TERPENOID vai trò ứng dụng trong đời sống con người

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC




ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHUYÊN NGÀNH


TERPENOID – VAI TRÒ VÀ ỨNG DỤNG
TRONG ĐỜI SỐNG CON NGƯỜI

SVTH: Phạm Mỹ Ngọc
MSSV: 60701605
GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên


TP Hồ Chí Minh, 6– 2011
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] i

LỜI CẢM ƠN
Sau một học kì tìm hiểu về hợp chất tự nhiên terpenoid, nhờ sự hƣớng dẫn của TS
Lê Thị Thủy Tiên, em đã phần nào biết đƣợc con đƣờng sinh tổng hợp và vai trò của
terpenoid trong tự nhiên. Bên cạnh đó em còn tìm hiều một số phƣơng pháp thu nhận và
ứng dụng terpenoid trong đời sống con ngƣời. Nếu không có sự giúp đỡ tận tình của cô,
giúp em sữa chữa những lỗi nhỏ nhất thì em không thể làm tốt đƣợc.
Xin chân thành cảm ơn TS Lê Thị Thủy Tiên đã hỗ trợ, giúp em hoàn thành đồ án

môn học chuyên ngành “Terpenoid-Vai trò và ứng dụng trong đời sống con ngƣời”.
Phạm Mỹ Ngọc

[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC BẢNG v
DANH MỤC HÌNH vi
DANH MỤC ẢNH viii
LỜI NÓI ĐẦU 1
1. Tổng quan về terpenoid 2
1.1. Hợp chất tự nhiên và phân loại 2
1.2. Terpenoid 2
1.2.1. Phân loại 2
1.2.2. Quy tắc isoprene 3
1.2.3. Danh pháp terpenoid 5
2. Sinh tổng hợp terpenoid 6
2.1. Sinh tổng hợp từ C
5
pyrophosphate 9
2.2. Terpenoid dạng thẳng 11
2.3. Terpenoid dạng vòng 13
2.4. Monoterpenoid 13
2.5. Sesquiterpenoid 15
2.5.1. Sesquiterpenoid từ cis,trans-farnesyl pyrophosphate khi đóng vòng ở liên

kết đôi 6,7 15
2.5.2. Sesquiterpenoi từ cis,trans-farnesyl pyrophosphate khi đóng vòng ở liên
kết đôi 10,11 16
2.5.3. Sesquiterpeniod từ trans,trans-farnesyl pyrophosphate 17
2.6. Diterpenoid 18
2.7. Triterpenoid và steroid 20
2.8. Tetraterpenoid và carotenoid 22
2.9. Điều hòa sinh tổng hợp terpenoid 23
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] iii

2.9.1. Điều hòa theo không gian 23
2.9.2. Điều hòa theo thời gian 26
3. Vai trò của terpenoid trong tự nhiên 28
3.1. Chức năng 28
3.2. Tự vệ 28
3.3. Thông tin 30
4. Thu nhận terpenoid 33
4.1. Từ tự nhiên 33
4.1.1. Tạo vết thƣơng (tapping) 33
4.1.2. Ép (expression) 33
4.1.3. Chƣng cất (distillation) 33
4.1.4. Trích ly (solvent extraction) 35
4.2. Từ nuôi cấy tế bào 36
5. Một số ứng dụng của terpenoid trong đời sống con ngƣời 41
5.1. Tinh dầu geranium trong nƣớc hoa, mỹ phẩm, xà phòng 41
5.2. Chất tạo ngọt terpenoid 46
5.2.1. Sesquiterpenoid ngọt – hernandulcin 46
5.2.2. Diterpene glycoside – gaudichaudioside 48

5.2.3. Triterpene glycoside 49
5.3. Chất ngăn ngừa oxy hóa terpenoid 52
5.3.1. Sự hoạt hóa oxy gây bệnh ở động vật 53
5.3.2. Terpenoid làm chất chống oxy hóa trong quá trình oxy hóa peroxyde lipid
54
KẾT LUẬN 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] iv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ATP: Adenosin Triphosphate
CoA: Coenzyme A
FPP: farnesyl pyrophosphate
GPP: geranyl pyrophosphate
GGPP: geranylgeranyl pyrophosphate
HMG-CoA reductase: 3-hydroxyl-3-methylglutaryl-coenzyme A
IPP: isopentyl pyrophosphate
MEP/DOXP: 2-C-Methyl-D-erythritol 4-phosphate/1-Deoxy-D-xylulose 5-phosphate
NADP/NADPH: Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] v

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Phân loại terpenoid 3
Bảng 2: Sự thay đổi nồng độ tinh dầu chủ yếu và thành phần terpenoid của geranium
hƣơng hoa hồng theo mùa 43

Bảng 3: Sự thay đổi hoạt tính enzyme từ P. graveolen theo mùa 44


[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] vi

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Kiểu kết hợp đầu-đuôi của 2 tiểu đơn vị isoprene 4
Hình 1.2: Một số terpenoid và cách sắp xếp các tiểu đơn vị isoprene tạo sƣờn carbon
tƣơng ứng 4
Hình 1.3: Carvone và sƣờn p-menthane 5
Hình 1.4: Các đồng phân của pinene 6
Hình 1.5: Các đồng phân của ionone và patchoulene 6
Hình 2.1: Sinh tổng hợp sƣờn terpenoid: 2 con đƣờng mevalonate và MEP/DOXP 8
Hình 2.2: Quá trình tạo acetyl coenzyme A 9
Hình 2.3: Quá trình tạo prenyl pyrophosphate 10
Hình 2.4: Con đƣờng acid mevalonic và sự sinh tổng hợp sƣờn carbon terpenoid 11
Hình 2.5. Sự tạo thành các tiền chất của terpenoid 12
Hình 2.6: Những nhóm monoterpenoid phổ biến nhất đƣợc hình thành từ geranyl
pyrophosphate 14
Hình 2.7: Sesquiterpenoid từ cis,trans-farnesyl pyrophosphate khi đóng vòng ở liên kết
đôi 6,7 16
Hình 2.8: Sesquiterpenoid từ cis,trans-farnesyl pyrophosphate khi đóng vòng ở liên kết
đôi 10,11 17
Hình 2.9: Sesquiterpenoid từ trans,trans-farnesyl pyrophosphate 18
Hình 2.10: Sự hình thành sƣờn labdane và cembrane của terpenoid 19
Hình 2.11: Sự hình thành sƣờn squalene 21
Hình 2.12: Sự hình thành các sterol từ sƣờn squalene 21
Hình 2.13: Sự hình thành sƣờn caroteinoid 22

Hình 3.1. Các terpenoid có vai trò chức năng 28
Hình 3.2. Các dẫn xuất của eudesmane có vai trò kháng khuẩn và kháng nấm 29
Hình 3.3. Chất truyền thông tin hormone terpenoid 30
Hình 3.4. Chất truyền thông tin pheromone terpenoid 31
Hình 3.5. Chất truyền thông tin allelochemical 32
Hình 3.6. Chất truyền tín hiệu nepetalactone 32
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] vii

Hình 4.1. Giản đồ miêu tả erlen chƣng cất Florentine 34
Hình 4.2. Thu nhận tinh dầu bằng chƣng cất 34
Hình 4.3. Thu nhận tinh dầu bằng trích ly 35
Hình 5.2: Cấu tạo geraniol, citronellol và nerol 42
Hình 5.4: Cấu tạo hernandulcin 47
Hình 5.7: Gaudichaudioside A (8), B (9), C (10), D (11) và E (12) 49
Hình 5.9: Periandrin V (13) và periandrin I (14) 50
Hình 5.11: Các abrusoside A (15), B (16), C (17), D (18) và E (19) 51
Hình 5.13: Pterocaryoside A (24) và pterocaryoside B (25) 52
Hình 5.15: Ảnh hƣởng của tinh dầu chanh và tinh dầu thông lá kim lên sự oxy hóa acid
-linolenic 54
Hình 5.16: Ảnh hƣởng của các terpenoid khác nhau lên sự oxy hóa acid -linolenic . 55
Hình 5.17: Ảnh hƣởng của tinh dầu thông lá kim và tinh dầu chanh lên sự oxy hóa
lipoprotein mật độ thấp (LDL) do đồng cảm ứng. 56
Hình 5.18: Ảnh hƣởng của các terpenoid khác nhau lên sự oxy hóa lipoprotein mật độ
thấp (LDL) do đồng cảm ứng 57

[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] viii

DANH MỤC ẢNH
Hình 4.4: Chồi phát triển từ mô sẹo Ruta graveolen 40
Hình 4.5: Mô sẹo (A) và chồi (B, C) của Mentha piperita 41
Hình 5.1: Pelargonium graveolen 42
Hình 5.3: Một số sản phẩm chứa tinh dầu geranium 42
Hình 5.5: Lippia dulci 47
Hình 5.6: Baccharis gaudichaudiana DC 48
Hình5.8 : Periandra dulci 49
Hình 5.10: Abrus precatorius (cam thảo dây) 50
Hình 5.12: Pterocarya paliurus 51
Hình 5.14: Một số sản phẩm chứa chất tạo ngọt 52
Hình 5.19: Thuốc tăng tuần hoàn não Ginkgo Biloba chứa terpene làm việc nhƣ chất
chống oxy hóa 57
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 1

LỜI NÓI ĐẦU
Hợp chất tự nhiên có vai trò rất quan trọng không chỉ với bản thân thực vật và
những sinh vật tổng hợp ra nó mà còn rất hữu dụng trong đời sống con ngƣời. Terpenoid
là một nhóm hợp chất tự nhiên rất đa dạng và đƣợc ứng dụng nhiều trong đời sống. Vì
vậy, đồ án môn học chuyên ngành “Terpenoid-Vai trò và ứng dụng trong đời sống con
ngƣời” đƣợc thực hiện nhằm đƣa ra một số kiến thứ về terpenoid và ứng dụng của nó.
Đồ án môn học chuyên ngành này gồm 5 phần:
1. Tổng quan về terpenoid
2. Sinh tổng hợp terpenoid
3. Vai trò của terpenoid trong tự nhiên
4. Thu nhận terpenoid
5. Một số ứng dụng của terpenoid trong đời sống con ngƣời

Do có nhiều hạn chế nên đồ án này vẫn còn nhiều thiếu sót, mong quý thầy cô và
các bạn góp ý để đồ án đƣợc hoàn chỉnh hơn.
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 2

1. Tổng quan về terpenoid
1.1. Hợp chất tự nhiên và phân loại
Thực vật và động vật sản sinh ra 1 dãy các chất hóa học đa dạng đến kinh ngạc.
Hầu hết những chất này đều dựa trên sƣờn carbon và vì thế ngành hóa học carbon đƣợc
biết đến nhƣ ngành hóa hữu cơ, ngành hóa về các sinh vật sống, ngành hóa học đời sống.
Những sản phẩm hóa học của thực vật và động vật có thể đƣợc phân loại thành hợp chất
(chất chuyển hóa) sơ cấp và thứ cấp. Hợp chất sơ cấp thƣờng có ở tất cả các loài và có thể
đƣợc phân chia thành protein, carbohydrate, lipid và nucleic acid. Bốn nhóm này đƣợc
xác định theo cấu trúc hóa học của chúng. Hợp chất thứ cấp thƣờng đƣợc nói đến nhƣ
“hợp chất tự nhiên”. Những chất này ở thực có thể đƣợc chia thành các nhóm terpenoid,
alkaloid, phenolic và polyketide [13]. Sự phân loại này dựa trên phƣơng thức mà chất
đƣợc tổng hợp. Những con đƣờng tổng hợp này đƣợc nói đến nhƣ con đƣờng tổng hợp
hóa sinh hay con đƣờng sinh tổng hợp.
Bản thân hợp chất thứ cấp có thể phổ biến ở một số loài hoặc có thể chỉ đƣợc sản
xuất bởi một sinh vật. Các loài cùng một họ thƣờng có liên hệ về kiểu hợp chất thứ cấp
và vì thế một loài có thể đƣợc phân loại theo hợp chất thứ cấp mà nó sản sinh ra. Sự phân
loại nhƣ thế đƣợc đặt tên là sự phân loại hóa học. Đôi khi, hai loài thực vật đƣợc phát
hiện có vẻ ngoài giống hệt nhau, các nhà thực vật học dựa vào điều này để phân loại, lại
khác nhau về hợp chất thứ cấp mà chúng sản xuất. Ví dụ, hai loại hoa có thể trông giống
hệt nhau nhƣng một loại không có mùi trong khi loại kia sở hữu mùi thơm mạnh nhờ vào
việc sản xuất chất terpenoid có mùi thơm. Các chủng khác nhau nhƣ thế đƣợc coi là các
loài hóa học [8].
1.2. Terpenoid
1.2.1. Phân loại

Terpenoid đƣợc định nghĩa nhƣ là chất có cấu trúc phân tử chứa sƣờn carbon hình
thành từ các tiểu đơn vị isoprene (2-methylbuta-1,3-diene). Isoprene chứa 5 nguyên tử
carbon và vì thế, số nguyên tử carbon trong bất kì terpenoid là bội số của 5 [13]. Sự phân
hủy các sản phẩm terpenoid mà các nguyên tử carbon bị mất thông qua các quá trình hóa
học hoặc hóa sinh có thể bao gồm nhiều nguyên tử carbon khác nhau, nhƣng cấu trúc
tổng thể của chúng sẽ biểu thị nguồn gốc terpenoid của chúng và vẫn đƣợc xem nhƣ là
terpenoid.
Tên gọi chung “terpene” đƣợc dùng đầu tiên đối với các hydrocarbon tìm thấy
trong nhựa thông turpentine, tiếp vĩ ngữ “ene” biểu thị sự hiện diện của liên kết olefin.
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 3

Mỗi chất này chứa 2 tiểu đơn vị isoprene, do đó chứa 10 nguyên tử carbon. Các chất liên
quan chứa 20 nguyên tử carbon đƣợc gọi là diterpene. Mối quan hệ đối với isoprene đƣợc
khám phá muộn hơn, khi mà monoterpene và diterpene đã đƣợc xác minh kĩ. Bảng 1.1
cho thấy sự phân chia đa dạng của họ terpenoid dựa trên sự phân loại này. Nó cũng cho
thấy 2 nhóm phụ đặc trƣng của terpenoid, đó là carotenoid và steroid. Steroid và
carotenoid là các nhóm phụ của triterpenoid và tetraterpenoid.
Thỉnh thoảng, từ terpene đƣợc dùng để biểu thị cho bất kì terpenoid nào. Tƣơng
tự, “isoprenoid” thƣờng đƣợc dùng thay cho “terpenoid”.
Bảng 1: Phân loại terpenoid
Danh pháp
Số tiểu đơn vị isoprene
Số nguyên tử carbon
Hemiterpenoid
1
5
Monoterpenoid
2

10
Sesquiterpenoid
3
15
Diterpenoid
4
20
Sesterterpenoid
5
25
Triterpenoid
6
30
Tetraterpenoid
8
40
Polyisoprenoid
>8
>40
Steroid triterpenoid tạo Diels hydrocarbon khi chƣng cất từ bụi kẽm
carotenoid
8
40
1.2.2. Quy tắc isoprene
Quy tắc isoprene, đƣợc đƣa ra bởi Wallach năm 1887, xác định terpenoid nhƣ là
chất hóa học chứa 1 sƣờn carbon hình thành bằng cách nối nhiều tiểu đơn vị isoprene với
nhau. Isoprene, “nền tảng xây dựng” của terpenoid, là 2-methylbuta-1,3-diene. Nếu ta
nhìn vào 2-methylbutane ban đầu, ta có thể nghĩ phân tử có 1 “đầu” ở đầu phân nhánh
của phân tử và 1 đầu khác là “đuôi”. Vì vậy, nói chung, 2 tiểu đơn vị isoprene có thể kết
hợp đầu-đầu, đuôi-đuôi hoặc đầu-đuôi. Sự kết hợp phổ biến nhất là đầu-đuôi [13]. Hình

1.1 cho thấy 2 tiểu đơn vị isoprene đang kết hợp đầu-đuôi để tạo thành sƣờn
monoterpenoid. Đôi khi, sự kết hợp đuôi-đuôi xuất hiện. Đây là nét đặc trƣng của steroid
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 4

và carotenoid. Trong cả hai loại này, có 1 kiểu kết hợp đuôi-đuôi chính xác ở trung tâm
sƣờn carbon, loại kia kết hợp kiểu đầu-đuôi. Kiểu kết hợp giả thuyết đầu-đầu không xảy
ra.

Hình 1.1: Kiểu kết hợp đầu-đuôi của 2 tiểu đơn vị isoprene
Sau khi hình thành sƣờn C
5n
cơ bản, chuỗi có thể đƣợc xếp lại để tạo vòng và hình
thành chức năng bằng cách đƣa ra oxygen hoặc các nguyên tử khác loại khác. Hình 1.2
cho thấy cách các tiểu đơn vị isoprene sắp xếp và sƣờn carbon gốc trong 3 terpenoid đơn
giản. Thỉnh thoảng, sự sắp xếp lại sƣờn carbon làm cho quá trình này trở nên khó hơn và
phản ứng phân hủy có thể làm giảm số lƣợng nguyên tử carbon vì vậy công thức thực
nghiệm không chỉ chứa bội của 5 carbon [13]. Tuy nhiên, các sản phẩm hóa học tự nhiên
vẫn nhanh chóng xác định nhờ cấu trúc sƣờn carbon đặc trƣng. Đôi khi các phân tử chứa
cả khung sƣờn terpenoid và khung sƣờn từ các loại khác.

Hình 1.2: Một số terpenoid và cách sắp xếp các tiểu đơn vị isoprene tạo sườn carbon
tương ứng

Đầu
Đầu
Đuôi
Đuôi
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 5

1.2.3. Danh pháp terpenoid
Terpenoid đƣợc chia thành các nhóm và nhóm phụ theo con đƣờng tổng hợp tự
nhiên của chúng và vì thế, theo cấu trúc sƣờn từ những chất phát sinh trực tiếp từ sinh
tổng hợp [4]. Nhƣ đã mô tả bên trên, cơ sở đầu tiên để phân loại là số tiểu đơn vị isoprene
hợp thành terpenoid. Tên của những nhóm này đƣợc trình bày ở bảng 1.1. Sự phân loại
tiếp theo phụ thuộc vào việc liệu bộ khung có giữ nguyên dạng chuỗi mở hay tạo thành
1, 2 hay nhiều vòng. Các nhóm terpenoid có cùng sƣờn đƣợc đặt tên theo 1 chất nổi bật
của nhóm, thông thƣờng là chất phổ biến nhất hay chất đƣợc phát hiện đầu tiên. Để gọi
tên riêng 1 terpenoid, thƣờng dùng hệ thống danh pháp CAS hoặc IUPAC. Tuy nhiên, để
thuận tiện thƣờng dùng tên thông dụng hoặc tên bán hệ thống xuất phát từ nhóm cấu trúc
terpenoid mà chất nghi ngờ thuộc về. Tên thông dụng thƣờng liên quan đến nguồn gốc tự
nhiên mà terpenoid đƣợc tìm thấy.

Hình 1.3: Carvone và sườn p-menthane
Ví dụ về hệ thống cùng tồn tại, tên bán hệ thống và tên thông dụng, chúng ta có
thể xem xét monoterpenoid, carvone. Carvone tìm thấy các dạng đối xứng trong tự nhiên,
dạng laevo trong cây bạc hà lục và dạng dextro trong cây carum. Tên thông dụng của
carvone xuất phát từ tên Latin của cây carum, Carum carvi. Sƣờn carbon cơ bản là 1-
isopropyl-4-methylcyclohexane. Sƣờn này rất phổ biến trong tự nhiên và đặc biệt quan
trọng ở chi Mentha, bao gồm nhiều loại bạc hà, vì nó tạo thành sƣờn của hầu hết các chất
quan trọng trong tinh dầu bạc hà. Vì thế sƣờn đƣợc đặt tên p-menthane và hệ thống đánh
số dùng nó đƣợc trình bày ở hình 1.3. Do đó, bất kì tên nào đƣợc đây cũng có thể dùng để
mô tả cùng 1 phân tử: carvone, p-mentha-1,8-dien-6-one và 1-methyl-4-(1-
methylethenyl)cyclohex-1-ene-one [8]. Để phân loại, ta có thể gọi nó là 1 ketone chƣa
bão hòa thuộc nhóm p-menthane của monoterpenoid.
Kí tự Hy Lạp đƣợc dùng theo những cách khác nhau để phân biệt giữa các đồng
phân terpenoid. Chúng biểu thị trật tự mà các đồng phân đƣợc phát hiện hoặc sự đa dạng

trong tinh dầu. Ví dụ, -pinene là thành phần đáng kể nhất trong nhựa thông, thƣờng gồm
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 6

¾ khối lƣợng tinh dầu. Thành phần đáng kể tiếp theo là β-pinene. Những cấu trúc này
đƣợc trình bày ở hình 1.4.

Hình 1.4: Các đồng phân của pinene
Trƣờng hợp terpenoid dạng vòng, các kí tự , β, thƣờng ám chỉ vị trí của liên kết
đôi ở các đồng phân olefin. Trong những trƣờng hợp này, kí tự biểu thị liên kết đôi 3
nhóm thế ở trong vòng, β ám chỉ liên kết olefin 4 nhóm thế và đối với nhóm chức năng
methylen ngoài vòng [4]. Cấu trúc chung đƣợc trình bày ở hình 1.5 cùng với ví dụ về các
đồng phân của ionone và patchoulene.

Hình 1.5: Các đồng phân của ionone và patchoulene
2. Sinh tổng hợp terpenoid
Quá trình mà thiên nhiên sản sinh ra các chất hóa học cần thiết cho nó, đƣợc gọi là
sinh tổng hợp. Nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp, chúng ta không chỉ biết về hóa học tự
nhiên mà còn mở mang kiến thức hữu ích trong nhiều phạm vi. Ví dụ, khi hiểu về hóa
học tự nhiên và các hợp chất tự nhiên đƣợc cấu tạo nhƣ thế nào, các khuôn mẫu tự
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 7

nhiêncó thể đƣợc hiểu và dùng để hỗ trợ nhận dạng cấu trúc các chất mới đƣợc phân tách
và sản xuất các hợp chất mới có tính chất tƣơng tự.
 Enzyme và coenzyme
Các phản ứng hóa học đƣợc quan sát trong sinh tổng hợp (phát sinh sinh vật) về
bản chất giống nhƣ những chất tổng hợp hữu cơ dùng để sản xuất các nguyên liệu thí

nghiệm hóa học. Điều khác biệt chủ yếu giữa chất tự nhiên và tổng hợp, dựa trên hệ
thống xúc tác đƣợc tìm thấy trong tự nhiên. Các chất xúc tác điều khiển các phản ứng hóa
sinh đƣợc gọi là các enzyme. Vai trò của enzyme là giúp cho phản ứng hóa học xảy ra
nhanh hơn và có chọn lọc hơn.
Chiều hƣớng phản ứng trong sinh tổng hợp terpenoid đƣợc điều khiển mạnh mẽ
bởi enzyme của thực vật hoặc động vật. Đặc biệt là trƣờng hợp các phản ứng mà chất
trung gian pyrophosphate trải qua sự thủy phân enzyme để tạo thành anion
pyrophosphate và carbocation [13]. Thông thƣờng, có rất nhiều con đƣờng phản ứng mà
carbocation có thể tham gia, nhƣng enzyme hƣớng nó đến con đƣờng đặc trƣng. Vì thế,
từ 1 tiền chất phổ biến và sự thủy phân ban đầu giống nhau, 1 sinh vật sẽ tạo thành 1 chất
chuyển hóa và 1 sinh vật khác sẽ tạo ra chất chuyển hóa khác [4]. Các enzyme sẵn có
trong 1 sinh vật đƣợc điều khiển bởi gen mã hóa ra nó. Nhƣ vậy, các sinh vật cùng họ có
DNA tƣơng tự sẽ có các enzyme tƣơng tự và vì vậy chúng sẽ tạo ra các cấu trúc terpenoid
tƣơng tự. Mặt khác, 2 sinh vật khác nhau nhiều về thuộc tính di truyền sẽ tạo thành các
terpenoid khác nhau nhiều. Sự phân loại thực vật bằng các chất chuyển hóa mà chúng tạo
thành đƣợc gọi là sự phân loại hóa học.
Đôi khi, các enzyme cần có coenzyme, cũng đƣợc gọi là cofactor, để tham gia vào
phản ứng. Ví dụ, trong phản ứng oxy hóa hoặc phản ứng khử, coenzyme có thể cung cấp
năng lƣợng oxy hóa hoặc khử để điều khiển phản ứng. Coenzyme sau đó đƣợc phục hồi
bằng cách oxy hóa lần nữa hoặc khử lần nữa, trong chu kì sau đó hoặc thậm chí bởi 1 hệ
thống enzyme khác. Có 3 coenzyme có vai trò đặc biệt trong sinh tổng hợp terpenoid:
Adenosin Triphosphate (ATP), Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate
(NADP/NADPH), coenzyme A (CoA) [4].



[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 8

Hình 2.1: Sinh tổng hợp sườn terpenoid: 2 con đường mevalonate và MEP/DOXP

SINH TỔNG HỢP SƢỜN CARBON TERPENOID
Con đƣờng Mevalonate
Con đƣờng
MEP/DOXP
Sinh tổng
hợp N-glycan
Sinh tổng hợp
sesquiterpenoi
d
Sinh tổng hợp
steroid
Sinh tổng hợp
carotenoid
Sinh tổng hợp ubiquinone và
các terpenoid –quinone khác
Chuyển hóa
porphyrin và
chlorophyll
Sinh tổng hợp zeatin
Sinh tổng hợp diterpenoid
Sinh tổng hợp monoterpenoid
Sinh tổng hợp carotenoid
Đƣờng phân
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 9

2.1. Sinh tổng hợp từ C
5
pyrophosphate
Cây xanh và tảo tổng hợp glucose từ CO
2
và nƣớc. Quá trình này đƣợc gọi là
quang hợp vì ánh nắng mặt trời là nguồn năng lƣợng để tiến hành phản ứng. Glucose tiếp
theo có thể bị phân hủy trong 1 quá trình gọi là đƣờng phân, để cung phosphoenol
pyruvate. Quá trình này có thể xảy ra ở cả thực vật tạo ra glucose lẫn các sinh vật tiêu thụ
thực vật. Sự thủy phân phosphoenol pyruvate tạo ra pyruvate tự do, cung cấp chất ái nhân
tấn công vào sƣờn carbon nhờ nhóm thiol của coenzyme A, tiếp theo là sự khử carboxyl
để tạo ra acetyl coenzyme A [13]. Quá trình này đƣợc trình bày ở hình 2.2.

Hình 2.2: Quá trình tạo acetyl coenzyme A
Quá trình acetyl coenzyme A bị chuyển thành 2 cấu trúc đồng phân của terpenoid
đƣợc trình bày ở Hình 2.3. Một phân tử acetyl coenzyme A (2.1) tham gia phản ứng thế
ái nhân với một acetyl coenzyme A khác để tạo thành acetoacetyl coenzyme A (2.3).
Thêm anion vào sƣờn carbon 3 acetyl coenzyme A tạo thành hydroxy dithioester (2.4).
Tiếp theo thủy phân coenzyme A để tạo thành mono-thioester từ acid 3-hydroxy-3-
methylpentandioic (2.5). Giai đoạn này đƣợc xúc tác bởi hai enzyme acetyl-CoA
acetyltransferase và HMG-CoA synthase. Hai enzyme này chƣa đƣợc nghiên cứu ở thực
vật. Thioester sau đó bị khử bởi 2 NADPH để tạo acid dihydroxy gọi là acid mevalonic
(2.6), phản ứng đƣợc xúc tác bởi HMG-CoA reductase. Acid mevalonic sau đó bị
phosphoryl hóa bởi 3 ATP. ATP thứ nhất tạo thành phosphate rƣợu bậc nhất (2.7), xúc
tác bởi mevalonate kinase hòa tan; ATP thứ 2 chuyển chất này thành pyrophosphate
(2.8), do enzyme phosphomevalonate kinase; và ATP thứ 3 phosphoryl hóa rƣợu bậc 4 để
tạo thành triphosphate (2.9). Phosphate ester bậc 4 dễ bị khử và, trong trƣờng hợp này,
khuynh hƣớng này tăng cùng với sự khử carboxyl để tạo isopentenyl pyrophosphate (IPP,
Quang hợp
Đƣờng phân

Thủy phân
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 10

2.10), nhờ enzyme pyrophosphomevalonate decarboxylase. Liên kết đôi của isopentenyl
pyrophosphate có thể đƣợc đồng phân hóa thành 3 nhóm thế nhiệt động có ích hơn bởi
ion manganese, tạo prenyl pyrophosphate (2.11). Sự đồng phân hóa ngƣợc lại có thể đƣợc
thực hiện bởi ion magnesium. Cả 2 sự đồng phân hóa đƣợc định hƣớng bởi enzyme
prenyltransferase. IPP là khuôn cấu trúc 5C cơ bản đƣợc thêm vào prenyl pyrophosphate
để hình thành chuỗi dài hơn. Bản thân IPP phải trải qua sự ion hóa để tạo thành các
terpenoid cao hơn [13].

Hình 2.3: Quá trình tạo prenyl pyrophosphate

[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 11


Hình 2.4: Con đường acid mevalonic và sự sinh tổng hợp sườn carbon terpenoid
1x, 2x, 3x là số nhóm isopentyl pyrophosphate đƣợc thêm vào [6].
2.2. Terpenoid dạng thẳng
Liên kết phổ biến nhất giữa 2 tiểu đơn vị 5 carbon là dạng đầu-đuôi, cơ chế đƣợc
trình bày ở hình 2.5 [4]. Vị trí khởi đầu cơ bản là 1 phân tử prenyl pyrophosphate (2.11).
Thủy phân nhóm pyrophosphate ở vị trí này sẽ tạo ra hemiterpenoid. Khi có sự hiện diện
của base, 1 phân tử isopentenyl pyrophosphate có thể đƣợc thêm vào để tạo các loại 10
carbon. Allylic methylene hydrogen bị chuyển thành isoprenyl pyrophosphate bởi base.
Allylic anion thu đƣợc, thông qua nguyên tử carbon ở đầu, tấn công allylic
pyrophosphate của prenyl pyrophosphate (2.11) trong phản ứng S

N
2. Chất này tạo thành
geranyl pyrophosphate (2.12), tiền chất của tất cả monoterpenoid. Sự chọn lọc toàn bộ
phản ứng dựa trên bản chất hóa học vốn có của các tác chất nhƣng tăng lên khi đƣợc điều
Hemiterpene
Monoterpene
Squalene
Sesquiterpene
Triterpene
Diterpene
Phytoene
tetraterpene
Polyterpene
polyprenol
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 12

khiển bởi enzyme. Vì vậy, oxy thêm vào đầu của 1 đơn vị đƣợc liên kết với đầu đối diện
của 1 đơn vị khác để tạo liên kết đầu-đuôi. Thủy phân ở vị trí này tạo thành
monoterpenoid. Khả năng thêm 1 đơn vị isopentenyl pyrophosphate khác (2.10), vì
geranyl pyrophosphate (GPP, 2.12) chứa vị trí hoạt động chính xác tƣơng tự với prenyl
pyrophosphate (2.11). Sự thêm vào này, đƣợc trình bày ở hình 2.5, tạo farnesyl
pyrophosphate (2.13), tiền chất của tất cả sesquiterpenoid. 1 lần nữa, cả sự thủy phân lẫn
sự thêm isopentenyl pyrophosphate vào đơn vị có thể xảy ra. Đầu tiên sẽ tạo
sesquiterpenoid và thứ hai, geranyl geranyl pyrophosphate (2.14), tiền chất của
diterpenoid. Sự thêm các đơn vị 5 carbon có thể tiếp tục theo cùng cách để tạo các
terpenoid cao hơn, cuối cùng là polyisoprenoid.

Hình 2.5. Sự tạo thành các tiền chất của terpenoid

hemiterpenoid
monoterpenoi
d
sesquiterpenoid
Vân vân …
diterpenoid
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 13

2.3. Terpenoid dạng vòng
Trong quá trình sinh tổng hợp, khả năng phản ứng hóa học cơ bản đƣợc nâng cao
và đƣợc điều khiển bởi enzyme xúc tác các phản ứng khác nhau. Khi đặc tính hóa học
độc lập biểu hiện các phản ứng tiềm năng, các enzyme xúc tác liên quan đến sinh tổng
hợp sẽ hƣớng dẫn con đƣờng phản ứng đặc trƣng. Vì các sinh vật khác nhau chứa các
enzyme khác nhau, nên các terpenoid mà chúng tạo ra từ cùng 1 tiền chất thƣờng sẽ khác
nhau [13]. Kết quả là tiền chất duy nhất của các cấu phần terpenoid trong mỗi sinh vật
khác nhau này và dẫn đến khả năng phân biệt và phân loại các loài theo terpenoid mà
chúng sản xuất.
Các phản ứng đƣợc mô tả ở đây chỉ liên quan đến sự hình thành sƣờn carbon cơ
bản của các nhóm terpenoid khác nhau. Các chuyển hóa sinh hóa tiếp theo, ví dụ nhƣ
phản ứng oxy hóa, làm tăng thêm sự khác biệt, và các tiền chất của những phản ứng nhƣ
thế một lần nữa là đặc trƣng của những sinh vật mà chúng tìm thấy. Bằng cách dùng 1 số
tiền chất và 1 vài loại phản ứng cationic, có thể tạo thành sự đa dạng đáng kinh ngạc của
các terpenoid khác nhau.
Từ hình 2.6 đến 2.13, chữ thƣờng đƣợc dùng cho tên của terpenoid đặc trƣng, ví
dụ limonene. Chữ nghiêng đƣợc dùng biểu thị thành phần của 1 loại cấu trúc của nguyên
liệu. Ví dụ, trong hình 2.6, từ menthane đƣợc đặt bên cạnh cation mà limonene đƣợc hình
thành từ đó, điều này khẳng định cấu trúc vòng cơ bản, ví dụ 4-isopropyl-1-

methylcyclohexane, đem lại tên chung của menthane.
2.4. Monoterpenoid
Hình 2.6 chỉ ra những nhóm monoterpenoid phổ biến nhất đƣợc hình thành từ
geranyl pyrophosphate (2.12). Sự thủy phân liên kết carbon-oxygen trong geranyl
pyrophosphate tạo thành geranyl carbocation (2.15). Thêm nƣớc vào cation này sẽ tạo
geraniol, 1 terpenoid alcohol quan trọng tìm thấy ở nhiều loại hoa, ví dụ hoa hồng, và các
nguồn tự nhiên khác. Sự oxy hóa geraniol thành aldehyde tƣơng ứng tạo thành citral, cấu
phần hƣơng đặc trƣng của chanh.
Carbocation là những phân tử thiếu electron và do đó sẽ tìm các trung tâm giàu
electron để phản ứng [13]. Trong sự hình thành geraniol, tác chất giàu electron là nguyên
tử oxygen của phân tử nƣớc. Liên kết olefinic ở đầu kia của geranyl carbocation (2.15), là
loại giàu electron khác. Vả lại, nó mang đi 6 nguyên tử từ carbon tích điện dƣơng ban đầu
và vì thế đƣợc đặt vào vị trí thích hợp để hình thành vòng 6. Các phản ứng nội phân tử
hình thành các vòng 5 hoặc 6 là do sự hỗn loạn nội phân tử (entropy) và vì vậy những
phản ứng này thƣờng khó ngăn cản. Trong trƣờng hợp geranyl carbocation, sự hình thành
vòng 6 hƣớng đến sƣờn menthane. Đây thƣờng đƣợc xem là p-menthane ám chỉ mối quan
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 14

hệ 1,4 của 2 nhóm thế trên vòng cyclohexane. Sự khử proton từ carbocation này tạo ra
limonene, thành phần chủ yếu của tinh dầu cam. Carbocation giữ nƣớc tạo -terpenoid, 1
thành phần quan trọng của tinh dầu hoa tử đinh hƣơng.
Methyl carbocation ban đầu có thể đƣợc thêm trở lại vào vòng tại các liên kết đôi
khác. Nếu đƣợc thêm vào olefinic carbon mang nhóm methyl, thì sản phẩm là nguyên
liệu có 2 vòng của nhóm camphane (bornane). Nếu thêm vào đầu khác của olefin, sẽ tạo
thành nguyên liệu 2 vòng của nhóm pinane. Điều đáng chú ý là cấu trúc này chứa vòng 4
thẳng. Đây là chất đƣợc ƣu tiên thêm vào, nhƣng bị mất năng lƣợng khi hình thành hệ
vòng thẳng. Vòng thẳng trong sƣờn pinane là nhân tố quan trong để tạo hình pinane. Sự
khử proton từ pinyl cation (2.16) có thể xảy ra ở 1 trong 2 hƣớng tạo thành 2 pinene đồng

phân nhƣ trình bày ở hình 2.6.

Hình 2.6: Những nhóm monoterpenoid phổ biến nhất được hình thành từ geranyl
pyrophosphate

Tên in nghiêng là loại khung sƣờn
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 15

Vòng thẳng ở giai đoạn này trong quá trình sinh tổng hợp cũng có thể làm giảm
bằng phƣơng pháp bố trí lại để làm hệ thống ít thẳng hơn. Sự thêm nƣớc, tiếp theo là sự
oxy hóa, tạo thành ketone, fenchone.
Tƣơng tự, bornyl carbocation (2.17) có thể phản ứng với nƣớc để tạo borneol và
chất này có thể bị oxy hóa thành camphor, mùi đặc trƣng của gỗ long não. Sƣờn
isocamphane đƣợc hình thành bởi phƣơng pháp bố trí lại bornyl carbocation.
2.5. Sesquiterpenoid
2.5.1. Sesquiterpenoid từ cis,trans-farnesyl pyrophosphate khi đóng vòng ở liên kết
đôi 6,7
Khi xét đến sesquiterpenoid, số con đƣờng phản ứng có thể xảy ra tăng đáng kể so
với những dòng monoterpenoid sẵn có. Điều này là do sự tăng số lƣợng tiền chất,
farnesyl pyrophosphate, và bản thân nó chứa 3 liên kết đôi [13]. Cả liên kết đôi 2,3 và 6,7
đƣợc hình thành ban đầu là dạng trans, nhƣng liên kết 2,3 là 1 phần của hệ thống allylilc
carbocation và do đó nó có thể đồng phân hóa thành dạng cis. Sự đóng vòng đầu tiên có
thể xảy ra ở 1 trong 2 liên kết xa hơn và với liên kết ở 1 trong 2 dạng cis hoặc trans. Hình
2.7 trình bày một số con đƣờng có thể của liên kết 2,3 dạng cis và sự đóng vòng đầu tiên
xảy ra ở liên kết 6,7. Sự đóng vòng này tƣơng tự với sự tạo vòng của geranyl cation để
tạo sƣờn p-menthane, và sản phẩm, sƣờn bisabolane, tƣơng tự với sƣờn p-menthane,
đƣợc kéo dài bằng cách thêm 1 đơn vị isoprene vào đuôi isopropyl của nó.
Đầu tiên, theo con đƣờng trình bày ở phía trái hình 2.7, các electron của liên kết

đôi ở đầu có thể bị bẫy bởi carbocation để tạo sƣờn cuparane. Carbocation ban đầu hình
thành trong chuỗi này là phụ vì thế ít bền hơn ion tạo ra nó. Sự tách 1 hydrogen từ carbon
bậc 4 của vòng 6 dẫn đến 1 carbocation bậc 4 bền hơn. Sự thay đổi carbon 1,2 có thể xảy
ra để tạo 2 vòng 6 của nhóm chamigrane. Sự thay đổi thêm carbon 1,2 sau đó tạo thành
sƣờn thujopsane.
Tiếp theo, nhƣ trình bày ở phần bên phải hình 2.6, bisabolane carbocation ban đầu
có thể bị giữa bởi liên kết đôi trên vòng, tạo thành sƣờn campherenane. Tên này gây chú
ý đến sự kiện là sƣờn tƣơng tự với dòng camphane của monoterpenoid, có thêm 1 đơn vị
gắn với 1 trong các nhóm methyl trên cầu nối carbon. Sự bố trí lại carbocation này tạo
sƣờn -santalane, trong khi sự khử protein vòng trans, tạo nhóm -sanlatane.
Khả năng thứ 3 đƣợc trình bày trong hình 2.7 là sự thay đổi hydrogen 1,2 để tạo
bisabolane có trung tâm cation ở vòng 6. Carbocation này bị giữ bởi đầu olefin tạo sƣờn
acorane. Tiếp theo carbocation bị giữ bởi liên kết đôi còn lại, tạo sƣờn cedrane. Sự thay
đối lần lƣợt carbon 1,2 tạo sƣờn cho nhóm khusane của sesquiterpenoid.
[Đồ án môn học chuyên ngành GVHD: TS Lê Thị Thủy Tiên]

[Type text] 16


Hình 2.7: Sesquiterpenoid từ cis,trans-farnesyl pyrophosphate khi đóng vòng ở liên kết
đôi 6,7
2.5.2. Sesquiterpenoi từ cis,trans-farnesyl pyrophosphate khi đóng vòng ở liên kết
đôi 10,11
Khi carbocation hình thành từ sự phân giải enzyme của cis,trans-farnesyl
pyrophosphate phản ứng với liên kết đôi 10,11, 1 vòng 11 đƣợc tạo thành, tạo ra nhóm
cis-humulane nhƣ trình bày ở hình 2.8. Humulane carbocation liên kết với liên kết đôi 2,3
tạo thành sƣờn caryophyllane [13]. Đây là hệ thống 2 vòng rất đáng chú ý vì nó chứa 2
vòng căng, 1 vòng 4 và 1 vòng 9, khớp với nhau. Vả lại, vòng 9 chứa 1 liên kết đôi trans.
Cấu trúc kiểu phân tử này sẽ tạo một minh chứng sống động về số lƣợng vòng căng ở
nhóm caryophyllene. Sức căng này có ảnh hƣởng đáng kể đến đặc tính của chúng.

Tên in nghiêng là loại khungsƣờn