seminar môn sinh lý thực vật chuyển hóa chất thứ cấp ở thực vật và các hợp chất hoạt tính sinh học

VẬT TRONG ĐIỀU TRỊ CÁC BỆNH DO VI KHUẨN...293.5 SỰ ĐA DẠNG CỦA CÁC CHẤT CHUYỂN HÓA THỨ CẤP CÓ HOẠT TÍNH SINH HỌC ĐƯỢC SẢN XUẤT BỞI CÂY THUỐC PHYSALIS ANGULATA L... Tuy nhiên lúc đóchúng

LÝ THUYẾT

SƠ LƯỢC VỀ CHUYỂN HÓA CHẤT SƠ CẤP VÀ CHUYỂN HÓA CHẤT THỨ CẤP

Chuyển hóa chất sơ cấp tạo ra các sản phẩm trong giai đoạn tăng trưởng của một sinh vật Quá trình này được gọi là kỳ chuyển hóa chính hoặc trophophase Nó bắt đầu khi tất cả các chất dinh dưỡng cần thiết có trong môi trường cho một sinh vật phát triển Tầm quan trọng của quá trình trao đổi chất chính là sự tăng trưởng, sinh sản và phát triển của tế bào Trong giai đoạn này, tế bào có nồng độ tối thiểu của tất cả các phân tử (DNA, RNA, ) Trong thời kỳ trophophase, sự tăng trưởng theo cấp số nhân của vi sinh vật bắt đầu Có nhiều sản phẩm trao đổi chất khác nhau tạo thành các chất chuyển hóa chính Các sản phẩm này là vitamin, nucleoside, acid amin, để thực hiện các chức năng sinh lý và hỗ trợ cho sự phát triển chung của tế bào được tạo ra từ giai đoạn này được gọi là chất chuyển hóa chính.

Sau trophophase hoặc ngay khi pha lũy thừa kết thúc, quá trình này chuyển sang giai đoạn khác gọi là idiophase hoặc là chuyển hóa chất thứ cấp Trao đổi chất thứ cấp tổng hợp các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất sơ cấp sau giai đoạn tăng trưởng, xảy ra ở giai đoạn chất dinh dưỡng hạn chế hoặc khi có sự tích lũy của các chất thải Các sản phẩm được gọi là chất chuyển hóa thứ cấp (idiolites), được sản xuất vào cuối quá trình rất quan trọng trong sinh thái và các hoạt động khác của tế bào.

CHUYỂN HÓA CHẤT THỨ CẤP Ở THỰC VẬT

2.1.1 Chuyển hóa chất thứ cấp là gì?

Trong tự nhiên, thực vật tạo ra nhiều loại sản phẩm có bản chất hóa học khác nhau, được sử dụng cho quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật Các chất chuyển hóa sơ cấp cung cấp các chất cần thiết cho các quá trình, chẳng hạn như quang hợp, chuyển vị và hô hấp Các sản phẩm thu được từ các chất chuyển hóa sơ cấp, không tham gia trực tiếp vào quá trình sinh trưởng và phát triển, được coi là các chất chuyển hóa thứ cấp Chuyển hóa thứ cấp bắt nguồn từ các con đường sơ cấp khác nhau để tổng hợp các hợp chất cần thiết với lượng nhỏ, điều này cho thấy sự thay đổi hoạt tính của các enzym chuyển hóa chính như hormone và coenzym trong quá trình tiến hóa Kết quả của những thay đổi như vậy, các hợp chất hoàn toàn mới đã được hình thành làm tăng sức đề kháng của thực vật đối với các yếu tố của môi trường nhất định và chuyển dần các hợp chất sơ cấp thành các chất chuyển hóa chuyên biệt.

Nói chung, các chất chuyển hóa thứ cấp là sản phẩm cuối cùng của các chất chuyển hóa sơ cấp và được tạo ra từ các biến đổi sinh tổng hợp, bao gồm quá trình methyl hóa, glycosyl hóa và hydroxyl hóa Các chất chuyển hóa thứ cấp chắc chắn phức tạp hơn về thành phần cấu trúc và chuỗi bên so với các chất chuyển hóa sơ cấp.

Các nhà khoa học đã phân loại các chất chuyển hóa thứ cấp theo loại cấu trúc hóa học của chúng thành các lớp sau:

Số lượng chất chuyển hóa đã biết

Cocaine, Psilocin, Caffeine, Nicotine, Morphine, Berberine, Vincristine, Reserpine, Galantamine, Atropine, Vincamine, Quinidine, Ephedrine, Quinine Acid amin phi protein (NPAA)

700 NPAA được sản xuất bởi các họ thực vật cụ thể nhưLeguminosae, Cucurbitaceae,

Sapindaceae, Aceraceae và Hippocastanaceae Ví dụ: Azatyrosine, Canavanine

Chứa Nitrogen 60 Amygdalin, Dhurrin, Linamarin,

Steroid và saponin Không có

Nito Đây là những terpenoid có cấu trúc vòng đặc biệt Flavonoid và

Phenylpropanoid, lignin, coumarin và lignan

Polyacetylen, Acid béo và sáp

Không có Nitrogen 1500 Polyketide Không có

Mỗi nhóm này bao gồm từ vài đơn vị đến hàng trăm hoặc hàng nghìn hợp chất riêng lẻ Cấu trúc hóa học của chúng xác định tính đặc hiệu của các chức năng của các chất đó Ví dụ, thực vật có thể tổng hợp các chất chuyển hóa thứ cấp để tự bảo vệ (chống lại các mầm bệnh khác nhau như vius, vi khuẩn, nấm, ) hoặc để vô hiệu hóa các sản phẩm độc hại của quá trình chuyển hóa sơ cấp Một số hợp chất thứ cấp cũng quyết định phần lớn chất lượng dinh dưỡng và hương vị của các sản phẩm thực vật khác nhau Tất cả các đặc tính của thực vật đối với sự hình thành các hợp chất hữu cơ

Hình 2.1: Mối quan hệ giữa chuyển hóa sơ cấp và thứ cấp đa chức với nhiều đặc tính còn giúp sản xuất các sản phẩm chăm sóc cơ thể, hỗ trợ miễn dịch, có công dụng tuyệt vời trong y học (ví dụ làm thuốc giảm đau, chống oxy hóa, điều hòa huyết áp, ), dùng làm thực phẩm bổ sung, chỉ định sinh học,

Có ba loại chất chuyển hóa chính dựa trên con đường sinh tổng hợp: Nhóm phenolic (gồm đường đơn và vòng benzen), terpen và steroid (gồm chủ yếu là carbon và hydro) và hợp chất chứa Nitrogen.

Hợp chất phenolic trong thực vật là những chất chuyển hóa thứ cấp với cấu trúc đa dạng, chịu trách nhiệm tạo màu cho hoa quả Trong số này, alkaloid và flavonoid nổi bật với nhiều chức năng sinh học quan trọng Đáng chú ý, nhiều hợp chất phenolic thể hiện các đặc tính sinh học, bao gồm cả tác dụng chống oxy hóa và chống viêm.

Hình 2.2: Con đường sinh tổng hợp chất chuyển hóa thứ cấp dụng chống oxy hóa, chống ung thư và chống viêm Các alkaloid là các chất chuyển hóa chính khác thường có tác dụng dược lý Trong cấu trúc có một nhóm hợp chất hữu cơ dựa trên Nitrogen thứ ba, chứa một vòng dị vòng gồm các acid amin thơm được tổng hợp từ con đường acid shikimic Các acid amin thơm, phenylalanine và tryptophan là tiền chất trao đổi chất phổ biến cho cả hợp chất phenolic và alkaloid.

Hợp chất thứ cấp là các chất không có chức năng trực tiếp trong các quá trình đồng hóa, hô hấp, vận chuyển, tăng cường và phát triển thực vật Chức năng chủ yếu của các hợp chất thứ cấp là bảo vệ thực vật chống lại các tác nhân gây bệnh và động vật ăn cỏ Chất chuyển hóa thứ cấp thực vật chẳng hạn như polyphenol bao gồm một số loại sản phẩm tự nhiên đa dạng về mặt cấu trúc phát sinh từ con đường shikimate- phenylpropanoids-flavonoid Thực vật cần các hợp chất này để tạo sắc tố, tăng trưởng, sinh sản, kháng mầm bệnh và cho nhiều chức năng khác Đồng thời chúng còn đại diện cho các đặc điểm thích nghi, chịu sự chọn lọc tự nhiên trong quá trình tiến hóa

Chất chuyển hóa thứ cấp có quan trọng cho sự tồn tại của thực vật Giúp thực vật thích nghi với môi trường sống, bảo vệ bản thân khỏi các động vật ăn cỏ bằng cách phát triển/ thay đổi hình dạng, độc tố,…

Nhiều chất thứ cấp có hoạt tính sinh học mạnh được dùng làm chất diệt côn trùng, nấm, dược chất

Chất chuyển hóa thứ cấp là các chất hoạt tính sinh học hoặc chất chống oxy hóa có tầm quan trọng đối với con người Các chất này do tế bào thực vật chuyên biệt tạo ra và có ảnh hưởng đến nhiều quá trình trao đổi chất trong cơ thể người.

CÁC HỢP CHẤT HOẠT TÍNH SINH HỌC

Hoạt chất sinh học là một loại hóa chất được tìm thấy một lượng nhỏ trong thực vật và một số loại thực phẩm Lợi ích của hoạt chất là có thể thúc đẩy sức khỏe tốt. VD: Một số cây có hoạt tính sinh học như:

Chi Ba Bét (Mallotus): Ba bét trắng (Mallotus apelta), Bục dục trường (Mallotus repandus), Cánh kiến (Mallotus philippinensis),…

Chi Bình Vôi (Stephania): Củ bình vôi Thái (Stephania erecta)

2.3 2 Chức năng và vai trò

Nhiều hợp chất hoạt tính sinh học đã được phát hiện trong những thực phẩm mà chúng ta tiêu thụ như: ngũ cốc, các loại đậu, quả hạch, dầu ô liu, rau, trái cây, trà và rượu vang đỏ và các hợp chất phenolic có trong các loại thực phẩm này có đặc tính

Hình 2.3: Mallotus repandus Hình 2.4: Mallotus apelta

Hình 2.5: Stephania erecta Hình 2.6: Mallotus philippinensis

3.2 SẢN XUẤT CÁC CHẤT CHUYỂN HÓA THỨ CẤP CỦA THỰC VẬT THÔNG QUA CÁC CÔNG NGHỆ IN VITRO

Nuôi cấy thực vật từ các bộ phận cây hoặc hạt nảy mầm vô trùng đòi hỏi phải khử trùng để loại bỏ vi sinh vật Môi trường nuôi cấy bán rắn có đủ chất dinh dưỡng và đặc biệt là chất điều hòa sinh trưởng thực vật Tùy vào nguyên liệu và môi trường, các loại nuôi cấy được thiết lập, bao gồm nuôi cấy tế bào (huyền phù tế bào), nuôi cấy mô (mô sẹo) và nuôi cấy cơ quan (chồi, rễ) Mô sẹo có thể chuyển thành nuôi cấy tế bào nếu được nuôi trong môi trường lỏng.

Với mục đích sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp, hầu hết nghiên cứu thường tập trung vào nuôi cấy huyền phù tế bào vì tốc độ tăng trưởng tương đối nhanh và khả năng mở rộng quy mô thành các hệ thống lò phản ứng sinh học Tuy nhiên, cần phải xem xét rằng ở thực vật bậc cao, một số đặc điểm sinh hóa chỉ có thể được phát triển đầy đủ trong các cơ quan cụ thể hoặc trong các giai đoạn phát triển cụ thể Do đó, sự tích lũy các chất chuyển hóa như vậy có thể phụ thuộc vào sự có mặt của một số loại tế bào hoặc bào quan nhất định, cũng như sự biểu hiện và điều hòa của các gen sinh tổng hợp Vì lý do này, các nghiên cứu trước đây và đang tiến hành cũng đề cập đến việc áp dụng các cơ quan nuôi cấy trong ống nghiệm như chồi, rễ hoặc phôi để sản xuất các chất chuyển hóa của thực vật, mặc dù chi phí canh tác quy mô lớn cao do nhu cầu về các lò phản ứng sinh học đặc biệt cho đến nay vẫn chưa được cải thiện phần lớn cản trở việc triển khai thương mại.

Phương pháp sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp có hoạt tính sinh học thông qua nuôi cấy in vitro thực vật gồm các bước:

A Thiết lập nuôi cấy trong ống nghiệm sau khi khử trùng bề mặt vật liệu thực vật Sự hình thành mô sẹo cũng có thể được tạo ra trên vật liệu từ nuôi cấy cơ quan Ngược lại, các cơ quan như rễ hoặc chồi có thể được tái sinh từ mô sẹo Rễ có lông thu được do nhiễm vi khuẩn Agrobacterium rhizogenes của cây hiến tặng đã khử trùng, hoặc vật liệu nuôi cấy in vitro

B Nhân mô sẹo/cơ quan/rễ sơ cấp, đầu tiên lựa chọn và thiết lập môi trường nuôi cấy lỏng

Hình 3.1: Phương pháp sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp có hoạt tính sinh học thông qua nuôi cấy in vitro thực vật

C Tuyển chọn các dòng có năng suất cao và tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy (thành phần môi trường dinh dưỡng, mật độ cấy, nhiệt độ, ánh sáng, khuấy trộn và sục khí) Các chiến lược áp dụng để cải thiện năng suất hơn nữa

D Thiết kế lò phản ứng sinh học sẽ phụ thuộc vào loại hình nuôi cấy: bể khuấy, cũng như các lò phản ứng cột bong bóng và vận chuyển khí để huyền phù tế bào; lò phản ứng phun sương hoặc phun sương và hệ thống ngâm tạm thời để nuôi cấy cơ quan (bao gồm cả rễ tơ).

Việc sản xuất in vitro các chất chuyển hóa thứ cấp có một số ưu điểm khác biệt so với việc chiết xuất từ toàn bộ thực vật như: không có hạn chế theo mùa và có thể dự đoán được, đáng tin cậy và sản xuất liên tục quanh năm Nó được đặc biệt quan tâm khi một loài thực vật phát triển chậm hoặc hoàn toàn khó trồng trọt, và khi hàm lượng hợp chất mong muốn trong tự nhiên quá thấp.

3.3 CÁC CHẤT CHUYỂN HÓA THỨ CẤP CÓ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA THỰC VẬT TRONG VIỆC QUẢN LÝ NHIỄM TRÙNG HUYẾT Nhiễm trùng huyết là một phản ứng viêm nghiêm trọng đối với nhiễm trùng toàn thân và là nguyên nhân đe dọa tử vong ở các đơn vị chăm sóc đặc biệt Nhiễm trùng huyết được định nghĩa là rối loạn cơ quan chức năng đe dọa tính mạng do phản ứng của vật chủ đối với nhiễm trùng bị rối loạn Đây là con đường phổ biến cuối cùng dẫn đến tử vong do các bệnh truyền nhiễm nghiêm trọng, chẳng hạn như nhiễm trùng máu và đường hô hấp dưới do vi khuẩn, sốt rét, sốt xuất huyết và nhiễm nấm toàn thân Nếu không được phát hiện sớm và xử trí kịp thời, bệnh có thể gây sốc nhiễm trùng, suy đa tạng và tử vong

Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu đã được tiến hành về tác dụng bảo vệ của các sản phẩm tự nhiên chống lại tổn thương nội tạng do nhiễm trùng huyết Tuy nhiên, vẫn còn thiếu một đánh giá toàn diện về các nghiên cứu này chỉ ra cơ chế hoạt động của các hợp chất có hoạt tính sinh học.

Nhiều chất chuyển hóa thứ cấp được phát hiện là có hiệu quả trong việc kiểm soát nhiễm trùng huyết bao gồm allicin, aloin, cepharanthine, chrysin, curcumin, cyanidin, acid gallic, gingerol, ginsenoside, glycyrrhizin, hesperidin, kaempferol, narciclasine, naringenin, naringin, piperine, quercetin, resveratrol, acid rosmarinic, shogaol, silymarin, sulforaphane, thymoquinone, umbelliferone và zingerone Các tác dụng bảo vệ do các hợp chất này gây ra có thể được quy cho các đặc tính chống oxy hóa của chúng cũng như tạo ra các cơ chế chống oxy hóa nội sinh, và cũng thông qua quá trình điều chỉnh giảm phản ứng viêm và giảm các dấu hiệu sinh hóa và viêm của nhiễm trùng huyết Những phát hiện này cho thấy rằng các chất chuyển hóa thứ cấp này có thể có giá trị điều trị tiềm năng trong việc kiểm soát nhiễm trùng huyết, nhưng các nghiên cứu trên người phải được thực hiện để cung cấp sức mạnh cho khả năng

Hình 3.2: Các mục tiêu tiềm năng của các hợp chất hoạt tính sinh học từ thực vật trong nhiễm trùng huyết. lâm sàng tiềm năng của chúng trong việc giảm tỷ lệ mắc bệnh và tử vong liên quan đến nhiễm trùng huyết.

Vai trò các hợp chất hoạt tính sinh học từ thực vật trong nhiễm trùng huyết:

Tổn thương phổi được cải thiện đáng kể nhờ allicin, chất này cũng điều hòa giảm nồng độ yếu tố hoại tử khối u α (TNF-α), interleukin (IL)-6 và IL-1β Allicin cũng ức chế đáng kể thụ thể toll-like (TLR4), MyD88, yếu tố hạt nhân-kB (NF-kB), caspase-3 và hoạt động của protein caspase-9 so với nhóm LPS trong mô phổi

Aloin đã ức chế sự giải phóng TGFBIp do LPS gây ra và ngăn chặn các phản ứng nhiễm trùng qua trung gian TGFBIp Hợp chất này cũng ức chế tỷ lệ tử vong do nhiễm trùng huyết và tổn thương phổi do TGFBIp gây ra Aloin cũng ức chế kích hoạt NF-κB và giảm tổng hợp ocid nitric cảm ứng (iNOS) và tạo ra acid nitric dư thừa Hợp chất này cũng làm giảm nồng độ IL-6 và TNF-α trong huyết tương, giảm tỷ lệ tử vong do nhiễm trùng huyết do CLP gây ra, tăng peroxide hóa lipid và cải thiện hệ thống phòng thủ chống oxy hóa thông qua việc phục hồi superoxide dismutase (SOD), glutathione peroxidase (GPX) và nồng độ catalase (CAT) trong các mô thận.

Cepharanthine, một alkaloid được phân lập từ Stephania cepharantha Hayata, đã chứng minh tính hiệu quả trong việc kiểm soát các hội chứng phản ứng viêm toàn thân bao gồm nhiễm trùng huyết bằng cách ức chế sự gia tăng nồng độ cytokine gây ra bởi LPS (IL-6, TNF-α và nồng độ nitrat/nitrit) trong huyết thanh chuột Cepharanthine, một alkaloid được phân lập từ Stephania cepharantha Hayata, đã chứng minh tính hiệu quả trong việc kiểm soát các hội chứng phản ứng viêm toàn thân bao gồm nhiễm trùng huyết bằng cách ức chế sự gia tăng nồng độ cytokine gây ra bởi LPS (IL-6, TNF-α và nồng độ nitrat/nitrit) trong huyết thanh chuột.

ỨNG DỤNG THỰC TẾ

SẢN XUẤT CÁC CHẤT CHUYỂN HÓA THỨ CẤP CỦA THỰC VẬT THÔNG QUA CÁC CÔNG NGHỆ IN VITRO

Việc nuôi cấy có thể được bắt đầu từ các bộ phận của toàn bộ cây hoặc từ hạt được nảy mầm vô trùng Điều kiện tiên quyết để đưa bất kỳ nguyên liệu thực vật nào vào nuôi cấy in vitro là khử trùng bề mặt để loại bỏ các vi sinh vật bám dính, điều này thường được thực hiện với dung dịch của chất khử trùng như natri hypochloride Các mẫu thích hợp sau đó được cấy trên môi trường bán rắn chứa đủ lượng chất dinh dưỡng và quan trọng nhất là chất điều hòa sinh trưởng thực vật, và được nuôi cấy trong điều kiện môi trường được kiểm soát Tùy thuộc vào nguyên liệu ban đầu và môi trường dinh dưỡng, các loại nuôi cấy khác nhau có thể được thiết lập, được phân loại là nuôi cấy tế bào (huyền phù tế bào, nguyên sinh chất hoặc tế bào giao tử), nuôi cấy mô (mô sẹo hoặc mô biệt hóa) hoặc nuôi cấy cơ quan (chồi, rễ, hoặc phôi hợp tử) Một mặt, sự hình thành mô sẹo (khối tế bào biệt hóa) có thể được tạo ra, và khi chuyển sang môi trường lỏng, các khối mô sẹo có thể phân hủy thành các tập hợp nhỏ và các tế bào đơn lẻ, nhờ đó thu được nuôi cấy huyền phù tế bào.