12. Organická chémia v živej prírode

Transcript

1 12. Organická chémia v živej prírode PETER SZOLCSÁNYI Je asi úplne nemožné predstaviť si živú prírodu okolo nás, ktorej sme integrálnou a neodmysliteľnou súčasťou, bez existencie organickej chémie. A je úplne jedno, či ide o lišajník, baktériu, delfína alebo človeka. Všetky organizmy sú na tejto planéte prítomné a fungujú na základe presne rovnakých (bio)chemických reakcií: tých, vďaka ktorým lišajník fotosyntetizuje, baktéria parazituje, delfín pláva a človek (niekedy) myslí. Keď sa na chvíľu zastavíme, pozorne sa rozhliadneme okolo seba a zamyslíme sa nad tým, čo vlastne vidíme, zrazu si uvedomíme fascinujúcu skutočnosť, že za širokou škálou rôznych prejavov života na makroskopickej úrovni stojí len zopár fundamentálnych a všeobecne platných chemických zákonov. A v tom okamihu sme pripravení vydať sa na vzrušujúcu cestu za úžasným dobrodružstvom pozorovať a spoznávať živú prírodu v celej jej kráse a rozmanitosti prostredníctvom organických molekúl. Organická chémia v rastlinnej ríši Prvé živé organizmy, ktoré súčasná biológia klasifikuje ako rastliny, sa objavili na našej planéte asi pred 3 miliardami rokov. Boli to zelenomodré riasy, ktoré žili v prehistorických moriach a ktoré sa dodnes vyskytujú vo svojich typických vodných habitatoch. V tom dávnominulom čase tvorila pozemskú atmosféru nedýchateľná zmes plynov (CH 4, N 2, CO 2 ), ktorej chemické zloženie dokázali v priebehu niekoľkých stoviek miliónov rokov rastliny radikálne zmeniť vďaka fotosyntéze. 1 Znížili sa ňou koncentrácie toxických látok v ovzduší na fyziologicky tolerovateľné úrovne a čo je ešte dôležitejšie, pribudol kyslík nevyhnutný pre život vyšších organizmov. Možno povedať, že chlorofyl v zelených rastlinách 2 vlastne umožnil vznik a evolúciu živočíchov vrátane človeka, nakoľko praveká fytomasa im okrem produkcie životodarného plynu svojím obsahom glukózy (C 6 H 12 O 6 ) slúžila aj ako dôležitý zdroj potravy (obr. 12.1). 181

2 Obr Najdôležitejšia biochemická reakcie v prírode fotosyntetický proces produkcie kyslíka pomocou chlorofylu. Okrem kľúčovej a ničím nenahraditeľnej úlohy fytoorganizmov v histórii živočíšnej ríše, špeciálne pre človeka predstavujú rastliny ešte aj mnoho iného: obklopujeme sa nimi pre ich príjemnú vôňu a farebnú krásu, konzumujeme ich pre obsah vitamínov a šťavnatú chuť (hoci niektorí jedinci ich dokonca fajčia) a sú aj zdrojom energie pre našu techniku (uhlie, ropa a zemný plyn). Poďme sa teda pozrieť do ich málo známeho a tak trochu tajomného, ale o to zaujímavejšieho sveta! Chemická komunikácia rastlín Napriek samozrejmému faktu, že rastlinné organizmy sú nemé a nedokážu (sa) rozprávať, prebieha medzi nimi mimoriadne živá komunikácia. Tú však naše ľudské zmysly nedokážu postihnúť ide totiž o chemickú komunikáciu. Tkanivá rastlín produkujú fytohormóny, ktoré sprostredkúvajú ich botanické dorozumievanie sa. Ide o špecifické organické zlúčeniny, ktoré koordinujú dôležité fyziologické pochody, ako je klíčenie semien, rast a vývoj organizmu, dozrievanie plodov, reprodukcia a interakcie s prostredím. Podľa miesta ich účinku ich možno rozdeliť do 2 skupín: na hormóny, ktoré môžu vyvolať iba lokálny efekt priamo v mieste ich syntézy; na molekuly, ktoré po ich transporte následne pôsobia v oblastiach vzdialených od miesta vzniku. Hoci väčšina fytohormónov druhej kategórie sa prenáša pomocou interného vaskulárneho systému rastlín, existuje aj skupina takých signálnych molekúl, ktoré rastliny uvoľňujú do ovzdušia: patrí sem napríklad etén (etylén, CH 2 =CH 2 ). Tento najjednoduchší nenasýtený uhľovodík syntetizujú a následne uvoľňujú do okolitého prostredia rýchlo rastúce pletivá koreňového systému (napr. meristémy), starnúce kvety a dozrievajúce plody rôznych rastlín jeho bohatým zdrojom sú napríklad tmavé škvrny na šupke zrelého banánu (čeľaď Musaceae). Etylén účinkuje už vo veľmi nízkych koncentráciách a vyvoláva široké spektrum rôznych fyziologických efektov: nielen že 182

3 podporuje dozrievanie ovocia, 3 ale dokonca spôsobuje aj postupné zakrpatievanie rastlín, ktoré sú buď dlhodobo vystavené silnému vetru, alebo sa ich niečo opakovane fyzicky dotýka. Keďže rastliny sú pevne ukotvené svojimi koreňmi v podklade, na ktorom rastú, nemôžu sa aktívne a samostatne presúvať z jedného miesta na druhé. To však vôbec neznamená, že sú úplne statické. Skôr naopak: veľmi citlivo reagujú na rôzne externé faktory, ako sú svetlo, tma, teplota, vlhkosť alebo dotyk. Za unikátnou schopnosťou niektorých druhov rastlín reagovať na fyzické podráždenie okamžitým a navyše vizuálne postrehnuteľným pohybom je existencia ďalších známych fytohormónov sú nimi tzv. induktory pohybu listov (angl. leaf movement factors ). Pravdepodobne najznámejším botanickým reprezentantom s touto vlastnosťou je mimóza citlivá (Mimosa pudica), okrasná rastlina pôvodom z Brazílie, ktorá pri najmenšom dotyku rýchlo zatvára svoje rebrované listy jeden za druhým. Zistilo sa, že za týmto zaujímavým efektom je synergické pôsobenie jednotlivých komponentov trojzložkovej organickej zmesi, ktorá sa skladá z disodnej soli kyseliny L-jablčnej, horečnato-sodnej soli kyseliny (E)-akonitovej a dimetylamónium halogenidu (obr. 12.2). Obr Induktory pohybu listov mimózy citlivej. Botanik E. Kurosawa študoval v roku 1926 bakanae, pomerne rozšírenú chorobu ryže siatej (Oryza sativa). Vzhľadom na to, že táto hospodárska plodina predstavuje základ výživy obyvateľov Ázie, ochorenie spôsobovalo vážne hospodárske škody. Medzi jeho charakteristické symptómy patria bledožlté, nezvyčajne predĺžené semenáče s ochabnutými listami a zakrpatenými korienkami. Silne napadnuté rastliny odumierajú, kým ľahšie postihnuté jedince buď nevytvoria zrno vôbec, alebo len malé a neduživé. Japonský vedec si však všimol, že choré rastliny v porovnaní so zdravými rástli extrémne rýchlo a ako zistil, dôvodom boli giberelíny, rastové hormóny 4 produkované parazitickou hubou Fusarium moniliforme (pôvodne Gibberella fujikuroi). Dnes ich poznáme stovky, pričom najčastejšie sa vyskytujúcim zástupcom je pravdepodobne giberelín 452D (obr. 12.3). Každá vyššia rastlina produkuje 183

4 Obr Rastový hormón giberelín 452D. aspoň jeden rastový hormón, ktoré sa však vzájomne líšia svojou štruktúrou len málo. Napriek tomu vykazujú mimoriadne široké spektrum rôznych fyziologických účinkov: klíčenie semien, rast stonky a listov, kvitnutie kvetov, dozrievanie plodov a iné kľúčové pochody. Chemicky predstavujú giberelíny deriváty karboxylových kyselín, ktoré sú poskladané zo 4 izoprénových jednotiek tvoriacich charakteristické tetracyklické štruktúry. Tieto molekuly sú v rastlinných organizmoch syntetizované terpénovou kaskádou 5 v plastidoch a potom sú transportované do endoplazmatického retikula a cytosólu, kde následne dochádza k ich transformácii na biologicky aktívnu formu. Chemická obrana rastlín Za posledných 130 miliónov rokov histórie Zeme kolonizovali kvitnúce rastliny prakticky každý obývateľný kúsok tejto planéty od suchých vyprahnutých púští, vlhkých močaristých bažín a mrazivých zasnežených hôr až po teplé slnečné nížiny, bujné tropické pralesy a slané morské pobrežie. Za ten čas stihli nahradiť drvivú väčšinu rôznych prehistorických papradí a primitívnych semenných rastlín, ktoré v praveku predstavovali hlavný zdroj obživy dinosaurov. Zároveň sa im podarilo vytvoriť si s hmyzom a cicavcami komplexný a fascinujúci prírodný vzťah. Počas tohto mimoriadne dlhého časového obdobia evolúcie sa v rastlinách vyvinula široká škála dômyselných a unikátnych mechanizmov, ktoré ich chránia pred hladnými bylinožravcami. Medzi také zbrane patria napríklad listy a stonky vybavené trichómami (bodavými chĺpkami) alebo pichľavými ostňami. Mechanické zábrany však majú len obmedzené použitie a pravdepodobne by neodpudili všetkých predátorov, najmä malé druhy hmyzu. Pre tieto prípady sa v rastlinách postupne vyvinula schopnosť produkovať svoje vlastné chemické zbrane, t.j. také organické zlúčeniny, ktoré sú pre nepriateľských živočíchov odpudzujúce alebo toxické. Hádam každý z nás veľmi dobre pozná žihľavu dvojdomú (Urtica dioica). Tá má na svojich listoch a stonke okom takmer nepostrehnuteľné 184

5 priehľadné chĺpky, ktoré sú však zvnútra duté a celé naplnené leptavou kyselinou mravčou (HCO 2 H). Pri najmenšom fyzickom kontakte sa tieto ostré a krehké trubičky okamžite zabodnú do pokožky. Následne sa zlomia, ich dráždivý obsah sa vyleje do rany a my sa popŕhlime a tak sme sa vlastne nechtiac stali priamymi aktérmi už milióny rokov trvajúcej neľútostnej chemickej vojny rastlín so svojimi predátormi. Tak, ako dostatočne dlhý čas a genetická variabilita umožnili poľnohospodárskym škodcom naučiť sa tolerovať pesticídy, aj niektoré bylinožravce našli efektívny spôsob ako vzdorovať chemickej obrane rastlín. Výsledkom tohto kontinuálneho evolučného tlaku zo strany predátorov však bola biosyntéza čoraz sofistikovanejších prírodných fytotoxínov rastlinami. Taký je napríklad pyretrín II účinný botanický insekticíd (obr. 12.4) rôznych druhov chryzantém rodu Pyrethrum, ktorý je primárne produkovaný králikom cineráriolistým (Tanacetum cinerariaefolium). Obr Botanický insekticíd pyretrín II. Tieto rastliny patria medzi najznámejšie okrasné kvetiny a veľa ľudí ich považuje za úplne neškodné. Prítomnosť fytotoxínu v nich však môže u senzitívnych jedincov vyvolať závažné alergické prejavy, napr. kontaktné dermatitídy. Pyretrín II sa nachádza (spolu s ďalšími piatimi lipofilnými derivátmi) 6 v olejom vyplnených žliazkach na povrchu semien, ktoré sú umiestnené tesne jedna vedľa druhého a vytvárajú tak kompaktnú žltú hlavičku chryzantémy. Kvetina produkuje túto chemickú zmes na svoju ochranu pred hmyzom, pričom ho nielen efektívne odpudzuje (v mólovej koncentrácii 0,005 0,1 %), ale niektoré druhy aj spoľahlivo zabíja (pri koncentrácii nad 0,5 %). Z tohto dôvodu sa dnes bežne používajú ekologické insekticídne prípravky založené na báze pyretroidov (semisyntetických pyretrínov). Ich nespornou výhodou oproti iným preparátom je nielen ich biodegradovateľnosť (rýchly rozklad v životnom prostredí následne po aplikácii) a pomerne nízka toxickosť (letálna dávka u ľudí je mg.kg -1 ), ale najmä skutočnosť, že v laboratórnych testoch nevykazujú žiadne teratogénne a ani karcinogénne účinky. 185

6 Medzi najpočetnejšiu skupinu chemických obranných látok produkovaných rastlinami patria nepochybne alkaloidy. V súčasnosti je ich známych viac než , ktoré boli izolované z približne 300 rôznych rastlinných druhov. Chemicky ide o dusíkaté heterocyklické zásady, pričom pozícia N-atómu v uhlíkovom kruhu je pri rôznych typoch alkaloidov odlišná. A je zaujímavé, že práve jeho presná poloha v molekule rozhodujúcim spôsobom určuje jej kľúčové biologické vlastnosti. Napríklad kastanospermín (obr. 12.5), bicyklický polyhydroxylovaný indolizín produkovaný austrálskym gaštanom Castanospermum australe, je veľmi dobre známy tamojším chovateľom dobytka. Tento potentný fytotoxín totiž po požití listov alebo semien, Obr Fytotoxín kastanospermín. ktoré ho obsahujú v najväčšej koncentrácii, vyvoláva u postihnutých zvierat charakteristické lokomočné správanie (nekoordinované pohyby, strata rovnováhy) a spôsobuje im vážne tráviace ťažkosti, ktoré u mladších jedincov môžu dokonca spôsobiť až ich uhynutie. Rastlina syntetizuje kastanospermín veľmi pravdepodobne ako obrannú chemikáliu práve na odpudenie svojich bylinožravých predátorov. 7 Spoločnou charakteristickou vlastnosťou alkaloidov je ich nepríjemná, až odporne horká chuť, vnímaná približne rovnako asi všetkými cicavcami vrátane človeka. Ide pravdepodobne o evolúciou získaný fyziologický mechanizmus, ktorý chráni živočíchov pred požitím potenciálneho jedu a následnou (smrteľnou) intoxikáciou. Inšpirovaní touto skutočnosťou, organickí chemici pripravili Bitrex (obr. 12.6), pravdepodobne najhorkejšiu syntetickú molekulu na svete. Táto zlúčenina sa (vo forme benzoátovej soli) používa ako efektívne odpudzovadlo do rôznych výrobkov spotrebnej chémie (saponátov, čistiacich a dezinfekčných prípravkov používaných v domácnosti) so zámerom odradiť náhodného konzumenta (napr. deti) od požitia životu nebezpečného obsahu. 8 Nie každá prírodná dusíkatá zlúčenina je však natoľko toxická, že je a priori nekonzumovateľná. Napríklad kôra juhoamerického stromu Cinchona 186

7 Obr Bitrex. pubescens obsahuje alkaloid chinín, už po stáročia používaný v etnofarmakológii ako účinné antipyretikum, analgetikum a antimalarikum. Chinín sa práve pre svoju typickú zvieravú chuť využíva v nízkych koncentráciách (max. 83 ppm podľa FDA v USA) ako aditívum do horkých nápojov (tonikov). Ale predsa len je to potentný fytotoxín a z tohto dôvodu by malé deti a gravidné ženy nemali piť žiadne tekutiny s obsahom chinínu. Tie majú mimochodom jednu zaujímavú fyzikálno-chemickú vlastnosť: po ožiarení ultrafialovým svetlom (λ = 360 nm) tyrkysovo fluoreskujú (obr. 12.7). Obr Fluorescencia vodného roztoku chinínu. Organická chémia vo svete živočíchov Analogicky ako vo svete rastlín, aj v živočíšnej ríši je chemická komunikácia jedným z najdôležitejších spôsobov dorozumievania. Organizmus pri nej prijíma a/alebo vylučuje sémiochemikálie (signálne molekuly, gr. simeio 187

8 = signál), ktoré predstavujú špecifickú skupinu prchavých organických látok, ktoré sprostredkúvajú výmenu informácií medzi živočíchmi. Všeobecne možno tieto zlúčeniny rozdeliť do 2 hlavných skupín: a to na feromóny, 9 ktoré zabezpečujú komunikáciu medzi jedincami toho istého živočíšneho druhu a na alelochemikálie (gr. allelon = vzájomne) 10, ktorých prostredníctvom prebieha informačný tok medzi zástupcami rôznych druhov. Izolácia, 11 určovanie štruktúry, organická syntéza a štúdium biologických vlastností sémiochemikálií je v centre záujmu pomerne mladého interdisciplinárneho odboru chemickej ekológie. Táto vedná disciplína v sebe synergicky spája chémiu a biológiu s cieľom štúdia komunikácie príslušníkov rovnakého živočíšneho druhu aj ich medzidruhových interakcií. Chemická komunikácia hmyzu 12 Hmyz druhovo najbohatšie živočíšne spoločenstvo závisí pri rôznych situáciách svojho života pravdepodobne viac než ostatné skupiny živočíchov od čuchového a chuťového zmyslu. Vône a pachy sú pre hmyz nepostrádateľné pri hľadaní potravy, výbere optimálneho miesta na kladenie vajíčok, identifikácii a lokalizácii koristi, obrane a útoku pri napadnutí predátorom, výbere sexuálneho partnera, samotnom párení a organizovaní sociálneho života. Uskutočňovať všetky tieto činnosti nevyhnutné na prežitie mu sprostredkúvajú feromóny. Delia sa do niekoľkých skupín podľa rôznych kritérií a v súčasnosti sa najčastejšie používa ich nasledujúca klasifikácia: sexuálne feromóny umožňujú fyzické stretnutie oboch pohlaví a tak zvyšujú pravdepodobnosť úspešného párenia; agregačné feromóny zvyšujú počet jedincov v blízkosti ich zdroja a tým posilňujú ich obranu voči predátorom, umožňujú im prekonať rezistenciu hostiteľa a takisto zvyšujú aj pravdepodobnosť kopulácie; disperzné feromóny stimulujú k správaniu, ktoré vedie k zväčšeniu priestorového odstupu medzi jednotlivcami druhu, čo následne vedie k rovnomernejšiemu využitiu dostupných zdrojov potravy; poplachové feromóny vyvolávajú útek a ostatné druhy obranných reakcií, v špecifických prípadoch aj útok; stopovacie feromóny značkujú cestu k nájdenej potrave; značkovacie feromóny identifikujú miesto, na ktoré už bolo nakladené vajíčko (t.j. majú disperznú funkciu); 188

9 sociálne feromóny udržujú sociálne vzťahy a spoločenskú hierarchiu vo vnútri kolónií vrátane determinácie jednotlivých hmyzích kást, potláčania ovulácie, inhibície tvorby matečníkov, kŕmenia, poplachu a odstraňovania mŕtvol; juvenilné hormóny feromóny dospievania ovplyvňujúce fyziologický proces rastu a vývoja organizmu. Z chemického hľadiska predstavujú feromóny (až na pár výnimiek) viaczložkové zmesi zložené častokrát zo štrukturálne príbuzných organických zlúčenín. Najčastejšie ide o prchavé (ne)nasýtené alifatické uhľovodíky, alkoholy, aldehydy, ketóny a estery. Bežné typy sú aj kyslíkaté (hetero) cyklické molekuly ako napríklad epoxidy, laktóny a acetály, známy je však aj dusíkatý alkaloid (obr. 12.8). Obr Štruktúrna rozmanitosť hmyzích feromónov. Množstvo feromónov potrebné na efektívnu komunikáciu je vzhľadom na ich mimoriadnu biologickú účinnosť minimálne a pohybuje sa v rozsahu rádovo od stoviek molekúl (!) po niekoľko mikrogramov (µg). To ale znamená, že ich hmyz bude syntetizovať v nepatrných koncentráciách (priemerne v µg na jedinca) a teda ich (ne)dostupnosť cestou izolácie zo živočíchov predstavuje značný praktický problém. V takom prípade nastupuje na scénu organická syntéza so svojou efektívnou preparatívnou silou, ktorá je schopná v plnej miere nahradiť prirodzený zdroj vzácnej molekuly. Organická chémia tak poskytuje jej žiadané množstvo na potrebné účely či už biologické štúdium správania sa konkrétneho druhu sociálneho hmyzu (napr. mravcov a včiel), alebo na výskum a aplikáciu ekologickej kontroly nežiadúceho škodca (napr. lykožrúta lesklého alebo obaľovača jablčného, obr. 12.9). Polyfunkčnosť hmyzích feromónov je naozaj obdivuhodná. Niektoré alarmujú jedincov k obrane, čo je dobre známe správanie u včiel, ale dá sa pozorovať napríklad aj u cudzopasných vošiek slivkových (Hyalopterus pruni). Ak sa v ich blízkosti vylúči poplachový feromón (obr a) β-farnezén (napr. v prítomnosti predátora zlatoočky škvrnitej Chrysopa perla), začnú sa 189

10 Obr Funkčná rôznorodosť hmyzích feromónov. okamžite rozliezať zo svojej mnohopočetnej kolónie, alebo dokonca hromadne opadávajú z listov parazitovaných rastlín (priestorový rozptyl a útekové správanie ako obranná taktika). Ďalšie sémiochemikálie, napríklad známe stopovacie feromóny mravcov umožňujú neomylné vyznačenie spoľahlivej cesty, ktorá vedie k zdroju potravy. Iné naopak oznamujú jeho obsadenie už dostatočným počtom 190

11 Obr Feromóny a) β-farnezén, b) 1,3-dimetyl-2,9-dioxabicyklo[3.3.1]nonán. hmyzích jedincov, ako napríklad disperzný feromón 1,3-dimetyl-2,9-dioxabicyklo[3.3.1]nonán (obr b), ktorý vylučujú drevokazy čiarkované (Trypodendron lineatum) pri nálete určitého množstva jedincov na padnutý strom. Na rovnakom signálnom princípe funguje aj heptanal /CH 3 (CH 2 ) 5 CHO/, feromón vrtivky čerešňovej (Rhagoletis cerasi), ktorým samičky po nakladení vajíčka chemicky označia povrch čerešne. Takýmto spôsobom informujú svoje súkmeňovkyne o tom, že tento konkrétny plod je už obsadený a majú si hľadať iný inkubátor a to je hlavný dôvod, prečo len výnimočne nájdeme v jednej čerešni viac ako jednu larvu. Chemická obrana hmyzu Hmyz však nepoužíva rôzne organické zlúčeniny len ako signálne molekuly. Častokrát ide aj o mimoriadne účinné chemické zbrane a niektoré druhy termitov ich aplikujú dokonca preventívne! Klimatizované prostredie termitísk síce poskytuje svojim obyvateľom komfortné zázemie a zároveň ich aj fyzicky ochraňuje pred mnohými nebezpečenstvami vonkajšieho sveta. Nie všetky druhy termitov sa však spoliehajú len na hrúbku stien svojich monumentálnych hradov. Taiwanský podzemný termit Coptotermes formosanus používa pri ochrane svojho domova dosť netradičný spôsob. Zmes jeho slín, exkrementov a rastlinného materiálu, z ktorej si buduje svoje hniezda, totiž obsahuje značné množstvo na alénu ( g na 1 kg stavebnej zmesi). Ten sa vzhľadom na svoje fyzikálno-chemické vlastnosti neustále odparuje a je prítomný v celom ekosystéme termitiska. Na alén je mimoriadne účinná bojová látka 13 zabíja členovce, mikróby, rôzne parazity a zároveň odpudzuje vtáky a cicavce. Termity ocenia najmä jeho smrtiaci účinok na patogénne huby, ktoré často decimujú ich populácie, na parazitické hlístice a hlavne 191

12 mravce druhu Solenopsis invicta, ktoré sú jedným z ich hlavných predátorov. Termity sú samozrejme proti toxickému pôsobeniu na alénu odolné a dokonca ani také koncentrácie, ktoré už mravcov totálne paralyzujú, nemajú na termity žiadny evidentný vplyv. Navyše sa ukazuje, že funkcia na alénu v termitisku nebude obmedzená iba na chemickú obranu, ale zrejme bude hrať významnú úlohu aj v etológii termitích kást. Iný, celkom priamy spôsob chemickej obrany používa africký chrobák Stenaptinus insignis. Pri svojom fyzickom ohrození vystreľuje zo žľazy na konci zadočku smrtiaci koktejl na predátora, ktorým sú v jeho prípade najčastejšie mravce, pavúky a žaby. Tieto chrobáky druhu Brachinus majú totiž problém. Na rozdiel od komárov, múch, motýľov a iného lietajúceho hmyzu sa nedokážu okamžite vzniesť do vzduchu a uniknúť tak priamemu nebezpečenstvu, nakoľko krídla majú schované pod tvrdými ochrannými krovkami (podobne ako napr. chrústy). Teda trvá istú chvíľu, kým ich vybalia a sú pripravené na použitie. Toto kritické časové oneskorenie je však v stave ohrozenia neakceptovateľné a tak príroda a evolúcia vybavili chrobáka účinným obranným systémom. Skladá sa z dvoch oddelených komôrok (žliaz), ktoré sa nachádzajú v podbrušku a vlastne predstavujú chemické zásobníky. V tom väčšom produkuje chrobák fenolické aromáty hydrochinóny 14 a silný oxidant peroxid vodíka (H 2 O 2 ), kým v menšom sa biosyntetizujú oba potrebné enzýmy kataláza a peroxidáza. 15 Ak sa cíti živočích ohrozený, svaly, ktoré obopínajú rezervoár, vytlačia obe chemikálie do reakčnej komôrky s enzýmami. Tu kataláza okamžite rozštiepi peroxid vodíka a následne sa pomocou peroxidázy zoxidujú hydrochinóny na toxické benzochinóny. Reakcia je silno exotermická (t.j. produkuje teplo, H = -203 kj/mol pri 25 C) a navyše sa pri nej uvoľní plynný kyslík, ktorý vytvára potrebný pretlak a chrobák je vďaka tomu schopný vystreliť svoj letálny kvapalný projektil o teplote až 100 C a s neuveriteľnou frekvenciou 500 pulzov za sekundu. Túto chemickú streľbu dokonca sprevádzajú zreteľne počuteľné detonácie (obr )! Obr Biosyntéza chinónov a ich použitie ako chemických zbraní. 192

13 Použitie chemických zbraní v prírode nie je nutne obmedzené len na hmyz, naopak, sú známe mnohé iné živočíchy, ktoré využívajú tento účinný spôsob obrany. Niektoré druhy žiab, osobitne tie, ktoré pochádzajú z trópov, syntetizujú a vylučujú široké spektrum rôznych alkaloidov, ktorých požitie môže byť pre cicavce až fatálne, a to dokonca pri veľmi nízkych dávkach. 16 Taký je napríklad epibatidín (obr ) dusíkatá bicyklická zlúčenina, ktorú produkuje malá a (pre výstrahu) nádherne sfarbená žabka Epipedobates tricolor, žijúca v dažďových pralesoch Ekvádoru. Obr Alkaloid epibatidín. Ide o taký silný jed, že dokáže paralyzovať a zneškodniť aj mohutného byvola riečneho (Bubalus bubalis), ktorý bežne váži aj jednu tonu! Žabka produkuje epibatidín (ako hlavnú súčasť smrtiaceho koktejlu rôznych lipofilných alkaloidov) z granulárnych žliaz umiestnených na chrbte a jeho úlohou je odpudzovanie a zabíjanie predátorov, ktoré by mali v úmysle obojživelníka skonzumovať. Po fyzickom kontakte s kožnými sekrétmi obsahujúcimi toxín(y) totiž dochádza k svalovej paralýze, kardiorespiračnej depresii (zástave dychu a srdca) a následnej smrti predátora. 17 Epibatidín je asi 200-krát účinnejším analgetikom ako morfín, bohužiaľ jeho terapeutické dávky sú pre ľudí už toxické. Na základe výsledkov intenzívneho chemicko-medicínskeho výskumu však bolo pripravených mnoho syntetických analógov epibatidínu, ktoré si zachovali unikátne analgetické vlastnosti pôvodnej štruktúry, ale už bez nežiaducich vedľajších účinkov. V tomto kontexte sa ako najúspešnejšia molekula javí zlúčenina ABT-594 (obr ) objavená v roku 1998 vedcami z farmaceutickej firmy Abbo Laboratories v Illinois (USA). Farmakologicky je rovnako účinná ako morfín, ale zároveň je netoxická a nenávyková 18 a predstavuje tak mimoriadne sľubnú alternatívu k dosiaľ používaným opioidným analgetikám. Dobre známy živočíšny jed je aj tetro- 193

14 Obr Sľubná alternatíva k opioidným analgetikám ABT-594. dotoxín (obr ), kyslíkatá organická zlúčenina, ktorá pripomína svojou klietkovou štruktúrou monosacharid a nachádza sa v pečeni a vaječníkoch exotickej ryby fugu (Fugu rubripes). 19 Toxický účinok tohto jedu spočíva v jeho schopnosti účinne blokovať sodíkové kanály na povrchu bunkových membrán neurónov. Tetrodotoxín tak narúša prirodzenú iónovú rovnováhu nevyhnutnú pre existenciu akčných potenciálov potrebných na prenos vzruchov, v dôsledku čoho je mimoriadne efektívny v blokovaní bolesti. Prvé nádeje vkladané do jeho potenciálnej medicinálnej aplikácie však boli veľmi rýchlo zmarené po zistení, že minimálne efektívne terapeutické množstvo tohto potentného neurotoxínu až 4-násobne presahuje jeho letálnu dávku, ktorá u dospelého človeka predstavuje menej ako 1 mg! Obr Jed tetrodotoxín. Homo olfactoricus alebo čuchová percepcia u ľudí Odhaduje sa, že približne 80 % všetkých dostupných informácií prijímame z okolia vizuálne. Zároveň je však úplne samozrejmý aj fakt, že ľudská komunikácia je primárne založená na reči a teda na schopnosti počuť vyslovené. Svet vnímaný zrakom a sluchom je tým každému (zmyslovo nepostihnutému) dôverne známy a slovne perfektne vyjadriteľný, čo spolu pochopiteľne veľmi úzko súvisí. V porovnaní s touto vizuálne-akustickou skúsenosťou je však pre človeka svet pachov a vôní racionálne takmer neuchopiteľný, ver- 194

15 Obr Chemická rôznorodosť odorantov. bálne ťažko opísateľný a silne emocionálny. Navyše, značná časť našich čuchových vnemov je vnímaná na podvedomej úrovni. Tieto vlastnosti sú pravdepodobnou príčinou toho, prečo sa až donedávna venovalo štúdiu čuchu relatívne málo pozornosti napriek tomu, že v niektorých oblastiach ľudskej komunikácie ide o mimoriadne dôležitý a nenahraditeľný zmysel. 20 Vône a pachy hrajú v bežnom živote asi každého človeka dôležitú úlohu. Počnúc rannou dávkou sviežeho parfému, cez poobedňajšiu šálku voňavého čaju a končiac večerným penovým kúpeľom najčastejšie sa cítime 195

16 dobre vtedy, ak sme obklopení samými príjemnými vôňami. Predpokladá sa, že človek môže čuchovo vnímať od do rôznych molekúl, pričom každá jedna z nich mu vonia (alebo naopak zapácha) inak. Všetky tieto vonné látky nazvime ich odoranty sú pomerne malé, prchavé organické zlúčeniny, ktoré sa môžu vzájomne (a niekedy až enormne) líšiť svojou chemickou štruktúrou (napr. veľkosťou, tvarom, funkčnými skupinami, nábojom), pričom táto molekulárna diverzita je následne rozpoznaná naším olfaktorickým systémom 21 ako odlišný čuchový vnem (obr ). V tomto kontexte je veľmi zaujímavé, že ľudské čuchové receptory sú mimoriadne senzitívne skôr na trojdimenzionálny tvar, ako na chemické zloženie odorantov, čoho dôsledkom je naša empirická skúsenosť, že štruktúrne úplne odlišné molekuly voňajú častokrát veľmi podobne. Napríklad hexachlóretán, (+)-gáfor a cyklooktán vyvolávajú takmer identický čuchový vnem a pritom sú to chemicky značne rôzne zlúčeniny. Tieto odoranty však majú v priestorovom chápaní približne rovnaký miskovitý 3D-tvar, ktorý zdá sa dobre interaguje s príslušným receptorom nášho olfaktorického systému (obr ). Obr Zlúčeniny, ktoré sa vyznačujú spoločným olfaktofórom. Na druhej strane, tak ako jednotlivé enantioméry feromónov alebo liečiv spôsobujú rôzne (a častokrát antagonistické) fyziologické odpovede v živých organizmoch, aj optické antipódy chirálnych odorantov môžu vyvolávať až diametrálne odlišné čuchové zážitky (tzv. enantioselektívna percepcia). Zatiaľ, čo napríklad (+)-karvón silne vonia po rasci, enantiomérny (-)-karvón má intenzívnu mätovú vôňu, pričom obe látky boli izolované aj z esenciálnych olejov príslušných rastlín (obr ). Enantioméry vonných látok sa pritom môžu líšiť nielen kvalitou svojej vône (t.j. vyvolávať rôzne pachové vnemy), ale aj jej intenzitou, ktorá sa dá kvantifikovať minimálnou koncentráciou odorantu v ovzduší, pri ktorej je jeho prítomnosť čuchovo jednoznačne a opakovane detekovateľná. Ten- 196

17 Obr Enantioselektívna čuchová percepcia. to senzorický limit sa číselne najčastejšie vyjadruje v jednotkách ppb (angl. parts per billion), t.j. v počte vonných molekúl z celkového množstva miliardy všetkých molekúl v danom objeme. Parfémy, ľudské feromóny a sex Parfuméria, inými slovami komerčná organická chémia vonných látok, je síce pomerne mladá, ale za to mimoriadne sa dynamicky rozvíjajúca oblasť syntézy, v ktorej sú kreatívni chemici prostredníctvom svojho čuchu dennodenne konfrontovaní s krásou a komplexnosťou štruktúrno-aktivitných vzťahov organických zlúčenín. Okrem množstva iných zaujímavých aspektov má voňavkárstvo ešte jednu unikátnu vlastnosť: snaží sa skôr o výskum a objavy nových senzorických vlastností, ako iba o prípravu nových molekúl. Dnešná priemyselná parfuméria na ceste za svojím cieľom samozrejme využíva kompletnú preparatívnu výbavu organickej syntézy, ktorú zároveň kombinuje so svojou vlastnou terminológiou a metodikou. V súčasnosti akceptovaná olfaktorická kategorizácia rozoznáva 8 základných skupín vôní: poznáme ovocnú, zelenú, morskú, kvetinovú, korenistú, drevitú, jantárovú a pižmovú, pričom každá z nich má svojho typického reprezentanta. Alifatické estery mastných kyselín alebo lipofilné laktóny (napr. γ-undekalaktón) sú charakteristické svojimi ovocnými tónmi, kým disubstituovaný pyrazín (Galbazine ) je zodpovedný za zelenú vôňu galbanového oleja (Ferula galbaniflua). Ilúziu morského pobrežia vyčarí benzodioxepanón (Calone 1951 ) a parfém s vôňou jazmínu je dnes nemysliteľný bez racemického Hedionu. Korenisté vôňe pochádzajú z extraktu čierneho korenia (Piper nigrum) s obsahom aromatických benzaldehydov (Isobutavan ), zatiaľ čo drevité tóny sú charakteristické pre niektoré substituované katecholy (Evernyl ). Omamná vôňa ambry je zvyčajne spôsobená cyklickými terpénmi (Ambrox ) a nakoniec živočíšnym pachom pižma je povestný Galaxolide (obr ). 197

18 Obr Molekuly odorantov charakteristické pre jednotlivé vône. Molekuly niektorých odorantov nielenže vyvolávajú u ľudí príjemné pocity, ale svojím chemickým pôsobením na olfaktorických receptoroch dokážu nepriamo ovplyvňovať aj naše fyziologické pochody: napríklad zasahovaním do hormonálnej regulácie alebo prenosu nervových vzruchov v organizme. Tieto vlastnosti vonných látok sa hojne využívajú v aromaterapii. Levanduľový olej upokojuje a pomáha pri usínaní, citrónová tráva naopak prebúdza a aktivizuje, zatiaľ čo vôňa pačuli má (údajne) afrodiziakálne účinky. Existujú dokonca prvé vedecké indície, že rovnako ako u iných živočíchov, aj u ľudí by mohol existovať chemický komunikačný systém založený na feromónoch. 22 Od roku 1971 je totiž známy tzv. McClintockovej efekt, čo je synchronizácia menštruačných cyklov žien, ktoré obývajú spoločné priestory počas dostatočne dlhého času. Zistilo sa, že experimentálne uskutočnené a reprodukovateľné zladenie začiatku mesačného krvácania je čiastočne zapríčinené intenzívnou a príjemnou santalovou vôňou 5α-androst-16-én-3α-olu, ktorý bol izolovaný (okrem moču) aj z ľudského potu získaného z oblasti podpazušia. Okrem neho sa z rovnakého zdroja získali aj jeho dva veľmi podobné deriváty 5α-androst-16-én-3α-ón, ktorý produkuje perzistentný a veľmi intenzívny živočíšny pach moču, zatiaľ čo 5α-androst-16-én-3β-ol je charakteristický rovnakým, ale oveľa jemnejším pachom so santalovými podtónmi (obr )

19 Obr Humánne steroidy s feromónovými účinkami. Je však celkom možné, že existuje viac než len jeden ľudský feromón. Po štúdiu ovplyvňovania nálady pomocou spomínaných steroidov sa súčasný olfaktorický výskum orientuje na dvoch ďalších zástupcov tejto skupiny organických zlúčenín. Pravdepodobne prvý ženský feromón estr-1,3,5(10),16- tetraén-3-ol a jeho mužský náprotivok androst-4,16-dién-3-ón podrobili chemici švajčiarskej parfumérskej firmy Givaudan senzorickým testom. Vôňu prvej molekuly charakterizovali muži ako sladkú a drevitú a ženy ju naopak opisovali ako nepríjemný zápach potu. Na druhej strane vnímali obe pohlavia mužský feromón čuchovo identicky ako zmes vône morských rias a pachu ľudského potu. Ak berieme do úvahy typickú ľudskú povahu, je už len príznačné, že aj napriek faktu, že v súčasnosti ešte neexistuje presvedčivý a definitívny vedecký dôkaz (iba náznaky a indície) o ich feromónových kvalitách, objavili sa už oba steroidy ako súčasť predávaných parfémov pre ženy (Realm) aj mužov (Realm Men, Erox Corporation, 1993), o ktorých patrične agresívna reklama samozrejme s neochvejnou istotou tvrdí, že budete pre opačné pohlavie zaručene neodolateľní a mimoriadne atraktívni (obr ). Obr Pravdepodobné ľudské feromóny. 199

20 Molekulárna gastronómia Peter Szolcsányi: Organická chémia v živej prírode Jedlo či už je to obyčajný langoš s kečupom zjedený na ulici alebo kulinársky sofistikovaný homár so špargľou konzumovaný v päťhviezdičkovej reštaurácii poskytuje výnimočný pôžitok, ktorý zamestnáva všetky naše zmysly. Oči nám jedia už pri pohľade na kontrastujúce farby a gastronomické tvary pokrmu, komplexná aróma vína pošteklí náš nos, veselé praskanie chrumkavých chipsov poteší naše uši, cítime na jazyku perlivosť bubliniek sódy alebo krémovú konzistenciu smotany, jedným slovom: užívame si chuťovú rozkoš. Presnejšie povedané, užívame si kombináciu obrovského množstva rôznych vôní a piatich chutí, ktorých synergický efekt vnímame ako výsledný jedinečný senzorický vnem. Ľudský jazyk totiž v skutočnosti naozaj rozoznáva len 5 základných chutí: sladkú, slanú, kyslú, horkú a umami 24 a umožňuje nám tak odlíšiť sladkosť medu od horkosti toniku alebo kyslosť citrónu od slanej chuti morskej vody (obr ). Obr Molekuly, ktoré vyvolávajú päť chuťových vnemov Táto diskriminačná schopnosť nášho jazyka poskytuje dôležitú senzorickú informáciu: pomáha nám odlíšiť potenciálne toxické látky (všeobecne horkej chuti) od kaloricky bohatého pokrmu (ktorý chutí najčastejšie sladko). Ako potom ale dokážeme vnímať také veľké množstvo odlišných a komplexných 200

21 chutí rôznych jedál? Jednoducho: vlastným nosom! Môžete sa o tom veľmi jednoducho presvedčiť na vlastnej koži. Chyťte si prstami nos tak, aby ste ním nemohli dýchať a skúste jesť! Jedlo sa bude zdať fádne a bez chuti, ale v skutočnosti to je naopak, ono bude totiž bez vône a nie bez chuti. (Túto skúsenosť dôverne poznajú všetci, ktorí sú postihnutí či už dočasnou alebo trvalou anosmiou, t.j. stratou schopnosti vnímať akékoľvek vône a pachy, napríklad pacienti trpiaci nádchou.) Poďme sa teda pozrieť na niektoré známe gastromolekuly, ktoré nám sprostredkúvajú jedinečný zážitok z dobrého jedla. Organická zlúčenina, ktorá tak preslávila thajskú a mexickú kuchyňu kapsaicín (obr a) je alkaloid zodpovedný za štipľavosť chilli, jalapeňo a habanero papričiek 25 rodu Capsicum a zároveň je to najdráždivejší zástupca lipofilných kapsaicinoidov. Tieto amidické katecholy sú tak silne iritujúce, že už v nepatrných koncentráciách spôsobujú intenzívny pocit bolestivého pálenia (nielen) v ústnej dutine, pričom náš jazyk deteguje kapsaicín už pri zriedení 1: ! Po stáročia bolo o čili papričkách známe, že sú účinnými prírodnými analgetikami (látkami tlmiacimi bolesť) a v súčasnosti sa čistý kryštalický kapsaicín používa v humánnej medicíne na liečbu chronickej a úpornej bolesti pri reumatických ochoreniach a neuralgii. 26 Nedávno sa zistila aj jeho signifikantná antibakteriálna aktivita, ako aj sľubné protinádorové účinky, nakoľko kapsaicín bráni určitým karcinogénom 201

22 viazať sa na ľudskú DNA a tým spôsobovať jej patologické mutácie. Podobné medicínske vlastnosti vykazuje aj kurkumín (obr b), prírodný fenolický antioxidant izolovaný z podzemných častí stonky kurkumy dlhej (Curcuma longa), ktorý predstavuje hlavnú zložku ázijského curry korenia, ktorému tak prepožičiava svoju charakteristickú vôňu a typickú žltú farbu. V Indii sa táto dôležitá pochutina používa už po celé stáročia nielen ako nevyhnutná prísada do väčšiny jedál, ale našla svoje uplatnenie aj v ayurvédskej medicíne ako účinné etnofarmakum na hojenie rán, liečbu žltačky a reumatoidnej artritídy. O kurkumíne bolo už dlho známe, že má silné protizápalové vlastnosti, nedávno sa však zistilo, že okrem nich vykazuje aj sľubné protirakovinové účinky v testoch na ľudských nádorových bunkách prsníka a tráviaceho traktu, rovnako ako aj na leukemických kultúrach. Usudzuje sa, že tieto dôležité farmakologické efekty kurkumínu sú priamym dôsledkom jeho schopnosti efektívne inhibovať aminopeptidázu N, enzým zodpovedný za agresívnu inváziu nádoru do okolitých tkanív a následnú rýchlu angiogenézu (vytvorenie krvného riečišťa nádoru za účelom jeho výživy). 27 Výhodou kurkumínu ako potenciálneho prírodného cytostatika je v porovnaní so syntetickými antineoplastikami (protinádorovými liekmi) jeho široká dostupnosť, zanedbateľná toxicita a nízka cena. Nehovoriac už o tom, že sa dá profylakticky užívať veľmi jednoducho v každodennej strave. Epidemiologické štúdie navyše jasne ukazujú, že v krajinách s hojnou konzumáciou jedál bohatých na kurkumín, ako napríklad v Indii a Pakistane, je evidentne nižší výskyt určitých druhov rakoviny. A to bol jeden z dôvodov, prečo National Institute of Health (Bethesda, Maryland, USA) začal I. fázu klinických skúšok kurkumínu ako chemopreventívneho liečiva. Existuje samozrejme obrovské množstvo ďalších užitočných prírodných fytochemikálií, ktoré sa vyskytujú v ovocí a zelenine a ktoré sú nášmu zdraviu mimoriadne prospešné. Nakoniec už z čias staroveku sa traduje výrok najznámejšieho gréckeho lekára Hippokrata, ktorý (údajne) povedal: Nech potrava je Vaším liekom. Nazrime teda na chvíľu do bohatej prírodnej lekárničky, ktorej lieky sú vlastne všade okolo nás. Máte radi brokolicu? Ak nie, je to veľká škoda, nakoľko jej konzumáciou účinne pomáhate svojmu organizmu zbaviť sa toxického odpadu a udržiavať ho relatívne zdravý. Brokolica (Brassica oleracea var. asparagoides) totiž obsahuje prírodný antioxidant sulforafan, chirálny izotiokyanát, ktorý zvyšuje aktivitu detoxifikačných enzýmov v pečeni (chinón reduktázy a glutation- S-transferázy). V laboratórnych testoch na ľudských bunkových líniách, ako aj na pokusných zvieratách vykazuje sulforafan silný cytotoxický účinok na nádory prostaty, okrem toho znižuje hypertenziu a zabraňuje degenerácii sietnice. Je pritom zaujímavé, že tepelne upravená brokolica je z hľadiska 202

23 spomínaných medicínskych efektov oveľa účinnejšia ako surová a dôvodom je pravdepodobne fakt, že pri varení sa sulforafan rýchlejšie uvoľňuje zo svojho prírodného prekurzora, ktorým je glukorafanín (obr ). Obr Uvoľňovanie sulforafanu z jeho prekurzora pri varení brokolice. Navštívili ste už niekedy Krétu? Je to nádherný slnečný ostrov v Stredozemnom mori a typická strava jeho obyvateľov je nielen ľahká, pestrá a chutná, ale na celom svete známa aj vďaka svojim pozitívnym vplyvom na zdravotný stav jej konzumentov. Charakteristickou a neoddeliteľnou súčasťou ich stredomorskej diéty je samozrejme panenský olivový olej, pričom pri jeho používaní sa domáci zjavne riadia heslom: čím viac, tým lepšie! Ostatných však toto nepísané pravidlo môže takmer odradiť od naozaj dobrého jedla, nakoľko za studena lisovaný olivový olej spôsobuje síce slabé, ale nie každému príjemné škriabanie v krku to by však bola obrovská škoda! Zistilo sa totiž, že za mierne horkastú chuť je zodpovedný (-)-oleokantal (obr ), Obr (-)-oleokantal. 203

24 slabo dráždivý aromatický dialdehyd s farmakologickými vlastnosťami veľmi podobnými známemu analgetiku ibuprofenu. 28 Obe molekuly totiž vykazujú silné protizápalové účinky, ktoré sú dôsledkom ich potentnej inhibície cyklooxygenáz, enzýmov zapojených do biosyntetickej kaskády produkcie zápalových mediátorov prostaglandínov. To by ale naznačovalo, že pravidelná konzumácia panenského olivového oleja (50 g denne predstavuje príjem cca 9 mg absorbovaného oleokantalu) by mohla mať podobný kardioprotektívny účinok, aký vykazuje napríklad dlhodobé profylaktické užívanie kyseliny acetylsalicylovej v dávke 10 mg/deň. Posuňme sa teraz geograficky o poriadny kus ďalej na východ, do Japonska. O obyvateľoch krajiny vychádzajúceho slnka je známe, že pestujú a produkujú zelený čaj najvyššej kvality a sú samozrejme aj jeho najväčšími svetovými konzumentmi. 29 Lahodný horúci nápoj pripravený z listov čajovníka (Camelia sinensis) má nielen povzbudzujúce účinky, ale vďaka vysokému obsahu polyfenolických antioxidantov sa zároveň vyznačuje aj širokým spektrom farmakologicky významných a nášmu zdraviu mimoriadne prospešných vlastností. Medzi medicínsky najdôležitejšie fytomolekuly zeleného čaju patrí skupina 6 štrukturálne príbuzných flavanolov spoločne nazývaných katechíny (tvoria asi 10 % celkovej hmotnosti suchého čaju), ktoré vykazujú signifikantnú biologickú aktivitu voči rôznym metabolickým (diabetes) a kardiovaskulárnym poruchám (ateroskleróza), neurodegeneratívnym (Alzheimerova choroba) a nádorovým ochoreniam (obr ). Obr Polyfenolické antioxidanty zeleného čaju. Mimoriadne sľubnou molekulou sa v tomto kontexte javí epigalokatechín-3-galát (EGCG), efektívny inhibítor urokinázy a telomerázy, kľúčových enzýmov zapojených do procesu karcinogenézy. V testoch na bunkových líniách účinne zabraňoval vzniku a rastu zhubných nádorov rakoviny prsníka, čreva, pľúc, prostaty, ako aj melanómu a leukémie. Predpokladá sa, že práve 204

25 silný antioxidačný potenciál EGCG a ostatných katechínov prítomných v listoch čajovníka je zodpovedný za pozorované chemopreventívne pôsobenie extraktu zo zeleného čaju. 30 A keď sme už pri populárnych tekutých životabudičoch: videli ste už niekedy predávať pivo v bezfarebných, priehľadných fľašiach? Že ešte nie? A viete prečo? Je známe, 31 že dlhodobé vystavenie piva priamemu svetelnému žiareniu ohrozuje jeho chemickú integritu a následne aj jedinečné organoleptické vlastnosti, vďaka ktorým je dnes pivo asi najobľúbenejším nízkoalkoholickým nápojom. A dnes už presne vieme, aké organické reakcie spôsobujú jeho neželanú fotodegradáciu, ktorá prebieha až do tej miery, že finálny výsledok odradí od konzumácie aj tých najvernejších fanúšikov penivého moku. Pivo totiž obsahuje izohumulény alkylované deriváty cyklopenténdiónu, ktoré vznikajú počas kvasenia a varenia pivnej mladiny izomerizáciou humulénov pochádzajúcich z chmeľu obyčajného (Humulus lupulus) ktoré nielenže dodávajú nápoju jeho charakteristickú horkastú chuť, ale zároveň pomáhajú vytvoriť a udržať na hladine bohatú krémovú penovú čiapku. Ide však o relatívne nestabilné, presnejšie fotolabilné molekuly, ktoré sa účinkom viditeľného svetla rozpadajú až na cieľovú zlúčeninu 3-metylbut-2-én- 1-tiol (obr ), mimoriadne nepríjemne zapáchajúcu látku, ktorú ľudský olfaktorický systém detekuje už pri mizivej koncentrácii rádovo jednotiek ppt (angl. parts per trillion), t.j.. niekoľko nanogramov na liter! Obr Fotochemická degradácia piva. Naša senzorická precitlivenosť na túto príšerne smradľavú zlúčeninu však nebude až taká prekvapujúca, ak si uvedomíme, že jej chemická štruktúra až nápadne pripomína molekuly nachádzajúce sa v obranných sekrétoch skunka amerického. Čiže fotolabilita humínových kyselín je tým pravým dô- 205

26 vodom, prečo sa pivo predáva výlučne v tmavých (zelených alebo hnedých) sklenených fľašiach s cieľom zachovať typickú arómu a charakteristickú chuť tohto príjemne horkého nápoja čo najdlhší čas. Samozrejme, nie každý nápoj alebo potravina, ktoré konzumujeme primárne pre ich vôňu a/alebo chuť, sú však pre náš organizmus automaticky zdravé alebo aspoň netoxické. O škodlivosti (ale aj nezmyselnosti) fajčenia je asi úplne zbytočné písať. Každému informovanému a zároveň uvažujúcemu človeku je úplne jasné, že existuje nespochybniteľné priame spojenie výskytu benzpyrénov, aza-arénov, nitrozamínov a ďalších (spolu asi 55!) dokázateľne karcinogénnych zlúčenín v cigaretovom dyme 32 a vzniku zhubných nádorov u fajčiarov a čo je na celej veci najsmutnejšie, bohužiaľ, aj u tých pasívnych (obr ). Obr Potentné chemické karcinogény tabakového dymu Polycyklické aromatické uhľovodíky (PAH) sa už dnes bežne vyskytujú v našom životnom prostredí, najmä ako dôsledok nedokonalého spaľovania fosílnych palív. Okrem ich vysokej koncentrácie v tabakovom dyme (priemerne 0,1 µg na cigaretu) sú však tieto mimoriadne účinné karcinogény prítomné v nezanedbateľných množstvách (rádovo desiatky µg.kg -1 ) aj v údeninách a grilovanom mäse. Ich pôvod v spomínaných potravinách je zrejmý: PAH vznikajú pri horení materiálu s vysokým obsahom uhlíka (napr. dreva) a následne sú horúcim dymom unášané vo forme mikročastíc nahor, kde sa zachytávajú na tepelne upravovanom mäse a kontaminujú ho. Ako sa ale rakovinotvorné polycyklické aromatické uhľovodíky dostanú do vynikajúcej, niekoľkoročnej single-malt whisky? Je totiž známe, že práve tie (naj)staršie a (naj)drahšie druhy škótskej obsahujú (v porovnaní s cigaretami a údeninami) síce pomerne nízke, ale predsa len detekovateľné množstvá PAH vo forme benz[a]pyrénu v koncentrácii 0,3 2,9 ng.l -1. Pravdepodobným zdrojom karcinogénnych zlúčenín sú 2 procesy, ktoré sú však nevyhnutnou súčasťou 206

27 tradičného technologického postupu výroby kvalitnej whisky najprv sa v úvodnej fáze suší naklíčený jačmeň nad tlejúcim drevným uhlím (vlastne sa tak vyúdi ), čím získava neskorší slad svoju charakteristickú dymovú príchuť; a potom sa v poslednej fáze uchováva finálny destilát niekoľko rokov vo vypálených dubových sudoch (dochádza k sekundárnej extrakcii PAH z dreva), čím dostane kvalitná whisky (okrem iného) tú jedinečnú jantárovú farbu. Keďže ide o finančne a časovo pomerne náročné časti výroby, treba podotknúť, že oba spomenuté procesy sa týkajú naozaj len tých najkvalitnejších druhov legendárneho moku a z tohto pohľadu teda (výnimočne) platí: čím lacnejšie, tým zdravšie! Podobné je to aj s rakovinotvornými aza-aromátmi, kondenzovanými heterocyklickými amínmi, ktorými si naše jedlo nechtiac (a možno aj nevedomky) obohacujeme : vznikajú totiž vysokoteplotnou (t > 220 C) pyrolýzou potravín bohatých na proteíny. Medzi prominentných reprezentantov tejto skupiny látok patrí 2-amino-α-karbolín (AαC) a jeho 3-metylovaný derivát (MeAαC), ktoré boli izolované v ppb koncentráciách z grilovaného a vyprážaného mäsa a rýb (obr ). Obr Rakovinotvorné heterocyklické amíny. Obe zlúčeniny vykazujú silné mutagénne účinky v laboratórnych testoch na baktériách druhu Salmonella a vyvolávajú zhubné nádory pečene u myší a potkanov. Priemerný denný príjem heterocyklických amínov u ľudí je samozrejme závislý od konkrétneho charakteru stravy, odhaduje sa však, že vo vyspelých krajinách sa pohybuje v dávke 0,1 15 µg na osobu čo už je množstvo predstavujúce významné riziko ohrozenia zdravia konzumentov. 207

28 Poznámky a vysvetlivky 12. Organická chémia v živej prírode 1 Fotosyntéza je (bio)chemický proces, pri ktorom sa ukladá energia absorbovaného svetelného žiarenia do chemických väzieb zosyntetizovaných zlúčenín. Ide o najvýznamnejší zdroj energie na Zemi: ročne dopadne na povrch našej planéty kj energie, z toho na časti pokryté zelenými rastlinami 4, kj a fotosyntézou sa z toho množstva využije kj. Autotrofné (fotosyntetizujúce) organizmy týmto spôsobom fixujú ročne 17, ton uhlíka, pričom súčasne s viazaním CO 2 vyprodukujú ročne ton kyslíka, čím sa udržuje jeho potrebná koncentrácia vo vzduchu. 2 Chlorofyl je pigment, ktorý sa nachádza v zelených rastlinách, siniciach a niektorých riasach. V prvom kroku fotosyntézy transformuje energiu svetelných kvánt na biologicky využiteľnú formu. Chemicky ide o porfyrín substituovaný dlhým lipofilným reťazcom a obsahujúci atóm Mg 2+ ako centrálny kov. Molekuly chlorofylu sa nachádzajú v tylakoidných membránach, ktoré sú v rastlinách umiestnené v chloroplastoch, kde spolu s polypeptidmi a ďalšími pigmentmi tvoria základ fotosystému I a II. 3 Urýchľovanie dozrievania ovocia pomocou eténu už dlho úspešne využívajú pestovatelia jabĺk oberú celú úrodu v čase, pokiaľ sú plody ešte nezrelé, uskladnia ich na ľubovoľne dlhý čas v hermetických podmienkach a bez prístupu etylénu a následne vystavia plody jeho účinku tesne pred dodaním ovocia na trh. Táto technológia zabezpečuje čerstvé jablká v obchodnej sieti v stave ich primeranej zrelosti dokonca aj na jar a v lete, kým v prírode samozrejme dozrievajú na jeseň. 4 Bohatý zdroj informácií o fytohormónoch je dostupný na internetovej adrese h p:// 5 Terpény predstavujú rozsiahlu a rôznorodú skupinu uhľovodíkov primárne produkovaných zelenými rastlinami, najčastejšie ihličnanmi (Coniferae). Terpény sú hlavnou súčasťou živice, ako aj terpentínu z nej získanej, podľa ktorého dostali aj svoje pomenovanie. Biosyntetizované sú zo 4 molekúl 2-metyl-1,3-butadiénu (izoprénu) za vzniku či už lineárnych alebo cyklických terpénov. Izoprén je považovaný za jeden z preferovaných stavebných blokov v prírode. 6 Súčasťou biologicky aktívnej zmesi produkovanej chryzantémami sú okrem pyretrínu I a II aj cinerín I a II a jazmolín I a II (spoločne nazývané pyretríny). Tento chemický koktejl sa izoluje z kvetov krátko po ich odkvitnutí a následne sa používa ako prírodný insekticíd na odpudzovanie a hubenie vší, komárov, švábov, chrobákov a múch. Pyretríny sú kontaktné jedy rýchlo penetrujúce do nervového systému hmyzu, kde blokujú prenos vzruchov, v dôsledku čoho sa intoxikovaný jedinec stáva dezorientovaný a po niekoľkých minútach pôsobenia už živočích nie je schopný pohybu. Paralyzujúca dávka však nemusí hmyz nevyhnutne zabiť, pretože niektoré druhy sú schopné produkovať detoxifikačné enzýmy, ktoré dokážu pomerne rýchlo odbúrať insekticíd, a stávajú sa tak postupom času rezistentnými. 7 Kastanospermín je potentný inhibítor α- a β-glukozidáz (enzýmov štiepiacich glykozidické väzby polysacharidov) a ovplyvňuje biosyntézu glykoproteínov, v dôsledku 475

29 ĽPoznámky a vysvetlivky čoho vykazuje v in vitro testoch nielen silné antivírusové účinky (napr. proti vírusom chrípky, herpes simplex a HIV), ale aj významnú antinádorovú aktivitu. 8 Odporne horký Bitrex je netoxická a nemutagénna kvartérna amóniová soľ, ktorá našla široké uplatnenie nielen v potravinárstve napríklad jeho zriedenými roztokmi natierajú farmári chrbty prasatám, aby tak zabránili ich vzájomnému hryzeniu sa, rovnako sa pridáva do návnad pre vysokú zver, aby bola nútená hľadať si potravu mimo ľudských obydlí. Roztok Bitrexu sa dokonca v USA predáva ako prípravok, ktorý má pomôcť odnaučiť deti hrýzť si nechty a cmúľať prsty! 9 Pojem feromón ako prví zaviedli Peter Karlson a Martin Lüscher (Nature 1959, 183, 55 56) a je odvodený zo starogréčtiny: pherein = prenášať, hormon = vyvolať. 10 Alelochemikálie sa delia na 3 podskupiny: alomóny látky, ktoré zvýhodňujú producenta chemického signálu (odpudivé a/alebo obranné sekréty); kairomóny zlúčeniny zvýhodňujúce príjemcu správy (pachy, podľa ktorých dravce a/alebo parazity rozoznávajú svoju korisť) a synomóny molekuly užitočné pre oboch aktérov komunikácie (vôňa kvetov, ktorá zaistí ich opelenie a zároveň poskytuje nektár ako potravu pre hmyz). 11 Hlavným problémom pri izolácii a štruktúrnej identifikácii sémiochemikálií je prítomnosť relatívne malého množstva biologicky aktívneho materiálu vo veľkom nadbytku chemicky podobnej, ale fyziologicky neaktívnej organickej hmoty. V prvých výskumných prácach, ktoré sa zaoberali izoláciou feromónov, bol úspech založený na získaní dostatočného množstva čistého materiálu, nevyhnutného na určenie ich štruktúry. Napríklad pri prvej izolácii feromónu bombykolu zo samičiek priadky morušovej (Bombyx mori) bolo spracovaných až (!) žliaz, z ktorých sa získalo 280 g surového extraktu. Po sérii čistiacich operácií sa nakoniec podarilo prácne izolovať 12 mg (!) čistého bombykolu vo forme esteru. 12 Vynikajúcu on-line databázu hmyzích feromónov a sémiochemikálií možno nájsť na internetovej adrese: h p:// 13 Na alén (toxický aromatický uhľovodík) je tuhá bezfarebná látka, ktorá sa pri bežnej teplote pomaly odparuje (t. t. = 80 C). Akútna expozícia (LD 50 = 100 mg kg 1 ) môže spôsobiť iritáciu pokožky, rohovky a pľúc, pri chronickom pôsobení sa môžu prejaviť jeho mutagénne, teratogénne a karcinogénne účinky. 14 V biologických systémoch sú chinóny všeobecne nepostrádateľnými zlúčeninami, potrebnými na oxidačno-redukčné (redoxné) procesy, napr. na správnu funkčnosť svalov. Ubichinóny (angl. ubiquitous = všadeprítomný) sa vyskytujú vo väčšine aeróbnych organizmov v baktériách, rastlinách aj živočíchoch. Koenzým Q 10 sa dokonca používa na prevenciu a liečbu kardiovaskulárnej nedostatočnosti v humánnej medicíne. Na druhej strane redoxné vlastnosti chinónov sa využívajú napríklad v klasickej fotografickej technológii pri vyvolávaní fotiek redukuje hydrochinón zvyškové Ag + na kovové striebro, pričom počas tohto procesu sám oxiduje na benzochinón. 15 Kataláza (EC ) a peroxidáza (EC ) sú enzýmy patriace do skupiny oxidoreduktáz kataláza štiepi peroxid vodíka na vodu a kyslík: 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2, 476