Kemotaksonomi – Karşilaştirmali Fitokimya Ve Biyokimya

**Prof. Dr. Sinsi** · 10-10-2012

YANLIZCA SÜBSTİTÜSYON FARKLILIĞI GÖSTEREN MOLEKÜLLERİN TAKSONOMİK DAĞILIMI

Belirtildiği üzere ikincil metabolitlerin büyük bir kısmının fizyolojik işlevleri bilinmemektedir

Çok farklı taksada yer alan fakat genel morfolojileri benzeyen bitkilerde aynı maddeler bulunurken, komşu taksada bulunmayabilmektedirler

Bu tablonun tersine çok farklı morfolojilerdeki bitkilerde ikincil metabolitler çok benzer olabilmektedir

Örneğin Monocotyledonae’n Graminae’de glükoflavonoidlere nadiren rastlanırken Lemnaceae’de sık rastlanır

Öte yandan Lemnaceae cins ve türlerinde de glükoflavonlar ile antosiyaninler, flavon ve flavonlar farklı açılımlar gösterir

Tipik bir sorun örneği olarak bir ila birkaç mm

boyundaki bu çok basit yapılı çiçekli su bitkilerinin morfolojik olarak ayırt edilmelerinin zorluğu verilebilir

Bu bitkiler çok benzer habitatlarda yetiştiklerinden ancak kimyasal olarak ayırt etme yoluna gidilir

Legümlerden Psoralea cinsinde ise tam tersine olarak çok farklı morfolojileri olan bütün türlerin kromatografilerinde aynı karmaşık glikoflavonoid grubuna sahip oldukları görülmüştür

Bu birbirine yakın kimyasal madde gruplarının taksonomik ilişkileri ilginç bir konu olarak kimyacılar ve biyologlar tarafından incelenerek filojenetik bilgi açısından önemlerinin ortaya çıkarılmasına çalışılmaktadır

Benzeri bir tablo da Pinaceae dışındaki Gymnospermlerde çok yaygın olan biflavonillerde görülür

Özellikle Cupressaceae ve Taxodiaceae’de bol bulunan bu madde grubunun çeşitli komponentleri ile bu bitki gruplarının filogenetik taksonomileri arasında kuvvetli ilişkiler kurulabilmiştir

Diğer bir konu ise bazı ikincil metabolitlerin belli taksonlarda ancak yaşamın belli bir gelişme döneminde ortaya çıkarak kaybolabilmeleridir

Bu nedenle de filogenetik değerlendirmenin sağlıklı olarak yapılabilmesi için bitkilerin yaşam devirlerinin kimya ve biyokimyası ile enzimolojisini incelenmesi gereğidir

Hücrelerin ancak belli bir biyokimyasal, fizyolojik dönemlerinde ilgili metabolitlerin öncü maddelerinin tepkimeye girerek sentez işlemini gerçekleştirmeleri söz konusudur

Sonuç olarak bu olay enzim seçiciliğine bağlı değil, enzim aktivitesini denetleyen hücre biyolojisi ile ilgili olduğundan filogenetik ilişkiyi içerir

Örneğin biflavonillerden amentoflavon ve hinokiflavon Cryptomeria’ da bulunan ve temel moleküler yapıları farklı maddeler olduğundan homolog enzimlerin aktivite ürünü olmazlar

Ancak birinin diğerinin öncü sübstratı olması söz konusu olabilir

Fizyolojik koşulların aynı enzimin bu maddelerden biri veya diğerinin sentezini sağlaması söz konusudur

Bu durum da önemli bir filogenetik ilişkinin kanıtıdır

Örneğin enzim ve sübstratı olan maddelerin hücredeki farklı kompartmanlarda bulunması ve belli bir gelişme konumunda sübstratlardan birinin serbest kalarak enzimle biraraya gelmesi söz konusudur

Bu biyosentez mekanizmasında genetik şifre farklılığının etkisi çok azdır ve yakın akrabalık kesindir

GENETİK VE BİYOSENTETİK MEKANİZMALAR

Bu mekanizmaların ürünü olan benzerlik ilişkileri bulunduğunda filojenetik korelasyon tümüyle kesinleşmiş olur

Örneğin 2 - oksijene p – mentan, halkada karşılıklı duran 2 C’una metil, 2

C’na O’in bağlı olduğu C10H20, metil – 1 izopropil – 4 sikloheksan türevleri olan sekonder metabolitlerin varlığı veya yokluğu ilgili genin dominantlığı ile doğrudan ilişkilidir

İlgili geni olan bir bitki grubunda yanlızca 3 – oksijene – p - mentan nane yağlarının bulunmadığı görülür

Limon nanesinde ise alifatik terpenlerden sitral ve linalool bulunur

p-mentan türevlerinin alifatik terpenlerden sentezlenir oluşu göz önüne alındığında da limon nanelerinin nanelerin atası olduğu ileri sürülebilir

Bu tür genetik - biyosentez ilişkilerinin anlaşılması genetik mühendisliğinde yararlı olabilecek temel bilgileri de sağlamış olur

KİMYASALLAR ARASINDAKİ BİYOSENTETİK İLİŞKİLERİN TAKSONOMİK DAĞILIMI

LEGUMINOSAE ALKALOİDLERİ
Daha önce değinildiği gibi ikincil metabolizmanın temel taşlarının genelde asetat, şikimik asit ve mevalonik asit devreleri ürünleri olduğu bilinmektedir

Bazen, rotenon alkaloidi sentezinde olduğu gibi bu devrelerin üçü de sentezde rol alabilmektedir

Canlılardaki organiklerin sınıflandırılmasında moleküler yapı, işlev benzerliğinden çok biyosentezlerinin afinitesi, yani, yakın ilişkisi, birleşme eğilimi ağır bastığından filojenetik bilgi de içerir

Bu konuda çok iyi bir örnek Leguminosae’deki azot metabolizmasıdır:
Alkaloidler ve protein yapısına girmeyen amino asitler ile biyojenetik benzerlerinin biyosentetik ilişkileri, taksonomik konumları arasında filojenetik ilişkiler bulunmuştur

Bu geniş familyanın ikincil metabolitler açısından ele alındığında çok elastik bir görünüme sahip olduğu görülür:
Legümlerde birçok nadir flavonoidler ve protein yapısına girmeyen amino asitlerin bulunması yanında Mimosideae alt familyasının bu açıdan gruplandırılabilir olması ile Papilionidae alt familyasının amino asit tablosu ilginçtir

Lizin, arjinin, ornitin gibi temel amino asitlerin girdiği ara metabolizma incelendiğinde tüm amino asitlerin biyosentetik ilişkileri konusunda bilgi edinerek önemli filogenetik değerlendirmeler yapılabilmektedir

Öte yandan Leguminosae alkalodlerinin biyosentezleri ile taksonomik dağılımları da ilginç korelasyonların ortaya çıkarılabilmesini sağlamaktadır:
Örneğin Chenopodiaceae’den Anabasis cinsinde anabazin ve birçok legüm cinslerinde anabazin benzeri alkaloidlerden ammodendrin ve adenokarpin bulunmaktadır

Bu alkaloidlerin bulunmadığı cinslerde ise spartein alkaloidi bulunmaktadır

Dİğer bir türler grubunda, örneğin Genistae ordosundaki Adenocarpus, Ammodendron, Cystisus, Retama türlerinde ise bu alkaloidlerin her üçü de görülmektedir

Bu taksonomik dağılıma bakılarak iki alkaloid grubunun biyosentez mekanizmalarının müşterek olduğu ileri sürülmektedir

Lizinin bu iki alkaloid grubunun öncüsü olan kinolizidin alkaloidlerinin piridin çekirdeğinin kaynağı olduğu görülmüştür

Fakat lizin tütündeki anabazin alkaloidinin piridin çekirdeğinin öncüsü değildir, öncü ornitindir ama biyosentez mekanizması aynıdır

Ornitin ile lizinin kimyasal yapı benzerliği bu durumu açıklamaktadır, ornitin benzen halkalı ornitinin 5 karbonlu homologudur

Bu tabloya uygun olarak biyosentez enzimleri de zaman içinde seçicilikleri farklılaşmış homolog enzimlerdir

Benzeri bir örnek de Neurospora crassa’dır

İki tümler - komplementer mutant genin, valin ve izolösinin paralel yürüyen biyosentez yollarını iki farklı fakat eşdeğer noktada etkileyen tek bir enzim üzerinden etkili olması söz konusudur

Seçiciliği düşük olan lizin dekarboksilaz ornitin dekarboksilasyonu ile putresine dönüştürmektedir

Evrimin genel kuralı olan gelişmenin ekonomikliği çerçevesinde metabolizmanın hem ornitin hem de lizinden yararlanabilmesi açıklanabilir

Kemotaksonomik sonuç olarak pirolizidinlerin Genistae ordosunun Crotalaria cinsine has olduğu, kinolizidinlerin ise Sophpreae, Genisteae ve Podalyrieae ordolarında bulunduğu, daha basit trigonellin tiplerinin ise Trifolieae ve Vicieae gibi diğer ordolarda bulunduğu belirlenmiştir

Biyokimyasal hiyerarşinin belirlenmesi lupin tipi alkaloidlerin biyosentetik ilişkilerine dayandırılır

Bu çerçevede bu alkaloidlerin Leguminosae içindeki dağılımları ile taksonların evrim düzeyleri ve zamanları arasında ilişki kurulabilmesi gerekir

Tek halkalı, çift ve üç, dört halkalı alkaloid hiyerarşisi göz önüne alınarak bu alkaloid gruplarının peşpeşe veya birbirine alternatif olarak oluştukları ortaya konarak filojenetik değerlendirmeler yapılabilir

Bu tür incelemeler ise 14C izotobu ile etiketlenmiş maddeler ile yapılabilir

Bu maddelerin birbirlerine dönüşmelerinin sırası incelemeler genetik yöntemlerle de desteklenebilirse çok net filojenetik ve taksonomik sonuçlara varılır

Bu tür kapsamlı araştırmalarla bazı bitkilerde beklenenin aksine trisiklik alkaloidlerin tetrasiklik olanların oksidasyonu ile ortaya çıktığı belirlenmiştir

Çaprazlama ile oluşturulan Lupenus arboreus ve L

nootkatensis hibridleri ile yapılan denemeler spartein içeren L

arboreus ve spartein ile lupanin ve hidroksilupanin içeren L

nootkatensis’in F1 döllerinin hepsinin birden
spartein, ±%75’inin lupanin ve spartein, +%50’inin her üç alkaloidi içerdiğini göstermiştir

Yalnızca hdroksilupanin sentezleyen hiçbir melez olmamıştır

Bu da lupanin sentezinin hidroksilupanin sentezini yöneten diğer bir faktörün kontrolunda olduğunu göstermiştir

Bu ilişkinin kesinleştirilmesi taksonomik karakterlerin değerlendirilmesinde bir sorunla karşılaşıldığında bu kemotaksonomik karakterden yararlanma yöntemini ortaya koymuştur

10-10-2012	#8
Prof. Dr. Sinsi	Kemotaksonomi – Karşilaştirmali Fitokimya Ve Biyokimya YANLIZCA SÜBSTİTÜSYON FARKLILIĞI GÖSTEREN MOLEKÜLLERİN TAKSONOMİK DAĞILIMI Belirtildiği üzere ikincil metabolitlerin büyük bir kısmının fizyolojik işlevleri bilinmemektedir Çok farklı taksada yer alan fakat genel morfolojileri benzeyen bitkilerde aynı maddeler bulunurken, komşu taksada bulunmayabilmektedirler Bu tablonun tersine çok farklı morfolojilerdeki bitkilerde ikincil metabolitler çok benzer olabilmektedir Örneğin Monocotyledonae’n Graminae’de glükoflavonoidlere nadiren rastlanırken Lemnaceae’de sık rastlanır Öte yandan Lemnaceae cins ve türlerinde de glükoflavonlar ile antosiyaninler, flavon ve flavonlar farklı açılımlar gösterir Tipik bir sorun örneği olarak bir ila birkaç mm boyundaki bu çok basit yapılı çiçekli su bitkilerinin morfolojik olarak ayırt edilmelerinin zorluğu verilebilir Bu bitkiler çok benzer habitatlarda yetiştiklerinden ancak kimyasal olarak ayırt etme yoluna gidilir Legümlerden Psoralea cinsinde ise tam tersine olarak çok farklı morfolojileri olan bütün türlerin kromatografilerinde aynı karmaşık glikoflavonoid grubuna sahip oldukları görülmüştür Bu birbirine yakın kimyasal madde gruplarının taksonomik ilişkileri ilginç bir konu olarak kimyacılar ve biyologlar tarafından incelenerek filojenetik bilgi açısından önemlerinin ortaya çıkarılmasına çalışılmaktadır Benzeri bir tablo da Pinaceae dışındaki Gymnospermlerde çok yaygın olan biflavonillerde görülür Özellikle Cupressaceae ve Taxodiaceae’de bol bulunan bu madde grubunun çeşitli komponentleri ile bu bitki gruplarının filogenetik taksonomileri arasında kuvvetli ilişkiler kurulabilmiştir Diğer bir konu ise bazı ikincil metabolitlerin belli taksonlarda ancak yaşamın belli bir gelişme döneminde ortaya çıkarak kaybolabilmeleridir Bu nedenle de filogenetik değerlendirmenin sağlıklı olarak yapılabilmesi için bitkilerin yaşam devirlerinin kimya ve biyokimyası ile enzimolojisini incelenmesi gereğidir Hücrelerin ancak belli bir biyokimyasal, fizyolojik dönemlerinde ilgili metabolitlerin öncü maddelerinin tepkimeye girerek sentez işlemini gerçekleştirmeleri söz konusudur Sonuç olarak bu olay enzim seçiciliğine bağlı değil, enzim aktivitesini denetleyen hücre biyolojisi ile ilgili olduğundan filogenetik ilişkiyi içerir Örneğin biflavonillerden amentoflavon ve hinokiflavon Cryptomeria’ da bulunan ve temel moleküler yapıları farklı maddeler olduğundan homolog enzimlerin aktivite ürünü olmazlar Ancak birinin diğerinin öncü sübstratı olması söz konusu olabilir Fizyolojik koşulların aynı enzimin bu maddelerden biri veya diğerinin sentezini sağlaması söz konusudur Bu durum da önemli bir filogenetik ilişkinin kanıtıdır Örneğin enzim ve sübstratı olan maddelerin hücredeki farklı kompartmanlarda bulunması ve belli bir gelişme konumunda sübstratlardan birinin serbest kalarak enzimle biraraya gelmesi söz konusudur Bu biyosentez mekanizmasında genetik şifre farklılığının etkisi çok azdır ve yakın akrabalık kesindir GENETİK VE BİYOSENTETİK MEKANİZMALAR Bu mekanizmaların ürünü olan benzerlik ilişkileri bulunduğunda filojenetik korelasyon tümüyle kesinleşmiş olur Örneğin 2 - oksijene p – mentan, halkada karşılıklı duran 2 C’una metil, 2 C’na O’in bağlı olduğu C10H20, metil – 1 izopropil – 4 sikloheksan türevleri olan sekonder metabolitlerin varlığı veya yokluğu ilgili genin dominantlığı ile doğrudan ilişkilidir İlgili geni olan bir bitki grubunda yanlızca 3 – oksijene – p - mentan nane yağlarının bulunmadığı görülür Limon nanesinde ise alifatik terpenlerden sitral ve linalool bulunur p-mentan türevlerinin alifatik terpenlerden sentezlenir oluşu göz önüne alındığında da limon nanelerinin nanelerin atası olduğu ileri sürülebilir Bu tür genetik - biyosentez ilişkilerinin anlaşılması genetik mühendisliğinde yararlı olabilecek temel bilgileri de sağlamış olur KİMYASALLAR ARASINDAKİ BİYOSENTETİK İLİŞKİLERİN TAKSONOMİK DAĞILIMI LEGUMINOSAE ALKALOİDLERİ Daha önce değinildiği gibi ikincil metabolizmanın temel taşlarının genelde asetat, şikimik asit ve mevalonik asit devreleri ürünleri olduğu bilinmektedir Bazen, rotenon alkaloidi sentezinde olduğu gibi bu devrelerin üçü de sentezde rol alabilmektedir Canlılardaki organiklerin sınıflandırılmasında moleküler yapı, işlev benzerliğinden çok biyosentezlerinin afinitesi, yani, yakın ilişkisi, birleşme eğilimi ağır bastığından filojenetik bilgi de içerir Bu konuda çok iyi bir örnek Leguminosae’deki azot metabolizmasıdır: Alkaloidler ve protein yapısına girmeyen amino asitler ile biyojenetik benzerlerinin biyosentetik ilişkileri, taksonomik konumları arasında filojenetik ilişkiler bulunmuştur Bu geniş familyanın ikincil metabolitler açısından ele alındığında çok elastik bir görünüme sahip olduğu görülür: Legümlerde birçok nadir flavonoidler ve protein yapısına girmeyen amino asitlerin bulunması yanında Mimosideae alt familyasının bu açıdan gruplandırılabilir olması ile Papilionidae alt familyasının amino asit tablosu ilginçtir Lizin, arjinin, ornitin gibi temel amino asitlerin girdiği ara metabolizma incelendiğinde tüm amino asitlerin biyosentetik ilişkileri konusunda bilgi edinerek önemli filogenetik değerlendirmeler yapılabilmektedir Öte yandan Leguminosae alkalodlerinin biyosentezleri ile taksonomik dağılımları da ilginç korelasyonların ortaya çıkarılabilmesini sağlamaktadır: Örneğin Chenopodiaceae’den Anabasis cinsinde anabazin ve birçok legüm cinslerinde anabazin benzeri alkaloidlerden ammodendrin ve adenokarpin bulunmaktadır Bu alkaloidlerin bulunmadığı cinslerde ise spartein alkaloidi bulunmaktadır Dİğer bir türler grubunda, örneğin Genistae ordosundaki Adenocarpus, Ammodendron, Cystisus, Retama türlerinde ise bu alkaloidlerin her üçü de görülmektedir Bu taksonomik dağılıma bakılarak iki alkaloid grubunun biyosentez mekanizmalarının müşterek olduğu ileri sürülmektedir Lizinin bu iki alkaloid grubunun öncüsü olan kinolizidin alkaloidlerinin piridin çekirdeğinin kaynağı olduğu görülmüştür Fakat lizin tütündeki anabazin alkaloidinin piridin çekirdeğinin öncüsü değildir, öncü ornitindir ama biyosentez mekanizması aynıdır Ornitin ile lizinin kimyasal yapı benzerliği bu durumu açıklamaktadır, ornitin benzen halkalı ornitinin 5 karbonlu homologudur Bu tabloya uygun olarak biyosentez enzimleri de zaman içinde seçicilikleri farklılaşmış homolog enzimlerdir Benzeri bir örnek de Neurospora crassa’dır İki tümler - komplementer mutant genin, valin ve izolösinin paralel yürüyen biyosentez yollarını iki farklı fakat eşdeğer noktada etkileyen tek bir enzim üzerinden etkili olması söz konusudur Seçiciliği düşük olan lizin dekarboksilaz ornitin dekarboksilasyonu ile putresine dönüştürmektedir Evrimin genel kuralı olan gelişmenin ekonomikliği çerçevesinde metabolizmanın hem ornitin hem de lizinden yararlanabilmesi açıklanabilir Kemotaksonomik sonuç olarak pirolizidinlerin Genistae ordosunun Crotalaria cinsine has olduğu, kinolizidinlerin ise Sophpreae, Genisteae ve Podalyrieae ordolarında bulunduğu, daha basit trigonellin tiplerinin ise Trifolieae ve Vicieae gibi diğer ordolarda bulunduğu belirlenmiştir Biyokimyasal hiyerarşinin belirlenmesi lupin tipi alkaloidlerin biyosentetik ilişkilerine dayandırılır Bu çerçevede bu alkaloidlerin Leguminosae içindeki dağılımları ile taksonların evrim düzeyleri ve zamanları arasında ilişki kurulabilmesi gerekir Tek halkalı, çift ve üç, dört halkalı alkaloid hiyerarşisi göz önüne alınarak bu alkaloid gruplarının peşpeşe veya birbirine alternatif olarak oluştukları ortaya konarak filojenetik değerlendirmeler yapılabilir Bu tür incelemeler ise 14C izotobu ile etiketlenmiş maddeler ile yapılabilir Bu maddelerin birbirlerine dönüşmelerinin sırası incelemeler genetik yöntemlerle de desteklenebilirse çok net filojenetik ve taksonomik sonuçlara varılır Bu tür kapsamlı araştırmalarla bazı bitkilerde beklenenin aksine trisiklik alkaloidlerin tetrasiklik olanların oksidasyonu ile ortaya çıktığı belirlenmiştir Çaprazlama ile oluşturulan Lupenus arboreus ve Lnootkatensis hibridleri ile yapılan denemeler spartein içeren L arboreus ve spartein ile lupanin ve hidroksilupanin içeren Lnootkatensis’in F1 döllerinin hepsinin birden spartein, ±%75’inin lupanin ve spartein, +%50’inin her üç alkaloidi içerdiğini göstermiştir Yalnızca hdroksilupanin sentezleyen hiçbir melez olmamıştır Bu da lupanin sentezinin hidroksilupanin sentezini yöneten diğer bir faktörün kontrolunda olduğunu göstermiştir Bu ilişkinin kesinleştirilmesi taksonomik karakterlerin değerlendirilmesinde bir sorunla karşılaşıldığında bu kemotaksonomik karakterden yararlanma yöntemini ortaya koymuştur