ترپن Terpene چیست؟ مشخصات، ساختار، عملکرد و طبقه بندی آنها

خواندن این مطلب 9 دقیقه زمان میبرد

ترپن ها، همچنین به عنوان ترپنوئیدها یا ایزوپرنوئیدها شناخته می شوند، از نظر شیمیایی و ساختاری متنوع ترین خانواده محصولات طبیعی را تشکیل می دهند. در حال حاضر بیش از ۸۰۰۰۰ عضو در یک خانواده بزرگتر که شامل استروئیدها و کاروتنوئیدها نیز می شود، ترپنوم تقریبا یک سوم از کل ترکیباتی را تشکیل می دهد که در حال حاضر بعنوان محصولات طبیعی مشخص شده اند. پیچیدگی ساختاری این ترکیب شیمیایی وسیع، ریشه‌های بیوسنتزی نسبتاً ساده را نشان می‌دهد: واکنش‌های جفت شدن سر به دم پیش‌سازهای ۵ کربنی، دی‌فسفات‌های ایزوپرنوئید C5n خطی و غیرخطی تولید می‌کنند که به نوبه خود تحت واکنش‌های چرخه‌ای قرار می‌گیرند تا تعداد بی‌شماری از محصولات به‌طور معمول حاوی حلقه‌های ذوب شده و استریوسترهای متعدد باشند. این واکنش ها توسط آنزیم هایی کاتالیز می شوند که به عنوان ترپنوئید سنتازها شناخته می شوند. ترپنوئید سنتازها که واکنش‌های چرخه‌سازی را کاتالیز می‌کنند، به عنوان سیکلازهای ترپنوئیدی نیز شناخته می‌شوند. واکنش‌های چرخه‌سازی ترپنوئیدی پیچیده‌ترین واکنش‌هایی هستند که در طبیعت یافت می‌شوند. علاوه بر این، از آنجایی که ترپنوئیدهای حلقوی معمولا در غیاب آنزیم نمی توانند از پیش سازهای خطی تولید شوند، افزایش سرعت کاتالیزوری ترپنوئید سیکلاز نسبت به نرخ غیرکاتالیز نشده بسیار زیاد است. نشریه جهان شیمی فیزیک از ترپن ها و انواع آنها اطلاعات جامعی در اختیارتان قرار میدهد.

فهرست مطالب

ترپن ها و انواع ترپن

محصولات طبیعی ترکیباتی هستند که از منابع طبیعی مختلف مانند گیاهان، حیوانات، میکروب ها، حشرات، پاتوژن های گیاهی و اندوفیت ها و دریا جدا می شوند. اینها به عنوان متابولیت های ثانویه شناخته می شوند زیرا به دلیل برداشتن آنزیمی متابولیت های اولیه (اسیدهای آمینه، قندها، ویتامین ها و غیره) تشکیل می شوند. ترپن ها متعلق به بزرگترین کلاس متابولیت های ثانویه هستند و اساسا از پنج واحد ایزوپرن کربن تشکیل شده اند که به هزاران روش به یکدیگر مونتاژ می شوند (واحدهای ایزوپرن زیادی). ترپن‌ها هیدروکربن‌های ساده‌ای هستند، در حالی که ترپنوئیدها کلاس اصلاح‌شده‌ای از ترپن‌ها با گروه‌های عاملی مختلف و گروه متیل اکسید شده هستند که در موقعیت‌های مختلف جابجا یا حذف شده‌اند. ترپنوئیدها به مونوترپن ها، سسکوئی ترپن ها، دی ترپن ها، سسترپن ها و تری ترپن ها بسته به واحدهای کربن آن تقسیم می شوند. بیشتر ترپنوئیدها با تنوع در ساختارشان از نظر بیولوژیکی فعال هستند و در سراسر جهان برای درمان بسیاری از بیماری ها استفاده می شوند. بسیاری از ترپنوئیدها سلول های سرطانی مختلف انسان را مهار می کنند و به عنوان داروهای ضد سرطان مانند تاکسول و مشتقات آن استفاده می شوند. بسیاری از طعم‌دهنده‌ها و رایحه‌های دلپذیر به دلیل عطر و بوی خوب آن از ترپن تشکیل شده‌اند. ترپن ها و مشتقات آن به عنوان داروهای ضد مالاریا مانند آرتمیزینین و ترکیبات مرتبط استفاده می شود. در این میان ترپنوئیدها نقش متنوعی در زمینه غذاها، داروها، لوازم آرایشی، هورمونی، ویتامین ها دارند.

مونوترپن ها

مونوترپن ها از ۱۰ اتم کربن با دو واحد ایزوپرن و فرمول مولکولی C10H16 تشکیل شده اند. اینها به طور طبیعی در اسانس ها و روغن های ثابت گیاهان و منابع مرتبط وجود دارند. مونوترپن ها از نظر ساختاری به انواع ترکیبات غیر حلقوی، تک حلقه ای و دو حلقه ای تقسیم می شوند. ترکیبات متعلق به این دسته معمولا عطر و بوی قوی دارند و در بسیاری از شرکت های داروسازی استفاده می شوند. مخلوط روغن های مختلف مبتنی بر مونوترپن به عنوان رایحه برای ساخت عطر و سایر مواد آرایشی استفاده می شود. بیشتر مونوترپن ها از نظر بیولوژیکی فعال هستند و فعالیت های ضد باکتریایی قوی دارند. فعالیت ضد توموری اسانس های بسیاری از گونه ها به وجود مونوترپن ها در ترکیب آنها مربوط می شود. در اینجا، ما برخی از مونوترپن های فعال اخیرا منتشر شده را مورد بحث قرار می دهیم.

سسکی ترپن ها

سسکی ترپن ها دسته متابولیت های ثانویه ای هستند که از سه واحد ایزوپرن (C15H24) تشکیل شده و به شکل های خطی، حلقوی، دو حلقه ای و سه حلقه ای یافت می شوند. سسکوئی ترپن ها به شکل حلقه لاکتون نیز یافت می شوند. بسیاری از لاتکس موجود در گیاهان تولید کننده لاتکس حاوی سسکوی ترپن هستند و اینها یک عامل ضد میکروبی و ضد حشره کش قوی هستند. آرتمیزینین، یک لاکتون سسکوئی ترپن، یکی از فعال ترین ترکیبات در شاخه و ریشه درمنه.

دیترپن ها

دیترپنوئیدها متعلق به یک کلاس همه کاره از ترکیبات شیمیایی هستند که در منابع طبیعی مختلف با فرمول مولکولی C20H32 و چهار واحد ایزوپرن یافت می شوند. این دسته از ترکیبات فعالیت های بیولوژیکی قابل توجهی از جمله فعالیت های ضد التهابی، ضد میکروبی، ضد سرطانی و ضد قارچی را نشان دادند. برخی از دی ترپن ها نیز فعالیت قلبی عروقی دارند، مانند گریانوتوکسین، فورسکولین، الگانولون، ماروبنول و ۱۴-دئوکسی آندروگرافولید. دی ترپن های نوع کائوران و پیماران نیز متابولیت های فعال بیولوژیکی هستند که از ریشه و برگ گیاهان مختلف جدا شده اند.

سسترپن ها

سسترپن ها از ۲۵ اتم کربن با ۵ واحد ایزوپرن و فرمول مولکولی C25H40 تشکیل شده اند. اینها به طور طبیعی در قارچ ها، موجودات دریایی، حشرات، اسفنج ها، گلسنگ ها و موم های محافظ حشرات وجود دارند. این نوع ترکیبات از نظر بیولوژیکی فعال هستند و دارای فعالیت های ضد التهابی، ضد سرطانی، ضد میکروبی و ضد قارچی هستند.

تری ترپن ها

دسته عمده ای از متابولیت های ثانویه به عنوان تری ترپن ها شناخته می شوند و معمولا حاوی ۳۰ اتم کربن است که از ۶ واحد ایزوپرن تشکیل شده است. از مسیر بیوسنتزی اسکوالن مشتق شده است. تری ترپن ها دارای گروه های متیل زیادی هستند و می توانند به الکل ها، آلدئیدها و اسیدهای کربوکسیلیک اکسید شوند که آن را پیچیده و از نظر بیولوژیکی متمایز می کند. تری ترپن ها مکان های فعال زیادی برای گلیکوزیلاسیون دارند که آن را به دسته بزرگ دیگری از ترکیبات، یعنی ساپونین ها (تری ترپن گلیکوزید) تبدیل می کند.

مروترپن ها

مروترپن ها متابولیت های ثانویه با اسکلت ترپنوئیدی جزئی هستند. مروترپنوئیدها تا حدی از مسیرهای اسید موالونیک و به طور گسترده از حیوانات، گیاهان، باکتری ها و قارچ ها مشتق شده اند. بیوسنتز مروترپن تنوع موجود برای مسیرهای ایزوپرنوئید را به تنهایی گسترش می دهد و امکان مونتاژ محصولات طبیعی با ویژگی های ساختاری بسیار منحصر به فرد را فراهم می کند.

خواص ترپن ها

اصطلاح “ترپن” از “τερέβινθος” گرفته شده است، نام یونانی درخت تربینت، Pistachia terebinthus، که رزین غنی از ترپن آن توسط مردم در سراسر خاورمیانه برای درمان انواع بیماری ها استفاده می شود. در واقع، ترپن ها و ترپنوئیدها برای هزاران سال برای بسیاری از جنبه های زندگی و فرهنگ بشری مهم بوده اند. رایحه‌های ترپن، مانند مر و کندر، در متون مذهبی قدیمی ذکر شده‌اند و هنوز هم در آیین‌های بسیاری از ادیان اصلی استفاده میشوند. نمونه دیگری از مخلوط ترپن با اهمیت طولانی مدت است. این ماده چسبنده – که باقیمانده ترشح ترپن درختان متنوع است که پس از تبخیر ترپن‌های فرار از آن باقی می‌ماند – برای ضد آب کردن قایق‌ها، کشتی‌ها و سایر سازه‌ها استفاده شده است. لاستیک، یک پلیمر طبیعی ترپن، یک جزء ضروری در سیستم های حمل و نقل مکانیزه و همچنین بسیاری از دستگاه های تکنولوژیکی دیگر است.

بیشترین استفاده انسان از ترپن ها برای مصرف داخلی است. برخی از ترکیبات ترپنوئیدی توسط انسان برای تولید ترکیبات ضروری استفاده می شود – برای مثال، بدن ما ویتامین A را از β-کاروتن، یک ترپن گیاهی فراوان، سنتز می کند. به طور کلی ترپن های موجود در غذاها تاثیر عمده ای بر مزه غذا دارند.

رنگدانه های ترپنوئیدی مانند بیکسین، لیکوپن و آستاگزانتین به شدت در صنایع غذایی استفاده می شوند. ترکیبات ترپنوئیدی فرار طعم خاصی را به غذاها از طریق تشخیص آنها توسط سیستم بویایی، که پس از رها شدن از غذای جویده شده از طریق مسیر رترونازال به آن می‌رسند، به غذاها می‌دهند. بنابراین، طعم زنجبیل توسط zingiberene ایجاد می شود و nootkatone طعم گریپ فروت را ایجاد می کند. بسیاری از گیاهان (مواد گیاهی تازه مانند علف لیمو) و ادویه ها (مواد گیاهی خشک شده مانند زعفران) حاوی ترپنوئیدهای فرار به عنوان اجزای اصلی طعم دهنده هستند.

ترپنوئیدهای موجود در گیاهان و ادویه جات اغلب مورد استفاده قرار می گرفتند، و امروزه هنوز هم برای حفظ مواد غذایی استفاده می شود، به دلیل خواص میکروب کشی و حشره کشی آنها. این خاصیت سمیت عمومی و همچنین توانایی آنها در حل کردن مواد روغنی و کثیف می تواند منجر به استفاده اولیه آنها در طب باستانی بشر و ادامه استفاده آنها در دهان شویه ها، داروهای سرفه، ضدعفونی کننده ها و دافع حشرات شود. با این حال، ترپنوئیدهای پیچیده تر، مانند تاکسول و وینبلاستین، برخی فعالیت های خاص بر روی اجزای سلول های انسانی دارند که منجر به استفاده از آنها در درمان بیماری های خاص، عمدتاً سرطان شده است. برخی دیگر شبیه به هورمون های حیوانی هستند. با بهره گیری از این خاصیت، دیوسژنین، استرول موجود در غده های سیب زمینی مکزیکی (Dioscorea mexicana) و گونه های مرتبط با آن، برای سنتز نیمه مصنوعی پروژسترون برای قرص های ضدبارداری و دیگر استروئیدهای دارویی استفاده شده است.

بسیاری از ترپنوئیدها اثر خود را بر روی سیستم عصبی اعمال می کنند. کاردنولیدها، مانند دیژیتوکسیژنین، در صورت مصرف با دوز بالا، می توانند ضربان قلب انسان را متوقف کنند، اما در درمان بیماری قلبی نیز مفید هستند. ترپنوئیدهای دیگر دارای خواص روانگردان هستند، مانند تتراهیدروکانابینول (THC)، ترکیب فعال حشیش (ماری جوانا)، و سالوینورین A از Salvia divinorum، و چنین خواصی در دوران باستان شناخته شده بود، همانطور که هرودوت در کتاب قرن ۵ قبل از میلاد به طرز شگفت انگیزی توصیف کرد.

ترپن ها بسیار قابل احتراق هستند و مقادیر زیادی ترپنوئیدهای ذخیره شده در درختان مانند مخروطیان در نیمکره شمالی و اکالیپت ها در استرالیا، آتش سوزی جنگل ها را تشدید می کند و به گسترش آسان تر آنها کمک می کند. قابلیت احتراق ترپنوئیدها و همچنین برخی کارهای اولیه منجر به این پیشنهاد شده است که ترپن های خاصی، به ویژه آنهایی که در دمای محیط مایع هستند، می توانند در سیستم های بیولوژیکی برای سوخت تولید شوند. همچنین پیشرفت هایی در زمینه مهندسی ژنتیک میکروارگانیسم ها برای تولید انواع داروهای ترپنوئیدی مانند تاکسول، وینبلاستین و آرتمیزینین (برای پیشگیری از مالاریا) و همچنین انواع عطرها و ترکیبات طعم دهنده مانند والنسن و پاتچولول (مثل والنسین و پاتچولول) حاصل شده است.

سنتز ترپن های اولیه و تخصصی گیاهی

در دهه ۱۹۲۰، مشخص شد که واحد ساختمانی اصلی ترپن ها، واحد ایزوپرن است که از پنج کربن تشکیل شده است. چندین بررسی گسترده در مورد بیوشیمی و ژنتیک ترپن های گیاهی در دهه گذشته ظاهر شده است و بنابراین فقط حقایق کلی در اینجا خلاصه می شود. حاصل چگالش دو واحد ایزوپرن یک مونوترپن (با اسکلت ۱۰ کربنی)، سه واحد ایزوپرن سسکوی ترپن (C15) و چهار واحد ایزوپرن دی ترپن (C20) نامیده می شود. اتصال این واحدهای ایزوپرن در گیاه با اشکال فعال شده با دی فسفات، به نام پرنیل دی فسفات، رخ می دهد و برای تراکم سر تا دم، می تواند به دو صورت اتفاق بیفتد که منجر به ترانس پرنیل دی فسفات و سیس-پرنیل دی فسفات می شود. بیشتر تری ترپن های گیاهی (به عنوان مثال استرول ها، C30) از طریق تراکم سر به سر دو ترانس سسکوی ترپنیل دی فسفات تولید می شوند، در حالی که بیشتر تتراترپن های گیاهی (یعنی کاروتنوئیدها، C40) از طریق تراکم سر به سر دو ترانس دی ترپنیل دی فسفات تولید می شوند.

هورمون های دی ترپنوئیدی به نام جیبرلین ها در همه گیاهان آوندی مشترک هستند. همانطور که در حیوانات، استرول ها ترکیبات غشایی فراوان در گیاهان هستند، با استیگماسترول، سیتوسترول و کمپسترول ترکیبات اصلی استرول هستند، و براسینوستروئیدها دسته ای از هورمون های موجود در همه گیاهان را تشکیل می دهند. کاروتنوئیدها، مانند α-کاروتن و بتا-کاروتن، اجزای اصلی بافت های فتوسنتزی هستند، و هورمون های اسید آبسیزیک و استریگولاکتون ها از تخریب کاروتنوئیدها به دست می آیند.

برخی از متابولیت های اولیه به سادگی دارای یک گروه پرنیل هستند که به اسکلت کربن متصل است. هورمون سیتوکینین دارای یک واحد ایزوپرن منفرد است، در حالی که فیلوکینون، توکوفرول ها و کلروفیل ها دارای یک دی ترپن هستند که با همه یا همه پیوندهای دوگانه کاهش یافته یا به جز یکی از آنها کاهش یافته است. پلی پرنول ها (با ≥ ۵ واحد ایزوپرن) گروه دیگری از ترکیبات ترانس ترپن را تشکیل می دهند که در سراسر قلمرو گیاهی یافت می شوند.

تعداد ترپن‌های گیاهی تخصصی که از نظر ساختاری تعیین شده‌اند در حال حاضر ده‌ها هزار نفر است و تعداد کل این ترپن‌های گیاهی احتمالاً بسیار بیشتر است. به عنوان مثال می‌توان به مونوترپن‌ها، سکوی‌ترپن‌ها، دی‌ترپن‌ها و تری‌ترپن‌های موجود در بخش‌های گل و رویشی (مانند منتول، آرتمیزینین، تاکسول)، تری‌ترپنوئیدها و کاروتنوئیدها (مانند آلکالوئیدهای استروئیدی، کاردنولیدها و بیکسین) اشاره کرد. ترکیبات دیگر تا حدی از یک شروع کننده ترپن مشتق شده اند، مانند آلکالوئیدهای مونوترپنوئیدی (مانند استریکنین، وینبلاستین)، که بخشی از آنها از سکولوگانین عضوی از کلاس گسترده مونوترپن های ایریدوئید سنتز می شوند. انواع متابولیت های تخصصی دیگر وجود دارد که یک واحد پرنیل به آنها اضافه می شود، و سپس گاهی اوقات اصلاح می شود و حتی تجزیه می شود، مانند پلی کتیدهای هومولون و THC، و کومارین پسورالن.

عملکرد ترپن ها در متابولیسم اولیه

ترپن ها، به طور کلی، بسیار آبگریز هستند. در واقع، در غیاب لیپیدهای حاوی اسید چرب در آرکی‌باکتری‌ها، ترپن‌های کوتاه اجزای اصلی غشاهای آن‌ها هستند (در پیوندهای اتری به گلیسرول). متابولیت های ترپنوئیدی اولیه و تخصصی و پروتئین های پرنیله شده تمایل زیادی به آبگریز دارند و بنابراین در داخل غشا وجود دارند یا به واسطه گروه پرنیل به غشاء متصل می شوند.

عملکرد ترپن های تخصصی

دفاع در برابر دشمنان بیولوژیکی بهترین عملکرد تثبیت شده برای ترپنوئیدهای گیاهی است – چه مستقیما از طریق هدف قرار دادن گیاهخواران به عنوان سم یا دافع، یا به طور غیرمستقیم از طریق دشمنان انگلی این گونه گیاهخواران.