Натуральный продукт
-
Определение натуральных продуктов
- Натуральные продукты — это природные соединения, вырабатываемые живыми организмами.
- Включают вещества, производимые живыми организмами, и могут быть получены химическим синтезом.
- В коммерческих целях используются для обозначения косметики, пищевых добавок и продуктов питания без искусственных ингредиентов.
-
Классификация натуральных продуктов
- В органической химии натуральные продукты ограничиваются органическими соединениями, выделенными из природных источников.
- В медицинской химии натуральные продукты часто ограничиваются вторичными метаболитами.
- Вторичные метаболиты не являются необходимыми для выживания, но обеспечивают эволюционное преимущество.
-
Функции натуральных продуктов
- Первичные метаболиты выполняют внутреннюю функцию, необходимую для выживания.
- Вторичные метаболиты выполняют внешнюю функцию, воздействуя на другие организмы.
- Вторичные метаболиты могут обладать лекарственными свойствами.
-
Первичные метаболиты
- Важнейшие компоненты основных метаболических путей.
- Включают углеводы, липиды, аминокислоты и нуклеиновые кислоты.
- Участвуют в производстве энергии и росте клеток.
- Ферментативные кофакторы включают витамины группы В.
-
Вторичные метаболиты
- Необязательны для выживания и имеют узкое видовое распределение.
- Выполняют широкий спектр функций, включая феромоны, коммуникационные молекулы и конкурентное оружие.
- Общие структурные классы включают алкалоиды, фенилпропаноиды, поликетиды и терпеноиды.
-
Биосинтез натуральных продуктов
- Углеводы образуются в результате фотосинтеза или глюконеогенеза.
- Жирные кислоты и поликетиды синтезируются ацетатным путем.
-
Производство жирных кислот
- Жирные кислоты образуются из ацетил-КоА и малонил-КоА.
- Жирные кислоты важны для липидных бислоев и накопления энергии.
-
Ароматические аминокислоты и фенилпропаноиды
- Шикиматный путь производит ароматические аминокислоты (фенилаланин, тирозин, триптофан).
- Шикиматный путь важен для первичного метаболизма и специализированных метаболических процессов.
- Фенилаланин служит для фенилпропаноидного пути, производящего вторичные метаболиты.
-
Терпеноиды и стероиды
- Мевалонатный путь и метилэритритолфосфатный путь производят изопентенилдифосфат и диметилаллилдифосфат.
- Эти соединения служат строительными блоками для терпеноидов и стероидов.
- Терпеноиды и стероиды играют важную роль в защите растений и передаче сигналов.
-
Алкалоиды
- Алкалоиды образуются из аминокислот и включают простые и сложные полициклические азотные гетероциклы.
- Биосинтез алкалоидов включает синтез предшественника амина, альдегида, катиона иминия и реакцию Манниха.
- Оксидоредуктазы играют важную роль в модификации алкалоидов.
-
Пептиды, белки и другие производные аминокислот
- Пептиды и белки синтезируются через трансляцию.
- Пептидные гормоны регулируют физиологические процессы.
- Модифицированные пептиды включают антибиотики.
- Цианогенные гликозиды и глюкозинолаты служат защитными механизмами растений.
-
Источники и биопоиск
- Натуральные продукты могут быть получены из микроорганизмов, растений и животных.
- Биопоиск направлен на обнаружение биологически активных соединений.
- Фармакогнозия помогает в идентификации и разработке новых лекарств.
-
Прокариотический биосинтез
- Бактерии могут производить противоинфекционные препараты.
-
Открытие стрептомицина и других антибактериальных средств
- Образцы почвы и воды привели к открытию стрептомицина.
- Бактерии стали важным источником фармакологически активных натуральных продуктов.
- Разработаны амфотерицин В, хлорамфеникол, даптомицин, тетрациклин, полимиксины и рифамицины.
-
Применение бактериальных препаратов
- Ботулинический токсин используется для предотвращения мышечного спазма.
- Блеомицин применяется для лечения рака.
- Новые тенденции включают изучение метаболического профиля бактерий из малоизученных сред.
-
Археи и их ферменты
- Археи приспособились к экстремальным условиям и обладают ферментами.
- Ферменты могут быть использованы в пищевой, химической и фармацевтической промышленности.
- Примеры ферментов: амилазы, пуллуланазы, циклодекстриногликозилтрансферазы, целлюлазы, ксиланазы, хитиназы, протеазы, алкогольдегидрогеназа и эстеразы.
-
Грибы и их метаболиты
- Из грибов получены пенициллин, цефалоспорины, гризеофульвин.
- Ловастатин, циклоспорин, эргометрин используются в медицине.
- Асперлицин может быть использован для лечения тревожности.
-
Растения и их фитохимические вещества
- Растения являются источником сложных химических соединений.
- Примеры: паклитаксел, омацетаксина мепесукцинат, артемизинин, галантамин.
- Морфин, кокаин, хинин, тубокурарин, мускарин и никотин также используются в медицине.
-
Животные и их яды
- Яды животных содержат специфические химические взаимодействия с мишенями.
- Примеры: тепротид, эхистатин, ω-конотоксин, эктейнасидин 743.
- ω-конотоксин используется для облегчения боли, эктейнасидин 743 для лечения рака.
-
Медицинское применение натуральных продуктов
- Натуральные продукты обладают фармакологической активностью.
- Натуральные продукты часто используются как отправная точка для создания лекарств.
- 35% годового объема мирового рынка лекарств приходится на натуральные продукты.
-
Примеры современных лекарственных препаратов
- Аспирин, опиум, циконотидный анальгетик.
- Пенициллин, колхицин, паклитаксел.
- Аторвастатин используется для снижения уровня холестерина.
-
Разработка натуральных лекарственных препаратов
- Натуральные продукты используются для лечения гипертонии и сердечной недостаточности.
- Примеры: каптоприл, основанный на пептидном потенцирующем факторе брадикинина.
-
Ограничения и стимулирующие факторы
- Проблемы с доступностью и дублированием источников.
- Биологический ресурс остается богатым, но требует изучения.
- Метагеномика предлагает новые подходы, но не используется в полной мере.
-
Изоляция и очищение
- Натуральные продукты часто представляют собой сложные смеси.
- Методы включают ЯМР, рентгеновскую кристаллографию и MS/МС.
- Вычислительные методы помогают в определении структуры.
-
Синтез
- Сложные натуральные продукты трудно синтезировать.
- Полусинтез позволяет использовать промежуточные продукты.
- Полный синтез важен для понимания синтеза и разработки новых методов.
-
Симметрия
- Двусторонняя симметрия часто присутствует в натуральных продуктах.
- Димеризация может быть более выгодной из-за стерических препятствий.
-
Научные исследования и преподавание
- Включает органическую химию, медицинскую химию и другие области.
- Химия натуральных продуктов важна для понимания биосинтеза и разработки новых методов.
-
История
- Концепция натуральных продуктов восходит к началу 19 века.
- Натуральные продукты играют центральную роль в подготовке химиков-синтетиков.
-
Изоляция органических веществ
- Лавуазье показал, что органические вещества состоят из углерода, водорода, кислорода и азота
- Растения были основным источником алкалоидов и гликозидов
- Сертюрнер выделил морфин, Шеврель — холестерин, Шеврель — стрихнин
-
Синтез органических соединений
- Берцелиус утверждал, что для синтеза органических веществ необходима жизненная сила
- Велер синтезировал мочевину, Кольбе — уксусную кислоту
- Органическая химия стала отдельной областью, сосредоточенной на углеродсодержащих соединениях
-
Структурные теории
- Велер и Либих исследовали соли серебра с разными свойствами
- Берцелиус предложил теорию изомеров, Дюма и Лоран — радикальную и замещения теории
- Кекуле предложил теорию, что углерод четырехвалентен и образует цепочки
-
Расширение концепции натуральных продуктов
- Либих включил материалы животного происхождения
- Фишер изучал углеводы и пурины, синтезировал глюкозу и маннозу
- Флеминг открыл пенициллин, добавив грибы и микроорганизмы
-
Вехи в исследованиях натуральных продуктов
- Терпены: Валлах и Ружичка
- Порфирины: Вильштеттер и Фишер
- Стероиды: Виланд и Виндаус
- Каротиноиды: Каррер
- Витамины: Каррер, Уильямс, Виндаус, Хаворт, Кун, Сент-Дьердьи
- Гормоны: Бутенандт и Кендалл
- Алкалоиды и антоцианы: Робинсон
- Полный синтез: Вудворд и Кори
-
Современные исследования
- Эволюционная и экологическая роль натуральных продуктов
- Развитие области производства натуральных продуктов