什么是次生代谢产物？

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简介

次生代谢产物是有机化合物，由任何生命形式（如细菌、真菌、动物或植物）产生。它们也被称为生物活性分子、毒素、次级产物或天然产物。

阿尔布雷希特·科塞尔（Albrecht Kossel）于 1910 年获得生理学或医学诺贝尔奖，他被认为发明了“次生代谢产物”这个词语。30 年后，一位名叫弗里德里希·查佩克（Friedrich Czapek）的波兰植物学家将次生代谢产物定义为氮代谢的副产物。

次生代谢产物通常介导互利共生相互作用（如授粉和资源共享）以及拮抗相互作用（如捕食）。次生代谢产物通常限于单一的谱系甚至物种，尽管有强有力的证据表明，物种或属之间完整途径的水平转移在细菌（以及很可能真菌）的进化中发挥了重要作用。

次生代谢产物的类型

在自然界中，我们有三种次生代谢产物的来源，下面将详细讨论。

植物次生代谢产物

基于其化学结构，植物次生代谢产物主要有四种类型：萜类、苯丙烷类（也称为酚类）、聚酮类和生物碱。

• 被称为酚类的化学化合物以存在一个或多个羟基的芳香环为特征。
• 异戊二烯单元构成了被称为萜类的大类天然化合物。萜类仅仅是碳氢化合物，而萜烯则是氧化的碳氢化合物。
• 广泛的含氮基础化学物质被称为生物碱。它们通常来自植物来源，并包含一个或多个氮原子。它们在化学上是极其多样的。
• 芥子油苷是由葡萄糖、氨基酸和硫酸盐产生的次生代谢产物，含有硫和氮原子。

植物次生代谢产物在医学中的应用

植物中发现的次生代谢产物是现代医学中许多药物的来源。紫杉醇是从太平洋红豆杉树皮中提取的。

青蒿素和紫杉醇是人类最熟知的两种萜类化合物。中国科学家屠呦呦在青蒿素被广泛应用于传统中药后，重新发现了它作为一种有效的抗疟药。

后来，她在 2015 年获得了该发现的诺贝尔奖。由于导致疟疾的寄生虫恶性疟原虫对单独使用青蒿素产生了耐药性，因此世界卫生组织建议将其与其他抗疟药物联合使用以获得成功的治疗效果。

真菌次生代谢产物

真菌次生代谢产物主要分为三类：聚酮类、非核糖体肽类和萜类。虽然它们不是生长所必需的，但真菌次生代谢产物对于真菌在其生态位中生存至关重要。青霉素是由亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）于 1928 年发现的，是真菌来源最著名的次生代谢产物。

• 洛伐他汀和聚酮类化合物是从平菇和牡蛎蘑菇中获得的。
• 黄曲霉毒素 B1 和聚酮类化合物是从黄曲霉中获得的。
• 环孢素和非核糖体环肽是从膨大毛霉中获得的。

细菌次生代谢产物

细菌的次生代谢产物形成在营养缺乏或对环境压力的反应中，在稳定期开始。虽然它不是细菌生长所必需的，但次生代谢产物的产生使它们能够更有效地与其生态环境相互作用。

肉毒杆菌毒素是由肉毒杆菌产生的，它是细菌产生的次生代谢产物的一个例子，它对人类既有益处也有害处。

以下是细菌次生代谢产物的一些例子

吩嗪：有机化合物吩嗪的化学式为 (C6H4)2N2。它是一种二苯并稠合吡嗪，是几种颜色的来源，包括靛蓝、番红和甲烯红（以及密切相关的曙红）。

例子

• 绿脓菌素来自铜绿假单胞菌。
• 来自假单胞菌属和链霉菌属的其他吩嗪。

聚酮类：聚酮类是一类天然化合物，由一个前体分子产生，该前体分子由酮（或酮的还原形式）和亚甲基交替链组成：(-CO-CH2-)。

例子

• 阿维菌素是从阿维链霉菌中获得的。
• 伊索霉素是从土壤栖息的粘细菌纤维素囊菌中获得的；红霉素，红霉素孢子菌；
• 制霉菌素，是从诺氏链霉菌中获得的；
• 利福平，是从利福霉素链霉菌中获得的。

非核糖体肽：这是一类高度多样化的有机化合物，具有多种多样的生物学功能和药理特性。它们通常是铁载体、毒素或色素。作为非核糖体肽抗生素、细胞抑制剂和免疫抑制剂在商业上可用。

例子

• 杆菌肽，是从枯草芽孢杆菌（特雷西菌株）中获得的。
• 短杆菌肽，是从短小芽孢杆菌中获得的。

次生代谢产物的功能

以下是次生代谢产物的一些功能

• 次生代谢产物可用于防御机制，以维持与其他生物（包括动物、植物、昆虫和微生物）的竞争。
• 金属转运物质。
• 它们充当促进与其他生物体共生的因子和生殖因子。
• 促进分化的效应物。
• 促进种间交流的因素。
• 干扰孢子发育和萌发（自愿）。
• 次生代谢产物主要用于广泛的生物活性，包括抗菌和抗寄生虫药物、酶抑制剂和抗癌剂以及免疫抑制剂。

次生代谢产物的应用

以下是次生代谢产物在不同领域的用途。

抗生素

青霉素的发现激励了科学家利用微生物生产次生代谢产物，彻底改变了微生物学。新的筛选和分离技术导致发现了许多含β-内酰胺的化合物以及各种其他抗生素。

抗癌药物

超过 60% 的抗癌制剂由天然物质及其衍生物组成。放线菌素 D、博莱霉素、丝裂霉素（丝裂霉素 C）、蒽醌类（丝裂霉素、链脲佐菌素和喷司他丁）、烯二炔类（卡立克霉素）、紫杉醇和伊索霉素是一些由放线菌产生的抗肿瘤化合物，目前正在使用。

药物和膳食补充剂

环孢素 A、西罗莫司（雷帕霉素）、他克莫司和霉酚酸酯等免疫抑制剂在人类医学中极具重要意义。它们奠定了器官移植领域的基础，并用于心脏、肝脏和肾脏移植。

益生菌的代谢产物被认为是治疗减轻体重增加、预防肥胖、延长饱腹感、增强饱腹感、减少食物摄入、减少脂肪沉积、提高胰岛素敏感性和治疗肥胖的疗法。

结论

大多数合成药物和其他具有商业价值的分子正在评估作为替代品，是具有显着生物活性的次生代谢产物。

随着气候变化创造了有利于反复发生感染的条件，持续且迫切需要新的药物来对抗动物和植物的癌症、心脏疾病、害虫、细胞毒性、蚊子、传染病和自身免疫性疾病。