Terpenoidy (izoprenoidy) Dr Danuta Solecka Zakład Ekofizjologii Molekularnej Roślin

Transkrypt

1 Terpenoidy (izoprenoidy) Dr Danuta Solecka Zakład Ekofizjologii Molekularnej Roślin

2 Terpenami nazywane są naturalne węglowodory, pochodzenia głównie roślinnego, o ogólnym wzorze (C 5 H 8 ) n. Formalnie są one oligomerami izoprenu, w których reszty izoprenowe połączone są ze sobą w sposób ogon-głowa. Terpeny zawierające dodatkowe grupy funkcyjne, np. -OH, -CHO, =CO, - COOH, -O-O- i inne nazywane są terpenoidami. Terpenoidy są bardzo rozpowszechnione w przyrodzie. Ich fragmenty wchodzą w skład tak ważnych, biologicznie czynnych związków jak tokoferole, ubichinony, antybiotyki, alkaloidy czy chlorofile. Do początku XXI w. opisano związków zaliczanych do terpenoidów. Wchodzą w skład olejków eterycznych wydzielanych do atmosfery. Drzewa i krzewy iglaste wydzielają około miliarda ton terpenoidów rocznie. Najbardziej rozpowszechnionymi w przyrodzie monoterpenami są R-(+)- limonen i α-pinen. Na skalę przemysłową, R(+)-limonen produkowany jest w ilości około ton rocznie, metodą ekstrakcji ze skórek owoców cytrusowych. Z kolei α-pinen otrzymywany jest głównie z terpentyny, będącej produktem ubocznym po przerobie pulpy celulozowej drzew iglastych.

3 W zależności od stopnia polimeryzacji n w (C 5 H 8 ) n terpeny dzielą się na: - hemiterpeny n = 1; C 5 H 8 - monoterpeny n = 2; C 10 H 16 - seskwiterpeny n = 3; C 15 H 24 ; - diterpeny n = 4; C 20 H 32 ; - sesterterpeny n = 5; C 25 H 40 ; - triterpeny n = 6; C 30 H 48 ; - tetraterpeny n = 8; C 40 H 64 ; - politerpeny n > 8;

4 Monoterpeny liczna grupa lotnych związków terpenoidowych występująca głównie w olejkach lotnych o zasadniczym wzorze sumarycznym C 10 H 16, których cząsteczka powstaje z połączenia 2 jednostek C 5 - aktywnego izoprenu: monoterpeny acykliczne monoterpeny monocykliczne monoterpeny dicykliczne monoterpeny tricykliczne związki ciekłe lub stałe o silnym zapachu dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych tłuszczowych, są nierozpuszczalne w wodzie są lotne z parą wodną, dlatego wchodzą w skład olejków eterycznych u roślin

5 Monoterpeny niecykliczne zawierają 3 podwójne wiązania. Ich przykładem jest, znajdujący się w igłach świerku mircen. Jego izomer ocymen występuje m.in.w bazylii i w lawendzie. Czerwone glony wytwarzają duże ilości chloromircenu. Najbardziej znane pośród nich nich to izomery cytronelolu, składniki olejku różanego i pelargoniowego. Oba izomery mają silny różany zapach. Izomer (3R)(+) występuje w wydzielinie gruczołów aligatora. Cytronelole i ich estry wykorzystywane są w przemyśle kosmetycznym; zapach estrów w znacznym stopniu zależy od reszty acylowej. Typowym przedstawicielem terpenów monocyklicznych jest limonen. Oba jego izomery chiralne występują w naturze. Najpospolitszym przedstawicielem tej grupy związków jest mentol. Znane są 4 jego stereoizomery. W olejku mięty polnej znajduje się 85% mentolu i 3% neomentolu. Mentol ma właściwości fizjologiczne wykorzystywane w terapii. Działa np. przeciwwymiotnie, znieczula błonę śluzową żołądka, ułatwia trawienie, drażni zakończenia nerwów zimna. Tujeny, (+) i (-), są składnikami m.in. olejków cyprysowego, eukaliptusowego i jałowcowego. W olejku piołunowym występuje (-)-tujol, wolny i jego estry. Znane są sabinen i sabinol; spotykane są także pochodne ketonowe. Borneol, zwany kamforą borneo, ma zapach kamfory; występuje w ponad 100 roślinach jako wolny alkohol lub jego estry. Borneole służą jako dodatki zapachowe do soli kąpielowych, mydeł i preparatów aromatyzujących.

6 Kamfora była znana już w starożytności, do Europy sprowadzili ją Arabowie. Występuje w postaci 2 stereoizomerów oraz racematu. Najczęściej spotykana jest prawoskrętna, zwana naturalną, pospolitą lub japońską. Pozyskuje się ją na drodze destylacji z parą wodną rozdrobnionego drewna drzewa kamforowego (cynamonowiec kamforowy lub kamforowiec lekarski Cinnamonum camphora). Kamfora ma charakterystyczny, silny zapach, drażni skórę i działa miejscowo znieczulająco. Jest hydrofobowa, łatwo sublimuje, z uwagi na zwarty kształt cząsteczki. Stąd powiedzenie: zniknął jak kamfora. Kamfora była podawana jako lek nasercowy. Obecnie jej roztwór w oleju (olejek kamforowy) lub w alkoholu (spirytus kamforowy) stosowany jest do zewnętrznego odkażania, drażnienia (reakcja immunologiczna) czy zapobieganie odleżynom. Jest składnikiem preparatów na katar udrażniających drogi oddechowe i na reumatyzm zmniejszającym bóle reumatyczne. W większych ilościach działa toksycznie. Może powodować drgawki, dezorientację, drażliwość i nadpobudliwość nerwową. W ekstremalnych przypadkach typowe stosowanie kamfory może doprowadzić do hepatoksyczności. Dawki śmiertelne dla dorosłych mieszczą się w granicach mg/kg (doustnie). Ogólnie, ok. 2 gramy powodują silne zatrucie, a 4 gramy są dawką śmiertelną. W połowie XX w. kamfora miała duże znaczenie jako plastyfikator. Po zmieszaniu kamfory (do 25%) z kolodium (nitrocelulozą o małej zawartości N) otrzymano celuloid pierwsze tworzywo sztuczne. Do tego celu stosowano głównie uzyskiwaną z pinenu kamforę syntetyczną. Celuloid jest przeźroczysty i z tego powodu został nazwany szkłem organicznym. Był stosowany do wytwarzania zabawek, szyb organicznych i taśm filmowych (taśmy celuloidowe). W latach 60. XX w. produkcja celuloidu została wstrzymana, ze względu na jego wyjątkową łatwopalność.

7 Olejki eteryczne (VOCs - Volatile organic compounds ) Znanych jest grubo ponad 1000 roślin wydzielających, lotne (tw o ), zwykle przyjemnie pachnące kompozycje zapachowe. Substancje te nazywane olejkami eterycznymi wydzielane są zwykle przez określone części roślin, takie jak kwiaty, owoce, liście, łodygi, drewno, korę lub korzenie. Olejki swoje nazwy zawdzięczają zwykle roślinie, z której pochodzą, np. anyżowy, cedrowy, cynamonowy, cytrynowy, eukaliptusowy, goździkowy, jałowcowy, jaśminowy, kamforowy, kminkowy, koprowy, lawendowy, miętowy, pomarańczowy, różany, rumiankowy, świerkowy, tymiankowy, waniliowy stanowią mieszaniny substancji lotnych o różnym charakterze chemicznym oprócz terpenów i terpenoidów w ich skład wchodzą także estry (octan linalilu), alkohole (benzylowy, fenyloetylowy), aldehydy (cynamowy, benzoesowy), ketony (iron), fenole (tymol), etery (anetol, eugenol), węglowodory, substancje siarkowe, azotowe w skład jednego olejku może wchodzić kilkadziesiąt a nawet kilkaset substancji chemicznych silny i na ogół przyjemny zapach zespół cech: - płynna konsystencja - lipofilność - lotność - czynność optyczna - zapach - technologia otrzymywania (destylacja z parą wodną)

8 Olejki eteryczne izoluje się z materiału roślinnego czterema sposobami: - Destylacja z parą wodną - Ekstrakcja - Tłoczenie na zimno - Wywanianie (enfluerage) Destylacja z parą wodną jest najczęściej spotykaną techniką, którą wykorzystuje się przy uzyskiwaniu większości olejków eterycznych. Materiał roślinny po zlaniu wodą poddaje się destylacji w aparaturze z zamkniętym obiegiem wody. Po pewnym czasie w specjalnie wydzielonej części aparatury (gdzie kondensuje para wodna i składniki olejku) zbiera się olejek, który zlewa się znad warstwy towarzyszącej mu wody. Tłoczenie na zimno polega na mechanicznym wyciskaniu olejku z materiału roślinnego tę technikę wykorzystuje się głównie do produkcji olejków z owoców cytrusowych. Ekstrakcja surowiec poddaje się ekstrakcji rozpuszczalnikiem, w którym rozpuszczają się składniki olejku. Następnie rozpuszczalnik odparowuje się, pozostawiając mniej lotny od niego olejek. Wadą tej metody jest to, że gotowy olejek zawiera resztki użytego do ekstrakcji rozpuszczalnika. Wywanianie (enfluerage) jest to bardzo pracochłonna technika wykorzystywana do uzyskiwania olejków z płatków niektórych roślin np. róży. Na płyty szklane pokryte cienko tłuszczem wykłada się płatki kwiatów. Po ok. 12 godzinach zostają one usunięte, a ich miejsce zastępują nowe, świeże. Ta czynność powtarzana jest kilkukrotnie. Następnie z tłuszczu (zwanego pomadą), poprzez użycie alkoholu, ekstrahuje się substancje aromatyczne. Później alkohol jest odparowywany.

9 Właściwości farmakologiczne olejków: 1. Działanie drażniące skórę (rubefacienta, irritantia), które objawia się jej zaczerwienieniem. Nieumiejętnie użyte olejki mogą wywoływać stany zapalne. Za tego typu działanie odpowiedzialne są takie substancje jak pinen, limonen, kamfora czy borneol oraz izosiarkocjaniany. 2. Działanie moczopędne (diuretica). Polega ono na drażnieniu kanalików nerkowych przez związki pochodzące z olejków eterycznych. Takie właściwości posiada dużo olejków, a szczególnie Oleum Juniperi i Oleum Petroselin. 3. Działanie wykrztuśne (expectorans). Większość olejków o tym działaniu można podawać drogą doustną. Wchłaniają się one wtedy z przewodu pokarmowego i są częściowo wydalane z organizmu przez drogi oddechowe. Drażnią błonę śluzową oskrzeli, prowadząc do nasilonej sekrecji śluzu i pobudzenia ruchu rzęsek wyścielających drogi oddechowe. Prowadzi to w końcu do nasilenia odruchu kaszlu. Olejki o tym działaniu można podawać również droga wziewną za pomocą inhalacji. 4. Działanie przeciwzapalne (antiphlogastica), które związane jest z obecnością azulenów w niektórych olejkach. 5. Działanie żółciopędne i żółciotwórcze (cholagoga, choleretica). Takimi właściwościami charakteryzuje się O. Menthae piperitae i jego główny składnik mentol, oraz takie składniki olejków jak borneol fenchon, pipeny, terpineol. 6. Działanie spazmolityczne (spasmoliticum)w obrębie przewodu pokarmowego. Takie działanie mają surowce olejkowe: Anthodium Chamomillae, F. Carvi, F. Foeniculi, F. Coriandri, Rhizoma Calami i ich wyizolowane olejki. Są one szczególnie często stosowane u dzieci i osób starszych. 7. Działanie przeciwrobacze (anthelmintica), którym charakteryzują sie olejki zawierające tujon np: Herba Absinthii. Ze względu na szeroką gamę nowoczesnych i o wiele bezpieczniejszych leków takie wykorzystanie surowców olejkowych nie jest obecnie spotykane w praktyce. 8. Działanie antyseptyczne (antiseptica), które wykazują olejki zawierające dużo związków fenolowych np: O. Thymi, O. Caryophylii. 9. Działanie polegające na zwiększaniu łaknienia np O. Aurantii, O. Cinnamoni. Najczęściej związane jest z obecnością substancji goryczowych. 10. Inne, indywidualne dla olejków działania np uspokajające dla Oleum Valerianae lub poronne dla Oleum Sabine. 11. Działanie aromatyzujące (corrigentia), które wykorzystuje się do poprawy smaku i zapachu leków.

10 Aromaterapia Aromaterapia jest niekonwencjonalnym sposobem wykorzystania tkwiących w olejkach eterycznych właściwości leczniczych. Opiera się ona na odmiennych, niż w przypadku medycyny tradycyjnej, koncepcjach leczenia człowieka. W aromaterapii zakłada się, że pacjent jest integralną całością, a podawanie olejków ma na celu przywrócenie mu pierwotnej równowagi i pobudzenie jego naturalnych sił obronnych, co prowadzi do usunięcia dolegliwości. Metoda ta wykorzystuje pojedyncze olejki lub ich specjalnie dobrane mieszaniny. Sposoby aplikacji olejków eterycznych w aromatoterapii Kąpiele aromatyczne jest to kąpiel w ciepłej wodzie z dodatkiem niewielkich ilości olejków eterycznych (około 10 kropel olejku na wodę). Kąpiel taka powinna trwać około minut. Niektóre szkoły pozwalają na dodanie do takiej kąpieli niewielkich ilości oleju kokosowego, mleka lub miodu. Po zakończeniu nie należy spłukiwać ciała wodą. Kompresy aromatyczne jest to stosowany miejscowo kompres, który przygotowuje się poprzez nasączenie np. ręcznika wodnym roztworem olejku. Roztwór taki przygotowuje się poprzez dodanie i dokładne wymieszanie 5-10 kropel olejku w połowie szklanki ciepłej wody. Masaże aromatyczne są to masaże części bądź całego ciała, wykonywane z wykorzystaniem olejowych roztworów olejków eterycznych. Po masażu należy poczekać w spokoju kilkanaście minut, co pozwoli na wchłonięcie olejku przez skórę. Lampy zapachowe są to podgrzewane naczynia (miski) zawierające wodę, do której dodaje się 5-10 kropli olejku eterycznego. Ogrzewana woda paruje, a wraz z nią olejek, który oddziałuje na osoby w pomieszczeniu.

11 NF-κB (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) kompleks białkowy działający jako czynnik transkrypcyjny. NF-κB bierze udział w odpowiedzi komórki na stres, cytokiny, wolne rodniki, ultrafiolet, antygeny. Zaburzenia w regulacji NF-κB są powiązane z nowotworami, zapaleniami oraz chorobami autoimmunologicznymi, szokiem septycznym, zakażeniami wirusowymi oraz niewłaściwym rozwojem układu odpornościowego

12 Seskwiterpeny grupa związków naturalnych obejmująca węglowodory o wzorze ogólnym C 15 H 24, mogą mieć strukturę łańcuchową, jedno-, dwu-, trójlub czterocykliczną do seskwiterpenów zalicza się także azuleny i laktony seskwiterpenowe oleiste ciecze lub substancje stałe, trudno lotne lub nielotne, tylko azuleny są lotne z parą wodną rozpuszczają się dobrze w rozpuszczalnikach organicznych Do seskwiterpenów należy fitol, który stanowi fragment wielu biologicznie czynnych substancji, np. chlorofilu, witamin E i K fitol OH

13 Związek Występowanie Właściwości Nepetalakton Nepeta cataria (Lamiaceae) bakteriostatyczne Aukubozyd (aukubina) Euphrasia sp., Veronica sp., Verbascum sp., Melampyrum sp., Plantago sp., Aucuba japonica bakteriostatyczne, ochronne dla wątroby, p/zapalne, spazmolityczne, antidotum na toksyny Amanita sp. Katalpozyd Plantago sp., Verbascum sp. moczopędne Harpagozyd Asperulozyd Scrophularia sp., Galeopsis sp., Ajuga sp., Stachys sp. Rubia sp., Asperula sp., Galium sp., Vaccinium sp. p/bólowe, p/zapalne Werbenalina Verbena officinalis, rodzina Cornaceae antybiotyczne, p/zapalne Loganina Loliolid Strychnos nux vomica, Menyanthes trifoliata Arnica montana, Plantago sp., Digitalis purpurea, Lolium perenne p/zapalne cytotoksyczne Plumerycyna Plumeria sp. p/bakteryjne, p/grzybicze Kwas genipowy Genipa sp. p/bakteryjne, p/grzybicze Oleoeuropeina Olea europaea hipotensyjne, zmniejszające stęż. cholesterolu Ipekozyd Uragoga ipecacuanha wykrztuśne Gencjanina Gentiana sp. p/psychotyczne, uspokajające, p/zapalne Walepotriany: waltrat, acetowaltrat, dihydrowaltrat Valeriana officinalis uspokajające działanie ośrodkowe

14 Budowa trzy pierścienie cykloheksanu jeden pierścień cyklopentanu Składnik cholesterolu hormonów sterydowych kwasów żółciowych Występuje jako pochodne alkoholowe hydroksyketony Układ steranu Cholesterol sterol występujący w organizmach zwierzęcych i roślinnych Sitosterol sterol występujący w organizmach roślinnych

15 Saponiny Saponiny obniżają napięcie powierzchniowe pomiędzy heterogennymi układami, mają właściwości hemolityczne oraz łączą się z cholesterolem. Obniżenie napięcia powierzchniowego w roztworach wodnych przejawia się efektem pienienia (sapo mydło), dlatego organy roślinne bogate w saponiny stosowano jako namiastkę mydła, do prania. W części cukrowej wszystkich saponin występują: glukoza, galaktoza, ramnoza, ksyloza, fukoza, arabinoza, rzadziej kwas galakturonowy i glukuronowy. Łańcuch cukrowy może być prosty bądź rozgałęziony, mogą też występować dwa lub trzy oddzielne łańcuchy cukrowe (mono-, bi i tridesmozydy). Mają działanie lecznicze: moczopędne, wykrztuśne, wzmagają wydzielanie śluzu, wzmagają procesy wchłaniania składników pokarmowych z jelit do krwi, przeciwzapalnie, przeciwbakteryjne, pierwotniakobójcze, przeciwgrzybicze i przeciwwirusowe, pobudzają wydzielanie soku żołądkowego, żółci i soku jelitowego. Mogą wpływać na poziom cholesterolu. Ułatwiają trawienie tłuszczów. Saponiny powodują hemolizę czerwonych krwinek. Wnikają w warstwę lipidową błony komórkowej, ściągają cholesterol do warstwy zewnętrznej błony, co powoduje wniknięcie następnych cząsteczek saponin. Następuje wybrzuszenie i dalej rozerwanie błon komórkowych erytrocytów. Właściwość ta jest wykorzystywana do określania siły działania saponin poprzez indeks hemolityczny - największe rozcieńczenie roztworu saponin, jakie powoduje jeszcze hemolizę krwinek czerwonych. Sapogeniny steroidowe są używane jako adjuwanty przy produkcji szczepionek i jako surowiec do produkcji hormonów sterydowych.

16 Jedną z najważniejszych z punktu widzenia farmaceutycznego sapogenin steroidowych jest diosgenina. Zawiera podwójne wiązanie między C-5 oraz C-6 i jest bardzo dogodnym półproduktem do syntezy kortykosteroidów i hormonów płciowych poprzez degradację łańcucha bocznego w celu otrzymania związków C- 21 (ryc. 3). Występuje ona w rodzinie Dioscoreaceae, a także w niektórych gatunkach rodzin Solanaceae, Fabaceae (np. u Trigonella foenum-graecum) w połączeniu z różnymi cukrami w postaci saponin dioscyny oraz gracyliny. Otrzymywanie progesteronu z diosgeniny przeprowadza się na drodze transformacji mikrobiologicznej. Dalsza przemiana progesteronu w hydroksyprogesteron od lat 50-tych XX wieku zachodzi pod wpływem enzymów Rhizopus arrhizus (wydajność 80-90%). Postępy Fitoterapii 1/2006, s

17 Glikozydy nasercowe Glikozydy steroidowe wzmacniające akcję serca. Kumulują się w mięśniu sercowym; niektóre z nich są bardzo toksyczne. Znalazły zastosowanie w lecznictwie, ale używano je również do zatruwania strzał, białej broni czy do skrytobójstwa. Do najbardziej znanych glikozydów nasercowych należą glikozydy wytwarzane przez naparstnice (Digitalis spp.) i cebulę morską (urginia morska, Scilla maritima=urginea maritima). Podobne glikozydy wyodrębniono także z miłka wiosennego, strofantusa i z konwalii majowej. Są one rzadko stosowane w lecznictwie. W terapii stosuje się zarówno oczyszczone pojedyncze glikozydy nasercowe, ich naturalne lub komponowane mieszaniny, a także preparaty półsyntetyczne. Podwyższają one wydolność serca, bez zwiększania ciśnienia krwi. Poszczególne glikozydy różnią się: czasem rozpoczęcia działania (15 min 6 godz.) trwałością (czas półtrwania 1,5 9 dni) stopniem wchłaniania z układu pokarmowego stopniem wiązania z albuminami krwi Glikozydy bufadienolidowe występują w cebuli morskiej, również w innych roślinach, a także na skórze niektórych gatunków ropuch. Mają podobnie jak glikozydy naparstnicy działanie kardiotoniczne, szybciej jednak ulegają rozkładowi, przez co są słabiej kumulowane.

18 Diterpeny związki grupy izoprenoidowej o zasadniczym wzorze sumarycznym C 20 H 32, odpowiadającym połączeniu czterech pięciowęglowych jednostek aktywnego izoprenu (difosforan geranylogeranylu, GGPP) diterpeny mogą mieć strukturę liniową, jedno-, dwu-, tri- lub tetracykliczną diterpeny można podzielić na lipofilne i hydrofilne hydrofilne diterpeny mają grupę tlenową i lepiej rozpuszczają się w wodzie diterpeny są nielotne z parą wodną występują w niektórych żywicach, substancjach goryczowych, należą do nich także związki o charakterze alkaloidów i witamin

19 Karotenoidy Grupa lipofilowych barwników roślinnych (żółte i pomarańczowe), wywodzących się z jononów, o wzorze sumarycznym = C 40 H 56 Najważniejsze karoteny, są prekursorami witaminy A Oznaczane jako a-, b- i g- karoten W wyniku utleniania karotenów powstaje aldehyd retinowy, będący prekursorem zarówno retinolu jak i kwasu retinowego Są doskonałymi inhibitorami wolnych rodników rodnik karotenylowy jest bardzo stabilny Mają szczególne powinowactwo do rodników nadtlenkowych i liponadtlenkowych Przekształcają tlen singletowy w zwykły tlen w reakcji z tlenem singletowym powstaje wzbudzony (singletowy) karotenoid wzbudzony karotenoid oddaje energię w formie ciepła i wraca do stanu podstawowego 1 O 2 + karotenoid 3 O 2 + karotenoid* karotenoid* karotenoid + ciepło

20 Hormony roślinne i witaminy 1. Auksyny 2. Cytokininy 3. Gibereliny 4. Kwas abscysynowy 5. Etylen 6. Kwas jasmonowy 7. Brassinosteroidy 8. Strigolaktony 1. Witamina A 2. Witamina D 3. Witamina E 4. Witamina K

21 Brassinosteroidy są hormonami roślinnymi szeroko rozpowszechnionymi w przyrodzie. Pierwszym wyizolowanym hormonem z tej grupy jest brassinolid. Brassinosteroidy są regulatorami wzrostu roślin. Kontrolują wzrost pędu, wzrost łagiewki pyłkowej, kiełkowanie nasion, różnicowanie i reakcje komórek na czynniki stresowe. W sadownictwie mają za zadanie pobudzanie zawiązywanie się owoców i ograniczenia ich opadania, z równoczesnym podwyższeniem plonów. W ogrodnictwie powodują wcześniejsze pojawienie się kwiatów i przyrost liczby i masy cebulek kwiatowych. Strigolaktony wpływają na kiełkowanie nasion Striga i Orobanche (Zarazowate) oraz na tworzenie połączeń korzeni z grzybami.