1.1 Введение 

         Терпеноиды  – это группа органических соединений, которые имеют единый путь биосинтеза и по строению углеродного скелета являются продуктами полимеризации изопрена:

                                             (изопрен)

         Понятие «терпеноиды» объединяет терпены, то есть углеводороды с общей формулой (С₅Н₈)_n, где n ≥ 2, и их кислородсодержащие производные (спиты, альдегиды, кетоны, эпоксиды и кислоты).

         Терпеноиды  широко распространены в природе, главным образом, в растительных, реже – в животных организмах. Терпеноиды обнаружены практически во всех тканях растений (содержатся в эфирных маслах, скипидаре, смолах, бальзамах), найдены в продуктах жизнедеятельности некоторых бактерий и грибов, в секреторных выделениях насекомых.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                   1.2 Основное содержание 

         1.2.1 Строение терпеноидов 

         Изучением терпеноидов занимались многие ученые. Несмотря на то что терпеноиды имеют сравнительно простое строение, исследование их представляло в свое время значительные трудности из-за того, что в структуре этих соединений происходят определенные внутримолекулярные перегруппировки. Особенности строения молекул терпеноидов приводит к заметному их отличию от других органических соединений повышенной лабильностью, склонностью к изомерации, циклизации и полимеризации. Изомеризация и трансформация нередко проходит в мягких условиях, под действием света, кислорода воздуха, паров воды и т.п. Из-за легкой перегруппировки углеродного скелета терпеноидов русский ученый Е. Вагнер назвал их «химическими хамелеонами».

         Единство  построения терпеноидов из разветвленных  пятиуглеродных звеньев изопрена, соединенных в определенном порядке друг с другом, отметил швейцарский ученый Л.Ружичка. В результате обширных исследований по определению структуры терпеноидов он сформулировал «биогенетическое изопреновое правило», различая в нем общие и частные изопреновые правила.

         Согласно  общему изопреновому правилу все  терпеноиды состоят из изопреновых звеньев. Порядок, по которому соединяются изопреновые звенья в терпеноидах, определяется «частными изопреновыми правилами». Одно из таких правил – «правило гераниола» - гласит, что изопреновые звенья в молекуле терпеноидов соединяются по типу «голова к хвосту»: 

Например, в гераниоле: 
 

         «Правило  гераниола» применимо только к наиболее простым терпеноидам. В более сложных структурах (каротиноиды, стероиды, тритерпены) звенья изопрена в середине молекулы соединяются по типу «хвост к хвосту». 

         1.2.2 Классификация терпеноидов 

         В зависимости от числа входящих в  соединение углеродных атомов и частиц изопрена терпеноиды классифицируются на следующие группы:  

          I. С₅Н₈ — изопрены, или полутерпены (полутерпеноиды). Широко распространены в природе. Окисленной формой является изопентинилпирофосфат. 

          II. С₁₀Н₁₆ — монотерпены (монотерпеноиды). Делятся на подгруппы: а) ациклические: гераниол, цитраль, линалоол; б) циклические, из них моноциклические — ментол, цинеол, бициклические – камфора, ароматические — тимол, анетол.  

          III. С₁₅Н₂₄ — сесквитерпены, или «полуторные» терпеноиды: а) ациклические — фарнезол; б) моноциклические — бисаболен; в) бициклические — азулен, сантонин.  

          IV. С₂₀Н₃₂ — дитерпеноиды: хлорофилл, витамины группы К.  

          V. С₃₀Н₄₈ — тритерпеноиды. В эфирных маслах не встречаются; присутствуют в сапонинах.  

          VI. С₄₀Н₆₄ — тетратерпеноиды. Входят в состав каротиноидов, в эфирных маслах не встречаются.  

          VII. (С₅Н₈)_n — политерпены (политерпеноиды) — каучук, гуттаперча 

         Внутри  каждого класса терпеноидов классификация  проводится в первую очередь по степени цикличности углеродного скелета, т.е. выделяют ациклические и циклические терпеноиды, а поскольку последние составляют основную массу терпеноидов, их далее подразделяют на моноциклические, бициклические, трициклические и т.д. Следует подчеркнуть, что речь идет о карбоциклах – часто встречающиеся циклические фрагменты (оксирановые, фурановые, пирановые) следует рассматривать как функциональные группы. В свою очередь последующая, более глубокая структурная детализация терпеноидов связана с размерами циклов (циклопентановые, циклогексановые и т.д.) и характером полициклизации, она отличается большим разнообразием: бициклогептановые монотерпены, например, представлены бицикло[2.2.1]-, би-цикло[4.1.0]-, бицикло[3.1.1]-системами. Названия этих групп терпеноидов определяются обычно в соответствии с тривиальными названиями ключевых соединений, которые, в свою очередь, определились по природным источникам, где они были найдены впервые. Функциональные производные терпенового ряда иногда носят тривиальные названия, если они характерны и часто встречаются, а иногда их строят по правилам систематической номенклатуры, используя тривиальные названия исходных терпенов в качестве корневых. Вообще о номенклатуре изопреноидов можно сказать, что она основана на широком симбиозе тривиальной и систематической номенклатур классической органической химии.

                          1.2.3 Физические и химические свойства

         Терпены имеют, как правило, плотность менее 1 г/см³; температура кипения собственно терпенов 150-190°С, сесквитерпенов 230-300 °С, дитерпенов более 300 °С; температура кипения терпеноидов обычно выше, чем температура кипения соответствующих терпенов. Все терпены растворимы в органических растврорителях (в первую очередь в неполярных), не растворимы в воде, хорошо растворяют масла, жиры и смолы. Многие терпены перегоняются (обычно в вакууме) с водяным паром: монотерпены легче, сесквитерпены и дитерпены труднее. Природные терпены в основном оптически активны.

         Терпены весьма реакционноспособны: легко окисляются на воздухе, особенно на свету, часто  превращаясь при этом в кислородсодержащие соединения; при нагревании изомеризуются (прежде всего при взаимодействии с кислыми агентами); диспропорционируют в присутствии катализаторов (Pd, Pt, Ni); по двойным связям легко гидрируются, гидратируются, присоединяют галогены, галогеноводороды, органические кислоты и т. д. При сильном нагревании без доступа воздуха (400-500 °С) кольца терпенов раскрываются, причем из бициклических терпенов можно получить моноциклические и даже алифатические. При нагревании до 700 °С и выше все терпены разлагаются с образованием сложной смеси продуктов (изопрен, ароматические углеводороды и др.).  
 

1.2.4 Биогенез терпеноидов в растениях 
 

                1.2.4.1 Биогенез ациклических монотерпенов. 

         Биогенез  простейших монотерпенов протекает  в три стадии:  

         1-я  стадия - синтез мевалоновой кислоты; 

         2-я  стадия - образование изопренового интермедиата (интермедиат - промежуточное химическое соединение, участвующее в синтезе внутри системы),

         3-я  стадия - образование ациклического  монотерпена.

         Биосинтез катализируется соответствующими ферментными  системами.

         Энергия для биосинтеза обеспечивается АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), которая при дефосфорилировании (АТФ → АДФ → АМФ) освобождает большое количество энергии (12 000-16000 кал на 1 моль Н₃РО₄). 

         Стадия 1-я. Уксусная кислота под влиянием кофермента А и АТФ (КоА) превращается в ацетил-КоА (КоА - кофермент А или сокращенно КоА и KoA-SH. При его участии происходит активирование уксусной кислоты и других кислотных остатков — ацилов. Он состоит из остатка пантотеновой кислоты (витамина), аденозина, тиоэтаноламина и трех остатков фосфорной кислоты.). Образовавшийся ацетил-КоА (СНзСО-S-KoA) содержит богатую энергией тиоэфирную связь, при гидролизе которой освобождается 8000 кал. Ацетил-КоА может затем передавать активированный ацил различным соединениям. КоА является важнейшим ацилирующим агентом в живом организме, участвующим в биосинтезе не только всех классов терпеноидов, но и многих других природных соединений.

         Далее происходит конденсация двух молекул  ацетил-КоА с образованием ацетоацетил-КоА. В результате дальнейшей конденсации ацетоацетил-КоА и ацетил-КоА образуется 3-метил-3-окси-глутарил-КоА, который восстанавливается в мевалоновую кислоту (за счет активированной КоА карбоксильной группы в спиртовую): 

         Стадия 2-я. На этой стадии под влиянием фермента киназы и АТФ мевалоновая кислота превращается в 5-фосфомевалоновую кислоту. При инкубации этого эфира с тем же аденозинтрифосфатом получается новый эфир - 5-пирофосфомевалоновая кислота. Далее происходит образование изопентенилпирофосфата, основной изопреноидной интермедиат, которого исследователям долгое время не удавалось выделить:

           Стадия 3-я. Вначале происходит изомеризация изопентенилпирофосфата в диметилаллилпирофосфат, а затем конденсация одной молекулы последнего с одной молекулой изопентенилпирофосфата (по типу «голова к хвосту») с образованием геранилпирофосфата: 

         Не  трудно себе представить, что если реакционно-способная  аллильная группа геранилпирофосфата атакует двойную связь другой молекулы изопентенилпирофосфата, то алифатическая цепь удлинится еще на один изопреновый остаток и по правилу «голова к хвосту» образуется ациклический сесквитерпен фарнезилпирофосфат: 

         1.2.4.2. Биогенез циклических монотерпенов. 

         Предполагают, что циклические монотерпены  биогенетически происходят из ациклического предшественника типа гераниола или линалоола. Ружичка (1953), развивая изопреновое правило, предложил ряд механизмов для образования этой группы терпенов с необходимой при этом циклизацией. 

         1.2.4.3 Биогенез циклических сесквитерпенов. 

         Биогенетическим предшественником циклических сесквитерпенов являются ациклический сесквитерпен фарнезол и близкие к нему спирт неролидол и углеводород фарнезен.                                  

         При изложении своего изопренового правила  Ружичка сформулировал предполагаемую последовательность стадий, ведущих к образованию моноциклических сесквитерпенов типа бисаболена, бициклических и типа α-кадинена и трициклических типа цедрена. 

         1.2.4.4 Биогенетические связи некоторых сесквитерпенов

         Образующееся  из геранилпирофосфата сесквитерпеновое производное - фарнезилпирофосфат становится исходным веществом также для биосинтеза стероидов, тритерпенов и политерпенов. Это происходит после того, как две молекулы фарнезилпирофосфата после восстановительной димеризации по типу «хвост к хвосту» образуют сквален.  

           Общая схема биогенеза разных классов терпеноидов 
 
 

                  1.2.5 Методы анализа терпеноидов 

         Несмотря  на то, что набор физических и физико-химических методов исследования является общим для всех групп терпеноидов, каждая группа в силу специфики свойств и поведения её молекулярных объектов требует применения специальных приёмов и специально адаптированных методов исследования.

         При анализе индивидуальных терпеноидных соединений применяются реакции на функциональные группы (альдегидную и фенольную гидро-ксильные группы, двойные связи). Спиртовую группу ментола определяют методом ацетилирования, лактонную группу тауремизина - гидрокса-мовой реакцией, карбонильную группу камфоры - раствором ванилина в концентрированной серной кислоте.

         Подлинность эфирных масел устанавливают  по их физико-химическим свойствам. Определяют цвет, запах, вкус, плотность, удельное вращение показатель преломления, растворимость  в спирте, кислотное и эфирное число, состав действующих веществ и др. (ГФ ХI). Плотность эфирных масел колеблется в пределах 0,69-1,188. Угол вращения плоскости поляризации - один из наиболее важных показателей эфирного масла, так как отражает состав оптически активных веществ. Поскольку эфирные масла содержат смесь оптически активных веществ, то угол вращения плоскости поляризации представляет собой сумму вращения входящих в смесь ингредиентов и свидетельствует о качестве эфирного масла.

         Растворимость эфирного масла в спирте (96 % или 70 %) дает представление о его подлинности и качестве. Большинство углеводородов плохо растворимо в спирте, особенно в разведенном. Отклонение от норм растворимости служит критерием недоброкачественности эфирного масла.

         Кислотное число означает количество миллиграммов гидроксида калия, которое пошло на нейтрализацию свободных кислот, содержащихся в 1 г эфирного масла. Этот важный показатель, как правило, составляет 0,5-5,0. При хранении масла кислотное число увеличивается в связи с разложением (омылением) эфиров, содержащихся в нем. Эфирное число означает количество миллиграммов едкого кали, необходимое для нейтрализации свободных кислот и омыления сложных жиров, содержащихся в 1 г эфирного масла (ГФ ХI).

         В эфирном масле устанавливают  также количество свободных спиртов путем ацетилирования и определения эфирного числа (до ацетилирования и после ацетилирования). Состав эфирных масел определяют в последнее время методом тонкослойной хроматографии и методом газовой хроматографии.

         Количественное  определение эфирных масел проводят методом отгонки с водяным паром (в листьях эвкалипта, мяты, шалфея, лимонника и др. – ГФ XI). Определение камфоры в спиртовом растворе проводят методом высаливания натрия хлоридом (ФС 42-653-72). Весовым методом (по разности навесок) определяют терпеноиды с высокой степенью летучести (камфору, ментол, тимол) или по продуктам конденсации (динитрофенилгидразиды, семикарбазоны, оксимы) выявляют кетогруппы с соответствующими соединениями. Препарат бромкамфору количественно определяют по брому, который переводят в ионогенное состояние.

         Для анализа иногда используют и косвенные  методы определения либо по высвобождающейся соляной кислоте после реакции с солянокислым гидроксиламином (камфора), либо по избытку титрованного раствора щелочи после реакции с лактонным кольцом (тауремизин).

         Ментол  в мятном масле и препарате  валидоле обнаруживают косвен-., ним  методом, титруя образующуюся уксусную кислоту после реакции ацилирования уксусным ангидридом.

         Описаны также методы нейтрализации терпеноидов (камфоры) в неводных растворителях.

         Наиболее широко в последнее время используются физико-химические методы количественного определения (фотоколориметрия, спектрофотометрия в УФ- и ИК-областях, хроматография и др.).

         Фотометрическое определение терпенов проводят с  реактивом фолина (фосфорномолибденовой кислотой и ее смесью с фосфорновольфрамовой кислотой), основанным на восстановлении фосфорномолибденовой кислоты до молибденовой сини терпинеолами, образующимися при дегидратации. Получаются продукты синего или сине-фиолетового цвета, что используется для количественного определения цитраля и терпингидрата. Недостатком данных методик является то, что реактив может взаимодействовать с другими восстановителями, находящимися в лекарственной форме.

         Ментол  благодаря наличию вторичной  спиртовой группы способен давать окрашенные продукты конденсации с альдегидами в присутствии концентрированной серной кислоты. Наиболее часто применяют реакцию взаимодействия его с ванилином и серной кислотой. Этим методом определяют как природный, так и синтетический ментол.

         Довольно часто для фотоколориметрического определения ментола используют реакцию с п-диметиламинобензальдегидом в присутствии концентрированной серной кислоты, в результате которой получают продукт конденсации розового цвета. Эта методика позволяет выявлять ментол в многокомпонентных лекарственных формах без предварительного разделения.

         Циклический кетон камфора также обладает способностью в сильнокислой среде вступать в реакции конденсации со многими альдегидами, давая при этом интенсивно окрашенные соединения: с фурфуролом – сине-фиолетового цвета, с бензальдегидом и ванилином - красного цвета.

         При фотоколориметрическом определении  цитраля учитывают спо-собность его альдегидной группы при взаимодействии с 2,4-динитрофенил-гидразином образовывать окрашенный в желтый цвет 2,4-динитрофенил-гидразои или реакцию с дигидрохлоридом 1,3-фенилендиамина.

           Терпеновые соединения поглощают  свет в ультрафиолетовой области  спектра, что также используется  для их количественного определения.

           В связи с тем, что большинство  терпенов обладают значительной  летучестью, для их количественного определения широко применяют метод ГЖХ. Опубликовано большое количество данных как о подборе фаз, стандартов, так и о разработке отдельных методик анализа лекарственных форм. 
 
 
 

                      1.2.6 Роль терпеноидов в растении 

         Основная  масса растительных терпеноидов, насчитывающая  десятки тысяч соединений, образуются на конечных этапах специализированного (вторичного) обмена растений, и функции этих многочисленных терпеновых соединений до сих пор окончательно не выявлены.

           Многие ученые считают, что  главная роль этих соединений  – экологическая, обеспечивающая выживание растений при неблагоприятных воздействиях окружающей среды и предохранении их от патогенных микробов, грибов, насекомых.

           Терпеновые соединения являются  активными участниками обменных  процессов, протекающих в растительном организме, о чем свидетельствует их высокая реакционная способность. Некоторые терпеноиды регулируют активность генов растений и обладают хроматофорной системой, могут поглощать лучистую энергию, участвовать в фотохимических реакциях. Углеродные цепи отдельных терпеноидов являются ключевыми промежуточными продуктами на пути биосинтеза таких биологически активных веществ, как стероидные гормоны, ферменты, антиокислители, витамины Д, Е, К, желчные кислоты.

         Летучие терпеноиды выполняют защиту от излишнего  испарения и солнечной радиации. Под влиянием обработки растений терпенами интенсивность транспирации растений снижается.

         В последнее время экспериментально доказана огромная роль терпенов во взаимоотношениях растений с насекомыми. Секреторные терпеноиды выступают в качестве вкусовых или обонятельных аттрактантов для определенного вида насекомых-опылителей и отпугивают насекомых-фитофагов. Интересно, что скопление выделительных структур у растений приурочено в основном к молодым побегам, что защищает от поедания насекомыми в первую очередь почки и сохраняет образовательные центры. Обнаружено, что высвобождение некоторых терпенов в растениях замедлено и индуцируется только при соприкосновении ткани поврежденного растения с соединениями оральной секреции насекомых. Поражение тканей питающимся насекомым может также являться спусковым крючком для высвобождения летучих соединений, участвующих в привлечение природных врагов травоядных насекомых; таким образом, осуществляется динамическая роль растений во взаимоотношениях с вторичными (травоядные насекомые) и третичными (паразиты и хищники) трофическими уровнями. Нужно добавить также, что строение терпенов растений очень близко с феромонами насекомых, функционирующих в качестве сексуальных аттрактантов или, напротив, феромонов тревоги.  
 

                 1.2.7 Фармакологическое действие и

                             применение  терпеноидов

         У этого класса химических веществ выявлен широкий спектр биологической активности. Установлено, что терпеноидные соединения могут проявлять обезболивающее, противовоспалительное, ранозаживляющее, антимикробное, антивирусное, антигистаминное, иммуномодулирующее, противоопухолевое, спазмолитическое, успокаивающее действие. Этот далеко не полный перечень важных для человека биологических свойств терпеноидов в последние годы постоянно пополняется.

         Особый  интерес у исследователей вызывают природные терпеноиды хвойных пород  деревьев, обладающие высокой реакционной способностью и наиболее выраженным многонаправленным действием на организм человека. По количественному содержанию и качественному составу терпеноидных соединений хвойные породы деревьев (сосна, ель, пихта, кедр, лиственница) многократно превосходят другие виды лекарственных растений, широко распространенных в растительном мире. По своему составу эти биологически активные соединения в основном представлены моно-, сескви- и дитерпеноидами, которые относят ко многим классам органических соединений: спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, лактоны, эфиры и др.

         Соединения  группы терпеноидов, полученные из хвойных  пород деревьев, благодаря своим уникальным фармакологическим свойствам находят все более широкое применение при лечении различных патологических состояний. Они с успехом используются как в виде индивидуальных терпеноидных соединений, так и в сложных смесях этих веществ – эфиры масел и смол (бальзамов). Терпеноиды хвойных пород деревьев чаще всего входят в состав комплексных препаратов в качестве основных действующих веществ и сопутствующих соединений, усиливающих фармакологическую активность других составляющих.

         Одним из наиболее известных ЛС, содержащих индивидуальные терпеноиды хвойных деревьев, уже многие годы является камфора. Это эффективное и ценное тонизирующее лекарственное вещество, применяемое при сердечно-сосудистой и дыхательной недостаточности, получают в настоящее время для медицинских целей в основном переработкой эфирного масла (скипидара) пихты сибирской.

         Камфора входит в состав таких препаратов, как камфорное масло, камфорная мазь, камфорный спирт, линимент Камфоцин, мазей Эфкамон и Гэвкамен, оказывающих при местном применении раздражающее, активизирующее кровообращение и обмен веществ в коже и мышцах, болеутоляющее и отчасти антисептическое действие. В связи с этим препараты втирают при невралгиях, артритах, ревматизме, при мышечных болях, для предупреждения пролежней и воспалительных процессов.

         Из  индивидуальных терпеноидов в медицине также используется цитраль — алифатический альдегид, компонент эфирного масла хвойных, оказывающий болеутоляющее и противовоспалительное действие. Этот монотерпеноид в составе препарата Цитраль применяется главным образом в офтальмологической практике при кератитах и конъюнктивитах, а также в составе аэрозольных препаратов Винизоль и Левовинизоль для лечения ожогов, трофических язв, медленно заживающих ран.

         В настоящее время установлено, что  терпеноидные извлечения, содержащие сумму или комплекс различных по структуре и фармакологической активности соединений, действуют сильнее и эффективнее, чем индивидуально выделенное вещество. Поэтому наиболее часто в лечебных целях в составе комплексных препаратов используется природный набор терпеноидов, полученных в основном из сосны обыкновенной, ели сибирской, кедра (кедровой сосны), пихты сибирской.

         В комплексных терпеноидсодержащих  препаратах очень часто используют эфирные масла хвойных пород деревьев. К числу таких препаратов относятся следующие.

         Масло терпентинное очищенное, обладающее местно-раздражающим, обезболивающим и антисептическим действием, применяют главным образом в виде мазей и линиментов для растирания при невралгиях, миозитах, люмбаго, миалгиях, ревматизме.

         Олиметин, оказывающий спазмолитическое, желчегонное, мочегонное и противовоспалительное действие, назначают для лечения и профилактики мочекаменной и желчнокаменной болезни.

         Уролесан  оказывает спазмолитическое действие и способствует отхождению камней мочеточников, уменьшает воспалительные явления и желчевыделение. Применяется при мочекаменной и желчнокаменной болезни, острых и подострых калькулезных пиелонефритах и холециститах, дискинезии желчных путей.

         В последнее десятилетие в результате повышенного внимания к природным терпеноидам хвойных деревьев список ЛС пополнился за счет появления новых препаратов на их основе. В Государственный реестр лекарственных средств включены:

         – мазь Биопин, содержащая в своем  составе сосновую смолу, оказывающая иммуномодулирующее, ранозаживляющее, антимикробное, противовоспалительное действие. Применяется при лечении ожогов, ран и гнойно-воспалительных процессов кожи и подкожно-жировой клетчатки.

         Особый  интерес представляет лекарственный  препарат Абисил —эндогенный набор  терпеноидов, синтезируемых в корнях и в стволе хвойных пород деревьев в ответ на неблагоприятные стрессовые воздействия. Он оказывает выраженное антимикробное, противовоспалительное, ранозаживляющее, обезболивающее, противоопухолевое, мембраностабилизирующее, антиэкссудативное, иммуномодулирующее действие.

         В настоящее время одной из актуальных задач здравоохранения является борьба с развитием лекарственной устойчивости бактерий к широко используемым антибиотикам и сульфаниламидным препаратам. В этой связи особый интерес представляет практическое использование терпеноидсодержащих ЛС, к которым у патогенных микроорганизмов даже при длительном применении практически не вырабатывается устойчивости, что является существенным преимуществом перед синтетическими антибактериальными препаратами и делает перспективным более широкое применение этого класса препаратов в лечении воспалительных процессов.

         Исследования  многих авторов показали, что терпеноидсодержащие  ЛС на основе веществ, синтезируемых  хвойными деревьями, при лечении ожогов, ран и гнойно-воспалительных процессов стимулируют неспецифический иммунный ответ, нормализуют гемодинамику пораженной области и активизируют процессы регенерации тканей. Наличие такого многонаправленного действия у терпеноидов обеспечивает им преимущества в терапии воспалительных процессов перед антибиотиками при лечении вялотекущих подострых и хронических процессов, а также в случаях, когда в патогенезе наличествует снижение репаративной регенерации и иммунологической реактивности клеток и тканей.