什麼是次生代謝產物？

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簡介

次生代謝產物是有機化合物，由任何生命形式（如細菌、真菌、動物或植物）產生。它們也被稱為生物活性分子、毒素、次級產物或天然產物。

阿爾布雷希特·科塞爾（Albrecht Kossel）於 1910 年獲得生理學或醫學諾貝爾獎，他被認為發明了“次生代謝產物”這個詞語。30 年後，一位名叫弗里德里希·查佩克（Friedrich Czapek）的波蘭植物學家將次生代謝產物定義為氮代謝的副產物。

次生代謝產物通常介導互利共生相互作用（如授粉和資源共享）以及拮抗相互作用（如捕食）。次生代謝產物通常限於單一的譜系甚至物種，儘管有強有力的證據表明，物種或屬之間完整途徑的水平轉移在細菌（以及很可能真菌）的進化中發揮了重要作用。

次生代謝產物的型別

在自然界中，我們有三種次生代謝產物的來源，下面將詳細討論。

植物次生代謝產物

基於其化學結構，植物次生代謝產物主要有四種類型：萜類、苯丙烷類（也稱為酚類）、聚酮類和生物鹼。

• 被稱為酚類的化學化合物以存在一個或多個羥基的芳香環為特徵。
• 異戊二烯單元構成了被稱為萜類的大類天然化合物。萜類僅僅是碳氫化合物，而萜烯則是氧化的碳氫化合物。
• 廣泛的含氮基礎化學物質被稱為生物鹼。它們通常來自植物來源，幷包含一個或多個氮原子。它們在化學上是極其多樣的。
• 芥子油苷是由葡萄糖、氨基酸和硫酸鹽產生的次生代謝產物，含有硫和氮原子。

植物次生代謝產物在醫學中的應用

植物中發現的次生代謝產物是現代醫學中許多藥物的來源。紫杉醇是從太平洋紅豆杉樹皮中提取的。

青蒿素和紫杉醇是人類最熟知的兩種萜類化合物。中國科學家屠呦呦在青蒿素被廣泛應用於傳統中藥後，重新發現了它作為一種有效的抗瘧藥。

後來，她在 2015 年獲得了該發現的諾貝爾獎。由於導致瘧疾的寄生蟲惡性瘧原蟲對單獨使用青蒿素產生了耐藥性，因此世界衛生組織建議將其與其他抗瘧藥物聯合使用以獲得成功的治療效果。

真菌次生代謝產物

真菌次生代謝產物主要分為三類：聚酮類、非核糖體肽類和萜類。雖然它們不是生長所必需的，但真菌次生代謝產物對於真菌在其生態位中生存至關重要。青黴素是由亞歷山大·弗萊明（Alexander Fleming）於 1928 年發現的，是真菌來源最著名的次生代謝產物。

• 洛伐他汀和聚酮類化合物是從平菇和牡蠣蘑菇中獲得的。
• 黃麴黴毒素 B1 和聚酮類化合物是從黃麴黴中獲得的。
• 環孢素和非核糖體環肽是從膨大毛黴中獲得的。

細菌次生代謝產物

細菌的次生代謝產物形成在營養缺乏或對環境壓力的反應中，在穩定期開始。雖然它不是細菌生長所必需的，但次生代謝產物的產生使它們能夠更有效地與其生態環境相互作用。

肉毒桿菌毒素是由肉毒桿菌產生的，它是細菌產生的次生代謝產物的一個例子，它對人類既有益處也有害處。

以下是細菌次生代謝產物的一些例子

吩嗪：有機化合物吩嗪的化學式為 (C6H4)2N2。它是一種二苯並稠合吡嗪，是幾種顏色的來源，包括靛藍、番紅和甲烯紅（以及密切相關的曙紅）。

例子

• 綠膿菌素來自銅綠假單胞菌。
• 來自假單胞菌屬和鏈黴菌屬的其他吩嗪。

聚酮類：聚酮類是一類天然化合物，由一個前體分子產生，該前體分子由酮（或酮的還原形式）和亞甲基交替鏈組成：(-CO-CH2-)。

例子

• 阿維菌素是從阿維鏈黴菌中獲得的。
• 伊索黴素是從土壤棲息的粘細菌纖維素囊菌中獲得的；紅黴素，紅黴素孢子菌；
• 制黴菌素，是從諾氏鏈黴菌中獲得的；
• 利福平，是從利福黴素鏈黴菌中獲得的。

非核糖體肽：這是一類高度多樣化的有機化合物，具有多種多樣的生物學功能和藥理特性。它們通常是鐵載體、毒素或色素。作為非核糖體肽抗生素、細胞抑制劑和免疫抑制劑在商業上可用。

例子

• 桿菌肽，是從枯草芽孢桿菌（特雷西菌株）中獲得的。
• 短桿菌肽，是從短小芽孢桿菌中獲得的。

次生代謝產物的功能

以下是次生代謝產物的一些功能

• 次生代謝產物可用於防禦機制，以維持與其他生物（包括動物、植物、昆蟲和微生物）的競爭。
• 金屬轉運物質。
• 它們充當促進與其他生物體共生的因子和生殖因子。
• 促進分化的效應物。
• 促進種間交流的因素。
• 干擾孢子發育和萌發（自願）。
• 次生代謝產物主要用於廣泛的生物活性，包括抗菌和抗寄生蟲藥物、酶抑制劑和抗癌劑以及免疫抑制劑。

次生代謝產物的應用

以下是次生代謝產物在不同領域的用途。

抗生素

青黴素的發現激勵了科學家利用微生物生產次生代謝產物，徹底改變了微生物學。新的篩選和分離技術導致發現了許多含β-內醯胺的化合物以及各種其他抗生素。

抗癌藥物

超過 60% 的抗癌製劑由天然物質及其衍生物組成。放線菌素 D、博萊黴素、絲裂黴素（絲裂黴素 C）、蒽醌類（絲裂黴素、鏈脲佐菌素和噴司他丁）、烯二炔類（卡立克黴素）、紫杉醇和伊索黴素是一些由放線菌產生的抗腫瘤化合物，目前正在使用。

藥物和膳食補充劑

環孢素 A、西羅莫司（雷帕黴素）、他克莫司和黴酚酸酯等免疫抑制劑在人類醫學中極具重要意義。它們奠定了器官移植領域的基礎，並用於心髒、肝臟和腎臟移植。

益生菌的代謝產物被認為是治療減輕體重增加、預防肥胖、延長飽腹感、增強飽腹感、減少食物攝入、減少脂肪沉積、提高胰島素敏感性和治療肥胖的療法。

結論

大多數合成藥物和其他具有商業價值的分子正在評估作為替代品，是具有顯著生物活性的次生代謝產物。

隨著氣候變化創造了有利於反覆發生感染的條件，持續且迫切需要新的藥物來對抗動物和植物的癌症、心臟疾病、害蟲、細胞毒性、蚊子、傳染病和自身免疫性疾病。