Лейкоантоцианы - растительные "хамелеоны"

 Человек неукротимо 
 Хоть и смертен, но стремится 
 Знать и то, что видит зримо, 
 И что в вечной тьме таится. 
 
Иван Гундулич
 

О том, что удивило русского ученого. - Скрытые антоцианы? - Возможные помощники клеточного деления. - Союз "невидимок" с известным витамином. - Природные полимеры - защита и опора клеток. - Всегда на страже.

В 1914 г. в "Известиях Императорской Академии наук" была помещена статья с лаконичным названием "Об искусственном антоциане". Автор ее - замечательный русский ученый, работавший тогда профессором кафедры ботаникии и микробиологии Варшавского политехнического института, Михаил Семенович Цвет сообщал интересные для того времени факты. Он наблюдал мгновенное покраснение яблок, бананов, груш, винограда, а также белых лепестков роз и цикламена после обработки их слабой соляной кислотой с последующим нагреванием. Полученный красный пигмент осаждался из раствора, его можно было собрать на обыкновенной промокашке. Ученый назвал это вещество, удивившее его своими необычными свойствами, искусственным антоцианом. Почему?

Потому, что, как оказалось, оно имеет некоторое сходство с уже известными естественными антоцианами: в растворе оно постепенно выцветало, а от прибавления кислот (соляной, серной, уксусной) восстанавливало свою фиолетово-красную окраску. Искусственный антоциан М. С. Цвета обладал поразительной способностью изменять свой "внешний облик": от действия щелочи он зеленел, от кислоты - краснел, а фенилгидразин и сернокислый натрий мгновенно обесцвечивали его. Ученый отозвался о выделенном им веществе как о "растительном хамелеоне" и высказал предположение, что этот "хамелеон" должен быть весьма близок по строению к естественным антоцианам.

Так оно и оказалось в дальнейшем. Так М. С. Цвет открыл в растениях группу бесцветных флавоноидов, получивших позже название лейкоантоцианов (от греческого "лейкос" - белый) - бесцветных антоцианов (в дословном переводе - бесцветных синих цветков).

Лейкоантоцианы представляют собой группу чрезвычайно неустойчивых флавоноидов. По своим химическим свойствам они примыкают близко к наиболее восстановленным полифенолам - катехинам, очень часто сопутствуют им в клетках растительного организма. Замечено, что во многих случаях лейкоантоцианы "ведут себя" подобно антоцианам: они накапливаются под действием света и при достаточном количестве сахаров; как и антоцианы, они содержатся в значительных количествах в бутонах и цветках. Создается впечатление, что лейкоантоцианы, как невидимые спутники, как бы подстраховывают существование антоцианов.

В настоящее время установлено, что они и в самом деле служат резервом для образования антоцианов: будучи "невидимками", они при соответствующих условиях довольно быстро превращаются в эти хорошо заметные растительные пигменты. Благодаря такому свойству лейкоантоцианы и были обнаружены М. С. Цветом в тканях различных растений. За свою бесцветность и возможность быстрого превращения в антоцианидины агликоны лейкоантоцианов получили название лейкоантоцианидинов (бесцветных антоцианидинов). Из них больше всего в растительном мире распространены лейкоцианидин и лейкодельфинидин.

Словом, лейкоантоцианы - это во многом скрытые, замаскированные антоцианы. Французский ученый П. Риберо-Гайон в своей книге "Растительные фенолы" (1972) замечает, что в самом термине "лейкоантоцианы" заключен парадокс: этим термином обозначают всю сумму веществ, способных превращаться в антоцианы. Такая возможность действительно установлена на примере целого ряда растений. Так, А. Д. Боброва (1973) наблюдала, что у кормового растения эспарцета закавказского в бутонах, цветках и плодах наблюдается обратная зависимость между содержанием антоцианов и лейкоантоцианов: по мере возрастания количества первых уменьшается содержание вторых. Вполне естественно напрашивается вывод о том, что по мере формирования цветков часть лейкоантоцианов превращается в антоцианы, пополняя запасы клеток лепестков этими хорошо заметными для насекомых флавоноидами.

Подобная закономерность обнаружена нами при сравнительном изучении распределения флавоноидов в цветках, листьях и стеблях близкородственных растений с хорошо заметной антоциановой окраской стебля - гречихи и горца забайкальского, культивируемых в окрестности г. Гомеля. Стебли горца забайкальского содержат во время цветения 29 мг*% (в расчете на сырой вес) антоцианов и 336 мг*% лейкоантоцианов. К этому времени антоцианы в листьях уже не обнаруживаются, хотя ранее, до цветения, они были видны невооруженным глазом.

А что же лейкоантоцианы? Их ко времени цветения особенно много собирается в верхних листьях - до 1260 мг*%. Ясно, что эти листья, расположенные в непосредственной близости к точкам роста и цветкам, накапливают в наиболее ответственный период развития растительного организма (бутонизация и цветение) максимальное количество этих невидимых флавоноидов, способных в любое мгновение по соответствующему "запросу" обнаружить себя в виде антоцианов.

При сравнении гречихи сортов Юбилейная 2 и Тетраплоидная мы установили, что цветки первой из них содержат до 500 мг*% лейкоантоцианов, второй - до 720 мг*%. Большему накоплению лейкоантоцианов в цветках соответствует минимальное количество антоцианов в них, и наоборот. Создается впечатление, что лейкоантоцианы и в этом растении служат как бы своеобразным фондом для образования антоцианов.

Известный английский биохимик Дж. Харборн (1962) указывает, что путь формирования антоциановых молекул гораздо длиннее, чем некоторых других флавоноидов. Поэтому не исключено, что в процессе длительного эволюционного развития растения выработали в себе способность в какой-то мере иметь запасной, более короткий путь обеспечения себя антоцианами за счет использования веществ типа лейкоантоцианов.

Таким образом, внешнее отсутствие привычной красно-фиолетовой окраски в цветках, плодах, листьях не всегда свидетельствует об отсутствии реальной возможности биосинтеза антоцианов.

Сравнивая гречиху сортов Богатырь, Юбилейная 2, Тетраплоидная и Татарская, мы обнаружили, что последняя накап­ливает в своих цветках наибольшее количество лейкоантоцианов - 1060 мг*% (все остальные - 500-750 мг*%). Она же отличается от других сортов интенсивным ветвлением стебля и сильным ростом боковых побегов, в результате чего приобретает весьма развитую кустовую форму. Эта гречиха известна как хорошее кормовое растение, формирующее обильную зеленую массу. По многочисленным литературным данным (В. И. Савин, А. А. Шутов, 1965; В. И. Оре, З. Н. Крейцберг, В. Н. Сергеева, 1969, и др.), аналогичное действие на рост боковых побегов у других растений оказывают ионизирующие излучения: они нарушают "господство" верхушечной почки (точки роста), при этом боковые обогащаются продуктами фотосинтеза и другими жизненно важными веществами, в результате чего растения начинают интенсивно ветвиться.

Мы испытали действие гамма-радиации на гречихе сорта Юбилейная 2: семена подвергали облучению радиоактивным кобальтом мощностью 200 рад/с накануне посева (общий объем радиации составлял 10 кюри). Что же выяснилось?

Растения из опытных семян интенсивно ветвились, при этом рост главного стебля замедлялся (И. А. Карабанов, В. Е. Веремейчик, 1972). Благодаря обильному нарастанию боковых побегов, дополнительному образованию ветвей второго и третьего порядка каждое растение сформировало дополнительное количество цветков и семян. А как же изменилось при этом содержание лейкоантоцианов? Количество их в цветках, листьях и стеблях резко уменьшилось. Особенно сильному изменению подверглось содержание этих флавоноидов в верхней части стебля.

Складывается, таким образом, впечатление, что гамма- радиация вызывает повышение уровня жизненных процессов в боковых точках роста гречихи (по-видимому, и других растений), в результате чего лейкоантоцианы более активно вовлекаются в общий обмен веществ всего организма. Это тем более вероятно, что ряд радиобиологов - болгарские Я. Енчев, Л. Бозова, П. Федин и советские А. М. Кузин, В. Т. Киеце-Эйзенберг - сообщают о повышении под влиянием гамма-облучения активности ферментов пероксидазы и полифенолоксидазы, т. е. тех ферментов, которые ускоряют окисление полифенолов. Заметим, что еще в 1955 г. английский ученый Л. Аудус в журнале "Нейчер" ("Природа") сообщил о том, что процесс клеточного деления (т. е. фактически активного роста) значительно ускоряется при помощи лейкоантоцианов. На IV Международном биохимическом конгрессе в Вене (1958 г.) американские биохимики Ф. Стьюард и Е. Шантц выступили с обстоятельным докладом, в котором сообщили, что при искусственном выращивании в лабораторных условиях растительных тканей добавление лейкоантоцианов в питательную среду заметно усиливает деление клеток. Использовались антоцианы, выделенные из плодов конского каштана, молока кокосовых орехов, зерен ряда растений. Действие лейкоантоцианов проявлялось не в меньшей мере, чем у общепризнанных факторов клеточного деления - фитогормонов кинетина и гиббереллина.

Хорошо известно, что всякий ростовой процесс, идет ли речь о росте стебля или корня, плода или листа, начинается с клеточного деления. Этим, по-видимому, и объясняется более высокий уровень лейкоантоцианов в гречихе сорта Татарская - растении, способном к обильному клеточному делению в боковых точках роста, в результате чего повышается ветвление побегов, интенсивно нарастает зеленая масса. Усилению роста, как известно, всегда сопутствует оживление обменных (окислительно-восстановительных) процессов в растительном организме.

Участие лейкоантоцианов в окислительных процессах показано в исследованиях ряда авторов. Например, М. Т. Головкина и Н. В. Новотельнов с сотрудниками (1967, 1968) отмечают, что выделенные из плодов шиповника лейкоантоцианы (лейкопеонидин и лейкорозинидин) обладают способностью задерживать окисление растворенной аскорбиновой кислоты (витамина С) в присутствии ионов меди. Обычно этот витамин в растворенном виде подвергается быстрому окислению и распаду, особенно под действием ионов металлов (в частности меди). Присутствие же лейкоантоцианов позволяет избежать разрушения аскорбиновой кислоты: эти флавоноиды образуют с ионами меди комплексные соединения за счет групп ОН в 3-м и 4-м положениях (рис. 3).

Лейкоантоцианы, таким образом, в этом отношении проявляют такое же свойство, как и антоцианы. В плодах шиповника они совместно с аскорбиновой кислотой создают единую систему, которая обеспечивает устойчивость обоих компонентов ее, усиливает их биологическую активность, проявляемую как в самом растении, так и при попадании плодов шиповника в организм человека. Как мы увидим позже, некоторые другие Р-активные флавоноиды проявляют по отношению к аскорбиновой кислоте защитное (или, как говорят биохимики, антиоксидантное) действие. В результате витамин С предохраняется от окисления и потери витаминных свойств. Другими словами, лейкоантоцианы (часто в комплексе с другими флавоноидами) и аскорбиновая кислота проявляют хорошо заметное явление синергизма (от греческих "син" - вместе, "эргон" - работа) - совместное действие в клетках, направленное на поддержание высокого уровня их жизнедеятельности.

Лейкоантоцианы очень часто обнаруживаются в древесине различных древесно-кустарниковых растений. Особенно много их оказалось в различных видах акации. Именно это растение явилось тем природным источником, из которого удалось впервые получить конкретный лейкоантоцианидин. Назвали его мелакацидин - в честь одного из видов акации, которое известно под названием австралийское черное дерево (по-латыни Акациа меланоксилон). Древесина этого растения ценится как материал для производства шкатулок. Из нее и был получен мелакацидин биохимиками Ноттингемского университета (Англия) Ф. Кингом и У. Боттомли в 1953 г. Затем из белой акации (по-латыни Робиниа псеудоакациа) был выделен другой лейкоантоциан - лейкоробинетин.

Белая акация является широко распространенным представителем этого рода растений, особенно в южных районах нашей страны. Это хороший медонос, неодолимо привлекающий к своим цветкам пчел. Подсчитано, что одно дерево белой акации за сезон может дать до 8 кг целебного меда. Характерно, что в отличие от меда, собранного пчелами с цветков других растений, "акациевый" мед обладает удивительным свойством прозрачности: благодаря высокому содержанию лейкоантоцианов его не всегда можно обнаружить, даже внимательно присмотревшись к сотам.

Именно на примере акации удалось решить один из вопросов биологической роли лейкоантоцианов. Оказалось, что они весьма легко подвергаются так называемой окислительной конденсации своих молекул, благодаря чему и накапливаются в древесине. Как уже говорилось выше, древесина акации и обратила впервые на себя внимание как источник для препаративного выделения лейкоантоцианов.

Что же такое окислительная конденсация? Это объединение (с участием кислорода) двух молекул органического вещества в одну более крупную структуру - димер. Димеры в свою очередь имеют свойство объединяться затем в соответствующие полимеры (от греческого "поли" - много). По способности различных полифенолов (в том числе и флавоноидов) образовывать полимеры долгое время судили об этих веществах как об отбросах в жизнедеятельности растительных организмов, как о веществах вторичных, второстепенных, которые "выбраковываются" растением в виде димеров и полимеров, Сейчас такая точка зрения вполне правомерно отрицается. Важную роль в этом сыграл капитальный труд М. Н. Запрометова "Биохимия катехинов", вышедший в 1964 г. "Господствовавший длительное время... взгляд на фенольные соединения лишь как на некие конечные продукты обмена веществ или "отходы" растительного организма должен быть окончательно отброшен", - писал ученый. Так оно и произошло согласно логике развития биохимии в последние годы.

На определенном этапе лейкоантоцианы (как и некоторые другие флавоноиды) "выходят" из обмена веществ путем образования полимеров (о чем сказано было выше). Полимеры очень нужны растущему растению по мере формирования различных его тканей, органов. Это особенно касается образования опорных и защитных структур в тканях стебля. Такими структурами являются клеточные оболочки, кора, древесина и др. Можно ли в этой связи говорить об исключении лейкоантоцианов из активной жизни растения? Конечно, нет. Оставаясь в составе полимеров, лейкоантоцианы выполняют свою активную функцию по сохранению и поддержанию в жизнеспособном состоянии "скелета" растения в целом и его отдельных органов. Следовательно, роль их в данном случае далеко не пассивна, тем более неуместным был бы разговор о таком состоянии лейкоантоцианового комплекса как об отбросовом.

Одним из важных полимеров, в образовании которого принимают участие лейкоантоцианы, является лигнин - вещество, заполняющее промежутки целлюлозного "каркаса", из которого состоят клеточные стенки. Без лигнина немыслимо формирование сосудов древесины, по которым проводится к листьям вода с растворенными в ней солями. От достаточного накопления этого полимера к осени зависит степень готовности растений к зиме, к перенесению неблагоприятных условий. Но оказывается, что полимеризация лейкоантоцианов может происходить не только при пропитывании полимером клеточных стенок стебля. Исследованиями польского физиолога растений Ст. Левака с сотрудниками было установлено, что образование димеров и полимеров лейкоантоцианов происходит и в листьях (яблоня, боярышник) в течение вегетации.

Лист - первичное место образования не только простейших единиц флавана, из которых построены молекулы флавоноидов (рис. 1), но и более сложных структур типа димеров и полимеров лейкоантоцианов. У яблони, например, максимум полимеров этих флавоноидов приходится на сентябрь, когда листовые ткани уже хорошо сформировались. У боярышника в начале вегетации содержание полимерных лейкоантоцианов в листьях намного выше, чем димерных, т. е. менее сложных. Отношение полимеров лейкоантоцианов к димерам 10 мая составляет 3,6. В дальнейшем оно снижается и к середине октября уже равно только 1,4. Все это говорит в пользу активного участия этих флавоноидов в жизнедеятельности растений. Не исключено, что изменчивость в количественном и качественном составе флавоноидов в листьях на протяжении цикла развития растений создает определенные предпосылки для организации своеобразного фонда, из которого формируется затем флавоноидный потенциал плодов. Ст. Левак с сотрудниками отмечает, что после созревания плодов боярышника наблюдается снижение общего количества лейкоантоцианов в листьях с 1350 до 1085 мг на 1 кг веса.

Лейкоантоцианы принимают участие в создании защитных механизмов растения от неблагоприятных условий. Мы уже говорили выше об участии этих невидимых флавоноидов в образовании лигнина. Так вот у хлопчатника, например, при засолении почвы лигнификация тканей стебля наступает гораздо быстрее, чем в обычных условиях. Лейкоантоцианы листьев при этом совместно с другими "заинтересованными" веществами "устремляются" к клеткам стебля, где в качестве строительного материала используются для образования сложных молекул полимера лигнина. Подобно бетону и железной арматуре в железобетонных конструкциях, лигнин и целлюлоза укрепляют клеточные оболочки и задерживают тем самым их рост и дальнейшее накопление в клетках избытка солей. У растений, не способных к быстрой лигнификации тканей (капуста, перилла), как показали исследования Б. П. Строганова и его сотрудников, лейкоантоцианы интенсивно накапливаются в листьях за счет использования промежуточных продуктов, образующихся при поглощении солей (особенно хлористого натрия). Лейкоантоцианы в данном случае как бы "предупреждают" возможность скопления ядовитых солей в клетках, ставят на пути их своеобразный "заслон", используя сахара, органические кислоты, аминокислоты и другие продукты обмена веществ для построения собственных молекул. Содействуя усилению окислительных процессов, они как бы "поддерживают" растение в трудное для него время.

Интересные опыты по изучению защитного действия флавоноидов против одного из злейших вредителей дуба - дубовой листовой филлоксеры - были поставлены в Центральном ботаническом саду АН УССР (В. П. Петрова, Н. М. Березовская, 1974, 1977). В листьях дуба, как правило, содержится очень мало лейкоантоцианов. Искусственным путем подсадили личинки вредителя на различные виды этого дерева. Что же оказалось? В листьях дуба северного, например, где личинки не прижились, резко увеличивалось содержание лейкоантоцианов. Эти флавоноиды, находясь в клетках в самом ничтожном количестве, в ответ на появление филлоксеры быстро образуются и накапливаются в листовых тканях, создавая своеобразный барьер на пути вредителя.

Как Р-активные вещества, лейкоантоцианы в ряде случаев превосходят по своему действию на организм человека общепризнанные катехины чайного растения, о которых наш рассказ еще впереди.

Какие же растения могут служить источником лейкоантоцианов? В первую очередь - плодово-ягодные. Весьма богаты этими флавоноидами некоторые сорта облепихи, хорошо прижившиеся в условиях Минска: Алтайская (257 мг*%), Дар Катуни (242 мг %), Новость Алтая (214 мг %) и другие (А. А. Чаховский и др., 1976). Высоким содержанием лейкоантоцианов, по данным лаборатории химии растений ЦБС АН БССР, обладают плоды боярышников, накапливающие от 400 до 1200 мг этих соединений в расчете на 100 г плодов.

На III Всесоюзном семинаре по биоактивным веществам плодов и ягод (Свердловск, 1966 г.) Л. И. Вигоров обратил внимание его участников на тот факт, что за счет лейкоантоцианов, которые в то время многими исследователями еще не принимались в расчет при оценке Р-витаминности плодов, ценность крыжовников, содержащих немного других биофлавоноидов, обычно удваивается (по сравнению с теми цифрами, что приводились обычно в научной литературе без учета содержания лейкоантоцианов). Содержание их в плодах крыжовника нередко превышает количество катехинов и флавонолов.

Исследуя сорта и гибриды белорусского винограда, мы обнаружили, что по содержанию лейкоантоцианов (определяемых совместно с катехинами) в неантоциановой группе выделяются Ольга и Юбиляр, накапливающие в кожице и мякоти ягод до 127 и 77 мг*% этих веществ соответственно. Общее содержание Р-активных флавоноидов у них в расчете на одну ягоду составляет около 1,3 мг. Эти сорта отличаются минимальным горошением ягод и сравнительно быстрым созреванием урожая (до 15 сентября). В антоциановой группе винограда богаты лейкоантоцианами ягоды гибрида № 1 Филиппенко (225 мг*%). Общее содержание Р-активных соединений в данном случае представлено в основном только этими соединениями. Заметим, что в семенах всех исследованных нами сортов и гибридов винограда лейкоантоцианов (совместно с катехинами) накапливается гораздо больше, чем в мякоти и кожице.

В дополнение к другим биологически активным флавоноидам лейкоантоцианы являются хорошими "помощниками" в создании Р-витаминного комплекса у многих кормовых злаков пойменных лугов. По нашим определениям, среди растений пойменного травостоя на первое место в этом отношении выходит бекмания обыкновенная (21 мг*% в расчете на сухой вес). Второе место занимают мятлики луговой и болотный, лисохвост луговой, полевица собачья, овсяница луговая, накапливающие в зеленой массе 12-16 мг*% (на сухой вес) этих флавоноидов.

Таким образом, отсутствие антоциановой окраски у стеблей, листьев, цветков и плодов вовсе не свидетельствует об отсутствии в них Р-активных флавоноидов. Очень часто здесь сосредоточиваются бесцветные, незримые лейкоантоцианы. В первую очередь это касается зеленоплодных крыжовника, винограда, смородины, сливы, яблони и других садовых растений.

Но, несмотря на свою невидимость, растительные "хамелеоны" этих культур всегда начеку. Они всегда на страже здоровья человека и в любое время готовы обнаружить свое присутствие, как это произошло в опытах их первооткрывателя - замечательного русского ученого Михаила Семеновича Цвета.