متابولیت­‌های ثانویه، شناسانی و انواع متابولیت­‌های ثانویه

آخرین بروزرسانی: 9 فروردین 1398
شما اینجا هستید:
میانگین زمان مطالعه: 16 دقیقه

معرفی متابولیت‌های ثانویه

متابولیت‌های ثانویه ترکیبات آلی هستند که مستقیماً در مراحل رشد و نمو یا تولید مثل یک ارگانیسم زنده شرکت نمی‌کنند. در طی سالیان طولانی، بشریت از این ویژگی در گیاهان دارویی در صنایع مختلفی هم‌چون صنعتی، دارویی، بهداشتی و … بهره جسته است. برخلاف متابولیت‌های اولیه، هم‌چون کربوهیدارت‌ها، پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک، نبود متابولیتهای ثانویه به مرگ فوری موجود منجر نمی‌شود، اما ممکن است در دراز مدت سبب اختلال در بقای موجود زنده، باروری یا ویژگی‌های ظاهری آن گردد یا ممکن است هیچ تغییر مشهودی را سبب نشود.

این ترکیبات غالباً نقش مهمی را در سیستم دفاعی گیاهان در مقابل گیاه‌خواری و دیگر سیستمهای دفاعی بین گونه‌ها بازی می‌کنند. از آنجا که گیاهان متحرک نیستند، با درجه زیادی از انعطاف پذیری فیزیولوژیکی برای انطباق با شرایط خارجی در حال نوسان تکامل یافته‌­اند. علاوه بر این، بسیاری از گونه­‌های گیاهی برای تولیدمثل جنسی و پراکندگی بذر به حیوانات وابسته می­‌باشند. از جمله پاسخ­‌های تطبیقی گیاهان به تنش‌­های محیطی، توانایی سنتز انواع زیادی از این نوع ترکیبات شیمیایی می‌­باشد (1 و 3).

secondary matabolites

همان‌طور که گفته شد، متابولیت‌­های ثانویه بخشی از ساختمان مولکولی پایه سلول نیستند، در مقادیر کم یافت می­‌شوند و ممکن است نقش آشکاری در رشد و نمو نداشته باشند و در صورت وجود، در بافت‌­ها، اندا‌م‌­های خاص یا در مراحل خاصی از رشد یافت می‌شوند. هم‌چنین تولید آن­‌ها ممکن است در سطحی گسترده و یا به خانواده و یا جنس خاص و یا حتی گونه خاصی از گیاهان محدود باشد.

متابولیت‌­های ثانویه در فرآورده­‌های صنعتی کاربرد فراوانی دارند و در ساخت دارو، صابون، اسانس، رنگ ها، صمغ­‌ها، رزین، کائوچو، چاشنی غذا و نوشیدنی و غیره به کار می‌­روند.  این ترکیبات در خود گیاه نیز دارای وظایف مهمی مانند عملکرد هورمون­‌ها و تنظیم کننده‌­های رشد، رفع آلودگی میکروبی، جذب عوامل گرده‌افشان و هم‌چنین دور کردن علف­خواران و حشرات می­‌باشند که به این واسطه موجب کاهش خسارت حیوانات و حشرات شده و به گیاهان تولیدکننده کمک می­‌کنند تا در اکوسیستم خود زنده بمانند. گیاهان با استفاده از این ترکیبات، که متعلق به خانواده‌­های شیمیایی مختلف از جمله آلکالوئیدها و فلاونوئیدها می­‌باشد، به محافظت از خود در برابر حملات میکروبی، موجودات گیاه‌خوار و تابش اشعه ماوراء بنفش می­‌پردازند. متابولیت­‌های ثانویه هم‌چنین نقش کلیدی در جذب حشرات گرده‎افشان گل (به خصوص رنگ‌دانه آنتوسیانین و اسانس ترپنوئیدها) و در دیگر تعاملات مفید با سایر موجودات می­‌باشند (2 و 3 و 16).

لزوم مطالعه متابولیت‌های ثانویه

متابولیت‌ها یا فرآورده‌های ثانویه به‌جز مسیر بیوسنتزی پیچیده‌ای که برای تولید دارند، دارای ساختار پیچیده نیز هستند و همین امر مطالعه آن‌ها را با کندی مواجه کرده است. این در حالی است که ارزش بالای این ترکیبات در صنایعی هم‌چون پزشکی، لازمه مطالعه شیمیایی این ترکیبات را به وجود می‌آورد. مطالعه متابولیت‌های ثانویه، هم‌چنین سبب افزایش درک ما از بیوسنتز و فعالیت آن‌ها می‌شود.

لازم به ذکر است که ساختار این مولکول­‌ها اغلب برای سنتز شیمیایی کاملا کارآمد، بیش از حد پیچیده می­‌باشد. به همین دلیل، علی­رغم کم بودن غلظت این متابولیت­‌ها در گیاهان، گیاهان هنوز تنها منبع بادوام اقتصادی برای بسیاری از این متابولیت‎های ارزشمند هستند. از طرفی گرایش روز افزون جوامع بشری به استفاده از داروهای با منشأ گیاهی سبب افزایش تقاضای مواد مؤثره گیاهان دارویی شده است. علیرغم پیشرفت‌های زیاد در زمینه سنتز مصنوعی مواد مؤثره گیاهی، به دلیل ناشناخته بودن و پیچیدگی ساختمان شیمیایی اغلب آن‌­ها، تولید این ترکیبات به صورت سنتتیک، مشکل و مستلزم هزینه‌­های زیادی است. در نتیجه تاکنون موفقیت چشمگیری در تولید این ترکیبات دارویی ارزشمند حاصل نشده است و هنوز هم استخراج از منابع گیاهی تنها منبع به صرفه اقتصادی دستیابی به این ترکیبات است (4).

در نهایت، مطالعه و فهم این ترکیبات ارزشمند می‌تواند ما را در سرمایه‌گذاری هر چه بیش‌تر بر روی گیاهان بومی کشورمان یاری کند. به عنوان مثال، ترکیب نوسکاپین، یک ماده ضدسرطان بوده و با اتصال به رشته‌های توبولین در مرحله متافاز، باعث توقف تقسیم سلولی و القای آپوپتوسیس در سلول‌های سرطانی می‌شود. این متابولیت ثانویه در خشخاش و تنها در جنس Papaver یافت می‌شود و تا به امروز گونه Papaver somniferum تنها منبع تجاری برای تولید این ماده ارزشمند است. از طرفی به دلیل داشتن دو کربن کایرال در ساختار شیمایی آن، سنتز شیمایی نوسکاپین بسیار زمان‌بر و هزینه‌بر است.

Noscapine

مطالعات جدید نشان می‌دهد که خشخاش ایرانی (Papaver bracteatum. L) نیز دارای ژن‌های بیوسنتزی نوسکاپین می‌باشد و به دلیل چند ساله بودن و سازگاری به اقلیم ایران، می‌تواند منبع مناسبی برای تولید نوسکاپین در کشور باشد (5). لازم به ذکر است که گیاه خشخاش ایرانی به جهت داشتن کدئین بالا معروفیت بالایی پیدا کرده است، اما همان‌گونه که گفته شد، با مطالعه دیگر ترکیبات در گونه‌های بومی می‌توان منابع مناسبی برای تولید این چنین داروهای ضروری معرفی کرد.

خشخاش ایرانی

تصویری از خشخاش ایرانی و مراحل رشد این گیاه که به‌طور وحشی در اقسی نقاط ایران رشد می‌کند. این گیاه منبع عظیمی از کدئین می‌باشد. الف) روزت یک‌ساله، ب) روزت چندساله، ج) شروع جوانه‌زنی غنچه، د) استقرار جوانه، ه) گلدهی اولیه، ز) استقرار غوزه

طبقه‌بندی متابولیت‌های ثانویه

متابولیت‌های ثانویه به طور عمده به سه کلاس ترپنوئیدها که در حدود 25000، آلکالوئیدها در حدود 12000 ترکیب، و فنولیک در حدود 8000 ترکیب گوناگون را شامل می‌شوند (Croteau 2000). اما علاوه بر این متابولیت‎ها، می‌توان به روغن‌های ضروری، فلاونوئیدها و کلاس‌های دیگر اشاره کرد.

انواع متابولیت‌های ثانویه

این نمودار متابولیت‌های ثانویه در گیاهان را نشان می دهد که تاکنون شناخته شده‌اند. همان‌طور که دیده می‌شود، ترپنوئیدها بیش‌ترین فراوانی (31 درصد) و سپس آلکالوئیدها (28) و فلاونوئیدها (13 درصد) به ترتیب دارای فراوانی می‌باشند.

ترپنوئیدها

ترپنوئیدها متنوع‏‌ترین ترکیبات طبیعی گیاهی از لحاظ ساختاری می‏‌باشند. این ترکیبات باتوجه به کاربرد وسیعی که در تولیدات صنعتی ازجمله چاشنی‏‌ها، داروها، عطرها و حشره‌‏کش‌‏ها و عوامل ضد‏میکروبی دارند، از لحاظ تجاری بسیار حائز اهمیت می‏‌باشند. ترپنوئیدها به‌جهت خواص منحصر به فردشان به عنوان مواد بیولوژیکی در صنعت برای تولید لاستیک‏‌های سنگین، کمک فنر و محصولات لاتکس مثل دستکش جراحی استفاده می‌شوند (1 و 9).

مثال‌‏های دیگر از ترپنوئیدهای گیاهی با ارزش اقتصادی قابل توجه شامل موارد زیر است:

منتول، یک مونوترپنوئید استخراج شده از نعناع بوده و در صنعت عطر و طعم استفاده می‌شود.
آبتیک اسید، یک دی ترپنوئید جداسازی شده از conifer rosin که در صنعت لاک، varnishes و صابون استفاده می شود.
آرتمیزنین و تاکسول که به عنوان داروهای ضد‏مالاریا و ضد‏سرطان کاربرد دارند (17 و 10).

اصطلاح ترپن به مولکول‌های هیدروکربن اطلاق می‌شود در حالی‌که ترپنوئیدها اشاره به مولکول‌های ترپنی گفته می‌شوند که دچار تغییرات بعدی شده‌ اند. ترپنوئیدها بیش‌ترین و متنوع‌ترین ترکیبات طبیعی شناخته شده در گیاهان هستند. این ترکیبات ارزنده در خود گیاه نیز نقش‎های فراوانی دارند که از آن جمله می‌توان به حفاظت گیاهان در برابر گیاه‌خواران، جذب عوامل گرده‎افشان، هم‌زیستی گیاه با موجودات دیگر و رقابت گیاه با گیاهان دیگر اشاره کرد.

 Terpenoid

تاکسول یک دی ترپنوئید حلقوی بسیار مهمی است که در سال 1962 از درخت سرخدار (Taxus brevifolia) استخراج شد. ساختار مولکولی این ترکیب در سال 1971 به‌وسیله کریستالوگرافی با اشعه X مشخص شد. این ترکیب امروزه به عنوان یک داروی ضدسرطان مهم در شیمی درمانی استفاده می‌شود. مکانیسم ضدسرطانی این ترکیب بدین صورت است که با اتصال به زیرواحدهای تشکیل دهنده میکروتوبول‌ها از پلیمریزاسیون آن‌ها جلوگیری کرده لذا در هنگام تقسیم سلولی سبب عدم جدا شدن صحیح کروموزم‌ها شده و با اختلال در تقسیم سلولی از رشد سلول جلوگیری می‌کند (11 و 17).

Paclitaxel

آلکالوئیدها

آلکالوئیدها به ترکیباتی گفته می‌شود که دست کم دارای یک اتم نیتروژن در حلقه هتروسیکلیک هستند. این دسته از متابولیت‌های ثانویه نقش عمدتاً دفاعی داشته و بعضاً به عنوان منابعی برای ذخیره نیتروژن در گیاه مطرح می‌شوند. از جمله مهم‌ترین آلکالوئیدها می‌توان به مورفین و کدئین اشاره کرد.

کلمه آلکالوئید از کلمات alkali و  ειδоо (کلمه یونانی Similarity) یا ειδŵ به معنی (to appear)  اقتباس شده است. اساساً به موادی که ظاهر قلیایی دارند گفته می شود. ریشه کلمه alkali از بخش عربی al-qualja به معنی خاکسترهای گیاهی است که مترادف با کلمه انگلیسی potash است.

این کلمه اولین بار در سال 1819 توسط W.Meissner به کار گرفته شده است. از نظر وی آلکالوئیدها موادی استخراج شده از گیاهان‌ هستند که مانند مواد قلیایی واکنش می‌دهند.

سرانجام این اصطلاح در سال 1822 وقتی که O. Jacobsen یک مقاله کامل در مورد این ترکیبات “ter buch der chemieÖA.Ladenburg’s Hand W  نوشت، ارائه و بنیان نهاده شد. این اصطلاح برای همه بازها، موادآلی چه حیوانی و چه گیاهی و کلیه موادی که به طور مصنوعی تهیه می‌شوند به کار می‌روند. به عبارتی دیگر آلکالوئیدها با بازهای آلی یا قلیایی آلی مترادف است.

تقریباً 43 سال بعد A.Stoll ترکیبات بازی حاوی نیتروژن در گیاهان را به عنوان آلکالوئید معرفی کرد. در سال 1959 میلادی، P.Karrer همین تعریف را در مجله Lehrbuch der organis chemie  مطرح کرد.

در سال 1983 S.W.Pelletier اعلام کرد که آلکالوئید یک ترکیب حلقوی آلی حاوی نیتروزن در یک حالت اکسیداسیون منفی است که توزیع آن در میان ارگانیسم های زنده محدود می شود. هیچ‌کدام از این تعاریف کامل نیستند و هر یک ایرادی اساسی دارند. اما امروزه آلکالوئیدها مواد آلی نیتروژن‌دار با منشأ طبیعی با یک درجه خصلت بازی بیش‌تر یا کم‌تر هستند. این تعریف آمینو اسیدهای خالص، پپتیدها، نوکلئیک اسیدها و بازهای نیتروژن دار آلی سنتزی مانند آنیلین را شامل نمی‌شود. در حال حاضر حدود 6000 آلکالوئید طبیعی وجود دارد. امروزه 25 درصد داروهای تجاری، از این نوع ترکیبات و مشتقات آن‌ها تهیه می شود (12).

آلکالوئیدها شناخته شده‌ترین ترکیبات طبیعی حاوی نیتروژن هستند. این ترکیبات مزه تلخی دارند و دارای اثر سمی برروی سیستم غشای سلولی خصوصاً سلول‌های عصبی می‌باشند. به عنوان یک حشره‌کش عمل می‌کنند و در صنعت داروسازی نیز اهمیت فراوانی دارند.

Alkaloids

ترکیبات بسیار اعتیادآور نظیر کوکائین، مورفین، نیکوتین، کافئین و THC یا Tetra hydro cannabinol (ماری جوانا) در این گروه قرار دارند. ایندول آلکالوئیدها، متابولیت‌های ثانویه با گستردگی وسیع می‌باشند که فعالیت دارویی بسیار متنوعی دارند. ایندول آلکالوئیدها و مشتقات آن‌ها به طور گسترده در آزمایشات کلینیکی استفاده شده اند. از جمله وین بلاستین، وین کریستین، کامپتوتسین ، ویندولین ، رسرپین و ایندولین.

مطالعات گسترده‌ای فعالیت زیستی متنوع ایندول آلکالوئیدها از فعالیت ضدباکتریایی گرفته تا فعالیت ضدالتهابی و فعالیت ضدتوموری را نشان داده‌اند. علاوه بر این، ایندول آلکالوئیدها حاصل از محیط دریایی یک گروه امید بخش و فعال از بیومولکول‌ها هستند که فعالیت زیستی، سیتوتوکسیکی، ضد ویروسی، ضد انگلی و ضد التهابی را پوشش می‌دهند (13).

فلاونوئیدها

واژه فلاونوئید به مفهوم وسیع، تمام رنگ‌دانه ‌های گیاهی را در بر می‌گیرد. نام فلاون از کلمه لاتین فلاووس به معنای زرد گرفته شده است. در گیاهان عالی به ویژه نهان‌دانگان حدود 4000 نوع فلاونوئید شناسایی شده که بیش از 90 نوع فلاونوئید در مرکبات و بیش از 30 نوع در خانواده کمپوزیته موجود است. تاکنون هیچ نوع فلاونوئید در جلبک‌ها گزارش نشده است. در میان ترکیبات فنولی، فلاونوئیدها کلیه اعمال متابولیت‌های ثانویه را درگیاهان دارا می‌باشند. فلاونوئیدها از مشتقات فنیل پروپانوئید هستند که دارای ساختمان 15 کربنه می‌باشند. در بیشتر فلاونوئیدها حلقه A متادی‌هیدروکسیل یا متاتری‌هیدروکسیل می‌باشد در مقابل حلقه B دارای یک یا دو یا سه عامل هیدروکسیلی می‌باشد. این اختلاف ناشی از مبدأ بیوسنتز دو حلقه می‌باشد. حلقه A از سه مولکول اسید استیک متراکم و حلقه B از قندها در مسیر شیکمیک مشتق شده است (14 و 16).

خواص فلاونوئیدها

فلاونوئیدها باعث ایجاد رنگ در گل‌ها، میوه‌ها و گاها برگ‌ها می‌شوند. هم‌چنین به علت خاصیت جذب حشرات در گرده‌افشانی و باروری گیاهان نیز مؤثر می‌باشند. فلاونوئیدها باعث افزایش مقاومت به عوامل بیماری‌زا در گیاهان می‌شوند هم‌چنین جذب کننده قوی اشعه ماورای بنفش (340-250 نانومتر) می‌باشند. در ساختمان اندام‌های جنسی و رویشی دانه گرده از طریق اثر بر عمل ژن‌ها و آنزیم‌ها اثر مثبت دارند. این ماد هم‌چنین باعث شلاته کردن برخی یون‌های فلزی مانند آهن و مس می‌شوند.

فلاونوئیدها از طریق مهار عناصر کاتالیزشده از اکسیداسیون جلوگیری می‌کنند. از دیگر خواص این مواد می‌توان به خاصیت جمع کنندگی مواد زاید اشاره کرد. فلاونوئیدها مهارکننده سلول‌های سرطانی هستند که این اثر را از طریق بیان ژن، افزایش دهنده ایمنی بدن (آنتی‌اکسیدان)، خاصیت ضد ویروسی،  ضد باکتریایی، ضد تورمی، ضد التهابی، ضد آلرژی، ضد موتاسیون، کاهش دهنده نفوذپذیری و شکنندگی مویرگ‌ها اعمال می‌کنند. هم‌چنین در کشور چین برای درمان هپاتیت از فلاونوئیدها استفاده می‌شود.

45 درصد فلاونوئید‌های مرکبات به‌طور ویژه جذب ویتامین C را بهبود می‌بخشند. افراد سیگاری و افرادی که تحت فشار استرس هستند، به میزان زیادی از ویتامین C و فلاونوئید‌های مرکبات نیاز دارند. فلاونوئید‌های مرکبات می‌توانند به فرم ترکیباتی جهت کنترل افراد سیگاری یا به شکل آمپول‌هایی برای ورزشکاران مورد استفاده قرار گیرند (14 و 15).

گیاهانی هم‌چون بومادران، سرخ ولیک، جینکو، آویشن، گل راعی، بابونه رومی، انار، چای، زالزالک، برگ بو، گل ساعتی، مرکبات، شیرین بیان از جمله منابع باارزش فلاونوئیدها به حساب می‌آیند.

فنولیک‌ها

این ترکیبات عمدتاً از مسیر شیکمیک اسید و اسیدآمینه‌های آروماتیک منشأ می‌گیرند. به دلیل حلقوی بودن توانایی دریافت و ساطع کردن نور را دارند و از این خصوصیت برای شناسایی‌شان استفاده می‌کنند. این مواد در حضور یک باز به عنوان عامل یونیزه کننده عمل کرده و سبب ایجاد رادیکال‌های آزاد می‌شوند (16).

مواد این گروه کاربردهای مختلفی در صنایع مختلف دارند از جمله این موارد می‌توان به تانین‌ها اشاره کرد که در صنعت چرم سازی شرکت می‌کنند. این ترکیبات هم‌چنین در ادویه جات کاربرد فراوانی دارند و بعضی از مواد این گروه (ویتامین E) دارای فعالیت آنتی اکسیدانتی قابل ملاحظه‌ای هستند.

 شناسایی متابولیت هدف

بدون شک مهم‌ترین بخش در بحث مهندسی متابولیت شناسایی متابولیت مدنظر است. این که این ترکیب چه ویژگی‌هایی دارد را می‌توان با روش‌های آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار داد. امروزه با توجه به این که ساختار ترکیبات ارزشمند در دسترس است، می‌توان ساختار ترکیب مدنظر را با ترکیب‌های موجود تطبیق داد و ویژگی خاص این ترکیب را تا حدودی حدس زد.

به عنوان مثال ترکیبی که به عنوان یک ماده ضدسرطان حدس زده می‌شود، می‌توان با استفاده از روش‌های آزمایشگاهی با سلول‌های سرطانی مورد مطالعه قرار داد. هم‌چنین امروزه با مطالعه پروفایل متابولیتی یک گیاه با روش‌هایی از جمله HPLC-MS و LC-MS از ترکیبات موجود در گیاه آگاه شد. برخی از این ترکیبات جداسازی شده مانند تاکسول که به عنوان یک ترکیب ضدسرطانی مورد استفاده قرار می‌گیرد و یا آرتمیزینین که فعالیت ضد مالاریایی دارد، باعث جلب توجه محققان به منظور مطالعه مسیرهای بیوسنتزی این ترکیبات و هم‌چنین دیگر ترکیبات که ممکن است اثر فارماکولوژیکی قوی داشته باشند، شده است (17).

نقش مطالعات متابولومیکس در این گونه تحقیقات به دو حالت است. شناسایی توزیع زمانی و مکانی متابولیت مدنظر به‌طوری‌که توسط شرایط خود گیاه یا تغییرات محیطی رخ می‌دهد و دوم این که ترکیبات مرتبط دیگر را شناسایی می‌کنند. این ترکیبات می‌توانند به عنوان حدواسط در این مسیرها شناخته شوند. تلفیق مطالعات متابولومیکس و مطالعات مرتبط با ژنومیکس، ترانسکریپتومیکس و پروتئومیکس، می‌تواند در شناسایی مسیرهای بیوسنتزی این ترکیبات فیتوشیمیایی کمک ارزنده‌ای بکند.

روش‌های شناسایی متابولیت‌های ثانویه

با درنظر گرفتن ارزش متابولیت‌های ثانویه و ضرورت مطالعه آن‌ها، انواعی از روش‌های آزمایشگاهی به منظور مطالعه ساختار این ترکیبات معرفی شده‌اند که برخی از آن‌ها در این مطالعه بررسی می‌شوند. بسیاری از این روش‌ها در وهله اول هزینه‌بر و زمان‌بر هستند، بنابراین یکی از مزایای شناسایی ساختار متابولیت‌های ثانویه، امکان ایجاد کتابخانه‌های مجازی از اطلاعات این ترکیبات می‌باشد. از این رو، می‌توان ترکیبات را با دستگاه‌های مقرون به صرفه‌تر مطالعه نمود. هم‌چنین شناسایی ساختار شیمایی باعث ایجاد فرصتی برای بررسی ویژگی لیگاند-آنزیم در شرایط آزمایشگاهی می‌شود.

طیف‌سنجی جرمی

یکی از روش‌های مطالعه‌ی ترکیبات شیمیایی، طیف‌سنج جرمی است که شامل جداسازی یون‌های یک یا چند اتمی بر پایه نسبت جرم به بار (m/z) و اندازه‌گیری m/z و فراوانی یون‌ها در فاز گازی است. به عبارت دقیق‌تر طیف‌سنجی جرمی به بررسی نسبت جرم به بار مولکول‌ها با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی می‌پردازد.

این روش یکی از روش‌هایی است که در شناسایی متابولیت‌ها بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. اصلی ترین مزیت این تکنیک حساسیت بالای آن می‌باشد. به علاوه، تلفیق روش MS با تفکیک‏سازی کروماتوگرافی، باعث افزایش دقت و توانایی بالا در تفکیک و شناسایی ترکیبات موجود در متابولوم یک موجود می‌شود (18).

روش مطالعه متابولیت‌های ارزشمند در گیاهان
روش مطالعه متابولیت‌های ارزشمند در گیاهان

دو روش تلفیقی GC–MS و LC–MS  بیش‌ترین کاربرد را در این بین دارند. گاز کروماتوگرافی جرمی، یک روش پر کابرد در جداسازی و  شناسایی مخلوط‌های فرار گازی می‌باشد. GC-MS از ترکیب دستگاه کروماتوگرافی گازی (به منظور جداسازی اجزاء مخلوط گازی) و دستگاه اسپکترومتر جرمی (به منظور شناسایی اجزاء) تشکیل شده است.

کروماتوگرافی گازی همانند دیگر روش‌های کروماتوگرافی از دو فاز متحرک و ساکن تشکیل شده است. فاز ساکن شامل یک جسم جامد جاذب (کروماتوگرافی گاز- جامد) و یا لایه نازکی از یک مایع غیر فرار (کروماتوگرافی گاز- مایع) می‌باشد، که دیواره‌های داخلی ستون یا روی سطح گلوله‌های شیشه ای یا فلزی را می‌پوشاند. فاز متحرک شامل یک گاز می‌باشد، که به آن گاز حامل نیز گفته می‌شود. گاز حامل باید یک گاز بی‌اثر باشد، تا با فاز ساکن، حلال و یا نمونه واکنش ندهد. به همین دلیل معمولاً از نیتروژن یا هلیم استفاده می‌شود.

فیلم آماده سازی نمونه در مطالعات GC–MS

استفاده از این روش به منظور شناسایی انواع معین از نمونه‌هایی مثل ترپنوئیدها و روغن‌های ضروری (essential oils) بسیار مناسب و کاربردی می‌باشد. هم‌چنین برای برخی از مشتقات گیاهی که به صورت قطبی هستند و یا آن‌هایی که دارای گروه‌های قطبی می‌باشند مانند اسیدها امینه، شکرها، اسیدهای طبیعی، اسیدهای چرب و آمین ها. این مسأله بیانگر این است که بسیاری از ترکیبات مرتبط با متابولیت‌های اولیه به سادگی با این روش قابل شناسایی هستند. روش یونیزاسیون در این روش بیش‌تر بصورت EI بوده که باعث افزایش دقت در تفکیک ترکیبات یونی را به دستگاه می‌دهد.

آزمایشات متابولومیکیس گیاهی با استفاده از روش MS

آزمایشات متابولومیکیس گیاهی با استفاده از روش MS

روش LC-MS نیز از جمله دیگر روش‌های پرکاربرد در مطالعات مربوط به متابولوم در گیاهان است. روش اصلی برای یونیزاسیون در این تکنیک نیز بصورت API می‌باشد که در واقع شامل دو روش EI و APCI می‌باشد (19). این دو روش، نیازی به تبخیر شدن ندارند و از این جهت برای مطالعه ترکیبات با گروه عاملی حساس به حرارت، دارای زیرساختارهای شیمیایی ناپایدار، دارای نقطعه تبخیر بالا و وزن مولکولی زیاد مناسب می‌باشند. در گیاهان روش LC-MS برای انجام پروفایل متابولیت‌های ثانویه بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد که می‌توان به فنیل پروپانوئیدها، آلکالوئیدها و ساپونین‌‏ها اشاره کرد (2 و 20).

طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای

روش NMR یا همان طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای از دیگر روش‌های  محبوب در مطالعات متابولومیکس می‌باشد. این روش بیش‌تر به دلیل این که وضعیت اتمی ترکیبات را تعیین می‌کند، و هم‌چنین قادر به شناسایی متابولیت‌هایی است که توسط روش‌هایی مثل MS قابل شناسایی نیستند. به کمک طیف سنجی NMR می‌توان اطلاعات دقیق در مورد مقادیر و هویت متابولیت‌های  موجود در عصاره و هم‌چنین شرایط درون‌سلولی (in vivio) به دست آورد (21).

در بررسی متابولیت به کمک NMR نیازی به ستون کروماتوگرافی و یا استاندارد نیست. در این روش فقط باید به PH نمونه توجه ویژه داشت زیرا تغییرات (شیفت) شیمیایی می‌تواند بر اساس PH نمونه تغییر یابد. به منظور کنترل PH و خطاهای محتمل، از بافرهایی برای کنترل PH استفاده می‌شود. از جمله مزایای دیگر روش NMR نسبت به MS این است که روش  NMR غیرمخرب، غیرمغرضانه، بسیار کمی، و توانایی شناسایی ترکیبات پیچیده ناشناس اشاره کرد (22).

فیلم معرفی روش NMR و متابولومیکس مبتنی بر NMR

گیاهان دارویی: منابعی برای متابولیت‌های ثانویه

بدون شک، گیاهان دارویی مهم‌ترین و بهترین منبع تولید متابولیت‌های ثانویه هستند که از نسل‌ها قبل به عنوان منابع ارزشمند شناخته می‌شدند. این گیاهان گاه به طور وحشی و در برخی مناطق به طور زراعی و کنترل‌شده کشت و کار می‌شوند. کشور ایران به دلیل داشتن اقلیم آب و هوایی متفاوت و سازگار، به عنوان منطقه‌ای برای رویش بسیاری از گیاهان دارویی بوده‌ است.

گیاهان دارویی از ارزش و اهمیت خاصی در تأمین بهداشت و سلامتی جوامع، هم به لحاظ درمان و هم پیشگیری از بیماری­‌ها برخوردار بوده و هستند. این بخش از منابع طبیعی قدمتی هم‌پای بشر داشته و یکی از مهم‌ترین منابع تأمین غذایی و دارویی بشر درطول نسل­‌ها بوده‌­اند.

از نقطه نظر تاریخی، این گیاهان اهمیت فراوانی در توسعه جوامع داشته ­اند و تحقیقات وسیعی برای یافتن فرآورده­‌ها ومواد طبیعی دارویی گیاهی در طول تاریخ انجام شده اما نکته حائز اهمیت اینجاست که تنها کم‌تر از 10% از مجموع 250000 گونه گیاهی جهان برای بیش از یک عملکرد زیست شناختی، شناسایی و مورد استفاده قرار گرفته ­اند. به عبارت دیگر بر اساس آمارهای منتشره توسط سازمان جهانی سلامت[2]، تنها بین 35 تا 70 هزار گونه گیاه دارویی در طول زمان برای حداقل یک یا چند بار مورد مصرف قرار گرفته است. در حال حاضر، 25% از داروهای موجود، منشأ گیاهی دارند و 12% داروها نیز از منابع میکروبی ساخته شده­ اند. پتانسیل تولید داروهای گیاهی در طبیعت بسیار بالاست. این گیاهان دارای ترکیبات ارزشمندی هستند که تحت عنوان متابولیت‌های ثانویه شناخته می‌شوند (1).

خشخاش در ایران باستان

بازار گیاهان دارویی در ایران و جهان

امروزه بسیاری از جوامع بشری به دنبال کسب درآمد و تجارت از طریق گیاهان دارویی حاوی متابولیت‌های ثانویه ارزشمند هستند. اما در این بین کشور ایران علی‌رغم داشتن تنوع عظیم گونه‌ای، متاسفانه نقش چندانی در این بازار جهانی ندارد.

بر طبق آمار ارائه شده توسط سازمان تجارت جهانی (ITC)، حجم کل صادرات گیاهان دارویی کشورهای جهان در سال 2004 میلادی برابر با 673462 تن بوده که در سال 2013 میلادی با 7/3 درصد افزایش به حدود 722465 تن رسیده است. از نظر مالی نیز، ارزش کل صادرات گیاهان دارویی کشورهای جهان از 60 میلیارد دلار به بیش از 100 میلیارد دلار افزایش یافته است و تخمین زده می شود که در سال 2050 این مبلغ به بیش از 500 میلیارد دلار برسد .با این وجو طبق آمار موجود، سهم ایران از این بازار در حدود 3 درصد و ارزشی بالغ بر 440 میلیارد دلار دارد (7). این در حالی است که به گفته رییس اتحادیه صادرکنندگان گیاهان دارویی، هر ساله این مقدار کم‌تر می‌شود و دلیل این امر نیز از دست دادن بازارهای خارجی می‌باشد.

بسیار جالب توجه است اگرچه ایران در سال 2014 بر اساس گزارشات رسمی یازدهمین کشور جهان پس از کشورهای چین، هند، آمریکا، ژاپن، آلمان، برزیل، کره جنوبی، انگلستان، فرانسه، ایتالیا در زمینه پژوهش و ارائه مقالات علمی در مورد گیاهان دارویی و فرآورده‌های آن قرار داشته، اما متأسفانه در بین کشورهای مطرح تولید‌کننده و صادرکننده گیاهان دارویی و فرآورده‌های آن جایی ندارد و در زمینه تجاری‌سازی محصولات خود توفیقی نداشته است (8).

 گیاهان دارویی

اما نکته جالب توجه دیگر در این خصوص، این است که از 422 هزار گونه گیاهی جهان حدود 8 هزار گونه آن در ایران وجود دارد که تعداد 1728 گونه به‌طور انحصاری فقط در ایران می‌روید. بر اساس آمار رسمی وزارت جهاد کشاورزی، سطح زیرکشت گیاهان دارویی 156 هزار و 339 هکتار و مجموع تولید آن‌ها 173 هزار و 605 تن بوده است. تخمین زده می‌شود، حدود 3500 تن از محصولات جنگلی و مرتعی در زمره گیاهان دارویی قرار داشته و به شکل وحشی و خودرو سالانه در ایران تولید می‌شود. در نتیجه، و با توجه به شواهد موجود، با مدیریت صحیح و عملی می‌توان قدم مناسب‌تری در افزایش سهم کشور ایران در تولید گیاهان دارویی و افزایش صادرات برداشت.

در ادامه، گزارشات مستندی از فرصت‌ها و مشکلات پیش رو برای تجارت گیاهان دارویی در ایران آورده شده است:

جمع بندی مقاله متابولیت‌های ثانویه

متابولیت‎های ثانویه ترکیبات بسیار ارزشمندی هستند که گیاهان در طی سالیان متمالی و از طریق انتخاب طبیعی، واکنش به شرایط محیطی، به دست آورده‌اند. این ترکیبات با آن‌که نقش کلیدی هم‌چون متابولیت‌های اولیه در رشد و نمو گیاه ندارد، اما همواره گیاهان برای سازگاری در محیط و یا تولید مثل و… به آنها نیاز دارند.

بدون شک گیاهان دارویی همواره یکی از منابع غنی از متابولیت‌های ارزشمند بوده‌اند. مطالعات باستان‌شناسی و تاریخی حاکی از آن است که بشریت در تمام دوران اهمیت ویژه‌ای به این ترکیبات ارزشمند قائل بوده‌اند. از سنگ‌نگاره‌های قدیمی در غارها، تا شواهد موجود از درمان بسیاری از بیماری‌ها در طب سنتی چین و ایران باستان، همه نشان از محبوبیت این گیاهان دارند. از طرفی در برخی از دوران تاریخی، ارزش این گیاهان به قدری زیاد بود که از آن‌ها در تجارت و معاوضه کالا به کالا استفاده می‌کردند.

کشور ایران دارای اقلیم متنوعی است، از این رو خاستگاه بسیاری از گیاهان دارویی است که بسیاری از آن‌ها دارای خواص و متابولیت‌های ارزشمند هستند. بنابراین، نیاز ضروری برای شناخت انواع متابولیت‎های ثانویه که در گیاهان تولید می‌شوند، و هم‌چنین نحوه مطالعه آن‌ها بسیار مهم و حیاتی است. در واقع، برای این‌که در بازار جهانی حرفی برای گفتن داشته باشیم و بتوانیم سهمی از این تجارت هنگفت داشته باشیم، می‌بایست به دنبال این دانش برویم.

در کشورمان محققان بسیاری در زمینه گیاهان دارویی، شناسایی متابولیت‎های ارزشمند در گونه‌های بومی، مهندسی مسیرهای بیوسنتزی به منظور افزایش مقدار تولید در گیاهان یا ریشه‌های موئین کار می‌کنند، که حمایت از این چنین قشری می‌تواند جایگاه ایران را در تولید و صادرات داروهای گیاهی بهبود بخشد. این امر تنها نیاز به کشف منابع عظیم کشور، جلوگیری از انقراض گونه‌های بومی، و در نهایت سرمایه‌گذاری مناسب بخش‌های خصوصی و دولتی در این بخش است.

منابع مقاله متابولیت‌های ثانویه

1قاسمی ع. 1390. گیاهان دارویی و معطر، شناخت و بررسی ثرات آنها. انتشارات دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرکرد. 541 صفحه.

2- Sumner et al., 2014 Modern plant metabolomics: advanced natural product gene discoveries, improved technologies, and future prospects
3- Karuppusamy, S. (2009). A review on trends in production of secondary metabolites from higher plants by in vitro tissue, organ and cell cultures. Journal of Medicinal Plants Research3(13), 1222-1239.
4- Vaillancourt, V. A., Larsen, S. D., Tanis, S. P., Burr, J. E., Connell, M. A., Cudahy, M. M., … & Robinson, D. D. (2001). Synthesis and biological activity of aminoguanidine and diaminoguanidine analogues of the antidiabetic/antiobesity agent 3-guanidinopropionic acid. Journal of medicinal chemistry44(8), 1231-1248.
5- Abedini, D., Monfared, S. R., & Abbasi, A. (2018). The effects of promoter variations of the N-Methylcanadine 1-Hydroxylase (CYP82Y1) gene on the noscapine production in opium poppy. Scientific reports8(1), 4973.
6- Vasisht, K., Sharma, N., & Karan, M. (2016). Current perspective in the international trade of medicinal plants material: an update. Current pharmaceutical design22(27), 4288-4336.
7- www.irna.ir
8- www.isna.ir
9- Kim, Hye Kyong, Young Hae Choi, and Robert Verpoorte. “NMR-based plant metabolomics: where do we stand, where do we go?.” Trends in biotechnology 29.6 (2011): 267-275.
10- Bohlmann, J. and Keeling, C.I. 2008. Terpenoid biomaterials. The Plant Journal, 54(4): 656-669.
11- American Association for Cancer Research , 2003
12- Gershenzon, J. and Kreis, W. 1999. Biochemistry of terpenoids: monoterpenes, sesquiterpenes, diterpenes, sterols, cardiac glycosides and steroid saponins. Biochemistry of plant secondary metabolism, 2: 222-299.
13- Tadeusz, A. 2007. Alkaloids-secrets of life. Alkaloid chemistry, biological ecological, applications and ecological role. Primera edición, Elservier, Netherlands: 1-2.
14- Nijveldt, R. J., Van Nood, E. L. S., Van Hoorn, D. E., Boelens, P. G., Van Norren, K., & Van Leeuwen, P. A. (2001). Flavonoids: a review of probable mechanisms of action and potential applications–. The American journal of clinical nutrition74(4), 418-425.
15- Seleem, D., Pardi, V., & Murata, R. M. (2017). Review of flavonoids: A diverse group of natural compounds with anti-Candida albicans activity in vitro. Archives of oral biology76, 76-83.
16- www.wikipedia.org
17- J. Goodman and V. Walsh, The story of taxol: nature and politics in the pursuit of an anti-cancer drug, Cambridge University Press, Cambridge, New York, 2001. L. H. Miller and X. Su, Cell, 2011, 146, 855–858.
18- Krug, Daniel, and Rolf Müller. “Secondary metabolomics: the impact of mass spectrometry-based approaches on the discovery and characterization of microbial natural products.” Natural product reports 31.6 (2014): 768-783.
19- Dunn, W. B. (2008). Current trends and future requirements for the mass spectrometric investigation of microbial, mammalian and plant metabolomes. Physical biology5(1), 011001.
20- Kusano, Miyako, et al. “Covering chemical diversity of genetically-modified tomatoes using metabolomics for objective substantial equivalence assessment.” PLoS One 6.2 (2011): e16989.
21- Sekiyama, Y., Chikayama, E., & Kikuchi, J. (2010). Profiling polar and semipolar plant metabolites throughout extraction processes using a combined solution-state and high-resolution magic angle spinning NMR approach. Analytical chemistry82(5), 1643-1652.
22- Kim, Hye Kyong, Young Hae Choi, and Robert Verpoorte. “NMR-based plant metabolomics: where do we stand, where do we go?.” Trends in biotechnology 29.6 (2011): 267-275.

برچسب‌ها:
این مقاله برای شما مفید بود؟
خیر 1 این مقاله برای 14 نفر مفید بوده است.
بازدید: 2027

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

× سـه = 24

دکمه بازگشت به بالا
بستن