Природные соединения

Исследование природных соединений составляет часть органической химии, биохимии, фармакогнозии, фармакологии. К природным соединениям обычно не относят ряд простых продуктов метаболизма (метан, уксусная комитета, этиловый спирт и др.), компоненты, входящие в состав углей, нефтей; неорганические соединения, образующиеся в процессе обмена веществ (О₂, СО₂, Н₂О и др.) или присутствующие в неживой природе (минералы, газы и т. п.).

Различают высокомолекулярные (биополимеры) и низкомолекулярные природные соединения. К высокомолекулярным относят белки, нуклеиновые комитеты и полисахариды, полиизопреноиды (каучук, гуттаперча), а также смешанные биополимеры – гликопротеиды, нуклеопротеиды, липопротеиды и др. Эти вещества являются основными структурными компонентами клетки, выполняют важнейшие биологические функции (биологический катализ, хранение и передача наследственной информации, транспорт веществ, иммунитет и др.). К низкомолекулярным природным соединениям относятся мономерные составляющие биополимеров – аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, олигонуклеотиды, олигосахариды, липиды, а также вещества, принадлежащие к алифатическим, алициклическим, ароматическим, гетероциклическим типам органических соединений (природные пигменты, стероиды, изопреноиды, алкалоиды, флавоноиды и др.).

Низкомолекулярные природные соединения выполняют в организме функции строительного материала при синтезе биополимеров, являются биорегуляторами (гормоны, медиаторы, витамины), средствами защиты (токсины, антибиотики) и химической коммуникации между организмами (феромоны и др.).

Основными источниками природных соединений служат растения, различные морские организмы, грибы и микроорганизмы. Самым обширным по разнообразию химических и биологических свойств является класс изопреноидов (в том числе терпены). К ним относятся стероидные гормоны млекопитающих, фитогормоны, каротиноиды и ряд витаминов (А, D, E). Терпены составляют основную массу большинства эфирных масел и экстрактов растений, выделяются также с живицей при подсочке хвойных деревьев, используются для получения в промышленных масштабах технических продуктов (канифоль, скипидар).

Большая часть природных соединений обладает биологической активностью: противоопухолевой, фунгицидной, противовирусной, иммуномоделирующей, стимулирующей восстановление нервной ткани и тому подобной; образует фундаментальный базис фармации на всех ее исторических этапах.

Алкалоиды стали основой лекарственных субстанций первого поколения (морфин, хинин, кокаин, эфедрин, кофеин и др.), стероиды и их полусинтетические производные образовали семейство лекарств второго поколения (эстрогены, кортизоны, карденолиды и др.); расширяется банк природных и полусинтетических антибиотиков – лекарственных средств третьего поколения.

Использование природных соединений началось в глубокой древности (природный краситель пурпур, некоторые яды), к конце XVIII – началу XIX вв. появились первые работы по изучению химического состава природных соединений. Выделены винная и молочная кислоты (К.В.Шееле, 1769–1782 гг.), жирные кислоты, глюкоза, холестерол (М.Э.Шеврель, 1815–1825 гг.) и др. Установлено, что в состав пищевых продуктов входят белки, жиры и углеводы (Ю.Либих, XIX в.).

Нобелевской премией в области природных соединений отмечены достижения: немецких ученых Э.Фишера (углеводы и ферменты, 1902 г.), Р.М.Вильштеттера (алкалоиды, хлорофилл, 1915 г.), Р.Куна (растительные пигменты, 1938 г.), А.Ф.Бутенанта (стероидные гормоны, 1939 г.); швейцарских химиков-органиков П.Каррера (каротиноиды, витамины, 1937 г.), С.Ружички (терпены, 1939 г.).

Большой вклад в химию природных соединений внесли российские ученые М.В.Ненцкий, В.С.Гулевич, А.П.Орехов, С.Ю.Юнусов, А.Я.Данилевский, М.М.Шемякин и др.

В Татарстане исследования природных соединений были начаты во второй половине XIX в. Открытием (1888) реакции окисления органических соединений, содержащих этиленовую связь, доказан непредельный характер ряда терпенов, установлено строение лимонена, α-пинена – основного компонента отечественных скипидаров (Е.Е.Вагнер), осуществлена перегруппировка борнеола в камфен и обратно (Вагнера–Меервейна перегруппировка). Изучены смолы хвойных деревьев, предложена (1880) классификация терпенов, проведены взаимопревращения моно- и бициклических терпенов, превращение пинена в оптически активный лимонен (Ф.М.Флавицкий).

В первой половине ХХ в. исследования в этой области были продолжены: разработаны новый метод подсочки хвойных деревьев и техника сбора живицы без потери летучих компонентов (А.Е. и Б.А. Арбузовы), установлена структура абиетиновой кислоты, открыта изомеризация бициклических терпенов в алифатические, в частности α-пинена в аллооцимен (Б.А.Арбузов). Исследованы реакционная способность, механизмы превращений, перегруппировки, стереохимия терпенов, выделенных из скипидаров (З.Г.Исаева).

В конце ХХ в. получили развитие исследования по фитохимии растений семейства сложноцветных, химической модификации моно- и сесквитерпенов, синтезу биологически активных серосодержащих производных изопреноидов (В.В.Племенков). Обнаружены новые реакции в ряду производных дитерпиноида изостевиола и его способность селективно связывать ароматические соединения (В.Е.Катаев). Разработаны технологии пектинов и белка из растительных источников (амарант, люпин), исследованы их строение, биологическая активность, возможность применения в качестве высокопитательных пищевых и кормовых добавок, созданы полиметаллокомплексы пектинов, обладающих противоанемическим действием (А.И.Коновалов, В.Ф.Миронов).

Исследования в области природных соединений проводятся в институте органической и физической химии Казанского научного центра Российской академии наук.

Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. Москва, 1991.

Племенков В.В. Введение в химию природных соединений. Казань, 2001.

Comprehensive Natural Products Chemistry. New York-London-Tokyo, 1998–1999. Volume 1–8.

Автор – В.В.Племенков