Kemi av naturliga föreningar ( HPC ) är en gren av organisk kemi som studerar de kemiska föreningar som utgör levande organismer , de naturliga sätten för deras omvandlingar och metoder för artificiell produktion . Som vetenskap uppstod naturliga föreningars kemi samtidigt med organisk kemi. Behovet av att peka ut en oberoende disciplin, att skilja den från klassisk organisk kemi, uppstod efter ackumuleringen av en stor mängd data, isoleringen och studien av strukturen och egenskaperna hos kemikalier som finns i levande organismer.
Det finns flera relaterade discipliner relaterade till kemi och biologi , mellan vilka det inte finns några tydliga gränser.
Klassisk organisk kemi studerar egenskaperna hos föreningar som tillhör vissa klasser, det definieras ofta som kolvätens kemi och deras derivat . Naturliga organiska ämnen kännetecknas av en mängd olika molekylära strukturer och även om det bland dem finns enkla strukturer med en eller två funktionella grupper , bär de flesta av dem flera funktionella grupper och har en komplex struktur i kolskelettet. Därför karakteriseras CPS som kemin hos polyfunktionella föreningar . Detsamma kan sägas om de studerade kemiska reaktionerna . Organisk kemi handlar oftast om reaktioner som involverar ett reaktionscentrum i en molekyl eller en kemisk bindning . I de reaktioner som sker i en levande organism är flera reaktionscentra inblandade samtidigt och flera kemiska bindningar kan bildas eller brytas i ett steg. Biosyntetiska reaktioner skiljer sig från reaktioner från laboratorie- eller industriell organisk syntes också i hög, vanligtvis 100% selektivitet , främst enantioselektivitet [1] .
Helheten av kemiska reaktioner i en levande organism kallas för den grundläggande metabolismen och är föremål för studie av biokemi . Biokemi studerar både organiska ( bioorganisk kemi ) och oorganiska ( biooorganisk kemi ) ämnen i levande organismer, deras omvandlingar och funktioner. Biokemi lyfter fram katabolism - nedbrytningen av organiska molekyler till enklare med frigörande av energi och anabolism , eller biosyntes - konstruktionen av komplexa molekyler med energiförbrukning. Kroppen syntetiserar strukturella och energilagrande ämnen - primära metaboliter ( socker , aminosyror , fetter , nukleinsyror ). Vissa av dem går då inte igenom katabolismens väg, utan används för vidare biosyntes av ämnen som har en extremt varierad kemisk struktur och utför olika funktioner i kroppen - sekundära metaboliter. Bioorganisk kemi studerar funktionen hos både primära och sekundära metaboliter. Kemi av naturliga föreningar studerar strukturen och sätten för syntes av sekundära metaboliter, och kan karakteriseras som vetenskapen om sekundär metabolism [2] .
En annan relaterad vetenskap är molekylärbiologi , som handlar om högmolekylära biopolymerer - proteiner och nukleinsyror. Upptäckten bland naturliga substanser av aktiva föreningar som påverkar inte bara enskilda organismer, utan kontrollerar hela samhällen och ekosystem har lett till uppkomsten av en ny gren av vetenskap - kemisk ekologi [* 1] . Sådana ämnen inkluderar feromoner, lockmedel, antibiotika, fytoncider, toxiner och andra [3] [4] .
Tillsammans betraktas alla dessa discipliner som ett enda komplex av vetenskaper om den levande materiens kemi.
Den teoretiska apparaten för kemi av naturliga föreningar sammanfaller helt med begreppen teoretisk organisk kemi. Resultaten som erhålls i studien av naturliga föreningar berikar i sin tur teorin om organisk kemi och stimulerar dess utveckling. Isolering av biologiskt aktiva ämnen från naturliga material , som kan ha betydande praktiskt värde, initierar förbättringen av metodiken för klassisk organisk syntes [5] [6] .
De experimentella metoderna för kemi av naturliga föreningar skiljer sig från de klassiska. Detta beror på att många naturliga ämnen är känsliga för en lätt temperaturhöjning, det är kända ämnen som har kort livslängd även vid rumstemperatur. Dessutom kan ämnen finnas i biomaterialet i små mängder, ibland är det tusendels procent eller mindre. Därför är det nödvändigt att bearbeta stora massor av råvaror, och isolerade rena ämnen måste studeras med hjälp av speciella tekniker för att arbeta med mikrokvantiteter. Svårigheten är också separationen av komplexa blandningar, som vanligtvis erhålls i det första steget av bearbetning av råvaror [7] .
Arbetet med studier av naturliga föreningar börjar med definitionen av de biologiska arter som studeras , det är preliminärt fastställt i vilka faser av utveckling eller livscykelråvaror som ska samlas in och vilka delar, till exempel växter, som ska samlas in.
Det andra steget är isoleringen av enskilda ämnen eller vissa blandningar . Oftast används extraktion för detta . Extraheras successivt med flera lösningsmedel med ökande polaritet , t.ex. hexane- eter - alkohol - vatten och flera extrakt erhålls på en gång, eller så används ett universallösningsmedel, såsom aceton , och sedan behandlas extraktet ("råtjära") med andra lösningsmedel. Extrakt innehåller nästan alltid en blandning av ämnen som behöver separeras. Den mest effektiva separationsmetoden är kolonnkromatografi .
Det tredje steget är identifieringen av isolerade enskilda ämnen. Fysikaliska konstanter mäts - smältpunkt , kokpunkt , brytningsindex etc. och jämförs med kända, redan beskrivna ämnen. Om ett nytt ämne upptäcks bestäms dess kemiska struktur. För detta används fysikaliska metoder - olika spektroskopiska ( IR , NMR , masspektrometri ), röntgendiffraktionsanalyser och kemiska analysmetoder . Att bestämma ett naturligt ämne med en komplex struktur är en icke-trivial uppgift, och ibland tar det år och årtionden av forskning.
Sedan tar de reda på sätten för metabolisk syntes av ämnen och deras funktioner i kroppen, biologisk aktivitet i förhållande till andra organismer och vid behov utvecklas metoder för laboratorie- och industriell syntes. Metodiken för modern organisk syntes gör det möjligt att utveckla komplexa flerstegsmetoder för att erhålla ämnen med hjälp av datorprogram ( se Datorsyntes ), med begreppet syntoner och metoden för retrosyntetisk analys . Att erhålla ett ämne med en komplex struktur kan ske i flera dussin steg med ett totalutbyte av slutprodukten som sällan överstiger några procent, vilket gör den artificiella syntesen av sådana ämnen mycket dyr. Men även komplexa och ineffektiva syntesmetoder när det gäller produktutbyte kan vara acceptabla om den naturliga källan är dålig och ämnet har ett betydande praktiskt värde [* 2] [8] .
Alla stadier av experimentellt arbete med naturliga ämnen kan representeras av följande schema [9] :
Varje kemiskt ämne kan ges ett systematiskt namn enligt IUPAC-nomenklaturen . Men för ämnen med komplex struktur blir sådana namn besvärliga och obekväma. Därför används systematiska namn endast för de enklaste naturliga föreningarna, och den stora majoriteten av sekundära metaboliter tilldelas triviala namn av författarna [10] . Ofta är de bildade av de latinska namnen på de organismer från vilka substanserna isolerades - från generiska namn och specifika epitet . Till exempel kommer från det latinska namnet potatis ( Solanum tuberosum ) namnen på ämnena solanin och tuberosin [11] . Ibland, i det kemiska namnet, kombineras arterna och generiska namnen i ett ord, till exempel tuyapliciner från tujavikt trä ( Thuja plicata ) [12] . Egennamn ges inte bara till ämnen utan också till vanliga typer av molekylens kolskelett. Sådana skelett motsvarar mättade kolväten - alkaner, därför innehåller deras namn vanligtvis suffixet -en-, antaget för denna klass av föreningar i den systematiska nomenklaturen. Så, från namnet på den vilda moroten ( Daucus carota ) kommer namnen på två kolskelett - daukan och carotan [11] . Namnen på ämnen kan sedan härledas från kolskelett genom att lägga till prefix och suffix av systematisk nomenklatur - -en- (betecknar en dubbel C \u003d C-bindning), -ol- ( hydroxylgrupp ), -on- ( keton ), etc. I slutet av XIX - I början av 1900-talet tog det lång tid att dechiffrera strukturen hos även relativt enkla kolskelett, och namnen på ämnen gavs ofta innan strukturen var helt dechiffrerad. Sedan dess har separata ologiska namn bevarats, till exempel kamfen - ett kolväte som har skelettet av isokamfan, inte kamfan, och α-fenchen med skelettet av isobornylan, inte fenhan [13] . Förutom systematiska morfem används även andra som inte används i IUPAC-nomenklaturen, men som indikerar molekylens strukturella egenskaper - iso- (indikerar den geometriska eller närmaste strukturella isomeren ), inte heller- (indikerar minskningen av skelettet med en kolatom, oftast frånvaron av en metylgrupp ), homo- (en ökning av kolkedjan eller en förlängning av cykeln med en atom), seco- (öppningen av en av ringarna i det cykliska prekursorskelettet) och andra.
Namnens etymologi kan vara komplex och peka till exempel på historiska fakta och samtidigt på ett ämnes egenskap. I slutet av 1500-talet beskrev Francisco Hernández de Toledo den sydamerikanska "sötbladsväxten" som nu är känd som Lippia dulcis . Terpenoiden som isolerades från växten visade sig vara 1000 gånger sötare än sackaros och fick namnet ernandulcin från efternamnet Hernandez och det latinska ordet dulcis - "söt" [14] .
Ibland används förkortningar. Till exempel, istället för det fullständiga systematiska namnet 22-metyl-5,9-oktakosadiensyra, används beteckningen 22-Me-A 5.9 -28:2. I denna post betyder 28 antalet kolatomer i huvudkedjan, vilket i detta fall motsvarar kolvätet oktakosan, :2 är antalet dubbelbindningar och indexen med bokstaven Δ är positionerna för dubbelbindningar i kedjan [15] .
Det finns ingen enhetlig klassificering av naturliga föreningar. Det finns olika tillvägagångssätt, men ingen av dem är universell - klassificeringar på olika grunder kompletterar varandra och kan användas beroende på en specifik kemisk eller biologisk aspekt. Grundläggande principer för klassificering [16] :
För primära metaboliter används kemisk klassificering och delvis efter biologisk funktion. Produkterna från sekundär metabolism är också indelade i klasser enligt deras kemiska struktur och biosyntetiska vägar. Inom klasserna anges tillhörighet av ämnen som i kemisk struktur liknar naturliga källor. Biologisk aktivitet betraktas oftare som en egenskap hos föreningen och inte som en klassificeringsfunktion [17] .
Organiska ämnen klassificeras i vissa klasser efter typer av kolskelett och funktionella grupper. En sådan klassificering kan tillämpas på de enklaste naturliga föreningarna, såsom kolväten, fettsyror, bifunktionella föreningar - ketosyror, hydroxisyror, etc., medan de flesta naturliga ämnen tillhör flera klasser samtidigt. För polyfunktionella föreningar kan de indikera att de tillhör en viss klass om det är nödvändigt att betona deras karakteristiska funktioner i kroppen. Till exempel hör en grupp av ämnen till klassen av aminosyror , trots att många av dem har fler än två funktionella grupper och betydande skillnader i strukturen på kolskelettet [18] .
Den kemiska klassificeringen kan visa sig vara formell, om vi inte bara tar hänsyn till molekylens struktur, utan också de metaboliska vägarna som leder till syntesen av föreningar med denna struktur. Ett exempel på detta är den stora klassen av naturliga föreningar som kallas isoprenoider . Föregångarna till biosyntesen av den överväldigande majoriteten av ämnen i denna klass är fleromättade alkoholer med ett kolskelett, som kan betraktas som en produkt av isoprenkolväteoligomerisering . Den biogenetiska prekursorn för dessa alkoholer är dock inte isopren, utan andra föreningar - vanligtvis ättiksyra , mer sällan fosfoglyceraldehyd och pyrodruvsyra [19] .
Biokemi klassificerar ämnen efter deras relation till metabolism - i primära och sekundära metaboliter, sekundära, i sin tur, enligt de huvudsakliga sätten för deras biosyntes. Samma metaboliska väg kan så småningom leda till föreningar med olika strukturer. Till exempel kan det initiala steget i syntesen av både alifatiska och aromatiska metaboliter vara multipel acetylering av acetylkoenzym A med bildning av polyketider , ämnen med alternerande metylen- och ketongrupper. Denna biosyntesväg kallas acetat , och slutprodukterna av ämnesomsättningen kallas acetogeniner . Bensenringen kan syntetiseras på ett annat sätt, den viktigaste intermediära metaboliten i vilken är shikiminsyra . Shikimatvägen ger en bensenring med en bunden rak trekolskedja, sådana föreningar kallas fenylpropanoider [20] .
Men det finns fall då biosyntesen av samma metaboliter fortskrider på olika sätt i olika organismer. Syntesen av den enklaste prekursorn för isoprenoider - isopentenylpyrofosfat - går genom mevalonsyra ( mevalonatväg ), denna väg råder i vilda djur, men det finns en annan - icke- mevalonat- eller metylerytritol-väg genom 2-metylerytritolfosfat. Slutprodukten av metabolism kan också syntetiseras genom interaktion mellan två eller flera intermediära metaboliter, som var och en bildas längs sin egen biosyntetiska väg. Om en sådan korsning av två vägar sker på en intermediär metabolit, så kallas slutprodukterna av sekundär metabolism substanser i en blandad biosyntesväg [18] .
Ämnen eller klasser av ämnen som har oberoende betydelse som sekundära metaboliter kan genomgå ytterligare förändringar och samtidigt fungera som intermediära metaboliter i andra arter av levande organismer eller i samma art. Oxidation av enskilda kolatomer, halogenering, bildandet av derivat enligt funktionella grupper, en serie omarrangemang av kolskelettet, ibland leder till en betydande förändring i strukturen, cyklisering, aromatisering och vice versa - ringöppning kan inträffa. I det här fallet, från ett sådant ämne eller strukturell klass, bildas en serie nya ämnen eller underklasser, som kallas kaskader , eller biogenetiska träd av en mellanliggande prekursor. Till exempel, ämnen som, enligt sin kemiska struktur eller naturliga källor, tillhör klasserna lipoxiner , leukotriener , prostaglandiner utgör arakidonsyrakaskaden [21] , eftersom de syntetiseras genom ytterligare modifiering av denna metabolit. Många biogenetiska träd eller serier är kända bland terpenoider, alkaloider och antibiotika. Ett exempel är sesquiterpene - kolskelettet av humulane , som bildar ett biogenetiskt träd som inkluderar sådana underklasser som sylfinans , pterosiner , bullerans , marasmans , lactarans och andra [22] .
Naturliga ämnen klassificeras villkorligt som biologiskt viktiga och biologiskt aktiva , det finns ingen tydlig gräns mellan dessa begrepp [23] .
Ämnen kallas biologiskt viktiga, vars fysiologiska roll är tydligt uttryckt och väl studerad, till exempel glycerider, som ingår i cellmembran , vaxliknande ämnen som skyddar växter från att torka ut. Sådana föreningar är vanligtvis biologiskt inerta, det vill säga när de introduceras i kroppen i relativt stora doser, orsakar de inte ett specifikt svar [24] .
Biologiskt aktiva substanser kan även i mycket små mängder orsaka en fysiologisk eller patologisk reaktion, de inkluderar hormoner , till exempel, växtstimulerande medel och hämmare, antibiotika , toxiner , fytoalexiner - ämnen som utsöndras av växter vid mekanisk skada eller som svar på infektion, antifidanter - skydda växter och djur från att äta, mutagena ämnen , cancerframkallande ämnen [25] .
De klasser som tilldelas på denna grund inkluderar ämnen som har lite gemensamt med varandra när det gäller kemisk struktur, och tvärtom kan ämnen med liknande struktur uppvisa olika biologiska aktiviteter. Men det finns fall när ämnen med liknande fysiologisk effekt också har ganska karakteristiska liknande egenskaper hos den kemiska strukturen. Till exempel är sexuella attraherande medel och andra insektsferomoner oftast linjära eller svagt grenade kolväten, mättade eller omättade, och monofunktionella derivat av sådana kolväten - alkoholer, karboxylsyror, estrar, ketoner, aldehyder [17] .
Denna klassificeringsmetod används relativt sällan, eftersom samma ämnen kan finnas i olika biologiska föremål. I de fall det kan användas klassificeras föreningar i första hand i produkter av animaliskt ursprung, vegetabiliskt ursprung och isolerade från mikroorganismer, ofta separeras sekundära metaboliter av marina organismer i en separat grupp. Indelningen inom dessa största grupper sker i enlighet med organismernas taxonomiska tillhörighet. Det finns grupper av ämnen som är karakteristiska för vissa biologiska släkten och arter, till exempel vallmoalkaloider , vallmo [* 3] och andra [17] .