Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Табиғи өнім – тірі организмдерде пайда болатын, яғни табиғатта кездесетін химиялық қосылыс немесе зат.
Chemical compound or substance produced by a living organism, found in nature
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.
A natural product is a natural compound or substance produced by a living organism—that is, found in nature. In the broadest sense, natural products include any substance produced by life. Natural products can also be prepared by chemical synthesis (both semisynthesis and total synthesis) and have played a central role in the development of the field of organic chemistry by providing challenging synthetic targets. The term natural product has also been extended for commercial purposes to refer to cosmetics, dietary supplements, and foods produced from natural sources without added artificial ingredients. Within the field of organic chemistry, the definition of natural products is usually restricted to organic compounds isolated from natural sources that are produced by the pathways of secondary metabolism. Within the field of medicinal chemistry, the definition is often further restricted to secondary metabolites. Secondary metabolites (or specialized metabolites) are not essential for survival, but nevertheless provide organisms that produce them an evolutionary advantage. Many secondary metabolites are cytotoxic and have been selected and optimized through evolution for use as "chemical warfare" agents against prey, predators, and competing organisms. Secondary or specialized metabolites are often unique to species, which is contrasted to primary metabolites which have broad use across kingdoms. Secondary metabolites are marked by chemical complexity which is why they are of such interest to chemists. Natural sources may lead to basic research on potential bioactive components for commercial development as lead compounds in drug discovery. Although natural products have inspired numerous drugs, drug development from natural sources has received declining attention in the 21st century by pharmaceutical companies, partly due to unreliable access and supply, intellectual property, cost, and profit concerns, seasonal or environmental variability of composition, and loss of sources due to rising extinction rates. and includes the likes of biotic materials (e. g. wood, silk), bio based materials (e. g. bioplastics, cornstarch), bodily fluids (e. g. milk, plant exudates), and other natural materials (e. g. soil, coal). Natural products may be classified according to their biological function, biosynthetic pathway, or source. Depending on the sources, the number of known natural product molecules ranges between 300,000 and 400,000.
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.
Following Albrecht Kossel's original proposal in 1891, natural products are often divided into two major classes, the primary and secondary metabolites. Primary metabolites have an intrinsic function that is essential to the survival of the organism that produces them. Secondary metabolites in contrast have an extrinsic function that mainly affects other organisms. Secondary metabolites are not essential to survival but do increase the competitiveness of the organism within its environment. Because of their ability to modulate biochemical and signal transduction pathways, some secondary metabolites have useful medicinal properties. Natural products especially within the field of organic chemistry are often defined as primary and secondary metabolites. A more restrictive definition limiting natural products to secondary metabolites is commonly used within the fields of medicinal chemistry and pharmacognosy. Primary metabolites that are involved with energy production include respiratory and photosynthetic enzymes. Enzymes in turn are composed of amino acids and often non peptidic cofactors that are essential for enzyme function. The basic structure of cells and of organisms are also composed of primary metabolites. These include cell membranes (e. g. phospholipids), cell walls (e. g. peptidoglycan, chitin), and cytoskeletons (proteins). Primary metabolite enzymatic cofactors include members of the vitamin B family. Vitamin B1 as thiamine diphosphate is a coenzyme for pyruvate dehydrogenase, 2 oxoglutarate dehydrogenase, and transketolase which are all involved in carbohydrate metabolism. Vitamin B2 (riboflavin) is a constituent of FMN and FAD which are necessary for many redox reactions. Vitamin B3 (nicotinic acid or niacin), synthesized from tryptophan is a component of the coenzymes NAD and NADP which in turn are required for electron transport in the Krebs cycle, oxidative phosphorylation, as well as many other redox reactions. Vitamin B5 (pantothenic acid) is a constituent of coenzyme A, a basic component of carbohydrate and amino acid metabolism as well as the biosynthesis of fatty acids and polyketides. Vitamin B6 (pyridoxol, pyridoxal, and pyridoxamine) as pyridoxal 5′ phosphate is a cofactor for many enzymes especially transaminases involve in amino acid metabolism. Vitamin B12 (cobalamins) contain a corrin ring similar in structure to porphyrin and is an essential coenzyme for the catabolism of fatty acids as well for the biosynthesis of methionine.
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.
Carbohydrates are an essential energy source for most life forms. In addition, polysaccharides formed from simpler carbohydrates are important structural components of many organisms such the cell walls of bacteria and plants. Carbohydrate are the products of plant photosynthesis and animal gluconeogenesis. Photosynthesis produces initially 3 phosphoglyceraldehyde, a three carbon atom containing sugar (a triose). In this and related ways, modern medicines can be developed directly from natural sources. Although traditional medicines and other biological material are considered an excellent source of novel compounds, the extraction and isolation of these compounds can be a slow, expensive and inefficient process. For large scale manufacture therefore, attempts may be made to produce the new compound by total synthesis or semisynthesis. Because natural products are generally secondary metabolites with complex chemical structures, their total/semisynthesis is not always commercially viable. In these cases, efforts can be made to design simpler analogues with comparable potency and safety that are amenable to total/semisynthesis.
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).
All natural products begin as mixtures with other compounds from the natural source, often very complex mixtures, from which the product of interest must be isolated and purified. The isolation of a natural product refers, depending on context, either to the isolation of sufficient quantities of pure chemical matter for chemical structure elucidation, derivitzation/degradation chemistry, biological testing, and other research needs (generally milligrams to grams, but historically, often more), or to the isolation of "analytical quantities" of the substance of interest, where the focus is on identification and quantitation of the substance (e. g. in biological tissue or fluid), and where the quantity isolated depends on the analytical method applied (but is generally always sub microgram in scale). The ease with which the active agent can be isolated and purified depends on the structure, stability, and quantity of the natural product. The methods of isolation applied toward achieving these two distinct scales of product are likewise distinct, but generally involve extraction, precipitation, adsorptions, chromatography, and sometimes crystallizations. In both cases, the isolated substance is purified to chemical homogeneity, i. e. specific combined separation and analytical methods such as LC MS methods are chosen to be "orthogonal"—achieving their separations based on distinct modes of interaction between substance and isolating matrix—with the goal being repeated detection of only a single species present in the putative pure sample. Early isolation is almost inevitably followed by structure determination, especially if an important pharmacologic activity is associated with the purified natural product. Structure determination refers to methods applied to determine the chemical structure of an isolated, pure natural product, a process that involves an array of chemical and physical methods that have changed markedly over the history of natural products research; in earliest days, these focused on chemical transformation of unknown substances into known substances, and measurement of physical properties such as melting point and boiling point, and related methods for determining molecular weight. In the modern era, methods focus on mass spectrometry and nuclear magnetic resonance methods, often multidimensional, and, when feasible, small molecule crystallography. For instance, the chemical structure of penicillin was determined by Dorothy Crowfoot Hodgkin in 1945, work for which she later received a Nobel Prize in Chemistry (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.
Many natural products have very complex structures. The perceived complexity of a natural product is a qualitative matter, consisting of consideration of its molecular mass, the particular arrangements of substructures (functional groups, rings etc.) with respect to one another, the number and density of those functional groups, the stability of those groups and of the molecule as a whole, the number and type of stereochemical elements, the physical properties of the molecule and its intermediates (which bear on the ease of its handling and purification), all of these viewed in the context of the novelty of the structure and whether preceding related synthetic efforts have been successful (see below for details). Some natural products, especially those less complex, are easily and cost effectively prepared via complete chemical synthesis from readily available, simpler chemical ingredients, a process referred to as total synthesis (especially when the process involves no steps mediated by biological agents). Not all natural products are amenable to total synthesis, cost effective or otherwise. In particular, those most complex often are not. Many are accessible, but the required routes are simply too expensive to allow synthesis on any practical or industrial scale. However, to be available for further study, all natural products must yield to isolation and purification. This may suffice if isolation provides appropriate quantities of the natural product for the intended purpose (e. g. as a drug to alleviate disease). Drugs such as penicillin, morphine, and paclitaxel proved to be affordably acquired at needed commercial scales solely via isolation procedures (without any significant synthetic chemistry contributing). However, in other cases, needed agents are not available without synthetic chemistry manipulations.
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.
The process of isolating a natural product from its source can be costly in terms of committed time and material expense, and it may challenge the availability of the relied upon natural resource (or have ecological consequences for the resource). For instance, it has been estimated that the bark of an entire yew tree (Taxus brevifolia) would have to be harvested to extract enough paclitaxel for just a single dose of therapy. Furthermore, the number of structural analogues obtainable for structure–activity analysis (SAR) simply via harvest (if more than one structural analogue is even present) is limited by the biology at work in the organism, and so outside of the experimentalist's control. In such cases where the ultimate target is harder to come by, or limits SAR, it is sometimes possible to source a middle to late stage biosynthetic precursor or analogue from which the ultimate target can be prepared. This is termed semisynthesis or partial synthesis. With this approach, the related biosynthetic intermediate is harvested and then converted to the final product by conventional procedures of chemical synthesis. This strategy can have two advantages. Firstly, the intermediate may be more easily extracted, and in higher yield, than the ultimate desired product. An example of this is paclitaxel, which can be manufactured by extracting 10 deacetylbaccatin III from T. brevifolia needles, then carrying out a four step synthesis. Secondly, the route designed between semisynthetic starting material and ultimate product may permit analogues of the final product to be synthesized. The newer generation semisynthetic penicillins are an illustration of the benefit of this approach.
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.
In general, the total synthesis of natural products is a non commercial research activity, aimed at deeper understanding of the synthesis of particular natural product frameworks, and the development of fundamental new synthetic methods. Even so, it is of tremendous commercial and societal importance. By providing challenging synthetic targets, for example, it has played a central role in the development of the field of organic chemistry. Prior to the development of analytical chemistry methods in the twentieth century, the structures of natural products were affirmed by total synthesis (so called "structure proof by synthesis"). Early efforts in natural products synthesis targeted complex substances such as cobalamin (vitamin B12), an essential cofactor in cellular metabolism.
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.
Research and teaching activities related to natural products fall into a number of diverse academic areas, including organic chemistry, medicinal chemistry, pharmacognosy, ethnobotany, traditional medicine, and ethnopharmacology. Other biological areas include chemical biology, chemical ecology, chemogenomics, systems biology, molecular modeling, chemometrics, and chemoinformatics.
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.
Natural products chemistry is a distinct area of chemical research which was important in the development and history of chemistry. Isolating and identifying natural products has been important to source substances for early preclinical drug discovery research, to understand traditional medicine and ethnopharmacology, and to find pharmacologically useful areas of chemical space. To achieve this, many technological advances have been made, such as the evolution of technology associated with chemical separations, and the development of modern methods in chemical structure determination such as NMR. Early attempts to understand the biosynthesis of natural products, saw chemists employ first radiolabelling and more recently stable isotope labeling combined with NMR experiments. In addition, natural products are prepared by organic synthesis, to provide confirmation of their structure, or to give access to larger quantities of natural products of interest. In this process, the structure of some natural products have been revised, and the challenge of synthesising natural products has led to the development of new synthetic methodology, synthetic strategy, and tactics. In this regard, natural products play a central role in the training of new synthetic organic chemists, and are a principal motivation in the development of new variants of old chemical reactions (e. g., the Evans aldol reaction), as well as the discovery of completely new chemical reactions (e. g., the Woodward cis hydroxylation, Sharpless epoxidation, and Suzuki–Miyaura cross coupling reactions).
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.
The concept of natural products dates back to the early 19th century, when the foundations of organic chemistry were laid. Organic chemistry was regarded at that time as the chemistry of substances that plants and animals are composed of. It was a relatively complex form of chemistry and stood in stark contrast to inorganic chemistry, the principles of which had been established in 1789 by the Frenchman Antoine Lavoisier in his work Traité Élémentaire de Chimie.
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.
Lavoisier showed at the end of the 18th century that organic substances consisted of a limited number of elements: primarily carbon and hydrogen and supplemented by oxygen and nitrogen. He quickly focused on the isolation of these substances, often because they had an interesting pharmacological activity. Plants were the main source of such compounds, especially alkaloids and glycosides. It was long been known that opium, a sticky mixture of alkaloids (including codeine, morphine, noscapine, thebaine, and papaverine) from the opium poppy (Papaver somniferum), possessed a narcotic and at the same time mind altering properties. By 1805, morphine had already been isolated by the German chemist Friedrich Sertürner and in the 1870s it was discovered that boiling morphine with acetic anhydride produced a substance with a strong pain suppressive effect: heroin. In 1815, Eugène Chevreul isolated cholesterol, a crystalline substance, from animal tissue that belongs to the class of steroids, and in 1819 strychnine, an alkaloid was isolated.
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:
A second important step was the synthesis of organic compounds. Whereas the synthesis of inorganic substances had been known for a long time, the synthesis of organic substances was a difficult hurdle. In 1827 the Swedish chemist Jöns Jacob Berzelius held that an indispensable force of nature for the synthesis of organic compounds, called vital force or life force, was needed. This philosophical idea, vitalism, well into the 19th century had many supporters, even after the introduction of the atomic theory. The idea of vitalism especially fitted in with beliefs in medicine; the most traditional healing practices believed that disease was the result of some imbalance in the vital energies that distinguishes life from nonlife. A first attempt to break the vitalism idea in science was made in 1828, when the German chemist Friedrich Wöhler succeeded in synthesizing urea, a natural product found in urine, by heating ammonium cyanate, an inorganic substance:
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.
This reaction showed that there was no need for a life force in order to prepare organic substances. This idea, however, was initially met with a high degree of skepticism, and only 20 years later, with the synthesis of acetic acid from carbon by Adolph Wilhelm Hermann Kolbe, was the idea accepted. Organic chemistry has since developed into an independent area of research dedicated to the study of carbon containing compounds, since that element in common was detected in a variety of nature derived substances. An important factor in the characterization of organic materials was on the basis of their physical properties (such as melting point, boiling point, solubility, crystallinity, or color).
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.
A third step was the structure elucidation of organic substances: although the elemental composition of pure organic substances (irrespective of whether they were of natural or synthetic origin) could be determined fairly accurately, the molecular structure was still a problem. The urge to do structural elucidation resulted from a dispute between Friedrich Wöhler and Justus von Liebig, who both studied a silver salt of the same composition but had different properties. Wöhler studied silver cyanate, a harmless substance, while von Liebig investigated silver fulminate, a salt with explosive properties. The elemental analysis shows that both salts contain equal quantities of silver, carbon, oxygen and nitrogen. According to the then prevailing ideas, both substances should possess the same properties, but this was not the case. This apparent contradiction was later solved by Berzelius's theory of isomers, whereby not only the number and type of elements are of importance to the properties and chemical reactivity, but also the position of atoms in within a compound. This was a direct cause for the development of structure theories, such as the radical theory of Jean Baptiste Dumas and the substitution theory of Auguste Laurent. However, it took until 1858 before by August Kekulé formulated a definite structure theory. He posited that carbon is tetravalent and can bind to itself to form carbon chains as they occur in natural products.
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.
The concept of natural product, which initially based on organic compounds that could be isolated from plants, was extended to include animal material in the middle of the 19th century by the German Justus von Liebig. Hermann Emil Fischer in 1884, turned his attention to the study of carbohydrates and purines, work for which he was awarded the Nobel Prize in 1902. He also succeeded to make synthetically in the laboratory in a variety of carbohydrates, including glucose and mannose. After the discovery of penicillin by Alexander Fleming in 1928, fungi and other micro organisms were added to the arsenal of sources of natural products.