Luonnonyhdisteiden kemia ( HPC ) on orgaanisen kemian ala, joka tutkii elävistä organismeista muodostuvia kemiallisia yhdisteitä , niiden luonnollisia muuntumistapoja ja keinotekoisia tuotantomenetelmiä . Tieteenä luonnonyhdisteiden kemia syntyi samanaikaisesti orgaanisen kemian kanssa. Tarve erottaa itsenäinen tieteenala, erottaa se klassisesta orgaanisesta kemiasta, syntyi suuren tietomäärän keräämisen, elävissä organismeissa esiintyvien kemikaalien rakenteen ja ominaisuuksien eristämisen ja tutkimuksen jälkeen.
Kemiaan ja biologiaan liittyy useita toisiinsa liittyviä tieteenaloja , joiden välillä ei ole selkeitä rajoja.
Klassinen orgaaninen kemia tutkii tiettyihin luokkiin kuuluvien yhdisteiden ominaisuuksia, se määritellään usein hiilivetyjen ja niiden johdannaisten kemiaksi . Luonnolliset orgaaniset aineet erottuvat monista molekyylirakenteista , ja vaikka niiden joukossa on yksinkertaisia rakenteita, joissa on yksi tai kaksi funktionaalista ryhmää , useimmissa niistä on useita funktionaalisia ryhmiä ja niillä on monimutkainen hiilirungon rakenne. Siksi CPS on luonnehdittu polyfunktionaalisten yhdisteiden kemiaksi . Samaa voidaan sanoa tutkituista kemiallisista reaktioista . Orgaaninen kemia käsittelee useimmiten reaktioita, joissa molekyylissä on yksi reaktiokeskus tai yksi kemiallinen sidos . Elävässä organismissa tapahtuvissa reaktioissa on mukana useita reaktiokeskuksia samanaikaisesti ja yhdessä vaiheessa voi muodostua tai katketa useita kemiallisia sidoksia. Biosynteettiset reaktiot eroavat laboratorio- tai teollisen orgaanisen synteesin reaktioista myös korkealla, yleensä 100 % :n selektiivisyydellä , ensisijaisesti enantioselektiivisyydellä [1] .
Kemiallisten reaktioiden kokonaisuutta elävässä organismissa kutsutaan perusaineenvaihdunnaksi ja se on biokemian tutkimuskohde . Biokemia tutkii sekä elävien organismien orgaanisia ( bioorgaaninen kemia ) että epäorgaanisia ( bioepäorgaaninen kemia ) aineita , niiden muutoksia ja toimintoja . Biokemia korostaa kataboliaa - orgaanisten molekyylien hajoamista yksinkertaisemmiksi energian vapautumisen ja anabolian myötä, tai biosynteesiä - monimutkaisten molekyylien rakentamista energiankulutuksella. Elimistö syntetisoi rakenteellisia ja energiaa varastoivia aineita - ensisijaisia aineenvaihduntatuotteita ( sokereita , aminohappoja , rasvoja , nukleiinihappoja ). Jotkut niistä eivät sitten kulje katabolian polun läpi, vaan niitä käytetään edelleen sellaisten aineiden biosynteesiin, joilla on erittäin monipuolinen kemiallinen rakenne ja jotka suorittavat erilaisia toimintoja kehossa - sekundaariset metaboliitit. Bioorgaaninen kemia tutkii sekä primaaristen että sekundaaristen metaboliittien toimintaa. Luonnonyhdisteiden kemia tutkii sekundääristen aineenvaihduntatuotteiden rakennetta ja synteesitapoja, ja sitä voidaan luonnehtia sekundaarisen aineenvaihdunnan tieteeksi [2] .
Toinen asiaan liittyvä tiede on molekyylibiologia , joka käsittelee suurimolekyylisiä biopolymeerejä - proteiineja ja nukleiinihappoja. Luonnollisten aineiden joukosta löydetty aktiivisia yhdisteitä, jotka eivät vaikuta vain yksittäisiin organismeihin, vaan hallitsevat kokonaisia yhteisöjä ja ekosysteemejä, on johtanut uuden tieteenalan syntymiseen - kemialliseen ekologiaan [* 1] . Tällaisia aineita ovat feromonit, houkuttimet, antibiootit, fytonsidit, toksiinit ja muut [3] [4] .
Yhdessä kaikkia näitä tieteitä pidetään yhtenä kokonaisuutena elävän aineen kemiaa käsittelevistä tieteistä.
Luonnonyhdisteiden kemian teoreettinen laitteisto on täysin yhteneväinen teoreettisen orgaanisen kemian käsitteiden kanssa. Luonnonyhdisteiden tutkimuksessa saadut tulokset puolestaan rikastavat orgaanisen kemian teoriaa ja stimuloivat sen kehitystä. Biologisesti aktiivisten aineiden eristäminen luonnonmateriaaleista, joilla voi olla merkittävää käytännön arvoa, käynnistää klassisen orgaanisen synteesin metodologian parantamisen [5] [6] .
Luonnonyhdisteiden kemian kokeelliset menetelmät poikkeavat klassisista. Tämä johtuu siitä, että monet luonnonaineet ovat herkkiä pienelle lämpötilan nousulle, tunnetaan aineita, joilla on lyhyt käyttöikä huoneenlämmössäkin. Myös aineita voi olla biomateriaalissa pieniä määriä, joskus prosentin tuhannesosia tai vähemmän. Siksi on tarpeen käsitellä suuria massoja raaka-aineita ja eristettyjä puhtaita aineita on tutkittava erityisillä mikromäärillä työskentelytekniikoilla. Vaikeutena on myös monimutkaisten seosten erottaminen, jotka yleensä saadaan raaka-aineiden käsittelyn ensimmäisessä vaiheessa [7] .
Luonnonyhdisteiden tutkimustyö alkaa tutkittavien biologisten lajien määrittelystä , alustavasti selvitetään, missä kehitys- tai elinkaariraaka - aineissa tulee kerätä ja mitkä osat, esimerkiksi kasvit, on kerättävä.
Toinen vaihe on yksittäisten aineiden tai tiettyjen seosten eristäminen . Useimmiten tähän käytetään uuttamista . Uutetaan peräkkäin useilla liuottimilla , joiden polaarisuus kasvaa , esimerkiksi heksaani - eetteri - alkoholi - vesi ja useita uutteita saadaan kerralla, tai käytetään yleisliuotinta, kuten asetonia , ja sitten uute ("raakaterva") käsitellään muiden liuottimien kanssa. Uutteet sisältävät lähes aina aineiden seoksen, joka on erotettava. Tehokkain erotusmenetelmä on pylväskromatografia .
Kolmas vaihe on eristettyjen yksittäisten aineiden tunnistaminen. Fysikaaliset vakiot mitataan - sulamispiste , kiehumispiste , taitekerroin jne. ja niitä verrataan tunnettuihin, jo kuvattuihin aineisiin. Jos uusi aine löydetään, sen kemiallinen rakenne määritetään. Tätä varten käytetään fysikaalisia menetelmiä - erilaisia spektroskooppisia ( IR , NMR , massaspektrometria ), röntgendiffraktioanalyysiä ja kemiallisia analyysimenetelmiä . Monimutkaisen rakenteen omaavan luonnonaineen määrittäminen on ei-triviaali tehtävä, ja joskus se vaatii vuosia ja vuosikymmeniä tutkimusta.
Sitten selvitetään aineiden metabolisen synteesin tavat ja toiminnot elimistössä, biologinen aktiivisuus suhteessa muihin organismeihin ja tarvittaessa kehitetään laboratorio- ja teollisen synteesin menetelmiä. Nykyaikaisen orgaanisen synteesin metodologia mahdollistaa monimutkaisten monivaiheisten menetelmien kehittämisen aineiden saamiseksi tietokoneohjelmien avulla ( katso Tietokonesynteesi ), käyttämällä syntonien käsitettä ja retrosynteettisen analyysin menetelmää . Monimutkaisen rakenteen omaavan aineen saaminen voi tapahtua useissa kymmenissä vaiheissa, jolloin lopputuotteen kokonaissaanto ylittää harvoin muutaman prosentin, mikä tekee tällaisten aineiden keinotekoisesta synteesistä erittäin kallista. Kuitenkin myös monimutkaiset ja tuotteen saannon kannalta tehottomat synteesimenetelmät voivat olla hyväksyttäviä, jos luonnollinen lähde on huono ja aineella on merkittävää käytännön arvoa [* 2] [8] .
Luonnonaineiden kanssa tehtävän kokeellisen työn kaikki vaiheet voidaan esittää seuraavalla kaaviolla [9] :
Kaikille kemiallisille aineille voidaan antaa systemaattinen nimi IUPAC - nimikkeistön mukaisesti . Monimutkaisen rakenteen omaavien aineiden nimistä tulee kuitenkin hankalia ja hankalia. Siksi systemaattisia nimiä käytetään vain yksinkertaisimmille luonnollisille yhdisteille, ja kirjoittajat antavat suurimmalle osalle sekundaarisista metaboliiteista triviaaleja nimiä [10] . Usein ne muodostetaan niiden organismien latinalaisista nimistä, joista aineet on eristetty – yleisnimistä ja erityisistä epiteetteistä . Esimerkiksi perunan latinankielisestä nimestä ( Solanum tuberosum ) tulevat aineiden nimet solaniini ja tuberosiini [11] . Joskus kemiallisessa nimessä lajit ja yleisnimet yhdistetään yhdeksi sanaksi, esimerkiksi tujaplikiinit tujalaskospuusta ( Thuja plicata ) [ 12] . Oikeita nimiä ei anneta vain aineille, vaan myös molekyylin hiilirungon yleisille tyypeille. Tällaiset rungot vastaavat tyydyttyneitä hiilivetyjä - alkaaneita, joten niiden nimet sisältävät yleensä jälkiliitteen -en-, joka on hyväksytty tälle yhdisteluokalle systemaattisessa nimikkeistössä. Niinpä villiporkkanan ( Daucus carota ) nimestä tulevat kahden hiilirungon nimet - daukan ja karotaani [11] . Aineiden nimet voidaan sitten johtaa hiilirungoista lisäämällä systemaattisen nimikkeistön etu- ja päätteet - -en- (merkitsee kaksoissidosta C \u003d C) , -ol- ( hydroksyyliryhmä ), -on- ( ketoni ) jne. XIX luvun lopulla - 1900-luvun alussa suhteellisen yksinkertaistenkin hiilirunkojen rakenteen purkaminen kesti kauan, ja aineiden nimet annettiin usein ennen kuin rakenne oli täysin selvitetty. Siitä lähtien on säilynyt erilliset epäloogiset nimet, esimerkiksi kamfeeni - hiilivety, jonka luuranko on isokamfaania, ei kamfaania, ja α-fenchen , jonka luuranko on isobornylaania, ei fenhania [13] . Systemaattisten morfeemien lisäksi käytetään myös muita, joita ei käytetä IUPAC-nimikkeistössä, mutta jotka osoittavat molekyylin rakenteellisia piirteitä - iso- (osoittaa geometrista tai lähintä rakenteellista isomeeriä ), nor- (osoittaa luuston pelkistymistä yksi hiiliatomi, useimmiten metyyliryhmän puuttuminen ), homo- (hiiliketjun lisäys tai syklin pidentyminen yhdellä atomilla), seko- (syklisen esiasterungon yhden renkaan avautuminen) ja muut.
Nimien etymologia voi olla monimutkainen ja osoittaa esimerkiksi historiallisia tosiasioita ja samalla jonkin substanssin ominaisuutta. Francisco Hernández de Toledo kuvaili 1500-luvun lopulla Etelä-Amerikan "makean lehtien" kasvia, joka tunnetaan nykyään nimellä Lippia dulcis . Kasvista eristetty terpenoidi osoittautui 1000 kertaa makeammaksi kuin sakkaroosi , ja se nimettiin ernandulsiiniksi sukunimestä Hernandez ja latinalaisesta sanasta dulcis - "makea" [14] .
Joskus käytetään lyhenteitä. Esimerkiksi täyden systemaattisen nimen 22-metyyli-5,9-oktakosadieenihappo sijasta käytetään merkintää 22-Me-A 5,9 -28:2. Tässä merkinnässä 28 tarkoittaa hiiliatomien lukumäärää pääketjussa, joka vastaa tässä tapauksessa hiilivetyoktakosaania, :2 on kaksoissidosten lukumäärä ja indeksit kirjaimella Δ ovat kaksoissidosten paikkoja ketjussa. [15] .
Luonnonyhdisteillä ei ole yhtenäistä luokitusta. On olemassa erilaisia lähestymistapoja, mutta mikään niistä ei ole universaali - eri perustein perustuvat luokitukset täydentävät toisiaan ja niitä voidaan käyttää tietyn kemiallisen tai biologisen näkökohdan mukaan. Luokituksen perusperiaatteet [16] :
Ensisijaisten metaboliittien osalta käytetään kemiallista luokitusta ja osittain biologisen toiminnan mukaan. Sekundaarisen aineenvaihdunnan tuotteet jaetaan myös luokkiin niiden kemiallisen rakenteen ja biosynteesireittien mukaan. Luokkien sisällä ilmoitetaan kemialliselta rakenteeltaan samankaltaisten aineiden kuuluminen luonnollisiin lähteisiin. Biologista aktiivisuutta pidetään useammin yhdisteen ominaisuutena, ei luokitteluominaisuutena [17] .
Orgaaniset aineet luokitellaan tiettyihin luokkiin hiilirungon tyyppien ja funktionaalisten ryhmien mukaan. Tällaista luokitusta voidaan soveltaa yksinkertaisimpiin luonnonyhdisteisiin, kuten hiilivedyt, rasvahapot, bifunktionaaliset yhdisteet - ketohapot, hydroksihapot jne., kun taas useimmat luonnonaineet kuuluvat samanaikaisesti useisiin luokkiin. Polyfunktionaalisten yhdisteiden osalta ne voivat viitata tiettyyn luokkaan, jos on tarpeen korostaa niiden ominaistoimintoja kehossa. Esimerkiksi ryhmä aineita kuuluu aminohappojen luokkaan huolimatta siitä, että monissa niistä on enemmän kuin kaksi funktionaalista ryhmää ja merkittäviä eroja hiilirungon rakenteessa [18] .
Kemiallinen luokitus voi osoittautua muodolliseksi, jos otamme huomioon molekyylin rakenteen lisäksi myös aineenvaihduntareitit, jotka johtavat tämän rakenteen omaavien yhdisteiden synteesiin. Esimerkkinä on suuri luonnonyhdisteiden luokka, jota kutsutaan isoprenoidiksi . Valtaosan tämän luokan aineiden biosynteesin esiasteita ovat hiilirungolla varustetut monityydyttymättömät alkoholit, joita voidaan pitää isopreenin hiilivetyjen oligomeroinnin tuotteena . Näiden alkoholien biogeneettinen esiaste ei kuitenkaan ole isopreeni, vaan muut yhdisteet - yleensä etikkahappo , harvemmin fosfoglyseraldehydi ja palorypälehappo [19] .
Biokemia luokittelee aineet niiden suhteen mukaan aineenvaihduntaan - primaarisiin ja sekundaarisiin aineenvaihduntatuotteisiin, sekundaarisiksi, vuorostaan niiden biosynteesin päätapojen mukaan. Sama aineenvaihduntareitti voi lopulta johtaa yhdisteisiin, joilla on erilaiset rakenteet. Esimerkiksi sekä alifaattisten että aromaattisten metaboliittien synteesin alkuvaihe voi olla asetyylikoentsyymi A :n moninkertainen asetylaatio, jolloin muodostuu polyketidejä , aineita, joissa on vuorotellen metyleeni- ja ketoniryhmiä. Tätä biosynteesin reittiä kutsutaan asetaatiksi ja aineenvaihdunnan lopputuotteita asetogeniineiksi . Bentseenirengas voidaan syntetisoida toisella tavalla, jonka tärkein välituoteaineenvaihduntatuote on shikimiinihappo . Shikimaattireitti muodostaa bentseenirenkaan, johon on kiinnittynyt suora kolmihiiliketju, tällaisia yhdisteitä kutsutaan fenyylipropanoideiksi [20] .
Mutta on tapauksia, joissa samojen metaboliittien biosynteesi etenee eri tavoin eri organismeissa. Isoprenoidien yksinkertaisimman esiasteen - isopentenyylipyrofosfaatin - synteesi kulkee mevalonihapon kautta ( mevalonaattipolku ), tämä polku vallitsee villieläimissä, mutta on toinenkin - ei- mevalonaatti eli metyylierytritolipolku 2-metyylierytritolifosfaatin kautta. Myös aineenvaihdunnan lopputuote voidaan syntetisoida kahden tai useamman väliaineenvaihduntatuotteen vuorovaikutuksella, joista jokainen muodostuu omaa biosynteesireittiään pitkin. Jos tällainen kahden reitin risteäminen tapahtuu välimetaboliitissa, sekundaarisen aineenvaihdunnan lopputuotteita kutsutaan sekabiosynteesireitin aineiksi [18] .
Aineet tai aineluokat, joilla on itsenäinen merkitys sekundäärisinä aineenvaihduntatuotteina, voivat muuttua edelleen ja toimia samanaikaisesti välimetaboliitteina muissa elävien organismien lajeissa tai samassa lajissa. Yksittäisten hiiliatomien hapettuminen, halogenointi, johdannaisten muodostuminen funktionaalisten ryhmien mukaan, sarja hiilirungon uudelleenjärjestelyjä, jotka joskus johtavat merkittävään rakenteen muutokseen, syklisaatiota, aromatisaatiota ja päinvastoin - renkaan avautumista voi tapahtua. Tässä tapauksessa yhdestä sellaisesta aineesta tai rakenneluokasta muodostuu sarja uusia aineita tai alaluokkia, joita kutsutaan kaskadeiksi eli väliedeljän biogeneettisiksi puiksi . Esimerkiksi aineet, jotka kemiallisen rakenteensa tai luonnollisten lähteidensä mukaan kuuluvat lipoksiinien , leukotrieenien ja prostaglandiinien luokkiin , muodostavat arakidonihappokaskadin [21] , koska ne syntetisoidaan tämän metaboliitin lisämodifikaatiolla. Terpenoidien, alkaloidien ja antibioottien joukossa tunnetaan lukuisia biogeneettisiä puita tai sarjoja. Yksi esimerkki on humulaanin seskviterpeenihiilirunko , joka muodostaa biogeneettisen puun, joka sisältää sellaiset alaluokat kuin sylfinaanit , pterosiinit , bulleraanit , marasmaanit , laktaraanit ja muut [22 ] .
Luonnolliset aineet luokitellaan ehdollisesti biologisesti tärkeiksi ja biologisesti aktiivisiksi , näiden käsitteiden välillä ei ole selvää rajaa [23] .
Biologisesti tärkeiksi kutsutaan aineita, joiden fysiologinen rooli on selkeästi ilmaistu ja hyvin tutkittu, esimerkiksi glyseridit, jotka ovat osa solukalvoja , vahamaisia aineita, jotka suojaavat kasveja kuivumiselta. Tällaiset yhdisteet ovat yleensä biologisesti inerttejä, eli kun niitä viedään elimistöön suhteellisen suurina annoksina, ne eivät aiheuta spesifistä vastetta [24] .
Biologisesti aktiiviset aineet voivat jo hyvin pieninä määrinä aiheuttaa fysiologisen tai patologisen reaktion, niitä ovat esimerkiksi hormonit , esimerkiksi kasvien kasvua stimuloivat ja estäjät, antibiootit , toksiinit , fytoaleksiinit - kasvien mekaanisten vaurioiden tai vasteena infektiolle erittämät aineet, antifidantit - kasvien ja eläinten suojeleminen syömiseltä, mutageeneilta ja karsinogeeneiltä [25] .
Tällä perusteella jaettuihin luokkiin kuuluvat aineet, joilla on vähän yhteistä kemiallisen rakenteen suhteen, ja päinvastoin samankaltaisilla aineilla voi olla erilaisia biologisia aktiivisuuksia. Mutta on tapauksia, joissa aineilla, joilla on samanlainen fysiologinen vaikutus, on myös melko tyypillisiä samanlaisia kemiallisen rakenteen ominaisuuksia. Esimerkiksi seksuaaliset houkuttimet ja muut hyönteisferomonit ovat useimmiten lineaarisia tai heikosti haarautuneita hiilivetyjä, tyydyttyneitä tai tyydyttymättömiä, ja tällaisten hiilivetyjen monofunktionaalisia johdannaisia - alkoholeja, karboksyylihappoja, estereitä, ketoneja, aldehydejä [17] .
Tätä luokitusmenetelmää käytetään suhteellisen harvoin, koska samat aineet löytyvät erilaisista biologisista esineistä. Niissä tapauksissa, joissa sitä voidaan käyttää, yhdisteet luokitellaan ensisijaisesti eläinperäisiksi, kasviperäisiksi tuotteiksi ja eristetään mikro-organismeista, usein meren eliöiden sekundaariset metaboliitit erotetaan omaan ryhmään. Jako näiden suurimpien ryhmien sisällä tapahtuu organismien taksonomisen kuuluvuuden mukaan. On olemassa aineryhmiä, jotka ovat ominaisia tietyille biologisille suvuille ja lajeille, esimerkiksi torajyväalkaloidit , unikko [* 3] ja muut [17] .