Сапонины. Классификация, Свойства, Применение

Сердечные гликозиды являются одной из основных групп лекарственных средств, используемых в терапии острой и хронической сердечной недостаточности (ОСН и ХСН). Вызывает доверие то, что источником для производства гликозидов являются известные растения, например, ландыш майский, или наперстянка, а также горицвет.

Эти лекарственные средства помогают значительно повысить работоспособность сердечной мышцы, что отражается на эффективности работы самого сердца. Однако приемом сердечных гликозидов категорически нельзя увлекаться – большие дозы представляют собой сердечный яд.

Несмотря на то, что сердечные гликозиды (СГ) не оказывают влияния на общую продолжительность жизни пациента, их применение позволяет:

значительно улучшить качество жизни;
уменьшить выраженность симптоматики СН;
снизить частоту декомпенсаций заболевания и связанных с ними госпитализаций.

Эти препараты позволяют значительно снизить количество приступов у пациентов с мерцательной аритмией на фоне хронической недостаточности.

Сердечные гликозиды – это обширный класс безазотистых соединений, имеющих растительное происхождение и содержащих сахара и агликоны. Кардиотоническая активность СГ обуславливается именно агликонами. А наличие сахаров (глюкозы, рамнозы, галактозы) обеспечивает степень биодоступности сердечных гликозидов и их способность проникать сквозь клеточные мембраны и фиксироваться в тканях.

Сердечные гликозиды содержат различные растения: ландыши, различны виды наперстянки, горицветы, желтушник, строфант. В народной медицине они издавна использовались в качестве противоотечных средств. Их воздействие на сердце и способность нормализировать кровообращение были установлены около двухсот лет назад.

Справочно. На данный момент препараты сердечных гликозидов входят в число наиболее эффективных для терапии СН с выраженным ослаблением способности сердечной мышцы к сокращению, частыми декомпенсациями и тахисистолической мерцательной аритмией.

Механизм действия гликозидов

Сердечная недостаточность сопровождается значительным снижением коэффициента полезного действия сердца. То есть, при уменьшении
способности сердца сокращаться, одновременно увеличивается расход миокардом энергии и кислорода для осуществления своей работы.

Развитие сердечной недостаточности сопровождается:

нарушением равновесия ионов;
изменениями в обмене белков и липидов;
выраженным снижением ударного объема;
повышением венозного давления и венозным застоем;
нарастанием гипоксии и тахикардии;
нарушением кровотока в капиллярах;
отеками;
нарушением работы почек, снижением диуреза;
появлением одышки и цианоза.

Применение СГ позволяет:

нормализировать равновесие ионов (в клетках миокарда увеличивается содержание свободных кальциевых ионов, необходимых для синтезирования актомиозина – белка, используемого для осуществления сократительной деятельности сердца);
нормализировать осуществление метаболизма и энергетического обмена в миокарде;
увеличивать систолу (желудочковые сокращения) и ударный объем;
повышать АД и замедлять ЧСС;
удлинять диастолический период (расслабление миокарда в периоде между сокращениями);
угнетать проводимость сердца, устраняя развитие рефлекторной тахикардии;
стабилизировать показатели гемодинамики устранять явления застоя крови, оказывать противоотечный эффект, нормализировать работу почек и восстанавливать нормальный диурез.

Некоторые гликозидные препараты, например, сердечный гликозид, полученный из ландыша или горицвета, дополнительно влияют на ЦНС (седативное воздействие).

Классификация

Единой классификации сердечных гликозидов не существует. Как правило, используют разделение СГ по происхождению и длительности действия.

Продолжительность воздействия препарата зависит от способности гликозида прочно связываться с белками, а также от скорости его биотрансформирования и утилизации из организма.

Средства длительного действия

К СГ с длительным действием и выраженным эффектом кумуляции (способности к накоплению при последующих применениях) относят подгруппу наперстянки. Гликозиды с длительным действием, после перорального приема, начинают оказывать максимально кардиотоническое воздействие через восемь- двенадцать часов после приема. Эффект от длительных СГ продолжается от десяти и более суток.

Справочно. После введения препаратов в вену, они начинают действовать в течение от тридцати до 90-та минут. Максимальная эффективность лекарства проявляется через 4-8 часов.

Из этой группы гликозидов наиболее часто используют препараты дигитоксин и дигоксин, полученные из пурпурной и крупноцветной наперстянки.

Средства средней продолжительности действия

К СГ, обладающим средней продолжительностью воздействия, относят сердечные гликозиды, полученные из ржавой и шерстистой наперстянки (целанид и дигоксин), а также препарат горицвета.

Проведено сравнительное изучение механизмов мембранотропного действия сапонинов различного строения. Методом дифференциальной сканирующей микрокалориметрии показано, что взаимодействие сапонинов с мембранами, локализация и ориентация молекул в мембране определяются структурными особенностями агликона, строением углеводных цепей, их количеством и местом присоединения в агликоне. C помощью техники БЛМ показано, что механизм изменения проницаемости мембран сапонинами заключается в образовании ими ион-селективных каналов или неселективных пор в зависимости от концентрации, параметры которых зависят от структуры и концентрации молекул сапонинов, структуры и количественного содержания мембранных стеринов. Показана связь между структурой и каналообразующей активностью сапонинов и предложена молекулярная модель их действия на проницаемость стеринсодержащих мембран, объясняющая особенности действия низких и высоких концентраций гликозидов. Согласно этой модели сапонины, сорбируясь на мембране, образуют в ней двумерные смешанные сапонин-стериновые мицеллы таким образом, что агликон взаимодействует с молекулами стерина, углеводная цепь направлена в водную фазу и проводящая ионы структура состоит из комплексов, образованных агликонной частью сапонина с мембранным стерином. С увеличением концентрации сапонина увеличивается число субъединиц в мицелле или канале, селективность исчезает и ион-селективный канал превращается в неселективную водную пору, а при высоких концентрациях сапонина наблюдается структурный переход бислойных мембран в небислойные структуры с высокой проницаемостью. При действии на клетки в низких концентрациях сапонины образуют дополнительные ионные каналы, проницаемые в основном для K + , Na + и Cl - , которые близки по своим свойствам к природным ионным каналам и могут быть сигналом к стимуляции клеточных процессов. При более высоких концентрациях сапонины образуют каналы, проницаемые для ионов кальция, и в зависимости от интенсивности входа Ca 2+ , могут приводить как к стимулирующему, так и ингибирующему действию на клетки. Дальнейшее увеличение концентрации гликозидов приводит к нарушению барьерных свойств плазматических мембран для неэлектролитов, ингибированию внутриклеточных процессов и коллоидно-осмотическому лизису клеток. Предложен новый подход к регуляции проницаемости клеточных и модельных мембран с помощью рН-регулируемых сапониновых пор, размером и работой которых можно управлять, изменяя рН среды. Показано, что гликозиды даммаранового ряда в зависимости от концентрации могут проявлять как про-, так и антиоксидантное действие, аналогичное действию ацетата токоферола, и могут выступать в роли мембранных биоантиоксидантов. Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ № 96-04-51016 и № 99-04-48058.

Олеаноловая кислота

Растения, содержащие тритерпеновые сапонины, распространены довольно широко (семейства синюховых, астровых, гвоздичных, яснотковых, валериановых, аралиевых, бобовых). Тритерпеновые гликозиды состоят из агликона (генина) тритерпеновой природы и углеводной части. По характеру агликона они могут относиться к - или -амириновому, лупановому, гопановому, даммарановому, ланостановому и голостановому рядам. В составе углеводной части найдены следующие моносахариды: D -глюкоза, 3-О -метил-О -глюкоза, D -галактоза, D -ксилоза, D -хиновоза, L -арабиноза, L -рибоза, D -фукоза, L -рамноза, ликсоза и D -глюкуроновая кислота и другие . Они образуют одну или две углеводные цепи линейной или разветвленной структуры. В настоящее время предложено несколько вариантов классификации тритерпеновых гликозидов, учитывающих те или иные особенности углеводной части. Так, вещества, содержащие углеводную цепь по карбоксильной группе агликона, Л.Г. Мжельская и Н.К. Абубакиров (1968 г.) предлагают называть ацилозидами. Выделяют бисдесмозидные и монодесмозидные гликозиды. В состав некоторых гликозидов входят остатки органических кислот (например, ангеликовой, тиглиновой, коричной, уксусной и др.), этерифицирующих преимущественно агликоны.

Установление полной структуры тритерпеновых гликозидов долгое время было невозможным из-за отсутствия этих веществ в чистом виде. В 60-е годы под руководством Н. К. Кочеткова были разработаны аналитические и препаративные методы разделения довольно сложных смесей гликозидов. Благодаря этому удалось установить структуру тритерпеновых гликозидов с большой молекулярной массой, получивших название олигозидов. Первым представителем этого класса веществ оказался гипсозид .

Достижения советской школы химиков позволили поставить на научную основу исследование гликозидов и занять лидирующее положение в мире в этой области химии природных соединений. Так, если к 1960 г. в литературе было описано строение лишь четырех гликозидов тритерпеновой природы, то через 20 лет их число приблизилось уже к 200, причем более 150 из них изучены советскими учеными . Эти соединения в подавляющем большинстве содержат в качестве агликонов хедерагенин, гипсогенин, олеаноловую и эхиноцпстовую кислоты, относящиеся к β-амириновому ряду.

Можно считать установленным, что наличие тритерпеновых гликозидов в растениях отдельных семейств может служить хемотаксономическим признаком. Наиболее богаты этими веществами следующие семейства: гвоздичные, лютиковые, бобовые, аралиевые, сложноцветные, сапиндовые и др.

1.1.3. Характеристика углеводной части. В состав углеводной части входят следующие сахара: D -глюкоза, D-галактоза, L -рамноза, L -арабиноза, D -ксилоза, L -фруктоза, D -глюкуроновая и D -галактуроновая кислоты. Многие сапонины содержат в углеводной части несколько остатков моносахаридов. Углеводная часть чаще присоединяется к гидроксильной группе при углеродном атоме С -3 кольца А углеродного скелета. У некоторых тритерпеновых гликозидов углеводная цепь присоединяется к углеродному атому С -28 посредством O -ацилгликозидной связи. По количеству молекул моносахаридов сапонины, как и гликозиды, подразделяются на монозиды, биозиды, триозиды, тетразиды, пентозиды и олигозиды. Тритерпеновые сапонины имеют до 10 и более моносахоридных остатков, которые могут образовывать две сахарные цепочки. Сахарная цепочка бывает линейной (у большинства гликозидов) или разветвленной (например, у аралозида В ).

1.1.4. Физико-химические свойства. Бесцветные, реже желтоватые аморфные или кристаллические вещества (в основном стероидные сапонины). Сапонины оптически активны. Растворимость зависит от числа моносахаридных остатков: при 4 и более - хорошо растворимы в воде; при 2-4 - плохо растворимы в воде, но хорошо в метаноле. Понижают поверхностное натяжение. Легко гидролизуются ферментами и кислотами.

1.1.5. Тритерпеновые гликозиды в организме-продуценте. Показано, что тритерпеновые гликозиды локализуются в жизненно важных органах и тканях. В больших количествах они обнаружены в листьях, цветках, семенах, плодах, корнях, корнеплодах и стеблях .

Выявлена общая закономерность локализации гликозидов в листьях растений рода Hedera . Эти соединения обнаруживаются в основном в полисадной части мезофилла листа и эпидермальных клетках вдоль главных жилок. Внутри клетки они локализуются на поверхности хлоропластов в виде пятнышек различного размера. По данным Педерсена, тритерпеновые гликозиды преимущественно концентрируются в наружном слое коры корней проростков люцерны. Показано, что содержание и скорость биосинтеза тритерпеновых гликозидов изменяются в широких пределах в зависимости от возраста и физиологического состояния организма-продуцента. Так, уровень гликозидов в люцерне Medicago sativa L. существенно связан с сортом, сроком уборки урожая и долей листьев в общей растительной массе. В люцерне трех сроков сбора содержание гликозидов составило 1.55; 3.04 и 2.97 %, причем концентрация в листьях была выше, чем в стеблях (соответственно 2.26-3.43 и 1.11-1.33 %) .

При развитии подсолнечника содержание тритерпеноидов в верхних листьях возрастает, а в нижних листьях и корнях падает .

Несколько иная закономерность выявлена М.К. Яворской и А.Д. Хоменко (1973 г.), которые установили, что в онтогенезе концентрация гликозидов в листьях сахарной свеклы изменяется незначительно. Наиболее высокий уровень этих веществ обнаружен в черешках 45-дневных растений и по мере их роста он постепенно снижается.

Значительные колебания в содержании тритерпеноидов наблюдаются в семенах тропического растения Balanites aegyptiaca в период первых девяти дней прорастания. Максимальная концентрация сапогенинов отмечается к пятому дню прорастания семян, минимальная - к девятому.

Интересные данные получены при изучении содержания отдельных тритерпеноидов и стероидов в цветках ноготков Calendula officinalis на протяжении шести стадий их развития: от бутона (5 дней) до увядания цветка (27 дней). Начиная с 12 дня развития, чашелистники изучались отдельно от самого цветка. Показано, что на протяжении всего периода развития цветка вплоть до его полной зрелости содержание всех форм тритерпеноидов и стеринов увеличивается. Биосинтез свободных -амирина, эритродиола и гликозидов олеаноловой кислоты, а также -ситостерина, стигмастерина и изофукостерина происходит как в самом цветке, так и в зеленых растениях. При увядании цветка концентрация тритерпеноидов и стеринов уменьшается. Как полагают авторы, это связано с перемещением гликозидов олеаноловой кислоты в корневую часть растения. В цветках календулы присутствуют пять гликозидов олеаноловой кислоты, для биосинтеза которых в качестве предшественника использовалась уксусная кислота.

При изучении скорости биосинтеза тритерпеноидов в различных органах календулы лекарственной обнаружено, что включение 1-14O -ацетата в тритерпеноиды составило (%): корни 0,023, листья 0,14, цветки 0,51 . Высокая скорость биосинтеза тритерпеновых гликозидов обнаружена у молодых растений и в прорастающих семенах календулы. Примечательно, что в зародыше синтезируются тритерпеноиды только олеаноловой кислоты, а семядолях - только урсановой и лупановой групп. Как показали дальнейшие исследования, формирование углеводной цепи у C -3-атома олеаноловой кислоты происходит независимо от того, свободна или гликозилирована COOH-группа в положении C -17 .

На биосинтез тритерпеноидов в растениях большое влияние оказывает интенсивность света, при этом обнаруживается прямая зависимость между интенсивностью фотосинтеза и скоростью синтеза тритерпепоидов. Между жирными кислотами и тритерпеноидами существует конкуренция за предшественник, который образуется в процессе фотосинтеза .

Значительные колебания в содержании тритерпеновых гликозидов отмечены в организме голотурий. Показано, например, что наиболее высокая концентрация гликозидов у Holothuria leucospilota B. выявлена в кювьеровой железе и яйцеклетках. По мере созревания последних уровень гликозидов увеличивается, причем в яйцеклетках максимум приходится на май - июль, а в кювьеровой железе - на март - июль .

В.С. Левин и В.А. Стоник изучали изменение уровня тритерненовых гликозидов у Cucumaria traudatrix в зависимости от возраста животного и сезона года. Установлено, что количество гликозидов у молодых неполовозрелых особей относительно невелико. В период роста голотурий до достижения половозрелости оно резко увеличивается, а при дальнейшем росте животных остается почти постоянным. Содержание гликозидов в стенках тела голотурий Cucumaria fraudatrix осталось в период с декабря по май на одном уровне, тогда как в гонадах значительно уменьшилось. Авторы не исключают возможность участия гликозидов в процессе размножения.

Гликозиды в изучаемых объектах представляют собой сложные смеси веществ, которые по своей структуре весьма близки. Чаще всего различие состоит в длине углеводной цепи по гидроксильной группе. При переходе от простых гликозидов к более сложным происходит ее удлинение на один моносахарид, в то время как O -ацилозидная часть во всех соединениях одна и та же (или полностью отсутствует). На основании большого фактического материала было сделано предположение, что биосинтез углеводной цепи по гидроксильной группе генина протекает благодаря ее постепенному удлинению, а по карбоксилу агликоиа разовым присоединением целого фрагмента .

Сапонинами (от лат. Sapo - мыло) называют гликозиды растительного и животного происхождения, большая часть которых обнаруживает поверхностную, гемолитическую активностью и токсичность по отношению к холоднокровным животным.

Молекулы сапонинов, как и других гликозидов, состоят из сахарной части и агликона, который называют сапогенином. По типу агликона тритерпеновые сапонины разделяют на группы дамарана, циклоартана, лупан,а фриделана, урсана, олеанана и др. Гликозиды содержат один или два углеводные цепи линейной или разветвленной структуры.

Чаще всего углеводная цепь находится в положении С-3, но встречаются вещества, содержащие углеводный остаток по карбоксильной группе агликона.

В углеводной цепи может находиться от 1 до 11 моносахаридов D-глюкоза, D-галактоза, D-ксилоза, L-арабиноза, L-рибоза, D-фукозы, L-рамноза и Д-глюкуроновая кислота. В состав некоторых гликозидов входят остатки органических кислот, например ангеликовая, тиглиновая, коричная, уксусная и др.

Распространение и биологические функции в растениях

Сапонины обнаружены в 900 видах растений, относящихся к 90 семействам. Тетрацикличные тритерпеновые сапонины содержит ограниченная группа семейств - Araliaceae, Cucurbitaceae и некоторые др. Пентациклическая группа широко распространена в природе в растениях 40 семейств, в частности Fabaceae, Caryophyllaceae, Asteraceae, Araliaceae, Polygalaceae, Lamiaceae и тому подобное. Из высших споровых растений тритерпеновые сапонины содержат некоторые виды папоротников. Очень редко сапонины всречаются в организме животных.

Наличие сапонинов обнаружено во всех частях растений, но накапливаются они преимущественно в корнях, корневищах, клубнях, плодах, значительно меньше в коре и наземной части.

В растениях сапонины находятся в свободном состоянии или в сочетании с другими веществами. Чаще всего их бывает несколько, причем один или два доминируют по количественному содержанию. При изучении сапонинов в растениях были обнаружены некоторые особенности в их накоплении.

Несмотря на широкое распространение тритерпеновых сапонинов в природе и древнее использования человеком, изучены они недостаточно вследствие сложности химической и стереохимической строения. Их исследовало много зарубежных и отечественных ученых (Л. Ружичка с соавторами, С. Черникова, А. Хорлин, Ю. Оводом, Г. Еляков и др.).

Существует три точки зрения на роль сапонинов в жизни растений: сапонины -промежточное звено между низкомолекулярными и полимерными веществами, содержащими углерод; они - резервные вещества (содержат много сахаров); защищают растение (их поедают насекомые).

Тритерпеновые сапонины влияют на проницаемость растительных клеток, что связано с их поверхностной активностью. Незначительные концентрации сапонинов ускоряют, а концентрированные - замедляют прорастание семян, рост и развитие растений.

Особая группа гликозидов отличительной особенностью которых, является образование устойчивой пены (sapo - мыло) при смешивании их с водой. Сапонины, обладающие высоким токсическим влиянием, нередко называются и сапотоксинами.

Их влияние проявляется в основном на форменные элементы крови (гемолиз), а также в сильном раздражении тканей и слизистых оболочек.

Могут быть в природе и сочетания алкалоидов и глюкозы- гликоалкалоиды (например, соланин картофеля и др.).

Особенно сильным раздражающим действием обладают гликозиды содержащие при своем распаде аллилово-горчичные масла Этим соединениям присуще кожно-нарывное действие.

Азотсодержащие гликозиды - нитрилгликозиды,

Нитрилгликозиды существенно отличаются по своему строению от обычных гликозидов.

В их состав входит азот, причем в результате расщепления образуется более или менее значительное количество свободной синильной кислоты (HCN). Отравления животных бывают обусловлены именно этим компонентом распада нитрилгликозида. В нерасщепленном состоянии молекулы таких нитрилгликозидов опасности не представляют.

Гликозиды, отщепляющие HCN, имеют различные наименования, но все они, разлагаясь под влиянием ферментов, обладают влиянием на организм, адекватным количеству HCN.

Токсоальбумины

Эти вещества содержатся в небольшом количестве растений, но по своему влиянию на организм они весьма активны. В химическом отношении их трудно классифицировать. С ядовитыми белками (альбоальбуминами) их можно сравнивать лишь по реактивности к ним организма. Дело в том, что на введение этих веществ организм реагирует так же, как и на введение чужеродного белка, т. е. они, обладают как бы иммунногенными свойствами.

Токсикологическое значение их в ветеринарии очень большое (например, отравление вехом - цикутоксин, семенами клещевины- рицин, корой белой акации - робин и др.).

Эфирные масла.

В химическом и физическом отношении эфирные масла весьма разнообразные вещества. Твердые эфирные масла нередко называются общим наименованием «камфары», или «камфароподобные вещества». В растениях имеется огромное количество различных эфирных масел, чем обусловлен и запах, специфический для того или другого растения.

Общим для них признаком является плохая растворимость в воде, удельный вес меньше единицы (тяжелее воды лишь окисленные масла). В химическом отношении это собственно терпены или их ближайшие производные.

Из эфироносных растений многие имеют токсикологическое значение (например, полынь и др.).

Другие действующие начала

К другим действующим началам относятся органические кислоты и их ангидриды. Токсикологическое значение кислот этой группы для животных и птиц относительно небольшое.

К растениям, содержащим органические кислоты, можно отнести щавели (щавелевая кислота), молочай (ангидрид эвфорбиновой кислоты) и др. К этой же группе нужно отнести и действующие вещества типа лактонов (дикумарин донника, сантонин цитварной полыни и др.).

Краткие сведения о происхождении ядовитых веществ в растениях и о влиянии условий на их накопление

Растение в зависимости от условий внешней среды могут сильно изменять свои свойства а также и отложение тех или иных химических соединений.

Так называемые сорные и ядовитые растения естественных пастбищ и лугов также неодинаковы по токсичности. Больше того, одни и те же растения в зависимости от места произрастания в одних случаях обладают высокой ядовитостью, а в других - используются с успехом как кормовые растения. Это относится, например, к хвощам, звездчатке и т. д.

Колебания в накоплении ядовитых веществ имеют место у одних и тех же растений в различные фазы вегетации (до и после цветения), в различных частях растений и в зависимости от метеорологических условий в определенные месяцы (например, накопление синильной кислоты в сорго после морозов).

Большинство растений, независимо от времени произрастания, местности и т. п. сохраняет свою ядовитость.