Кіріспе

Табиғи өнім – тірі организмдерде пайда болатын, яғни табиғатта кездесетін химиялық қосылыс немесе зат.

Табиғи өнім – тірі организмнің өндіретін табиғи қосылыс немесе зат, яғни табиғатта кездесетін нәрсе. Ең кең мағынасында, табиғи өнімдерге тіршілікте пайда болған кез келген зат жатады. Табиғи өнімдерді химиялық синтез (жартылай синтез де, толық синтез де) арқылы дайындауға болады және олар органикалық химия саласының дамуында маңызды рөл атқарды, өйткені күрделі синтез мақсаттарын қоятындығымен ерекшеленеді. «Табиғи өнім» термині коммерциялық мақсаттар үшін де қолданылады, ол қолдан жасалған ингредиенттер қосылмаған табиғи көздерден алынған косметикалық өнімдерді, диеталық қосымшаларды және тағамдарды білдіреді. Органикалық химия саласында табиғи өнімдердің анықтамасы көбінесе екіншілік метаболизм жолдары арқылы өндірілетін және табиғи көздерден бөліп алынған органикалық қосылыстармен шектеледі. Дәрілік химия саласында бұл анықтама көбінесе екіншілік метаболиттермен ғана шектеледі. Екіншілік метаболиттер (немесе мамандандырылған метаболиттер) тіршілік үшін қажет емес, бірақ оларды өндіретін организмдерге эволюциялық артықшылық береді. Көптеген екіншілік метаболиттер цитотоксикалық болып табылады және эволюция барысында олжа, жыртқыштар және бәсекелес организмдерге қарсы «химиялық қару» ретінде қолдану үшін таңдалып, оңтайландырылған. Екіншілік немесе мамандандырылған метаболиттер көбінесе түрге тән, ал негізгі метаболиттер әртүрлі организмдерде кеңінен таралған. Екіншілік метаболиттер химиялық құрамының күрделілігімен ерекшеленеді, сондықтан химияшылар үшін үлкен қызығушылық тудырады. Табиғи көздер потенциалды биоактивті компоненттерді зерттеуге және жаңа дәрілерді ашуда бастапқы қосылыстар ретінде коммерциялық дамытуға мүмкіндік береді. Табиғи өнімдер көптеген дәрілерге ұқсас болғанымен, 21-ші ғасырда фармацевтикалық компаниялар табиғи көздерден дәрі-дәрмектерді әзірлеуге бұрынғыдан аз көңіл бөлді, себебі олардың қолжетімділігі мен жабдықталуы сенімсіз, зияткерлік меншік құқығы, құны, пайда мәселелері, құрамының маусымдық немесе қоршаған ортаға байланысты өзгеруі және түрлердің жойылу қаупінің артуына байланысты көздердің жоғалуы мүмкін. Бұған биотикалық материалдар (мысалы, ағаш, жібек), био негізді материалдар (мысалы, биопластик, жүгері ұны), дене сұйықтықтары (мысалы, сүт, өсімдік шырыны) және басқа да табиғи материалдар (мысалы, топырақ, көмір) да жатады. Табиғи өнімдер биологиялық функциясына, биосинтез жолына немесе көзіне қарай жіктелуі мүмкін. Көздерге байланысты белгілі табиғи өнімдердің молекулаларының саны 300 000 мен 400 000 аралығында.

Функция

Альбрехт Коссельдің 1891 жылғы бастапқы ұсынысына сәйкес, табиғи өнімдер көбінесе екі негізгі классқа бөлінеді: біріншілік және екіншілік метаболиттер. Біріншілік метаболиттер оларды өндіретін организмнің тірі қалуы үшін қажетті ішкі функцияларды атқарады. Екіншілік метаболиттер, керісінше, негізінен басқа организмдерге әсер ететін сыртқы функцияларды атқарады. Екіншілік метаболиттер тірі қалу үшін міндетті емес, бірақ организмнің өмірлік ортадағы бәсекеге қабілетін арттырады. Биохимиялық және сигналдық жолдарды реттеу қабілетіне байланысты, кейбір екіншілік метаболиттер пайдалы емдік қасиеттерге ие. Табиғи өнімдер, әсіресе органикалық химия саласында, көбінесе біріншілік және екіншілік метаболиттер ретінде анықталады. Дәрілік химия және фармакогнозия салаларында табиғи өнімдерді екіншілік метаболиттермен шектейтін, құрылымдық жағынан шектеулі анықтама жиі қолданылады. Энергия өндіруге қатысатын біріншілік метаболиттерге тыныс алу және фотосинтез ферменттері жатады. Ферменттер өз кезегінде аминқышқылдарынан және көбінесе фермент функциясы үшін қажетті пептидтік емес кофакторлардан тұрады. Жасұшалар мен организмдердің негізгі құрылымы да біріншілік метаболиттерден құралған. Оларға жасуша мембраналары (мысалы, фосфолипидтер), жасуша қабырғалары (мысалы, пептидогликан, хитин) және цитоскелет (белоктар) кіреді. Біріншілік метаболиттердің ферменттік кофакторларына В витаминдері тобы жатады. В1 витамині, тиамин дифосфаты түрінде, көмірсулар метаболизміне қатысатын пируват дегидрогеназасы, 2-оксоглутарат дегидрогеназасы және транскетолазаның коферменті болып табылады. В2 витамині (рибофлавин) көптеген тотығу-тотықсыздану реакциялары үшін қажетті FMN және FAD құрамына кіреді. В3 витамині (никотин қышқылы немесе ниацин), триптофаннан синтезделеді, ол NAD және NADP коферменттерінің құрамдас бөлігі болып табылады, олар өз кезегінде Кребс циклында электрондық тасымалдау, тотықтырғыш фосфорилирлеу, сондай-ақ көптеген басқа тотығу-тотықсыздану реакциялары үшін қажет. В5 витамині (пантотен қышқылы) А коферментінің құрамдас бөлігі болып табылады, ол көмірсулар мен аминқышқылдарының метаболизмі, сондай-ақ май қышқылдары мен поликетидтердің биосинтезі үшін негізгі компонент. В6 витамині (пиридоксоль, пиридоксал және пиридоксамин), пиридоксал 5'-фосфат түрінде, көптеген ферменттердің кофакторы болып табылады, әсіресе аминқышқылдары метаболизміне қатысатын трансаминазалар. В12 витамині (кобаламиндер) порфиринге ұқсас құрылымға ие корин сақинасын қамтиды және ол май қышқылдарының катаболизмі, сондай-ақ метиониннің биосинтезі үшін маңызды кофермент болып табылады.

Көмірсулар

Көмірсулар – көптеген тіршілік нысандары үшін маңызды энергия көзі болып табылады. Сонымен қатар, қарапайым көмірсулардан түзілген полисахаридтер бактериялар мен өсімдіктердің жасуша қабырғалары сияқты көптеген организмдердің маңызды құрылымдық компоненттері болып табылады. Көмірсулар өсімдіктердің фотосинтезі және жануарлардың глюконеогенезінің нәтижесінде пайда болады. Фотосинтез алғашқыда үш көміртек атомын қамтитын қант – триозаны (3-фосфоглицеральдегид) өндіреді. Осы және ұқсас жолдармен, қазіргі заманғы дәрі-дәрмектерді табиғи көздерден тікелей жасауға болады. Дәстүрлі медицина және басқа да биологиялық материалдар жаңа қосылыстардың керемет көзі саналғанымен, осы қосылыстарды бөліп алу және тазалау процесі баяу, қымбат және тиімсіз болуы мүмкін. Сондықтан, көп көлемде өндіру үшін жаңа қосылысты толық синтез немесе жартылай синтез арқылы жасауға талпыныс жасалуы мүмкін. Бірақ табиғи өнімдер әдетте күрделі химиялық құрылымы бар екіншілік метаболиттер болғандықтан, олардың толық/жартылай синтезі әрқашан коммерциялық тұрғыдан тиімді болып келе бермейді. Мұндай жағдайларда, ұқсас тиімділікке және қауіпсіздікке ие, толық/жартылай синтезге ыңғайлы қарапайым аналогтарды жасауға күш салуға болады.

Бактериялар

Барлық табиғи өнімдер табиғи көзден алынған басқа қосылыстармен қоспалар түрінде басталады, көбінесе өте күрделі қоспалар, одан қызығушылық тудыратын өнімді оқшаулап тазарту қажет. Табиғи өнімді оқшаулау, контекстке байланысты, химиялық құрылымын анықтау, туындылау/деградациялау химиясы, биологиялық сынақтар және басқа да зерттеу қажеттіліктері үшін жеткілікті мөлшерде таза химиялық затты бөліп алу (әдетте миллиграммнан грамға дейін, бірақ тарихи тұрғыдан, көбінесе одан да көп) немесе қызығушылық тудыратын заттың "талдауға қажетті мөлшерін" оқшаулауды білдіреді, мұнда назар затты сәйкестендіруге және оның мөлшерін анықтауға аударылады (мысалы, биологиялық тіндерде немесе сұйықтықта), ал оқшауланған мөлшер қолданылатын талдау әдісіне байланысты (бірақ әдетте микрограммнан кем болады). Белсенді затты оқшаулау мен тазартудың жеңілдігі табиғи өнімнің құрылымына, тұрақтылығына және мөлшеріне байланысты. Осы екі түрлі мөлшерде өнім алуға қолданылатын оқшаулау әдістері де әртүрлі, бірақ әдетте экстракция, тұндыру, адсорбция, хроматография және кейде кристалдану кіреді. Екі жағдайда да оқшауланған зат химиялық біртектілікке дейін тазартылады, яғни, арнайы біріктірілген бөлу және LC-MS әдістері сияқты талдау әдістері "ортогоналды" болу үшін таңдалады – олардың бөлінуі зат пен оқшаулау матрицасы арасындағы өзара әрекеттесудің әртүрлі механизмдеріне негізделеді, мақсаты таза үлгіде тек бір ғана түрдің қайталап анықталуын қамтамасыз ету. Ерте оқшаулаудан кейін құрылымын анықтау әдетте жүргізіледі, әсіресе егер тазартылған табиғи өніммен маңызды фармакологиялық белсенділік байланысты болса. Құрылымын анықтау – оқшауланған, таза табиғи өнімнің химиялық құрылымын анықтау үшін қолданылатын әдістер, бұл процесс табиғи өнімдерді зерттеу тарихында айтарлықтай өзгерген химиялық және физикалық әдістердің жиынтығын қамтиды; алғашқы күндері назар белгісіз заттарды белгілі заттарға химиялық түрлендіруге, балқу және қайнау нүктелері сияқты физикалық қасиеттерді өлшеуге және молекулалық салмақты анықтаудың осыған байланысты әдістеріне аударылды. Қазіргі заманда әдістер массалық спектрометрия және ядролық магниттік резонанс әдістеріне, көбінесе көп өлшемді, және мүмкін болған жағдайда кішкентай молекулалық кристаллографияға бағытталған. Мысалы, 1945 жылы Дороти Кроуфут Ходжкин пенициллиннің химиялық құрылымын анықтады, бұл еңбегі үшін ол кейін химия саласындағы Нобель сыйлығын алды (1964).

Синтез

Көптеген табиғи өнімдердің құрылымы өте күрделі. Табиғи өнімнің күрделілігі оның молекулалық массасын, құрылымдық бөліктердің (функционалдық топтар, сақиналар т.б.) бір-біріне қатысты орналасуын, осы функционалдық топтардың саны мен тығыздығын, осы топтардың және молекуланың тұтастай тұрақтылығын, стереохимиялық элементтердің саны мен түрін, молекуланың және оның аралық өнімдерінің физикалық қасиеттерін (олардың өңдеу мен тазарту оңайлығына әсер ететінін) қарастырудан тұрады. Бұлардың барлығы құрылымның жаңалығы және бұрынғы синтетикалық әрекеттердің сәттілігі аясында қарастырылады (толық ақпарат үшін төменде қараңыз). Кейбір табиғи өнімдер, әсіресе аз күрделілері, оңай және тиімді түрде толық химиялық синтез арқылы қолжетімді, қарапайым химиялық заттардан дайындалады. Бұл процесс жалпы синтез деп аталады (әсіресе, егер процесс биологиялық факторларға байланысты қадамдарды қамтымаса). Барлық табиғи өнімдер толық синтезге жарамды емес, немесе тиімді емес. Әсіресе, ең күрделілері олай болмайды. Көптеген өнімдерге қолжетімді жолдар бар, бірақ қажетті жолдар кез келген практикалық немесе өнеркәсіптік масштабта синтез жүргізу үшін тым қымбат. Дегенмен, барлық табиғи өнімдерді одан әрі зерттеу үшін оқшаулау және тазарту қажет. Егер оқшаулау мақсаттағы қолдану үшін (мысалы, ауруды басатын дәрі ретінде) табиғи өнімнің жеткілікті мөлшерін қамтамасыз етсе, бұл жеткілікті болуы мүмкін. Пенициллин, морфин және паклитаксел сияқты дәрілерді қажетті коммерциялық көлемде тек оқшаулау арқылы алуға болады (көп мөлшерде синтетикалық химияның қатысуынсыз). Бірақ, кейбір жағдайларда қажетті заттарды синтетикалық химиялық манипуляцияларсыз алу мүмкін емес.

Жартылай синтез

Табиғи өнімді оның көзінен бөліп алу процесі уақыт және материалдық шығындар тұрғысынан қымбатқа түсуі мүмкін, сондай-ақ ол сеніп тұрған табиғи ресурстың қолжетімділігіне кедеріл келтіруі (немесе ресурсқа экологиялық зиян келтіруі) мүмкін. Мысалы, бір ғана терапия дозасы үшін жеткілікті паклитакселді алу үшін бүкіл ыроқ (Taxus brevifolia) ағашының қабығын жинау қажет екені анықталды. Сонымен қатар, құрылым-белсенділік талдауы (SAR) үшін тек қана жинау арқылы (егер бірнеше құрылымдық аналогтар болса) алынатын құрылымдық аналогтардың саны организмдегі биологиялық процестермен шектеледі, демек, тәжірибешінің бақылауынан тыс. Егер соңғы мақсатты табу қиын болса немесе SAR шектеулі болса, кейде орта немесе соңғы сатыдағы биосинтездік прекурсор немесе соңғы мақсатты дайындауға болатын аналогты алуға болады. Бұл жартылай синтез немесе ішінара синтез деп аталады. Бұл тәсілмен биосинтездік аралық өнім жиналып, содан кейін химиялық синтездің дәстүрлі әдістерімен соңғы өнімге айналдырылады. Бұл стратегияның екі артықшылығы бар. Біріншіден, аралық өнімді соңғы қажетті өнімге қарағанда оңай және жоғары өнімділікпен алуға болады. Мысалы, паклитакселді T. brevifolia инелерінен 10-деацетилбаккатин III-ні бөліп алып, содан кейін төрт қадамдық синтез жүргізу арқылы өндіруге болады. Екіншіден, жартылай синтездік бастапқы материал мен соңғы өнім арасындағы жол соңғы өнімнің аналогтарын синтездеуге мүмкіндік береді. Жаңа буын жартылай синтездік пенициллиндер осы тәсілдің тиімділігін көрсетеді.

Жалпы синтез

Жалпы алғанда, табиғи өнімдердің толық синтезі – коммерциялық емес зерттеу қызметі болып табылады, оның мақсаты белгілі бір табиғи өнімдердің құрылымдарын синтездеуді тереңірек түсіну және жаңа синтетикалық әдістерді дамыту. Соған қарамастан, бұл коммерциялық және қоғамдық тұрғыдан өте маңызды. Мысалы, күрделі синтетикалық міндеттерді қою арқылы, ол органикалық химия саласының дамуында орталық рөл атқарды. ХХ ғасырда талдау химиясы әдістерінің дамуына дейін табиғи өнімдердің құрылымы толық синтез арқылы расталды (осылайша "синтез арқылы құрылымның дәлелденуі"). Табиғи өнімдерді синтездеудің алғашқы күш-жігері, жасуша метаболизміндегі маңызды кофактор – кобаламин (В12 витамині) сияқты күрделі заттарға бағытталды.

Ғылыми-зерттеу және оқыту

Табиғи өнімдерге қатысты зерттеу және оқыту қызметі органикалық химия, дәрілік химия, фармакогнозия, этноботаника, дәстүрлі медицина және этнофармакология сияқты әртүрлі академиялық салалардың құрамына кіреді. Сондай-ақ, химиялық биология, химиялық экология, химиогеномика, жүйелік биология, молекулалық модельдеу, химиометрия және химиоинформатика сияқты басқа да биологиялық салаларды қамтиды.

Химия

Табиғи өнімдер химиясы – химияның дамуы мен тарихында маңызды рөл атқарған химиялық зерттеулердің ерекше саласы. Табиғи өнімдерді оқшаулау және анықтау, ерте сатыдағы клиникаға дейінгі препараттарды іздестіру үшін заттардың көзін табуға, дәстүрлі медицина мен этнофармакологияны түсінуге және фармакологиялық тұрғыдан пайдалы химиялық кеңістіктерді анықтауға маңызды болды. Осы мақсатқа жету үшін, химиялық бөліністерге қатысты технологияның эволюциясы сияқты көптеген технологиялық жетістіктерге қол жеткізілді, сондай-ақ химиялық құрылымды анықтаудың қазіргі заманғы әдістері, мысалы, ЯМР (NMR) әзірленді. Табиғи өнімдердің биосинтезін түсінуге жасалған алғашқы тыраштандырулар химиктердің алғашқыда радиоизотоптарды, ал кейінірек тұрақты изотоптарды ЯМР эксперименттерімен біріктіріп қолданғанын көрсетті. Бұдан өзге, табиғи өнімдер органикалық синтез арқылы дайындалады, бұл олардың құрылымын растауға немесе қызығушылық тудыратын табиғи өнімдердің үлкен көлемін алуға мүмкіндік береді. Осы процесте кейбір табиғи өнімдердің құрылымы қайта қарастырылды, ал табиғи өнімдерді синтездеудің қиындығы жаңа синтетикалық әдістемелер, стратегиялар және тактикалардың дамуына әкелді. Осы тұрғыда, табиғи өнімдер жаңа синтетикалық органикалық химиктерді оқытуда орталық рөл атқарады және ескі химиялық реакциялардың жаңа нұсқаларын (мысалы, Эванс альдоль реакциясы) және мүлдем жаңа химиялық реакцияларды (мысалы, Вудворд цис-гидроксилдеуі, Шарплес эпоксидациясы және Сузуки-Мияура кросс-байланыс реакциялары) ашуға басты серпін береді.

Органикалық және табиғи өнімдер химиясының негіздері

Табиғи өнімдер туралы түсінік органикалық химияның негіздері қаланған 19 ғасырдың басына дейін жетеді. Ол кезде органикалық химия өсімдіктер мен жануарлардың құрамындағы заттардың химиясы ретінде қарастырылды. Бұл химияның салыстырмалы түрде күрделі саласы болды және 1789 жылы француз ғалымы Антуан Лавуазье "Химияның элементарлық трактаты" еңбегінде белгілеген қағидаларға негізделген бейорганикалық химиядан күрт өзгеше болды.

Оқшаулау

Лавуазье 18-ші ғасырдың соңында органикалық заттардың шектеулі элементтерден тұратынын көрсетті: негізінен көміртек пен сутек, және оттегі мен азотпен толықтырылған. Ол осы заттарды бөліп алуға тез назар аударды, көбінесе олардың қызықты фармакологиялық әсері болғандықтан. Өсімдіктер мұндай қосылыстардың, әсіресе алкалоидтар мен гликозидтердің басты көзі болды. Опиум, яғни опиум мақыннан (Papaver somniferum) алынған алкалоидтардың (кодеин, морфин, носкапин, тебаин және папаверин сияқты) жабысқақ қоспасының есірткілік және сананы өзгертетін қасиеттері ұзақ жылдар бойы белгілі болды. 1805 жылға қарай неміс химигі Фридрих Сертурнер морфинді бөліп алған еді, ал 1870 жылдары морфинді сірке қышқылы ангидридімен қайнату қатты ауырсықты басатын зат – героинді шығаратыны анықталды. 1815 жылы Евгений Шевроль стероидтар класына жататын жануар тінінен холестерин, кристалдық затты бөліп алды, ал 1819 жылы алкалоид – стрихнин бөлінді.

Синтез

Екінші маңызды қадам – органикалық қосылыстарды синтездеу болды. Органикалық емес заттардың синтезі бұрыннан белгілі болғанмен, органикалық заттардың синтезі қиын міндет еді. 1827 жылы швед химигі Йенс Якоб Берзелиус органикалық қосылыстарды синтездеу үшін «өмірлік күш» немесе «тіршілік күші» деп аталатын табиғаттың қажет күші бар деп санды. Бұл философиялық идея – витализм, 19 ғасырдың соңына дейін, тіпті атомдық теория енгізілгеннен кейін де көптеген жақтастары болды. Витализм идеясы әсіресе медицинадағы сенімдермен үйлеседі; дәстүрлі емдеу тәсілдері аурудың себебі – тіршілік пен тіршіліксіздікті ажырататын тіршілік энергияларының тепе-теңдігінің бұзылуы деп есептеді. 1828 жылы неміс химигі Фридрих Вёлер зәрде табиғи түрде кездесетін мочевинаны, сынаптан жасалған аммоний цианатты қыздыру арқылы синтездеуге қол жеткізді:

Бұл реакция органикалық заттарды жасау үшін тіршілік күшінің қажеті жоқ екенін көрсетті. Алайда, бұл идея бастапқыда күдікпен қабылданды, және 20 жыл өткен соң ғана Адольф Вильгельм Герман Колбе көміртектен сірке қышқылын синтездегеннен кейін қабылданды. Органикалық химия содан бері көміртекті қосылыстарды зерттеуге арналған тәуелсіз ғылым саласына айналды, себебі ортақ элемент табиғаттан алынған әртүрлі заттарда табылды. Органикалық материалдарды сипаттауда маңызды фактор – олардың физикалық қасиеттері (мысалы, балқу температурасы, қайнау температурасы, ерігіштігі, кристалдық құрылымы немесе түсі) болды.

Құрылымдық теориялар

Үшінші қадам – органикалық заттардың құрылымын анықтау болды: таза органикалық заттардың элементтік құрамын (табиғи немесе синтетикалық шығу тегіне қарамастан) жеткілікті дәл анықтауға болатын, бірақ молекулалық құрылым әлі де проблема болып қала берді. Құрылымдық түсіндіруге ұмтылыс Фридрих Вёлер мен Юстус фон Либиг арасындағы пікір келіспеушіліктен туындады, олар екеуі де бірдей құрамдағы күміс тұздарын зерттеді, бірақ олардың қасиеттері әртүрлі болды. Вёлер зиянсыз күміс цианатын, ал фон Либиг жарылғыш қасиеттері бар күміс фульминатын зерттеді. Элементтік талдау көрсеткендей, екі тұздың да құрамында күміс, көміртек, оттегі және азоттың мөлшері бірдей болды. Сол кездегі басым идеяларға сәйкес, екі заттың да қасиеттері бірдей болуы керек еді, бірақ бұл олай болмады. Бұл көрінетін қайшылық кейіннен Берзелиустің изомерлер теориясымен шешілді, онда элементтердің саны мен түрі ғана емес, сонымен қатар қосылыстағы атомдардың орны да қасиеттер мен химиялық реакцияға қабілеттілікке әсер етеді. Бұл Жан Батист Дюманың радикалдық теориясы және Огюст Лоранның алмастыру теориясы сияқты құрылымдық теориялардың дамуына тікелей себеп болды. Дегенмен, 1858 жылға дейін Август Кекуле нақты құрылымдық теорияны қалыптастыра алмады. Ол көміртек төртвалентті және табиғи өнімдерде кездесетіндей көміртек тізбектерін құру үшін өзімен байланыса алады деп тұжырымдады.

Тұжырымдаманың кеңейтілуі

Табиғи өнімдер концепциясы, бастапқыда өсімдіктерден бөліп алуға болатын органикалық қосылыстарға негізделген, 19 ғасырдың ортасында неміс ғалымы Юстус фон Либих жануарлар материалымен толықтырылды. 1884 жылы Герман Эмиль Фишер көмірсулар мен пуриндерді зерттеуге көшті, осы еңбегі үшін 1902 жылы Нобель сыйлығымен марапатталды. Ол сондай-ақ глюкоза және манноза сияқты әртүрлі көмірсуларды лабораторияда синтетикалық түрде жасауға қол жеткізді. 1928 жылы Александр Флеминг пенициллинді ашқаннан кейін, саңырауқұлақтар және басқа да микроорганизмдер табиғи өнімдердің көздері қатарына енді.