La química de compuestos naturales ( HPC ) es una rama de la química orgánica que estudia los compuestos químicos que componen los organismos vivos , las formas naturales de sus transformaciones y los métodos de producción artificial . Como ciencia, la química de los compuestos naturales surgió simultáneamente con la química orgánica. La necesidad de individualizar una disciplina independiente, de separarla de la química orgánica clásica, surgió tras la acumulación de una gran cantidad de datos, el aislamiento y estudio de la estructura y propiedades de las sustancias químicas que se encuentran en los organismos vivos.
Hay varias disciplinas afines relacionadas con la química y la biología , entre las cuales no existen fronteras claras.
La química orgánica clásica estudia las propiedades de los compuestos pertenecientes a determinadas clases, a menudo se la define como la química de los hidrocarburos y sus derivados . Las sustancias orgánicas naturales se distinguen por una amplia variedad de estructuras moleculares y, aunque entre ellas existen estructuras simples con uno o dos grupos funcionales , la mayoría de ellas portan varios grupos funcionales y tienen una estructura compleja del esqueleto carbonado. Por lo tanto, CPS se caracteriza como la química de los compuestos polifuncionales . Lo mismo puede decirse de las reacciones químicas estudiadas . La química orgánica se ocupa con mayor frecuencia de reacciones que involucran un centro de reacción en una molécula o un enlace químico . En las reacciones que ocurren en un organismo vivo, varios centros de reacción están involucrados simultáneamente y varios enlaces químicos pueden formarse o romperse en una etapa. Las reacciones biosintéticas difieren de las reacciones de laboratorio o de síntesis orgánica industrial también en una selectividad alta, generalmente del 100% , principalmente enantioselectividad [1] .
El conjunto de reacciones químicas en un organismo vivo se denomina metabolismo básico y es objeto de estudio de la bioquímica . La bioquímica estudia las sustancias orgánicas ( química bioorgánica ) e inorgánicas ( química bioinorgánica ) de los organismos vivos, sus transformaciones y funciones. La bioquímica destaca el catabolismo , la descomposición de moléculas orgánicas en otras más simples con la liberación de energía y el anabolismo , o biosíntesis, la construcción de moléculas complejas con el gasto de energía. El cuerpo sintetiza sustancias estructurales y de almacenamiento de energía: metabolitos primarios ( azúcares , aminoácidos , grasas , ácidos nucleicos ). Algunos de ellos no siguen el camino del catabolismo, sino que se utilizan para una mayor biosíntesis de sustancias que tienen una estructura química extremadamente diversa y realizan diversas funciones en el cuerpo: metabolitos secundarios. La química bioorgánica estudia el funcionamiento de los metabolitos primarios y secundarios. La química de los compuestos naturales estudia la estructura y las formas de síntesis de los metabolitos secundarios, y puede caracterizarse como la ciencia del metabolismo secundario [2] .
Otra ciencia relacionada es la biología molecular , que se ocupa de los biopolímeros de alto peso molecular : proteínas y ácidos nucleicos. El descubrimiento entre las sustancias naturales de compuestos activos que afectan no solo a organismos individuales, sino que controlan comunidades y ecosistemas enteros ha llevado al surgimiento de una nueva rama de la ciencia: la ecología química [* 1] . Tales sustancias incluyen feromonas, atrayentes, antibióticos, fitoncidas, toxinas y otros [3] [4] .
Juntas, todas estas disciplinas se consideran como un único complejo de ciencias sobre la química de la materia viva.
El aparato teórico de la química de los compuestos naturales coincide completamente con los conceptos de la química orgánica teórica. Los resultados obtenidos en el estudio de los compuestos naturales, a su vez, enriquecen la teoría de la química orgánica y estimulan su desarrollo. El aislamiento de sustancias biológicamente activas a partir de materiales naturales , que puede tener un valor práctico significativo, inicia la mejora de la metodología de la síntesis orgánica clásica [5] [6] .
Los métodos experimentales de la química de los compuestos naturales difieren de los clásicos. Esto se debe al hecho de que muchas sustancias naturales son sensibles a un ligero aumento de la temperatura; se conocen sustancias que tienen una vida útil corta incluso a temperatura ambiente. Además, las sustancias pueden estar contenidas en el biomaterial en pequeñas cantidades, a veces en milésimas de porcentaje o menos. Por lo tanto, es necesario procesar grandes masas de materias primas y estudiar las sustancias puras aisladas mediante técnicas especiales para trabajar con microcantidades. La dificultad también es la separación de mezclas complejas, que generalmente se obtienen en la primera etapa de procesamiento de materias primas [7] .
El trabajo sobre el estudio de los compuestos naturales comienza con la definición de la especie biológica objeto de estudio , se establece preliminarmente en qué fases de desarrollo o ciclo de vida se deben recolectar las materias primas y qué partes, por ejemplo, las plantas, se deben recolectar.
La segunda etapa es el aislamiento de sustancias individuales o de ciertas mezclas . La mayoría de las veces, la extracción se usa para esto . Se extrae sucesivamente con varios solventes con polaridad creciente , por ejemplo, hexano - éter - alcohol - agua y se obtienen varios extractos a la vez, o se usa un solvente universal, como la acetona , y luego se trata el extracto ("alquitrán crudo") con otros disolventes. Los extractos casi siempre contienen una mezcla de sustancias que es necesario separar. El método de separación más eficiente es la cromatografía en columna .
La tercera etapa es la identificación de sustancias individuales aisladas. Se miden constantes físicas: punto de fusión, punto de ebullición , índice de refracción , etc. y se comparan con sustancias conocidas ya descritas. Si se descubre una nueva sustancia, se determina su estructura química. Para esto, se utilizan métodos físicos: varios espectroscópicos ( IR , NMR , espectrometría de masas ), análisis de difracción de rayos X y métodos de análisis químicos . Determinar una sustancia natural con una estructura compleja no es una tarea trivial y, en ocasiones, lleva años y décadas de investigación.
Luego descubren las formas de síntesis metabólica de las sustancias y sus funciones en el organismo, la actividad biológica en relación con otros organismos y, si es necesario, se desarrollan métodos de síntesis industrial y de laboratorio. La metodología de la síntesis orgánica moderna permite desarrollar métodos complejos de varias etapas para obtener sustancias utilizando programas informáticos ( ver Síntesis informática ), utilizando el concepto de sintones y el método de análisis retrosintético . La obtención de una sustancia de estructura compleja puede tener lugar en varias docenas de etapas con un rendimiento total del producto final que rara vez supera un pequeño porcentaje, lo que hace que la síntesis artificial de tales sustancias sea muy costosa. Sin embargo, incluso los métodos de síntesis complejos e ineficientes en términos de rendimiento del producto pueden ser aceptables si la fuente natural es pobre y la sustancia tiene un valor práctico significativo [* 2] [8] .
Todas las etapas del trabajo experimental con sustancias naturales se pueden representar mediante el siguiente esquema [9] :
Cualquier sustancia química puede recibir un nombre sistemático de acuerdo con la nomenclatura de la IUPAC . Sin embargo, para sustancias de estructura compleja, tales nombres se vuelven engorrosos e inconvenientes. Por lo tanto, los nombres sistemáticos se usan solo para los compuestos naturales más simples, y los autores asignan nombres triviales a la gran mayoría de los metabolitos secundarios [10] . A menudo se forman a partir de los nombres en latín de los organismos de los que se aislaron las sustancias, a partir de nombres genéricos y epítetos específicos . Por ejemplo, del nombre latino de papa ( Solanum tuberosum ) provienen los nombres de las sustancias solanina y tuberosina [11] . A veces, en el nombre químico, las especies y los nombres genéricos se combinan en una sola palabra, por ejemplo, thuyaplicins de madera plegada de thuja ( Thuja plicata ) [12] . Los nombres propios se dan no solo a las sustancias, sino también a los tipos comunes del esqueleto de carbono de la molécula. Dichos esqueletos corresponden a hidrocarburos saturados - alcanos, por lo que sus nombres suelen contener el sufijo -en-, adoptado para esta clase de compuestos en la nomenclatura sistemática. Entonces, del nombre de la zanahoria silvestre ( Daucus carota ) provienen los nombres de dos esqueletos de carbono: daukan y carotan [11] . Los nombres de las sustancias se pueden derivar de los esqueletos de carbono agregando prefijos y sufijos de nomenclatura sistemática - -en- (que denota un doble enlace C \u003d C), -ol- ( grupo hidroxilo ), -on- ( cetona ), etc. A fines del siglo XIX - A principios del siglo XX, descifrar la estructura de incluso esqueletos de carbono relativamente simples tomó mucho tiempo, y los nombres de las sustancias a menudo se daban antes de que la estructura se descifrara por completo. Desde entonces, se han conservado nombres ilógicos separados, por ejemplo, canfeno , un hidrocarburo que tiene el esqueleto de isocanfano, no de canfano, y α-fenchen con el esqueleto de isobornilano, no de fenhan [13] . Además de los morfemas sistemáticos, también se utilizan otros que no se emplean en la nomenclatura de la IUPAC, pero que indican las características estructurales de la molécula -iso- (indica el isómero estructural geométrico o más cercano ), nor- (indica la reducción del esqueleto por un átomo de carbono, más a menudo la ausencia de un grupo metilo ), homo- (un aumento en la cadena de carbono o una extensión del ciclo por un átomo), seco- (la apertura de uno de los anillos del esqueleto precursor cíclico) y otros.
La etimología de los nombres puede ser compleja y apuntar, por ejemplo, a hechos históricos y al mismo tiempo a la propiedad de una sustancia. A finales del siglo XVI, Francisco Hernández de Toledo describió la planta de "hoja dulce" sudamericana ahora conocida como Lippia dulcis . El terpenoide aislado de la planta resultó ser 1000 veces más dulce que la sacarosa y recibió el nombre de ernandulcina por el apellido Hernandez y la palabra latina dulcis - "dulce" [14] .
A veces se utilizan abreviaturas. Por ejemplo, en lugar del nombre sistemático completo ácido 22-metil-5,9-octacosadienoico , se usa la notación 22-Me-Δ 5.9 -28:2. En esta entrada, 28 significa el número de átomos de carbono en la cadena principal, correspondiente en este caso al hidrocarburo octacosan, :2 es el número de dobles enlaces , y los índices con la letra Δ son las posiciones de los dobles enlaces en la cadena. [15] .
No existe una clasificación unificada de los compuestos naturales. Existen diferentes enfoques, pero ninguno de ellos es universal: las clasificaciones en varios terrenos se complementan entre sí y pueden usarse según un aspecto químico o biológico específico. Principios básicos de clasificación [16] :
Para los metabolitos primarios se utiliza la clasificación química y en parte por función biológica. Los productos del metabolismo secundario también se dividen en clases según su estructura química y rutas biosintéticas. Dentro de las clases, se indica la pertenencia de sustancias similares en estructura química a las fuentes naturales. La actividad biológica se considera más a menudo como una propiedad del compuesto y no como una característica de clasificación [17] .
Las sustancias orgánicas se clasifican en ciertas clases según los tipos de esqueleto de carbono y grupos funcionales. Esta clasificación se puede aplicar a los compuestos naturales más simples, como hidrocarburos, ácidos grasos, compuestos bifuncionales: cetoácidos, hidroxiácidos, etc., mientras que la mayoría de las sustancias naturales pertenecen simultáneamente a varias clases. Para los compuestos polifuncionales, pueden indicar la pertenencia a una determinada clase si es necesario enfatizar sus funciones características en el cuerpo. Por ejemplo, un grupo de sustancias pertenece a la clase de los aminoácidos , a pesar de que muchos de ellos tienen más de dos grupos funcionales y diferencias significativas en la estructura del esqueleto de carbono [18] .
La clasificación química puede resultar formal, si tenemos en cuenta no sólo la estructura de la molécula, sino también las rutas metabólicas que conducen a la síntesis de compuestos con esta estructura. Un ejemplo de ello es la amplia clase de compuestos naturales llamados isoprenoides . Los precursores de la biosíntesis de la gran mayoría de las sustancias de esta clase son alcoholes poliinsaturados con estructura carbonada, que pueden considerarse como un producto de la oligomerización de hidrocarburos de isopreno . Sin embargo, el precursor biogenético de estos alcoholes no es el isopreno, sino otros compuestos, generalmente ácido acético , menos frecuentemente fosfogliceraldehído y ácido pirúvico [19] .
La bioquímica clasifica las sustancias según su relación con el metabolismo, en metabolitos primarios y secundarios, secundarios, a su vez, según las principales formas de su biosíntesis. La misma ruta metabólica puede eventualmente conducir a compuestos con diferentes estructuras. Por ejemplo, la etapa inicial en la síntesis de metabolitos tanto alifáticos como aromáticos puede ser la acetilación múltiple de la acetil coenzima A con la formación de policétidos , sustancias con grupos metileno y cetona alternados. Esta vía de biosíntesis se llama acetato , y los productos finales del metabolismo se llaman acetogeninas . El anillo de benceno se puede sintetizar de otra manera, el metabolito intermedio clave en el que se encuentra el ácido shikímico . La ruta del shikimato da un anillo de benceno con una cadena recta de tres carbonos unida; estos compuestos se denominan fenilpropanoides [20] .
Pero hay casos en que la biosíntesis de los mismos metabolitos procede de diferentes maneras en diferentes organismos. La síntesis del precursor más simple de los isoprenoides, el pirofosfato de isopentenilo, pasa por el ácido mevalónico ( ruta del mevalonato ), esta ruta prevalece en la vida silvestre, pero hay otra , la ruta del no mevalonato o metileritritol , a través del fosfato de 2-metileritritol. Además, el producto final del metabolismo se puede sintetizar mediante la interacción de dos o más metabolitos intermedios, cada uno de los cuales se forma a lo largo de su propia vía biosintética. Si tal cruce de dos vías se produce en un metabolito intermedio, los productos finales del metabolismo secundario se denominan sustancias de una vía de biosíntesis mixta [18] .
Las sustancias o clases de sustancias que tienen un significado independiente como metabolitos secundarios pueden sufrir cambios adicionales y servir simultáneamente como metabolitos intermedios en otras especies de organismos vivos o en la misma especie. Oxidación de átomos de carbono individuales, halogenación, formación de derivados según grupos funcionales, una serie de reordenamientos del esqueleto de carbono, que a veces conducen a un cambio significativo en la estructura, ciclación, aromatización y viceversa: puede ocurrir la apertura del anillo. En este caso, a partir de una de tales sustancias o clases estructurales, se forma una serie de nuevas sustancias o subclases, que se denominan cascadas o árboles biogenéticos de un antecesor intermedio. Por ejemplo, las sustancias que, según su estructura química o fuentes naturales, pertenecen a las clases de lipoxinas , leucotrienos , prostaglandinas forman la cascada del ácido araquidónico [21] , ya que se sintetizan por modificación adicional de este metabolito. Se conocen numerosos árboles o series biogenéticos entre terpenoides, alcaloides y antibióticos. Un ejemplo es el esqueleto de carbono sesquiterpénico de humulano , que forma un árbol biogenético que incluye subclases como silfinanos , pterosinas, bulleranos , marasmanes , lactaros y otros [ 22] .
Las sustancias naturales se clasifican condicionalmente como biológicamente importantes y biológicamente activas , no existe una línea clara entre estos conceptos [23] .
Las sustancias se denominan biológicamente importantes, cuyo papel fisiológico está claramente expresado y bien estudiado, por ejemplo, los glicéridos, que forman parte de las membranas celulares , sustancias similares a la cera que protegen a las plantas de la desecación. Dichos compuestos suelen ser biológicamente inertes, es decir, cuando se introducen en el organismo en dosis relativamente grandes, no provocan una respuesta específica [24] .
Las sustancias biológicamente activas pueden incluso en cantidades muy pequeñas causar una reacción fisiológica o patológica, incluyen hormonas , por ejemplo, estimulantes e inhibidores del crecimiento de las plantas, antibióticos , toxinas , fitoalexinas , sustancias secretadas por las plantas durante el daño mecánico o en respuesta a una infección, antifidants . proteger plantas y animales de comer, mutágenos , carcinógenos [25] .
Las clases asignadas sobre esta base incluyen sustancias que tienen poco en común entre sí en términos de estructura química y, por el contrario, sustancias de estructura similar pueden exhibir diferentes actividades biológicas. Pero hay casos en que las sustancias con un efecto fisiológico similar también tienen rasgos similares bastante característicos de la estructura química. Por ejemplo, los atrayentes sexuales y otras feromonas de insectos suelen ser hidrocarburos lineales o débilmente ramificados, saturados o insaturados, y derivados monofuncionales de tales hidrocarburos: alcoholes, ácidos carboxílicos, ésteres, cetonas, aldehídos [17] .
Este método de clasificación se usa relativamente raramente, ya que las mismas sustancias se pueden encontrar en diferentes objetos biológicos. En los casos en que se puede utilizar, los compuestos se clasifican principalmente en productos de origen animal, de origen vegetal y aislados de microorganismos, a menudo los metabolitos secundarios de organismos marinos se separan en un grupo separado. La división dentro de estos grupos más grandes se realiza de acuerdo con la filiación taxonómica de los organismos. Hay grupos de sustancias características de ciertos géneros y especies biológicas, por ejemplo, los alcaloides del cornezuelo , la amapola [* 3] y otros [17] .