Đề tài Tìm hiểu thành phần hợp chất thứ cấp trong cây Lược vàng (Callisia fragrans L.)

CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1.Đặt vấn đề: Từ ngàn xưa, con người đã biết tìm cây cỏ trong tự nhiên để chữa bệnh và tăng cường sức khỏe. Qua trải nghiệm từ cuộc sống, kho tàng cây dược liệu của con người càng ngày càng phong phú, đa dạng và trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, được sự ưu đãi của thiên nhiên nên thuận lợi cho sự phát triển của nhiều loại thảo mộc. Nếu như trước đây, những nghiên cứu trên cây thuốc chủ yếu theo hướng phân lập, tách chiết và thử nghiệm hoạt chất, thì hiện nay xu thế mới là tìm phương pháp để nâng cao hiệu quả sản xuất các hoạt chất nhằm đáp ứng nhu cầu nghiên cứu khoa học và cải thiện, nâng cao chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường. Đây chính là vấn đề đặt ra cho ngành Công nghệ Sinh học thực vật. Công nghệ Sinh học thực vật ra đời đã và đang mở ra những triển vọng mới đối với việc bảo tồn và phát triển nguồn cây thuốc dồi dào của nhân loại. Thực sự là trong hơn 20 năm qua, bằng phương pháp nuôi cấy huyền phù tế bào trong các hệ thống bioreactor, hàng trăm loại hoạt chất có giá trị được tổng hợp với giá thành thấp hơn, khắc phục nhiều nhược điểm của phương pháp tổng hợp hóa học. Bằng phương pháp tái sinh cây trực tiếp hoặc gián tiếp qua mô sẹo, tế bào và phôi mà nhiều loài cây thuốc quí được bảo tồn và khai thác hiệu quả, phục vụ đắc lực cho cuộc sống của con người. Cây Lược vàng (Callisia fragrans) có nguồn gốc từ Mexico và hiện nay đang được trồng nhiều ở Việt Nam, đặc biệt là ở Thanh Hóa và Hà Nội. Đây là một loại cây thuốc mới được biết đến trong thời gian gần đây và đã gây xôn xao dư luận về tính năng “thần dược” cũng như những tác dụng phụ mà nó mang lại. Chính vì lý do đó mà việc tìm hiểu và xác định các hợp chất thứ cấp có trong cây Lược vàng là rất cần thiết. Được sự đồng ý của Bộ môn Công nghệ Sinh học – Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ và dưới sự hướng dẫn của thầy Bùi Văn Thế Vinh, tôi đã thực hiện khóa luận tốt nghiệp: “Tìm hiểu thành phần hợp chất thứ cấp trong cây Lược vàng (Callisia fragrans L.). 1.2.Mục đích và yêu cầu: - Tổng quan về một số hợp chất thứ cấp có nguồn gốc từ thực vật. - Tìm hiểu thành phần các hợp chất thứ cấp có trong cây Lược Vàng. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỢP CHẤT THỨ CẤP CÓ NGUỒN GỐC THỰC VẬT 2.1. Khái niệm chung về các chất hoạt tính sinh học (HTSH) Về nguyên tắc chung tất cả sinh chất tùy điều kiện cụ thể điều là các chất có hoạt tính sinh học (cả theo có lợi và không có lợi). Sinh chất thường được phân loại thành nhóm chất sơ cấp và thứ cấp. Nhóm chất sơ cấp là những chất cơ bản nhất cần thiết để duy trì sự sống. Đó là protein, nucleic acid, carbonhydrat, lipid. Chúng thường là các polyme sinh học có trong lượng phân tử (MW) cao, là các polyme sinh học. Nhóm chất thứ cấp thường có MW nhỏ. Đa số chúng được tổng hợp de novo, nhưng cũng không ít chất sinh học là sản phẩm phân rã hoặc ở dạng dẫn xuất từ các chất sơ cấp hay từ những đơn vị tạo thành chất sơ cấp. Đó là nhóm chất phenol, isoprenoid, các dẫn suất chứa nitơ (trong đó alkaloid) các peptid, kháng sinh, vitamin... Là những chất thể hiện hoạt tính sinh học giúp chuyển hóa vận động hoạt động sống, giúp lập quan hệ sinh thái của cơ thể sống với môi trường sống xung quanh. 2.2.Alkaloid: 2.2.1.Khái niệm: Alkaloid từ tiếng Ả rập là al-qali có nghĩa là kiềm, là nhóm chất hữu cơ có hoạt tính sinh học, chủ yếu ở thực vật; Ở động vật, nấm tảo không phổ biến lắm; Không thấy có ở vi khuẩn. Có thể nói alkaloid là nghiên cứu đầu tiên của con người về hóa các hợp chất tự nhiên. Alkaloid là nhóm hợp chất tự nhiên hiện diện khá nhiều trong các họ thực vật với cấu trúc hóa học và hoạt tính sinh học rất đa dạng. Trên thực tế có rất nhiều loại thực vật có alkaloid nhưng ở mức độ vết hoặc tỉ lệ phần vạn. Để giới hạn với ý nghĩa thực tiễn, một cây được xem là có alkaloid phải chứa ít nhất 0,05% alkaloid so với mẫu không. (Phạm Thanh Kỳ, 2002). Alkaloid là những hợp chất hữu cơ có chứa dị vòng Nitơ, có tính bazơ. Do đó, nó là nhóm các hợp chất không thuần khiết về mặt hoá học. Hiện nay, người ta đã tìm được khoảng gần 6000 ankaloid và chủ yếu là các chất ít tan trong nước nhưng dễ tan trong các dung môi hữu cơ, nhiều chất có hoạt tính sinh học cao như: Quinin, Ephedrin, Codeine… 2.2.2.Nguồn gốc: Alkaloid là hợp chất có chứa Nitơ nguồn gốc thực vật. Hàm lượng alkaloid có thể đạt đến 10% trong các loại rau quả thông dụng như khoai tây, chè, cà phê… Hầu hết các alkaloid hiện diện trong cây có hoa, loại 2 lá mầm, nhưng người ta cũng thấy alkaloid trong động vật, côn trùng, sinh vật biển… 2.2.3.Phân loại: Alkaloid được phân loại theo một số cách khác nhau: Phân loại theo loài thực vật chứa alkaloid, theo bản chất hóa học tự nhiên hoặc theo tác động sinh lý của chúng. 2.2.3.1.Phân loại theo bản chất hóa học: Do cách phân loại dựa vào cấu trúc nhân cơ bản không đáp ứng được số lượng alkaloid rất nhiều và đa dạng, nên để tiện lợi, các alkaloid được chia thành ba loại: alkaloid thật, protoalkaloid và giả- alkaloid (Pseudoalkaloid): + Alkaloid thật là những hợp chất có hoạt tính sinh học, luôn có tính base, thường có chứa nguyên tử nitơ vòng dị hoàn, thường được sinh tổng hợp từ amino acid, phân bố giới hạn trong thực vật và hiện diện trong cây dưới dạng muối của một acid hữu cơ, ngoại trừ: colchicin, acid aristolochic, alkaloid thứ cấp. Các alkaloid loại này thường được chia thành nhóm theo nguồn gốc sinh tổng hợp của chúng (ornithin, lysin, phenylalanin, tryptophan, histidin, acid antranilic…) hơn là theo vòng dị hoàn. + Các protoalkaloid được xem là những amin có hoạt tính sinh học kể cả mescalin và N, N-dimetyltryptamin. Chúng là những amin đơn giản, được tổng hợp từ các amino acid, trong đó nguyên tử nitơ không ở trong vòng dị hoàn. + Các giả-alkaloid, là những hợp chất không bắt nguồn từ những amino acid, bao gồm hai nhóm hợp chất lớn là alkaloid steroid và alkaloid terpenoid. Các alkaloid thông thường được phân loại theo đặc trưng phân tử chung của chúng, dựa trên kiểu trao đổi chất được sử dụng để tạo ra phân tử. + Khi không biết nhiều về tổng hợp sinh học của các alkaloid thì chúng được gộp nhóm theo tên gọi của các hợp chất đã biết. + Khi người ta biết nhiều hơn về một alkaloid cụ thể nào đó, thì việc gộp nhóm được thay đổi để phản ánh các kiến thức mới, thông thường lấy theo tên của amin quan trọng về mặt sinh học và nổi bậc nhất trong tiến trình tổng hợp. Các nhóm alkaloid hiện nay gồm có: Nhóm Pyridin: Piperin, Coniin trigonellin, Avecaidin, Guvacin, Pilocarpin, Cytisin, Nicotin, Spartein, Pelletierin. Nhóm Quinolin: Quinin, Quinidin, Dihydroquinin, Dihydroquinidin, Strychnin, Brucin, Veratrin, Cevadin. Nhóm Isoquinolin (Các Alcaloid gốc thuốc phiện): Morphin, Codein, Thebain, Papaverin, Narcotin, Sanguinarin, Narcein, Hydrastin, Berberin. Nhóm Phenethylamin: Mescalin, Ephedirin, Dopamin, Amphetamin. Nhóm Indol: Các Tryptamin: N-metyltryptamin, Psilocybin, Serotoni. Các Ergolin (Các alkaloid từ ngũ cốc /cỏ): Ergin, Ergotamin, Acid lysergic… Các beta-cacbolin: Harmin, Harmalin, Gohimbin, Reserpin, Emitin. Các alkaloid từ chi Ba gạc (Rauwolfia): Reserpin, . Nhóm Purin: Các Xanthin: Caffein, Theobromin, Theophyllin. Nhóm Terpenoit: Các alkaloid Aconit: Aconitin. Các Steroit: Solanin, Samandari (các hợp chất amoni bậc 4: Muscarin, Cholin, Neurin). Các alkaloid từ dừa cạn (chi Vinca) và các họ hàng của nó: Vinblastin, Vincristin. Chúng là các chất chống ung thư và liên kết các nhị trùng (dime) Tubulin tự do, vì thế phá vỡ cân bằng giữa trùng hợp (polyme hóa) và phản trùng hợp vi quản, tạo ra sự kiềm hãm các tế bào trong pha giữa của quá trình phân bào. 2.2.3.2. Phân loại theo loài thực vật chứa alkaloid và theo tác động sinh lý. a) Nhóm morphin: Morphin là alkaloid chủ yếu trong nhựa quả anh túc (Papaver somniferrum) còn xanh cùng với các chất gây nghiện khác như papaverin, Codein, tebain… Morphin ở dạng tinh sạch lần đầu thu được vào năm 1806. Cấu trúc hóa học được xác định vào năm 1927. Cấu trúc lập thể được xác định vào năm 1955. (Diệp Quỳnh Như, 2008). Morphin được tổng hợp từ tiền chất ban đầu là dimethoxy-o-naphtochinone. Hình 2.1: Cấu trúc một số chất tiêu biểu thuộc nhóm chất Morphin. Morphin có tác dụng giảm đau, gây cảm giác lâng lâng dễ chịu. Morphin tác động lên hệ thần kinh trung ương tạo thói quen sử dụng và phụ thuộc vào nó. Nó ảnh hưởng lên một số thụ thể đặc hiệu nằm trên vỏ bán cầu não lớn. Một số neuropeptide như enkephalin và endorphin cạnh tranh thụ thể trên với Morphin. Nhóm alkaloid phổ biến thứ hai là Codein-dẫn xuất methyleste của Morphin. Hàm lượng của nó trong thuốc phiện dao động từ 0,2 đến 6%. Codein có tác dụng giảm ho. Alkaloid thứ ba là tebain không có tác động kích thích gây nghiện nhưng lại gây co giật. Một điểm thú vị là một dẫn xuất của Morphin gọi là nalorphin lại có tính kháng tác động với Morphin, và được sử dụng trong cai nghiện và cấp cứu ngộ độc ma túy. Nhóm chất gây nghiện khác Morphin về cấu tạo hóa học là papaverin có tác dụng giãn mạch làm tăng sử dụng oxy cơ tim, được sử dụng trong điều trị bệnh tim mạch. Hiện papaverin và một số dẫn suất của nó như no-spa và narcotin được sử dụng để chữa ho chủ yếu ở dạng bột tổng hợp hóa học. Hiện nay người ta cũng đã tổng hợp được nhiều chất có tác dụng giống như Morphin nhưng ít độc hơn nhiều để sử dụng trong y tế. b) Nhóm chất cocain: Là nhóm chất alkaloid có trong lá cocain (Erythroxylon coca L) hiện trồng phổ biến ở nhiều nơi, đặc biệt là khu vực các nước Nam Mỹ. Nó được tổng hợp lần đầu vào năm 1909 và được sử dụng làm thuốc giảm đau. Giống như Morphin, cocain cũng có tác dụng gây cảm giác khoan khoái (gây nghiện) và tạo thói quen sử dụng. Hiện dẫn suất cocain như novocain được sử dụng rộng rãi trong chữa trị. Novacain Cocain Hình 2.2: Cấu trúc một số chất tiêu biểu thuộc nhóm chất Cocain. c) Nhóm chất atropin: Atropin là dẫn xuất của tropin có trong cây thuộc họ cà Solanaceae như cà độc dược Atropabelladonna hay Datura stamonium. Chúng có tác dụng an thần và được sử dụng làm thuốc giảm đau cục bộ, làm thuốc an thần. d)Nhóm quinine: Là nhóm chất alkaloid từ lâu được sử dụng làm thuốc chống sốt rét. Quinine có trong vỏ cây qiunine Cinchona officinalis có nguồn gốc ở Peru, Bolivia. Sau này cây quinine được di thực sang nhiều vùng trong đó có cả Việt Nam. Cấu trúc hóa học của quinine được xác định vào năm 1907 và được tổng hợp hóa học vào năm 1945. Quinine ức chế quá trình sao chép DNA và phiên mã tạo RNA ở tác nhân gây bệnh sốt rét. Quinidin Quinin Hình 2.3: Cấu trúc một số chất tiêu biểu thuộc nhóm chất Quinine. e)Nhóm chất cophein: Alkaloid cophein có mặt chủ yếu trong lá, đặc biệt trong hạt cà phê. Nó là dẫn suất của xanthin (dihydroxypurine). Cophein có tác dụng kích thích, làm giảm mạch, tăng cường hoạt động của tim. Trong thực hành y tế người ta sử dụng những chất có tác dụng tăng cường hoạt động của tim giống cophein, nhưng mạnh hơn là validol (dịch 30% mentol trong methyeste isovalerianic acid), camphor... Xanthin Ureic acid Hình 2.4: Cấu trúc một số chất tiêu biểu thuộc nhóm chất cophein. g)Nhóm colchicin: Có mặt trong các loại cây thuộc họ cochicum. Nó có tác dụng tạo cây đa bội thể, được sử dụng nhiều trong công nghiệp tạo giống cây trồng. 2.2.4.Tính chất vật lý: Phân tử lượng từ 100 đến 900 kDa. Các alkaloid không chứa các nguyên tử oxi trong cấu trúc thông thường là chất lỏng ở nhiệt độ phòng (ví dụ: nicotin, spartein, coniin). Các alkaloid với các nguyên tử oxi trong cấu trúc nói chung là các chất rắn kết tinh ở điều kiện nhiệt độ phòng (ví dụ: berberin). Hầu hết các alkaloid base gần như không tan trong nước nhưng tan trong các dung môi hữu cơ như CHCl3, eter, các ancol dây cacbon ngắn. Một số alkaloid do có thêm nhóm phân cực như –OH, nên tan được một phần trong nước hoặc trong kiềm (ví dụ: Morphin, Cephalin). - Ngược lại với base, các muối alkaloid nói chung tan được trong nước và ancol, hầu như không tan trong dung môi hữu cơ. Có một số ngoại lệ như Ephedrin, Colchixin, Ecgovonin, các base của chúng tan được trong nước, đồng thời cũng khá tan trong dung môi hữu cơ, còn các muối của chúng thì ngược lại. Alkaloid có N bậc 4 và N-oxid khác tan trong nước và trong kiềm, rất ít tan trong dung môi hữu cơ. Các muối của chúng có độ tan khác nhau tùy thuộc vào gốc acid tạo ra chúng. 2.2.5.Tính chất hóa học: Alkaloid là các base yếu, đa số làm quì tím hóa xanh. Với acid thường tạo ra muối tan trong nước và kết tinh. Tính kiềm phụ thuộc vào khả năng sẵn có của các cặp điện tử đơn độc trên nguyên tử Nitơ và kiểu khác (dị) vòng cùng các phần thay thế. Tính base giảm dần theo thứ tự muối amoni bậc 4, amoni bậc 1, amoni bậc 2, amoni bậc 3. Muối của alkaloid rất bền, nhưng chúng bị phân hủy bởi tia sáng mặt trời hoặc tia tử ngoại. Phần lớn alkaloid vị đắng. Chúng tạo tủa với các dung dịch acid phosphotungstic, phosphomolipdic, picric… Ngoài tính base, các alkaloid có phản ứng tương tự như nhau đối với một thuốc thử, gọi tên chung là các thuốc thử alkaloid. 2.3.Coumarin: 2.3.1. Khái niệm và nguồn gốc: Coumarin là những dẫn chất α- pyron có cấu trúc C3-C6. Benzo α- pyron là chất coumarin đơn giản nhất tồn tại trong thực vật được biết từ năm 1820 trong hạt của cây Dipteryx odorata Willd, thuộc họ Đậu. Cây này mọc ở Brazil, có trồng ở Venezuela và còn có tên địa phương là“Coumarou”, do đó mà có tên coumarin. Benzo α -pyron còn có trong lá cây Asperula odorata L, họ Cà phê; Trong một số cây thuộc chi Melilotus họ Đậu. Chất này có mùi thơm dễ chịu, được dùng làm hương liệu. Trong kỹ nghệ, benzo α-pyron được tổng hợp từ aldehyd salicylic, anhydrid aetic và natri acetat. Người ta có thể coi α -pyron là một lacton (este nội) của acid hydroxy-cinnamic vì khi có tác dụng acid vô cơ lên acid hydroxycinnamic, như HCl thì sẽ đóng vòng lacton. Ngược lại, vòng lacton sẽ bị mở vòng khi tác dụng với kiềm. Sự mở và đóng vòng có tính thuận nghịch. Qua hầu hết các chất thuộc nhóm coumarin luôn có nguyên tử oxy nối vào C-7 nên có thể coi tất cả các dẫn chất coumarin đều xuất phát từ umbelliferon. Coumarin thuộc nhóm các hợp chất phenol nhưng phần lớn các nhóm OH phenol được ether hóa bằng nhóm CH3 hay bằng một mạch terpenoid có từ 1-3 đơn vị isoprenoid. Trong tự nhiên, coumarin ít tồn tại dạng glycosid, nếu có thì mạch đường thường đơn giản, hay gặp là glucose. Coumarin có mặt trong nhiều họ thực vật như: Apocynaceae(Nerium), Apiaceae (Angeliaca, Coriandrum, Daucus, Ferula, Pimpinella, Peucedanum, Selinum), Araliaceae (Eleutherrococcus),Ateraceae (Artemisea, Eupatorium, Helianthus), Euphorbiaceae (Euphorbia), Fabaceae (Melilotus, Glycyrrhiza), Lamiaceae (Mentha, Salvia), Loganiaceae (Gelsemium), Malvaceae (Althea), Oleaceae (Fraxinus), Orchidaceae (Dendrobium), Rosaceae (Crataegus, Prunus), Rubiaceae (Randia), Papaveraceae (Papaver), Poaceae (Hordeum, triticum, Zea), Polypodiaceae (Polypodium), Rutaceae (Citrus, Murraya, Ruta), Saxifragaceae (Dichroa, Hydrangea), Scrophulariaceae (Digitalis), Solanaceae (Atropa, Capsicum, Datura, Lycium, Nicotiana, Scopolia, Solanum), Thymelaceae (Daphne), Tiliaceae (Tilia). 2.3.2.Phân loại: Cho đến nay người ta được biết hơn 200 chất coumarin khác nhau. Có thể phân coumarin thành các nhóm sau: Nhóm coumarin đơn giản, oxy coumarin, 6,7-furanocoumarin (furocoumarin), pyranocoumarin. 2.3.2.1 Coumarin đơn giản: Gồm có Coumarin, Umbelliferon, Skimmin, Neohydrangin, Aesculin, Cichoriin, Daphnetin, Daphnin, Herniarin, Scopoletin, Scopolin, Fabiatrin, Hydragetin, Hydranetin, Scoparon, Ayapin, Limetin, Aurapten, Umbelliprenin, Collinin, 7-nethoxy-5-ge-ranoxycoumarin, Fraxinol, Fraxetin, Fraxin fraxidin, Isofraxxidin, Calycanthosid, 6,7,8 trimethoxy. Hình 2.5: Cấu trúc Coumarin đơn giản. 2.3.2.2 Furanocoumarin (furocourmarin): a) Nhóm 6:7 furanocoumarin (hay còn gọi là nhóm psoralen) gồm có: Psoralen, Bergaptol, Bergapten, Xanthotoxol, anthotoxin, Imperatorin, Isoimperatorin, Prangenin, Oxypeucedanin, Isopimpinellin, Phellopterin, Byakangelicol, Byakangelicin, Bergamottin, Ostruthol, Auraptin, Oxypencedanin hydro, Peucedanin. b)Nhóm dihydro 6:7 furanocoumarin gồm có: Nodakenetin, Nodakenin, Marmesin, Marmesinin. c)Nhóm 7:8 furanocoumarin (angelicin) gồm có: Angelicin, Isobergapten, Sphondin, Pimpenellin, Oroselon, Oroselol. d)Nhóm 7:8 flanocoumarin gồm có: Athamantin, Archangellicin, Edultin, Peucenidin. Hình 2.6: Cấu trúc Furanocoumarin. 2.3.2.3 Nhóm pyranocoumarin: a)Nhóm 6:7 pyranocoumarin (nhóm xanthyletin) gồm có: Xanthyletin, Luvangetin, Xathoxyletin. b)Nhóm dihydro 6:7 pynocoumarin gồm có: Decursin, Xanthalin. c)Nhóm 7:8 pyranocoumarin: đại diện duy nhất là Seselin. d)Nhóm dihydro 7:8 pyranocoumarin gồm có: Xanthogalin, Kellacton, Provismin, Samidin, Visnadin. e)Nhóm 5:6 pyranoncoumarin: nhóm này ít gặp trong cây. Có 2 đại diện chính là: chất Alloxanthoxyletin và Avicennin. Hình 2.7: Cấu trúc Pyranocoumarin. 2.3.3.Lý tính: Coumarin là những chất kết tinh không màu, một số lớn dễ thăng hoa có mùi thơm. Ở dạng kết hợp glycosid thì có thể tan trong nước, ở dạng aglycon thì dễ tan trong dung môi kém phân cực. Các dẫn chất coumarin có huỳnh quang dưới ánh sáng tử ngoại. Cường độ huỳnh quang phụ thuộc nhóm oxy của phân tử coumarin cũng như pH của dung dịch. Khả năng cho huỳnh quang mạnh nhất là nhóm OH ở C-7. 2.3.4.Hóa tính: Coumarin có vòng lacton nên bị mở vòng bởi kiềm tạo thành muối tan trong nước, nếu acid hóa thì sẽ đóng vòng trở lại. Kiềm còn có tác dụng cắt các nhóm acyl trong các dẫn chất acylcoumarin. Nếu thủy phân các aylcoumarin bằng H2SO4 trong cồn thì thường kèm theo sự dehydrat hóa và có sự biến đổi cấu trúc. Coumarin gắn được một mol brom ở nhiệt độ lạnh tạo thành dibromid. Chất này dễ bị cắt bởi HBr và cho dẫn chất 3-bromcoumarin. Do hiệu ứng liên hiệp của dây nối đôi ở vị trí 3-4 với nhóm carbonyl ne