4. Phương pháp nghiên cứu
1.1.2 Tổng quan về các hợp chất sterols
1.1.2.1 Định nghĩa
Steroid là những hợp chất hữu cơ có chung đặc điểm cấu tạo phân tử có chứa một sự sắp xếp đặc trưng của bốn vòng cycloalkane được nối với nhau. Lõi của steroid bao gồm 20 nguyên tử cacbon liên kết với nhau mang hình thức của bốn vòng hợp nhất: ba vòng cyclohexane (được xem như là vòng A, B, và C trong hình 1.5) và một vòng cyclopentane (vòng D). Các steroid khác nhau đối với từng nhóm chức năng gắn liền với cốt lõi bốn vòng và oxi hóa của các vòng [42].
Hình 1. 5: Cấu trúc phân tử cơ bản của Steroid [42]
Các sterol là các dạng đặc biệt của các steroid (hay còn gọi là rượu steroid - rượu đa vòng, no đơn chức), với một nhóm hydroxyl tại vị trí-3 và một khung lấy từ cholestane [42].
Hình 1. 6: Cấu trúc phân tử cơ bản của Sterol [42]
Các sterol bão hòa hydro thì được gọi là stanol. Các sterol có đính thêm một chuỗi cacbon ở C17 và 2 nhóm CH3 ở nguyên tử cacbon thứ 10 và 13 của vòng thì được gọi là cholestane [42].
Hình 1. 7: Cấu trúc phân tử cơ bản của cholestane [42] Tính chất vật lý và hóa học của các hợp chất sterol
Tính chất vật lý
Các hợp chất sterol là các chất kết tinh ở dạng sáp, mềm, thường có màu vàng nhạt. Đây là những chất không phân cực, không tan trong nước nhưng dễ tan trong các dung môi hữu cơ không phân cực (dầu, cloroform, ete, rượu,...). Nhiệt độ nóng chảy của cholesterol là 148oC, điểm sôi là 360oC.
Tính chất hóa học
Các sterol nhìn chung là bền với các tác nhân thủy phân. Vì có khung cấu tạo giống nhau nên các sterol đều cho phản ứng vơi H2 (trong điều kiện có nhiệt độ và áp suất thích hợp) để bão hòa các nối đôi. Chúng cũng có phản ứng giảm cấp Carbon so với axít gốc (ví dụ: allocholanic và axít cholanic là sản phẩn của sự oxy hóa cholesterol và coprosterol) được gọi là phản ứng Barbier Wieland.
Trong cơ thể, các sterol bị oxy hóa để cho ra các dẫn xuất axít cholic, dezoxy-cholic có trong mật giúp tạo nhũ và hấp thụ lipit ở ruột. Sterol cũng có thể bị oxy hóa để tạo thành các hoocmon sinh dục đực (testosterol) và cái (oestradiol, oesterol). Các sterol còn có khả năng tạo ester với các axit béo cao phân tử gọi là Sterit.
1.1.2.2 Nguồn gốc và phân loại
Trong tự nhiên, Sterol có nguồn gốc ở thực vật, động vật, nấm và có thể tạo ra bởi một số vi khuẩn [43].
Theo nguồn gốc, các sterol được chia thành các nhóm sau:
- Nhóm các hợp chất sterol có nguồn gốc từ động vật được gọi là Zoosterol, bao gồm các chất: Cholesterol, Cholestan-3β-ol, Coprostan-β-ol, Desosterol, Coprosterol, Lathosterol,... Trong đó, hợp chất zoosterol điển hình nhất là Cholesterol.
Cholesterol Coprostanol
Hình 1. 8: Cấu trúc phân tử của một số Zoosterol điển hình
- Nhóm các hợp chất sterol có nguồn gốc từ thực vật được gọi là Phytosterol, bao gồm các chất: Sistosterol, Stigmasterol, α-Spinasterol, β-Sitosterol, Brassicasterol,...
Stigmasterol β-Sitosterol
Hình 1. 9: Cấu trúc phân tử của một số Phytosterol điển hình
- Nhóm các hợp chất sterol có nguồn gốc từ động vật biển không xương sống, bao gồm các chất: Spongesterol, Clionasterol, 24-methyllencholesterol, Fucosterol,... - Nhóm các hợp chất sterol có nguồn gốc từ nấm men, bao gồm các chất: Ergosterol, Zymosterol, Acosterol, Fecosterol,...
Trong khu vực có con người sinh sống, đặc biệt là các khu đô thị, cholesterol thường được phát hiện với nồng độ cao trong không khí do quá trình nấu nướng thực phẩm và nhóm phytosterols (β-sitosterol, stigmasterol, campesterol) được phát hiện trong bụi không khí phát sinh do hoạt động đốt cháy gỗ và sinh khối thực vật họ gramineae [44],
[45]. Ngoài ra, sterols thường có nồng độ cao trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý và chúng có khả năng tích lỹ sinh học trong cặn bùn đáy. Trong nước thải sinh hoạt của đô thị, coprostanol và cholesterol thường được tìm thấy ở nồng độ cao [8],[9].
1.1.2.3 Vai trò và ảnh hưởng của các hợp chất sterol tới môi trường, sinh vật và con người
Trong tự nhiên, các hợp chất sterol đóng vai trò thiết yếu trong sinh lý học của sinh vật nhân chuẩn. Ví dụ, cholesterol tạo thành một phần của màng tế bào ở động vật, nơi nó ảnh hưởng đến tính lưu động của màng tế bào và đóng vai trò là sứ giả thứ cấp trong tín hiệu phát triển [46]. Ở người và các động vật khác, corticosteroid hoạt động như các hợp chất báo hiệu trong truyền thông tế bào và trao đổi chất nói chung [47].
Một số nghiên cứu chỉ ra rằng, một số hợp chất sterol gây rối loạn nội tiết và hoạt động trao đổi chất trong môi trường tự nhiên như kích thích tổng hợp hóc môn tự nhiên và tổng hợp sterol thực vật [48] và thậm chí là coprostanol [49].
Các sterol có nguồn gốc từ con người, động vật và thực vật là các sterol chỉ thị sinh học cho nguồn gốc và sự tồn tại của chúng. Các nhóm chất này có thể được sử dụng làm chất chỉ thị cho việc xác định nguồn thải các hợp chất hữu cơ vào môi trường hoặc xác định sự khác nhau giữa các nguồn thải của nhóm chất hữu cơ đó [50],[51].
Sterol thường có nồng độ cao trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý và chúng có khả năng tích lũy sinh học cao trong trầm tích. Các chất sterol được nghiên cứu nhiều trong môi trường nước mặt, nước thải trước và sau hệ thống xử lý, và trầm tích. Đặc biệt coprostanol là chỉ thị cho ô nhiễm chất thải (phân người và động vật) trong môi trường và phân tích tỷ lệ giữa coprostanol/cholesterol cho biết nguồn gốc của sterol trong nước thải, hoặc tỷ lệ của coprostanol (5β-cholestan-3β-ol) chiếm 40-60% tổng sterol trong chất thải của con người, đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới như một chỉ thị ô nhiễm nước thải [8],[9].
1.1.2.4 Một số hợp chất sterol nghiên cứu
* Cholestane: Có công thức phân tử là C27H48, danh pháp IUPAC là (5R,8R,9S,10S,13R,14S,17R)-10,13-dimethyl-17-(2R)-6-methylheptan-2-yl-
này cùng với ergostane and stigmastane đưọc sử dụng làm chỉ thị sinh học cho sự hiện diện của các sinh vật có nhân chuẩn [52].
* Coprostanol: Có công thức phân tử là C27H48O, danh pháp IUPAC là 5β-cholestan- 3β-ol. Coprostanol có nguồn gốc từ các quá trình sinh học trong ruột của các loài động vật bậc cao và chim. Chất này thường được sử dụng làm chất đánh dấu sinh học cho sự hiện diện của phân con người trong môi trường [8].
* Epicopeostanol: Có công thức phân tử là C20H2O5 , danh pháp IUPAC là 5- (3aR,4R,5R,6aS)-5-hydroxy-4-(E,3S)-3-hydroxyoct-1-enyl-3,3a,4,5,6,6a-
hexahydrocyclopentabfuran-2-ylidenepentanoic acid.
* Cholesterol: Có công thức phân tử là C27H46O5 , danh pháp IUPAC là (3β) -cholest- 5-en-3-ol. Cholesterol là sterol chính được tổng hợp bởi tất cả các động vật, nó là một chất béo steroid có ở màng tế bào của tất cả các mô trong cơ thể động vật. Cholesterol có đặc điểm ít tan trong nước, kết tinh dưới dạng óng vánh. Cholesterol đóng vai trò trung tâm trong nhiều quá trình sinh hóa của cơ thể động vật, ngoài tầm quan trọng của nó đối với cấu trúc tế bào động vật, cholesterol còn đóng vai trò tiền chất cho quá trình sinh tổng hợp hormon steroid , acid mật và vitamin D. Nhưng Cholesterol lại được biết đến nhiều do liên hệ đến bệnh tim mạch gây ra bởi nồng độ Cholesterol trong máu tăng [53].
* Coprostanone: Có công thức phân tử là C27H46O, danh pháp IUPAC là (5S,8R,9S,10S,13R,14S,17R)-10,13-dimethyl-17-(2R)-6-methylheptan-2-yl-
1,2,4,5,6,7,8,9,11,12,14,15,16,17-tetradecahydrocyclopentaaphenanthren-3-one.
* Cholestanol: Có công thức phân tử là C27H46O, danh pháp IUPAC là 5α-cholestan- 3β-ol.
* Campesterol: Có công thức phân tử là C28H46O, danh pháp IUPAC là (3S,8S,9S,10R,13R,14S,17R)-17-(2R,5R)-5,6-dimethylheptan-2-yl-10,13-dimethyl- 2,3,4,7,8,9,11,12,14,15,16,17-dodecahydro-1H-cyclopentaaphenanthren-3-ol. Là một sterol thuộc nhóm phytosterol có nguồn gốc từ thực vật được tìm thấy trong nhiều loại rau, quả và hạt [54]. Campesterol có cấu trúc hóa học tương tự như Cholesterol.
* Stigmasterol: Có công thức phân tử là C29H46O, danh pháp IUPAC là (3S,8S,9S,10R,13R,14S,17R)-17-(E,2R,5S)-5-ethyl-6-methylhept-3-en-2-yl-10,13- dimethyl-2,3,4,7,8,9,11,12,14,15,16,17-dodecahydro-1H-cyclopentaaphenanthren-3- ol. Là một sterol thuộc nhóm phytosterol có nguồn gốc từ thực vật.
* 24-ethyl coprostanol: Có công thức phân tử là C29H52O, danh pháp IUPAC là (3S,5R,8R,9S,10S,13R,14S,17R)-17-(2R,5S)-5-ethyl-6-methylheptan-2-yl-10,13- dimethyl-2,3,4,5,6,7,8,9,11,12,14,15,16,17-tetradecahydro-1H-
cyclopentaaphenanthren-3-ol. Là một sterol có nguồn gốc động vật, nó được hình thành từ quá trình sinh hóa trong đường tiêu hóa của hầu hết các cộng vật bậc cao, đặc biệt là động vật ăn cỏ. Hợp chất này đã được sử dụng như một chất đánh dấu sinh học cho sự hiện diện của phân ngành chăn nuôi (không phải con người) trong môi trường .
* Funcosterol: Có công thức phân tử là C29H48O, danh pháp IUPAC là (3S,8S,9S,10R,13R,14S,17R)-10,13-dimethyl-17-(E,2R)-5-propan-2-ylhept-5-en-2-yl- 2,3,4,7,8,9,11,12,14,15,16,17-dodecahydro-1H-cyclopentaaphenanthren-3-ol. Đây là một sterol có nguồn gốc từ tảo (như tảo Ecklonia cava hay tảo Ecklonia stolonifera) [55].
* Beta-sitosterol: Có công thức phân tử là C29H50O, danh pháp IUPAC là (3S,8S,9S,10R,13R,14S,17R)-17-(2R,5R)-5-ethyl-6-methylheptan-2-yl-10,13-
dimethyl-2,3,4,7,8,9,11,12,14,15,16,17-dodecahydro-1H-cyclopentaaphenanthren-3- ol. Beta-sitosterol là một trong nhiều phytosterol (sterol thực vật) có cấu trúc hóa học tương tự như cholesterol. Sitosterols là bột màu trắng, sáp với mùi đặc trưng, kỵ nước và hòa tan trong rượu.
* Stigmastanol: Có công thức phân tử là C29H52O, danh pháp IUPAC là (5S)-17-(5- ethyl-6-methylheptan-2-yl)-10,13-dimethyl-2,3,4,5,6,7,8,9,11,12,14,15,16,17-
tetradecahydro-1H-cyclopentaaphenanthren-3-ol. Stigmastanol là một phytosterol được tìm thấy trong nhiều nguồn thực vật khác nhau.
* Ergosterol: Có công thức phân tử là C28H44O, danh pháp IUPAC là (3S,9S,10R,13R,14R,17R)-17-(E,2R,5R)-5,6-dimethylhept-3-en-2-yl-10,13-dimethyl- 2,3,4,9,11,12,14,15,16,17-decahydro-1H-cyclopentaaphenanthren-3-ol. Ergosterol là
một sterol được tìm thấy trong màng tế bào của nấm và động vật nguyên sinh, nó có chức năng tương tự như cholesterol trong tế bào động vật. Ergosterol bột là một chất kích thích da, mắt và đường hô hấp. Nuốt một lượng lớn có thể gây tăng canxi-huyết, nếu kéo dài có thể dẫn đến sự tích tụ muối canxi trong các mô mềm và đặc biệt là thận [56].