A természetes vegyületek kémiája ( HPC ) a szerves kémia egyik ága , amely az élő szervezeteket alkotó kémiai vegyületeket , azok átalakulásának természetes módjait és a mesterséges előállítás módjait vizsgálja . Tudományként a természetes vegyületek kémiája a szerves kémiával egy időben keletkezett. Az önálló tudományág kiemelésének, a klasszikus szerves kémiától való elkülönítésének igénye a nagy mennyiségű adat felhalmozása, az élő szervezetekben található vegyi anyagok szerkezetének és tulajdonságainak izolálása és vizsgálata után merült fel.
A kémiához és biológiához több kapcsolódó tudományág is kapcsolódik , amelyek között nincsenek egyértelmű határok.
A klasszikus szerves kémia bizonyos osztályokba tartozó vegyületek tulajdonságait vizsgálja, gyakran a szénhidrogének és származékaik kémiájaként definiálják . A természetes szerves anyagokat sokféle molekulaszerkezet különbözteti meg, és bár vannak köztük egyszerű, egy vagy két funkciós csoporttal rendelkező szerkezetek , legtöbbjük több funkciós csoportot hordoz, és a szénváz szerkezete összetett. Ezért a CPS-t többfunkciós vegyületek kémiájaként jellemzik . Ugyanez mondható el a vizsgált kémiai reakciókról is . A szerves kémia leggyakrabban olyan reakciókkal foglalkozik, amelyekben egy molekulában egy reakciócentrum vagy egy kémiai kötés vesz részt . Az élő szervezetben végbemenő reakciókban egyidejűleg több reakciócentrum vesz részt, és egy szakaszban több kémiai kötés alakulhat ki, illetve szakadhat fel. A bioszintetikus reakciók nagy, általában 100%-os szelektivitással , elsősorban enantioszelektivitással is különböznek a laboratóriumi vagy ipari szerves szintézis reakcióitól [1] .
Az élő szervezetben zajló kémiai reakciók összességét nevezzük alapvető anyagcserének , és ez a biokémia vizsgálatának tárgya . A biokémia az élő szervezetek szerves ( bioorganic kémia ) és szervetlen ( bioinorganic kémia ) anyagait, azok átalakulásait és funkcióit egyaránt vizsgálja. A biokémia kiemeli a katabolizmust - a szerves molekulák lebontását egyszerűbbekre az energia felszabadulásával és az anabolizmussal , vagy a bioszintézist - az összetett molekulák felépítését energiafelhasználással. A szervezet szerkezeti és energiatároló anyagokat – elsődleges metabolitokat – szintetizál ( cukrok , aminosavak , zsírok , nukleinsavak ). Némelyikük ezután nem megy át a katabolizmus útján, hanem rendkívül változatos kémiai szerkezetű és a szervezetben különféle funkciókat ellátó anyagok további bioszintézisére szolgál - másodlagos metabolitok. A bioorganikus kémia mind az elsődleges, mind a másodlagos metabolitok működését vizsgálja. A természetes vegyületek kémiája a másodlagos metabolitok szerkezetét és szintézisének módjait vizsgálja, és a másodlagos anyagcsere tudományaként jellemezhető [2] .
Egy másik kapcsolódó tudomány a molekuláris biológia , amely nagy molekulatömegű biopolimerekkel – fehérjékkel és nukleinsavakkal – foglalkozik. A természetes anyagok között olyan aktív vegyületek felfedezése, amelyek nemcsak az egyes organizmusokat érintik, hanem egész közösségeket és ökoszisztémákat irányítanak, a tudomány egy új ágának, a kémiai ökológiának a kialakulásához vezetett [* 1] . Ilyen anyagok a feromonok, attraktánsok, antibiotikumok, fitoncidek, toxinok és mások [3] [4] .
Mindezeket a tudományágakat együtt az élő anyag kémiájával foglalkozó tudományok egyetlen komplexumának tekintik.
A természetes vegyületek kémiájának elméleti apparátusa teljesen egybeesik az elméleti szerves kémia fogalmaival. A természetes vegyületek vizsgálata során kapott eredmények pedig gazdagítják a szerves kémia elméletét és serkentik annak fejlődését. A biológiailag aktív anyagok természetes anyagokból való izolálása , amelyek jelentős gyakorlati értékkel bírhatnak, elindítja a klasszikus szerves szintézis módszertanának fejlesztését [5] [6] .
A természetes vegyületek kémiájának kísérleti módszerei eltérnek a klasszikustól. Ennek oka az a tény, hogy sok természetes anyag érzékeny az enyhe hőmérséklet-emelkedésre, ismertek olyan anyagok, amelyek szobahőmérsékleten is rövid élettartamúak. Ezenkívül a bioanyag kis mennyiségben tartalmazhat anyagokat, néha ezredszázalék vagy kevesebb. Ezért nagy tömegű nyersanyag feldolgozására van szükség, és az izolált tiszta anyagokat speciális technikákkal kell vizsgálni a mikromennyiségekkel való munkavégzéshez. A nehézséget az összetett keverékek szétválasztása is jelenti, amelyeket általában a nyersanyagok feldolgozásának első szakaszában kapnak [7] .
Работа по изучению природных соединений начинается с определения исследуемого биологического вида , предварительно устанавливают на каких фазах развития или жизненного цикла следует проводить сбор сырья и какие части, например, растения необходимо собрать.
A második szakasz az egyes anyagok vagy egyes keverékek elkülönítése . Ehhez leggyakrabban extrakciót használnak . Egymás után több , növekvő polaritású oldószerrel extrahálják , például hexán - éter - alkohol - víz és több kivonatot kapnak egyszerre, vagy univerzális oldószert, például acetont használnak, majd az extraktumot ("nyers kátrány") kezelik. más oldószerekkel. A kivonatok szinte mindig olyan anyagok keverékét tartalmazzák, amelyeket szét kell választani. A leghatékonyabb elválasztási módszer az oszlopkromatográfia .
A harmadik szakasz az izolált egyedi anyagok azonosítása. Mérjük a fizikai állandókat – olvadáspont , forráspont , törésmutató stb., és összehasonlítjuk ismert, már leírt anyagokkal. Ha új anyagot fedeznek fel, meghatározzák annak kémiai szerkezetét. Ehhez fizikai módszereket alkalmaznak - különböző spektroszkópiai ( IR , NMR , tömegspektrometria ), röntgendiffrakciós és kémiai elemzési módszereket . Egy összetett szerkezetű természetes anyag meghatározása nem triviális feladat, néha évekig, évtizedekig tartó kutatást igényel.
Ezután megismerik az anyagok metabolikus szintézisének módjait és funkcióikat a szervezetben, biológiai aktivitást más szervezetekkel kapcsolatban, és szükség esetén laboratóriumi és ipari szintézis módszereit dolgozzák ki. A modern szerves szintézis módszertana lehetővé teszi komplex, többlépcsős eljárások kidolgozását az anyagok számítógépes programok segítségével történő előállítására ( lásd: Számítógépes szintézis ), a szintonok fogalmának és a retroszintetikus elemzés módszerének felhasználásával . Egy összetett szerkezetű anyag előállítása több tucat lépésben történhet úgy, hogy a végtermék összhozama ritkán haladja meg a néhány százalékot, ami igen költségessé teszi az ilyen anyagok mesterséges szintézisét. Azonban a termékhozam szempontjából bonyolult és nem hatékony szintézismódszerek is elfogadhatók lehetnek, ha a természetes forrás szegényes, és az anyag jelentős gyakorlati értékkel bír [* 2] [8] .
A természetes anyagokkal végzett kísérleti munka minden szakasza a következő sémával ábrázolható [9] :
Bármely vegyi anyag kaphat szisztematikus nevet az IUPAC-nómenklatúra szerint . Az összetett szerkezetű anyagok esetében azonban az ilyen elnevezések nehézkesek és kényelmetlenek. Ezért szisztematikus elnevezéseket csak a legegyszerűbb természetes vegyületekre használnak, és a másodlagos metabolitok túlnyomó többségét triviális elnevezéssel látják el a szerzők [10] . Gyakran azon organizmusok latin nevéből alakulnak ki , amelyekből az anyagokat izolálták – általános nevekből és specifikus jelzőkből . Például a burgonya latin nevéből ( Solanum tuberosum ) származnak a szolanin és a tuberozin anyagok neve [11] . Néha a kémiai névben a fajok és a generikus nevek egy szóban egyesülnek, például tuja hajtogatott fából származó tujaplicinek ( Thuja plicata ) [12] . Nemcsak az anyagokat, hanem a molekula szénvázának gyakori típusait is megnevezik. Az ilyen vázak a telített szénhidrogéneknek - alkánoknak felelnek meg, ezért nevük általában az -en- utótagot tartalmazza, amelyet a szisztematikus nómenklatúrában a vegyületcsoportra alkalmaztak. Tehát a vadsárgarépa ( Daucus carota ) nevéből két szénváz – a daukan és a karotán – neve származik [11] . Az anyagok nevei ezután a szénvázakból származtathatók a szisztematikus nómenklatúra elő- és utótagjainak hozzáadásával - -en- ( kettős C \u003d C kötést jelöl), -ol- ( hidroxilcsoport ), -on- ( keton ) stb. A XIX. század végén – a 20. század elején még a viszonylag egyszerű szénvázak szerkezetének megfejtése is sokáig tartott, és az anyagok nevét gyakran a szerkezet teljes megfejtése előtt adták meg. Azóta külön logikátlan neveket őriztek meg, például a kamfén – egy olyan szénhidrogén, amelynek a csontváza izokamfán, nem pedig kamfán, és az α-fenchen izobornilán, nem pedig fenhan csontvázával [13] . A szisztematikus morfémákon kívül másokat is használnak, amelyek nem szerepelnek az IUPAC-nómenklatúrában, de a molekula szerkezeti jellemzőit jelzik - izo- (a geometriai vagy legközelebbi szerkezeti izomert jelöli ), nor- (a váz redukcióját jelzi egy szénatom, leggyakrabban metilcsoport hiánya ), homo- (a szénlánc növekedése vagy a ciklus egy atommal történő meghosszabbítása), seco- (a ciklusos prekurzor váz egyik gyűrűjének megnyílása) és mások.
A nevek etimológiája lehet összetett, és utalhat például történelmi tényekre és egyben egy szubsztancia tulajdonságára. A 16. század végén Francisco Hernández de Toledo leírta a dél-amerikai "édes levelű" növényt, amely ma Lippia dulcis néven ismert . A növényből izolált terpenoid 1000-szer édesebbnek bizonyult, mint a szacharóz , és a Hernandez vezetéknévből és a latin dulcis szóból – „édes” [14] – ernandulcinnak nevezték el .
Néha rövidítéseket használnak. Például a 22-metil-5,9-oktakozadiénsav teljes szisztematikus elnevezése helyett a 22-Me-Δ 5,9 -28:2 jelölést használjuk. Ebben a bejegyzésben a 28 a szénatomok számát jelenti a főláncban, ami ebben az esetben a szénhidrogén oktakozánnak felel meg, :2 a kettős kötések számát , a Δ betűs indexek pedig a kettős kötések helyzetét a láncban [15] .
A természetes vegyületeknek nincs egységes osztályozása. Különféle megközelítések léteznek, de egyik sem univerzális – a különféle alapokon nyugvó osztályozások kiegészítik egymást, és egy adott kémiai vagy biológiai szemponttól függően használhatók. Az osztályozás alapelvei [16] :
Az elsődleges metabolitok esetében a kémiai osztályozást és részben a biológiai funkció szerinti osztályozást használják. A másodlagos anyagcsere termékeit kémiai szerkezetük és bioszintetikus útvonaluk szerint is osztályokba sorolják. Az osztályokon belül a természetes forrásokhoz hasonló kémiai szerkezetű anyagok hovatartozását jelzik. A biológiai aktivitást gyakrabban tekintik a vegyület tulajdonságának, nem pedig osztályozási jellemzőnek [17] .
A szerves anyagokat a szénváz típusa és a funkcionális csoportok szerint bizonyos osztályokba sorolják. Ez a besorolás alkalmazható a legegyszerűbb természetes vegyületekre, mint például a szénhidrogénekre, zsírsavkra, bifunkciós vegyületekre - ketosavak, hidroxisavak stb., míg a legtöbb természetes anyag egyidejűleg több osztályba tartozik. A többfunkciós vegyületek egy bizonyos osztályba való tartozását jelezhetik, ha szükséges a szervezetben jellemző funkcióik hangsúlyozása. Például az anyagok egy csoportja az aminosavak osztályába tartozik , annak ellenére, hogy sok közülük kettőnél több funkciós csoport van, és jelentős különbségek vannak a szénváz szerkezetében [18] .
A kémiai osztályozás formálisnak bizonyulhat, ha nemcsak a molekula szerkezetét vesszük figyelembe, hanem az ilyen szerkezetű vegyületek szintéziséhez vezető anyagcsere-utakat is. Ilyen például az izoprenoidoknak nevezett természetes vegyületek hatalmas osztálya . Az ebbe az osztályba tartozó anyagok túlnyomó többsége bioszintézisének prekurzorai a szénvázas többszörösen telítetlen alkoholok, amelyek az izoprén szénhidrogén oligomerizációjának termékének tekinthetők . Ezeknek az alkoholoknak a biogenetikai prekurzora azonban nem az izoprén, hanem más vegyületek - általában ecetsav , ritkábban foszfogliceraldehid és piroszőlősav [19] .
A biokémia az anyagokat az anyagcserével való kapcsolatuk szerint osztályozza - elsődleges és másodlagos metabolitokba, másodlagosakba, viszont bioszintézisük fő módjai szerint. Ugyanaz az anyagcsereút végül különböző szerkezetű vegyületekhez vezethet. Például mind az alifás, mind az aromás metabolitok szintézisének kezdeti szakasza lehet az acetil-koenzim A többszörös acetilezése poliketidek , váltakozó metilén- és ketoncsoportokat tartalmazó anyagok képződésével . A bioszintézis ezen útvonalát acetátnak , az anyagcsere végtermékeit pedig acetogeninnek nevezik . A benzolgyűrű más módon is szintetizálható, a kulcsfontosságú köztes metabolit a sikiminsav . A shikimát út egy benzolgyűrűt ad, amelyhez egy egyenes háromszénláncú lánc kapcsolódik, az ilyen vegyületeket fenilpropanoidoknak nevezik [20] .
De vannak olyan esetek, amikor ugyanazon metabolitok bioszintézise különböző módon megy végbe különböző szervezetekben. Az izoprenoidok legegyszerűbb prekurzorának, az izopentenil-pirofoszfátnak a szintézise a mevalonsavon ( mevalonát út ) keresztül megy végbe, ez az út dominál a vadon élő állatokban, de van egy másik - nem -mevalonát vagy metileritrit út , a 2-metileritrit-foszfáton keresztül. Ezenkívül az anyagcsere végterméke szintetizálható két vagy több köztes metabolit kölcsönhatásával, amelyek mindegyike a saját bioszintetikus útvonala mentén jön létre. Ha egy intermedier metaboliton két út ilyen kereszteződése következik be, akkor a másodlagos anyagcsere végtermékeit vegyes bioszintézisút anyagainak nevezzük [18] .
Azok az anyagok vagy anyagcsoportok, amelyek másodlagos metabolitként önálló jelentőséggel bírnak, további változásokon eshetnek át, és egyidejűleg intermedier metabolitokként szolgálhatnak más élő szervezetfajokban vagy ugyanabban a fajban. Az egyes szénatomok oxidációja, halogénezés, származékok képződése funkciós csoportok szerint, a szénváz sorozatos átrendeződése, amely esetenként jelentős szerkezetváltozáshoz vezet, ciklizáció, aromatizálódás, és fordítva - gyűrűnyitás. Ebben az esetben egy ilyen anyagból vagy szerkezeti osztályból új anyagok vagy alosztályok sorozata jön létre, amelyeket kaszkádoknak vagy egy köztes prekurzor biogenetikai fáinak neveznek. Például azok az anyagok, amelyek kémiai szerkezetük vagy természetes forrásuk szerint a lipoxinok , leukotriének , prosztaglandinok osztályába tartoznak, az arachidonsav kaszkádot alkotják [21] , mivel e metabolit további módosításával szintetizálódnak. Számos biogenetikai fa vagy sorozat ismert a terpenoidok, alkaloidok és antibiotikumok között. Az egyik példa a humulán szeszkviterpén szénváza , amely egy biogenetikai fát alkot, amely olyan alosztályokat foglal magában, mint a sylfinans , pterosins , bullerans , marasmans , lactarans és mások [22] .
A természetes anyagokat feltételesen biológiailag fontosnak és biológiailag aktívnak minősítik, nincs egyértelmű határ e fogalmak között [23] .
Biológiailag fontosnak nevezik azokat az anyagokat, amelyek élettani szerepe egyértelműen kifejezett és jól tanulmányozott, ilyenek például a gliceridek, amelyek a sejtmembránok részét képezik , viaszszerű anyagok, amelyek megvédik a növényeket a kiszáradástól. Az ilyen vegyületek általában biológiailag közömbösek, vagyis viszonylag nagy dózisban bejuttatva a szervezetbe nem okoznak specifikus választ [24] .
A biológiailag aktív anyagok már nagyon kis mennyiségben is fiziológiás vagy kóros reakciót válthatnak ki, ide tartoznak a hormonok , például a növényi növekedést serkentő és gátló szerek, antibiotikumok , toxinok , fitoalexinek - a növények által mechanikai károsodás során vagy fertőzésre adott válaszként kiválasztott anyagok, antifidantok - növények és állatok védelme az étkezéstől, mutagénektől , rákkeltő anyagoktól [25] .
Az ezen az alapon felosztott osztályok olyan anyagokat tartalmaznak, amelyek kémiai szerkezetükben kevéssé hasonlítanak egymáshoz, és éppen ellenkezőleg, a hasonló szerkezetű anyagok eltérő biológiai aktivitást mutathatnak. De vannak olyan esetek, amikor a hasonló élettani hatású anyagoknak a kémiai szerkezete is meglehetősen jellegzetes hasonló tulajdonságokkal rendelkezik. Például a szexuális attraktánsok és más rovarferomonok leggyakrabban lineáris vagy gyengén elágazó szénhidrogének, telített vagy telítetlenek, és ilyen szénhidrogének monofunkciós származékai - alkoholok, karbonsavak, észterek, ketonok, aldehidek [17] .
Ezt az osztályozási módszert viszonylag ritkán alkalmazzák, mivel ugyanazok az anyagok különböző biológiai objektumokban találhatók. Azokban az esetekben, ahol alkalmazható, a vegyületeket elsősorban állati, növényi eredetű termékekbe sorolják és mikroorganizmusokból izolálják, gyakran külön csoportba különítik el a tengeri élőlények másodlagos metabolitjait. A legnagyobb csoportokon belüli felosztás az élőlények taxonómiai hovatartozásának megfelelően történik. Vannak bizonyos biológiai nemzetségekre és fajokra jellemző anyagcsoportok, például az anyarozs-alkaloidok , a mák [* 3] és mások [17] .