczny jest fakt, iż wiele z tych substancji rośliny wykształciły na drodze ewolucji w celu własnych korzyści, na przykład, do przywabiania zapylaczy czy do ochrony przed drapieżnikami i infekcjami. Człowiek odkrywając potencjał ukryty w roślinach eksploatuje środowisko naturalne i często przyczynia się do znaczącego zmniejszenia populacji niektórych cennych roślin.

Literatura:

Bohlmann J., Keeling C.I., 2008. Terpenoid biomaterials. The Plant Journal 54:656-669.

Chassagne, F., Cabanac, G., Hubert, G., David, B., and Marti, G. 2019. The landscape of natural product diversity and their pharmacological relevance from a focus on the Dictionary of Natural Products. Phytochemistry Reviews, 18:601–622.

Chassagne F., Samarakoon T., Porras G., Lyles J.T., Derrweiler M., Marquez L., Salam A.M., Shabih S., Farrokhi D.R., Quave C.L., 2021. A Systematic Review of Plants With Antibacterial Activities: A Taxonomic and Phylogenetic Perspective. Frontiers in Pharmacology, 11: 586548.

Diaz-Muñoz G., Miranda I.L., Sartori S.K., Rezende D.C., Diaz M.A.N., 2018. Anthraquinones: An Overview, Studies in Natural Products Chemistry, 58:313-338.

Grabowski, M., 1999. Choroby drzew owocowych. Kraków: Wydawnictwo Plantpress.

Gurgul A., Lityńska A., 2017. Substancje pochodzenia roślinnego w terapii nowotworów. Postępy Fitoterapii, 18:203-208.
Kohlmünzer, S., 2000. Farmakognozja. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL, s. 238-252.

Kostowski W., ,Herman Z.S., 2003. Farmakologia. Podstawy farmakoterapii. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL.

Panche A.N., Diwan A.D., Chandra S.R., 2016. Flavonoids: an overview. Journal of Nutritional Science, 5:1-15.

Sobotta, Ł., Mielcarek, J., Sobiak, S., Wierzchowski, M., 2010. Antrachinony – małe cząsteczki, duże nadzieje. Farmacja Polska, 3:162-167.

Swanson B.G., 2003. Encyclopedia of Food Sciences and Nutrition. Academic Press. s. 5729-5733.

Verpoorte R., 2005. Alkaloids.[w:] Worsfold P., Townshend A., Poole C. (red.) Encyclopedia of Analytical Science. Elsevier, s. 56-61.

Zhang J., Morris-Natschke S.L., Ma D., Shang X., Yang C., Liu Y., Lee K., 2021. Biologically active indolizidine alkaloids. Medicinal Research Reviews, 41:928-960.

Fotografie:

Fot. 1. Fot. H. Zell CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11134637

Fot. 2. Fot. Tarig A. Eltom, CC BY 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15895294