Bài giảng Hợp chất thứ cấp thiên nhiên - Chương 1: Giới thiệu chung

HỢP CHẤT THỨ CẤP THIÊN NHIÊN NATURAL SECONDARY COMPOUNDS HỢP CHẤT THỨ CẤP THIÊN NHIÊN NATURAL SECONDARY COMPOUNDS PHẦN GIỚI THIỆU CHUNG NỘI DUNG • Giới thiệu tổng quan về hợp chất thứ cấp thiên nhiên • Phân loại hợp chất thứ cấp thiên nhiên và các con đường sinh tổng hợp • Phương pháp tách chiết, định tính, định lượng và nhận diện các nhóm hợp chất thứ cấp thiên nhiên cơ bản. • Phương pháp xác định hoạt tính sinh học và ứng dụng của các nhóm hợp chất thứ cấp thiên nhiên cơ bản • Giới thiệu về tiềm năng ứng dụng công nghệ sinh học trong việc phát hiện, sản xuất và ứng dụng các hợp chất thứ cấp thiên nhiên LÝ THUYẾT PHÒNG THÍ NGHIỆM • Làm việc trong phòng thí nghiệm • Làm quen với các thiết bị phân tích cơ bản Tách chiết và phân tích HPLC GC-MS NMR Tách chiết và phân tích Thử nghiệm sinh học Sản xuất công nghiệp CO2 Extraction Supercritical CO2 Extraction CHƯƠNG 1 Giới thiệu tổng quan về hợp chất thứ cấp thiên nhiên HỢP CHẤT THỨ CẤP THIÊN NHIÊN KHÁI NIỆM HỢP CHẤT THỨ CẤP THIÊN NHIÊN Chương 1. HỢP CHẤT THỨ CẤP THIÊN NHIÊN KHÁI NIỆM HỢP CHẤT THỨ CẤP THIÊN NHIÊN • Hợp chất tự nhiên là hợp chất hóa học hay chất được tạo ra bởi sinh vật sống trong tự nhiên. • Theo nghĩa rộng nhất, các sản phẩm tự nhiên bao gồm bất kỳ chất được sản xuất ra (tự nhiên và nhân tạo) có nghĩa là bao gồm cả sản phẩm tự nhiên cũng có thể được chuẩn bị bằng cách tổng hợp hóa học (bán tổng hợp hoặc tổng hợp mới hoàn toàn). • Các sản phẩm tự nhiên bao gồm các hợp chất chống oxy hóa, kháng khuẩn, kháng nấm, các chất màu thực phẩm, thuốc và thậm chí cả chất độc. Metabolic pathways Ứng dụng hợp chất tự nhiên • Thuốc chữa bệnh (ung thư, trợ tim, thần kinh) • Kháng sinh, kháng viêm • Chống oxy hóa, tăng cường miễn dịch • Diệt côn trùng, ký sinh • Hương liệu • Chất màu bổ sung thực phẩm Ứng dụng terpenoid • Nước hoa, dầu thơm • Dược phẩm (kháng viêm, kháng khuẩn) • Xua đuổi côn trùng Ứng dụng các hợp chất polyphenol (Flavonoid) • Chống oxy hóa, bảo vệ cơ thể, ngăn ngừa xơ vữa động mạch, tai biến mạch, lão hoá, thoái hoá gan, tổn thương do bức xạ. • Chống độc, làm giảm thương tổn gan, bảo vệ chức năng gan. • Mỹ phẩm (chống UV, chống lão hóa hoặc làm chậm quá trình lão hóa). Ứng dụng alkaloid • Có độc tính với nhiều sinh vật (hệ thống thần kinh và tuần hoàn) • Các chất giảm đau hay gây tê (morphin hay codein), an thần, cũng như trong một số ứng dụng khác. • Tác dụng hạ huyết áp: reserpine, serpentin • Tác dụng chống ung thư: taxol, vinblastine, vincristine • Tác dụng diệt ký sinh trùng, diệt khuẩn: quinine, berberine, arecoline, emetine Trao đổi chất và sự tổng hợp các chất Trao đổi chất sơ cấp Trao đổi chất và sự tổng hợp các chất Trao đổi chất thứ cấp Các hợp chất tự nhiên: Có hơn 300.000 chất chuyển hóa thứ cấp tồn tại, và chức năng chính của chúng là để tăng khả năng sống sót của một sinh vật tổng hợp ra những chất này thông qua việc đẩy lùi hoặc thu hút các sinh vật khác. Các nhóm hợp chất alkaloids, các chất kháng sinh, các loại thuốc điều trị mới, thuốc kháng sinh, thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ. MEP = methyl erythritol phosphate citric acid cycle First step in Calvin cycle Product of glycolysis glycolysis intermediate product Calvin cycle intermediate product Alkaloids Citric acid cycle intermediate •Products and intermediates from primary metabolism (photosynthesis, respiration) feed into 2° pathways Một số khái niệm quan trọng • Trao đổi chất: Là một loạt các phản ứng hóa học xảy ra trong một tế bào thường được xúc tác bởi enzyme, ion kim loại, vitamin, cofactor. • Chất trao đổi: Là những chất đóng vai trò làm tiền chất hay chất trung gian • Chất chống trao đổi (antimetabolite): Một chất được gọi là chất chống trao đổi là chất có khả năng ức chế việc sử dụng một chất chuyển hóa khác. Những chất như vậy thường có cấu trúc tương tự với các chất chuyển hóa mà chúng can thiệp. Sự hiện diện của các chất chống trao đổi có thể có tác dụng độc hại đối với các tế bào, chẳng hạn như ngăn chặn sự tăng trưởng và phân chia tế bào, do đó, những hợp chất này thường được sử dụng trong hóa trị ung thư. • Tập hợp các chất trao đổi (metabolome): Tất cả các chất trao đổi được tạo ra trong tế bào, mô hoặc sinh vật ở những điều kiện nhất định. • Nghiên cứu trao đổi chất (metabolomics): Nghiên cứu toàn bộ các phản ứng chuyển hóa và con đường chuyển hóa trong tế bào, mô hoặc sinh vật ở những điều kiện nhất định. CÁC NGUỒN HỢP CHẤT THỨ CẤP TRONG TỰ NHIÊN • Động vật • Các loài động vật có nọc độc như rắn, nhện, bọ cạp, sâu bướm, ong, ong bắp cày, rết, kiến, cóc, ếch và đã thu hút nhiều sự chú ý. • Nguyên nhân là do các thành phần nọc độc (peptide, enzyme, nucleotide, chất béo, các amin sinh ) thường tác động rất đặc hiệu với một số phân tử đích trong cơ thể (ví dụ như α-bungarotoxin từ rắn hổ mang). • Tương tự như ở thực vật, các hợp chất từ động vật có khả năng giết chết hoặc làm tê liệt con mồi hoặc bảo vệ chống lại kẻ thù để tăng khả năng sống sót và sinh sản. • Nấm/vi nấm • Một số loại thuốc chống nhiễm trùng bắt nguồn từ nấm bao gồm penicillin từ Penicillium chrysogenum và các cephalosporin từ Cephalosporium acremonium. • Vi sinh vật • Thực vật Tổng hợp hóa học và cải biến sinh học • Tổng hợp hoàn toàn • Các hợp chất tự nhiên cũng bao gồm các các chất nguồn gốc từ tổng hợp hóa học. • Nếu như không quá phức tạp, nhiều chất được tổng hợp tương đối đơn giản và chi phí thấp. Trong một số trường hợp, cần có sự kết hợp giữa tổng hợp hóa học và chuyển hóa trung gian bằng sinh học. • Ví dụ một số thuốc như penicillin, morphine, và paclitaxel được khai thác không phải bằng cách tách chiết từ các nguồn tự nhiên như nấm hay mô thực vật mà hiện nay chúng được tạo ra từ lên men các vi sinh vật hoặc sử dụng các chủng sản xuất cải biến di truyền. • Bán tổng hợp • Quá trình tách các sản phẩm tự nhiên từ nguồn của nó có thể rất tốn tiền và thời gian hoặc nguồn tài nguyên thiên nhiên không còn nhiều như trước đây để có thể khai thác. Ví dụ, người ta ước tính rằng vỏ của toàn bộ một cây thủy tùng (Taxus brevifolia) sẽ phải được thu hoạch và tách chiết với hiệu suất rất cao cũng chỉ đủ để sản xuất paclitaxel đủ cho chỉ một liều duy nhất trong điều trị ung thư. Hơn nữa, số lượng các cấu trúc có hoạt tính sinh học chỉ tồn tại với lượng rất nhỏ nếu tách chiết từ tự nhiên do sự giới hạn bởi các sinh vật. • Trong trường hợp như vậy, cần thiết phải có một bước tổng hợp trung gian ở giai đoạn giữa hoặc cuối để tạo ra được hơp chất mong muốn. Quá trình này được gọi là bán tổng hợp hoặc tổng hợp một phần. Với phương pháp này, quá trình sinh tổng hợp trung gian liên quan đến việc thu sản phẩm/tiền chất rồi từ đó chuyển hóa sang dạng sản phẩm cuối cùng có hoạt tính sinh học. Các hợp chất terpen • Components of “essential oils” (i.e., “essences” of plants not “necesseties”) • Numerous applications in medicine. Con đường tổng hợp terpen -- Basic unit is 5-Carbon Isoprene Các dạng terpen *All with Carbon atoms in multiples of 5* Cấu trúc terpen Các alkaloid • Morphine was the first alkaloid identified (1806) • Over 10,000 different alkaloids are now known. • Important defensive molecules in plants. • toxic/repellent effects against many animals. Một số loại Alkaloid quan trọng Một số loại Alkaloid quan trọng Các dạng Alkaloid *All have N atoms incorporated into a ring structure.* Alkaloids Các hợp chất phenol Các hợp chất phenol Các hợp chất phenol TỔNG HỢP CÁC LOẠI HỢP CHẤT TỰ NHIÊN CHÍNH HỢP CHẤT NÀO DƯỚI DÂY LÀ ALKALOID, TERPENOID và PHENOL VAI TRÒ CỦA CÁC HỢP CHẤT TỰ NHIÊN HẤP DẪN/DẪN DỤ THỤ PHẤN Aristolochia, “pipevine” Aquilegia, “columbine”Magnolia •Các loài thụ phấn bị dẫn dụ bởi màu sắc, hương thơm, kiểu dáng (mật, hương thơm, axit amin) • Các hợp chất thứ cấp liên quan trực tiếp đến quá trình thu hút, dẫn dụ thụ phấn (phenolics, terpenoids). Calochortus leichtlinii, “Mariposa lily” Các hợp chất tạo hương và màu sắc ở thực vật Màu hoa và mùi hoa thường là các sản phẩm hợp chất tự nhiên, chẳng hạn anthocyanins Các hợp chất hỗ trợ phát tán hạt • Các chất đường, ngọt, mùi thơm, mật đều dẫn dụ chim • Các loại quả hạch có tác dụng bảo vệ phôi khỏi bị hỏng nhưng lại có phần thịt quả thơm ngon giúp chúng được phân tán tốt hơn do chim bay mang đi theo. Các hợp chất giúp đề kháng • Thực vật sử dụng các hợp chất tự nhiên để tăng sức đề kháng – Nhóm tấn công bao gồm; vi khuẩn, nấm, động vật có vú, ăn cỏ • Một số hợp chất có đặc điểm xua đuổi, gây khó chịu – Mùi khó ngửi, vị khó chịu – Một số loại hợp chất có thể gây độc • Côn trùng, đặc biệt là loại đồng tiến hóa sẽ ăn các chất độc của cây và dự trữ trong cơ thể để bản thân có thể chống lại các động vật ăn chúng. Các hợp chất tăng cường đề kháng • Động vật ăn cỏ tránh không ăn cây coca plant (cocaine) và lá cà phên (caffeine) do sự có mặt của nhóm chất alkaloid có độc đối với chúng • Các hợp chất Glycoalkaloid đi/thấm qua màng tế bào da hoặc niêm mạc miệng, lưỡi sẽ làm hỏng lớp màng lót ở khoang miệng và dạ dày. – Khoai tây nảy mầm (Solanum tuberosum) – Cà chua xanh/chưa chin (Lycopersicon esculentum) – Hoa cà (Solanum dulcamara) – Cây hoa chuông Glycoalkaloids Glycoalkaloids = alkaloid gắn với phân tử đường - Được sản xuất trong củ khi tiếp xúc với ánh sáng - bảo vệ tự nhiên chống lại động vật ăn cỏ. Hàm lượng chất diệp lục cũng tăng ( xanh của khoai tây), nhưng vị đắng cho thấy sự tích tụ solanine. Phá vỡ cân bằng ion tế bào, dẫn đến chết tế bào. Các triệu chứng bao gồm nôn mửa, tiêu chảy ở động vật có xương sống Hợp chất chống côn trùng ăn lá • Solanum tuberosum: khoai tây • Ngoài việc sản xuất alkaloid, lá say khi bị côn trùng tấn công sẽ kích thích tăng tổng hợp sản xuất chất ức chế protease • Những chất này làm gián đoạn quá trình tiêu hóa và phát triển của côn trùng • Những chiếc lá bị hư hại cũng gửi thông điệp hóa học đến những chiếc lá khác bên cạnh (gần đó) và “nói với các lá đó hãy làm điều tương tự, tổng hợp các hợp chất để giúp đề kháng lại côn trùng hoặc động vật ăn lá” Các hợp chất terpen làm tín hiệu để thu hút thiên địch của côn trùng (bọn ký sinh ăn côn trùng) Cây phát ra terpen dễ bay hơi thu hút những kẻ thù tấn công côn trùng/sâu. Zea mays (ngô) bị hư hại bởi ấu trùng bướm 1. Cây ngô tổng hợp và giải phóng ra terpen thu hút ong bắp cày ký sinh 2. Ong bắp cày đẻ trứng trên ấu trùng sâu, ấu trùng sẽ ký sinh trên sâu làm sâu chết. 3. Chỉ những cây bị sâu tấn công mới tổng hợp ra hợp chất terpen để dẫn dụ ong bắp cày. Bướm và các hợp chất glycoside trợ tim (Cardiac Glycosides) • Cỏ sữa chứa glycoside trợ tim (terpen) • Bướm ngài ăn lá và dự trữ chất độc trong cơ thể của chúng • Sau khi chuyển hóa, bướm ngài lưu giữ các chất độc này để phòng khi chim tấn công ăn thịt chúng Thí nghiệm Naïve bluejay • Chim ăn bướm sẽ bị ốm nặng hoặc có thể chết • Nhưng con chim khác sẽ nhanh chóng học hỏi và rút kinh nghiệm, chúng sẽ nhận ra những con bướm này và không ăn những con bướm này nữa Khả năng bắt chước để tự bảo vệ • Và nhiều loại bướm khác cũng có khả năng bắt chước theo cách này. • Các con bướm không ăn hoặc sẽ bị chim tấn công vì chúng không có chứa terpenoid cardiac glycosides