Терпеноиды

Терпеноиды (изопреноиды) — это обширный класс природных органических соединений, производных изопрена (C₅H₈), структурной единицей которых является изопреновый фрагмент. Терпеноиды являются вторичными метаболитами растений, грибов, микроорганизмов и некоторых животных. Они выполняют разнообразные биологические функции: служат компонентами эфирных масел, смол, каучука, пигментов, стероидов и витаминов. Многие терпеноиды обладают выраженной биологической активностью (антимикробной, противовоспалительной, противоопухолевой) и широко используются в медицине, парфюмерии и пищевой промышленности.

История открытия и изучения

Первые упоминания о веществах, впоследствии отнесённых к терпеноидам, относятся к античности — эфирные масла растений (например, ладан, мирра, скипидар) применялись в медицине и культовых обрядах. Систематическое изучение началось в XIX веке. В 1837 году немецкий химик Юстус фон Либих выделил из скипидара углеводород состава C₁₀H₁₆, названный терпеном (от лат. Terebinthina — скипидар). В 1853 году французский химик Шарль Жерар установил, что многие природные соединения, включая камфору, построены из изопреновых звеньев. В 1887 году немецкий химик Отто Валлах разработал методы разделения и идентификации терпенов, за что в 1910 году получил Нобелевскую премию по химии. В XX веке с развитием спектроскопии и хроматографии были открыты тысячи новых терпеноидов, а в 1950-х годах выяснен биосинтетический путь (мевалонатный путь), за что в 1965 году Конрад Блох и Феодор Линен получили Нобелевскую премию.

Классификация

Терпеноиды классифицируют по числу изопреновых звеньев (C₅) в молекуле:

• Монотерпеноиды (C₁₀) — два изопреновых звена. Примеры: лимонен (цитрусовые), ментол (мята), камфора (камфорное дерево), гераниол (роза).
• Сесквитерпеноиды (C₁₅) — три звена. Примеры: фарнезол (ландыш), артемизинин (полынь однолетняя, Artemisia annua), азулен (ромашка).
• Дитерпеноиды (C₂₀) — четыре звена. Примеры: фитол (компонент хлорофилла), ретинол (витамин A), таксол (из тиса, Taxus brevifolia), гиббереллины (фитогормоны).
• Сестертерпеноиды (C₂₅) — пять звеньев. Встречаются редко, например, в морских губках.
• Тритерпеноиды (C₃₀) — шесть звеньев. Примеры: сквален (компонент кожного сала), стероиды (холестерин, кортизол, половые гормоны), сапонины (женьшень).
• Тетратерпеноиды (C₄₀) — восемь звеньев. Примеры: каротиноиды (β-каротин, ликопин, лютеин).
• Политерпеноиды (C₅₀ и более) — более восьми звеньев. Примеры: натуральный каучук (цис-1,4-полиизопрен), гуттаперча (транс-1,4-полиизопрен).

По наличию кислородсодержащих групп терпеноиды делят на:

• Терпены — углеводороды (только C и H). Пример: α-пинен (сосна).
• Терпеноиды — кислородсодержащие производные (спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, эфиры). Пример: ментол (спирт), камфора (кетон), цитраль (альдегид).

Биосинтез

В природе терпеноиды синтезируются двумя основными путями:

1. Мевалонатный путь (MVA) — протекает в цитоплазме клеток растений, грибов и животных. Из ацетил-КоА через мевалоновую кислоту образуется изопентенилпирофосфат (IPP) и его изомер диметилаллилпирофосфат (DMAPP).
2. Метилэритритолфосфатный путь (MEP) — протекает в пластидах растений и у большинства бактерий. Из пирувата и глицеральдегид-3-фосфата через 1-дезокси-D-ксилулозо-5-фосфат (DOXP) образуются IPP и DMAPP.

Оба пути дают одни и те же предшественники (IPP и DMAPP), которые затем конденсируются ферментом пренилтрансферазой с образованием геранилпирофосфата (GPP, C₁₀), фарнезилпирофосфата (FPP, C₁₅) и геранилгеранилпирофосфата (GGPP, C₂₀). Далее циклазы (терпенсинтазы) превращают эти предшественники в разнообразные циклические и ациклические терпеноиды.

Физико-химические свойства

Терпеноиды — маслянистые жидкости или кристаллические вещества (в зависимости от молекулярной массы и структуры). Они летучи (особенно моно- и сесквитерпеноиды), что объясняет их роль в аромате растений. Большинство терпеноидов нерастворимы в воде, но растворимы в органических растворителях (этанол, эфир, хлороформ). Многие терпеноиды оптически активны (вращают плоскость поляризованного света). Температура кипения и плавления варьирует в широких пределах: ментол плавится при 42–44 °C, камфора — при 179 °C, β-каротин — при 183 °C.

Применение

Медицина и фармакология

Терпеноиды обладают широким спектром фармакологической активности:

• Артемизинин (сесквитерпеноид из полыни однолетней) — противомалярийное средство, рекомендованное ВОЗ. За открытие его противомалярийных свойств китайская учёная Ту Юю получила Нобелевскую премию в 2015 году.
• Таксол (паклитаксел, дитерпеноид из тиса) — противоопухолевый препарат, применяемый при раке яичников, молочной железы и лёгких.
• Ментол — местное обезболивающее и противозудное средство, входит в состав мазей и ингаляторов.
• Камфора — стимулятор дыхания и кровообращения, используется в наружных средствах при ревматизме.
• Глицирризиновая кислота (тритерпеноид из корня солодки) — противовоспалительное и противовирусное средство.
• Стероиды (тритерпеноиды) — основа гормональных препаратов (кортикостероиды, половые гормоны).

Парфюмерия и косметика

Эфирные масла, содержащие моно- и сесквитерпеноиды, широко используются в парфюмерии (гераниол, линалоол, цитронеллол), а также в косметике (ментол, камфора, сквален — увлажнитель кожи).

Пищевая промышленность

• Каротиноиды (β-каротин, ликопин) — природные красители (Е160a, Е160d) и провитамины A.
• Лимонен — ароматизатор цитрусовых.
• Ментол — вкусоароматическая добавка в кондитерских изделиях и напитках.

Промышленность

• Натуральный каучук (политерпеноид) — сырьё для производства резины, шин, изоляционных материалов.
• Скипидар (смесь монотерпенов, в основном α-пинена) — растворитель для лаков и красок, сырьё для синтеза камфоры и других терпеноидов.
• Гуттаперча — изоляционный материал в электротехнике.

Интересные факты

• В 2013 году учёные из Массачусетского технологического института (MIT) создали штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae, способный синтезировать артемизинин из простых сахаров, что позволило наладить промышленное производство этого противомалярийного препарата.
• Сквален (тритерпеноид) впервые выделен из печени акулы (лат. Squalus — акула), но также содержится в оливковом масле и кожном сале человека.
• Каротиноиды придают окраску многим фруктам и овощам: ликопин — красный цвет томатам, β-каротин — оранжевый цвет моркови, лютеин — жёлтый цвет кукурузы.
• Терпеноиды являются основой биологически активных добавок (БАД) на основе эфирных масел, однако их эффективность и безопасность требуют клинических исследований.

Источники

• Dewick P. M. Medicinal Natural Products: A Biosynthetic Approach. — 3rd ed. — Wiley, 2009.
• Breitmaier E. Terpenes: Flavors, Fragrances, Pharmaca, Pheromones. — Wiley-VCH, 2006.
• Bohlmann J., Keeling C. I. «Terpenoid biomaterials». The Plant Journal, 2008, 54(4): 656–669.
• Ту Юю. «Открытие артемизинина — дара традиционной китайской медицины миру». Нобелевская лекция, 2015.
• Государственная фармакопея Российской Федерации, XIV издание, 2018 (раздел «Лекарственное растительное сырьё»).