Структурное исследование тритерпеновых гликозидов методами спектроскопии ЯМР

Современная химия природных соединений является самостоятельным разделом, выросшим из общей органической химии и изучает органические вещества, находящиеся в живых организмах — растениях, животных или микроорганизмах. Успехи химии природных соединений в настоящее время неоспоримы — в течение последнего столетия выделено несколько десятков тысяч продуктов метаболизма и установлены их полные химические структуры.

Интерес к изучению природных соединений, их химическому синтезу и установлению путей биосинтеза развивался параллельно с накоплением данных по их строению начиная с пионерских работ В ел ера по изучению мочевины и ее синтезу и заканчивая современными работами по синтезу сложнейших природных соединений (гормонов, алкалоидов, антибиотиков и т. п.), часто полии макроциклических, со многими центрами хиральности.

Значительный качественный скачок в развитии химии природных соединений произошел в начале второй половины ХХ-века благодаря широкому внедрению в химическую практику разнообразных хроматографических методов разделения сложных смесей природных продуктов. Это привело к возможности получения целого ряда минорных соединений, совершенно недоступных ранее при использовании классических, не хроматографических, методов выделения и очистки. С другой стороны, такому прогрессу способствовало и широкое развитие физико-химических методов исследования, особенно масс-, ЯМР-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа, кардинально расширивших возможности традиционных ИКи УФ-спектроскопии. Использование комплекса этих методов позволяло во многих случаях вообще не прибегать к химическим превращениям изучаемых соединений и устанавливать полные структуры при наличии очень малых количеств вещества.

Развитие ядерной химии во второй половине XX века сделало доступным широкий арсенал меченых соединений, причем применение последних в изучении путей биосинтеза и метаболизма оказалось настолько плодотворным, что в настоящее время вопросы биосинтеза естественно рассматриваются как составная часть химии природных соединений [1].

Во второй половине XX века значительно возрос и интерес к вопросам эволюционной биохимии, в частности к изучению путей и направлений эволюционного изменения структур природных соединений, где были достигнуты немалые успехи, в особенности для продуктов первичного метаболизма [2].

Тем не менее, несмотря на значительные достижения химии природных соединений, мы часто располагаем лишь фрагментарными знаниями о многих новых группах природных соединений, о путях биосинтеза даже важнейших групп природных продуктов и о генетическом контроле биосинтеза и эволюционных изменениях природных метаболитов. Не редки случаи, когда роль того или иного природного соединения в огранизме-продуценте остается невыясненной или малоизученной даже при хорошо и всесторонне исследованных биологической и фармакологической активностях. Тем не менее в последнее время в этой области наметился определенный прогресс. К тому же из всех организмов, и главным образом растений, к настоящему времени исследовано еще не более пяти процентов имеющегося в природе числа видов, что открывает широчайшие перспективы для исследований в этой увлекательнейшей области химической науки.

Тритерпеновые гликозиды, или сапонины, представляют собой один из очень многочисленных классов природных соединений и относятся к вторичным метаболитам сложного, или иначе, смешанного биогенеза. Как известно, к первичным метаболитам, имеющим универсальное распространение в растениях, животных и микроорганизмах, относятся аминокислоты, ацетил-кофермент А, нуклеотиды, моносахариды, мевалоновая кислота и ряд других соединений. Вторичными же метаболитами являются продукты специализированных путей биосинтеза, образующиеся из первичных метаболитов и имеющие ограниченные сферы распространения (например алкалоиды, флавоноиды, фенольные соединения, антибиотики, терпеноиды, разнообразные гликозиды, олигосахариды и другие соединения). С биохимической точки зрения терпеноидная часть (агликон, генин) тритерпеновых гликозидов является метаболитом мевалоновой кислоты [1], а углеводные части сапонинов — метаболитами глюкозы или других моносахаридов [3].

С химической точки зрения сапонины рассматриваются как гликозиды тритерпеноидов, составляющих одну из наиболее многочисленных групп природных терпеноидных соединений, построенных из шести изопреновых (С5)-единиц, соединенных в процессе биосинтеза определенным образом, что и обеспечивает их большое разнообразие [4]. Главные группы тритерпеноидов и соответственно их гликозидов представлены тетрациклическими производными рядов ланостана (ланостерина) 1, циклоартана (циклоартенола) 2, даммарана (даммаренола) 3 и эуфана (эуфола) 4, а также пентациклическими производными рядов урсана (а-амирина) 5, олеанана ((3-амирина) 6, лупана (лупеола) 7 и гопана (гопанола) 8 (рис. 1). Все возрастающий интерес к природным тритерпеновым гликозидам обусловлен не только чисто научной стороной вопросов выделения и установления структур новых гликозидов, но и тем, что сапонины обнаруживают чрезвычайно широкий спектр биологической активности. Большинство изученных тритерпеновых гликозидов обладают тем или иным видом действия на клеточном или организменном уровне in vitro или in vivo. У сапонинов обнаружены следующие виды биологической активности: антимикробная, фунгицидная, антивирусная, цитотоксическая и антираковая, антимутагенная, ихтиотоксическая, молюсцицидная, спермицидная и контрацептивная, инсектицидная, антигельминтная, диуретическая, кардиовазикулярная, противовоспалительная, антиэксудативная, анальгетическая, иммуномодулирующая, адаптогенная, седативная,.

Рисунок В-0.1. гипогликемическая, антиаллергическая и другие [5], а также аллелопатическая активность в биоценозах (угнетение роста конкурирующих видов) [6].

Необходимость установления структуры тритерпеновых гликозидов обусловлена также важностью решения хемотаксономических задач (проблем разграничения видов, родов, семейств) с использования сведений о распространении определенных соединений.

Кроме того, сапонины и экстракты сапониноносных растений в последнее время все шире используются в коммерческих масштабах в пищевой промышленности, сельском хозяйстве [6] и медицине [7]. Особую ценность для медицины представляют выявленные у ряда тритерпеновых гликозидов, в частности из южноамериканского растения Quillaja saponaria, иммуномодулирующие свойства, широко исследуемые с точки зрения использования в вакцинах для человека [8].

Цели работы.

Целью настоящей работы является: установление строения ряда тритерпеновых гликозидов, выделенных из различных растений семейств Araliaceae (Аралиевые), Leguminosae (Бобовые) и Zygophyllaceae (Парнолистниковые) современными методами спектроскопии ЯМР, выявление характерных для данных семейств агликонов и монои олигосахаридов, а также создание поисковой компьютерной программы для идентификации известных тритерпеновых гликозидов на основании химических сдвигов ядер 13С и 1Н.

Научная новизна полученных результатов.

Разработана универсальная методика установления структуры тритерпеновых гликозидов методами спектроскопии ЯМР, при помощи которой исследовано 79 сапонинов. 52 исследованных соединения оказались новыми, остальные были идентифицированы как ранее известные гликозиды 1 по признаку совпадения спектров ЯМР С. Обнаружен также ранее неизвестный тритерпеноид — 3 (3,23,27-триокси-19(ЗН-лу пановая кислота и установлено его строение методами спектроскопии ЯМР. Для всех исследованных соединений получена спектральная информация, обобщение которой позволило создать базу данных для поисковой компьютерной программы для идентификации тритерпеновых гликозидов по хим. сдвигам.

13 1.

С и Н. Полученная структурная информация оказалась полезной биологам для решения хемотаксономических задач. Все работы по выделению и очистке веществ, а также съемка ИКи масс-спектров были выполнены соавторами по публикациям.

Апробация результатов диссертации.

Полученные в результате работы результаты были представлены на III всероссийской конференции «ЯМР в структурных исследованиях» (Казань, апрель 2000 г.), на XX и XXI международных симпозиумах по химии углеводов (Гамбург, август 2000 г., Австралия, июль 2001 г.), на IV международной конференции по химии природных соединений (Турция, 2001 г.), на XI и XII европейских симпозиумах по химии углеводов (Лиссабон, 2001 г., Гренобль, 2003 г.), на XIX международной конференции по химии гликоконъюгатов (Гаага, август 2001 г.).

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 39 работ, из них 13 статей в научных журналах и 26 тезисов докладов на симпозиумах и конференциях, 4 статьи готовятся к публикации.

Используемые сокращения и аббревиатуры.

БД — база данных.

КССВ — константа спин-спинового взаимодействия м.д. — миллионная доля хим. сдвиг, х.с. — химический сдвиг.

ЯЭО — ядерный эффект Оверхаузера.

APT — Attached Proton Test.

DEPT — Distortionless Enhancement by Polarization Transfer INEPT — Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer COSY — Correlation Spectroscopy.

COSY RCT — Correlation Spectroscopy Relay Coherence Transfer TOCSY — TOtal Correlation Spectroscopy.

ROESY — ROtating frame nuclear Overhauser effect Spectroscopy.

HSQC — Heteronuclear Single Quantum Coherence.

HMBC — Heteronuclear Multiple-Bond Correlation.

HMQC — Heteronuclear Multiple Quantum Correlation.

Ac — ацетил.

Agl — агликон.

З-Api/ - P-D-апиофуранозил a-Ara/>, Ara — a-L-арабинопиранозил a-Ага/ Arafa-L-арабинофуранозил (3-Galp, Gal — P-D-галактопиранозил (3-Glcp, Glc — P-D-глюкопиранозил P-GlcA, GlcA — P-D-глюкуронопиранозил р-Quip, Qui — (З-Б-хиновопиранозил a-Rhap, Rha — a-L-рамнопиранозил P-Xylp, Xyl — (З-В-ксилопиранозил.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

выводы.

1. Разработана универсальная методика исследования структуры тритерпеновых гликозидов современными методами спектроскопии ЯМР.

2. Установлено строение 52 ранее неизвестных тритерпеновых гликозидов семейств АгаПасеае (Аралиевые), Ье? шшпозае (Бобовые) и 2у§ орЫ11асеае (Парно листниковые).

3. Обнаружен и полностью охарактеризован методами ЯМР новый тритерпеновый агликон — Зр, 23,27-триокси-19(ЗН-лупановая кислота, выделенный в составе гликозида из ^с/ае^егор^/л' ankgae (сем. Аралиевые).

4. Впервые охарактеризованы спектрами 'Н ЯМР ряд тритерпеновых гликозидов и их агликонов с известной структурой.

5. Разработана поисковая компьютерная программа идентификации тритерпеновых гликозидов по их спектрам 13С.