CC BY
177
Химия растительного сырья. 2005. №4. С. 93-103.
Проблемы образования в области химии и технологии растительного сырья
ХИМИЯ ИЗОПРЕНОИДОВ. ГЛАВА 4. ГЕМИТЕРПЕНЫ
© В.В. Племенков
Казанский медицинский университет, ул. Бутлерова, 49, Казань, 420012 (Россия) E-mail: [email protected]
Мы продолжаем публикацию избранных глав новой книги В.В. Племенкова «Химия изопреноидов». Вашему вниманию предлагается четвертая глава этого пособия.
Гемитерпены (монопрены или монопренолы) - самый маленький класс самых маленьких изопреноидов, был выделен в качестве самостоятельного совсем недавно по причине их немногочисленности, сомнительности отнесения некоторых природных соединений к изопреноидам вообще, а также в связи с тем, что некоторые соединения такой структуры были найдены в природных источниках только в последнее время.
Простейший и фундаментальный представитель ряда гемитерпенов, а точнее сказать, корневое соединение изопреноидов вообще, изопрен - углеводород, производимый современной промышленностью в тысячах и тысячах тонн и составляющий основу современного производства каучуков, - в природных объектах был найден повсеместно, хотя и в очень малых дозах, с помощью высокоэффективной масс-спектрометрии. Но так как очень многие растения синтезируют его и синтезируют постоянно, то оказалось, что по массе это весьма значительное количество - порядка нескольких сотен миллионов тонн изопрена в год выделяется в атмосферу из всех природных источников (от 175 до 452x10 12 г, по оценкам разных ученых). Это немало даже в масштабах Земли. Синтезируется и выделяется в атмосферу изопрен высшими растениями, гетеротрофными бактериями, плесневыми грибами, морским фитопланктоном, водорослями и животными. Для высших растений показана прямая зависимость количества продуцируемого изопрена в первую очередь от освещения и температуры. Выделения изопрена большими массивами растений (лесов) ответственны за «легкую дымку» некоторых регионов, таких как «Smoky Mountains» или Горный Алтай, за что последний часто называют «Голубой Алтай».
В следовых же количествах и также во всех растениях, да и не только в растениях, присутствуют вышеописанные фосфорилированные монопренолы, изопентенилпирофосфат (IPP) и диметилаллилпирофосфат (DMAPP) - ключевые соединения в сценарии образования всех изопреноидов как мевалонового, так и ме-валон-независимого путей биосинтеза. В тех природных источниках, где эти вещества не обнаружены, но найдены изопреноиды более высокой степени конденсации (монотерпены, сесквитерпены и т.д.), будет законным подразумевать их присутствие в любых ничтожных концентрациях в качестве обязательных интермедиатов, в соответствии с биосинтетическими схемами, рассмотренными в предыдущей главе.
Образование собственно изопрена, скорее всего, является результатом побочных реакций 1,2- и 1,4-элиминирования пирофосфата из молекул IPP и DMAPP соответственно. Эти реакции могут протекать и без специфического катализа, синхронным внутримолекулярным отщеплением, но процесс все-таки пойдет легче в присутствии энзимов, подключающих катионы двухвалентных металлов (Mg2+, Mn2+) , как это имеет место при конденсации этих же молекул в процессе образования геранилпирофосфата (схема 4.1).
Спирты, высвобождающиеся при гидролизе IPP и DMAPP, вместе со спиртами изомерными им, а также и собственно изопрен (доминант среди них), составляют главную часть летучих компонент, выделяемых растениями, что не может не влиять на некоторые атмосферные процессы. Взаимодействие изопрена с гидроксил радикалом и с кислородом воздуха, инициируемое солнечным светом, в основном его ультрафиолетовой частью спектра, приводит к образованию разнообразных изопентенильных пероксидных радикалов, появление которых в атмосфере чревато различными последствиями - это и положительный эф-
фект бактерицидного свойства (хорошо известна амикробность воздуха хвойных лесов, особенно высокогорных, а именно эти растения синтезируют низшие терпеноиды в наибольшей степени); но и отрицательное воздействие радикальных частиц на липидные мембраны животных организмов, поскольку последние менее защищены от таких реакций сравнительно с растительными (в том же хвойном лесу в жаркую солнечную погоду, когда концентрации радикальных частиц сильно возрастают, человек чувствует себя некомфортно). Учитывая цепной характер радикальных реакций вообще, следует ожидать большего разнообразия органических радикальных частиц в атмосфере, подверженной изопреновой природной, да и не природной также, «подкачке» (схема 4.2).
Вторая группа гемитерпеноидов представлена карбоновыми кислотами - насыщенными, ненасыщенными и гидроксилсодержащими, которые редко находятся в свободном состоянии in vivo - обычно они связаны в виде сложных эфиров. В растениях, продуцирующих такие изопреноиды, как сесквитерпены и дитерпены, оные часто обнаруживаются в сложноэфирной связи с ненасыщенными гемитерпеновыми кислотами (ангеликовой, тиглиновой, серациновой, диметилакриловой), иногда с насыщенными (изовале-риановой и 2-метилмасляной). Пока что точно не доказана их биохимическая принадлежность к терпеновому классу и они отнесены сюда в соответствии с их химическими структурными признаками; но учитывая тот факт, что эти кислоты обычно сопровождают другие терпеноиды, о чем было сказано выше, и то, что нетрудно построить теоретическую модель их биосинтеза по любой биосхеме (мевалоновой, мевалон-независимой, аминокислотной) с подключением redox энзимов, можно считать их истинными терпенами, а именно - гемитерпенами. По крайней мере, для изовалериановой кислоты было показано, что в некоторых микроорганизмах (Propionibacterium freudenreichii) она образуется из лейцина - в таком случае соответствующая схема биосинтеза должна включать стадии дезаминирования аминокислоты до а-кетокислоты и окислительного декарбоксилирования последней. Тогда можно ожидать образования непредельных геми-терпеновых кислот, в частности диметилакриловой, прямым дезаминированием валина (схема 4.3). Интересно то, что эта схема биосинтеза не включают промежуточного образования IPP и DMAPP, столь обязательных в мевалоновом и мевалон-независимом процессах.
CH3
CH3
С
CH
CH3
Схема 4.1
OO*
соон
изовалериановая
кислота
СНгОН
СООН
2-метилмасляная
кислота
СООН
носн2.
ч
СООН
СООН
СООН
ангеликовая
кислота
тиглиновая
кислота
'\;?;;^''''соон /
N
СООН
сенеционовая кислота (р,р-диметилакриловая кислота)
СН2ОН
серациновая
кислота
СООН
О
СООН
NH2
СООН
СООН
NAD-H ------►
-Н2О
О
ОН
N
СООН
Схема 4.3
Из этих кислот в природных источниках наиболее часто встречаются изовалериановая кислота (в масле хмеля, корнях валерианы лекарственной, чайном листе, эфирных маслах некоторых цитрусовых и др.) и тиглиновая кислота, найденная в кротоновом масле в виде глицирида, в ромашке в виде бутилового эфира, в гераниевом масле в виде геранил тиглата, значительная часть сесквитерпеновых спиртов этерефицирова-ны в растениях тиглиновой, ангеликовой, сенеционовой и серрациновой кислотами.
В тропическом овощном растении Ьвысавпа 1еисосерка1иш обнаружена гемитерпеновая гидроксикислота в виде калиевой соли, выполняющая весьма необычную физиологическую функцию - она участвует в регулировке ритмичности движения листьев растения в зависимости от ритмичности суточного освещения (пусй-па$1у), обеспечивая функцию закрытия листьев на ночь. Кроме этого, это соединение является еще и селективным гербицидом, угнетая рост других растений, произрастающих вблизи растения-хозяина (схема 4.4).
Другой представитель гемитерпеновых гидроксикислот, лимонно-яблочная кислота, образуется в различных организмах (обнаружен в заметных количествах в спинномозговой жидкости людей, больных бактериальным менингитом) при декарбоксилировании лимонной кислоты в цикле трикарбоновых кислот, тем самым предлагая нам еще один путь биосинтеза гемитерпенов, хотя и достаточно ограниченный (схема 4.5).
СН
КООС
.ОН
СН2
\
ОН
калиевая соль 2,3,4-тригидрокси-2-метилбутановой кислоты
HOOC
ho chcooh _ CO
' ---------------->
'COOH
HO CH3
HOOC
COOH
Схема 4.5
Характерно, что большая часть гемитерпеновых кислот представлена структурами с геминальным расположением карбоксильной и метильной (гидроксиметиленовой) функций, что может служить указанием на принадлежность их к мевалон-независимому пути биосинтеза. Действительно, окисление ключевого соединения этой схемы, 1-дезокси-Б-ксилулозы, очень доступное по альдегидной группе, приводит к лактону, из которого реакциями восстановления, гидролиза и дегидратации и образуется серия указанных выше гемитерпенов (схема 4.6).
Интересная группа гемитерпенов найдена среди природных соединений животного происхождения, выполняющих экологические функции разного типа, обычно в композиции с метаболитами другого, не изопреноидного происхождения. Это семейство гемитерпенов представлено в основном спиртами, которые можно определить как монопренолы, и их сложными эфирами, при этом в качестве карбоксильной компоненты могут выступать и гемитерпеновые кислоты. Иногда эти соединения дублируются в растениях. А особенно оригинальна здесь группа серо- и азотсодержащих гемитерпеноидов (сульфидных, дисульфид-ных, амидных), интересных в структурном и биохимическом аспектах. Так, всего несколько гемитерпенов сульфидно-дисульфидной структуры являются запаховыми маркерами многих млекопитающих, обеспечивая межвидовую и внутривидовую индивидуальность метки, что достигается качественноколичественными вариациями этих природных субстанций, и являясь, таким образом, средством их общения (табл. 4.1).
В различных природных источниках нередки случаи образования производных карбоновых кислот, гемитерпеновых в том числе, в виде тиазолов - в томатах изовалериановая кислота формирует 2-изобутилтиазол (запаховая компонента ), а цианобактерии Lygnbya majuscule продуцируют весьма активный цитотоксин, курацин А (IC50 = 10-7-10-8), с 2-метилциклопропанкарбоновой кислоты тиазольным производным в качестве гемитерпенового фрагмента (схема 4.7).
А из растения Ilex pubescens (падуб пушистый) выделены гликозиды изопренилтриола, этерифициро-ванного кофейной кислотой, ингибирующего агрегацию склеротических бляшек (схема 4.7).
HO
CHO -Шз OH
CH2OH
HO O
И^з
[O]
OH OH
H-OH
[H]
HO
COOH
- CH - h2O
HO
HOOC
OH
CH2OH
COOH —Шз OH
NADH
CH2OH
CH
з
HOOC
- H2O ---2—►
NADH HOOC
.y
Схема 4.6
Таблица 4.1. Некоторые гемитерпены животных, выполняющие экологические функции
Структура
Источник и экологические свойства
Структура
Источник и экологические свойства
OH
,,CH=CH2
CH2OH
S—S
HOCH
O
Jl.
O CH3
и
A.
\
SCH3
SS
O
O
сифонoдин (siphonodin)
/ 0 —Cib-CH2-N(C
Агрегационный феромон жука-короеда и феромон тревоги шершня, летучая компонента из игл Pinus ponderosa
Компонента секрета предглазничных (ргеогЫЫ) желез антилопы
Самый мощный феромон тревоги медоносной пчелы
Запаховые маркеры многих млекопитающих
Запасается насекомыми Yponomenta cagnagellus из растений Eunymus europacusв качестве защитного средства
Продуцируется бабочками (Агсйа са]а, и1;еШе81а Ъе11а) в качестве защитной субстанции
СН
CH2OH
O
O
O
O
NH
HOOC
NH
OH
felinine (фелинин)
Феромон короеда лиственницы
Входит в состав яда европейского шмеля
Летучая компонента ambrosia жуков, инициирует экстремально высокий отклик в электроантеограммах короедов Trypodendron lineatom. Найден также в челюстных гландах Rhyssa persuasoria
Секс-феромон длиннорогового жука
Migdolus frians
Феромон найден в моче некоторых представителей сем. кошачьих (Felidae)
CH3
CH
2-Изобутил-тиазол
S
К гемитерпенам может быть отнесен и целый ряд, причем достаточно многочисленный, природных соединений смешанной классификации, называемый еще соединениями сопряженного биосинтеза или меро-терпенами. Речь идет о соединениях достаточно сложной структуры, молекулы которых в качестве обязательного имеют изопренильный фрагмент (изо-С5), связанный с каким-либо другим природным фрагментом, чаще всего представленным флавоноидом. Это весьма многочисленная группа фенольных производных, в которых кроме гемитерпенового радикала фигурируют геранильный и фарнезильный остатки, будет рассмотрена в отдельной главе наряду с другими изопреноидами смешанной этиологии. Найдены также гемитерпены, в которых изопренильный остаток связан с другими терпеновыми фрагментами, сесквитер-пеновыми и дитерпеновыми, алкалоидами и углеводами (табл. 4.2).
Продолжение таблицы 4.2
В зависимости от способа соединения гемитерпенового фрагмента с молекулярными фрагментами другого типа, как это указано выше, их можно классифицировать в соответствии с этим признаком -С-производные, O-производные, N-производные и S-производные гемитерпенов.
Образование этого семейства гемитерпенов скорее всего проходит по схеме электрофильного алкили-рования ароматического цикла, аминных групп и гидроксилсодержащих функций изо-С5-аллильным катионом, высвобождающимся in situ либо из IPP, либо из DMAPP (схема 4.8). Поскольку заряд аллильного катиона более или менее в равных долях распределен на атомах С и С3 (нумерация от углерода отщепляющего пирофосфат анион), то и присоединение нуклеофила возможно в соответствии с этим фактором -присоединением по Ci образованы многие феромоны (см. табл. 4.1), а продукты присоединения нуклеофила по С3 приведены в таблице 4.2 (астеррихинон, наирайамид, фузикоцин, индольные алкалоиды).
Небольшая, но важная группа N-гемитерпенов представлена в природных источниках одним из видов фитогормонов, цитокининами, найденных во многих растениях, грибах, бактериях, водорослях, морских организмах. По химической принадлежности - это производные аденинов с изопренильными фрагментами при атоме N6, общая структура которых представлена на схеме 4.9. Этот класс фитогормонов, в ансамбле с ауксинами, индуцирует деление клеток, дифференцировку стеблевых почек, активирует рост клеток листа, вызывает открытие устьиц, задерживает старение срезанных листьев травянистых растений.
Наличие изопренильного остатка в метаболитах фенольно-флавоноидной структуры или в каких-либо других структурах (алкалоидах, углеводах), приводит к увеличению липофильности молекул в целом, что в свою очередь может отразиться на их фундаментальных биологических свойствах. Так, флавоноиды, отличающиеся своей антиоксидантной активностью, при наличии изопренильных фрагментов в молекуле могут стать более селективными в отношении антиоксидантной защиты липидных мембран. У них могут появиться также новые виды биологической активности в связи с открывающейся возможностью проникновения через мембраны и увеличением сродства к липидным участкам клетки.
3 Н C
PPO° СН-ГН^ \сн3
/ R—COOH A ) x ROн A \ R2Nн 2 ♦
t B T B T B
/ 1 \
R—C
/
O—СН2-СН
O
C^
сн3
R—O
,C
7СНГСН^ \
СН3
R\
R
СН3 I
C
N— C^-C^ ч'сН3
3
R
NH
R =
CH2OH
( Z ) и ( Е ) - зеатины
R1
R2= H, Ribisyl, Glucosyl
Ri= H, OH, SCH3
Схема 4.9
Химические свойства гемитерпенов определяются их функциональными группами, олефиновыми, спиртовыми, карбонильными и т.д., хорошо известными из классической органической химии. Можно выделить в определенной степени характерные свойства сопряженных систем, часто встречающихся в этом ряду терпеноидов - диеновых, аллильных и акролеин-акриловых фрагментов. Для изопрена типична реакция Дильса-Альдера, которая приводит к ментановым углеводородам в варианте димеризации и к соединениям карановой структуры при взаимодействии с циклопропеновыми диенофилами. При полимеризации изопрена образуется полиизопреновый каучук, который может быть идентичен природному (Z-1,4-изомеру) при удачном подборе катализатора - таковым оказался титано-алюминиевый катализатор Циглера-Натта. Использование комплексного кислого катализатора (церий-Ш-ацетиацетонат + Et2AlCl) способствует образованию Е-изомера, а катализ литий-органическими соединениями в комплексе с родиевыми соединениями приводят к 3,4-полимеру. Диметилаллиловый спирт, DMPP, легко замещает свою спиртовую группу на другую, нуклеофильную, и подвержен аллильным перегруппировкам. Непредельные карбонильные и карбоксильные гемитерпены склонны присоединять нуклеофильные реагенты по олефиновому фрагменту, супротив правила Марковникова, в соответствии с поляризацией сопряженной п-системы (схема 4.10).
Синтетические гемитерпены заслуживают внимания в связи с тем, что, пополняя немногочисленный ряд этого класса изопреноидов, представляют интерес в качестве изопренилирующих реагентов в синтезе природных, полусинтетических и синтетических терпеноидов. Их реакции с известными природными терпенами позволяют перейти к терпеноидным соединениям следующего класса, т.е. из монотерпенов получить сесквитерпены, из сесквитерпенов - дитерпены, из дитерпенов - сестертерпены, при этом синтезированные соединения могут быть копией природных, их аналогами или принципиально новыми по структуре углеродного скелета.
Синтетические гемитерпены представлены двумя группами веществ - ациклическими производными диметилаллильного типа и циклопропенами состава С5. Диметилаллилгалогениды выступают в качестве алкилирующих реагентов электрофильного характера либо в карбанионной форме после перевода их в ме-таллорганические производные. Циклопропеновые же соединения могут реагировать по принципиально двум различным схемам - 3,3-диметилциклопропен в условиях термолиза или металлокатализа изомеризу-ется in situ в изобутенилкарбен, присоединяющийся по олефиновой связи субстрата с образованием соответствующих циклопропановых терпеноидов; 3-циано-3-метилциклопропен не склонен к подобным изомеризациям, но легко вступает в Дильс-Альдеровские циклизации в качестве электроноакцепторного дие-нофила, образуя терпеноиды с кареновым углеродным фрагментом (схема 4.11).
Весьма продуктивными оказались реакции пренилгалогенидов с фенольными соединениями, позволяющие синтезировать широкий спектр меротерпеноидов природного и не природного происхождения с обнадеживающей биологической активностью. Пренилгалогениды (обычно бромистый диметилаллил) легко вступают в реакции электрофильного замещения с фенольными соединениями в присутствии кислот Льюиса по Фриделю-Крафтсу, с эфирами фенолов через металлорганические интермедиаты, а также О-пренилированием фенольной функции с последующей перегруппировкой по Кляйзену (схема 4.12).
<
ИХ
СН3
сы
см
7-циано-7-норкарен-3
ОН
Л
Н+
\
сН2ОН
-
N
СН2Ш.2
сООН
Z - 1,4 - полимер
Е - 1,4 - полимер 3,4 - полимер
1,2 - полимер
Схема 4.10
/V + „
хСН2Бг ЫСН2
V
СНз СНз
А, кат.
>~
N
СООЯ
СНз
сы
СН^ хы
+
он
он
н
он
он
о
осн
3
• С1
он
О
Схема 4.12
Цианоциклопропен оказался перспективным строительным блоком для синтеза изопреноидов, поскольку сочетает стабильность своей напряженной циклической системы с разноплановой реакционной способностью. Наряду с Дильс-Алдеровской активностью он обнаружил склонность и к реакциям Альдер-еновой конденсации с терпенами, имеющими в своей структуре экзо-метилен олефиновую связь, в результате которых можно формировать новые терпеноиды, сесквитерпеноиды в настоящем случае, с необычными углеродными скелетами - из Р-пинена образуется сесквипинен, а из карвона и лимонена получены терпеноиды бисаболанового типа (схема 4.13).
Следует добавить к этому, что цианоциклопропен, являясь прохиральным соединением, в различных реакциях присоединения реагирует стереоселективно - в реакции Дильса-Альдера образуются аддукты эндо-СМТ-конфигурации, а Альдер-еновая конденсация с (-)-р-пиненом протекает диастереоселективно (ее = 90%).
... СНз
СМ
он
