Cтерины и стероиды.

Потребность в стеринах – одна из наиболее общих черт для всего животного мира. Особенно необходимым из всех стеринов является холестерин, который одновременно служит и строительным материалом для клеточных структур, и ключевым продуктом в биосинтезе ряда метаболитов. Наличие стеринов – признак высокой организации организмов, а организмы, способные развиваться в отсутствие стеринов (например бактерии) относятся к примитивным формам. Многие беспозвоночные, в частности насекомые, сами не могут синтезировать холестерин, поэтому им необходима пища, содержащая его. Отсюда вытекает исключительно важная роль холестерина, в том числе экологическая. Строение холестерина можно представить так:

СН₃

СН – СН₂ – СН₂ – СН₂ - СН

СН₃

СН₃

Но Холестерин

Структурной основой всех стеринов служит конденсированное тетрациклическое соединение (циклоалифатический спирт) строения:

Х

НО где Х - заместитель

Холестерин необходим для насекомых не только потому, что является биогенетическим предшественником экдизона, но и потому, что служит фактором роста. У разных видов членистоногих потребность в холестерине колеблется в пределах от 0,01 до 0,1% их общего пищевого рациона. Холестерин продуцируется растениями и в них содержится, хотя часто в мизерных количествах. Растительный холестерин не только участвует (вместе с другими стеринами) в построении клеточных мембран, но и является ключевым соединением в той части метаболизма растений, которая приводит к образованию стероидов. Холестерин - биогенетический предшественник фитоэкдизонов и таких известных стероидных гормонов, как прогестерон, эстрон и другие.

Было установлено, что развитие насекомых контролируется двумя антагонистическими гормональными системами: одна из них секретирует ювенильные гормоны (ЮГ), другая – гормоны линьки (экдизоны).

Ювенильный гормон (ЮГ) – соединение, останавливающее развитие насекомого на стадии личинки и способствующее диофференциации ее органов в ущерб развитию взрослых признаков (имагинальных).

Экдизоны же, это соединения, вызывающие линьку куколок, и приводящие ко всестороннему развитию органов взрослой особи (имаго). Поэтому экдизоны часто называют имагинальными гормонами.

Условную схему гормонального контроля у насекомых можно представить так:

Активационный гормон

ювенильный

гормон

экдизон

ювенильный гормон

В конце личиночного периода экдизона уже не уравновешивается действием ЮГ. Это и приводит к развитию имаго. Кроме того, экдизон индуцирует биосинтез белка, активируя синтез РНК-посредника.

У бабочки церконии был выделен ЮГ, являющийся метиловым эфиром эпоксифарнезиловой кислоты строения:

Кроме терпеноидной структуры весьма часто встречаются и другие органические соединения, обладающие ювеноидой активностью, например, ювабион строения:

Ювабион

Интересно, что ювабион содержится в древесине североамериканской пихты, это растительный ЮГ.

как у холестерина. Например, экдизон из бабочки Bombix mori (тутовый шелкопряд) имеет Экдизоны – очень сложные по строению органические соединения, но структурная основа их – такая же структуру:

Гормоны насекомых или их аналоги, обладающие такой же гормональной активностью, встречаются у многих растений. Предполагают, что растения выделяют экдизоны с целью защиты от насекомых. Поэтому биогенетическим предшественником экдизонов является холестерин. Многие ракообразные и насекомые, не способны биосинтезировать холестерин даже из ацетата холестерина. В этом случае за счет своих биосинтетических возможностей, они используют другой предшественник холестерина – находящиеся в растениях фитостерины.

Морское блюдце – первое животное, у которого обнаружено наличие двух параллельных способов получения холестерина – как путем полного синтеза, так и частичной деградацией фитостеринов.

Экдизоны образуются из холестерина, а холестерин либо путем биосинтеза из ацетата (как у брюхоногих), либо путем дезалкилирования фитостеринов (членистоногие).

У беспозвоночных стерины иногда встречаются в виде стероидов, однако, роль их до конца пока еще не ясна.

В растениях холестерин содержится в очень малых количествах. Стерины растений и носят название фитостеринов. Холестерин в больших количествах содержится только в пыльце сложноцветных и тополей. Растительные стерины (особенно холестерин) не только участвует в построении клеточных мембран, но и являются ключевыми продуктами при их метаболизме в стероиды. Холестерин растений является биогенетическим предшественником фитоэкдизонов и стероидных гормонов.

Практическое использование экдизонов и ювенильных гормнов – осуществление эффективного контроля численности (регуляции численности) насекомых, т.е. как средства защиты растений. Поэтому, ЮГ и экдизоны могут стать эффективным средством борьбы с насекомыми – вредителями. Однако, помимо высокой стоимости их производства, широкому применению в с/х препятствует их низкая устойчивость в природных условиях и краткий период активного действия на насекомых. Повысить устойчивость ЮГ можно синтезируя их искусственные аналоги. Так, американская фирма «ЗОЭКОН» производит литопрен .

Это очень активный и устойчивый в полевых условиях синтетический ЮГ, который широко используется для борьбы с болотным москитом и домашней мухой. Гораздо труднее преодолеть ограничение применения ЮГ, суть которого в том, что насекомые чувствительны к воздействию ЮГ лишь в короткий период метаморфоза – переход насекомого в имаго-взрослую особь. Незрелые и взрослые особи к воздействию ЮГ вообще не чувствительны. Здесь обнадеживающим является сообщение об обнаружении у растений соединений – антагонистов ЮГ. Так выделены соединения которые назвали хроменами.

Последние подавляют синтез ЮГ у яблоневой пестокрылки, колорадского жука и хлопкового красноклопа, что вызывает или прерывает диапаузу (в этом состоянии личинки, куколки или имаго переживают зиму, засуху и т. п.). Это, в свою очередь, приводит к появлению нежизнеспособных взрослых особей. Эти вещества, названные прекоценами (Precoceas – созревание раньше срока) синтетически вполне доступны и могут положить начало 4 поколению инсектицидов. Вероятно, многие из вас станут свидетелями появления и практического утверждения экологически безопасных прекоценовых инсектицидов.

Т Е М А 6.

Феромоны животных.

Для поддержания жизнеспособности популяций и обеспечения стабильных показателей ее воспроизводства большое значение имеет внутривидовая химическая коммуникация, которая осуществляется и регулируется с помощью феромонов. По определению известных экологов Петра Карлсона и Мартина Люппера (1959 год): «феромоны – органические вещества, вырабатываемые и выделяемые в окружающую среду живыми организмами и вызывающие специфическую ответную реакцию воспринимающих их особей одного и того же вида».

Сам термин происходит от соединения корней двух греческих слов («феро»- приносить, управлять, «ормон» – возбуждать, приводить в движение).

Более современным определением термина является такое: «феромоны - это комплексы (наборы) веществ или индивидуальные вещества, выделяемые организмами во внешнюю среду, несущие функцию передачи информации и часто вызывающие определенную реакцию (характерное поведение) либо ингибирующие те или иные формы поведения у воспринимающих особей одного и того же биологического вида».

Феромоны относятся к веществам внутривидового взаимодействия. Выполняют они следующие важные функции:

1. Поддержание жизнеспособности популяций;

б) Обеспечение стабильного воспроизводства.

Феромоны подразделяются на две больших группы по скорости ответной реакции на их действия: феромоны – релизеры и феромоны – праймеры.

Релизеры –вызывают немедленную ответную поведенческую реакцию у реципиентов.

Праймеры - вызывают длительные ответные физиологические эффекты (изменения) в воспринимающем их организме.

К феромоном – релизерам относятся половые, тревоги, следа и мечения территории.

К феромоном – праймерам относятся: общественные – это вещества, регулирующие принадлежность общественных насекомых к определенной «каоте», а так же половые – вещества, способные регулировать наступление половой зрелости или способные синхронизировать менструальные циклы у женщин и у самок млекопитающих.

Функционально все феромоны подразделяются на 6 больших групп:

а) Половые;

б) Тревоги;

в) Агрегационные;

г) Следа;

д) Метки;

е) Полифункциональные.

Половые феромоны – органические вещества, вызывающие привлечение половых партнеров, причем они действуют на молекулярном уровне. Половые феромоны обеспечивают в организме одну из важнейших функций – воспроизводство вида. Действие феромонов проявляется на расстоянии от нескольких сотен метров, но не километров, как считали ранее. Они могут находится в пространстве между половыми партнерами либо в виде пара (в воздухе), либо в виде раствора (в воде). Половые феромоны наиболее часто встречаются у насекомых, хотя известны случаи продуцирования феромонов млекопитающими и рыбами.

У насекомых средой – передатчиком феромонов является воздух, источником же служит специальная железа полового партнера (чаще у самки) количество выделяемого феромона – доли нанограмм. Но этого оказывается достаточно для формирования пахнущего облака, привлекающего самцов. Посредниками в передаче сигнала поведенческого характера служат антенны – усики, воспринимающие воздействие феромона (на углеродно-молекулярном уровне).

По физиологическому воздействию все половые феромоны подразделяют на две группы:

1. Аттрактанты (вещества способствующие спариванию самца и самки);

б) Афродизиаки (вещества, способствующие процессам подготовке самца и самки к спариванию).

Феромоны самцов очень часто являются именно афродизиаками, но иногда действуют и как аттрактанты для самок. Исторически первым, выделенным и изученным половым феромоном, является бомбикол (самки бабочки тутового шелкопряда). Шведу Бутенанду потребовалось для расшифровки этого феромона 20 лет (1941-1961гг.). Путем сложных, многостадийных операций ему удалось выделить 20 мг активного вещества из 0,5 миллиона самок.

По структуре бомбикол – это диеновый спирт (С₁₆) строения:

НОСН ₂ – (СН ₂) ₄ – СН = СН – СН = СН – СН ₂ – (СН ₂)₅ – СН ₃