Prirodni proizvod
Prirodni proizvod je hemijski spoj koji proizvode živi organizmi, čime se i pojavljuje u prirodi.[2][3] U najširem smislu, prirodni proizvodi obuhvataju bilo koju tvar koju su proizvela živi organizmi.[4][5] Prirodni proizvodi također mogu nastati hemijskom sintezom (bilo semisintezom ili sveukuonom sintezom), a imali su centralnu ulogu u razvoju organske hemije, pružajući izazovne mete za hemijske sintetičare. Termin prirodni proizvod se isto tako upotrebljava u komercijalnoj primjeni za kozmetičke proizvode, prehrambene suplemente i hranu proizvedenu iz prirodnih izvora bez dodatka veštačkih aditiva.[6]
U oblasti organske hemije, definicija prirodnih proizvoda je obično ograničena na prečišćeni organske spojeve koji su izolirani iz prirodnih izvora, formirana putem primarnog ili sekundarnog metabolizma.[7] U polju medicinske hemije, definicija je obično dodatno ograničena na sekundarne metabolite.[8][9] Sekundarni metaboliti nisu esencijalni za preživljavanje, ali, uprkos tome, pružaju evolucijsku prednost organizmima koji iz proizvode.[10] Mnogi sekundarni metaboliti su citotoksični i bili su izabrani i optimizirani tokom evolucije za upotrebu kao agensi „hemijskog ratovanja” protiv plena, predatora, i konkurnetskih organizama.[11]
Prirodni proizvodi su ponekad terapeutski korisni kao tradicijski lijekovi za mnoge bolesti. Poznavanje tih materijala ponekad omogućava ekstrakciju aktivnih komponenti kao vodećih spojeva u procesu otkrivanja novih lijekova.[12] Iako su prirodni proizvodi inspirirali brojne lijekove koje je odobrila američka administracija za lijekove i hranu (FDA), razvoj lijekova zasnovan na prirodnim izvorima ima sve manji udio u današnjoj farmaceutskoj industriji, djelimično i zbog nepouzdanog pristupa i snabdjevanja, pitanja intelektualne svojine, sezonske i lokalne varijabilnosti sastava i nedostatka izvora usljed povećane pojave izumiranja.[12]
Klase
Najšira definicija prirodnih proizvoda je da su oni sve ono što su prozvela živa bića,[4][13] i time su obuhvaćeni biološki materijali (npr. drvo i svila), materijali koji potiču iz bioloških izvora (tzv. biobazirani materijali) (npr. bioplastike, kukuruzni skrob), tjelesne tečnosti (npr. mlijeko, biljni ekstrakti) i drugi prirodni materijali (npr. soli, ugalj). Ograničenija definicija prirodnog proizvoda je da je to organski spoj koji su proizveli živi organizmi.
Prirodni proizvodi mogu se klasificirati prema njihovoj biološkoj funkciji, biosintetskom putu ili izvoru.
Funkcija
Prema originalnom prijedlogu Albrechta Kossela 1891.,[14] prirodni proizvodi se često dijele u dvije glavne klase: primarni i sekundarni metaboliti.[15][16] Primarni metaboliti imaju unutrašnju funkciju koja je bitna za opstanak organizma koji ih proizvodi. Sekundarni metaboliti, za razliku od toga, imaju vanjsku funkciju koja uglavnom utiče na druge organizme. Sekundarni metaboliti nisu bitni za opstanak, ali povećavaju konkurentnost organizma u njegovom okruženju. Zbog svoje sposobnosti biohemijskih moduliranja i transdukciji signala, neki od sekundarni metabolita imaju korisna ljekovita svojstva.
Prirodni proizvodi posebno u području organske hemije često se definiraju kao primarni i sekundarni metaboliti. Restriktivnija definicija koja ograničava prirodne proizvode na sekundarne metabolite uobičajeno se koristi u oblastima medicinske hemije i farmakologije. [13]
Primarni metaboliti
Primarni metaboliti, kako ih je definirao Kossel, komponente su osnovnih metaboličkih puteva koji su potrebni za život. Povezani su s osnovnim ćelijskim funkcijama kao što su asimilacija hranjivih tvari, proizvodnja energije i rast/razvoj. Imaju široku rasprostranjenost vrsta koja obuhvata mnoga koljena i često više od jednog carstva. Primarni metaboliti uključuju ugljikohidrate, lipide, aminokiseline i nukleinske kiseline[15][16] koji su osnovni gradivni blokovi života.[17]
Primarni metaboliti koji su uključeni u proizvodnju energije obuhvatajuju respiracijske i fotosintetske enzime.[18] Osnovna struktura ćelija i organizama je također sastavljena od primarnih metabolita. To uključuje ćelijske membrane (npr. fosfolipide), ćelijske zidove (npr. peptidoglikan, hitin) i citoskelete (proteine) .[19]
Enzimski kofaktori primarnog metabolizma uključuju članove porodice vitamina B . Vitamin B1 kao tiamin-difosfat je koenzim za enzime piruvat-dehidrogenaza, 2-oksoglutarat dehidrogenaza i transketolaza, koji su uključeni u metabolizam ugljikohidrata. Vitamin B2 (riboflavin) je sastojak FMN i FAD koji su neophodni za mnoge redoks reakcije. Vitamin B3 (nikotinska kiselina ili niacin), sintetiziran iz triptofana, sastojak je koenzima NAD+ i NADP+ koji su zauzvrat potrebni za transport elektrona u Krebsovom ciklusu, oksidativne fosforilacije, kao i mnoge druge redoks reakcije. Vitamin B5 (pantotenska kiselina) sastojak je koenzima A, osnovne komponente metabolizma ugljikohidrata i aminokiselina, kao i biosinteze masnih kiselina i polietida. Vitamin B6 (piridoksol, piridoksal i piridoksamin), kao piridoksal 5'-fosfat, kofaktor je mnogih enzima, posebno transaminaza koji uključuju metabolizam aminokiselina. Vitamin B12 (kobalamini) sadrži korinski prsten sličan u strukturi kao porfirinu i esencijalni je koenzim za katabolizam masnih kiselina, kao i za biosintezu metionina. DNK i RNK, koje skladište i prenose genetičke informacije, sastavljene su od primarnih metabolita nukleinskih kiselina.[18]
Prvi glasnici su signalne molekule koje kontroliraju metabolizam ili ćelijsku diferencijaciju. Te signalne molekule uključuju hormone, a i faktori rasta su sastavljeni od peptida, biogenih amida, steroidnih hormona, auksina, giberellina itd. Ti prvi glasnici komuniciraju sa ćelijskim receptorima koji su sastavljeni od proteina. Ćelijski receptori zauzvrat aktiviraju druge glasnike koji se koriste za prenošenje vanćelijske poruke unutar unutarćelijskih ciljeva. Ove signalne molekule uključuju primarne metabolite ciklične nukleotide, diacil-glicerol itd.[20]
Sekundarni metaboliti
Sekundarni, za razliku od primarnih metabolita, nisu neophodni i nisu apsolutno potrebni za opstanak. Nadalje, sekundarni metaboliti obično imaju usko rasprostranjenje vrsta. Ovi metaboliti imaju širok spektar funkcija. Tu se ubrajaju feromoni, koji djeluju kao društvene signalne molekule s drugim jedinkama iste vrste, komunikacijske molekule koje privlače i aktiviraju simbiotske organizme, agense koji rastvaraju i prenose hranjive tvari (siderofore itd.) i konkurentno oružje (repelenti, otrovi, toksini itd.), koji se koriste protiv konkurencije, plijena i predatora.[21] Za mnoge druge sekundarne metabolite funkcija nije poznata. Jedna od hipoteza je da oni daju konkurentsku prednost organizmu koji ih proizvodi.[22] Alternativno gledište je da, analogno imunskom sistemu, ovi sekundarni metaboliti nemaju nikakvu specifičnu funkciju, ali važno je imati potrebnu mašineriju za proizvodnju različitih hemijskih struktura i zato se proizvodi i bira nekoliko sekundarnih metabolita.[23]
Opće strukturne klase sekundarnih metabolita uključuju alkaloide, fenilpropanoide, poliketide i terpenoide,[7] koji su opisani sa više detalja u nastavku o biosintezi.
Biosinteza
Dolje su opisani biosintetski putevi koji vode do glavnih klasa prirodnih proizvoda.[13][24]
- Fotosinteza ili glukoneogeneza → monosaharidi → polisaharidi (celuloza, hitin, glikogen itd.)
- Acetatni put → Masne kieline i poliketidi
- Shikimateov put → aromatskebaminokiseline i fenilpropanoidi
- Mevalonski put i metiletritritol-fosfatni put → terpenoidi i steroidi
- Aminokiselin → alkaloidi
Ugljikohidrati
Ugljikohidrati su esencijalni izvor energije za većinu životnih oblika. Pored toga, polisaharidi koji nastaju iz jednostavnijih ugljikohidrata važne su strukturne komponente mnogih organizama, kao što su ćelijski zidovi bakterija i biljaka.
Ugljikohidrati su fotosintetski proizvodi biljaka i životinja glukoneogeneza. Fotosinteza stvara u početku 3-fosfogliceraldehid, tri atoma ugljika koji sadrže šećer (trioze).[24] Ova trioza se zauzvrat može pretvoriti u glukozu (šest atoma ugljika koji sadrže šećeri) ili razne mpentoze (pet ugljikovih atoma koji sadrže šećeri) kroz Calvinov ciklus. U životinja se tri prekursorna ugljika laktat ili glicerol mogu pretvoriti u piruvat, što se pak, u jetri može pretvoriti u ugljikohidrate.
Masne kiseline i polietidi
Procesom glikolize šećeri se razgrađuju u acetil-CoA. U ATP-zavisnoj enzimskoj reakciji, acetil-CoA se karboksilira da bi se dobio malonil-CoA. Acetil-CoA i malonil-CoA prolaze Klaisenovu kondenzaciju sa gubitkom ugljik-dioksida, pri čemu nastaje acetoacetil-CoA. Dodatnim reakcijama kondenzacije nastaju sukcesivno poli-β-keto lanci molekulske težine koji se zatim pretvaraju u druge poliketide. Klasa poliktidnih prirodnih proizvoda ima različite strukture i funkcije i uključuju prostaglandine i makrolidni antibiotikmakrolidne antbiotike.Jedna molekula acetil-CoA ("pokretačka jedinica") i nekoliko molekula malonil-CoA ("jedinice ekstenziva") kondenziraju se sintezom masne kiseline da bi se stvorile masne kiseline Masna kiselina je esencijalni sastojak lipidnih dvoslojeva koji formiraju ćelijske membrane kao i zalihe energije masti kod životinja.
Reference
Dopunska literatura
- Bhat SV, Nagasampagi BA, Sivakumar M (2005). Chemistry of Natural Products (2 izd.). Berlin: Springer. ISBN 3-540-40669-7.
- Hanson JR (2003). Natural Products: The Secondary Metabolites. Royal Society of Chemistry. ISBN 0-85404-490-6.
- Kaufman PB (1999). Natural Products from Plants. CRC Press. ISBN 0-8493-3134-X.
- Liang XT, Fang WS, ured. (2006). Medicinal Chemistry of Bioactive Natural Products. Wiley-Interscience. ISBN 0-471-73933-2.
Vanjski linkovi
- Reusch, William (2010). "Natural Products page". Virtual Textbook of Organic Chemistry. Ann Arbor, Mich.: Michigan State University, Department of Chemistry. Arhivirano s originala, 3. 2. 2007. Pristupljeno 2. 5. 2018. Nepoznati parametar
|name-list-format=zanemaren (prijedlog zamjene:|name-list-style=) (pomoć) - "NAPROC-13 Base de datos de Carbono 13 de Productos Naturales y Relacionados (Carbon-13 Database of Natural Products and Related Substances)". Spanish language tools to facilitate structural identification of natural products.