Chimia compușilor naturali ( HPC ) este o ramură a chimiei organice care studiază compușii chimici care alcătuiesc organismele vii , modurile naturale de transformări ale acestora și metodele de producție artificială . Ca știință, chimia compușilor naturali a apărut simultan cu chimia organică. Necesitatea de a evidenția o disciplină independentă, de a o separa de chimia organică clasică, a apărut după acumularea unei cantități mari de date, izolarea și studiul structurii și proprietăților substanțelor chimice găsite în organismele vii.
Există mai multe discipline conexe legate de chimie și biologie , între care nu există limite clare.
Chimia organică clasică studiază proprietățile compușilor aparținând anumitor clase, este adesea definită ca chimia hidrocarburilor și a derivaților acestora . Substanțele organice naturale se disting printr-o mare varietate de structuri moleculare și, deși printre ele există structuri simple cu una sau două grupe funcționale , cele mai multe dintre ele poartă mai multe grupe funcționale și au o structură complexă a scheletului de carbon. Prin urmare, CPS este caracterizat ca fiind chimia compușilor polifuncționali . Același lucru se poate spune despre reacțiile chimice studiate . Chimia organică se ocupă cel mai adesea cu reacții care implică un centru de reacție într-o moleculă sau o legătură chimică . În reacțiile care au loc într-un organism viu sunt implicați simultan mai mulți centri de reacție și mai multe legături chimice pot fi formate sau rupte într-o singură etapă. Reacțiile de biosinteză diferă de reacțiile de sinteză organică de laborator sau industrială și prin selectivitate ridicată, de obicei 100% , în primul rând enantioselectivitate [1] .
Totalitatea reacțiilor chimice dintr-un organism viu se numește metabolism de bază și este obiectul de studiu al biochimiei . Biochimia studiază atât substanțele organice ( chimia bioorganică ) cât și cele anorganice ( chimia bioanorganică ) ale organismelor vii, transformările și funcțiile acestora. Biochimia evidențiază catabolismul - descompunerea moleculelor organice în molecule mai simple cu eliberarea de energie și anabolism sau biosinteza - construcția de molecule complexe cu cheltuirea energiei. Organismul sintetizează substanțe structurale și de stocare a energiei - metaboliți primari ( zaharuri , aminoacizi , grăsimi , acizi nucleici ). Unele dintre ele nu trec apoi pe calea catabolismului, ci sunt folosite pentru biosinteza ulterioară a substanțelor care au o structură chimică extrem de diversă și îndeplinesc diferite funcții în organism - metaboliți secundari. Chimia bioorganică studiază funcționarea metaboliților primari și secundari. Chimia compușilor naturali studiază structura și modalitățile de sinteză a metaboliților secundari și poate fi caracterizată ca știința metabolismului secundar [2] .
O altă știință înrudită este biologia moleculară , care se ocupă de biopolimerii cu molecul mare - proteine și acizi nucleici. Descoperirea printre substanțele naturale a compușilor activi care afectează nu numai organismele individuale, ci controlează comunități și ecosisteme întregi a condus la apariția unei noi ramuri a științei - ecologie chimică [* 1] . Astfel de substanțe includ feromoni, atractanți, antibiotice, fitoncide, toxine și altele [3] [4] .
Împreună, toate aceste discipline sunt considerate ca un singur complex de științe despre chimia materiei vii.
Aparatul teoretic al chimiei compușilor naturali coincide complet cu conceptele de chimie organică teoretică. Rezultatele obtinute in studiul compusilor naturali imbogatesc, la randul lor, teoria chimiei organice si stimuleaza dezvoltarea acesteia. Izolarea substanțelor biologic active din materiale naturale , care pot avea o valoare practică semnificativă, inițiază îmbunătățirea metodologiei sintezei organice clasice [5] [6] .
Metodele experimentale ale chimiei compușilor naturali diferă de cele clasice. Acest lucru se datorează faptului că multe substanțe naturale sunt sensibile la o ușoară creștere a temperaturii; se cunosc substanțe care au o durată de viață scurtă chiar și la temperatura camerei. De asemenea, substanțele pot fi conținute în biomaterial în cantități mici, uneori este de miimi de procent sau mai puțin. Prin urmare, este necesar să se prelucreze mase mari de materii prime, iar substanțele pure izolate trebuie studiate folosind tehnici speciale de lucru cu micro cantități. Dificultatea este și separarea amestecurilor complexe, care se obțin de obicei în prima etapă de prelucrare a materiilor prime [7] .
Lucrările privind studiul compușilor naturali începe cu definirea speciilor biologice studiate , se stabilește preliminar în ce faze de dezvoltare sau materiile prime ciclului de viață trebuie colectate și ce părți, de exemplu, plantele, trebuie colectate.
A doua etapă este izolarea unor substanțe individuale sau a anumitor amestecuri . Cel mai adesea, extracția este utilizată pentru aceasta . Se extrage succesiv cu mai mulți solvenți cu polaritate crescândă , de exemplu, hexan - eter - alcool - apă și se obțin mai multe extracte simultan, sau se folosește un solvent universal, cum ar fi acetona , iar apoi extractul ("gudron brut") este tratat cu alți solvenți. Extractele conțin aproape întotdeauna un amestec de substanțe care trebuie separate. Cea mai eficientă metodă de separare este cromatografia pe coloană .
A treia etapă este identificarea substanțelor individuale izolate. Se măsoară constantele fizice - punctul de topire, punctul de fierbere , indicele de refracție etc. și se compară cu substanțe cunoscute, deja descrise. Dacă se descoperă o nouă substanță, se determină structura sa chimică. Pentru aceasta se folosesc metode fizice - diverse spectroscopice ( IR , RMN , spectrometrie de masă ), analiză prin difracție de raze X și metode chimice de analiză . Determinarea unei substanțe naturale cu o structură complexă este o sarcină non-trivială și, uneori, este nevoie de ani și decenii de cercetare.
Apoi află modalitățile de sinteză metabolică a substanțelor și funcțiile acestora în organism, activitatea biologică în relație cu alte organisme și, dacă este necesar, sunt dezvoltate metode de sinteză de laborator și industrială. Metodologia sintezei organice moderne face posibilă dezvoltarea unor metode complexe în mai multe etape pentru obținerea de substanțe folosind programe de calculator ( vezi Sinteza computerizată ), folosind conceptul de sintoane și metoda analizei retrosintetice . Obținerea unei substanțe cu o structură complexă se poate desfășura în câteva zeci de etape cu un randament total al produsului final depășind rareori câteva procente, ceea ce face ca sinteza artificială a unor astfel de substanțe să fie foarte costisitoare. Cu toate acestea, chiar și metodele de sinteză complexe și ineficiente în ceea ce privește randamentul produsului pot fi acceptabile dacă sursa naturală este săracă, iar substanța are o valoare practică semnificativă [* 2] [8] .
Toate etapele muncii experimentale cu substanțe naturale pot fi reprezentate prin următoarea schemă [9] :
Orice substanță chimică poate primi o denumire sistematică conform nomenclaturii IUPAC . Cu toate acestea, pentru substanțele cu structură complexă, astfel de nume devin greoaie și incomode. Prin urmare, denumirile sistematice sunt folosite numai pentru cei mai simpli compuși naturali, iar marea majoritate a metaboliților secundari li se atribuie denumiri banale de către autori [10] . Adesea sunt formate din denumirile latine ale organismelor din care au fost izolate substanțele - din denumiri generice și epitete specifice . De exemplu, de la denumirea latină de cartof ( Solanum tuberosum ) provin denumirile substanțelor solanină și tuberozină [11] . Uneori, în denumirea chimică, speciile și denumirile generice sunt combinate într-un singur cuvânt, de exemplu, tuyaplicine din lemn pliat de tuia ( Thuja plicata ) [12] . Numele proprii sunt date nu numai substanțelor, ci și tipurilor comune ale scheletului de carbon al moleculei. Astfel de schelete corespund hidrocarburilor saturate - alcani, prin urmare denumirile lor conțin de obicei sufixul -en-, adoptat pentru această clasă de compuși în nomenclatura sistematică. Deci, de la numele morcovului sălbatic ( Daucus carota ) provin denumirile a două schelete de carbon - daukan și carotan [11] . Numele substanțelor pot fi apoi derivate din scheletele de carbon prin adăugarea de prefixe și sufixe ale nomenclaturii sistematice - -en- (care indică o legătură dublă C \u003d C), -ol- ( grup hidroxil ), -on- ( cetonă ), etc. La sfârșitul anului XIX - La începutul secolului al XX-lea, descifrarea structurii chiar și a scheletelor de carbon relativ simple a durat mult timp, iar numele substanțelor erau adesea date înainte ca structura să fie complet descifrată. De atunci, s-au păstrat nume ilogice separate, de exemplu, camphene - o hidrocarbură care are scheletul izocampanului, nu al camfanului și α-fenchen cu scheletul izobornilanului, nu al fenhanului [13] . Pe lângă morfemele sistematice, se mai folosesc și altele care nu sunt utilizate în nomenclatura IUPAC, dar indică caracteristicile structurale ale moleculei - izo- (indică izomerul structural geometric sau cel mai apropiat ), nor- (indică reducerea scheletului cu un atom de carbon, cel mai adesea absența unei grupări metil ), homo- (o creștere a lanțului de carbon sau o extindere a ciclului cu un atom), seco- (deschiderea unuia dintre inelele scheletului precursor ciclic) si altii.
Etimologia numelor poate fi complexă și poate indica, de exemplu, fapte istorice și, în același timp, proprietatea unei substanțe. La sfârșitul secolului al XVI-lea, Francisco Hernández de Toledo a descris planta sud-americană „frunze dulci”, cunoscută acum sub numele de Lippia dulcis . Terpenoidul izolat din plantă s-a dovedit a fi de 1000 de ori mai dulce decât zaharoza și a fost numit ernandulcin din numele de familie Hernandez și cuvântul latin dulcis - „dulce” [14] .
Uneori sunt folosite abrevieri. De exemplu, în loc de denumirea sistematică completă acid 22-metil-5,9-octacosadienoic , este utilizată notația 22-Me-Δ 5,9 -28:2. În această intrare, 28 înseamnă numărul de atomi de carbon din lanțul principal, corespunzător în acest caz octacosanului de hidrocarbură, :2 este numărul de legături duble , iar indicii cu litera Δ sunt pozițiile legăturilor duble din lanț. [15] .
Nu există o clasificare unificată a compușilor naturali. Există abordări diferite, dar niciuna dintre ele nu este universală - clasificările pe diverse motive se completează reciproc și pot fi utilizate în funcție de un anumit aspect chimic sau biologic. Principii de bază ale clasificării [16] :
Pentru metaboliții primari se utilizează clasificarea chimică și parțial după funcția biologică. Produsele metabolismului secundar sunt, de asemenea, împărțite în clase în funcție de structura lor chimică și căile biosintetice. În cadrul claselor este indicată apartenența unor substanțe asemănătoare ca structură chimică la sursele naturale. Activitatea biologică este considerată mai des ca o proprietate a compusului, și nu ca o caracteristică de clasificare [17] .
Substanțele organice sunt clasificate în anumite clase în funcție de tipurile de schelet de carbon și grupele funcționale. O astfel de clasificare poate fi aplicată celor mai simpli compuși naturali, precum hidrocarburile, acizii grași, compușii bifuncționali - cetoacizi, hidroxiacizii etc., în timp ce majoritatea substanțelor naturale aparțin simultan mai multor clase. Pentru compușii polifuncționali, aceștia pot indica apartenența la o anumită clasă dacă este necesar să se sublinieze funcțiile lor caracteristice în organism. De exemplu, un grup de substanțe aparține clasei de aminoacizi , în ciuda faptului că multe dintre ele au mai mult de două grupe funcționale și diferențe semnificative în structura scheletului de carbon [18] .
Clasificarea chimică se poate dovedi a fi formală, dacă luăm în considerare nu numai structura moleculei, ci și căile metabolice care conduc la sinteza compușilor cu această structură. Un exemplu în acest sens este vasta clasă de compuși naturali numiți izoprenoizi . Precursorii biosintezei majorității covârșitoare a substanțelor din această clasă sunt alcoolii polinesaturați cu schelet de carbon, care pot fi considerați ca un produs al oligomerizării hidrocarburilor izoprenului . Cu toate acestea, precursorul biogenetic al acestor alcooli nu este izoprenul, ci alți compuși - de obicei acid acetic , mai rar fosfogliceraldehida și acid piruvic [19] .
Biochimia clasifică substanțele în funcție de relația lor cu metabolismul - în metaboliți primari și secundari, secundari, la rândul lor, în funcție de principalele moduri de biosinteză a acestora. Aceeași cale metabolică poate duce în cele din urmă la compuși cu structuri diferite. De exemplu, etapa inițială în sinteza metaboliților atât alifatici, cât și aromatici poate fi acetilarea multiplă a acetil coenzimei A cu formarea de policetide , substanțe cu grupări alternante de metilen și cetonă. Această cale de biosinteză se numește acetat , iar produsele finale ale metabolismului se numesc acetogenine . Inelul benzenic poate fi sintetizat într-un alt mod, metabolitul intermediar cheie în care este acidul shikimic . Calea shikimatului dă un inel benzenic cu un lanț drept de trei atomi de carbon atașat, astfel de compuși sunt numiți fenilpropanoizi [20] .
Dar există cazuri în care biosinteza acelorași metaboliți se desfășoară în moduri diferite în diferite organisme. Sinteza celui mai simplu precursor al izoprenoidelor - izopentenil pirofosfat - trece prin acid mevalonic ( calea mevalonatului ), această cale predomină în viața sălbatică, dar există o altă cale - non-mevalonat sau metileritritol , prin fosfatul de 2-metileritritol. De asemenea, produsul final al metabolismului poate fi sintetizat prin interacțiunea a doi sau mai mulți metaboliți intermediari, fiecare dintre care se formează de-a lungul propriei căi de biosinteză. Dacă o astfel de încrucișare a două căi are loc pe un metabolit intermediar, atunci produșii finali ai metabolismului secundar se numesc substanțe ale unei căi mixte de biosinteză [18] .
Substanțele sau clasele de substanțe care au semnificație independentă ca metaboliți secundari pot suferi modificări ulterioare și pot servi simultan ca metaboliți intermediari la alte specii de organisme vii sau la aceeași specie. Oxidarea atomilor de carbon individuali, halogenarea, formarea derivaților în funcție de grupe funcționale, o serie de rearanjamente ale scheletului de carbon, conducând uneori la o modificare semnificativă a structurii, ciclizare, aromatizare și invers - poate apărea deschiderea inelului. În acest caz, dintr-o astfel de substanță sau clasă structurală, se formează o serie de noi substanțe sau subclase, care sunt numite cascade sau arbori biogenetici ai unui predecesor intermediar. De exemplu, substanțele care, după structura lor chimică sau sursele naturale, aparțin claselor de lipoxine , leucotriene , prostaglandine alcătuiesc cascada acidului arahidonic [21] , deoarece sunt sintetizate prin modificarea ulterioară a acestui metabolit. Numeroși arbori biogenetici sau serii sunt cunoscuți printre terpenoizi, alcaloizi și antibiotice. Un exemplu este scheletul de carbon sesquiterpenic al humulanului , care formează un arbore biogenetic care include subclase precum sylfinans , pterosins, bullerans , marasmans , lactarans și altele [ 22] .
Substanțele naturale sunt clasificate condiționat ca importante biologic și active biologic , nu există o linie clară între aceste concepte [23] .
Substanțele sunt numite importante din punct de vedere biologic, al căror rol fiziologic este clar exprimat și bine studiat, de exemplu, gliceridele, care fac parte din membranele celulare , substanțe asemănătoare ceară care protejează plantele de uscare. Astfel de compuși sunt de obicei inerți din punct de vedere biologic, adică atunci când sunt introduși în organism în doze relativ mari, nu provoacă un răspuns specific [24] .
Substanțele biologic active pot provoca chiar și în cantități foarte mici o reacție fiziologică sau patologică, acestea includ hormoni , de exemplu, stimulente și inhibitori ai creșterii plantelor, antibiotice , toxine , fitoalexine - substanțe secretate de plante în timpul deteriorării mecanice sau ca răspuns la infecții, antifidenți - protejarea plantelor și animalelor de mâncare, mutageni , cancerigeni [25] .
Clasele alocate pe această bază includ substanțe care au puține în comun între ele în ceea ce privește structura chimică și, dimpotrivă, substanțele cu o structură similară pot prezenta activități biologice diferite. Dar există cazuri în care substanțele cu efect fiziologic similar au, de asemenea, caracteristici similare destul de caracteristice ale structurii chimice. De exemplu, atractorii sexuali și alți feromoni de insecte sunt cel mai adesea hidrocarburi liniare sau slab ramificate, saturate sau nesaturate, și derivați monofuncționali ai unor astfel de hidrocarburi - alcooli, acizi carboxilici, esteri, cetone, aldehide [17] .
Această metodă de clasificare este relativ rar utilizată, deoarece aceleași substanțe pot fi găsite în diferite obiecte biologice. În cazurile în care poate fi utilizat, compușii sunt clasificați în primul rând în produse de origine animală, de origine vegetală și izolați de microorganisme, adesea metaboliții secundari ai organismelor marine sunt separați într-un grup separat. Împărțirea în cadrul acestor grupuri mai mari se realizează în conformitate cu afilierea taxonomică a organismelor. Există grupuri de substanțe caracteristice anumitor genuri și specii biologice, de exemplu, alcaloizii de ergot , macul [* 3] și altele [17] .