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약용 천연물 화학

2014.03.13

<목적>

의약품의 발전에 있어서 천연물화학의 역사, 역할, 중요성을 인식하고, 중요한 약리

활성을 갖는 천연유기화합물의 생합성, 분포, 추출, 분리정제 및 구조동정은 물론,

개개의 화합물군에 대한 화학적 성질, 구조 및 약리작용 등을 이해하여,

천연물로부터 신약개발 및 기능성 식품은 물론 건강한 삶을 위해 응용할 수 있도록

한다.

1. 천연물 (natural product)

- a chemical compound or substance produced by a living organism

- 동물, 식물의 기관, 세포내용물, 분비물, 추출물, 광물, 미생물

- Organic compounds in the molecular weight range 100 - 2,000. (single

chemical entities)

- Structurally complex & diverse molecules

- Produced as part of a chemical defense system to protect the

producing organism from attack

- synthesis of antimicrobial compounds by plants that are infected by

bacteria and fungi (phytoalexins)

- synthesis of highly toxic natural products in the skins of Central

American frogs to deter predation by other animals

- found in nature that usually has a pharmacological or biological activity

for use in pharmaceutical drug discovery and drug design.

- drug discovery screens or bioassays

- can be produced by total synthesis, or

can be a starting point (precursor) for a semisynthetic compound, or

can act as a template for a structurally different total synthetic

compound.

- can be prepared by total synthesis.

- 천연물 화학 (natural product chemistry)

- penicillin, morphine, and paclitaxel (Taxol).

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2. 천연물화학의 역사

- 고전적의미의 천연물 화학

- 천연물로부터 유용한 물질을 분리, 정제하고 이들의 화학적 구조를 결정하며

이러한 화합물의 생물활성을 연구하는 학문, 전형적인 다학제간 학문으로 다

양한 인접과학 특히 유기화학, 분석화학, 생화학, 약리학과 함께 발전함

- 1769년 Scheele: 포도로부터 주석산 분리

- 1806년 Serturner: 아편으로부터 morphine 분리

- 현대에서는 신약후보물질을 창출하는 중요한 학문분야의 하나로 발전

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<천연물로부터 개발된 의약품>

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☞ scopolamine(스코폴라민): 부교감 신경 억제제,

침샘, 기관지 분비샘, 땀샘의 분비 억제와 눈동자

확대와 심박 축진억제, 멀미약

☞ Taxol: 유방암 치료제

O O

CH3

CH3

O

H3CONHO

OH

O

H3C CH3OH

OOOH

O

CH3

O

O

H

☞ Aspirin

☞ Morpine

☞ Quinine

☞ Pseudoephedrine

☞ Vinblastine

<Medicinal agents from natural soures>

KhellinAmmi visnaga (미나리과)

관상동맥혈관 확장작용carbocromene 관상동맥혈관 확장작용

Dicoumarol자주개나리

혈액응고저해제warfarin potassium

항응고약

Morphine 아편, 진통제 dextromethorphan 진통제

Physostigmine

카르발두

cholinesterase 저해제

축도, 안과영역의 치료약

n e o s t i g m i n e

methylsulfate

cholinesterase 저해제,

중증근무력증, 근위축

Cocaine 코카엽, 국소마취제 procaine 국소마취제

Atropine미치광이풀

부교감신경차단제homatropine

부교감신경차단제

산동약

ephedrine마황

진해제methamphetamine 각성제

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<Medicinal Plant/ Botanical Drugs>

health care management and public health

3. 천연물화학의 중요성

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4. 생약

- crud drug, 그 본질이 변하지 않은 상태의 천연물 (동물, 식물, 광물, 미생물)

- 유효성분의 추출, 제제를 만들기 위한 천연물

- 생약학 (pharmacognosy)

- 약에 관한 지식, 생약을 연구하는 학문

- 생약자원으로부터 직.간접적으로 새로운 의약품의 개발 및 응용에

대하여 연구하는 학문

- 인간에게 유익한 천연자원에 대한 활용 연구

4. 의약화학 (Medicinal chemistry)

- the design and synthesis of novel drugs

- based on an understanding of how they work at the molecular level

- pharmacodynamics

- pharmacokinetics

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5. 천연물 or 생약의 연구 분야

: 새로운 치료영역 개발, 약리기전을 가지는 신약의 가능성

- 서지학적 연구

- 생물학적 특성 연구

- 약효평가

- 약효성분의 규명

- 구조와 활성 상관관계의 규명

- 품질평가법의 설정

- 재배학적 연구

6. 천연물의 연구와 전망

- 천연물: 그 자체가 약물

- lead compound 도출을 통한 의약품 개발

- 초기 연구는 화학구조 결정에 국한, 현재는 활성시험과 병행한 천연물의

유효성분 규명 연구

- 약리학 및 생화학의 발달

- 천연의약품, 건강 기능성 식품

- 새로운 생리활성 측정법의 개발, 새로운 생리활성물질 또는 선도화합물 개발

7. Neutraceutical

- Nutrition + pharmaceutical

- 동양의약의 식약동원을 의미

- 식용으로 사용되던 천연물에서 특정질병에 유효한 성분을 찾아내 이를 신약

이전의 치료보조제 형태로 개발

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8. 천연물 신약

- 품질, 효능, 안전성이 확보된 식물약품의 개발

- 효능을 결정짓는 특정성분에 의한다는 원칙

- 품질의 표준화

9. 천연물 연구의 감소 원인

- 한정된 분자 타겟에 대한 고효율 활성검색의 도입

(HTS: high through put screening)

- combinatorial chemistry

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- 분자 타겟의 증가

- 감염성질환 치료제 연구의 위축

- biomaterials의 수집에 관한 제약

10. Why? 천연물인가?

○ New Drugs-New Opportunities

○ Botanical Drugs in the 21st Century, 천연물신약 (天然物新藥)

○ 天然物新藥硏究開發促進法 (2000년 7월)

- 천연물을 활용한 의약품 연구개발을 촉진하기 위해 제정

- 2단계 사업(2006년-2010년) 확정으로 향후 5년간 1,677억 원의 정부

재원 투자

- 천연물 성분을 이용하여 연구개발한 의약품으로 조성성분, 효능이 새로운

것을 천연물신약으로 정의

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○ Plant-Derived Natural Products as "Lead Molecules (선도화합물)" in

the Design, Synthesis and Development of New Drugs

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* NCE (New Chemical Entities)

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< 신약 개발의 과정>

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○ Pipeline from Traditional Medicines: Safety and efficacy established

○ Cost-saving process: Shorter development timelines, Lower risk,

Lower cost

○ Targeting major unmet needs: 치매, 관절염 등과 같은 만성퇴행성질환

○ Developing own IP (지적재산권 확보)

○ Out-license to Big Pharma: Milestones and royalties

〓≫ 기능성 식품 소재와 천연물신약으로 동시개발 가능

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11. 분자 타겟

- 효소(enzymes)

- active site: 효소 표면에 존재, 기질이 결합하고 반응이 일어나는 곳

- mechanism of catalysis, selectivity

- inhibitors: competitive, noncompetitive, reversible inhibitors

- receptors

- agonists and antagonists

- binding site

- carrier proteins

- structural proteins: tubulin

- uncleic acids

- lipids

- carbohydrates

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12. 천연물 신약 개발의 화학적 과정

13. 생물활성에 따른 분액의 일반화된 방법

14. 천연물의 친화성을 활용한 시스템

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15. 식물대사의 상호 연관성(생합성 경로)

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추출(抽出, Extraction), 분리(分離, Separation), 정제(精製, Purification)

1) 재료 (Plant materials)

- 기원식물 및 동물의 학명, 채집장소 및 시간, 사용부위 (전체 또는 특정부위)

를 명확히 기록

- 신선품 또는 건조품에 따라 추출용매 결정

- 신선품, 건조 불충분한 것: hexane, ethyl acetate 사용시 효율 저하

- 건조가 잘 되고, 가능한 한 세분말로 한 것이 추출율이 좋음

2) 추출 (Extraction)

- 추출 용매의 선택은 목적 물질을 잘 녹이고, 농축 조작도 용이한 용매로 사용

일반적으로 극성이 큰 물질(당, 배당체, 아미노산등)은 극성이 높은 용매로, 극

성이 작은 물질(terpenoid, steroid등의 지환상 화합물, 방향족 화합물)은 극성

이 낮은 용매에 녹기 쉽다.

- 동일 화합물이라도 관능기가 하전한 상태 (-COO-, -NH3+등 ion형)에서는 그렇

지 않은 상태 (-COOH, -NH2 등 유리형)와 비교하여 현저히 극성이 높게 된

다.

- 추출에 자주 이용되는 용매:

석유 ether, hexane, (benzene, chloroform), methylene chloride, ether,

ethyl acetate, acetone, butanol, isopropanol, ethanol, methanol, water

- 주로 저극성 성분과 극성 성분을 함께 함유하는 methanol 추출액을 많이

사용

3) 분획 (fractionation)

- 서로 섞이지 않는 두 용매를 사용하여 가용부와 불용부로 분획하는 방법 (용매분

획), alkaloid의 경우 산, 알카리 조절하여 분획

- 엑스를 수용액으로 한 후, Amberlite XAD나 Diaion HP등의 polystyrene계 수

지 column을 통과시켜 유기화합물을 흡착시킨 후, 물-metanol 혼액,

methanol, acetone, chloroform등의 순서로 유출시켜 극성이 큰 화합물에서

작은 화합물의 순으로 유출, 분획하는 방법

- polystyrener계 수지는 역상계 흡착제의 성질을 나타내어 지용성이 강한

물질을 보다 강하게 흡착하고, 또 수용성인 배당체라도 방향족 화합물 배당체

보다도 지환상 화합물 배당체쪽을 강하게 흡착한다

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4) 분리과정의 추적

- TLC법 이용: Rf 0.2-0.7사이의 둥근 반점 (흡착제 및 전개용매 변경)

- 검출법: UV254nm (형광제 혼합 TLC plate사용), UV365nm

황산발색, vanillin-황산, anisaldehyde-황산

- 정색시약 활용:

Alkaloid-Mayer 시약, Dragendorf 시약

당-Fehling시약

배당체, 탄수화물-Molisch반응

Phenol성 물질-FeCl3시약

Steroid, triterpenoid, saponin-Libermann burchard 반응

정유-picric acid 알코올 포화용액

5) 분리, 정제

- Chromatography법 이용

- 순상 chromatography: normal phase, 극성이 큰 고정상은 극성이 큰 물질에 대

하여 친화성이 강하며 이동상을 극성이 작은 것에서 큰 것으로 변화시키면

극성이 작은 것부터 용출

- 역상 chromatography: reverse phase, 위와 반대

- Chromatography의 종류

흡착 (adsorption chromatography)

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분배 (partition chromatography)

여지 (paper chromatography)

박층 (thin layer chromatography, TLC)

이온교환 (ion exchange chromatography, IEC)

고속액체 (high performance liquid chromatography, HPLC)

가스 (gas chromatography)

6) 천연물로부터 생리활성물질의 분리, 정제

Retention Mechanism (Basis of Separation)

- AdsorptionAdsorption: Ability of solute molecules to interact with the stationary

phase

- Ion-ExchangeIon-Exchange: Ability of the sample ions to exchange with the

counter-ions and bind to the stationary phase

- Size ExclusionSize Exclusion (Gel permeation, Gel filtrationGel permeation, Gel filtration):

Ability of molecules to penetrate chromatography particles

- PartitionPartition: Ability of solutes to distribute between two liquid phases

- Biological SpecificityBiological Specificity: Specific interactions of biological molecules,

Antigen-antibody, Enzyme-inhibitor, DNA-DNA binding, DNA-protein,

Receptor-agonist/antagonist

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Column Operation

1. Selection of Column Condition: TLC (Thin-layer Chromatography)를 통한

solvent system결정

2. Column packing and Equilibration: Slurry Packing (Wet Packing), Dry

packing

3. Sample Application

4. Column Development: Gradient Formation, Gravity, Air/Nitrogen Pressure,

Vacuum Pumped (Low and Medium Pressure)

5. Detection

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크로마토그래피 (chromatography)

1. 정의

• Chromatography - Chromos(color)+ graphein(write) = 색층분석법

• 1906년 러시아 식물학자 Michael Tswett의 논문에서 처음 사용. 석회석 흡착

분말이 충진된 컬럼을 통해 나뭇잎의 색 소를 분리하는 연구시도(Liquid-Solid).

• Molecular components in a mixture are separated because of their affinities

for two substances called phases. 어떤 물질을 두 상(相)에 대한 친화력차이

를 이용하여 혼합물중에서 단일성분으로 분리하는 과정

2. 원리

혼합된 시료성분이 이동상과 고정상 사이를 흐르면서 흡착, 분배, 이온교환 또는

분자크기 배제작용 등에 의해 각각의 단일 성분으로 분리되는 것을 말한다.

분리, 정성, 정량 등의 분석목적과 분리,정제, 분취목적에 이용된다.

3. 분류

4. 겔 크로마토그래피의 개념도

5. 고정상

• silica(SiO2, slightly acidic and polar)

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• alumina(Al2O3, slightly basic and polar)

• magnesium oxide

• charcoal(nonpolar)

• starch

6. 이동상

- organic solvent (Hex, EtOAc, MeOH, CHCl3 등)

- Buffer (phosphate buffer 등)

7. open column chromatography

8. Adsorption(흡착) chromatography

- 가장 오래된 chromatography type

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- 고정상으로 사용되는 고체 흡착체의 표면과 이동상으로 사용되는 액체 (ex.TLC)

에 대한 친화력의 차이가 분리를 좌우.

- GSC의 경우 이동상은 비활성 기체를 이용하므로 고정상에 대한 시료의 친화력

차이로만 분리.

- paper chromatography의 경우 cellulose 격자사이에 붙잡혀 있는 water에 분배

되는 원리를 이용하므로 분배 크로마토그래피에 해당.

- Intermolecular forces

• Van der Waals

• Electrostatic

• Hydrogen bonding(polar): 가장 중요

• Hydrophobic interaction(nonpolar)

9. Partition(분배) chromatography

- 가장 일반적인 chromatography type

- 고정상으로 사용되는 고체 지지체의 표면 액상과 이동상으로 사용되는 액체에

대한 분배력의 차이가 분리를 좌우.

- 고정상은 다공성 지지체에 화학적으로 결합되어 있음.

- Normal phase

• 고정상은 이동상보다 more polar

• 비극성 화합물이 먼저 용출된다.

- Reverse phase

• 비극성 고정상과 극성 이동상 사이의 분배정도 차이 이용

• 극성화합물이 먼저 용출된다.

- 원리

- 일반적으로 사용하는 reverse phase column의 경우 극성의 물질이 비극성

의 물질보다 먼저 분리되어 나오게 된다.

- Bonded phase의 개발(J J. Kirkland. J. Chromatogr. Sci. 7, 361, 1969)

로 고정상에 대한 이동상의 조성변화, 이동상 변형제 첨가 등 다양한 응용

상의 변화가 가능하게 됨으로써 널리 사용하게 됨.

10. Ion-Exchange(이온교환) chromatography

• 이온성 화합물 및 무기이온의 분리에 사용

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• eletrostatic force 이용

• polystyrene or silica gel 표면에 이온성을 가진 화합물을 화학적으로 결합한

고정상 사용

• 이동상으로 완충액 사용

• 시료의 분리는 pH, 이온 세기, 이동상에 포함된 이온 종류의 영향을 받는다.

11. Size Exclusion(크기배제) chromatography

• 일정한 크기의 공극을 형성시킨 다공성 polystyene이나 silica gel을

충진입자로 사용한다.

• 공극의 크기에 따라 분리되는 시료의 분자량대가 다르다.

• 시료의 물리적 특성(크기)에 따른 분리이다.

• 이동상은 고정상에 대해 비활성이며

- 수용성 용매일 경우 GFC(gel filtration chromatography)

- 지용성 용매일 경우 GPC(gel permeation chromatography)

12. HPLC

- High Performance Liquid Chromatography

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- 물질의 분리 혹은 분취를 통한 정량을 위해 이동상을 액체로 사용하는 크로마

토그래피 시스템.

- 기기의 hardware 구성은 이동상을 흘려보내기 위한 pump 와 detector(검출

기)가 기본적으로 필요하며, 시료주입용으로 injector(or autosampler)가 필요

하다. 분리를 위한 고정상은 column을 통해 제공된다.