สารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิของพืช

นอกเหนือจากโมเลกุลสากลของการเจริญเติบโต พืชยังสังเคราะห์สารประกอบพิเศษที่มีความหลากหลายอย่างน่าทึ่ง เช่น แอลคาลอยด์ เทอร์พีนอยด์ และฟีนอลิก ซึ่งช่วยป้องกันพืช ดึงดูดแมลงผสมเกสร และเป็นแหล่งยา รสชาติ และสีย้อมมากมายสำหรับมนุษย์

Definition

สารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิของพืชคือสารประกอบอินทรีย์ที่ไม่จำเป็นโดยตรงต่อการเจริญเติบโตหรือการสืบพันธุ์ แต่ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการปฏิสัมพันธ์ของพืชกับสิ่งแวดล้อม รวมถึงการป้องกัน การส่งสัญญาณ และการปกป้อง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมสารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิ (เฉพาะทาง) หลักของพืช ได้แก่ เทอร์พีนอยด์ ฟีนอลิกและฟลาโวนอยด์ และสารประกอบที่มีไนโตรเจน เช่น แอลคาลอยด์และกลูโคซิโนเลต รวมถึงวิถีการสังเคราะห์ทางชีวภาพ และบทบาททางนิเวศวิทยาและเศรษฐกิจของสารเหล่านี้

Core questions

• สารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิของพืชมีประเภทหลักอะไรบ้างและสร้างขึ้นได้อย่างไร?
• สารประกอบเหล่านี้มีหน้าที่ทางนิเวศวิทยาอะไรบ้างสำหรับพืช?
• เหตุใดสารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิของพืชจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการแพทย์และการเกษตร?

Key theories

สารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิในฐานะตัวกลางทางนิเวศวิทยา

สารเมแทบอไลต์เฉพาะทางส่วนใหญ่พัฒนาขึ้นเพื่อป้องกันสัตว์กินพืชและเชื้อโรค ดึงดูดแมลงผสมเกสรและผู้กระจายเมล็ด และป้องกันความเครียดจากปัจจัยทางชีวภาพ ซึ่งส่งผลต่อปฏิสัมพันธ์ทางนิเวศวิทยาของพืช

การสังเคราะห์ทางชีวภาพจากสารตั้งต้นหลัก

ความหลากหลายทางเคมีอันมหาศาลของสารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิเกิดจากวิถีหลักไม่กี่เส้นทาง ได้แก่ วิถีเทอร์พีนอยด์ ฟีนิลโพรพานอยด์ และแอลคาลอยด์ที่ได้จากกรดอะมิโน ซึ่งถูกพัฒนาโดยเอนไซม์เฉพาะทาง

Mechanisms

เทอร์พีนอยด์ได้มาจากหน่วยไอโซพรีนอยด์ห้าคาร์บอนที่สร้างขึ้นโดยวิถีมีวาโลเนตและเมทิลเอริทริทอลฟอสเฟต ส่วนฟีนอลิกและฟลาโวนอยด์เกิดจากวิถีฟีนิลโพรพานอยด์ที่เริ่มต้นด้วยฟีนิลอะลานีน แอลคาลอยด์และกลูโคซิโนเลตสร้างขึ้นจากกรดอะมิโน เอนไซม์เฉพาะสายพันธุ์ ซึ่งมักเกิดจากการเพิ่มจำนวนและการกระจายตัวของยีน จะปรับเปลี่ยนโครงสร้างเหล่านี้ให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันหลายพันชนิด ซึ่งหลายชนิดถูกกักเก็บหรือถูกกระตุ้นเพื่อตอบสนองต่อการโจมตี

Clinical relevance

สารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิของพืชเป็นแหล่งสำคัญของยา (เช่น มอร์ฟีน ควินิน และแพคลิแทกเซล) รวมถึงรสชาติ กลิ่นหอม สารสี และสารประกอบป้องกันพืช ทำให้การสังเคราะห์ทางชีวภาพของสารเหล่านี้เป็นจุดสนใจของเคมีผลิตภัณฑ์ธรรมชาติและวิศวกรรมเมแทบอลิซึม

History

การศึกษาเมแทบอลิซึมทุติยภูมิของพืชโดยนักเคมีผลิตภัณฑ์ธรรมชาติมาอย่างยาวนาน ได้รับการวางรากฐานทางชีวสังเคราะห์และพันธุกรรมในศตวรรษที่ 20 และจีโนมิกส์สมัยใหม่ในปัจจุบันช่วยให้สามารถระบุและสร้างวิถีทั้งหมดขึ้นใหม่ได้

Key figures

• Meinhart Zenk
• Rodney Croteau

Seminal works

• buchanan2015
• taiz2015

Frequently asked questions

สารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิแตกต่างจากสารเมแทบอไลต์ปฐมภูมิอย่างไร?

สารเมแทบอไลต์ปฐมภูมิ ได้แก่ น้ำตาล กรดอะมิโน นิวคลีโอไทด์ ลิพิด ซึ่งจำเป็นต่อการเจริญเติบโตขั้นพื้นฐานและมีการใช้ร่วมกันอย่างกว้างขวาง ในขณะที่สารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิเป็นสารประกอบเฉพาะทาง ซึ่งมักจำกัดอยู่ในสายพันธุ์เฉพาะ และทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการปฏิสัมพันธ์ทางนิเวศวิทยา

เหตุใดพืชจึงเป็นแหล่งยาจำนวนมาก?

พืชได้พัฒนาสารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพเพื่อส่งผลต่อสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ และสารประกอบเหล่านี้หลายชนิดยังทำปฏิกิริยากับชีววิทยาของมนุษย์ ทำให้พืชเป็นแหล่งยาที่อุดมสมบูรณ์ ตั้งแต่ยาแก้ปวดไปจนถึงสารต้านมะเร็ง