Kemi af naturlige forbindelser ( HPC ) er en gren af organisk kemi , der studerer de kemiske forbindelser , der udgør levende organismer , de naturlige måder for deres transformationer og metoder til kunstig produktion . Som videnskab opstod kemien af naturlige forbindelser samtidig med organisk kemi. Behovet for at udskille en uafhængig disciplin, for at adskille den fra klassisk organisk kemi, opstod efter akkumulering af en stor mængde data, isolering og undersøgelse af strukturen og egenskaberne af kemikalier fundet i levende organismer.
Der er flere beslægtede discipliner relateret til kemi og biologi , mellem hvilke der ikke er klare grænser.
Klassisk organisk kemi studerer egenskaberne af forbindelser, der tilhører visse klasser, det er ofte defineret som kemien af kulbrinter og deres derivater . Naturlige organiske stoffer er kendetegnet ved en bred vifte af molekylære strukturer , og selvom der blandt dem er simple strukturer med en eller to funktionelle grupper , bærer de fleste af dem flere funktionelle grupper og har en kompleks struktur af kulstofskelettet. Derfor er CPS karakteriseret som kemien af polyfunktionelle forbindelser . Det samme kan siges om de undersøgte kemiske reaktioner . Organisk kemi beskæftiger sig oftest med reaktioner, der involverer et reaktionscenter i et molekyle eller en kemisk binding . I de reaktioner, der sker i en levende organisme, er flere reaktionscentre involveret samtidigt, og flere kemiske bindinger kan dannes eller brydes i ét trin. Biosyntetiske reaktioner adskiller sig fra reaktioner fra laboratorie- eller industriel organisk syntese også i høj, sædvanligvis 100 % selektivitet , primært enantioselektivitet [1] .
Helheden af kemiske reaktioner i en levende organisme kaldes det grundlæggende stofskifte og er genstand for undersøgelse af biokemi . Biokemi studerer både organiske ( bioorganisk kemi ) og uorganiske ( biouorganiske kemi ) stoffer fra levende organismer, deres transformationer og funktioner. Biokemi fremhæver katabolisme - nedbrydning af organiske molekyler til enklere molekyler med frigivelse af energi og anabolisme , eller biosyntese - konstruktion af komplekse molekyler med energiforbrug. Kroppen syntetiserer strukturelle og energilagrende stoffer - primære metabolitter ( sukker , aminosyrer , fedtstoffer , nukleinsyrer ). Nogle af dem går derefter ikke gennem katabolismens vej, men bruges til yderligere biosyntese af stoffer, der har en ekstremt forskelligartet kemisk struktur og udfører forskellige funktioner i kroppen - sekundære metabolitter. Bioorganisk kemi studerer funktionen af både primære og sekundære metabolitter. Kemi af naturlige forbindelser studerer strukturen og måderne til syntese af sekundære metabolitter og kan karakteriseres som videnskaben om sekundær metabolisme [2] .
En anden relateret videnskab er molekylærbiologi , som beskæftiger sig med højmolekylære biopolymerer - proteiner og nukleinsyrer. Opdagelsen blandt naturlige stoffer af aktive forbindelser, der påvirker ikke kun individuelle organismer, men kontrollerer hele samfund og økosystemer, har ført til fremkomsten af en ny gren af videnskaben - kemisk økologi [* 1] . Sådanne stoffer omfatter feromoner, lokkemidler, antibiotika, phytoncider, toksiner og andre [3] [4] .
Tilsammen betragtes alle disse discipliner som et enkelt kompleks af videnskaber om levende stofs kemi.
Det teoretiske apparat for kemi af naturlige forbindelser falder fuldstændig sammen med begreberne teoretisk organisk kemi. Resultaterne opnået i undersøgelsen af naturlige forbindelser beriger til gengæld teorien om organisk kemi og stimulerer dens udvikling. Isolering af biologisk aktive stoffer fra naturlige materialer , som kan have betydelig praktisk værdi, initierer forbedringen af metodikken for klassisk organisk syntese [5] [6] .
De eksperimentelle metoder til kemi af naturlige forbindelser adskiller sig fra de klassiske. Det skyldes, at mange naturlige stoffer er følsomme over for en lille temperaturstigning, der kendes stoffer, som har en kort levetid selv ved stuetemperatur. Desuden kan stoffer være indeholdt i biomaterialet i små mængder, nogle gange er det tusindedele af en procent eller mindre. Derfor er det nødvendigt at behandle store masser af råmaterialer, og isolerede rene stoffer skal undersøges ved hjælp af specielle teknikker til at arbejde med mikromængder. Vanskeligheden er også adskillelsen af komplekse blandinger, som normalt opnås i det første trin af forarbejdning af råvarer [7] .
Arbejdet med undersøgelsen af naturlige forbindelser begynder med definitionen af de biologiske arter , der undersøges , det er foreløbigt fastlagt i hvilke udviklingsfaser eller livscyklus råvarer der skal indsamles, og hvilke dele, for eksempel planter, der skal indsamles.
Den anden fase er isoleringen af individuelle stoffer eller visse blandinger . Oftest bruges ekstraktion til dette . Ekstraheres successivt med flere opløsningsmidler med stigende polaritet , f.eks. fås hexan - ether - alkohol - vand og flere ekstrakter på én gang, eller der anvendes et universelt opløsningsmiddel, såsom acetone , og derefter behandles ekstraktet ("råtjære"). med andre opløsningsmidler. Ekstrakter indeholder næsten altid en blanding af stoffer, der skal adskilles. Den mest effektive separationsmetode er søjlekromatografi .
Den tredje fase er identifikation af isolerede individuelle stoffer. Fysiske konstanter måles - smeltepunkt , kogepunkt , brydningsindeks osv. og sammenlignes med kendte, allerede beskrevne stoffer. Hvis et nyt stof opdages, bestemmes dets kemiske struktur. Til dette anvendes fysiske metoder - forskellige spektroskopiske ( IR , NMR , massespektrometri ), røntgendiffraktionsanalyse og kemiske analysemetoder . At bestemme et naturligt stof med en kompleks struktur er en ikke-triviel opgave, og nogle gange tager det år og årtiers forskning.
Derefter finder de ud af måderne til metabolisk syntese af stoffer og deres funktioner i kroppen, biologisk aktivitet i forhold til andre organismer og om nødvendigt udvikles metoder til laboratorie- og industriel syntese. Metoden for moderne organisk syntese gør det muligt at udvikle komplekse flertrinsmetoder til opnåelse af stoffer ved hjælp af computerprogrammer ( se Computersyntese ), ved hjælp af begrebet syntoner og metoden til retrosyntetisk analyse . At opnå et stof med en kompleks struktur kan finde sted i flere dusin faser med et samlet udbytte af slutproduktet, der sjældent overstiger nogle få procent, hvilket gør den kunstige syntese af sådanne stoffer meget dyr. Selv komplekse og ineffektive syntesemetoder med hensyn til produktudbytte kan dog være acceptable, hvis den naturlige kilde er dårlig, og stoffet har betydelig praktisk værdi [* 2] [8] .
Alle stadier af eksperimentelt arbejde med naturlige stoffer kan repræsenteres af følgende skema [9] :
Ethvert kemisk stof kan gives et systematisk navn i henhold til IUPAC-nomenklaturen . Men for stoffer med kompleks struktur bliver sådanne navne besværlige og ubelejlige. Derfor bruges systematiske navne kun til de simpleste naturlige forbindelser, og langt de fleste sekundære metabolitter tildeles trivielle navne af forfatterne [10] . Ofte er de dannet ud fra de latinske navne på de organismer, hvorfra stofferne blev isoleret - fra generiske navne og specifikke tilnavne . Fra det latinske navn på kartoffel ( Solanum tuberosum ) kommer for eksempel navnene på stofferne solanin og tuberosin [11] . Nogle gange, i det kemiske navn, kombineres arterne og generiske navne i ét ord, for eksempel thuyapliciner fra thuja-foldet træ ( Thuja plicata ) [12] . Egennavne gives ikke kun til stoffer, men også til almindelige typer af molekylets kulstofskelet. Sådanne skeletter svarer til mættede carbonhydrider - alkaner, derfor indeholder deres navne normalt suffikset -en-, der er vedtaget for denne klasse af forbindelser i den systematiske nomenklatur. Så fra navnet på den vilde gulerod ( Daucus carota ) kommer navnene på to kulstofskeletter - daukan og carotan [11] . Navnene på stoffer kan derefter afledes fra kulstofskeletter ved at tilføje præfikser og suffikser af systematisk nomenklatur - -en- (betegner en dobbelt C \u003d C-binding), -ol- ( hydroxylgruppe ), -on- ( keton ) osv. I slutningen af XIX - I begyndelsen af det 20. århundrede tog det lang tid at dechifrere strukturen af selv relativt simple kulstofskeletter, og navnene på stoffer blev ofte givet, før strukturen var fuldstændig dechifreret. Siden dengang er separate ulogiske navne blevet bevaret, for eksempel camphen - et kulbrinte, der har skelettet af isocamphan, ikke camphan, og α-fenchen med skelettet af isobornylane, ikke fenhan [13] . Udover systematiske morfemer anvendes også andre, som ikke er brugt i IUPAC-nomenklaturen, men angiver molekylets strukturelle træk - iso- (angiver den geometriske eller nærmeste strukturelle isomer ), heller- (angiver skelettets reduktion vha. et carbonatom, oftest fravær af en methylgruppe ), homo- (en stigning i carbonkæden eller en forlængelse af cyklussen med et atom), seco- (åbningen af en af ringene i det cykliske precursorskelet) og andre.
Etymologien af navne kan være kompleks og pege for eksempel på historiske kendsgerninger og samtidig på et stofs egenskaber. I slutningen af det 16. århundrede beskrev Francisco Hernández de Toledo den sydamerikanske "søde blad" plante nu kendt som Lippia dulcis . Terpenoiden isoleret fra planten viste sig at være 1000 gange sødere end saccharose og blev navngivet ernandulcin fra efternavnet Hernandez og det latinske ord dulcis - "sød" [14] .
Nogle gange bruges forkortelser. For eksempel, i stedet for det fulde systematiske navn 22-methyl-5,9-octacosadienoic acid , anvendes notationen 22-Me-Δ 5.9 -28:2. I denne post betyder 28 antallet af carbonatomer i hovedkæden, svarende i dette tilfælde til carbonhydrid octacosan, :2 er antallet af dobbeltbindinger , og indeksene med bogstavet Δ er positionerne af dobbeltbindinger i kæden [15] .
Der er ingen ensartet klassificering af naturlige forbindelser. Der er forskellige tilgange, men ingen af dem er universelle - klassifikationer på forskellige grunde supplerer hinanden og kan bruges afhængigt af et specifikt kemisk eller biologisk aspekt. Grundlæggende principper for klassificering [16] :
For primære metabolitter anvendes kemisk klassificering og til dels efter biologisk funktion. Produkterne af sekundær metabolisme er også opdelt i klasser i henhold til deres kemiske struktur og biosyntetiske veje. Inden for klasserne angives tilhørsforholdet af stoffer, der i kemisk struktur ligner naturlige kilder. Biologisk aktivitet betragtes oftere som en egenskab ved forbindelsen og ikke som et klassifikationstræk [17] .
Organiske stoffer er klassificeret i bestemte klasser efter typerne af kulstofskelet og funktionelle grupper. En sådan klassificering kan anvendes på de simpleste naturlige forbindelser, såsom kulbrinter, fedtsyrer, bifunktionelle forbindelser - ketosyrer, hydroxysyrer osv., mens de fleste naturlige stoffer samtidig tilhører flere klasser. For polyfunktionelle forbindelser kan de indikere at de tilhører en bestemt klasse, hvis det er nødvendigt at understrege deres karakteristiske funktioner i kroppen. For eksempel hører en gruppe af stoffer til klassen af aminosyrer , på trods af at mange af dem har mere end to funktionelle grupper og væsentlige forskelle i kulstofskelettets struktur [18] .
Den kemiske klassificering kan vise sig at være formel, hvis vi ikke kun tager hensyn til molekylets struktur, men også de metaboliske veje, der fører til syntesen af forbindelser med denne struktur. Et eksempel er den store klasse af naturlige forbindelser kaldet isoprenoider . Forstadierne til biosyntesen af det overvældende flertal af stoffer i denne klasse er flerumættede alkoholer med et kulstofskelet, som kan betragtes som et produkt af isopren -carbonhydridoligomerisering . Imidlertid er den biogenetiske forløber for disse alkoholer ikke isopren, men andre forbindelser - sædvanligvis eddikesyre , sjældnere phosphoglyceraldehyd og pyrodruesyre [19] .
Biokemi klassificerer stoffer efter deres forhold til metabolisme - i primære og sekundære metabolitter, sekundære, til gengæld i henhold til de vigtigste måder af deres biosyntese. Den samme metaboliske vej kan i sidste ende føre til forbindelser med forskellige strukturer. For eksempel kan den indledende fase i syntesen af både alifatiske og aromatiske metabolitter være multipel acetylering af acetylcoenzym A med dannelsen af polyketider , stoffer med alternerende methylen- og ketongrupper. Denne biosyntesevej kaldes acetat , og slutprodukterne af stofskiftet kaldes acetogeniner . Benzenringen kan syntetiseres på en anden måde, den vigtigste mellemliggende metabolit, hvori er shikiminsyre . Shikimat-vejen giver en benzenring med en vedhæftet lige tre-carbon-kæde, sådanne forbindelser kaldes phenylpropanoider [20] .
Men der er tilfælde, hvor biosyntese af de samme metabolitter forløber på forskellige måder i forskellige organismer. Syntesen af den enkleste forløber for isoprenoider - isopentenylpyrophosphat - går gennem mevalonsyre ( mevalonatvej ), denne vej er fremherskende i dyrelivet, men der er en anden - ikke- mevalonat- eller methylerythritol-vej gennem 2-methylerythritolphosphat. Slutproduktet af metabolisme kan også syntetiseres ved interaktion mellem to eller flere mellemmetabolitter, som hver er dannet langs sin egen biosyntesevej. Hvis en sådan krydsning af to veje forekommer på en mellemmetabolit, så kaldes slutprodukterne af sekundær metabolisme stoffer i en blandet biosyntesevej [18] .
Stoffer eller stofklasser, der har selvstændig betydning som sekundære metabolitter, kan undergå yderligere ændringer og samtidig tjene som mellemmetabolitter i andre arter af levende organismer eller i samme art. Oxidation af individuelle carbonatomer, halogenering, dannelse af derivater i henhold til funktionelle grupper, en række omlejringer af carbonskelettet, som nogle gange fører til en betydelig ændring i strukturen, ringdannelse, aromatisering og omvendt - ringåbning kan forekomme. I dette tilfælde dannes der fra et sådant stof eller strukturklasse en række nye stoffer eller underklasser, som kaldes kaskader eller biogenetiske træer af en mellemliggende forgænger. For eksempel udgør stoffer, der ifølge deres kemiske struktur eller naturlige kilder, tilhører klasserne af lipoxiner , leukotriener , prostaglandiner arachidonsyrekaskaden [21] , da de syntetiseres ved yderligere modifikation af denne metabolit. Talrige biogenetiske træer eller serier er kendt blandt terpenoider, alkaloider og antibiotika. Et eksempel er sesquiterpen -kulstofskelettet af humulane , som danner et biogenetisk træ, der omfatter sådanne underklasser som sylfinans , pterosiner , bullerans , marasmans , lactarans og andre [22] .
Naturlige stoffer er betinget klassificeret som biologisk vigtige og biologisk aktive , der er ingen klar grænse mellem disse begreber [23] .
Stoffer kaldes biologisk vigtige, hvis fysiologiske rolle er klart udtrykt og velundersøgt, for eksempel glycerider, som er en del af cellemembraner , vokslignende stoffer, der beskytter planter mod udtørring. Sådanne forbindelser er sædvanligvis biologisk inerte, det vil sige, når de indføres i kroppen i relativt store doser, forårsager de ikke et specifikt respons [24] .
Biologisk aktive stoffer kan selv i meget små mængder forårsage en fysiologisk eller patologisk reaktion, de omfatter hormoner , for eksempel plantevækststimulerende midler og hæmmere, antibiotika , toksiner , phytoalexiner - stoffer udskilt af planter under mekanisk skade eller som reaktion på infektion, antifidanter - beskyttelse af planter og dyr mod at spise, mutagener , kræftfremkaldende stoffer [25] .
Klasserne tildelt på dette grundlag omfatter stoffer, der har lidt til fælles med hinanden med hensyn til kemisk struktur, og tværtimod kan stoffer med en lignende struktur udvise forskellige biologiske aktiviteter. Men der er tilfælde, hvor stoffer med en lignende fysiologisk virkning også har ret karakteristiske lignende træk ved den kemiske struktur. For eksempel er seksuelle tiltrækningsmidler og andre insektferomoner oftest lineære eller svagt forgrenede carbonhydrider, mættede eller umættede, og monofunktionelle derivater af sådanne carbonhydrider - alkoholer, carboxylsyrer, estere, ketoner, aldehyder [17] .
Denne klassificeringsmetode bruges relativt sjældent, da de samme stoffer kan findes i forskellige biologiske objekter. I de tilfælde, hvor det kan anvendes, klassificeres forbindelser primært i produkter af animalsk oprindelse, vegetabilsk oprindelse og isoleret fra mikroorganismer, ofte separeres sekundære metabolitter af marine organismer i en separat gruppe. Inddelingen inden for disse største grupper udføres i overensstemmelse med organismers taksonomiske tilhørsforhold. Der er grupper af stoffer, der er karakteristiske for visse biologiske slægter og arter, for eksempel ergotalkaloider , valmue [* 3] og andre [17] .