Co łączy rośliny i zwierzęta? Te same związki chemiczne.

Wydaje się, że fauna i flora zupełnie się od siebie różnią. Zwierzęta mają mózg, układ trawienny czy narządy płciowe. Natomiast rośliny mają liście, kwiatki i korzenie. I jakie tu mogłyby być cechy wspólne? Otóż okazuje się, że mamy wiele wspólnych elementów.

W świecie roślin można znaleźć takie same hormony, enzymy trawienne czy neuroprzekaźniki, jakie występują u zwierząt. I to mimo tego, że w roślinach nie występują takie narządy, które produkują te substancje u zwierząt.

Skąd więc biorą się w roślinach związki kojarzone z fizjologią zwierząt? Czy rośliny rzeczywiście same produkują hormony? A jeśli tak, to po co są im potrzebne? I czy obecność serotoniny w roślinie oznacza, że ma ona coś wspólnego z naszym układem nerwowym? Postaram się odpowiedzieć na te pytania.

Oczywiście świat roślin ma też swoje hormony, zwane fitohormonami (więcej o hormonach roślinnych można poczytać tutaj), ale to co jest hormonem w rozumieniu zwierzęcym, pełni u roślin inną funkcję. Nie zawsze ta rola jest prosta do określenia, podobnie jak to, czy dane związki wykrywane w roślinach wynikają z ich syntezy w tkankach roślinnych, czy są pobierane ze środowiska.

Samo znalezienie identycznej cząsteczki u rośliny i zwierzęcia nie zawsze oznacza, że u obu organizmów jest dokładnie ta sama droga biosyntezy. Nie opisuję w tym artykule wszystkich wykrywanych w roślinach związkach typowych dla zwierząt, wybrałam tylko te, które wydały mi się ciekawe.

Fot. W słoneczniku można wykryć estradiol.

Hormony płciowe

Estrogeny i androgeny to związki, których najważniejsza rola w świecie zwierząt dotyczy reprodukcji, czyli rozmnażania się. Mają wpływ na tworzenie się i rozwój cech płciowych samicy i samca, ale także są zaangażowane w kontrolę metabolizmu minerałów i białek. Powstają na bazie cholesterolu.

17β-estradiol

Hormony płciowe ssaków – estrogeny – zostały po raz pierwszy wykryte w tkankach roślinnych w 1926 roku, ale dokładniejsze badania były możliwe dopiero w ostatnich dwudziestu latach. Estradiol jest jednym z hormonów kojarzonych z samicami, który ma wpływ na rozwój cech płciowych i bardzo istotną rolę w cyklu menstruacyjnym.

Zawartość sterydów (hormony płciowe są hormonami o budowie sterydowej) może znacząco ulegać zmianie podczas rozwoju roślin i zależy od gatunku, odmiany oraz organu roślinnego. W tkance roślinnej stężenie tych hormonów zaczyna zwiększać się przed kwitnieniem, podczas którego osiąga szczyt, a następnie obniża się, gdy kwiaty dojrzewają. Uśpione tkanki zimowe zazwyczaj zawierają niższą zawartość 17β-estradiolu niż tkanki wiosenne. Natomiast gałęzie, które rosną w bardziej intensywnym świetle, mają jego wyższą zawartość.

Badacze stwierdzili, że w niektórych roślinach ozdobnych (Nagietek lekarski) 17β-estradiol zwiększa obszar liści, ale nie wpływa na długość kwitnienia.

Estradiol ma też inne funkcje w świecie roślin. Może ograniczać wpływ metali ciężkich na przyrost tkanki roślinnej, ale niekoniecznie zmniejsza ich akumulację w tkankach. Ma też wpływ na biochemię komórkową podobnie do tego, co obserwuje się przy reakcjach roślin na stres związany z suszą lub zasoleniem gleby.

A czym są fitoestrogeny, o których można dużo usłyszeć w przestrzeni medialnej? To związki typowe dla roślin, mające strukturę podobną do estrogenów, w związku z czym mogą reagować z receptorami estrogenowymi w organizmie zwierzęcym. Fitoestrogeny są stosowane w medycynie.  Wykazują pewne właściwości przeciwnowotworowe i mogą być przydatne w zapobieganiu chorobom serca. Są również stosowane w zaburzeniach menopauzy u kobiet.

Fot. W nagietku stwierdzono obecność estradiolu.

Progesteron

Progesteron jest hormonem steroidowym ssaków, odpowiedzialnym za utrzymanie ciąży, przebieg porodu i laktację, ale jest również obecny w roślinach, jednak jego rola jest tylko częściowo wyjaśniona. Jest natomiast potwierdzone, że w tkankach roślinnych zachodzi synteza tego związku.

U naparstnicy progesteron jest jednym ze związków pośrednich w biosyntetycznym szlaku glikozydów sercowych, wykorzystywanych w leczeniu ludzi. W sadzonkach słonecznika 17β-estradiol wraz z progesteronem mogą zwiększać wzrost pędów, ale hamować wzrost korzeni. Co ciekawe czasem jest tak, że niskie poziomy pobudzają wzrost roślin, a wysokie mają działanie hamujące.

Ponieważ progesteron jest naturalnym elementem metabolizmu drzew iglastych może się dostawać do wód gruntowych tam, gdzie trafiają odpady z zakładów, w których zachodzi przeróbka drewna lub produkowany jest papier.

Fot. W naparstnicy jest obecny progesteron. 

Testosteron

Wśród androgenów najbardziej znanym związkiem jest testosteron, który w świecie ssaków jest wytwarzany na dużo wyższym poziomie u samców. Jest związkiem, który wpływa na rozwój cech płciowych, a w późniejszym czasie np. na rozwój mięśni i związaną z tym siłę samca. W przypadku tego hormonu również zostało potwierdzone, że tkanki roślinne go syntetyzują. Dużą ilość można znaleźć np. w kukurydzy czy kiwi.

Ale standardową rośliną do badań w tym przypadku jest sosna. Zdecydowanie najwyższe stężenie testosteronu znajduje się w pyłku sosnowym, który jest produkowany przez męskie kwiatostany. W sośnie można też stwierdzić obecność fitoandrogenów, które analogicznie jak fitoestrogeny, mają podobną budowę do testosteronu i łączą się z jego receptorami u zwierząt.

W tkankach roślinnych testosteron pobudza wzrost pędów, rozwój kalusa (tkanki roślinnej powstającej w miejscu zranienia) oraz przyspiesza wydłużanie się komórek, zwiększa zawartość chlorofilu w liściach oraz pomaga aktywować w roślinach naturalne mechanizmy obronne.

Nie zawsze jednak działanie hormonów jest dobroczynne. Hormony płciowe mogą stymulować nieprawidłowości w budowie roślin. Na przykład u niektórych roślin zastosowanie estrogenów może wpływać negatywnie na całkowitą liczbę kwiatów albo zwiększa stosunek kwiatów żeńskich do męskich. Z kolei androgeny zwiększają stosunek kwiatów męskich. A wiadomo, że to, co jest najlepsze w przyrodzie, to równowaga.

Fot. Siewka sosny. Jak wyrośnie to jej pyłek będzie zawierał testosteron.

Podsumowując można stwierdzić, że najważniejszy wpływ hormonów płciowych w roślinach dotyczy:

• Fotosyntezy
• Poziomu cukrów
• Wymiany gazowej
• Zawartości chlorofilu
• Przepuszczalności błony komórkowej
• Zawartości i aktywności pigmentów w roślinach

Obecny stan wiedzy pozwala stwierdzić, że estrogeny i androgeny można uznać za rodzaj wspomagających regulatorów metabolizmu roślin (w stosunku do klasycznych hormonów roślinnych, takich jak auksyny, kwas salicylowy lub gibereliny)

Fot. Na grafice widoczne produkty roślinne zawierające neuroprzekaźniki takie jak serotonina czy dopamina. Niestety nie przechodzą przez barierę krew-mózg i nie możemy korzystać z ich dobroczynnego działania.

Neuroprzekaźniki

W roślinach można znaleźć wiele związków, które w świecie zwierząt związane są z pracą układu nerwowego, najczęściej z przekazywaniem informacji pomiędzy neuronami. Tabelka poniżej przedstawia cztery ze wspólnych dla fauny i flory neuroprzekaźników i ich rolę w każdej z grup.

Fot. Koniczyna biała zawiera duży poziom histaminy

Enzymy trawienne

Nie jest tak, że rośliny mają przewód pokarmowy jak przedstawiciele fauny, w którym zachodzą procesy trawienne i potrzebne są do tego enzymy. Jednak w świecie jednych i drugich można odnaleźć te same lub prawie identyczne enzymy. Bo skoro w tkance roślinnej występują białka czy cukry, to przydałoby się coś, co podzieliłoby je na mniejsze kawałki.

Amylaza

Występują trzy typy amylazy: alfa-amylaza (α-amylaza), beta-amylaza (β-amylaza) oraz gamma-amylaza (γ-amylaza), przy czym wspólna dla roślin i ssaków jest alfa-amylaza. W świecie zwierząt produkowana jest przez ślinianki oraz trzustkę i jest enzymem rozkładającym skrobię.

W tkankach roślinnych, duża jej ilość stwierdzana jest szczególnie w kiełkujących ziarnach zbóż, gdzie hydrolizuje skrobię zapasową. Fizjologiczne znaczenie amylazy w kiełkowaniu zbóż polega na uruchomieniu rezerw energetycznych nasion, co umożliwia rozwój zarodka i wzrost młodej siewki, zanim roślina zacznie przeprowadzić fotosyntezę.

Wszystko zaczyna się od tego, że nasionko wchłania wodę, a to powoduje produkcję fitohormonu gibereliny. Pod wpływem gibereliny rozpoczyna się produkcja amylazy. Gotowe enzymy są wydzielane do wnętrza bielma, gdzie zdeponowane są ziarenka skrobi. Powstają cukry proste potrzebne do wzrostu młodej rośliny. Amylazy są także syntezowane w owocach wielu roślin podczas dojrzewania.

Fot. Ślimaki są jednymi z organizmów w świecie zwierząt, które syntetyzują celulazę w przewodzie pokarmowym.

Pepsyna

W świecie zwierząt pepsyna jest enzymem produkowanym z pepsynogenu wydzielanego przez komórki żołądka pod wpływem pokarmu. Przedstawiciele flory nie wytwarzają identycznego enzymu, a tylko podobne enzymy z grupy proteaz. Znaczna ich ilość występuje w papai, ananasie czy kiwi. Ich roślinne nazwy to między innymi:

 → papaina – występująca w papai

→ ficyna – proteaza obecna m.in. w soku mlecznym figowców,

→ aktynidyna – proteaza w owocach kiwi.

→ bromelina – stwierdzana w ananasach

To właśnie dlatego świeży ananas, papaja czy kiwi mogą zmieniać strukturę białek i np. utrudniać przygotowanie niektórych deserów na bazie żelatyny.

A za co odpowiedzialne są proteazy roślinne?

• kiełkowanie nasion – rozkładają białka zapasowe, dostarczając aminokwasów rozwijającej się roślinie
• starzenie się liści – uczestniczą w kontrolowanym rozkładzie białek
• ponowne wykorzystanie składników odżywczych
• odpowiedź na stres i patogeny
• regulację procesów rozwojowych.

Rośliny mięsożerne, czyli dzbaneczniki i rosiczki, produkują enzymy zwane nepentezynami. Są to proteazy aspartylowe, funkcjonalnie podobne do pepsyny, które uczestniczą w trawieniu białek zdobyczy. Ogólnie rośliny mięsożerne produkują różne enzymy trawienne. Ich sok trawienny może zawierać również fosfatazy i enzymy rozkładające chitynę.

Bilirubina

Choć bilirubina nie jest enzymem trawiennym, jednak powstaje w układzie pokarmowym, dlatego ją tutaj umieściłam. Jest to barwnik żółciowy powiązany z przemianą hemoglobiny w wątrobie. Powstaje wskutek degradacji części porfirynowej hemu. Odpowiedzialna jest za żółty kolor skóry przy poważnych chorobach wątroby i schorzeniach połączonych z rozpadem krwinek czerwonych. U strelicji, roślinie występującej naturalnie w południowej Afryce, jest barwnikiem, który nadaje intensywnie pomarańczowy kolor. U tej rośliny substratem są struktury obecne w ich komórkach, związane m.in. z metabolizmem chlorofilu. A co wspólnego ma hemoglobina i chlorofil?

Fot. Kwiaty strelicji zawierające bilirubinę.

Hemoglobina i chlorofil

Mimo tego, że wydaje się, że są to dwa różne światy, jednak ich ewolucja miała miejsce jednocześnie i dlatego można znaleźć tyle podobieństw. Najciekawsze jest podobieństwo w budowie cząsteczek hemoglobiny i chlorofilu, a dokładnie ich pierścienia porfirynowego. Główną różnicą jest to, że w hemoglobinie w środku znajdziemy żelazo, a w chlorofilu magnez. Oba te związki związane są z transportem gazów i energii. Dodatkowo oba mają funkcję barwnika. Hemoglobina nadaje czerwony kolor, a chlorofil zielony.

Ryc. Porównanie cząsteczki hemoglobiny i chlorofilu.

Dlaczego tak wiele podobieństw możemy zauważyć w świecie roślin i zwierząt, choć na pierwszy rzut oka, wyglądają zupełnie inaczej? Ponieważ wiele mechanizmów enzymatycznych jest bardzo starych ewolucyjnie. W tym samym czasie rozwijała się na naszej planecie fauna i flora i korzystała z podobnych zasobów środowiskowych.

Źródła: