Химия - Химия природных соединений - Принципы классификации природных соединений

01 марта 2011


Оглавление:
1. Химия природных соединений
2. Методология
3. Названия природных веществ
4. Принципы классификации природных соединений



Единой классификации природных соединений не существует. Есть разные подходы, но ни один из них не является универсальным — классификации по разным признакам взаимно дополняют друг друга и могут использоваться в зависимости от конкретного химического или биологического аспекта. Основные принципы классификации:

  • по химическому строению;
  • по путям биосинтеза;
  • по биологической активности;
  • по природным источникам.

Для первичных метаболитов используется химическая классификация и отчасти по биологическим функциям. Продукты вторичного метаболизма делят на классы также по их химической структуре и по путям биосинтеза. Внутри классов указывается принадлежность сходных по химической структуре веществ к природным источникам. Биологическую активность рассматривают чаще как свойство соединения, а не как классификационный признак.

Химическая классификация

Органические вещества относят к определённым классам по типам углеродного скелета и по функциональным группам. Такая классификация может быть применена к наиболее простым природным соединениям, таким, как углеводороды, жирные кислоты, бифункциональные соединения — кетокислоты, оксикислоты и т. п., большинство же природных веществ принадлежат одновременно нескольким классам. Для полифункциональных соединений могут указывать принадлежность к определённому классу если необходимо подчеркнуть характерные их функции в организме. Например, группу веществ относят к классу аминокислот, несмотря на наличие у многих из них более, чем двух функциональных групп и значительных различий в строении углеродного скелета.

Химическая классификация может оказаться формальной, если учитывать не только структуру молекулы, а и пути метаболизма, приводящие к синтезу соединений с данной структурой. Показательным примером является обширный класс природных соединений, называемых изопреноидами. Предшественники биосинтеза подавляющего большинства веществ этого класса — полиненасыщенные спирты с углеродным скелетом, который можно рассматривать как продукт олигомеризации углеводорода изопрена. Однако, биогенетическим прекурсором этих спиртов служит не изопрен, а другие соединения — обычно уксусная кислота, реже фосфоглицериновый альдегид и пировиноградная кислота.

Биохимическая классификация

Биохимия классифицирует вещества по их отношению к метаболизму — на первичные и вторичные метаболиты, вторичные, в свою очередь, по главным путям их биосинтеза. Один и тот же путь метаболизма может приводить в конечном итоге к соединениям с разной структурой. Например, начальной стадией синтеза как алифатических, так и ароматических метаболитов может быть многократное ацетилирование ацетилкофермента A с образованием поликетидов — веществ с чередующимися метиленовыми и кетонными группами. Такой путь биосинтеза называют ацетатным, а конечные продукты метаболизма — ацетогенинами. Бензольное кольцо может синтезироваться и другим путём, ключевым промежуточным метаболитом в котором является шикимовая кислота. Шикиматный путь даёт бензольное кольцо с присоединённой прямой трёхуглеродной цепочкой, такие соединения называют фенилпропаноиды.

Но есть случаи, когда у разных организмов биосинтез одних и тех же метаболитов идёт разными путями. Синтез простейшего предшественника изопреноидов — изопентенилпирофосфата — идёт через мевалоновую кислоту, этот путь преобладает в живой природе, но существует и другой — немевалонатный, или метилэритритный путь, через фосфат 2-метилэритрита. Также конечный продукт метаболизма может синтезироваться путём взаимодействия двух и более промежуточных метаболитов, каждый из которых образуется по своему пути биосинтеза. Если на промежуточном метаболите происходит такое скрещивание двух путей, то конечные продукты вторичного метаболизма называют веществами смешанного пути биосинтеза.

Вещества или классы веществ, имеющие самостоятельное значение как вторичные метаболиты могут претерпевать дальнейшие изменения и служить одновременно промежуточными метаболитами у других видов живых организмов или у одного и того же вида. Может происходить окисление отдельных углеродных атомов, галогенирование, образование производных по функциональным группам, серии перегруппировок углеродного скелета, иногда приводящие к значительному изменению структуры, циклизация, ароматизация и наоборот — раскрытие циклов. При этом от одного такого вещества или структурного класса образуется серия новых веществ или подклассов, которые называют каскадами, или биогенетическими древами промежуточного предшественника. Например, вещества, по химической структуре или по природным источникам относимые к классам липоксинов, лейкотриенов, простагландинов составляют каскад арахидоновой кислоты, поскольку синтезируются путём дальнейшей модификации этого метаболита. Известны многочисленные биогенетические древа или ряды среди терпеноидов, алкалоидов, антибиотиков. Один из примеров — сесквитерпеновый углеродный скелет гумулана, образующий биогенетическое древо, в которое входят такие подклассы, как сильфинаны, птерозины, буллераны, маразманы, лактараны и другие.

По биологической активности

Природные вещества условно относят к биологически важным и биологически активным, чёткой грани между этими понятиями нет.

Биологически важными называют вещества, физиологическая роль которых чётко выражена и достаточно хорошо изучена, например, глицериды, входящие в состав клеточных мембран, воскоподобные вещества, предохраняющие растения от пересыхания. Такие соединения обычно биологически инертны, то есть при введении их в организм в относительно больших дозах не вызывают специфической ответной реакции.

Биологически активные вещества могут даже в очень малых количествах вызывать физиологическую или патологическую реакцию, к ним относят гормоны, например, стимуляторы и ингибиторы роста растений, антибиотики, токсины, фитоалексины — вещества, выделяемые растениями при механическом повреждении или в ответ на инфекцию, антифиданты — защищающие растения и животных от поедания, мутагены, канцерогены.

В классы, выделяемые по этому признаку, попадают вещества, имеющие мало общего между собой по химической структуре, и напротив, вещества сходного строения могут проявлять разную биологическую активность. Но имеются случаи, когда вещества со сходным физиологическим действием обладают и достаточно характерными сходными признаками химической структуры. Например, половые аттрактанты и другие феромоны насекомых чаще всего представляют собой линейные или слабо разветвлённые углеводороды, насыщенные или ненасыщенные и монофункциональные производные таких углеводородов — спирты, карбоновые кислоты, эфиры, кетоны, альдегиды.

По природным источникам

Такой способ классификации относительно редко используется, поскольку одни и те же вещества могут обнаруживаться в различных биологических объектах. В тех случаях, когда он может применяться, соединения в первую очередь классифицируют на продукты животного происхождения, растительного происхождения и выделяемые из микроорганизмов, часто в отдельную группу выделяют вторичные метаболиты морских организмов. Разделение внутри этих наиболее крупных групп проводят в соответствии с таксономической принадлежностью организмов. Есть группы веществ, характерных для определённых биологических родов и видов, например, алкалоиды спорыньи, мака и другие.



Просмотров: 6986


<<< Химия силикатов