Помочь
Помочь

Фуранокумарины борщевика и других зонтичных — расшифровка доклада Виктории Штратниковой

Почему же всё-таки борщевик жжётся? Что в нем жжётся и что можно с этим сделать? И нельзя ли это как-то использовать?

Автор — Штратникова В.Ю., ст.н.с., к.б.н. НИИ ФХБ им. А.Н. Белозерского, МГУ им. М.В. Ломоносова. В данной заметке расшифровка доклада в «формате стенограммы» с небольшими правками.
Запись доклада доступна здесь Благодарим Надежду Озерову за помощь в ведении встречи и создание записей докладов!

Основные вопросы:

Что такое фуранокумарины?

Что в нем жжётся — это известно уже очень давно. Вещества называются фуранокумарины — химически одно ядро, состоящее из трех колец.

В растениях семейства Зонтичные встречаются две группы фуранокумаринов: линейные (группа псоралена) и угловые (группы ангелицина, они же группы изо-псоралена). Возможны и другие варианты, но встречаются в крайне редких случаях.

В семействе Зонтичных эти вещества могут встречаться далеко не только у борщевика Сосновского (БС). Вообще говоря, встречаются у очень большого количества Зонтичных. 400 разных видов структур!

История исследований

Самые первые фуранокумарины открыли еще очень давно. Как и везде в химии, самыми первыми были немцы. Они открыли их в 1830-х годах, затем 100 лет изучали. В 1930-х вместе с развитием химии к ним присоединились и японцы. А после войны пошел очень мощный пик исследования фуранокумаринов. Затем появились методы ЯМР (ядерный магнитный резонанс) и все дружно бросились изучать и синтезировать новые структуры.

Примерно 1/4 всех исследований велось в СССР. Но найти эти данные — это похоже на «научную археологию». Огромное количество исследований находится в журналах 1950-60-х годов, нигде не представлены и, разумеется, не оцифрованы. Найти можно разве что в библиотеках.

У нас этим занимались в ВИЛАРе, но там уже ничего не помнят про эти исследования. Много занимались в Ботаническом институте Комарова (БИН РАН) — там сохранилась лаборатория и есть сотрудники, которые помнят эти исследования. Единственное место в России, где сохранилось! Сейчас ведутся некоторые исследования в Новосибирске, были публикации в Мордовии, пожалуй, всё… После 1990-х годов исследования фуранокумаринов в нашей стране практически прекратились.

Изучали в республиках. Сейчас Узбекистан вместе с японцами изредка публикуется. Пожалуй, это всё.

Изучали везде, где есть зонтичные и цитрусовые. Рутовые: апельсины, мандарины, лемоны, помело и т.д.

Получается, что обжечься можно не только борщевиком Сосновского, но и также апельсиновой кожурой.

В исследованиях фуранокумаринов сейчас лидирует Китай. Они набросились на растения традиционной китайской медицины (дудники, дягиль) и больше всего исследуют их. По большей части исследования сосредоточены на фармацевтике. Какие вещества могут оказаться полезными в медицине — те исследуют.

Вопрос: «А как определяют будут ли они полезны в медицине или нет? Как это можно изначально понять без исследования?»

— Без исследования это нельзя понять никак. Их проверяют будут ли полезны. А если будут, то как именно. Существует ряд структур, про которые что-то известно. Их продолжают постепенно открывать и пробуют на разных объектах (клетки, бактерии, грибы, мыши и т.п.).

Растения, в которых содержатся фуранокумарины

Русские названия некоторых родов

На этом слайде можно видеть большое количество различных родов, видов, в которых обнаружены фуранокумарины. Много в дуднике, дягиле, сельдерей, в петрушке, кориандр… Известны случаи ожогов кожи. В различных видах рода Борщевик — самый большой род, в базе около 72 видов, в которых обнаружены фуранокумарины. Они есть в б. Стевена, б. лигустиколистный, б. пушистый… Несмотря на перестановку систематики, когда-то какие-то фуранокумарины обнаружены были. Т.е. все борщевики теоретически могут жечься. Вопрос лишь в том сколько в них этих фуранокумаринов и возможно зависит от размера исходного борщевика. Если сибирский очень маленький, то практически не жжется, если он вырос большой (до состояния «дерева»), то он тоже может быть опасен.

Возникает вопрос: «Есть ли ф. в морковке?»

— Вопрос интересует всех. Регулярно поднимался, регулярно закрывался. То находят ф, то не находят. Сошлись на том, что «они там наверное есть и очень точным инструментами их можно выявить. Но их настолько мало, что они никак не сказываются на пищевых свойствах»

Биосинтез фуранокумаринов

Зачем нам нужна генетика борщевика? — Нужна в том числе, чтобы разобраться, в том числе, с процессом синтеза ф.
Как именно они синтезируются? В три этапа. Сначала синтезируется умбеллиферон. Общий двухкольцевой предшественник.

Затем тем или иным образом присоединяется фурановое кольцо и уже потом на эти структуры навешиваются самые разнообразные «украшения» (радикалы). Украшения могут быть очень разнообразным, штук по 10. Но это, скорее, беседы с химиками.

Первая стадия — синтез умбеллиферона — очень известная. Это стандартный путь вторичного метаболизма в растениях. Он называется шикиматный путь. Все его ферменты широко известны и где только ни встречаются, записаны во все базы данных.

Второй этап, когда к двум кольцам присоединяется фурановое кольцо. Сначала присоединяется сначала присоединяется пятиуглеродная цепочка атомов, которая затем замыкается. Здесь тоже работают предположительно 3 или 4 фермента и с ними уже посложнее. Достаточно хорошо известны ферменты первого этапа и последнего этапа. Что между ними — практически неизвестно! За 50 лет (!), с тех пор как ее постулировали биохимики (с 1970-х) никто ничего нового про них не сказал. Два года назад открыли какую-то мармезин-синтетазу. Открыли ее в фикусе, а вовсе даже не в зонтичных. Эта стадия остается неизвестной…

И наконец, третья стадия. Самая сложная, поэтому не будем в нее вникать. Просто полюбуемся 🙂 К базовому скелету присоединяются те или иные элементы. Известны буквально единичные ферменты у каких-то отдельно взятых растений. Общая картина синтеза, покрывающая всё многообразие более, чем 400 структур, остаётся неизвестной.

Зачем нужны фуранокумарины в растениях?

На этот вопрос можно отвечать двумя способами: «Зачем они нужны самому растению? И зачем они могут пригодиться человеку?»

Растениям фуранокумарины нужны для защиты. Основное свойство — фототоксичность. Нарушают структуру ДНК. Вероятно, благодаря этому они защищаются от насекомых. Например, на H. lanatum хуже развиваются специализированные бабочки. В Америке был проект по изучению коэволюции — чем ядовитее становится борщевик, чем устойчивее становятся к нему эти бабочки. Фуранокумарины могут защищать растения от разных микробов, в том числе от инфицирования грибами.

Фуранокумарины проявляют свои фототоксические свойства под действием излучения — ультрафиолета солнечных лучей. Иначе они не работают!

Под действием излучения связываются с ДНК. При этом нарушаются процессы репликации, репарации. ДНК портится! Вряд ли ожоги возникают вследствие этого. Скорее всего, другим способом — фуранокумарины переходят в возбужденное состояние и это приводит к накоплению активных форм кислорода. Активные формы кислорода — это ядовитые вещества, которые повреждают клеточные мембраны и вызывают разрушение клеток… Нарушение структуры ДНК может приводить к развитию опухолей.

Фармацевтические свойства фуранокумаринов

Яды в небольших концентрациях могут быть и лекарствами. Как лекарства их пытались использовать примерно столько же, сколько они были известны. Первые публикации по лечебным свойствам ксантотоксин появились в 1948 в Египте. Используют при лечении кожных заболеваний. Фуранокумарины стимулируют развитие меланоцитов (клетки обеспечивающие загар и потемнение кожи). Применяют при лечении витилиго.

Избирательно действуют на клетки кожи и используются также при лечении псориаза. Официально, правда, только один из ф. — ксантотоксин (он же метоксален) — зарегистрирован в FDA как лекарственное средство. В РФ только патентовали, в реестр лекарственных веществ не входит.

Всячески пытаются использовать для лечения опухолевых процессов. Особенно широко исследуют бергаптен, начали еще 20 лет назад. Кроме того, имеют побочные эффекты (фототоксичность и, как не печально, канцерогенность). Т.е. одну болезнь вылечивает, но показано, что лечение псораленом через 20-30 лет может вызвать рак кожи.

Поэтому пытаются исследовать не только линейные, но и угловые ф., потому что они не обладают таким свойством как фототоксичность. Но зато убивают раковые клетки.

Очень много исследований проводили на бактериях. Просто потому что они простые — фактически, полить культуры бактерий и посмотреть дохнут или нет ))
Показано против бактерий, грибов, одноклеточных.

Смотрели и против вирусов. Некоторые подавляют репликацию вирусов.

Размышляют — нельзя ли их использовать для лечения нейродегенеративных заболеваний — Паркинсона и Альцгеймера? Потому что ф. блокируют холинэстеразу, которая вызывает недостаток холинэстеразы в мозге. Пока еще на уровне исследований на мышах.

Некоторые ф. проявляют анти-остеопорозные свойства. Они положительно влияют при остеоартритах. Вообще показано, что на эстроген-зависимые клетки могут влиять.

Антивоспалительные.

Могут действовать не только как стимуляторы активных форм кислорода, но и как антиоксиданты.

Корейские учёные изучают косметические свойства фуранокумаринов. Есть те, которые обеспечивают эффект загара, а есть и те, которые действуют в обратном порядке. Они отбеливают кожу! Правда, есть опасность, что какие-то из них будут фототоксичными. Поэтому в Европе запрещено добавлять ф. в косметические кремы. Но в Корее патентуют (те, которые считают безопасными).

Фуранокумарины борщевика Сосновского

Борщевик Сосновского содержит не менее 10 веществ с той или иной фармакологической активностью.

В стадию клинических исследований прошли далеко не все из них. Максимум бергаптен с ксантотоксином и псорален. Как лекарство зарегистрировано пока только одно. Изучаются не так давно (около 20 лет) и большей частью в Китае.

Перспективы и связь с изучением генетики борщевиков

  • Кандидатные гены. Зачем это нужно — следующий вопрос ))
  • Ведём поиск генов синтеза фуранокумаринов.
  • Подтвердили присутствие псорален-синтазы. Как его вырубить и надо ли — следующий вопрос. Пока только нашли.
  • Также собираем информацию, в каких ещё растениях есть фуранокумарины. Это может помочь в будущем для выяснения их генетики и метаболомики.
  • Интересный вопрос — где еще есть ф. Для того, чтобы разобраться в генетике других видов.

Вопросы-ответы (в процессе наполнения)

Как максимально коротко описать механизм возникновения ожога?

— Фотохимический ожог. Скорее всего, активные формы кислорода и перекисное окисление липидов. Нарушения работы ДНК так быстро проявиться вряд ли могут.

Почему в каких-то случаях есть ожоги, а в других нет?

— Очень многие зависит от индивидуальной чувствительности. Некоторые люди могут работать с БС даже без защиты. Некоторым достаточно просто пройти рядом и появляются ожоги.

Какие механизмы задействуются при применении ф. внутрь как лекарственный препарат?

— Явно не может быть связано с возбуждением от излучения и фототоксичностью. Связано с прочими химическими реакциями и сигнальными эффектами. Сложный вопрос. Фитотоксичность, например, имеет очень сложные схемы. Блокирует фосфатидил-инозитол-пирофосфаткиназу — попробуйте выговорить ))

Каким образом сам борщевик не страдает от фуранокумаринов?

— Известно где находятся ф. — в основном, в волосках (трихомах). Механическое разделение — либо секреторное вместилище (внутри канальцев), либо трихомы. Именно поэтому считается, что ф. имеют защитную роль, т.к. не встречаются внутри клеток.

Свойства сохраняются без освещения?

— Сложный вопрос. Зависит от индивидуальных свойств организма. Скорее всего, ничего не будет, если вы перед этим не подвергались воздействию солнечного излучения. Клинические исследования затруднены и связаны с этическими проблемами.

Участки тёмной кожи (с накоплением меланина) менее подвержены ожогам или нет?

— Необходимы дополнительные исследования, пока таких данных нет. Связь с загаром еще надо подтвердить. Из общих соображений должно быть так.

Мария Логачева: «Все образцы для нашей геномной работы я собирала голыми руками. Т.е. у меня были перчатки, но они немедленно порвались и потом продолжала без них. Помню, был яркий день, 27 июня и совершенно без каких-то последствий. И я знаю еще несколько таких людей. И наоборот, знаю людей с очень высокой чувствительностью. Было бы интересно изучить, например, собрать две группы, но опять же — это не очень этично»

Фуранокумарины сразу присутствуют в растении или появляются на определенной стадии роста? В маленьком борщевике до цветения тоже присутствуют фуранокумарины?

— Я писала заявку на грант по этой теме (но пока тема не была поддержана). Мы хотим это вопрос выяснить: «На каком этапе начинают синтезироваться ферменты, которые будут отвечать за синтез фуранокумаринов?»

Есть одна польская публикация, которая показывает содержание ф. в молодом борщевике. Но понятие «маленький» не очень регламентировано ))
[прим. — пока данные говорят о том, что даже в совсем маленьком борщевике Сосновского тоже есть фуранокумарины]

Иван Чадин: «Для практических целей надо знать, что в любом возрасте, в любой фазе развития фуранокумаринов достаточно для получения ожогов».

Можно ли как-то обезопасить биомассу БС? Можно ли вещества изъять?

— Пока четкого ответа у меня нет. Надо искать в работах 1960-70-х годов. Были исследования по поводу содержания ф. в силосе, кажется, они закончились спором. В 1990-х тему ф. в нашей стране забросили. Китайцы сейчас занимаются очень активно.

Ф. содержаться ли в корнях борщевика или только в зеленой части?

— В корнях тоже есть.

Есть публикации о химическом подавлении БС других растений (аллелопатия). Есть ли в этом вклад ф. или какие-то другие вещества?

— Думаю, что нет. На самом деле, БС нужно очень много воды. В сухих регионах БС не растет. Чем севернее, тем больше встречается. Скорее всего, вытесняет другие растения за счет стандартных физиологических веществ и процессов. Затеняет всё вокруг, также высасывает воду (и очень сильно). Если вы лишите света и воды, то БС не будет.

Могут ли концентрации меняться от внешних воздействий? Например, возрастать при механических повреждениях?

— Да, есть статьи, где при стрессах, повреждениях количество ф. возрастало. Есть данные, полученные на культурах клеток, где их обрабатывали различными элиситорами (грибными, например) и видели увеличения количества ф.

Добавление от Надежды Озеровой: «В силосе есть фурокумарины! Это показали исследования 1960х гг. Был спор, но этот вопрос быстро прояснился. Буквально за пару лет. Опыты показывали, что силос из БС не опасен. Годичное кормление скота не сказывалось на физиологическом состоянии животных.»

Есть наблюдение из сельской местности. Мы длительное время пасли коров. Но почему-то для них мы не увидели негативных последствий. С чем это связано?

— Для скота, возможно, и нет ярких негативных последствий (прим. — нужно искать работы по принципу «научной археологии»). Но выяснилось, что ф. попадают в молоко коров, что затем может негативно отразиться на здоровье людей.

Также вы можете задать вопрос Виктории Штратниковой напрямую:
vtosha@yandex.ru +7 903 524 5730 (Телеграм), ВК https://vk.com/vtosha