Abstract

Introducere

O mare varietate de compuși chimici cu activitate antimicrobiană, cunoscuți în mod tradițional ca metaboliți secundari, sunt produși de plante superioare. Mii de produse naturale diverse, adesea implicate în apărarea plantelor împotriva dăunătorilor și agenților patogeni, au fost identificate, inclusiv terpenoide, saponine, fenolici și fenilpropanoizi, pterocarpani, stilbeni, alcaloizi, glucozinolați, tiosulfinate și indoli printre mulți alții (Dixon 2001). Diversitatea fitochimică a compușilor antimicrobieni ai plantelor a fost revizuită anterior prin examinarea implicării acestora în apărările chimice constitutive (Wittstock și Gershenzon 2002) și inducibile (Hammerschmidt 1999), mecanismele de rezistență a plantelor (Morrisey și Osbourn 1999) și costul de fitness (Heil 2002). A fost de asemenea evaluată exploatarea potențială a acestor molecule pentru controlul agenților patogeni ai plantelor (Dixon 2001). Genul Allium include un număr mare de specii (între 600 și 750) (Stearn 1992; Jiemei și Kamelin 2000), din care au fost extrase și identificate numeroși compuși antimicrobieni.

Activitatea antimicrobiană a extractelor și uleiurilor din usturoi (Allium sativum), cea mai studiată specie aparținând acestui gen, este cunoscută din cele mai vechi timpuri. Prima citare a acestei plante se găsește în Codex of Ebers (1550 î.Hr.), un papirus medical egiptean care raportează mai multe formule terapeutice pe bază de usturoi ca remediu util pentru o varietate de boli precum probleme cardiace, cefalee, mușcături și viermi. (Bloc 1985). Caișoare de usturoi au fost găsite în mormântul lui Tutankhamen și în templul sacru subteran al taurilor din Saqqara. Egiptenii credeau că usturoiul crește rezistența și își asumă cantități mari. Plantele crude au fost administrate în mod obișnuit astmaticilor și acelor persoane care suferă de afecțiuni bronho-pulmonare. Mai târziu, usturoiul a fost cunoscut de greci și romani, care l-au folosit ca un important agent de vindecare, așa cum este folosit și astăzi de majoritatea oamenilor din regiunea mediteraneană (Lanzotti 2005). Pe lângă usturoi, altele Allium speciile (de exemplu, ceapă, șalotă, praz, arpagic, usturoi de elefant) sunt o sursă bogată de fitonutrienți, utile pentru tratamentul sau prevenirea mai multor boli, inclusiv cancer, boli coronariene, obezitate, hipercolesterolemie, diabet de tip 2, hipertensiune arterială, infecție cu cataractă și microbi (Lanzotti 2006, 2012).

Cercetările științifice asupra acestor plante au început în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, cu lucrarea lui Louis Pasteur, care în 1858 a remarcat pentru prima dată proprietățile antibacteriene ale usturoiului (Pasteur 1858). În 1932, Albert Schweitzer a tratat dizenteria amibiană din Africa cu usturoi și, înainte de descoperirea antibioticelor, a fost folosită și pentru mai multe boli epidemice (de exemplu, tifos, holeră, difterie și tuberculoză). Cercetări recente au arătat că extractele și uleiurile de usturoi sunt eficiente împotriva multitudinii de virusuri saprofite, umane și vegetale patogene (de exemplu, Weber și colab. 1992), bacterii (de exemplu, Naganawa și colab. 1996), ciuperci (de exemplu, Yoshida și colab. 1987) și protozoare (de ex. Millet și colab. 2011). Cu toate acestea, numai la mijlocul secolului trecut, Cavallito și Bailey (1944) au identificat cel mai abundent și, printre cei mai puternici, compuși antimicrobieni din usturoi, alicina tiosulfinată (Fig. 1). Investigațiile ulterioare au atribuit proprietățile antimicrobiene ale usturoiului alicină și alți compuși organosulfurici. Cu toate acestea, studii mai recente privind Allium speciile identifică compuși naturali cu activitate antimicrobiană de diferite clase chimice, inclusiv saponine, flavonoide, fenoli, alcaloizi și, de asemenea, peptide și proteine ​​(Fig. 1).

speciile

Reprezentarea schematică a principalelor clase chimice de compuși naturali din Allium specii cu activitate antimicrobiană. Acești compuși naturali au fost izolați din diferitele țesuturi vegetale (rădăcini, bulbi, frunze și flori) și semințe

În această lucrare examinăm natura chimică și complexitatea compușilor antimicrobieni descoperiți în Allium plante, acordând o atenție deosebită corelației dintre activitatea lor și structura chimică.

Alicina, ajoena și alți compuși organosulfurici

Alicină (dialil tiosulfinat) (1b, FIG. 2) (Cavallito și Bailey. 1944) nu este prezent în bulbi de usturoi. Cu toate acestea, atunci când țesutul este deteriorat, precursoarea alină (S-alilcisteină sulfoxid)1a, FIG. 2), care este prezentă în bulbi de usturoi la o concentrație cuprinsă între 5 și 14 mg g -1, este transformată imediat în alicină de enzima alininază. Figura 2 prezintă biosinteza alicinei pornind de la l-cisteină, care pentru reacția ulterioară cu acidul l-glutamic și acidul S-2-propenil carboxilic, după decarboxilare, oxidare și izomerizare, dă naștere aliniului precursor apropiat. Aceasta din urmă prin cataliza enzimatică a aliinazei oferă intermediarul corespunzător al acidului sulfenic a cărui autocondensare în faza apoasă are ca rezultat formarea alicinei.

Biosinteza alicinei plecând de la l-cisteină, care pentru reacția ulterioară cu acidul l-glutamic și acidul S-2-propenil carboxilic după decarboxilare, oxidare și izomerizare dă naștere aliniului precursor apropiat. Aceasta din urmă prin cataliza enzimatică a aliinazei oferă intermediarul corespunzător al acidului sulfenic a cărui autocondensare în faza apoasă are ca rezultat formarea alicinei

Sulfoxid și compuși sulfurați din Allium

Compuși tiosulfinați din Allium

Lanțul alchil terminal ar putea fi, de asemenea, nesaturat, dând astfel 1-propenil (denumit alil din Allium) sau reziduul 2-propenil. Acest ultim grup este prezent cu Z și E configurații și astfel compusul există ca un amestec de Z și E izomeri (de ex. 18-19, 20-21 și 22-23, FIG. 4), din cauza unei rearanjări sigmatropice (Bloc 1985). Acest lucru se poate întâmpla și pentru lanțurile de propenil interioare, cum este cazul ajoenei, un sulfoxid și compus sulfurat, care a fost izolat în E și izomeri Z (2 și 3, respectiv, Fig. 3) și a analogului său 10-devinilajoenă izolat, de asemenea, în cele două E și Z forme (14 și 15).

Alicina are o toxicitate scăzută pentru culturile de celule de mamifere, cu efecte negative observate în general la concentrații mai mari de 60 μg ml -1 (Ankri și Mirelman 1999). Răspunsurile diferite ale celulelor microbiene și mamifere la alicină sunt probabil legate de mecanismele de acțiune ale acestui compus. Activitatea antimicrobiană a alicinei a fost asociată cu inhibarea enzimelor dependente de sulfhidril (Wills 1956), cum ar fi alcool dehidrogenază, tioredoxin reductază și ARN polimerază. În multe cazuri, adăugarea atât a cisteinei, cât și a glutationului au redus efectele inhibitoare ale alicinei, deoarece acești doi compuși reacționează cu legătura disulfură de alicină, prevenind astfel deteriorarea celulelor. Apariția glutationului în celulele mamiferelor poate explica sensibilitatea lor limitată la alicină în comparație cu celulele microbiene care conțin o cantitate foarte mică din acest compus (Davis 2005).

Ajoene își ia numele din cuvântul spaniol ajo ceea ce înseamnă usturoi. Se formează atunci când alicina este dizolvată în mai mulți solvenți, inclusiv uleiuri comestibile (Block et al. 1984). Ambii E- și Z-ajoene a prezentat activitate antimicrobiană cu spectru larg împotriva bacteriilor gram-pozitive și gram-negative (Yoshida și colab. 1987; Naganawa și colab. 1996), ciuperci (Yoshida și colab. 1998; Ledezma și colab. 2000) și protozoare (Perez și colab. 1994; Millet și colab. 2011; (Tabelul 1). Mai mult decât atât, puținele studii disponibile indică faptul că ajoena are o activitate antivirală mai puternică în comparație cu alicina și alte Allium compuși organosulfurici derivați (Weber și colab. 1992). După cum sa raportat pentru alicină, adăugarea de cisteină reduce considerabil efectul inhibitor al ajoenei, probabil ca urmare a interacțiunii dintre aminoacid și legăturile disulfidice ale compusului (Naganawa și colab. 1996).

Activitatea antimicrobiană a fost raportată pentru mai mulți compuși ai sulfurii de alil (Tabelul 1 și 4-7, FIG. 3) și pare a fi legat de numărul limitelor disulfurii, adică DATTS> DATS> DADS> DAS (Tsao și Yin 2001).

Saponine

Saponinele sunt răspândite în regnul plantelor (Sparg și colab. 2004; Vincken și colab. 2007), precum și în cadrul genului Allium. În această revizuire am constatat că saponinele au fost extrase și identificate din cel puțin 38 de diferite Allium specii (Tabelul 2). Majoritatea studiilor disponibile se concentrează pe specii comune, cultivate, cum ar fi usturoiul (A. sativum), ceapăAllium cepa), praz (Allium porrum), ceapa chineza (Allium chinense) și arpagic usturoi (Allium tuberosum). Cu toate acestea, sunt disponibile și studii asupra speciilor rare sau sălbatice (de ex. Allium cyrilii, Allium leucanthum, Allium minutiflorum; Masa 2).

Saponinele izolate se bazează pe spirostanol, furostanol și colestanol aglicon (Fig. 5) (Lanzotti 2012). Structural, sunt steroli C27 în care colesterolul a suferit modificări pentru a produce un spiroketal. În special, funcția spiroketală este derivată din lanțul lateral al colesterolului printr-o serie de reacții de oxigenare care oferă hidroxilare la C-16 și la unul dintre metilii terminali și apoi produc o funcție cetonică la C-22. Acest intermediar se transformă în hemiacetal, un intermediar instabil care suferă o reacție de glicozilare la C-26, obținându-se astfel spirostanolul aglicon sau o reacție suplimentară dând naștere la spirocetal corespunzător, adică spirostanolul aglicon. Acest lucru poate fi obținut și prin hidroliza aglyconului furostanol cu ​​eliberarea unității unităților de zahăr la C-26.

Biosinteza agliconului în Allium saponine

Agliconul colesterolului a fost găsit numai în A. porrum și Allium nigrum, în timp ce celelalte schelete sunt prezente ambele la aproape același nivel (Lanzotti 2012). Din datele din literatură, se pare că scheletul spirostanolului este tipic taxonilor de usturoi, în timp ce scheletul furostanolului este tipic taxonilor de ceapă. Figura 6 raportează cele mai comune sapogenine (24-28) găsite în aceste plante care constituie agliconul spirostanol al saponinelor corespunzătoare. Hidroxilarea pe miezul scheletului a fost frecvent întâlnită la pozițiile 2, 3, 5 și 6 așa cum se arată în Fig. 6.

Sapogenine izolate din Allium

Saponine din Allium specia are multe proprietăți biologice, inclusiv antispastice, citotoxice, hemolitice, antiinflamatoare și antitumorale (Sparg și colab. 2004). În mod surprinzător, doar câteva studii și-au investigat proprietățile antimicrobiene.

Exemple de saponine izolate din A. minutiflorum, A. sativum var.Voghiera și A. cepa

Datele obținute din testele antifungice efectuate cu saponine analoage (Barile și colab. 2007; Lanzotti și colab. 2012a, b) au permis definirea unor relații structură - activitate care sunt rezumate în Fig. 8, unde sunt evidențiate elementele farmacoforice pentru această activitate. În special, s-au găsit efecte pozitive pentru hidroxilii din pozițiile 3 și 6 și un spirostan aglicon, în timp ce s-au găsit efecte negative pentru un furostan aglicon, pentru oxigenarea la C-5 și creșterea numărului de zaharuri la C-3. Cu toate acestea, sunt necesare studii suplimentare pentru a clarifica mecanismul de acțiune al saponinelor și pentru a determina modul în care acești compuși sunt detoxificați de ciuperci patogene, rezultând degradarea structurii lor chimice cu pierderea activității.

Elemente farmacoforice cheie pentru activitatea antifungică a Allium saponine

În ciuda faptului că în Allium compușii organosulfurici ai speciilor, saponinele, fenolii, alcaloizii și proteinele antimicrobiene apar împreună în țesuturile plantelor, majoritatea studiilor au abordat doar activitatea antifungică a moleculelor unice. Un studiu recent a raportat că activitatea antifungică a unor saponine din A. cepa împotriva agentului patogen al plantei B. cinerea și agentul de biocontrol Trichoderma harzianum pot fi îmbunătățite sinergic atunci când sunt furnizate în combinație (Lanzotti și colab. 2012b).

Alți compuși organici cu activitate antimicrobiană

Deși activitatea antimicrobiană a Allium speciile au fost atribuite compușilor organosulfurici și, mai recent, saponinelor, au fost descoperiți alți compuși antimicrobieni care aparțin diferitelor clase chimice (Fig. 1; Tabelul 3).

Au fost găsite mai multe proteine ​​și peptide cu activitate antimicrobiană. De exemplu, proteina AceAMP1 de 10 kD de la A. cepa a inhibat douăsprezece fungice și două specii bacteriene (Phillippe și colab. 1995). Wang și Ng (2002, 2004) au descoperit ascalina și alicepina, două peptide cu activitate antifungică din A. ascalonicum și A. cepa, respectiv. În plus, s-a constatat în rădăcinile și bulbii de usturoi și praz prezența unor cantități mari de două N-feruloil amide, N-feruloytyrosine (32) și N-feruloyltiramină (33) (Fig. 9) (Fattorusso și colab. 1999). Deoarece infuzia de rădăcini de usturoi este utilizată în medicina tradițională ca antielmintică, a fost evaluată posibila activitate antimicrobiană a acestor doi compuși. Ambii compuși au fost activi împotriva agentului patogen Fusarium culmorum cu ED50 de 20 și respectiv 22 μg/ml. Recent, O'Donnell și colab. (2009) descoperit din A. stipitatum trei alcaloizi de piridină-N-oxid (34-36, FIG. 9) cu activitate antibacteriană puternică pe specii cu creștere rapidă de Mycobacterium, rezistent la meticilină S. aureus, și o variantă multirezistentă (MDR) a S. aureus.

N-amide aromatice și N-oxizi din Allium

Flavonoidele sunt omniprezente în celulele fotosintetizante și se găsesc frecvent în fructe și legume. Flavonoidele comune găsite în usturoi și ceapă sunt raportate în Fig. 10 (37-42) cu conținutul lor în becuri proaspete. Deși preparatele care conțin acești compuși au fost folosite de secole pentru tratarea bolilor umane, abia recent această clasă de produse naturale a devenit subiectul cercetării bolilor infecțioase și multe grupuri au izolat și identificat structurile flavonoidelor care posedă activitate antifungică, antivirală și antibacteriană. . În special, quercetina (41) și kaempferol (39), principalii flavonoizi din A. cepa, a prezentat activitate antibacteriană la Bacillus cereus, E. coli, Listeria monocytogenes, Micrococcus luteus, Pseudomonas aeruginosa și S. aureus (Tabelul 3). În ceea ce privește mecanismul de acțiune, se pare că activitatea quercetinei și a flavonoizilor cu hidroxilare a inelului B ar putea fi parțial atribuită inhibării ADN girazei (Ohemeng și colab. 1993), deși alte mecanisme nu ar putea fi excluse.

Flavonoide din ceapă și usturoi și conținutul acestora