ترکیبات طبیعی و شیمیایی گیاهان مانند روغن ها، تانن ها ، فنل ها، موم ها، رنگ ها، طعم دهنده ها و عطرها، مواد دارویی و آفت کش ها موجب اهمیت و کاربرد گسترده گیاهان می شود. گیاهان مواد شیمیایی زیادی تولید می کنند که برخی از این مواد شیمیایی بقای گیاه را افزایش می دهند. ترکیبات طبیعی و شیمیایی گیاهان، دارای نقش خاصی در گیاه می‌باشند. ماده می‌تواند در ساختمان گیاه برای انجام اعمال حیاتی بکار رفته و یا در خواص فیزیکی و شیمیایی گیاه نقش داشته باشد.برخی از گیاهان موادی تولید می کنند که به عنوان علف کش برای مهار رشد گیاهان رقیب عمل می کنند، مانند اسید سالیسیلیک تولید شده توسط بید. گیاهان همچنین موادی تولید می کنند که از حمله توسط حشرات و گیاهخواران جلوگیری می کند.
در ادامه به چندین نمونه از ترکیبات گیاهی فعال که کاربردهای دارویی و شیمیایی گیاهان را افزایش می دهد می پردازیم.
آلکالوئیدها(Alkaloids)
آلکالوئیدها دارای ساختارهای متفاوتی هستند اما به طور کلی، یک آلکالوئید حاوی حداقل یک اتم نیتروژن در یک ساختار آمین است. خواص دارویی آلکالوئیدها بسیار متنوع است و اثرات فیزیولوژیکی متنوع و مهمی بر روی انسان و سایر حیوانات دارند. آلکالوئیدهای معروف عبارتند از مورفین، استریکنین، کینین، افدرین و نیکوتین. وجود نیتروژن در این ترکیبات آنها را بسیار فعال میکند. بر این اساس، آلکالوئیدها به گروه های پیرولیدین ها، پیریدین ها، تروپان ها، پیرولیزیدین ها، ایزوکینولین ها، ایندول ها، کینولین ها، ترپنوئیدها و استروئیدها تقسیم میشوند. مورفین یکی از انواع آلکالوئیدها است و یک ماده مخدر قوی است که برای تسکین درد استفاده می شود، اگرچه خواص اعتیادآور آن، مفید بودن آن را محدود می کند. کدئین، مشتق متیل اتر مورفین که در خشخاش یافت می شود، یک مسکن عالی است که نسبتاً اعتیادآور نیست. برخی از آلکالوئیدها به عنوان محرک قلبی یا تنفسی عمل می کنند.
فلاونوئیدها (Flavonoids)
فـلاونوئیدها خانواده بزرگی از حدود 5000 ترکیب پلی فنلی هیدروکسیله هستند و به طور گسترده درگیاهان یافت می شوند و طیف وسیعی از کاربردهای دارویی دارند. فلـاونوئیدها شش زیرگروه اصلی، یعنی آنتوسیانیدین ها، فلاوان-3-ال، فلاونول ها، فلاونون ها، فلاون ها و ایزوفلاون ها دارند. فلاونول ها بیشترین فراوانی را در رژیم غذایی انسان دارند. فلاونوئیدها عملکردهای مهمی را در گیاهان انجام می دهند، از جمله جذب حشرات گرده افشان، مبارزه با استرس های محیطی، مانند عفونت میکروبی و تنظیم رشد سلولی. آنها اغلب به عنوان رنگدانه عمل می کنند که به گل ها و میوه ها رنگ زرد یا سفید می دهند. برخی از فلاونوئیدها دارای خواص ضد ویروسی و ضد التهابی هستند.
از آنجایی که بیشتر رژیم غذایی انسان از گیاهان یا مشتقات آنها تشکیل میشود، مقدار قابل توجهی از فلاونوئیدها در وعده های غذایی وارد بدن ما می شوند. اثر آنتی اکسیدانی فلاونوئیدها بسیار اهمیت دارد. فلاون ها و کاتچین ها قوی ترین فلاونوئیدهایی هستند که از بدن انسان محافظت می کنند. در طول متابولیسم، ما تمایل به تجمع بسیاری از گونه های اکسیژن فعال داریم که اگر در بدن ما باقی بمانند مضر هستند. فلاونوئیدها از طریق انواع مسیرهای پیام رسانی سلولی و اثرات آنتی اکسیدانی بر سلامتی ما تاثیر می گذارند. فلاونوئیدهای موجود در بسیاری از گیاهان مانند لیمو و گندم سیاه برای تقویت مویرگ ها و جلوگیری از نشت به بافت ها شناخته می شوند. گیاهان فنل ها و فلاونوئیدها را سنتز می کنند تا گونه های اکسیژن فعال تولید شده در هنگام تنش فلزات سنگین را از بین ببرند.
فنل ها(Phenols)
فنل ها ترکیباتی هستند که تصور می شود برای محافظت در برابر عفونت و گیاهخواری توسط حشرات تولید می شوند. گیاهان ترکیبات فنلی را در اندام‌ها جمع میکنند که به عنوان بازدارنده برای حشرات و گیاهخواران عمل میکند. آنها اغلب ضد عفونی کننده هستند و می توانند خواص ضد ویروسی داشته باشند. فنل ها از نظر ساختار متفاوت هستند و از اسید سالیسیلیک تا اسیدهای فنولیک حاوی قند پیچیده متغیر هستند. اعضای خانواده نعناع اغلب حاوی فنل هستند. گیاهان برای محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش، اسیدهای فنولیک را سنتز می کنند تا گونه های فعال اکسیژن تولید شده در اثر تنش نور را از بین ببرند. در طول تنش دما، فعالیت آنزیم فنیل آلانین آمونیاک لیاز افزایش می یابد که منجر به تجمع فنل ها در گیاهان می شود. تجمع فنل ها در طول تنش خشکی توسط فعالیت فنیل آلانین آمونیاک لیاز یا کالکون سنتاز تنظیم می شود.
فعالیت فنیل آلانین آمونیاک لیاز باعث تجمع اسیدهای فنولیک می شود که به عنوان پیش ساز برای بیوسنتز ترکیبات فنلی خاص استفاده می شود. فعالیت کالکون سنتاز باعث تجمع ترکیبات فلاونوئیدی در گیاهان در هنگام کمبود آب می شود. گـیاهان در طول تنش شوری برای مقاومت در برابر استرس اکسـیداتیو، پلی فنل ها، فلاونوئیدها، آنتوسیانین ها، اسیدهای فنولیک و ترپن ها را جمع می کنند. گیاهان همچنین در طول تنش شوری اسید سالیسیلیک را جمع می کنند تا سطح را کاهش داده و آسیب اکسـیداتیو را کاهش دهند. گیاهان برای کاهش رشد و نفوذ پاتوژن های میکروبی در سایر بافت ها و اندام ها، ترکیبات فنلی را در محل عفونت جمع می کنند. پاتوژن های میکروبی را شناسایی کرده و پاسخ دفاعی را در سطح ژنتیکی برای بیوسنتز متابولیت های دفاعی القا می کند.
ساپونین ها (Saponins)
ساپـونین ها خانواده بزرگی از گلیکوزیدهای آمفی فیل، استروئیدها و تری ترپن ها هستند که در گیاهان و برخی از موجودات دریایی یافت می شوند. ساپونیـن ها با بیان تنوع زیادی از ساختارها بر روی زنجیره های قند و آگلیکون، طیف گسترده ای از خواص بیولوژیکی و دارویی را نشان می دهند و به عنوان فعال اصلی در داروها، به ویژه در داروهای سنتی عمل می کنند. جداسازی ساپونین ها از منابع طبیعی به دلیل ریزهتروژنی بودن ساپونین ها در طبیعت معمولاً یک کار دشوار است. سنتز شیمیایی می‌تواند دسترسی به مقادیر زیادی از ساپونین‌های طبیعی و همچنین مواد همسان را برای درک ساختار و مکانیسم‌های عمل آنها فراهم کند. این گروه از ترکیبات فعال نام خود را از این واقعیت میگیرند که مانند صابون وقتی در آب قرار می گیرند، کف تولید می کنند.
دو شکل اصلی ساپونین وجود دارد: استروئیدی و تری ترپنوئید. ساپونین های استروئیدی بسیار شبیه به ساختار شیمیایی بسیاری از هورمون های بدن انسان از جمله استروژن و کورتیزول هستند. ساپونین ها شامل یک واحد آگلیکون هستند که به یک یا چند زنجیره کربوهیدرات متصل است واحد آگلیکون یا ساپوژنین شامل یک استرول یا واحد تری ترپن رایج تر است. در هر دو ساپونین استروئیدی و تری ترپنوئیدی، زنجیره جانبی کربوهیدرات معمولاً به 3 کربن ساپوژنین متصل است. فعالیت همولیتیک ساپونین ها به طور گسترده ای به عنوان وسیله ای برای تشخیص و سنجش ساپونین ها در مواد گیاهی استفاده می شود. اثرات سمی بالقوه تزریق داخل وریدی عصاره ساپونین باعث می شود که این دسته از ترکیبات به عنوان عوامل ضد تغذیه در غذاها در نظر گرفته شوند. نمونه‌هایی از گیاهان حاوی ساپونین عبارتند از آگاو، یام وحشی و چندین عضو از خانواده سوسن.
تانن ها (Tannins)
بیشتر گیاهان تانن تولید می کنند. تانن ها به عنوان یک عامل بازدارنده در برابر گیاه خواری توسط حشرات و حیوانات عمل می کنند، زیرا طعم نامطلوبی را ارائه می دهند. تانن ها گروهی ناهمگن از پلی فنول ها، متابولیت های ثانویه در گیاهان هستند که در پاسخ به القا کننده های تنش زیستی و غیرزیستی سنتز می شوند. حلقه‌های فنلی و گروه‌های هیدروکسیل موجود در ساختار شیمیایی شان خواص آنتی‌اکسیدانی و اتصال پروتئینی به آنها می‌بخشد. به دلیل ماهیت و فراوانی رادیکال‌های هیدروکسیل، تانن‌ها مولکول‌های بسیار آبدوست، محلول در حلال‌های آبی و همچنین تمایل بالایی به پیوند پایدار با پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها دارند. این ویژگی در همه تانن ها مشترک است، اما به نظر می رسد که ارتباط آنها با پلی ساکاریدها احتمال پیوند و تعامل با پروتئین ها را کاهش می دهد.
آنها همچنین دارای خواص دیگری، مانند رسوب کمپلکس های رنگی با نمک های آهن یا اکسیداسیون توسط پرمنگنات پتاسیم در محیط های قلیایی هستند. تانن ها در دانه ها یا پوست میوه بسیاری از گونه های سبزیجات و همچنین در جلبک های قهوه ای وجود دارند. تانن ها در طول تاریخ به دلیل خواص دارویی خود به عنوان بخشی از گیاهان دارویی در طب سنتی مورد استفاده قرار گرفته اند. همچنین، از قرن هجدهم به طور گسترده توسط سازندگان چرم برای بهبود مقاومت چرم در فرآیند رنگرزی یا دباغی استفاده می شوند، زیرا می توانند ژلاتین چسبیده به پوست حیوانات را رسوب دهند و رنگ قهوه ای به دست آورند. تانن‌ها همچنین به دلیل تمایل به انقباض بافت‌ها از طریق اتصال با پروتئین‌های رسوب‌دهنده، در پخت چرم مفید هستند. نمونه هایی از گیاهان سرشار از تانن عبارتند از: پوست بلوط و کاتچوی سیاه.
پلی ساکاریدها (Polysaccharides)
پلـی سـاکاریدها در همه گیاهان یافت می شوند و از واحدهای متعددی از مولکول های قند به هم مرتبط تشکیل شده اند. پلی ساکاریدها مولکول های مبتنی بر کربوهیدرات هستند و می توانند ساختارهای زنجیره ای یا شاخه ای داشته باشند که بسته به ترکیب دو یا چند مونوساکارید مختلف که توسط پیوندهای گلیکوزیدی به هم متصل هستند، به عنوان هموپلی ساکاریدها یا هتروپلی ساکاریدها طبقه بندی می شوند. برای اهداف دارویی، پلی ساکاریدهای چسبنده موسیلاژ یا صمغ هایی تولید می کنند که معمولا در پوست، ریشه، برگ ها و دانه ها یافت می شوند. این پلی ساکاریدهای چسبنده قادر به جذب مقادیر زیادی آب و تشکیل توده های ژله ای هستند که می توانند برای درمان بافت های خشک یا تحریک شده مانند پوست و غشاهای مخاطی استفاده شوند.
ساختار پلی ساکاریدهای فعال زیستی بسیار پیچیده است زیرا پیوند گلیکوزیدی، مونوساکاریدها توسط توالی‌ها، درجات پلیمریزاسیون و انشعاب‌های مختلف به هم متصل میشوند. برای تعیین نسبت گلیسمی، پلی ساکاریدهای فعال زیستی نقش مهمی در حفظ سطح گلوکز خون دارند. این بیومولکول های پلی ساکارید نقش عمده ای در فرمولاسیون داروها، غذاها، محصولات بهداشتی و محصولات ایمن برای محیط زیست دارند.
گلیکوزیدهای قلبی (Cardiac Glycosides)
این ترکیبات در گیاهان دارویی مختلف مانند زنبق دره یافت می شوند و اثر مستقیم قوی روی قلب دارند. گلیکوزیدهای قلبی مانند دیژیتوکسین، دیگوکسین و کانوالوتوکسین از قدرت قلب و سرعت انقباض در هنگام نارسایی حمایت می کنند. این ترکیبات همچنین دارای اثر دیورتیک هستند که تولید ادرار را تحریک کرده و به حذف مایع از بافت ها و سیستم گردش خون کمک می کند. گـلیکوزیدهای قلبی، کاردنولیدها و بوفادینولیدها، ساختاری مشابه ساپونین‌های استروئیدی دارند و دارای ویژگی‌های حلالیت و کف کنندگی یکسانی هستند.
گلیکوزیدهای سیانوژنیک (Cyanogenic Glycosides)
گلیـکوزیدهای سیانوژنیک سموم طبیعی گیاهی هستند که در چندین گیاه وجود دارند که بیشتر آنها توسط انسان مصرف می شود. سیانید به دنبال هیدرولیز گلیکوزیدهای سیانوژنیک تشکیل می شود که در هنگام خرد کردن مواد گیاهی خوراکی چه در حین مصرف و چه در طی فرآوری محصول غذایی رخ می دهد. قرار گرفتن در معرض سیانید ناشی از مصرف ناخواسته یا عمدی گلیکوزیدهای سیانوژنیک ممکن است منجر به مسمومیت های حاد شود که با تاخیر رشد و علائم عصبی ناشی از آسیب بافتی در سیستم عصبی مرکزی مشخص میشود. روش های پردازش می تواند گلیکوزیدهای سیانوژن را سم زدایی کند و خطر مسمومیت با سیانید را کاهش دهد. عملیات پردازش مانند تخمیر، جوشاندن و خشک کردن، که برای پردازش گلیکوزیدهای سیانوژنیک در مواد غذایی اعمال می شود، محتوای سیانید را به سطوح ایمن کاهش می دهد.
این گلیکوزیدها بر پایه یک سم بسیار کشنده (سیانید)، ساخته شده اند، اما در دوزهای کم، می توانند به عنوان شل کننده عضلانی عمل کنند. پوست درخت آلبالو وحشی وبرگ سنجد حاوی گلیکوزیدهای سیانوژیک هستند و برای تسکین سرفه مفید هستند. تقریباً 25 گلیکوزید سیانوژنیک وجود دارد و این گلیکوزیدها عموماً در قسمت های خوراکی گیاهان مانند سیب، زردآلو، گیلاس، هلو، آلو، به، به ویژه در دانه چنین میوه هایی یافت می شوند. این مواد شیمیایی همچنین در بادام، میوه هسته دار، میوه بادام هندی، کاساوا، شاخه های بامبو، بذر کتان، لوبیا، نخود، یافت می شوند. سایر محصولات غذایی که ممکن است حاوی گلیکوزیدهای سیانوژن باشند عبارتند از برخی مواد غذایی با خواص طعم دهنده مانند پودر یا خمیر بادام آسیاب شده، مارزیپان، میوه هسته دار و نوشیدنی های الکلی ساخته شده از میوه های هسته دار. بنابراین این غذاها منابع بالقوه هیدروژن سیانید را نشان می دهند.
پروآنتوسیانین ها(Proanthocyanidins)
این ترکیبات رنگدانه هایی هستند که به میوه ها و گل ها رنگ های قرمز، بنفش یا آبی می دهند و ارتباط نزدیکی با تانن ها و فلاونوئیدها دارند. انگور قرمز، شاه توت و توت زالزالک همگی دارای سطوح بالایی از پروآنتوسیانین هستند. خواص مختلف، مانند آنتی اکسیدان، ضد سرطان، ضد دیابت، محافظ عصبی و ضد میکروبی بودن باعث شهرت آنها شده است. ضایعات کشاورزی و ضایعات فرآوری مواد غذایی حاوی مقادیر زیادی پروآنتوسیانین هستند که بهره برداری از آن ها می تواند منبع پایدار مکمل های غذایی و ترکیبات کاربردی باشد. پروآنتوسیانیدین‌ها در گل‌ها، آجیل‌ها، میوه‌ها، پوست و دانه‌های گیاهان مختلف به‌عنوان دفاعی در برابر عوامل استرس‌زای زیستی و غیر زنده وجود دارند. قابض بودن آنها از گیاهان در برابر عوامل بیماری زا و شکارچیان محافظت می کند. آنها محصولات الیگومری و پلیمری مسیر بیوسنتزی فلاونوئید هستند.
مواد تلخ (Bitters)
این گروه در بعضی گیاهان وجود دارد و این تلخی باعث تحریک غدد بزاقی و اندام های گوارشی می شود. به این ترتیب می توان از تلخ ها برای بهبود اشتها و تقویت دستگاه گوارش استفاده کرد. ترکیبات تلخ مزه اغلب برای سیستم گوارش مفید هستند. مواد تلخ را می توان به عنوان یک تحریک کننده در سراسر بدن در نظر گرفت. اشتها و مکانیسم‌های خاصی که پوشش داخلی روده را ترمیم میکنند را تحریک میکنند. همچنین آنزیم‌ها و صفرا که به سم‌زدایی کمک میکنند، و هورمون‌های پانکراس که قند خون را تنظیم میکنند، را نیز تحریک میکنند.
مواد تلخ عمدتاً از برخی ساختارهای فیتوشیمیایی شناخته شده ناشی می شود مانند آلکالوئیدها، فنل ها، پلی فنول ها، فلاونوئیدها، ایزوفلاون ها، ترپن ها و گلوکوزینولات ها. از جمله داشتن خواص آنها ضد قارچی، ضد عفونی کننده، ضد افسردگی، محافظت کننده از قلب، تنظیم کننده هورمون، تقویت سیستم ایمنی و تنظیم قند خون. از آنجایی که التهاب می تواند منجر به بیماری های مزمن و بسیاری از انواع سرطان شود، هم گیاه شناسان و هم پزشکان به دنبال مواد تلخ هستند. نمونه هایی از تلخ ها عبارتند از افسنطین و رازک.
مواد معدنی(Minerals)
بسیاری از گیاهان دارای سطوح بالایی از مواد معدنی هستند، زیرا می توانند مواد معدنی را از خاک بیرون بکشند و می توانند آنها را به شکلی تبدیل کنند که به راحتی توسط بدن انسان استفاده شود. محتوای مواد معدنی اغلب عامل اصلی در اثربخشی گیاه به عنوان یک دارو است. به طور مثال یکی از نمونه های گیاهی سرشار از مواد معدنی، دم اسب است. محتوای سیلیس بالا در گیاهان دم اسب برای آرتریت استفاده می شود زیرا از ترمیم بافت همبند پشتیبانی می کند.
روغن های فرار (Volatile oils)
روغن های فرار از گیاهان استخراج می شوند و برای تولید اسانس ها استفاده می شوند. این روغن ها اغلب بسیار پیچیده هستند و می توانند از 100 ترکیب یا بیشتر تشکیل شوند. روغن‌های فرار که به اسانس‌ها نیز معروف هستند، نوعی مایع روغنی فرار با بوی معطر و خاصیت تبخیر هستند که می‌توان آن را با بخار آب تقطیر کرد. بیشتر آنها بی رنگ یا زرد روشن با بوی خاص یا طعم تند هستند. آنها در آب نامحلول هستند، در حالی که در اتانول ، اتر، کلروفرم، محلول هستند که معمولاً در دمای اتاق تبخیر می شوند. این روغن ها کاربردهای زیادی دارند. به عنوان مثال، روغن درخت چای یک ضد عفونی کننده قوی است. رزین ها و صمغ ها اغلب با اسانس ها مرتبط هستند، اما این روغنها فرار نیستند.
ویتامین ها (Vitamins)
بسیاری از گیاهان، میوه ها وسبزیجات حاوی سطوح بالایی از ویتامین های مفید از جمله ویتامین سی و بتاکاروتن هستند.