SEKUNDÁRNÍ METABOLITY

Pojem sekundární metabolit označuje látky produkované rostlinami (houbami a mikroorganismy) v reakci na vlivy prostředí, především jako jejich obrannou reakci. Sekundární metabolity tedy nejsou esenciální pro průběh životního cyklu a nehrají hlavní roli při růstu a vývoji. Biosyntetické dráhy sekundárních metabolitů jsou unikátní a vycházejí z několika metabolitů primárních. Procesy sekundárního metabolismu probíhají jen v určitých pletivech, jen u určitých skupin organismů, či jen v některém období vývoje organismu. Jejich funkcí je ochrana před stresem, mikrobiální infekcí, napadení parazity, ale také tvoří atraktanty pro opylovače a distributory semen a účastní se alelopatických reakcí. Sekundární metabolity jsou po chemické stránce různorodé látky. Dráhy jejich vzniku jsou specifické pro čeledi, rody i druhy. Sekundární metabolity mají kromě ochranné funkce pro rostliny i schopnost působit na živočichy i člověka. Jsou sledovány jejich antioxidační a farmakologické účinky. Mohou být přítomny ve všech částech rostliny, i v květech a pylu. Zpravidla mají v rostlinách obranné funkce a mají velmi široké spektrum účinků na živočichy. V pylu a nektaru se vyskytují v malých koncentracích a stimulují tak lepší zapamatování pro opylovače. Je to tedy chemická komunikace organismu s jeho prostředím nebo ostatními organismy. Po chemické stránce jsou sekundární metabolity vysokomolekulární látky jako například proteinové jedy (ricin, botulotoxin, jedy muchomůrek nebo hadů). Častější jsou látky nízkomolekulární, které jsou syntetizovány ve větším množství za nižší spotřeby energie. Mezi tyto látky patří například alkaloidy, isoprenoidy, éterické oleje nebo pryskyřice.

Společné rysy obou metabolismů plynou z jejich společného původu. Za nejpravděpodobnější způsob evoluce genů, které exprimují produkty pro sekundární metabolismus, se považuje duplikace genů primárního metabolismu a jejich následná diversifikace.

FYTOCHEMICKÉ ZNAKY ČELEDI RUBIACEAE

Nejčastější alkaloidy v Rubiaceae jsou iridoidy, antrachinony, triterpeny, indolové alkaloidy a další různé skupiny alkaloidů. Nejvýznamnějším alkaloidem získávaným z čeledi mořenovitých je z indolových alkaloidů chinin z chinovníku a z purinových alkaloidů kofein. Většina druhů čeledi mořenovitých obsahuje velké množství sekundárních metabolitů, jako jsou iridoidy, sekoiridoidy, alkaloidy různého typu, šikimátové anthranoidy, kumariny aj. Důležité produkty se získávají i z dalších mořenovitých rostlin.

Chinovník červený s drobnými řůžovými květy v latnatém květenství.

Chinovník červený
(Cinchona pubescens)

Je mohutný strom původem z tropických And, dnes pěstován v tropech celého světa. Poskytuje kůru s obsahem chinolinových alkaloidů (chinin, chinidin, cinchonin, cinchonidin aj.), které mají významnou roli v terapii malárie. Jejich spektrum využití je však mnohem širší. Lze je využít jako antiarytmikum nebo k léčbě nechutenství, dyspeptických potíží, intermitentních teplot, neuralgií a mimo jiné také v toniku.

Hlavěnka dávivá, plody a květy.

Hlavěnka dávivá
(Carapichea ipecacuanha)

Je původem z Jižní Ameriky. Z kořenů se vyráběl přípravek jako dávidlo, které způsobuje silné zvracení, proto se používal jako nouzová léčba při náhodné otravě (obsahuje např. emetin).

Gambirovník trpký, květenství.

Gambirovník trpký
(Uncaria gambir)

který je původem z Indomalajsie, je šplhavá liána s drobnými květy. Byl používán ke žvýkání spolu s betelem, což je čtvrtá nejčastěji ve světě používaná droga.

Kratom, květenství.

Kratom
(Mitragyna speciosa)

je tropický strom, který obsahuje mnoho alkaloidů (mitragynin, 7-hydroxymitragyny). Ze sušených listů se v Indočíně a jihovýchodní Asii získává tradiční povzbuzující a léčivý prostředek.
V mírném pásu je rozšířen rod svízel (Galium), který obsahuje vytrvalé byliny s přímou, nevětvenou, čtyřhrannou lodyhou a s malými čtyřčetnými květy nesenými na koncích stonků.
Svízel vonný (dříve mařinka vonná) (Galium odoratum) má listy a palisty v 6-9četných přeslenech. Květy tvoří složené květenství – latu vidlanů. Rostlina obsahuje iridoidní glykosidy (asperulosid), kumariny. Kumariny prokazují antibakteriální a protizánětlivý účinek. Droga je v tradiční medicíně doporučována pro prevenci a terapii zánětu horních cest dýchacích a zažívacího traktu. (Redaktoři Encyclopaedia Britannica 2020).

ALKALOIDY

Alkaloidy byly užívány jako léčiva a drogy už dávno v lidské historii. Asi 20 % rostlinných druhů produkuje alkaloidy, a každý́ z nich se vyznačuje unikátním a definovaným spektrem těchto látek. Alkaloidy jsou dusíkaté heterocyklické sloučeniny syntetizované z aminokyselin. Ochota rostlin investovat cenný́ dusík do těchto sloučenin napovídá o jejich důležitosti. V rostlinách plní především funkci ochrany proti škůdcům a patogenům, protože mají toxické účinky na živočichy. Díky svým účinkům slouží rostlině jako ochrana proti býložravcům a patogenům.

CHEMICKÉ LÁTKY V KÁVĚ

Kvalita kávy je dána vysoce komplexní a širokou škálou sloučenin, které se během vývoje plodu mění. Káva obsahuje více než 2 000 chemických sloučenin, které dodávají nápoji jeho vůni a chuť. Mezi tyto látky patří sacharidy, proteiny, aromatické látky, oleje a vosky, taniny, minerály (chrom a hořčík, které zajišťují kontrolu hladiny cukru v krvi a správné využití inzulínu), kyseliny, alkaloidy. Všechny tyto složky významně ovlivňují kvalitu kávy. Některé studie ukazují, že káva s kofeinem i bez kofeinu má stejný účinek, což naznačuje, že v kávě jsou i jiné účinné látky. Některé složky zůstávají stabilní, jiné jsou degradovány během pražení, což způsobuje vznik příchutí.

Vzorec kahweolu C20H26O3.

Cafestol a kahweol

Mezi intenzivně sledované látky obsažené v kávě patří diterpeny cafestol a kahweol. Jedná se především o jejich vliv na snížení rizika diabetu druhého typu a snížení rizika některých typů rakoviny, navíc blahodárně působí na játra. Cafestol stimuluje sekreci inzulinu, ale také dlouhodobě zvyšuje vychytávání glukózy v buňkách kosterního svalstva a také tam zvyšuje periferní senzitivitu k inzulinu. Nadměrná konzumace může zvyšovat hladinu cholesterolu, ale filtrovaná káva má minimální množství těchto látek, protože lipidové složky zůstanou zachyceny na papírovém filtru.

Vzorec kyseliny chlorogenové C16H18O9.

Kyseliny

Kyselost je jedna ze základních vlastností kávy. Intenzita kyselosti má velmi významný vliv při senzorickém hodnocení kávy. Zelená káva obsahuje těkavé i netěkavé alifatické kyseliny a fenolové kyseliny. Hlavní netěkavé kyseliny jsou chlorogenové kyseliny, kyselina citrónová, kyselina jablečná a kyselina chinová. Těkavé kyseliny představují hlavně kyselina mravenčí a octová. Chlorogenové kyseliny (CGA) jsou fenolické látky vznikající esterifikací trans-skořicových kyselin (hlavně kávové, ferulové a p-kumarové kyseliny) s hydroxylovými zbytky kyseliny chinové. Chlorogenové kyseliny mají mnoho užitečných vlastností, jako je antioxidační aktivita, antikarcinogenní potenciál, zpomalení uvolňování glukosy do krve po jídle a silné protizánětlivé, antibakteriální vlastnosti.

Vzorec kofeinu  C8H10N4O2.

Kofein

Kofein je studován více než kterákoli jiná složka v kávě. Coffea arabica prokazuje v semenech nižší obsah kofeinu (0,6–1,8 %) ve srovnání s Coffea robusta (1,2–4,0 %). Rozdílná schopnost produkovat kofein je dána odlišným genotypem kávovníku. Kromě genotypu je akumulace kofeinu a konečná koncentrace ovlivněna také prostředím, především intenzitou slunečního záření. Stínění zpožďuje zralost kávy přibližně o měsíc a biochemické složení se významně liší v různých fázích vývoje semen, proto je obtížné učinit závěr o vlivu odstínu třešně na obsah kofeinu. Vysoká nadmořská výška je dalším faktorem snižujícím obsah kofeinu. (Perrois et al. 2015)

Vzorec Trigonellinu C7H7NO2.

Trigonellin

Vedle kofeinu je trigonellin druhým nejhojnějším alkaloidem v kávových zrnech (0,3 do 1,3 %). Jako derivát pyridinu je trigonellin dalším původcem aroma, který přispívá k žádoucím aromatickým produktům vznikajícím při pražení kávy, včetně pyrazinu, furanů, alkylpyridinů a pyrrolů. Trigonellin se rychle rozkládá v závislosti na teplotě, pražením se proměňuje v kyselinu nikotinovou neboli niacin (vitamín B3). Spotřeba kávy 3,5 standardních šálků denně představuje jednu třetinu minimálního požadavku na stravu pro kyselinu nikotinovou pro dospělého. Káva je proto významným dietetickým zdrojem kyseliny nikotinové.

BIOSYNTÉZA KOFEINU V KÁVOVNÍKU

Biosyntéza kofeinu probíhá v listech a především v oplodí plodů. Ve starých listech je obsah kofeinu nižší, neboť nastává jeho rozklad. V semenech je kofein přítomen jako sůl kyseliny chlorogenové (CGA). Oplodí se skládá z několika vrstev: exokarpu, mezokarpu a endokarpu.

Exokarp přetrvává jako zeleně zbarvená tkáň během vývoje kávového plodu, přechodně se zbarví žlutě a poté v konečné fázi vývoje červeně. Změna barvy je způsobena zmizením chlorofylových pigmentů a akumulací antokyanů v posledních fázích zrání plodů.

Mezokarp je bohatý na sacharidy (monosacharidy i sacharózu) a vodu. Stejně jako v jiných rostlinách je endosperm kávy triploidní tkáň nesporofytického původu. Z biochemického hlediska bylo prokázáno, že během dozrávání semen dochází k výměnám sacharidů a organických kyselin mezi tkáněmi perispermu a endospermu. V oplodí světlo silně stimuluje methylační krok syntézy kofeinu. Když semeno uvnitř ovoce začne růst, kofein je přemístěn membránami a hromadí se v endospermu. Obsah kofeinu není zásadně ovlivněn zpracováním po sklizni ani pražením. Kofein se tvoří v nezralých kávových plodech a postupně se hromadí během vývoje semen.

Jako typický purinový alkaloid je kofein (1,3,7-trimethylxanthin) syntetizován hlavně prostřednictvím tří methylačních kroků, protože kofein patří mezi methylované puriny, stejně jako teofylin a teobromin. Biosyntéza purinového jádra probíhá za účasti ribosy, která se sice reakce přímo neúčastní, ale je nositelem meziproduktů reakce. Nakonec vzniká xantosinmonofosfát, u kterého dochází k odštěpení ribosy za vzniku xantinu, přičemž methylací vzniká kofein.

ANALYTICKÉ METODY KE STANOVENÍ KOFEINU

Při výrobě kávy jsou pro vývoj procesu a kontrolu kvality vyžadovány analytické metody s vysokou propustností a nákladovou efektivitou. Metody získávání analytických dat stojí také za objevem dalších sloučenin v kávě a odhalují související chemické procesy. Standardní analytické metody pro stanovení kofeinu využívají chromatografickou separaci a spektrometrickou analýzu.

EVOLUČNÍ STRATEGIE V TVORBĚ KOFEINU

Kofein a ostatní purinové deriváty mají výrazné stimulační účinky a jsou principem působení kávy i čaje. Schopnost tvořit kofein se u rostlin utvořila v evoluci několikrát. Kofein je metabolitem celé řady rostlin. Vyskytuje se v listech, semenech a plodech nejméně 63 rostlin. Nejznámější jsou kávová zrna (Coffea arabica), kakaové boby (Theobroma cacao), cola ořechy (Cola acuminata), čajové lístky (Camellia thea), lístky maté (Ilex paragueyensis) a guarana (Paullinia cupana). Podle sekvenování kávovníkového genomu bylo odhaleno, že se kofein vyvinul samostatně v kávě a v jiných rostlinách, jako je čaj, což naznačuje biologicky důležitou roli kofeinu. Kofein slouží jako přírodní pesticid. Nejvyšší obsah mají rostliny, které jsou olistěné, ale chybí jim mechanická ochrana. Kofein ochromuje a zabíjí určité druhy hmyzu, které se živí těmito rostlinami. Vysoký obsah se nachází i v zemi, ve které rostou semenáčky kávovníku. Kofein tedy slouží nejenom jako přírodní pesticid proti hmyzu, ale také brání tomu, aby se v okolí vysemenila jiná rostlinka, která by obírala semenáček o živiny.

MECHANISMUS PŮSOBENÍ KOFEINU

Jednou z nejsledovanějších složek kávových zrn je kofein, alkaloid ze skupiny purinových alkaloidů, nejrozšířenější a společensky přijímaný přírodní stimulant centrálního nervového systému. Kofein zvyšuje bdělost, koncentraci, energii, snižuje únavu a zvyšuje fyzický výkon, srdeční frekvenci i krevní tlak. Funguje také jako bronchodilatátor, diuretikum a stimulant pro střevní peristaltiku.

Hlavním mechanismem účinku kofeinu v centrálním nervovém systému je jeho schopnost působit jako antagonista adenosinu, protože má podobnou strukturu. Adenosin je přirozeně se vyskytující purinový nukleosid, který vzniká rozpadem ATP (adenosintrifosfát). ATP je primární zdroj energie v buňkách pro transportní systémy a mnoho enzymů.

Extracelulární adenosin iniciuje většinu svých účinků aktivací adenosinových receptorů. Adenosinové receptory jsou zásadními mediátory buněčné signalizace, které hrají zásadní roli při ochraně tkání a orgánů před poškozením. Zejména adenosin spouští ochranu a opravu tkání různými mechanismy zprostředkovanými receptory, včetně zvýšení poměru kyslíku. Adenosin je součástí mechanismů řídících aktivitu tělesných tkání, tedy jedna z látek, které navozují spánek. Organismus tvoří adenosin, který tlumí neurony, prostřednictvím vazby na adenosinové receptory (podtyp A1). Po jejich utlumení cítíme únavu a usínáme. Adenosinové receptory jsou v plazmatické membráně buněk. Změna konformace, která vznikne navázáním adenosinu, aktivuje další proteiny v kaskádách biochemických dějů, které způsobují zpomalení funkce neuronů a tím způsobují ospalost. Tyto receptory se vyskytují nejen v centrální nervové soustavě, ale i v srdeční svalovině, cévním a imunitním systému, na buňkách trávicího traktu, v ledvinách, plicích i třeba játrech.

ODBOURÁVÁNÍ KOFEINU V LIDSKÉM TĚLE

Po požití se kofein dostává do tenkého střeva, odkud je vstřebán do krve a rozváděn po celém těle. Maximálního účinku je dosaženo do 60 minut po konzumaci. Během odbourávání je kofein metabolizován v játrech postupnou degradací, která zahrnuje jeho demethylaci a oxidační degradaci na kyselinu močovou a poté až na oxid uhličitý a amoniak. Produkty rozkladu se vylučují ledvinami a plícemi. Poločas rozpadu se pohybuje od 2,5 do 4,5 hodiny. Asi 5 % kofeinu se vylučuje beze změny.

Veškerá díla a jiné předměty ochrany chráněné autorskými a souvisejícími právy, která jsou součástí portálu www.cestakavy.cz, jsou opatřena licencí Creative Commons 4.0 BY-NC-SA (viz https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/legalcode.cs).
Cesta kávy: Tvorba digitálního vzdělávacího nástroje ve společnosti NORDBEANS s.r.o./ CZ.02.3.68/0.0/0.0/18_067/0012421 - Digitální vzdělávací nástroj, který inovativním způsobem představuje průřezové téma kávy v návaznosti na RVP podporující inovaci výuky na středních a středních odborných školách v ČR.