Хеморегуляторы онтогенеза и плодовитости фитофагов

Многие вторичные метаболиты растений проявляют способность воздействовать на развитие и плодовитость животных – фитофагов. По механизму действия и химической природе эти соединения можно разделить на две группы – вещества гормонального и негормонального типа.

К веществам первой группы относятся гормоны линьки и ювенильные гормоны насекомых, а также фитоэстрогены, идентичные половым гормонам самок млекопитающих.

А. Фитоэкдизоны и ювенильные гормоны

Экдизоны (от греч. йkdysis – линька), стероидные гормоны членистоногих, стимулирующие линьку и метаморфоз. У различных групп членистоногих гормонами линьки служат различные экдизоны, но чаще всего – α-экдизон и экдистерон. Α-экдизон впервые был выделен в 1954 г. из коконов шелковичного червя, его структура расшифрована в 1965 г..

У насекомых экдизоны вырабатываются проторакальными (переднегрудными) железами, деятельность которых усиливается к моменту сбрасывания панциря под воздействием нейропептидов, вырабатываемых в мозге насекомых. Хотя содержание экдизонов у членистоногих очень мало (0,1–1,0 мкг/г), под влиянием гормона эпидермис выделяет линочный секрет, что приводит к образованию новой кутикулы и её затвердению. Под действием экдизонов начинается «куколочная линька», сопровождающаяся превращением личинки в куколку и, в первую очередь, образованием ложнококона (пупария). Механизм действия экдизонов на насекомых заключается в том, что они вызывают образование вздутий (пуфов) в хромосомах; последовательность вздутий коррелирует с последовательной активацией генов, участвующих в передаче генетической информации. Таким путём экдизоны вызывают, например, активизацию фермента диоксифенилаланиндекарбоксилазы, необходимого для синтеза веществ, ответственных за склеротинизацию кутикулы насекомых. Ювенильный гормон способствует личиночному росту и препятствует метаморфозу. По мере роста личинок его концентрация падает.

Рис. 8. Экдистероидный титр в развитии Drozophila melanogaster

Для нормального метаморфоза ювенильный гормон и гормоны линьки должны присутствовать в необходимом количестве и в нужный момент развития жизненного цикла. Периодические линьки вызваны волнами экдистероидов.

Исходя из потенциальной гормональной активности фитоэкдизонов в Японии еще в начале 70-х гг. был предложен метод для увеличения урожая и качества коконов тутового шелкопряда (Bombyx mori) через изменение гормонального фактора. Управление развитием личинок шелкопряда заключалось в использовании диеты на основе экдистероидов, который должен был побуждать гусеницы заключительной возрастной стадии единовременно трансформироваться в куколки.

Открытие в растениях соединений, аналогичных гормонам членистоногих, было случайным фактом, когда чехословацкий ученый Карел Слама выехал для научной работы в США и культивировал там на фильтровальной бумаге красноклопа бескрылого (Pyrrhocoris apterus L.). Здесь его поджидал сюрприз – метаморфоз насекомого нарушался, и он не мог добиться окукливания на последней личиночной стадии. Секрет заключался в происхождении фильтровальной бумаги. В данном случае она была изготовлена из пихты бальзамической (Abies balsamea). С другими бумагами метаморфоз протекал нормально. В процессе экстракции был выделен структурный аналог ювенильного гормона ювабион, избирательно действующий именно на этого насекомого.

В 1967 г. было опубликовано сенсационное сообщение о находке больших количеств гормона линьки (β-экдизона) в листьях тиса (Taxus baccata). Ранее для получения 25 мкл экдизона требовалось 500 кг шелковичных червей. Теперь то же количество было получено всего лишь из 25 г сухих листьев тиса. То же количество препарата можно получить из 2,5 г корневищ папоротника Polypodium vulgare. Обычное содержание их в растительных объектах составляет очень малую величину – тысячные и сотые доли процента от сухого веса, но встречаются растения, у которых отдельные органы могут концентрировать значительные количества экдистероидов – до 20–30 г/кг.

В настоящее время растительные экдизоны – фитоэкдизоны – обнаружены в цветковых и голосеменных растениях, папоротниках, грибах, мхах. Считается, что появившиеся в сравнении с растениями на более поздних этапах эволюции насекомые стали использовать их в качестве гормонального фактора развития. Так как действие экдистероидов проявляется в чрезвычайно низких концентрациях, предполагается, что повышенный синтез их у древних папоротников и голосеменных первоначально представлял защитный механизм от поедания насекомыми-фитофагами.

Сегодня известно строение около 300 молекул экдистероидов, но из всего разнообразия экдистероидных соединений наиболее активны и массово используются три (табл. 3).

Таблица 3

Фитоэкдизоны – наиболее активные агонисты экдистероидов насекомых

Фитоэкдизоны и ювенильные гормоны рассматриваются с точки зрения их применения в сельском хозяйстве в качестве инсектицидов, однако в изолированном виде они не могут быть использованы в производственных масштабах, так как чрезвычайно неустойчивы в окружающей среде: высоколабильны к температуре, кислороду, ультрафиолетовому облучению, микрофлоре. Поэтому длительное хранение их осуществляется в лиофилизированном виде, при температуре от (20° до -60 °С. В последние годы предложено встраивать гены с видоизмененными рецепторами экдистероидов в трансгенные растения, чтобы через кратковременное внешнее воздействие химического лиганда, агониста фитоэкдизонов, управлять устойчивостью культурных растений против агрессии насекомых-вредителей.

Некоторы растения содержат вещества, которые сами гормональной активностью не обладают, но являются ингибиторами линьки. Например, из свинчатки (р. Plumbago) было выделено вещество класса нафтохинонов – плюмбагин (2-метилюглон). Позднее это же вещество было обнаружено среди вторичных метаболитов росянки крупнолистной (Drosera rotundifolia L). Это веществоингибирует фермент хитинсинтетазу, необходимый для образования панциря насекомых. В последнее время плюмбагин находит применение в фармакологии, т. к. обладает достаточно высокой антиоксидантной, противоопухолевой и антимикробной (в том числе против возбудителей туберкулеза) активностью.

Наконец, многие растения могут регулировать гормональный статус фитофагов, являясь основным источником стероидов для беспозвоночных, которые не способны самостоятельно синтезировать холестерин. Например, некоторые виды кактусов, обитающих в Северной Америке, привлекают дрозофил наличием стероидных аттрактантов, необходимых для синтеза гормона линьки, причем каждый вид кактусов вырабатывает репеллент, отпугивающий все другие виды дрозофил, кроме «своего».

Таким образом, экологическое значение фитостеринов двояко: они могут оказывать регулирующее воздействие на популяции фитофагов, ограничивая их численность, с другой стороны, они являются химическим ресурсом для нормального метаболизма некоторых видов животных.

Б. Фитоэстрогены

Помимо метаболитов, влияющих на развитие беспозвоночных, в растениях найдены вещества, воздействующие на плодовитость позвоночных животных. Ряд этих веществ, ингибируя плодовитость, проявляет гормоноподобные, а именно – эстрогенные свойства, поэтому для веществ такого типа предложен термин «фитоэстрогены». Некоторые растения, например, гранат и финики, содержат эстрон – один из человеческих эстрогенов.

В организме животных и людей фитоэстрогены впервые обнаружены в конце 60-х гг. XX века. Проведенные исследования их структуры и биологического действия позволили разделить фитоэстрогены на 3 группы.

1. Лигнаны. По структуре относятся к классу дифенолов. Являются продуктами осуществляющегося под воздействием микрофлоры кишечника расщепления некоторых растительных метаболитов, присутствующих в наружном слое зерен (пшеницы, ржи и риса), пищевых растительных волокнах, семенах льна, орехах, в некоторых ягодах, фруктах (вишне, яблоках) и овощах (чесноке, петрушке, моркови и др.). Наиболее изучены лигнаны энтеродиол и энтеролактон. Классический источник лигнанов – льняное масло.

2. Изофлавоноиды. Представляют собой производные гликозидов и соответствуют по структуре гетероциклическим фенолам. Содержатся в больших количествах в соевых бобах (до 300 мг/100 г), других стручковых растениях, чечевице, гранатах, финиках, семенах подсолнечника, капусте, красном клевере и т. п. Большое количество изофлавоноидных фитоэстрогенов найдено в экстрактах хмеля. В кишечнике изофлавоноиды подвергаются гидролизу и дальнейшему метаболизму, в результате чего образуются соединения с эстрогенной активностью, среди которых наиболее сильными агонистами являются дайдзеин и гинестеин.

3. Куместаны. Как и изофлавоноиды, являются производными гликозидов. Содержатся в молодых растениях клевера, люцерны и других клубеньковых. Основным представителем куместанов является куместрол.

Фитоэстрогены по структуре обладают определенным сходством с эндогенными эстрогенами животных и имеют близкую с ними молекулярную массу. Эти свойства позволяют фитоэстрогенам взаимодействовать с эстрогенными рецепторами и либо стимулировать в клетках специфический отклик, либо блокировать действие эндогенных эстрогенов. В первом случае растительный метаболит выполняет функцию агонистаполового гормона, во втором – антагониста. В любом случае, фитоэстрогены обладают потенциальной способностью модифицировать механизмы, регулирующие половой цикл и репродуктивный процесс у позвоночных животных.

Биологическая активность фитоэстрогенов в сотни и тысячи раз ниже активности эндогенных эстрогенов, однако постоянное потребление растительной пищи, а также таких продуктов, как молоко и мясо травоядных животных, может приводить к значительной концентрации фитоэстрогенов в организме.

Так, концентрация некоторых лигнанов в плазме крови человека может в 5000 раз превышать концентрацию собственных эстрогенов.

Наиболее яркие примеры влияния гормоноподобных соединений растительного происхождения на репродуктивную функцию сначала стали известны из ветеринарной практики. В 1946 г. у овец Австралии, выпас которых производился на пастбищах, богатых клевером вида Trifolium subterranium, было описано состояние, названное «клеверная болезнь» и характеризовавшееся нарушением функции яичников и резким снижением плодовитости вплоть до бесплодия. «Клеверную болезнь» связали с наличием в пище животных клевера, богатого куместролом и некоторыми изофлавоноидами, которые составляют 5 % сухой массы этого вида растения. Подсчитано, что ежегодно 1млн австралийских овец теряют ягненка из-за этих веществ клевера.

Позднее симптомы «клеверной болезни» были описаны у крупного рогатого скота, кроликов и некоторых видов оленей. Кроме того, у самок животных, питавшихся богатыми изофлавоноидами растениями, отмечено появление (вне беременности) признаков лактации; это явление наблюдалось даже у самцов. В механизме описанных расстройств основным является нарушение рецепции эндогенных эстрогенов гормоночувствительными клетками гипоталамуса, вследствие интенсивного связывания с ними фитоэстрогенов.

По мнению ряда исследователей, фитоэстрогены являются примером коэволюционных взаимоотношения между флорой и фауной. Являясь основным источником пищи для фитофагов, растения выработали своеобразный механизм защиты от полного уничтожения посредством синтеза веществ с эстрогенными свойствами и регулирования численности популяции травоядных животных путем снижения их плодовитости. Параллельно развивались механизмы адаптации животных к фитоэстрогенам, связанные с повышением эффективности их метаболизма и выведения из организма – в печени фитоэстрогены подвергаются конъюгации с глюкуроновой кислотой, и в виде такого комплекса экскретируются с желчью или мочой.

Что касается человека, то в настоящее время фактические данные о влиянии потребления пищи, богатой фитоэстрогенами, на его репродуктивную функцию немногочисленны.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что фитоэстрогены способны модулировать специфические ответы тканей-мишеней репродуктивных органов и, следовательно, влиять на рецепцию, продукцию и метаболизм эндогенных гормонов, а также на их действие на клеточном уровне. При этом фитоэстрогены могут выступать в роли как агонистов, так и антагонистов собственных эстрогенов организма. Направленность биологического эффекта фитоэстрогенов прежде всего зависит от их дозы – чем она выше, тем более выражен антиэстрогенный эффект.

В странах Юго-Восточной Азии, где растительная пища (прежде всего продукты из сои) является традиционно преобладающей, расстройства, связанные с наступлением менопаузы (остеопороз, приливы, кардиопатии и др.), встречаются в значительно менее выраженной форме, чем на Западе. Установлено также, что у мужчин этих стран концентрация сперматозоидов в эякуляте с годами не снижается, как это отмечено у мужчин Америки и Европы. Так как соевые продукты являются источником изофлавоновых фитоэстрогенов, то предполагается благотворное воздействие этих соединений на репродуктивную функцию человека.

В дальнейшем было выявлено, что фитоэстрогены обладают еще и противоопухолевым эффектом особенно в отношении молочной железы у женщин и предстательной железы у мужчин. Установлена корреляция между рационом питания и уровнем раковых заболеваний в разных регионах: так называемая «западная диета» с высоким содержанием животного белка ассоциируется с более частым возникновением опухолевых процессов. Например, в Японии, Китае и ряде других стран Азии смертность от рака простаты в 80–100 раз меньше, чем в США. У иммигрантов из азиатских стран после их переезда на Запад и изменения характера питания частота гормонально зависимых раковых заболеваний становится такой же, как у коренных жителей.

Таким образом, эпидемиологические и экспериментальные данные позволяют связать содержание в пищевом рационе фитоэстрогенов с частотой возникновения гормонально-зависимых опухолевых процессов. В то же время условия и точные механизмы действия фитоэстрогенов на развитие опухолей и других патологических процессов, как и их роль в функционировании репродуктивной системы, не до конца ясны. Это не позволяет пока широко использовать методы терапии гормонально зависимой патологии человека, в том числе опухолей, с помощью фитоэстрогенов.

Более того, в последнее время появляются данные о негативном действии фитоэстрогенов на биохимические процессы в организме человека. Например, фитоэстрогены ингибируют ферменты ароматазной системы и таким образом замедляют конверсию андростендиона в эстрон. Этот эффект объясняет снижение риска возникновения эстрогензависимого рака молочной железы, но при этом ухудшаются умственные способности. Исследования показали, что у пожилых мужчин, в течение долгого времени употреблявших в пищу соевый сыр тофу, болезнь Альцгеймера встречается в 2,5 раза чаще по сравнению с теми, кто никогда не добавлял в пищу соевых продуктов.

Доза фитоэстрогенов, эквивалентная двум стаканам соевого молока в день, уже достаточна для того, чтобы нарушить менструальный цикл женщины. Сильнее всего отрицательные эффекты проявляются в раннем возрасте – высокая концентрация фитоэстрогенов в детском питании приводит к раннему половому созреванию девочек и к нарушению физического развития мальчиков. Детское питание на основе сои способствует развитию зоба и понижению функции щитовидной железы у младенцев за счет подавления пероксидазо-каталазной реакции, ответственной за синтез тиреоидных гормонов.