droite|vignette|Le paclitaxel (Taxol) est un produit naturel dérivé de l'if. Un produit naturel est un composé chimique ou une substance produite par un organisme vivant, c'est-à-dire qui se trouve dans la nature. Au sens le plus large, un produit naturel est toute substance produite par la vie. Les produits naturels peuvent également être préparés par synthèse chimique (semi-synthèse et synthèse totale) et ont joué un rôle central dans le développement du domaine de la chimie organique en fournissant des cibles synthétiques difficiles. Le terme a également été étendu à des fins commerciales pour désigner les cosmétiques, les compléments alimentaires et les aliments produits à partir de sources naturelles sans ingrédients artificiels ajoutés.
Grâce aux améliorations techniques (programmes de criblage à haut débit, techniques de séparation et isolement), le nombre de produits naturels découverts au début du dépasse le million (nombre sur-évalué par rapport à ce qui est accessible). 50 à 60 % de ces composés sont produits par les plantes et 5 % environ ont une origine microbienne. 20 à 25 % de ces produits sont des composés bioactifs naturels et près de 10 % sont isolés de micro-organismes ( dont sont issus des champignons).
Dans le domaine de la chimie organique, la définition des produits naturels se limite d'habitude aux composés organiques purifiés isolés de sources naturelles qui sont produits par les voies du métabolisme primaire ou secondaire. Dans le domaine de la chimie médicale, la définition se limite souvent aux métabolites secondaires. Les métabolites secondaires ne sont pas essentiels à la survie, mais procurent néanmoins aux organismes qui les produisent un avantage évolutif. De nombreux métabolites secondaires sont cytotoxiques et ont été sélectionnés et optimisés au cours de l'évolution pour être utilisés comme agents de contre les proies, les prédateurs et les organismes concurrents.
Les produits naturels ont parfois un effet thérapeutique bénéfique en tant que médicaments traditionnels pour le traitement des maladies, ce qui permet d'obtenir des connaissances pour en tirer des composants actifs en tant que pour la . Bien que les produits naturels aient inspiré beaucoup des médicaments approuvés par l'Agence américaine des produits alimentaires et médicamenteux, leur à partir de sources naturelles a fait l'objet d'une attention décroissante de la part des entreprises pharmaceutiques, en partie en raison d'un accès et d'un approvisionnement peu fiables, de problèmes de propriété intellectuelle, de la variabilité saisonnière ou environnementale de la composition et de la perte des sources causées par le rythme croissant d'extinction des espèces.
Classes La définition la plus large d'un produit naturel est qu'il s'agit de tout ce qui est produit par la vie, y compris les (p. ex. bois, soie), les matériaux d'origine biologique (p. ex. bioplastiques, amidon de maïs), les fluides corporels (p. ex. lait, exsudats végétaux) et d'autres (p. ex. sol, charbon). Une définition plus restrictive d'un produit naturel affirme qu'il s'agit un composé organique qui est synthétisé par un organisme vivant. Le reste du présent article se limite à cette définition plus étroite.
Les produits naturels peuvent être classés selon leur fonction biologique, leur voie de biosynthèse ou leur source, tels que décrit ci-dessous.
Fonction Selon la proposition originale d'Albrecht Kossel en 1891, les produits naturels sont souvent divisés en deux grandes classes : les métabolites primaires et secondaires. Les métabolites primaires ont une fonction intrinsèque (propre) qui est essentielle à la survie de l'organisme qui les produit. En revanche, les métabolites secondaires ont une fonction extrinsèque (externe) qui affecte principalement d'autres organismes. Les métabolites secondaires ne sont pas essentiels à sa survie, mais ils augmentent la compétitivité de l'organisme dans son environnement. En raison de leur capacité à moduler les voies biochimiques et les voies de transduction du signal, certains métabolites secondaires ont des propriétés médicinales utiles.
Les produits naturels, en particulier dans le domaine de la chimie organique, sont souvent définis comme des métabolites primaires et secondaires. Une définition plus restrictive limitant les produits naturels aux métabolites secondaires est couramment utilisée dans les domaines de la chimie médicinale et de la pharmacognosie.
Métabolites primaires vignette|450x450px|Éléments constitutifs moléculaires de la vie Les métabolites primaires tels que définis par Kossel sont des composants des voies métaboliques de base qui sont nécessaires à la vie. Ils sont associés à des fonctions cellulaires essentielles comme l'assimilation des nutriments, la production d'énergie et la croissance et le développement. Ils ont une large distribution d'espèces qui s'étendent sur de nombreux phyla et souvent plus d'un règne. Les métabolites primaires comprennent les glucides, les lipides, les acides aminés et les acides nucléiques qui sont les éléments de base de la vie.
Les métabolites primaires impliqués dans la production d'énergie comprennent les enzymes respiratoires et photosynthétiques. Les enzymes à leur tour sont composées d'acides aminés et souvent de cofacteurs non peptidiques qui sont essentiels à la fonction enzymatique. La structure de base des cellules et des organismes est également composée de métabolites primaires. Il s'agit notamment des membranes cellulaires (par ex. des phospholipides), des parois cellulaires (par ex. la peptidoglycane ou la chitine) et des cytosquelettes (protéines).
Les cofacteurs enzymatiques des métabolites primaires comprennent des membres de la famille de la vitamine B. La vitamine B1 sous forme de diphosphate de thiamine est une coenzyme pour la pyruvate déshydrogénase, la 2-oxoglutarate déshydrogénase et la transcétolase qui sont toutes impliquées dans le métabolisme des glucides. La vitamine B2 (riboflavine) est un constituant de la FMN et de la FAD qui sont nécessaires pour de nombreuses réactions redox. La vitamine B3 (acide nicotinique ou niacine), synthétisée à partir du tryptophane, est un composant des coenzymes NAD+ et NADP+ qui sont à leur tour nécessaires au transport des électrons dans le cycle de Krebs, à la phosphorylation oxydative, ainsi que de nombreuses autres réactions redox. La vitamine B5 (acide pantothénique) est un constituant de la coenzyme A, un composant de base du métabolisme des glucides et des acides aminés ainsi que de la biosynthèse des acides gras et des polycétides. La vitamine B6 (pyridoxol, pyridoxal et pyridoxamine) comme le pyridoxal 5′-phosphate est un cofacteur de nombreuses enzymes, en particulier les transaminases impliquées dans le métabolisme des acides aminés. La vitamine B12 (cobalamines) contient un anneau de corrine de structure similaire à la porphyrine et est une coenzyme essentielle pour le catabolisme des acides gras ainsi que pour la biosynthèse de la méthionine.
L'ADN et l'ARN qui stockent et transmettent l'information génétique sont composés de métabolites primaires d'acides nucléiques.
Les premiers messagers sont des molécules de signalisation qui contrôlent le métabolisme ou la différenciation cellulaire. Ces molécules de signalisation comprennent des hormones et les facteurs de croissance sont à leur tour composés de peptides, d'amines biogènes, d'hormones stéroïdiennes, d'auxines, de gibbérellines, etc. Ces premiers messagers interagissent avec les récepteurs cellulaires qui sont composés de protéines. Les récepteurs cellulaires activent à leur tour des seconds messagers qui relaient le message extracellulaire aux cibles intracellulaires. Ces molécules de signalisation comprennent les métabolites primaires, les , le diglycéride, etc.
Métabolites secondaires
vignette|400x400px|Exemples représentatifs de chacune des principales classes de métabolites secondaires. Contrairement aux métabolites primaires, les métabolites secondaires ne sont pas indispensables et ne sont pas absolument nécessaires à la survie. De plus, les métabolites secondaires ont généralement une distribution étroite des espèces.
Les métabolites secondaires ont un large éventail de fonctions. Il s'agit notamment des phéromones qui agissent comme molécules de signalisation sociale avec d'autres individus de la même espèce, des molécules de communication qui attirent et activent les organismes symbiotiques, des agents qui solubilisent et transportent les nutriments (tels que le sidérophores) et des armes concurrentes (tels que répulsifs, venins et toxines) qui sont utilisées contre leurs concurrents, proies et prédateurs. Pour de nombreux autres métabolites secondaires, la fonction est inconnue. Une hypothèse est qu'ils confèrent un avantage compétitif à l'organisme qui les produit. Selon un autre point de vue, par analogie avec le système immunitaire, ces métabolites secondaires n'ont pas de fonction spécifique, mais il est important d'avoir les machines en place pour produire ces diverses structures chimiques et quelques métabolites secondaires sont donc produits et sélectionnés pour cela.
Les classes structurales générales des métabolites secondaires comprennent les alcaloïdes, les phénylpropanoïdes, les polycétides et les terpénoïdes, qui sont décrits plus en détail dans la section sur la biosynthèse ci-dessous.
Biosynthèse vignette|765x765px|Biosynthèse de métabolites primaires et secondaires.
Les voies de biosynthèse menant aux principales classes de produits naturels sont décrites ci-dessous. Photosynthèse ou néoglucogenèse → oses → polysaccharides (cellulose, chitine, glycogène etc.) Voie de l'acétate → acides gras et polycétides Voie du shikimate → acides aminés aromatiques et phénylpropanoïdes Voie du mévalonate et methyletrythritol phosphate pathway → terpénoïdes et stéroïdes Acides aminés → alcaloïdes
Glucides Les glucides sont une source d'énergie essentielle pour la plupart des formes de vie. De plus, les polysaccharides formés à partir de glucides plus simples sont des composants importants de la structure de nombreux organismes tels que les parois cellulaires des bactéries et des plantes.
Les glucides sont les produits de la photosynthèse végétale et de la néoglucogenèse animale. La photosynthèse produit initialement du glycéraldéhyde-3-phosphate, un sucre contenant trois atomes de carbone (un triose). Ce triose peut à son tour être transformé en glucose (un sucre contenant six atomes de carbone) ou en une variété de pentoses (des sucres contenant cinq atomes de carbone) selon le cycle de Calvin. Chez l'animal, les précurseurs à trois atomes de carbone que sont le lactate ou le glycérol peuvent être transformés en pyruvate qui, à son tour, peut être transformé en glucides dans le foie.
Acides gras et polycétides Par le processus de glycolyse, les sucres sont décomposés en acétyl-CoA. Dans une réaction enzymatique catalysée par l'ATP, l'acétyl-CoA est carboxylé pour former du malonyl-CoA. L'acétyl-CoA et le malonyl-CoA subissent une condensation de Claisen avec perte de dioxyde de carbone pour former l'acétoacétyl-CoA. D'autres réactions de condensation produisent successivement des chaînes poly-β-céto de poids moléculaire plus élevé qui sont ensuite converties en d'autres polycétides. Les produits naturels de la classe des polycétides ont des structures et des fonctions diverses et comprennent notamment les prostaglandines et les antibiotiques macrolides.
Une molécule d'acétyl-CoA (l') et plusieurs molécules de malonyl-CoA (les ) sont condensées par l'enzyme acide gras synthase pour produire des acides gras. Les acides gras sont des composants essentiels de la bicouche lipidique qui forme les membranes des cellules, ainsi que les réserves d'énergie sous forme de graisses chez les animaux.
Sources