Фітохі́мія (від грец. phyton — рослина та chemia — хімія) — розділ хімії, що вивчає хімічний склад рослин, хімічні процеси, які відбуваються в рослинних організмах, а також біологічну активність рослинних сполук. Наприклад, фітохімічними є речовини, екстраговані з рослинних тканин. Фітохімія охоплює дослідження структури вторинних метаболітів, їхніх біосинтетичних шляхів, функцій, механізмів дії в живих системах, а також медичних, промислових і комерційних застосувань. Завданням фітохімії є створення високоефективних лікарських препаратів на основі речовин рослинного походження і екологічно чистих засобів захисту рослин. Фітохімія часто як наука нерозривно пов'язана з фармакогнозією, однак, за кількістю та обсягом завдань і цілей ця наука безсумнівно самостійна.
Історія Перші задокументовані свідчення використання лікарських рослин для виготовлення медикаментів датуються приблизно 5000 роками тому — вони були виявлені на шумерській глиняній табличці, яка містила 12 рецептів приготування ліків на основі понад 250 різних рослин.
Зародження наукової фітохімії пов'язують із виділенням винної кислоти з винограду в 1769 році шведським хіміком Карлом Вільгельмом Шеєле, хоча Андреас Маргграф виділив сахарозу з цукрових буряків на 22 роки раніше. Проте історичною віхою вважається 1806 рік, коли Фрідріх Вільгельм Зертюрнер уперше виділив морфін («principium somniferum») з опійного маку, що стало початком систематичного вивчення вторинних метаболітів рослин.
У XIX столітті відбулася інтеграція етноботанічних, фармакологічних та фітохімічних досліджень, що дозволило розробити новий підхід до вивчення та фармацевтичного використання рослин. Медична фітохімія як окремий напрям сформувалася в XIX столітті й охоплює дослідження біоактивних фітохімікатів, фітонутрієнтів, харчових добавок та космецевтиків.
XX та XXI століття стали періодом інтенсивного розвитку фітохімії, що привело до отримання численних фітомолекул, які мають надзвичайно важливе значення для медичної науки. Сучасна фармакогнозія виникла в період між 1934 і 1960 роками завдяки таким подіям, як відкриття пеніциліну, виділення резерпіну, дослідження протиракової активності катарантуса рожевого (Catharanthus roseus) та отримання напівсинтетичних стероїдних гормонів.
Класифікація фітохімічних сполук Фітохімічні сполуки класифікують на первинні та вторинні метаболіти залежно від їхнього метаболічного походження, хімічної структури та функції.
Первинні метаболіти Первинні метаболіти — це сполуки, необхідні для основних метаболічних процесів рослин, вони присутні в усіх рослинах і виконують життєво важливі функції. До них належать:
вуглеводи (цукри, крохмаль, целюлоза); ліпіди (жири, олії, жирні кислоти); амінокислоти та білки; нуклеїнові кислоти.
Вторинні метаболіти Вторинні метаболіти — це сполуки, які не беруть безпосередньої участі в основних метаболічних процесах клітини, але виконують важливі екологічні та захисні функції, зокрема захист від комах, патогенів, травоїдних тварин, ультрафіолетового випромінювання та інших факторів довкілля. Вторинні метаболіти часто обмежені певними таксономічними групами (видами, родами, родинами).
За хімічною структурою та біосинтетичним походженням вторинні метаболіти поділяють на три основні класи:
Терпени та терпеноїди — найбільший клас вторинних метаболітів, що синтезуються з ізопренових одиниць. До них належать монотерпени, сесквітерпени, дитерпени, тритерпени (зокрема стероїди та сапоніни) та каротиноїди. Фенольні сполуки — включають прості феноли, флавоноїди, стильбени, лігнани, таніни, кумарини та інші поліфеноли. Азотовмісні сполуки — поділяються на алкалоїди (найвідоміший клас азотовмісних сполук із вираженою фармакологічною активністю), ціаногенні глікозиди та глюкозинолати.
Деякі джерела також виділяють сірковмісні сполуки як окремий клас.
Існує поняття «фітохімічні групи речовин». Це групи хімічних сполук, які є основними хімічними компонентами рослин. Залежно від них рослини поділяють на групи, які містять: слизи (алтея лікарська, подорожник великий); ефірні олії (ромашка лікарська, аніс); гіркоти (полин гіркий, аїр тростиновий); серцеві глікозиди (наперсник пурпуровий, строфант); сапоніни (женьшень, гіркокаштан звичайний); флавоноїди (глід колючий, липа дрібнолиста); дубильні речовини (чорниця звичайна, дуб звичайний); алкалоїди (ребрик звичайний, мак городній); вітаміни (шипшина звичайна, полуниці садові); інші біологічно активні речовини (гарбуз звичайний, цибуля городня).
Біосинтез вторинних метаболітів
Біосинтез вторинних метаболітів відбувається через складні фізіологічні та біохімічні процеси, контрольовані взаємопов'язаними генами всередині рослинних клітин. Вторинний метаболізм є більш чутливим до впливу факторів довкілля порівняно з первинним метаболізмом.
Рослини продукують спеціалізовані метаболіти за нормальних умов відповідно до генетичної програми, однак біосинтез вторинних метаболітів може посилюватися або навіть індукуватися у відповідь на зовнішні подразники — явище, відоме як еліситація.
Сучасні дослідження біосинтетичних шляхів та регуляторних генів вторинних метаболітів у лікарських рослинах значно просунули як фундаментальні дослідження, так і розробку клінічних застосувань. Міждисциплінарні дослідницькі зусилля та успіхи у виявленні генів і ферментів, залучених до вторинного метаболізму рослин, сформували сучасне розуміння метаболічних шляхів, що ведуть до біосинтезу вторинних метаболітів.
Методи дослідження
Екстракція Екстракція є основним методом виділення фітохімічних сполук із рослинної сировини. Сучасна фітохімія використовує як традиційні, так і сучасні методи екстракції.
До традиційних методів належать:
мацерація (настоювання); перколяція (проціджування); дигестія (нагрівання); інфузія та декокція (відварювання); екстракція за Сокслетом; гідродистиляція та пароводистиляція.
Сучасні методи екстракції включають:
екстракцію під тиском; мікрохвильову екстракцію; ультразвукову екстракцію; надкритичну флюїдну екстракцію; ферментативно-асистовану екстракцію; екстракцію гарячою водою під тиском.
Хроматографічні методи Для розділення, очищення та ідентифікації фітохімічних сполук застосовують різноманітні хроматографічні методи:
тонкошарова хроматографія та препаративна; колонкова хроматографія; флеш-колонкова хроматографія; ексклюзійна хроматографія; протитечійна хроматографія; високоефективна рідинна хроматографія; газова хроматографія.
Спектроскопічні методи Для встановлення структури виділених сполук використовують спектроскопію:
УФ-видиму спектроскопію; інфрачервону спектроскопію; ядерно-магнітно-резонансну спектроскопію; мас-спектрометрію; рентгенівську кристалографію.
Поєднання хроматографії з мас-спектрометрією забезпечує підвищену чутливість та дозволяє проводити одночасне розділення, ідентифікацію та кількісне визначення компонентів складних рослинних екстрактів.
Застосування Фітохімічні сполуки мають широкий спектр застосування в різних галузях.
Медицина та фармація Фітохімікати відіграють центральну роль у відкритті лікарських засобів завдяки їхній структурній різноманітності та широкій біологічній активності. Лікарські рослини залишаються важливим джерелом структурно різноманітних біоактивних сполук із широким терапевтичним потенціалом. Біоактивні фітохімікати демонструють сприятливі ефекти у полегшенні хронічних захворювань, зокрема раку, серцево-судинних захворювань та нейродегенеративних розладів. Фітохімікати діють як «провідні» сполуки (ліди) для синтезу нових терапевтичних агентів.
Харчова промисловість Фітохімікати використовуються як натуральні інгредієнти в харчових продуктах та добавках завдяки їхнім антиоксидантним властивостям та іншим біологічним ефектам. Вони визнані ароматизаторами та космецевтиками завдяки своїм антиоксидантним, стабілізуючим, емульгувальним, хелатуючим та ароматичним властивостям.
Сільське господарство Вторинні метаболіти рослин виконують важливу роль у захисті рослин від фітопатогенів, діючи як антимікробні засоби, атрактанти/репеленти або стримуючі фактори проти травоїдних.
Сучасні напрямки досліджень
Оміксні технології Розвиток оміксних технологій — геноміки, транскриптоміки, протеоміки та метаболоміки — значно покращив фітохімічні дослідження, дозволяючи проводити масштабний та інтегрований аналіз рослинних метаболічних систем. Геноміка та транскриптоміка допомагають ідентифікувати гени та регуляторні мережі, залучені до біосинтезу вторинних метаболітів, тоді як протеоміка та метаболоміка надають пряму інформацію про ферменти та різноманітність метаболітів.
Інтеграція мультиоміксних даних прискорила відкриття біоактивних сполук із терапевтичним потенціалом. Інтегровані геномні, транскриптомні, протеомні та метаболомні підходи значно просунули розуміння біосинтезу артемізиніну в рослині полину однорічного (Artemisia annua) — класичний приклад успішного застосування оміксних технологій у фітохімії.
Генетична інженерія та синтетична біологія Сучасні дослідження використовують технології редагування геномів, зокрема CRISPR/Cas, для модифікації біосинтетичних шляхів і підвищення продуктивності цінних вторинних метаболітів. Виявлення кластерів генів метаболітів рослин є важливим досягненням у розумінні біосинтезу та еволюції вторинних метаболітів.
Обчислювальна фітохімія Розвиток біоінформатики та машинного навчання відіграє ключову роль в аналізі великих і складних оміксних даних. Комп'ютерні методи та підходи in silico активно використовуються для прогнозування біологічної активності фітохімікатів та оптимізації процесів відкриття ліків.
Перспективи Майбутні дослідження у фітохімії будуть зосереджені на:
покращенні інтеграції мультиоміксних даних; стандартизації даних; використанні новітніх технологій, таких як одноклітинна та просторова оміка; застосуванні інструментів редагування геному; посиленні співпраці між академічними установами та промисловістю для сталого розвитку фітохімічних ліків і функціональних харчових продуктів.
Див. також
Лікарські рослини Фармакогнозія Ботаніка Біохімія Хімія природних сполук Хімія ліків Фітопрепарати Первинні метаболіти рослин Вторинні метаболіти рослин
Джерела
Офіційний сайт провідного міжнародного журналу "Phytochemistry", який публікує дослідження з біосинтезу, регуляції та біологічних властивостей фітохімічних сполук https://www.sciencedirect.com/journal/phytochemistry
Примітки