Цианогенные гликозиды

Цианогенные гликозиды — это группа природных органических соединений, производных сахаров (гликозидов), которые при гидролизе выделяют синильную кислоту (циановодород, HCN). Они относятся к вторичным метаболитам растений и выполняют защитную функцию, отпугивая или отравляя травоядных животных и насекомых. Цианогенные гликозиды содержатся в сотнях видов растений, включая многие сельскохозяйственные культуры, и представляют потенциальную опасность для человека и скота при неправильной обработке или употреблении в больших количествах.

Химическая структура и свойства

Цианогенные гликозиды состоят из двух основных компонентов: сахарного остатка (обычно глюкозы, реже — рамнозы, генциобиозы или других дисахаридов) и агликона — несахарной части, содержащей цианогруппу (CN). Агликон, как правило, представляет собой α-гидроксинитрил (циангидрин), который образуется из альдегида или кетона и синильной кислоты. Связь между сахаром и агликоном является гликозидной.

Ключевое свойство цианогенных гликозидов — их стабильность в интактном растительном материале. Они не токсичны сами по себе, так как цианогруппа заблокирована. Токсичность проявляется только после гидролиза, который происходит при повреждении тканей растения (например, при жевании, заморозке, механическом раздавливании или ферментации). Гидролиз катализируется ферментами β-гликозидазами, которые находятся в клетках растения, но пространственно отделены от гликозидов (например, в разных клеточных компартментах или вакуолях). При разрушении клеток ферменты вступают в контакт с субстратом, расщепляют гликозидную связь, и высвобождается нестабильный α-гидроксинитрил. Затем этот интермедиат спонтанно или под действием фермента гидроксинитрил-лиазы разлагается на альдегид или кетон и синильную кислоту.

Основные представители

Наиболее известные и изученные цианогенные гликозиды включают:

• Амигдалин — содержится в косточках горького миндаля, абрикосов, персиков, слив, яблок (семена). Является дигликозидом (содержит генциобиозу).
• Лимарин — основной гликозид маниоки (кассавы), а также некоторых видов фасоли (Phaseolus lunatus).
• Дуррин — содержится в сорго (Sorghum bicolor).
• Пруназин — встречается в косточках вишни, черешни, лавровишни, а также в некоторых видах черёмухи.
• Лотаустралин — обнаружен в клевере (Trifolium repens) и некоторых других бобовых.

Биосинтез и биологическая роль

Биосинтез цианогенных гликозидов в растениях происходит из аминокислот. Основными предшественниками являются аминокислоты с разветвлённой цепью (валин, лейцин, изолейцин), ароматические аминокислоты (фенилаланин, тирозин) и алифатические аминокислоты (например, норлейцин). Процесс включает несколько этапов: N-гидроксилирование, декарбоксилирование, окисление до альдоксима, дегидратацию до нитрила и, наконец, гликозилирование.

Биологическая роль цианогенных гликозидов — преимущественно защитная. Выделение синильной кислоты при повреждении тканей создаёт токсичную среду для большинства травоядных животных, насекомых и патогенных микроорганизмов. Синильная кислота является мощным ингибитором клеточного дыхания, блокируя цитохром-с-оксидазу (комплекс IV) в митохондриальной электрон-транспортной цепи, что приводит к быстрой гибели клеток. Однако некоторые виды животных (например, некоторые насекомые, специализирующиеся на питании цианогенными растениями) выработали механизмы детоксикации (например, фермент роданазу, превращающий цианид в тиоцианат).

Распространение в природе

Цианогенные гликозиды обнаружены более чем в 2500 видах растений, относящихся к 130 семействам. Наиболее богаты ими представители семейств Розовые (Rosaceae), Бобовые (Fabaceae), Злаковые (Poaceae), Молочайные (Euphorbiaceae), Льновые (Linaceae) и Астровые (Asteraceae). Среди культурных растений, содержащих значительные количества этих соединений, выделяются:

• Маниока (кассава) — основной источник углеводов для миллионов людей в тропических странах. Содержит лимарин и лотаустралин. Сладкие сорта маниоки имеют низкое содержание гликозидов, горькие — высокое, требующее обязательной обработки.
• Сорго — зерновая и кормовая культура. Содержит дуррин. Особенно опасно молодое сорго, используемое на корм скоту.
• Бобы лимы (фасоль лимская) — содержат лимарин. Сорта с белыми семенами обычно менее токсичны, чем цветные.
• Горький миндаль — содержит амигдалин в концентрации до 4-5% от сухой массы. Сладкий миндаль, напротив, практически лишён цианогенных гликозидов.
• Косточковые плоды (абрикос, персик, слива, вишня) — семена (ядра) содержат амигдалин. Мякоть плодов, как правило, безопасна.
• Лён — семена льна содержат линамарин (цианогенный гликозид, производный валина).
• Маниок — листья и корнеплоды.

Токсикология

Токсичность цианогенных гликозидов обусловлена количеством синильной кислоты, которое может высвободиться при их гидролизе. Смертельная доза HCN для человека составляет примерно 0,5–3,5 мг на килограмм массы тела (в зависимости от возраста, состояния здоровья и скорости метаболизма). Для взрослого человека это эквивалентно примерно 50–100 мг HCN.

Симптомы отравления

Симптомы острого отравления цианогенными гликозидами развиваются быстро (от нескольких минут до нескольких часов после употребления) и включают:

• Головокружение, головную боль, тошноту, рвоту, боли в животе.
• Учащённое сердцебиение (тахикардию), сменяющееся замедлением (брадикардией).
• Одышку, чувство удушья, расширение зрачков.
• Судороги, потерю сознания, кому.
• Смерть наступает от паралича дыхательного центра.

Хроническое отравление малыми дозами цианидов (например, при длительном употреблении плохо обработанной маниоки) может привести к развитию конзо — нейродегенеративного заболевания, характеризующегося спастическим параличом ног, атаксией и нарушениями зрения. Это заболевание распространено в некоторых регионах Африки, где маниока является основным продуктом питания.

Детоксикация

Организм человека и животных обладает механизмами детоксикации цианидов. Основной путь — ферментативное превращение цианида в тиоцианат (менее токсичное соединение) с помощью фермента роданазы (тиосульфат-цианид-сульфотрансферазы), который использует серу из тиосульфата или других доноров. Другой путь — связывание цианида с гидроксикобаламином (витамин B12a) с образованием цианокобаламина (витамин B12), который выводится с мочой. Небольшая часть цианида может окисляться до цианата или выводиться в неизменённом виде с выдыхаемым воздухом.

Применение и обработка

Несмотря на токсичность, многие цианогенные растения являются важными продуктами питания. Для безопасного употребления необходима правильная обработка, направленная на удаление или инактивацию цианогенных гликозидов и ферментов, их расщепляющих. Основные методы:

• Вымачивание — в воде, часто с последующей ферментацией. Используется для маниоки, семян льна.
• Термическая обработка — варка, жарка, запекание. Высокая температура разрушает β-гликозидазы, предотвращая гидролиз гликозидов. Однако сами гликозиды могут оставаться в продукте, поэтому при употреблении большого количества термически обработанного продукта может произойти гидролиз в кишечнике под действием бактериальной микрофлоры.
• Измельчение и сушка — механическое разрушение клеток способствует контакту ферментов с гликозидами и выделению HCN, которая улетучивается. Этот метод применяется при производстве муки из маниоки.
• Ферментация — в процессе ферментации (например, при производстве кассавовой муки «гари») происходит активный гидролиз гликозидов и улетучивание HCN.

В медицине цианогенные гликозиды (например, амигдалин) исторически использовались в качестве противораковых средств (так называемая «витаминотерапия» B17), однако клинические исследования не подтвердили их эффективность, а применение сопряжено с риском тяжёлых отравлений. В настоящее время амигдалин и его производные не рекомендованы к применению в официальной медицине.

Значение в сельском хозяйстве

Цианогенные гликозиды играют важную роль в защите растений от вредителей. Высокое содержание этих соединений в кормовых культурах (например, в сорго) может приводить к отравлению скота, особенно при выпасе на молодых растениях или при засухе, когда концентрация гликозидов повышается. Селекционеры стремятся выводить сорта культурных растений с пониженным содержанием цианогенных гликозидов (например, сладкие сорта маниоки, сорго с низким содержанием дуррина), сохраняя при этом защитные свойства от вредителей.

Интересные факты

• В семенах яблок содержится амигдалин, но его количество настолько мало, что для смертельного отравления взрослому человеку потребуется съесть несколько сотен ядер.
• Горький миндаль, содержащий высокие концентрации амигдалина, запрещён к продаже в сыром виде во многих странах, включая Россию, из-за риска отравления.
• В некоторых культурах (например, в Западной Африке) из маниоки производят традиционный напиток «гари», который проходит длительную ферментацию, обеспечивающую полное удаление цианидов.
• Цианогенные гликозиды могут использоваться в качестве биологических инсектицидов, так как их выделение при повреждении растений отпугивает многих насекомых.

Источники

• Conn, E. E. (1980). Cyanogenic glycosides. In Secondary Plant Products (pp. 461-492). Springer, Berlin, Heidelberg.
• Poulton, J. E. (1990). Cyanogenesis in plants. Plant Physiology, 94(2), 401-405.
• Vetter, J. (2000). Plant cyanogenic glycosides. Toxicon, 38(1), 11-36.
• Barceloux, D. G. (2008). Medical toxicology of natural substances: foods, fungi, medicinal herbs, plants, and venomous animals. John Wiley & Sons.
• Gleadow, R. M., & Møller, B. L. (2014). Cyanogenic glycosides: synthesis, physiology, and phenotypic plasticity. Annual Review of Plant Biology, 65, 155-185.