次生代謝物質，生物體產生的一大類並非生長發育所必需的小分子有機化合物。
基本介紹
- 中文名：次生代謝物質
- 別名：天然產物
又稱天然產物。生物體內含有大量的、種類繁多的有機化合物，根據它們在生物生長和發育過程中所起的作用可分為初生代謝物質和次生代謝物質。初生代謝及初生代謝產物是維持細胞正常生命活動所必需的，如糖酵解、三羧酸循環和光合作用的各種產物，以及核酸、蛋白質和多糖等。次生代謝物質由初生代謝衍生的代謝途徑所產生，它們在生物體內合成和分解的過程稱為次生代謝。次生代謝物往往具有種屬特異性，與進化密切相關。它們複雜的化學結構、特殊的代謝途徑以及重要的生理活性，引起了科學家極大的興趣。次生代謝的研究，早期主要集中於產物的分離鑑定以及代謝途徑的解析。隨著分子生物學的發展，次生代謝的研究也進入了分子水平，主要是代謝途徑相關酶的克隆以及生物學功能的闡述。重要生物基因組測序的完成和功能基因組學平台的建立，使得代謝組和代謝網路調控的研究成為可能。生理功能 植物是次生代謝物質的主要來源，儘管在一些動物和微生物中也能分離到一些次生化合物，但已發現的次生代謝物大約有80%來自植物組織。根據其生物合成的來源，植物次生代謝物質可分為主要的三大類：酚類、萜類和生物鹼，每一大類的已知化合物都有數千種甚至數萬種以上，而且都有自己獨特的代謝途徑。植物的次生代謝物質是植物在長期進化中對生態環境適應的結果，在植物的整個生命過程中有多種功能，介導植物和環境包括昆蟲、微生物以及其他植物之間的相互作用，構成了植物防衛系統的一個重要部分。對植物–動物–微生物相互作用的研究表明，次生代謝產物已發展成了各種在自身保衛、細胞分化和生存等方面具明顯作用的“功能性物質”。植物次生代謝物質的主要功能是參與植物防衛反應，包括抗病與抗蟲。當植物受病原侵染後會產生一類分子量較小的次生物質，稱為植保素（如豌豆素、菜豆素、棉酚）。次生代謝物質是植物與昆蟲間建立聯繫的紐帶，也是植物和昆蟲協同進化的結果。它是昆蟲選擇寄主、利用寄主以及蟲媒授粉植物吸引昆蟲的信號物質，也是植物抵禦昆蟲取食的主要武器。植物在遭受植食性昆蟲的攻擊後，其次生代謝物質會發生變化，以防禦害蟲的攻擊。其中最明顯的變化是酚類等有毒化合物的含量明顯增加；另外還會產生揮發性的次生物質。植物產生的次生代謝物以拒食（產生消化抑制物）、忌避（產生警告信息素）、觸殺（產生有毒物質）、胃毒、熏殺、抑制生長發育（產生變態反應物，如保幼酮）等方式毒殺植食性昆蟲。與此同時，昆蟲對於植物的次生代謝物也能夠產生適應性。昆蟲的適應機制包括形態上、行為上和生理生化上的適應。植物與昆蟲相對應的關係形成矛盾的複合體，二者相互鬥爭而又相互依賴，推動著植物與昆蟲間的協同進化，才使今天的生物圈中具有如此豐富的生物多樣性。植物在與其他植物爭奪陽光和水分的生存競爭過程中，產生出稱為他感化合物的物資，這類物質可以抑制不同種植物的生長發育，例如，黑胡桃樹能將生長於鄰近或其樹冠下的番茄和苜蓿毒殺；黃瓜、大豆的某些品系能抑制其周圍雜草的生長。除了植物之外，微生物也是自然界次生代謝物質的主要來源。微生物次生代謝物質與抗生素密切相關。許多微生物尤其放線菌在一定的生長時期（一般是穩定生長期），能以初級代謝產物為前體合成多種類型的次生代謝產物。次生代謝物質中最重要的部分是抗生素和其他生物藥素。隨著科學的發展，抗生素的概念和套用由原來的抗細菌、抗真菌，發展到包括具有殺蟲、除草、抗腫瘤等作用的微生物次生代謝產物。如著名的殺蟲和促進動物生長的阿弗菌素、高效抗腫瘤的柔紅黴素、除草劑等。另外，還從微生物次生代謝產物中發現許多對人體具有生理活性的物質，如鏈黴菌產生的免疫抑制劑FK506，放線菌產生的可治療糖尿病的阿卡波糖等，從而將微生物次生代謝產物與人類的健康和疾病治療更緊密地聯繫起來。研究及套用 隨著社會的發展和人類生存環境的變化，經濟發展與環境保護之間存在著矛盾，生態環保已成為人類面臨的主要問題之一。研究植物、昆蟲、微生物的次生代謝物質，並深入了解植物之間、植物與微生物以及植物與昆蟲之間的化學通信和信號傳遞的分子機制，不僅具有生態學理論意義，而且具有非常誘人的套用前景。利用次生代謝物質的性質以及它們在不同物種之間相互作用的機制，可以有效地控制蟲害、病害和雜草，達到提高農業產量的目的。植物次生代謝與農業生產密切相關，許多農產品的品質性狀決定於次生代謝產物的含量，如菸草、甜菜、油菜子等經濟作物。此外，新型農業，如花卉種植和香料作物種植也與次生代謝有著緊密的聯繫，用基因工程和分子育種的方法改變花卉和香料植物的次生代謝，可以提高它們的經濟價值。通過代謝工程提高農作物品質或附加值，是農業科學發展的一個新趨勢。一個成功的例子是金色稻米，研究者將三個與維生素A前體β–胡蘿蔔素合成途徑相關酶的基因轉入水稻，從而在水稻的胚乳中富集β–胡蘿蔔素。這項研究成果可用於緩解維生素A缺乏的問題，改善營養結構，提高健康狀況。當今世界湧起“回歸自然”思潮，許多國家尋找天然藥物的呼聲日漸高漲，中藥以其豐富的資源、獨特的療效、毒副作用少等特點，已引起世界各國的關注。藥用植物含有豐富的次生代謝物質，它們對許多疾病具有明顯的療效。在人類防治疾病的歷史上，利用植物次生代謝物作為治病手段曾起過主導作用，中國的《神農本草經》、《本草綱目》都是人類利用次生代謝物的傑出體現。菊科植物青蒿所含的倍半萜成分——青蒿素是重要的抗瘧疾藥物。黃酮類具抗氧化作用，能夠調節免疫力，對於癌細胞具有抑制效果，而且能夠清除自由基，防止心血管疾病。許多生物鹼是神經藥物，如嗎啡等。微生物次生代謝的研究也有著巨大的套用價值。在自然界發現的，由鏈黴菌的不同種產生約有4 000種抗生素，其作用包括抗細菌、抗真菌、抗病毒、除草、殺蟲、抗腫瘤以及促進動植物生長等，在工業生產中是僅次於釀酒業的第二大微生物代謝產物相關的行業。另外，一些經生物工程改造的微生物可在人體消化環境下行使生物轉化和生物合成功能，達到祛病目的。微生物的次生代謝產物作為藥物套用絕不僅限於抗生素。它們中的不少次生代謝產物還能通過與脊椎動物特定的受體或酶相互作用而調節細胞的活性。從真菌，特別是子囊菌亞門的某些類群的次生代謝產物中，尋找非抗生素的酶抑制劑、受體抑制劑或激活劑和免疫調節劑等低分子代謝產物，已成為一個十分受人關注的熱點。
