Антоцианы что это и для чего
Антоцианы (Е163)
Натуральный природный краситель Е163 или антоциан широко применяется в настоящее время в пищевой промышленности при производстве различных продуктов питания. Это вещество относится к группе антоцианов, в которую входят различного цвета пигменты, содержащиеся в клетках растений.
В переводе с греческого, антоциан – синий цветок. В естественной среде он используется для привлечения насекомых, тем самым способствуя опылению цветов. Он придает насыщенный яркий оттенок растениям, защищает их от ультрафиолетового излучения и повышенной солнечной активности.
Вредна или полезна такая натуральная добавка? Чем обернется использование красителя Е163 для организма человека? Эти и другие вопросы рассмотрим в следующей статье.
Описание внешнего вида вещества и его свойства
Другими наименованиями данного вещества являются: энокраситель, enociania, anthocyane, grape skin extract, anthocyanins, eno и другие. Это красители натурального растительного происхождения, которые содержатся в клетках различных растений. Самыми распространенными представителями, в которых содержится наибольшее количество антоцианов являются: шиповник, клубника, красный виноград, черноплодная рябина, черника, черная смородина, бузина, вишня, краснокочанная капуста.
Добывают такие вещества из растений с помощью процесса экстракции, растворителями для которой могут быть слегка подкисленная или сульфитированная вода, диоксид углерода, метанол или этиловый спирт. Часто в таких соединениях встречаются различные примеси, такие как танины, сахар, компоненты сырья и минеральные вещества.
Внешний вид красителя довольно разнообразен. Он может быть как в жидкой, так и в пастообразной и даже порошкообразной форме. Добавка Е103 обладает характерным специфическим ароматом, а также различной вариацией оттенков красного, синего, фиолетового и даже зеленого цвета. Интенсивность этих оттенков зависит от уровня кислотности определенной среды.
Такие вещества очень хорошо растворяются в воде и практически не растворимы в этиловом спирте.
Использование пищевой добавки Е103 в различных сферах
Чаще всего используют данный натуральный краситель для окрашивания вина, кондитерских изделий, безалкогольных напитков и различных соусов. Также применяют его для придания цвета продуктам из фруктов, подвергающихся различной обработке, майонеза и некоторых сортов сыра.
Для окрашивания молока и кисломолочной продукции этот краситель не применяется, так как из-за кислотности среды в них он становится синим, а не красным.
Очень распространено использование данного красителя в фармацевтической отрасли. С его помощью окрашивают различные биологически активные добавки, витаминные комплексы.
Применяют Е103 и в качестве лекарственных препаратов, предназначенных для общего укрепления организма, в составе которых имеются антиоксиданты. Также они в значительной степени снижают риски возникновения онкологических заболеваний и используются в качестве добавок и антиоксидантов в противораковых медикаментозных препаратов.
Очень большую популярность снискало такое вещество в косметологической промышленности.
Косметические крема, маски и другие средства богаты антоцианами, заботящимися о молодости, эластичности и красоте кожи.
Также применяется такой краситель для окрашивания органических солнечных батарей, благодаря тому, что антоцианы обладают способностью поглощать световые волны и преобразовывать их в электроны.
Полезные и опасные для человека свойства антоцианов
Исследования в этой области не прекращаются по сей день. Их изучение имеет высоко обнадеживающие, положительные результаты. В Соединенных Штатах Америки ряд опытов, проведенных над антоцианами показали, что такие вещества значительно снижают риски возникновения онкологических заболеваний тонкой кишки и пищевода.
С 2007 года испытания антоцианов проводятся и на людях. Благодаря этому стало известно, что наиболее полезна для достижения наилучшего терапевтического эффекта сублимированная сушка плодов и ягод. В них содержится намного большая концентрация антиоксидантов, чем в свежих вариантах.
Антоцианы – весьма полезное для здоровья человека вещество. Они способствуют выводу из организма свободных радикалов и опасных токсинов, препятствуют воздействию ультрафиолетового излучения, используются в качестве профилактики возникновения и развития онкологических опухолей. Такая пищевая добавка является компонентом различных лекарственных препаратов, использующихся в комплексном лечении бактериальных инфекций, неврологических заболеваний, глазных болезней: катаракты и глаукомы.
Очень хорошо зарекомендовал себя при лечении сахарного диабета, способствует значительному уменьшению его возможных последствий.
Нехватка веществ в антиоксидантными свойствам проявляется:
Для того, чтобы избежать таких состояний необходимо употребление в пищу продуктов, содержащих повышенное количество антоцианов. Но даже те продукты, в составе которых содержится пищевая добавка Е103 могут принести пользу. Поэтому не стоит их пугаться.
Неприятности могут произойти лишь с теми людьми, которые весьма чувствительны к таким веществам. Максимально разрешенной суточной дозой антоцианов является 2,5 миллиграмма на каждый килограмм веса.
Такая пищевая добавка повсеместно разрешена к производству и применению, в том числе в Российской Федерации и в европейских странах.
Подводя итоги
Антоцианы – это широко распространенная натуральная пищевая добавка, обладающая высокими антиоксидантными свойствами. Маркируется на продуктах питания знаком Е103.
Но нахождение такого значка на упаковках не должно пугать потребителя, потому как такое вещество абсолютно безвредно.
Более того, такой краситель приносит пользу организму и положительно влияет на здоровье человека. Самым главным его качеством является профилактика возникновения и развития злокачественных опухолей. Помимо этого, антоцианы обладают еще рядом положительных качеств, что делает его популярным не только в пищевой промышленности, а также в области медицины и косметологии.
Антоцианы
Антоцианы – группа водорастворимых пигментов, которые окрашивают фрукты и овощи в яркие тона (фиолетовый, красный, жёлтый, синий).
Природные красители сконцентрированы в генеративных органах растений (пыльце, цветках), вегетативных частях (листьях, корнях, побегах), плодах, семенах. Их количество в продукте зависит от энергии фотосинтеза и особенностей климата.
Для поддержания здоровья взрослому человеку нужно принимать 15 миллиграмм данных веществ в сутки, а в период болезни – 30 миллиграмм.
Потребность в природных пигментах возрастает при:
Однако, из–за высокой биологической активности пигментов, увеличивать дневную дозировку вещества целесообразно только под наблюдением врача.
Антоцианы не накапливаются в организме, быстро выводятся, поэтому нужно следить за количеством и регулярностью их приема. По биологическим эффектам они похожи на витамин Р: оказывают противоотечное, бактерицидное действия, укрепляют стенки капилляров, восстанавливают отток внутриглазной жидкости, улучшают строение соединительной ткани (волокон и клеток).
Общие сведения
Первые опыты по исследованию антоцианов провёл английский биохимик Роберт Бойль в 1664 году. Учёный обнаружил, что под воздействием щелочи синий окрас лепестков василька изменился на зелёный, а под влиянием кислоты цветок покраснел. Дальнейшее изучение свойств пигментов (способности изменять оттенок), привело к «прорыву» в области биохимии, поскольку помогло учёным XVII века идентифицировать химические реагенты.
Неоценимый вклад в изучение антоциановых соединений внес профессор Рихард Вильштеттер, который впервые выделил из растений пигменты в чистом виде. На сегодняшний день биохимики экстрагировали более 70 природных красителей, основными предшественниками которых являются следующие агликоны: цианидин, пеларгонидин, дельфинидин, мальвидин, пеонидин, петунидин. Интересно, что гликозиды первого типа окрашивают растения в пурпурно – красный цвет, второго – в красно – оранжевый тон, третьего – в голубой или синий оттенок.
Количественный состав антоцианов в продукте зависит от условий произрастания и сортовых особенностей растения (значения рН в вакуолях, где накапливается пигмент). При этом, один и тот же пигмент, из–за изменения кислотности клеточной жидкости, может приобретать различный оттенок. При скоплении красителей в щелочной среде растение «получает» жёлто-зелёный окрас, в нейтральной – фиолетовый, в кислой – красный.
В каких продуктах присутствуют антоцианы?
Природные красители содержатся в растениях и защищают их от вредоносного излучения, ускоряют процесс фотосинтеза, преобразуя свет в энергию.
Лидерами по количеству таких гликозидов являются ягоды тёмно – фиолетовой и бордовой окраски: черника, ежевика, голубика, черноплодная рябина, ирга, бузина, клюква, чёрная смородина, вишня, малина, виноград (тёмных сортов). Антоцианами богаты баклажаны, свёкла, помидоры, краснокочанная капуста, красный перец, салат листовой (краснолистный). Кроме того, гликозиды в малых количествах содержатся в «светлых» растениях: картофеле, горохе, грушах, бананах, яблоках.
Интересно, что накоплению природного «красителя» в плодах способствуют низкие температуры и интенсивное освещение. Поэтому, неслучайно максимальные концентрации антоцианов содержат северные и альпийские луговые растения.
Полезные свойства
Антоцианы обладают широким спектром биологической активности.
В организме человека соединения проявляют следующие свойства:
Учитывая, что антоцианы в организме не синтезируются, для профилактики функциональных расстройств важно потреблять не менее 15 миллиграмм соединения в день. Для этого пищевой рацион обогащают «цветными» продуктами питания.
Функции, выполняемые антоцианами:
Лечебное применение
Показания к использованию природных пигментов в повышенном количестве (до 500 миллиграмм в день):
Интересно, что олигомерные проантоцианиды (процианидины) по антиоксидантным свойствам в 50 раз «сильнее» витамина Е, и в 20 раз превосходят аскорбиновую кислоту.
Препараты с антоцианами
Нехватка гликозидов в организме человека вызывает нервное истощение, депрессию, упадок сил, снижение иммунитета. Для поддержания здоровья и улучшения самочувствия диетологи рекомендуют включить в ежедневный рацион антоцианы. Соединения защищают внутренние органы от неблагоприятного влияния окружающей среды, снижают психологическое напряжение, положительно влияют на организм в целом. Не бойтесь получить передозировку от гликозидов, в медицинской практике признаков избытка соединения не зафиксировано.
Многообразие полезных свойств антоцианов обуславливает их применение в фармакологических препаратах и биологически активных комплексах (БАДах).
Рассмотрим некоторые из них:
Препараты, содержащие антоцианы противопоказаны людям с гиперчувствительностью к данным компонентам. Кроме того, с осторожностью их применяют в период беременности и кормления грудью, только под контролем лечащего врача.
Вывод
Антоцианы – группа природных пигментов, раскрашивающих фрукты и овощи в яркие цвета.
Соединения благотворно влияют на человеческий организм, поскольку проявляют антиоксидантные, бактерицидные, противовоспалительные, адаптогенные и спазмолитические свойства. Природные источники пигментов: черника, бузина, чёрная смородина, ежевика, голубика черноплодная рябина.
Природные красители используют в составе комплексной терапии сахарного диабета, сезонных инфекций (гриппа, ОРВИ), онкологии, дегенеративных расстройств, офтальмологических патологий (дистрофии сетчатки, близорукости, диабетической ретинопатии, катаракты, глаукомы). Кроме того, антоцианы применяются в пищевой индустрии (при изготовлении кондитерских изделий, йогуртов, напитков), косметологии (как коллаген), электротехнической отрасли (для краски солнечных батарей).
Больше свежей и актуальной информации о здоровье на нашем канале в Telegram. Подписывайтесь: https://t.me/foodandhealthru
Антоцианы
Содержание
Строение и свойства
Будучи пирилиевыми солями, антоцианы легко растворимы в воде и полярных растворителях, малорастворимы в спирте и нерастворимы в неполярных растворителях.
| Антоцианы | R1 | R2 | R3 | R4 | R5 | R6 | R7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Аурантинидин | -H | -OH | -H | -OH | -OH | -OH | -OH |
| Цианидин | -OH | -OH | -H | -OH | -OH | -H | -OH |
| Дельфинидин | -OH | -OH | -OH | -OH | -OH | -H | -OH |
| Европинидин | -OCH3 | -OH | -OH | -OH | -OCH3 | -H | -OH |
| Лютеолинидин | -OH | -OH | -H | -H | -OH | -H | -OH |
| Пеларгонидин | -H | -OH | -H | -OH | -OH | -H | -OH |
| Мальвидин | -OCH3 | -OH | -OCH3 | -OH | -OH | -H | -OH |
| Пеонидин | -OCH3 | -OH | -H | -OH | -OH | -H | -OH |
| Петунидин | -OH | -OH | -OCH3 | -OH | -OH | -H | -OH |
| Розинидин | -OCH3 | -OH | -H | -OH | -OH | -H | -OCH3 |
Строение антоцианов установлено в 1913 немецким биохимиком Р. Вильштеттером, первый химический синтез осуществлен в 1928 английским химиком Р. Робинсоном.
На окраску антоцианидинов влияет число и природа заместителей: гидроксильные группы, несущие свободные электронные пары обуславливают батохромный сдвиг при увеличении их числа. Так, например, пеларгонидин, цианидин и дельфинидин, несущие в 2-фенильном кольце, соответственно, одну, две и три гидроксильные группы, окрашены в оранжевый, красный и пурпурный цвета. Гликозилирование, метилирование или ацилирование гидроксильных групп антоцианидинов приводит к уменьшению или исчезновению батохромного эффекта.
Антоцианы гидролизуются до антоцианидинов в 10% соляной кислоте, сами антоцианидины устойчивы при низких значениях pH и разлагаются при высоких.
Биосинтез и функции
Полностью биологические функции пока не выяснены. Образованию антоцианов благоприятствуют низкая температура, интенсивное освещение.
Распространение в природе
Антоцианы очень часто определяют цвет лепестков цветков, плодов и осенних листьев. Они обычно придают фиолетовую, синюю, коричневую, красную, оранжевую окраску. Эта окраска нередко зависит от рН клеточного содержимого, и потому может меняться при созревании плодов, отцветании цветков — процессах, сопровождающихся закислением клеточного содержимого.
Многие антоцианы достаточно хорошо растворимы, например, при экстракции виноградного сока из кожуры плодов они переходят в красные вина (см. цвет бордо).
К наиболее распространённым антоцианам относятся:
Цвета осенних листьев
Многие популярные книги неточно указывают на то, что цвет осенних листьев (включая красный цвет) — просто результат разрушения зелёного хлорофилла, который маскировал уже имевшиеся жёлтые, оранжевые и красные пигменты (каротиноид, ксантофилл и антоциан, соответственно). И если для каротиноидов и ксантофиллов это действительно так, то антоцианы не присутствуют в листьях до тех пор, пока в листьях не начнёт снижаться уровень хлорофиллов! Именно тогда растения начинают синтезировать антоцианы, вероятно для фотозащиты в процессе перемещения азота.
Применение
Антоцианы рассматривают как вторичные метаболиты. Они разрешены в качестве пищевых добавок (E163).
Богаты антоцианами такие растения, как, например, черника, клюква, малина, ежевика, чёрная смородина, вишня, баклажаны, чёрный рис, виноград Конкорд и мускатный виноград, красная капуста, и некоторые виды перцев, как жгучих, так и т.н. сладких. В медицине широко применяются антоцианы черники (в составе экстракта черники). В жгучих перцах также замечено несколько видов, у которых антоциан присутствует не только в плодах, но и в листьях. Причем, в данном случае, антоциан синтезируется тем больше, чем ярче солнечный свет, падающий на растение. К таким перцам можно отнести Black Pearl (Черная Жемчужина), Pimenta da Neyde и другие. Но в Черной Жемчужине созревший плод полностью лишается антоциана, и плод-ягода краснеет, а у Pimenta da Neyde плод-стручок на солнце всегда остается темным.
Литература
См. также
Прочие: Воск (E900—909) • Глазурь (E910—919) • Восстановитель (E920—929) • Газ для упаковки (E930—949) • Заменители сахара (E950—969) • Вспениватель (E990—999)
Разноцветные «чудеса» науки
Это буйство красок вызвано антоцианами — пигментами растений
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Несколько столетий назад началась одна из самых интересных и красивых историй — история изучения цвета у растений. В ходе изучения растительных пигментов были сделаны важнейшие открытия современной биологии (законы Менделя, мобильные генетически элементы, явление РНК-интерференции). На сегодняшний день вопросы о биохимической природе пигментов растений, их биосинтезе и его регуляции достаточно подробно исследованы. А полученные данные активно применяются учёными для манипуляций с цветом у растений.
Конкурс «био/мол/текст»-2012
Эта работа заняла первое место в номинации «Приз зрительских симпатий» конкурса «био/мол/текст»-2012.
Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.
В последнее время как в российских, так и в зарубежных СМИ появляются сообщения о «чудо-фруктах», «чудо-овощах» и «чудо-цветах» с необычной окраской, которая либо не встречается у данных видов растений, либо встречается, но очень редко. Так, например, немалый фурор среди российской общественности произвела новость о создании уральскими селекционерами сорта картофеля «Чудесник» с фиолетовой окраской мякоти (рис. 1, слева).
И хотя на российском рынке фиолетовая морковь и перец являются чем-то необычным и очень редким, за рубежом овощами с фиолетовой окраской уже никого не удивить (рис. 1, в центре). Среди «чудес» науки, которые поражают воображение многих людей, можно упомянуть голубые розы (рис. 1, справа), впервые созданные в 2004 году австралийской компанией «Флориген» (Florigene) при поддержке японского холдинга «Сантори».
Рисунок 1. Растения экзотических цветов. Слева: Клубень картофеля сорта «Чудесник», выведенного сотрудниками Уральского научно-исследовательского института сельского хозяйства. В центре: Морковь с пурпурной окраской корнеплода на рынке в Турции. Справа: Первая в мире «синяя» роза, созданная австралийскими учеными из компании «Флориген» (Florigene) при поддержке японского холдинга «Сантори».
Приведенные примеры растений с необычной для нас окраской различных органов объединяет то, что все они были искусственно созданы человеком с помощью манипуляций с окраской, которая обусловлена растительными пигментами — антоцианами. Однако без всестороннего исследования природы антоциановой окраски и генетической составляющей биосинтеза антоциановых соединений манипуляция с окраской у различных видов растений была бы невозможна.
Что такое антоцианы? Несколько слов о химии
На сегодняшний день достаточно хорошо исследованы такие растительные пигменты, как флавоноиды, каротиноиды и беталаины; они имеют различную химическую структуру и придают растениям различную окраску. И хотя каротиноиды и беталаины тоже очень интересные пигменты, в данной статье мне бы хотелось остановиться на пигментах флавоноидной природы, поскольку именно они обусловливают огромное разнообразие оттенков цветов у растений. К данной группе относятся повсеместно распространенные среди цветковых растений антоцианы, которые не только окрашивают растения в розовые, красные, оранжевые, алые, пурпурные, голубые, темно-синие цвета, но и являются очень полезными для человека биологически активными молекулами [1]. И хотя другие флавоноидные соединения также могут участвовать в образовании цвета у растений (например, ауроны обеспечивают желтую окраску, а бесцветные флавонолы стабилизируют антоциановые пигменты), основное внимание в статье будет уделено именно антоцианам.
Итак, антоцианы — это растительные пигменты, которые могут присутствовать у растений в генеративных (цветках, пыльце) и вегетативных (стеблях, листьях, корнях) органах, а также в плодах и семенах [2]. При этом данные соединения могут либо постоянно присутствовать в клетке, либо появляться на некоторое время на определенной стадии развития растений или при действии стресса. Последнее обстоятельство навело ученых на мысль, что данные соединения нужны не только для окраски цветов и плодов для привлечения насекомых-опылителей и распространителей семян, но и для борьбы с различными типами стрессов [3].
Рисунок 2. Базовая структура антоцианидинов и антоцианов. Представлена нумерация атомов углерода.
Первые опыты по изучению антоциановых соединений и их химической природы были проведены известным английским химиком Робертом Бойлем еще в 1664 г., когда он впервые обнаружил, что под действием кислот синий цвет лепестков василька изменялся на красный, под действием же щелочи лепестки зеленели [4]. В 1913–1915 гг. немецкие биохимики Р. Вильштеттер и А. Штоль опубликовали серию работ, проливших свет на вопрос о сущности природной окраски антоцианов. Из цветков различных растений они выделили индивидуальные пигменты и описали их химическое строение. Оказалось, что антоцианы в клетках находятся преимущественно в виде гликозидов. Их агликоны (базовые молекулы-предшественники), получившие название антоцианидинов, связаны преимущественно с сахарами глюкозой, галактозой, рамнозой [4].
Все антоцианы (которых известно более 500, и число это растет [5]) имеют общий С15-углеродный скелет, образованный двумя бензольными кольцами А и В, соединенными С3-фрагментом. При этом от других флавоноидных соединений антоцианы отличаются наличием положительного заряда и двойной связи в С-кольце (рис. 2). Несмотря на огромное разнообразие антоциановых соединений, все они представляют собой производные шести основных антоцианидинов: пеларгонидина, цианидина, пеонидина, дельфинидина, петунидина и мальвидина, которые отличаются боковыми радикалами R1 и R2 (рис. 2, табл. 1). Поскольку при биосинтезе (о нем речь пойдет чуть ниже) пеонидин образуется из цианидина, а петунидин и мальвидин — из дельфинидина, можно выделить три основных антоцианидина: пеларгонидин, цианидин и дельфинидин, которые, таким образом, являются предшественниками всех антоциановых соединений.
| Антоцианидин | R1 | R2 | Цвет |
|---|---|---|---|
| цианидин (Cy) | ОН | Н | пурпурный |
| пеонидин(Pn) | ОСН3 | Н | пурпурно-синий |
| пеларгонидин (Pg) | Н | Н | красно-оранжевый |
| мальвидин (Mv) | ОСН3 | ОСН3 | пурпурный |
| дельфинидин (Dp) | ОН | ОН | синий |
| петунидин (Pt) | ОСН3 | ОН | пурпурный |
Имея общее строение С15-углеродного скелета, индивидуальные соединения в классе антоцианов выделяют на основе наличия, положения и характера модификаций основного С15-углеродного скелета. В качестве примера строения индивидуального соединения антоциана с модификациями А-, В- и С-колец на рисунке 3 приведена структура так называемого «небесно-синего антоциана», который придает растениям ипомеи голубую окраску.
Рисунок 3. Структура «небесно-синего антоциана» (C08642). Соединение выделено из Ipomoea tricolor. На рисунке отмечены: синим — пеонидин (метилированное производное цианидина); зеленым — остатки кофейной кислоты; черным — остатки глюкозы.
Какую именно окраску будет иметь растение, зависит от многих факторов:
Рисунок 4. Поперечный срез корней горчицы, росших в среде с молибденом (+Мо) и без него (−Мо). Данный вид растения накапливает антоцианы в эпидермисе корня, которые с ионами молибдена образуют комплексы, меняя при этом цвет с пурпурного на синий.
Существует такая закономерность: голубой (синий) цвет имеет дельфинидин и его производные, красно-оранжевую окраску имеют производные пеларгонидина, а пурпурно-красную — цианидина. При этом голубой цвет обусловливают гидроксильные группы (табл. 1, рис. 3), метилирование которых (присоединение группы —CH3) приводит к «покраснению» [7]. Однако следует учитывать, что одно и то же антоциановое соединение в зависимости от сдвига в величине кислотности клеточного сока может приобретать различные оттенки. Так, раствор антоцианов в кислой среде имеет красный, в нейтральной — пурпурный, а в щелочной — желто-зелёный цвет (рис. 5).
Рисунок 5. Изменение окраски раствора антоцианов, выделенных из краснокочанной капусты, при изменении рН раствора от 1 до 10 (слева направо).
Итак, чем обусловлены оттенки антоциановой пигментации, почему они разные у разных видов растений, или даже у одних и тех же растений в разных условиях произрастания, становится ясно. Вооружившись уже изложенными данными, каждый читатель может сам поэкспериментировать со своими домашними растениями, понаблюдав за изменением их окраски. Однако, если в ходе этих экспериментов вы добьетесь желаемого оттенка цвета и ваше растение выживет, то уже точно оно не передаст данный оттенок своим потомкам. Чтобы эффект был стойким, необходимо разобраться еще в одном аспекте формирования цвета, а именно в генетической составляющей биосинтеза антоцианов в клетках растений.
Молекулярно-генетические основы биосинтеза антоцианов
Данный вопрос исследован на сегодняшний день достаточно полно, чему немало поспособствовали мутанты различных видов растений с нарушенным биосинтезом антоцианов. Было установлено, что на биосинтез антоцианов (а, следовательно, и на формируемый оттенок у растения) влияют мутации в трех типах генов [8]:
Благодаря методам биохимии и молекулярной генетики все стадии биосинтеза антоцианов и осуществляющие их ферменты на сегодняшний день известны и достаточно полно исследованы (рис. 6), в том числе из многих видов растений выделены структурные и регуляторные гены биосинтеза антоцианов [8]. Знание особенностей биосинтеза антоциановых пигментов у конкретного вида растения позволяет проводить манипуляции с его окраской на генетическом уровне, создавая растения с необычной пигментацией, которые будут передавать новые признаки окраски из поколения в поколение.
Рисунок 6. Биосинтез антоцианидинов: цианидина, пеларгонидина, дельфинидина. Антоцианидины далее подвергаются реакциям модификации (гликозилированию, ацилированию, метилированию), которые осуществляются гликозилтрансферазами (GT), ацилтрансферазами (AT) и метилтрансферазами (MT). Типичная окраска, которую имеют антоцианы, образующиеся из приведенных антоцианидинов, представлена на рисунке, но она зависит от многих факторов: pH, ко-пигментации с бесцветными флавоноидами, комплексами с ионами тяжелых металлов. Заметьте, что метилированию В-кольца (синие прерывистые стрелки) подвергаются антоцианы, а не антоцианидины. Аббревиатуры: халконсинтаза (CHS); халконфлаванонизомераза (CHI); дигидрофлавонол 4-редуктаза (DFR); флаванон-3-гидроксилаза (F3H); флавоноид-3′-гидроксилаза (F3′H); флавоноид-3′,5′-гидроксилаза (F3′5′H); антоцианидинсинтаза (ANS); флавон синтаза (FNS); флавонол синтаза (FLS).
[7], рисунок с модификациями
Подходы и «горячие точки» для модификации цвета у растений
В связи с вышеизложенным «горячими точками» для модификации цвета у растений в основном являются структурные и регуляторные гены. Гены, кодирующие транспортеры, также используются для изменения цвета, но не так часто, как две другие группы генов.
Подходы, с помощью которых можно модифицировать окраску растений, делятся на два типа. К первому типу относятся подходы на основе методов селекции, позволяющие ввести гены от доноров — растений близкородственного вида, имеющих нужный признак. По славам авторов «Чудесника», именно методом селекции был создан этот сорт (рис. 1, слева). Ещё один яркий пример — это пшеница с пурпурным и голубым цветом зерна, обусловленным антоцианами (рис. 7).
Рисунок 7. Пурпурное (слева), голубое (справа) и неокрашенное (в центре) зерно пшеницы.
В дикой природе пшеница с пурпурным зерном впервые была обнаружена в Эфиопии (где, по всей видимости, и появился данный признак), а потом гены, которые обусловливают этот признак, были введены методами селекции в возделываемые сорта мягкой пшеницы [10]. Пшеница с голубым зерном в природе не встречается, но зато голубое зерно имеет родственник пшеницы — пырей. Скрещивая пырей и пшеницу и ведя отбор по данному признаку, селекционеры получили пшеницу с голубым зерном, как у пырея [10]. В вышеназванных примерах в геном пшеницы были введены регуляторные гены. То есть, пшеница и так имеет функциональный аппарат биосинтеза антоцианов (все ферменты необходимые для биосинтеза в порядке), а, вводя методами селекции регуляторные гены от родственных видов, у пшеницы запускают машину биосинтеза антоцианов именно в зерне.
Схожий пример, но уже с использованием второй группы методов манипуляции с окраской — методов генетической инженерии: были получены томаты с повышенным содержанием антоцианов [11]. В норме спелые томаты содержат каротиноиды, в том числе жирорастворимый антиоксидант ликопин; из флавоноидов в них есть небольшое количество нарингенина халкона (2′,4′,6′,4-тетрагидроксихалкон, см. рис. 6) и рутина (гликозированный 5,7,3′,4′-тетрагидрооксифлавонол). Вводя в растения томата генетическую конструкцию, содержащую регуляторные гены биосинтеза антоцианов львиного зева Ros1 и Del под управлением промотора E8, активного в плодах томата, авторам удалось получить томаты с высоким содержанием антоцианов (рис. 8). Таким образом, запустить «машину» биосинтеза антоцианов в определенной ткани можно посредством манипуляции с регуляторными генами, которую проводят либо методами селекции, либо методами генетической инженерии.
Рисунок 8. Томаты с повышенным содержанием антоцианов в плодах, полученные методом генетической инженерии
Пример использование генетической инженерии, для манипуляций с окраской за счет структурных генов биосинтеза антоцианов — пионерская работа, проведенная на петунии [12]. В этой работе впервые в истории были применены методы генетической инженерии с целью изменения окраски растений. В норме растения петунии вовсе не содержат пигментов, производных от пеларгонидина (рис. 6). Это связано с тем, что для фермента DFR (дигидрофлавонол 4-редуктазы) петунии самым предпочтительным субстратом является дигидромирицетин, менее предпочтительным — дигидрокверцетин, а дигидрокемпферол вовсе не используется в качестве субстрата (рис. 6).
Совершенно другая картина субстратной специфичности фермента DFR наблюдается у кукурузы, DFR которой предпочтительнее использует дигидрокемпферол в качестве субстрата [13]. Вооружившись этими знаниями, Мейер с коллегами использовали мутантную линию петунии, у которой отсутствовали функциональные ферменты F3′Н и F3′5′H. Глядя на рисунок 6, нетрудно заметить, что данная мутантная линия накапливала дигидрокемпферол, который не является субстратом для DFR петунии, но зато является субстратом для DFR кукурузы. Введя в мутантную линию генетическую конструкцию, содержащую ген Dfr кукурузы, Мейер получил петунию с несвойственной для неё кирпично-красной окраской цветков (рис. 9).
Рисунок 9. Петунии. а — Мутантная линия петунии с бледно-розовой окраской венчика из-за присутствия следовых количеств антоцианов — производных цианидина и дельфинидина. б — Генетически модифицированная петуния, накапливающая антоцианы — производные пеларгонидина.
Однако не всегда у исследователей под руками есть такие удобные мутанты с отсутствием какой-либо ферментативной активности, поэтому наиболее часто при модификации окраски растений приходится её «выключать» и «включать» другую, требуемую активность. Именно такой подход был реализован при создании первой в мире розы с синей окраской бутонов (рис. 1, справа), схема создания которой приведена на рисунке 10.
Рисунок 10. Схема создания синей розы.
У роз, созданных усилиями селекционеров, окраска лепестков варьирует от ярко-красных и нежно-розовых до жёлтых и белоснежных. Интенсивное изучение биосинтеза антоцианов у роз позволило установить, что они не имеют F3′5′H-активности, а фермент DFR розы использует в качестве субстратов дигидрокверцетин и дигидрокемпферол, но не дигидромирицетин (рис. 6). Поэтому при создании синей розы учёные выбрали следующую стратегию.
При этом, чтобы F3′5′H анютиных глазок и F3′H розы не конкурировали друг с другом за субстрат (оба фермента используют в качестве субстрата дигидрокемпферол, рис. 6), для создания синей розы был выбран доступный генотип с отсутствием F3′H активности.
Еще одни яркий пример использования накопленных данных о биосинтезе флавоноидных пигментов с целью создания растений с несвойственной для них окраской — это получение методами генетической инженерии растений торении с жёлтой окраской цветков (рис. 11).
Рисунок 11. Схема биосинтеза антоцианов и ауронов. Снизу приведены цветки обычной, накаливающие антоцианы (слева), и трансгенной торении, накапливающие ауроны (справа). THC — тетрагидроксихалкон, PHC — пентагидроксихалкон.
[14], рисунок с модификациями
Известно, что жёлтую окраску имеют два типа пигментов: ауроны (класс пигментов флавоноидной природы, которые обусловливают яркую жёлтую окраску цветков львиного зева и георгин), и каротиноиды (пигменты цветков томатов и тюльпанов). В ходе анализа биосинтеза ауронов у львиного зева было установлено, что данные пигменты синтезируются из халконов посредством двух ферментов — 4′CGT (4′-халконгликозилтрансферазы) и AS (ауреузидинсинтазы) (рис. 11). Введение генетических конструкций с генами 4′Cgt и As львиного зева в растения торении, в норме имеющие синюю окраску цветков, совместно с ингибированием биосинтеза антоциановых пигментов привело к накоплению ауровнов и, следовательно, к яркой жёлтой окраске цветков (рис. 11). (Читатель самостоятельно может предположить, на уровне работы каких ферментов может быть заблокирован биосинтез антоцианов в этом случае.) Разработанная специалистами стратегия может быть использована для получения желтой окраски цветков не только у торении, но и у герани и фиалки [14].
Приведенные примеры — это лишь малая доля того, какие манипуляции ученые проводят с тем, что им очень хорошо известно — с биосинтезом антоцианов.
Заключение
Как видно, огромному успеху в манипуляции с окраской у растений способствует интенсивное исследование биохимической природы пигментов, а также особенностей их биосинтеза у различных видов растений — как на уровне ферментов, так и на молекулярно-генетическом уровне. Накопленный к настоящему времени багаж знаний об антоциановых соединениях открыл неисчерпаемые возможности для создания декоративных растений с необычной окраской, а также культурных видов растений с повышенным содержанием антоциановых пигментов. И хотя достижения селекции — необычно окрашенные овощи и фрукты — уже сейчас доступны покупателям в ряде стран, декоративные растения, созданные методами генетической инженерии, в большинстве своем на рынке являются ещё достаточно редкими. Дело в том, что из-за ряда нерешенных трудностей — таких, например, как стабильность наследования модифицированной окраски, — они ещё не коммерциализированы (за исключением некоторых сортов петунии, синей розы, лиловой гвоздики). Однако работа в этом направлении продолжается. Будем надеяться, что в скором времени появятся радующие глаз «чудеса» науки, которые будут доступны всем любителям прекрасного.