ZWIĄZKI BIOLOGICZNIE CZYNNE POCHODZENIA NATURALNEGO

DR INŻ. TOMASZ LASKOWSKI

KATEDRA TECHNOLOGII LEKÓW I BIOCHEMII

WYDZIAŁ CHEMICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ

WYKŁAD DLA SPECJALIZACJI: BIOTECHNOLOGIA LEKÓW

CZĘŚĆ VI: TERPENY I TERPENOIDY

RANGA ZWIĄZKÓW NATURALNYCH

RANGA ZWIĄZKÓW NATURALNYCH

BIOMAKROMOLEKUŁY METABOLITY PIERWOTNE

METABOLITY WTÓRNE

RNA (mRNA, tRNA, etc.) aminokwasy i peptydy fenole i polifenole

DNA cukry flawonoidy

białka strukturalne lipidy terpeny i terpenoidy

enzymy nukleotydy alkaloidy

rybozymy

…oraz wiele ich pochodnych

pochodne poliketydów

…i inne (?) steroidy

…oraz niezliczone ilości ich pochodnych

Pod względem rangi, związki naturalne można podzielić na trzy grupy:

„KREW” DRZEWA W miejscach uszkodzenia drzew (głównie iglastych) pojawia się żywica.

Jej funkcja polega na zabezpieczaniu „ran” drzewa, pełni więc podobną funkcję, co płytki krwi. Dodatkowo, w celu lepszej ochrony organizmu, jej składniki powinny działać bakteriobójczo. Żywica znajduje się specjalnych przestrzeniach międzykomórkowych lub w dedykowanych kanalikach, które biegną przez cały pień oraz gałęzie drzewa.

Destylat z żywicy (destylacja z parą wodną) nazywa się terpentyną.

Jednym z głównych składników terpentyny są węglowodory o wzorze sumarycznym (C5H8)n, które na cześć terpentyny nazwano terpenami.

Pochodne terpenów, tj. związki zawierające – prócz szkieletu węglowodorowego terpenu – dowolne heteroatomy nazywa się terpenoidami.

Ogólny wzór sumaryczny terpenów - (C5H8)n - wyraźne sugeruje, że terpeny zbudowane są z jakiejś jednostki budulcowej. Tą jednostką jest izopren.

IZOPREN – JEDNOSTKA BUDULCOWA

Izopren, a także pozostałe terpeny są produktami szlaku kwasu mewalonowego, który jest jednym z najstarszych ewolucyjnie szlaków.

IZOPREN – JEDNOSTKA BUDULCOWA

Izopren, a także pozostałe terpeny są produktami szlaku kwasu mewalonowego, który jest jednym z najstarszych ewolucyjnie szlaków.

IZOPREN – JEDNOSTKA BUDULCOWA

Izopren, a także pozostałe terpeny są produktami szlaku kwasu mewalonowego, który jest jednym z najstarszych ewolucyjnie szlaków.

IZOPREN – JEDNOSTKA BUDULCOWA

Terpeny i terpenoidy to jedna z najbardziej licznych grup metabolitów wtórnych. Zawiera dosłownie tysiące przedstawicieli, m.in.:

monoterpeny: ocymen, myrcen, limonen, p-cymen, α- i β-pinen, karen, sabinen, kamfen;

monoterpenoidy: geraniol, cytral, cytronellol, linalool, halomon, mentol, tymol, karwakrol, kamfora, borneol, eukaliptol, tujon;

seskwiterpeny: zingiberen, humulen, kariofilen, kadinen, wetiwazulen, gwajazulen, longifolen, kopaen, eudesman;

seskwiterpenoidy: paczulol, farnezol, santonina, diktioforyna A i B, knicyna;

diterpeny: sklaren, stemaren, taksadien, labdan, cembren A;

diterpenoidy: kwas abietynowy, afidiokolina, kafestol, ferruginol, forskolina, guanakastafen A, kahweol, stewiol, tiamulina;

triterpeny: skwalen, oleanan, ursan;

triterpenoidy: ambreina, kwas ganoderowy, lanosterol, cholesterol, ergosterol, progesteron i wszystkie amiryny, onoceryna, kwas betulinowy, kwas ursolowy…

…i wiele, wiele innych.

TERPENY I TERPENOIDY

(4R)-(+)-1-metylo-4-(1-metyloetenylo)cykoheksan

LIMONEN

Skąd: olejek ze słodkich pomarańczy brazylijskich, Citrus sinensis L. (Rutaceae)

C10H16, MW 136.23

Bezbarwa ciecz, bp 177-178°C, bp 42-43 °C (900 Pa)

[α]25D +114.0° (c 0.264 g/mL, etanol)

Limonen jest dostępny komercyjnie.

Synonimy: D-(+)-Limonen, (+)-α-Limonen, (+)-Dipenten, (R)-p-Menta-1,8-dien.

LIMONEN - IZOLACJA

UV-VIS + DICHROIZM KOŁOWY

Absoprcja w UV-VIS charakterystyczna dla wiązań C=C.

Słaby dodatni efekt Cottona = obecność chiralnie zaburzonego chromoforu.

LIMONEN – BADANIA STRUKTURALNE

IR (SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI)

Charakterystyczne drgania: rozciągające =C-H, -C-H, C=C, nożycowe symetryczne i asymetryczne –CH3.

LIMONEN – BADANIA STRUKTURALNE

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY)

LIMONEN – BADANIA STRUKTURALNE

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) - GCOSY

LIMONEN – BADANIA STRUKTURALNE

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) – DEPT, HSQC, HMBC

LIMONEN – BADANIA STRUKTURALNE

SPEKTROMETRIA MAS

LIMONEN – BADANIA STRUKTURALNE

W rozpadach jonów fragmentacyjnych preferowane jest odrzucanie obojętnych cząstek. Odrzucenie izoprenu to główna ścieżka rozpadu limonenu.

Limonen występuje w dwóch formach (R i S, zwyczajowo L i D). Ich mieszaninę racemiczną nazywa się często dipentenem.

Ekologia chemiczna: limonen odpowiada za zapach owoców cytrusowych i jest uwalniany do atmosfery, gdzie odpowiada za tworzenie „smogu” fotochemicznego.

LIMONEN – BIOGENEZA

(1R,2S,5R)-5-metylo-2-izopropylocykloheksanol

MENTOL

Skąd: olejek z mięty pieprzowej, Mentha arvensis var. piperascens L. (Lamiaceae)

C10H20O, MW 156.26

Bezbarwne kryształy, mp 40-42 °C,

[α]25D –50.7° (c 0.050 g/mL, etanol)

Dostępny komercyjnie.

Synonimy: alkohol mentylowy, (-)-mentol.

(1R,2S,5R)-5-metylo-2-izopropylocykloheksanol

Istnieje 8 diastereoizomerycznych form mentolu i każda posiada aktywność biologiczną.

MENTOL

MENTOL - IZOLACJA

UV-VIS + IR (SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI)

MENTOL – BADANIA STRUKTURALNE

Brak charakterystycznych pasm absorpcji w UV-VIS.

IR: rozciągające O-H, -C-H, -C-O; deformacyjne nożycowe symetryczne i asymetryczne –CH3, -CH2-; prawdopodobnie deformacyjne O-H poza płaszczyznę.

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY)

MENTOL – BADANIA STRUKTURALNE

dublet septetów

NMR – DQF-COSY (C6D6)

MENTOL – BADANIA STRUKTURALNE

1

1

7

7

2

2

6e

6e

6a

6a

8

8

9

9

NMR – EDYTOWANE HSQC (CDCl3)

MENTOL – BADANIA STRUKTURALNE

NMR – NOESY (CDCl3)

MENTOL – BADANIA STRUKTURALNE

SPEKTROMETRIA MAS (ESI-MS)

MENTOL – BADANIA STRUKTURALNE

+

odrzucenie rodnika izoprenowego (?), m/z = 71

Generowanie centrum asymetrii na węglu 2 odbywa się na etapie 3, na węglu 1 – na etapie 4, zaś na węglu 5 – na etapie transformacji izopiperitenolu do mentolu.

MENTOL – BIOGENEZA

(1S,4R,5R)-4-metylo-1-izopropylobicyklo[3.1.0]heksan-3-on [α-tujon] (1S,4S,5R)-4-metylo-1-izopropylobicyklo[3.1.0]heksan-3-on [β-tujon]

TUJONY

C10H16O, MW 152,24

Bezbarwna, lepka ciecz, bp 198 do 203 °C [pod ciśnieniem otoczenia]

Uwaga! W stanie wolnym tujony są toksyczne.

α-tujon Skąd: szałwia lekarska (S), Salvia officinalis L. (Lamiaceae) [α]20

D -19.2°. Dostępny komercyjnie.

β-tujon Skąd: bylica piołun (W), Artemisia absinthium L. (Asteraceae) [α]20

D +72.5°. Niedostępny komercyjnie.

TUJONY - IZOLACJA

UV-VIS + CD + IR (SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI)

TUJONY – BADANIA STRUKTURALNE

Absorpcja UV-VIS charakterystyczna dla ketonu. α-tujon (S) i β-tujon (W) w widmach CD wykazują przeciwne efekty Cottona.

IR: rozciągające -C-H, -C=O; deformacyjne nożycowe symetryczne i asymetryczne –CH3, -CH2-, drgania C-C cyklopropanu.

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY)

TUJONY – BADANIA STRUKTURALNE

S W

NMR – DQF-COSY + HSQC

TUJONY – BADANIA STRUKTURALNE

NMR – HMBC

TUJONY – BADANIA STRUKTURALNE

S W

Zaznaczone sygnały korelacyjne dowodzą istnienia pierścienia bicyklicznego [3.1.0].

SPEKTROMETRIA MAS (ESI-MS)

TUJONY – BADANIA STRUKTURALNE

Ekologia chemiczna: tujony mają właśności przeciwpasożytnicze, fungistatyczne i antybakteryjne. Działanie przeciwpasożytnicze jest możliwe w obliczu faktu, że tujon jest neurotoksyną oddziałującą na receptory GABA.

Tujon nie może być dodawany do żywności, może jednak występować w niej naturalnie w stężeniach określanych przez odpowiednie normy.

TUJONY – BIOGENEZA

Ester (3R)-(3aR,4S,6E,10Z,11aR)-2,3,3a,4,5,8,9,11,a-oktahydro-10-(hydroksymetylo)-6-metylo-3-metyleno-2-oksocyklodeka[b]furan-4-ylowy kwasu 3,4-dihydroksy-2-metylenobutanowego

KNICYNA

Skąd: liście drapacza lekarskiego, Cnicus benedictus L. (Asteraceae)

C20H26O7, MW 378.42

Białawe, eleganckie szpilki, mp 330-335 °C

[α]20D +142° (c = 0.01 g/mL, etanol)

Knicyna jest dostępna komercyjnie.

KNICYNA - IZOLACJA

UV-VIS + CD + IR (SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI)

KNICYNA – BADANIA STRUKTURALNE

Absorpcja UV-VIS charakterystyczna dla estru ze sprzężonym wiązaniem podwójnym. Widmo CD: silny, dodatni efekt Cottona.

IR: rozciągające –O-H, -C-H, -C=O, -C-O; deformacyjne nożycowe symetryczne i asymetryczne –CH3, -CH2-, deformacyjne –O-H poza płaszczyznę.

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY)

KNICYNA – BADANIA STRUKTURALNE

NMR – DQF-COSY + HSQC

KNICYNA – BADANIA STRUKTURALNE

NMR – HMBC

KNICYNA – BADANIA STRUKTURALNE

NMR – NOESY

KNICYNA – BADANIA STRUKTURALNE

SPEKTROMETRIA MAS (ESI-MS)

KNICYNA – BADANIA STRUKTURALNE

KNICYNA – BIOGENEZA

(2S,2’S,4aR,4’aR,5S,5’S,8aR,8’aR)-5,5’-(1,2-etanodiylo)bis(dekahydro-1,1,4a-trimetylo-6-metyleno-2-naftalenol)

ONOCERYNA

Skąd: korzeń wilżyny ciernistej, Ononis spinosa L. (Fabaceae or Leguminosae)

C30H50O2, MW 442.72

Bezbarwne kryształy, mp 208-210 °C

[α]21D +17.1° (c 0.0007 g/mL, chloroform)

α-onoceryna jest dostępna komercyjnie.

ONOCERYNA - IZOLACJA

UV-VIS + CD + IR (SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI)

ONOCERYNA – BADANIA STRUKTURALNE

Absorpcja UV-VIS charakterystyczna dla wiązania podwójnego. Widmo CD: silny, ujemny efekt Cottona.

IR: rozciągające –O-H, =C-H, -C-H, -C=C-, -C-O; deformacyjne nożycowe symetryczne i asymetryczne –CH3, -CH2-, deformacyjne –O-H poza płaszczyznę.

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY)

ONOCERYNA – BADANIA STRUKTURALNE

NMR – DQF-COSY + NOESY

ONOCERYNA – BADANIA STRUKTURALNE

SPEKTROMETRIA MAS (ESI-MS)

ONOCERYNA – BADANIA STRUKTURALNE

ONOCERYNA – BIOGENEZA

HO

OH