Tulipalin A

Tulipalina A (α-metilen-γ-butirolactonă, MBL [1] ) este un compus organic heterociclic din grupa lactonei cu formula chimică C 5 H 6 O 2 . Tulipalina A sintetică pură este un lichid transparent, ușor solubil în apă [2] , incolor și inodor , care polimerizează spontan [3] . Tulipalina A naturală este sintetizată de plantele din familiile Liliaceae ( lalea , cocoș de alun , kandyk și altele [4] ), Alstroemeria ( Alstroemeria , Bomarea [4] ) și roz ( Spiraea [5] [6] ). Este un insecticid și fungicid natural puternic care previne înfrângerea Fusarium și majoritatea formelor de mucegai cenușiu și, în același timp, un alergen uman puternic care provoacă dermatită alergică la contactul cu bulbii de lalele și tulpinile florilor tăiate de Alstroemeria.

α-metilen-γ-butirolactona sintetică a fost investigată în anii 1940; α-metilen-γ-butirolactona naturală a fost izolată pentru prima dată în 1946 din kandyk american ( Erythronium americanum ) [5] . În 1966, fungicidelor ipotetice, încă neidentificate, produse de lalele, au primit denumirea colectivă de tulipalina ; în 1967 tulipalina A a fost identificată drept α-metilen-γ-butirolactonă deja cunoscută [7] [8] .

Sinteză

Plantele din familiile Liliaceae și Alstroemeria sintetizează și acumulează în toate țesuturile glicozide  specifice tulipozidelor . De exemplu, în lalele au fost găsite șapte tuliposide diferite (1-tuliposide A și B, 6-tuliposide A și B, tulipozide D, E și F [4] ); concentrația lor totală este de 0,2-2% din masa totală a plantei, inclusiv concentrația de 6-tuliposid-A - până la 1,5% din masa totală [9] . În alstroemerias, concentrația totală de tuliposide este de 1-2% din masa totală [10] . Cele mai mari concentrații de tulipozide se observă în pistilurile de lalele (până la 30% greutate uscată) și frunze de alstroemeria (până la 10% greutate uscată) [11] . Mecanismul sintezei tulipozidelor de către plante este necunoscut. Tulipozidele în sine sunt fungicide slabe și alergeni slabi [12] , dar stocul lor servește ca sursă de tulipaline - substanțe puternice biologic active [4] . Tulipalina A prezintă proprietăți fungicide puternice și, într-o măsură mai mică, bactericide; tulipalina B este în primul rând bactericidă [4] . Tulipalina A este, de asemenea, un insecticid puternic; în condiții naturale, tulipalina, secretată de spirea lui Thunberg , distruge populația de trips de palmier într-o săptămână [5] .

Sinteza tulipalinelor din tuliposide este, probabil, o reacție de protecție a plantelor la deteriorarea membranelor vacuolelor de către ciupercile patogene [3] și are loc în prezența enzimelor de conversie a tuliposidelor ( TCE , EC 4.2.99.22) [13] [14] . 1-tuliposida A sintetizată de plantă este transformată continuu în 6-tulipozidă A mai stabilă, enzimele descompun acest intermediar în D-glucoză și un acid organic instabil, iar acest acid este transformat în tulipalină A stabilă [13] [15] . Într-un mediu slab acid tipic țesuturilor plantelor (pH 5,4…6,5), tulipalinele sunt stabile, iar în mediu alcalin sunt hidrolizate în acid butiric stabil [3] . Tulipalina A pură, izolată în condiții de laborator, este relativ stabilă la o temperatură de +2 °C, totuși, după câteva săptămâni de depozitare, se polimerizează spontan și își pierde activitatea biologică [3] . În reacțiile de polimerizare , tulipalina A se comportă ca metacrilatul de metil [16] ; tulipalina Un homopolimer este o substanță tare, fragilă, transparentă (un analog al polimetilmetacrilatului ) cu o temperatură de tranziție sticloasă de 195 ° C [17] .

Literatura descrie mai multe metode alternative pentru sinteza tulipalinei A în laborator. De exemplu, tulipalina A poate fi obținută din aductul antracen utilizând metodologia Diels-Alder . Mai întâi, aductul inițial este tratat cu diizopropilamidă de litiu și apoi cu oxid de etilenă . Produsul de reacție se descompune în antracen și tulipalină A în timpul termolizei în vid pulsat la o temperatură de 250–300 °C și o presiune de 0,1 mm Hg. Artă. (13 Pa ). Randamentul tulipalinei A este de 77% din limita calculată [18] . Toate tehnologiile de laborator pentru sinteza tulipalinelor sunt prea scumpe și nu sunt utilizate în producția industrială; o alternativă la sinteza este producerea de tulipaline din materiale vegetale [19] . În 2014, chimiștii japonezi au propus un proces biotehnologic folosind doar apă, etanol , cărbune activat și varietăți speciale de biomasă de lalele , caracterizate printr-o concentrație deosebit de mare de tuliposide în flori. În acest proces, sursa de tuliposide este un extract de apă-alcool din flori, iar enzima este TCE extrasă din bulbi [20] .

Proprietăți fungicide

Proprietățile fungicide ale extractului de bulb de lalele au fost dovedite pentru prima dată de biochimiștii olandezi în 1966. Ingredientele active ale acestui extract, neidentificate încă, se numesc tulipaline ; în 1967, două grupuri independente de cercetători au identificat tulipalina A ipotetică ca fiind binecunoscuta α-metilen-γ-butirolactonă [7] [8] . Toate tulipalinele și tulipozidele inhibă dezvoltarea ciupercilor patogene, dar tulipalina A prezintă cel mai activ proprietăți fungicide. Concentrația sa minimă, la care inhibarea ciupercilor patogene Fusarium oxysporum f. tulipae , Gibberella zeae și Rhizoctonia solani , de 5-10 ori mai puține decât concentrațiile necesare de alte tulipaline și tuliposide. În ceea ce privește Pythium ultimum , toate aceste substanțe sunt la fel de eficiente [21] .

Tulipalina A inhibă toate formele de putregai cenușiu cauzate de ciupercile din genul Botrytis [3] ; aceasta este singura substanță naturală care inhibă dezvoltarea parazitului specific lalelei Botrytis tulipeae [21] , deși la fel de eficient ca și alte putregai cenușii. Botrytis tulipeae suprimă reacțiile de apărare ale lalelelor: la plantele afectate de aceasta, tulipozidele sunt hidrolizate în acizi inactivi, în timp ce la lalelele afectate de Botrytis cinerea , tulipozidele sunt transformate activ în lalele active [3] . În practica floricultură, doar Botrytis tulipeae este capabil să infecteze un bulb de lalele; alte forme de Botrytis sunt limitate la lăstari supraterane [22] . Pentru lalea în sine, această diferență nu contează: moartea lăstarilor de deasupra solului duce la moartea plantei în ansamblu. Lalelele infectate nu sunt supuse tratamentului și sunt distruse indiferent de ciuperca care le-a lovit [23] .

Cel mai periculos și mai important din punct de vedere economic dintre toți agenții patogeni suprimați de tulipaline este Fusarium oxysporum f. lalele [24] . Boala de mult cunoscută a ieșit în prim-plan abia la începutul secolelor XX și XXI; Motivele presupuse pentru aceasta sunt apariția de noi tulpini de ciupercă, interdicțiile legislative privind fungicidele eficiente, extinderea fermelor de floricultură și trecerea lor la prelucrarea mașină a bulbilor, care a crescut dramatic proporția bulbilor săpați care suferă deteriorări mecanice [24]. ] .

Bulbii sunt cei mai sensibili la fuzarioză vara, imediat după săpare, când concentrația de lalele din solzii de acoperire nu a atins încă norma. Boala se răspândește rapid în depozitul de vară și provoacă eliberarea de etilenă din bulbi ; auto-otrăvirea cu etilenă duce la moartea primordiilor florilor . Relația dintre intoxicația cu etilenă și sinteza tulipozidelor și tulipalinelor nu a fost stabilită în mod fiabil. Conform unor observații, concentrația de etilenă în aer în 1-2 ppm și mai sus duce la oprirea completă a sintezei tulipalinelor; drept consecință, bariera de protecție este slăbită chiar și la bulbii sănătoși [25] . Conform unei alte lucrări a aceluiași autor, o concentrație de etilenă de 2-20 ppm suprimă doar sinteza tuliposidei și nu afectează descompunerea tuliposidei în glucoză și tulipaline [26] .

Proprietăți alergene

Institutul Federal German pentru Evaluarea Riscurilor clasifică tulipalinele drept alergeni de categoria B („reacțiile alergice de contact sunt foarte probabile”) [27] . Contactul uman regulat cu lalele și alstroemerias duce la o sensibilizare rapidă a organismului la tulipalina A și o boală profesională caracteristică cultivatorilor de flori - dermatita lalelelor [10] .

Manifestările bolii coincid adesea cu simptomele infecțiilor fungice ale pielii și unghiilor [27] . La contactul cu bulbii de lalele se observă mai întâi eritemul pielii mâinilor, apoi keratinizarea și crăparea acestuia [12] . La debutul bolii se remarcă adesea mâncărime, urmate de furnicături în degete [12] . Adesea apar leziuni ale unghiei: craparea unghiei, onicoliza (peelingul unghiei), abcese ale patului unghial [12] . În cazuri rare, dermatita lalelelor se extinde dincolo de centura scapulară; sunt cazuri când alergiile au dus la tulburări de vorbire [12] .

Furnituri ale degetelor și leziuni ale unghiilor nu au fost raportate în rândul lucrătorilor cu alstroemeria [10] . Boala apare de obicei mai întâi pe vârful degetelor, iar apoi acoperă întreaga piele a mâinii [10] . Există urticarie , eczeme , peeling ale pielii [10] . Literatura de specialitate descrie exemplul unei femei florară în vârstă de 54 de ani care a dezvoltat o alergie după un singur contact accidental cu sucul de alstroemeria tăiat [10] . Primele simptome, mâncărime și urticarie ale degetelor și antebrațului, au apărut la două zile după contact [10] . Câteva zile mai târziu , erupția s-a transformat în eczemă cu mai multe vezicule [10] . Boala a retras după o săptămână de aplicare externă a corticosteroizilor ; pe pielea vindecată au rămas pete depigmentate ușoare [10] .

Un mijloc de prevenire și protecție este purtarea mănușilor din cauciuc nitrilic . Mănușile chirurgicale convenționale din latex și PVC sunt permeabile la tulipaline și nu asigură o protecție sigură [10] [12] [27] .

Proprietățile alergene ale tulipalinei A se datorează probabil proximității grupărilor metil și carbonil din moleculă. Compușii ciclici similari din punct de vedere structural în care aceste grupări sunt îndepărtate unul de celălalt ( protoanemonină , γ-butirolactonă) nu sunt alergeni [28] .

Aplicații promițătoare

Tulipalinele, fiind antibiotice naturale , au fost testate în mod repetat în medicină și produse farmaceutice (de exemplu, în 2011, cercetătorii de la Oxford au arătat posibilitatea utilizării tulipalinelor naturale pentru sinteza medicamentului antitumoral metilenlactacin [ [29] ). Din 2014, aceste experimente nu au dat un rezultat practic; tulipalinele nu sunt utilizate în produse farmaceutice.

Tulipalina A este considerată unul dintre candidații pentru rolul unui monomer „verde” ( regenerabil )  - o materie primă pentru producția de materiale plastice, care poate fi extrasă din plante fără utilizarea de reactivi neregenerabili și purtători de energie [1] ] . Primii polimeri pe bază de α-metilen-γ-butirolactonă pură și copolimeri de α-metilen-γ-butirolactonă și acrilonitril  - transparent, foarte dur, dar fragil - au fost brevetați în SUA încă din 1947 [2] . În cea mai recentă literatură, sunt descrise diverse tehnologii experimentale de polimerizare, de regulă - nu tulipalina pură, ci amestecurile sale cu alți compuși organici. De exemplu, polimermetilenbutirolactona (PMBL, un copolimer al tulipalinei A și al γ-metil-α-metilen-γ-butirolactonă) are proprietăți similare cu polimetilmetacrilatul (PMMA) și se compară favorabil cu acesta printr-o temperatură de tranziție sticloasă mai mare (195 ° C). față de 100 ° C pentru PMMA) [16] și proprietăți mecanice și optice mai bune [1] . Copolimerii tulipalinei A, caracterizați prin rezistență crescută la abraziune și radiații ultraviolete  , sunt un posibil înlocuitor promițător pentru grunduri, vopsele și lacuri acrilice în industria auto [17] .

Note

1. ↑ 1 2 3 Polimerizarea monomerilor derivati ​​din biomasă nealimentară la polimeri durabili // Cataliza selectivă pentru materii prime regenerabile și substanțe chimice. - Springer, 2014. - P. 200-201. — ISBN 9783319086545 .
2. ↑ 1 2 Brevetul S.U.A. Nr. 2.624.723, 6 ianuarie 1953. Derivați de lactonă și metoda de fabricare . Descrierea brevetului pe site-ul Oficiului pentru Brevete și Mărci din SUA .
3. ↑ 1 2 3 4 5 6 Van Baarlen, P. et al. Compuși de apărare a plantelor împotriva infecției cu Botrytis // Botrytis: Biologie, Patologie și Control: Biologie, Patologie și Control. - Springer, 2007. - P. 150, 151. - ISBN 9781402026263 .
4. ↑ 1 2 3 4 5 Taiji Nomura și colab. O nouă carboxilesterază care formează lactona: Identificarea moleculară a unei enzime de conversie a tuliposidei A în lalele  // Fiziologia plantelor. - 2012. - Vol. 159. - P. 565-578. - doi : 10.1104/pp.112.195388 .
5. ↑ 1 2 3 Kim, C.-S. et al. Componentă insecticidă în Thunberg Spiraea, Spiraea thunbergii, împotriva Thrips palmi // Bioștiință, Biotehnologie și Biochimie. - 1998. - Vol. 62. - P. 1546-1549.
6. ↑ Parmar, S. Perspective și probleme ale bipesticidelor fitochimice // Biopesticidelor fitochimice / editor: Opender Koul, GS Dhaliwal. - CRC Press, 2003. - P. 153. - ISBN 9780203304686 .
7. ↑ 1 2 Overeem, JC Substanțe antimicrobiene preexistente în plante și rolul lor în rezistența la boli // Patogenitatea fungică și răspunsul plantei / ed. RJWByrde. - Elsevier, 2012. - P. 197, 198. - ISBN 9780323147408 .
8. ↑ 1 2 Publicat prima dată de Bergman, BH et al. Izolarea și identificarea α-metilen-butirolactonei, o substanță fungitoxică din lalele  // Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas. - 1967. - Vol. 86, nr. 7 . - P. 709-714. Arhivat din original pe 24 martie 2015.
9. ↑ Lim, T.K. Plante medicinale și nemedicinale comestibile, volumul 8: Flori. - Springer, 2014. - P. 226-228. — 1038 p. — ISBN 9789401787482 .
10. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Spoerke, D. și Smolinskie, S. Toxicity of Houseplants. - CRC Press, 1990. - P. 73, 74. - ISBN 9780849366550 .
11. ^ US Patent # 20,030,170,653 , 11 septembrie 2003. Utilizând o enzimă modificată genetic . Descrierea brevetului pe site-ul Oficiului pentru Brevete și Mărci din SUA .
12. ↑ 1 2 3 4 5 6 Spoerke, D. și Smolinskie, S. Toxicity of Houseplants. - CRC Press, 1990. - P. 212, 213. - ISBN 9780849366550 .
13. ↑ 1 2 Informații despre EC 4.2.99.22 - enzima de conversie a tuliposidei A . BRENDA. Consultat la 10 iulie 2015. Arhivat din original la 23 septembrie 2015. (nedefinit)
14. ↑ Baza de date de proteine ​​Uniprot enumeră cinci forme de TCE diferite care degradează tuliposida A, vezi enzimele de conversie a tuliposidei A. Data accesului: 24 ianuarie 2015. Arhivat din original pe 27 februarie 2015. (nedefinit)
15. ↑ Harborne, J. Introduction to Ecological Biochemistry. - Academic Press, 2014. - P. 273. - ISBN 9780080918594 .
16. ↑ 1 2 Suresh, R. Atom transfer radical polymerization // Renewable Polymers: Synthesis, Processing, and Technology. - Wiley, 2011. - ISBN 9781118217672 .
17. ↑ 1 2 Brevet US Nr. 7.465.498 16 decembrie 2008. Tulipalin copolymers . Descrierea brevetului pe site-ul Oficiului pentru Brevete și Mărci din SUA .
18. ↑ Vallee, Y. Gaz Phase Reactions in Organic Synthesis. - CRC Press, 1998. - P. 133, 134. - ISBN 9789056990817 .
19. ↑ Brevetul US Nr. 6.642.346, 4 noiembrie 2003. Compoziţii de acoperire care conţin exometilen lactonă sau monomeri lactam substituiţi şi nesubstituiţi . Descrierea brevetului pe site-ul Oficiului pentru Brevete și Mărci din SUA .
20. ↑ Taiji Nomura și colab. Proces benefic pentru mediu pentru prepararea α-metilen-β-hidroxi-γ-butirolactone antimicrobiene (tulipalina B) din biomasa de lalele  // Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. — 2014 (online), 2015 (următor). - doi : 10.1080/09168451.2014.946395 .
21. ↑ 1 2 Shigetomi, K. și colab. Sinteza totală asimetrică a 6-Tuliposidei B și activitățile sale biologice împotriva ciupercilor patogene ale lalelelor // Bioștiință, biotehnologie și biochimie. - 2011. - Vol. 75. - P. 718-722. - doi : 10.1271/bbb.100845 .
22. ↑ Kie Yamada și colab. Cercetări epidemiologice asupra bolilor botritei la plantele de lalele cauzate de B. tulipae și B. cinerea // IX-lea Simpozion internațional despre bulbii de flori. - ISHS Ornamental Plant Section // Acta Horticulturae, 2005. - P. 469. - ISBN 9066056088 .
23. ↑ Khrustaleva, V. A. Boli și dăunători // Floricultură. - 1983. - Nr 2 . - S. 19-21 .
24. ↑ 1 2 Miller, W. și colab. Variația producției de etilenă indusă de Fusarium printre culturile de lalele // Acta Horticulturae. - 2005. - Vol. 673 (IX-a Simpozion Internațional despre bulbii de flori). - P. 229-235.
25. ↑ Patogenitatea fungică și răspunsul plantei / ed. RJWByrde. - Elsevier, 2012. - P. 114 (replica J. Beyersbergen). — ISBN 9780323147408 .
26. ↑ Pegg, C. F. Implicarea regulatorilor de creștere în planta bolnavă // Effects of Disease on the Physiology of the Growing Plant / ed. PGAyres. - Society for Experimental Biology, 1981. - P. 154. - ISBN 9780521298988 .
27. ↑ 1 2 3 McCluskey, J. și colab. Tulipalin A induced phytotoxicity  // Int J Crit Illn Inj Sci.. - 2014. - Nr. Apr-Iunie . - P. 181-183. Arhivat din original pe 17 martie 2019.
28. ↑ Crosby, Donald. Buruiana otrăvită: plante toxice pentru piele . - Oxford University Press, 2004. - P.  117 . — ISBN 9780198035428 .
29. ↑ Ştiri Ştiinţe Chimice (233) . chemport.ru (2011). Data accesului: 24 ianuarie 2015. Arhivat din original la 28 ianuarie 2015. (nedefinit)

Literatură

• McCluskey, J. şi colab. Tulipalin A induced phytotoxicity  // Int J Crit Illn Inj Sci.. - 2014. - Nr. Apr-Iunie . - P. 181-183.
• Khrustaleva, V. A. Boli și dăunători // Creșterea florilor. - 1983. - Nr 2 . - S. 19-21 .