Métabolite secondaire - Secondary metabolite

Formule développée pour l' acide aminé acide pipécolique , qui contrairement à d'autres acides aminés n'est pas utilisé comme élément constitutif des protéines. Dans certaines plantes, l'acide pipécolique agit comme un composé de défense contre les micro-organismes. En raison de sa présence limitée, l'acide pipécolique est considéré comme un métabolite secondaire .
Formule développée de l' acide aminé proline , qui chez tous les êtres vivants est un élément constitutif des protéines. En raison de sa présence universelle, la proline est considérée comme un métabolite primaire .

Les métabolites secondaires , également appelés métabolites spécialisés, toxines , produits secondaires ou produits naturels , sont des composés organiques produits par des bactéries , des champignons ou des plantes qui ne sont pas directement impliqués dans la croissance , le développement ou la reproduction normaux de l'organisme. Au lieu de cela, ils interviennent généralement dans les interactions écologiques , qui peuvent produire un avantage sélectif pour l'organisme en augmentant sa capacité de survie ou sa fécondité . Les métabolites secondaires spécifiques sont souvent limités à un ensemble restreint d'espèces au sein d'un groupe phylogénétique . Les métabolites secondaires jouent souvent un rôle important dans la défense des plantes contre les herbivores et d'autres défenses interspécifiques. Les humains utilisent des métabolites secondaires comme médicaments, arômes, pigments et drogues récréatives.

Le terme métabolite secondaire a été inventé pour la première fois par Albrecht Kossel , lauréat du prix Nobel de médecine et de physiologie en 1910. 30 ans plus tard, un botaniste polonais Friedrich Czapek a décrit les métabolites secondaires comme des produits finaux du métabolisme de l' azote .

Les métabolites secondaires interviennent généralement dans les interactions antagonistes, telles que la compétition et la prédation , ainsi que dans les interactions mutualistes telles que la pollinisation et les mutualismes de ressources . Habituellement, les métabolites secondaires sont confinés à une lignée spécifique ou même à une espèce, bien qu'il existe des preuves considérables que le transfert horizontal à travers des espèces ou des genres de voies entières joue un rôle important dans l'évolution bactérienne (et probablement fongique). La recherche montre également que le métabolisme secondaire peut affecter différentes espèces de différentes manières. Dans la même forêt, quatre espèces distinctes de folivores marsupiaux arboricoles ont réagi différemment à un métabolite secondaire dans les eucalyptus. Cela montre que différents types de métabolites secondaires peuvent être divisés entre deux niches écologiques herbivores . De plus, certaines espèces évoluent pour résister aux métabolites secondaires et même les utiliser pour leur propre bénéfice. Par exemple, les papillons monarques ont évolué pour pouvoir manger de l' asclépiade ( Asclepias ) malgré la présence de glycosides cardiaques toxiques . Les papillons ne sont pas seulement résistants aux toxines, mais sont en fait capables d'en bénéficier en les séquestrant activement, ce qui peut conduire à la dissuasion des prédateurs.

Métabolites secondaires végétaux

Les plantes sont capables de produire et de synthétiser divers groupes de composés organiques et sont divisées en deux groupes principaux : les métabolites primaires et secondaires. Les métabolites secondaires sont des intermédiaires ou des produits métaboliques qui ne sont pas essentiels à la croissance et à la vie des plantes productrices, mais plutôt nécessaires à l'interaction des plantes avec leur environnement et produits en réponse à un stress. Leurs propriétés antibiotiques, antifongiques et antivirales protègent la plante des agents pathogènes. Certains métabolites secondaires tels que les phénylpropanoïdes protègent les plantes des dommages causés par les UV . Les effets biologiques des métabolites secondaires des plantes sur l'homme sont connus depuis l'Antiquité. L'herbe Artemisia annua qui contient de l' artémisinine , a été largement utilisée dans la médecine traditionnelle chinoise il y a plus de deux mille ans. Les métabolites secondaires des plantes sont classés selon leur structure chimique et peuvent être divisés en quatre classes principales : les terpènes , les phénylpropanoïdes (c'est-à-dire les phénoliques ), les polycétides et les alcaloïdes .

Terpénoïdes

Formule développée de l' isopentényl pyrophosphate (IPP), dont les atomes de carbone constituent les éléments constitutifs des terpènes . En raison de la présence de cinq atomes de carbone, le bloc de construction dérivé est appelé unité C5.
Formule développée de l' humulène , un sesquiterpène monocyclique (appelé ainsi car il contient 15 atomes de carbone) qui est construit à partir de trois unités C5 dérivées de l' isopentényl pyrophosphate (IPP).
Formule squelettique du terpénoïde taxol , un médicament anticancéreux.

Les terpènes constituent une large classe de produits naturels composés d'unités isoprène . Les terpènes ne sont que des hydrocarbures et les terpénoïdes sont des hydrocarbures oxygénés. La formule moléculaire générale des terpènes est un multiple de (C 5 H 8 ) n, où 'n' est le nombre d'unités isoprène liées. Par conséquent, les terpènes sont également appelés composés isoprénoïdes. La classification est basée sur le nombre d'unités isoprène présentes dans leur structure. Certains terpénoïdes (c'est-à-dire de nombreux stérols ) sont des métabolites primaires. Certains terpénoïdes qui peuvent provenir de métabolites secondaires ont par la suite été recrutés comme hormones végétales, comme les gibbérellines , les brassinostéroïdes et les strigolactones .

Nombre d'unités isoprène Nom Atomes de carbone
1 Hémiterpène C 5
2 Monoterpène C 10
3 Sesquiterpènes C 15
4 diterpène C 20
5 Sesterterpène C 25
6 Triterpène C 30
7 Sesquartterpène C 35
8 Tétraterpène C 40
Plus de 8 Polyterpène

Des exemples de terpénoïdes construits à partir de l' oligomérisation des hémiterpènes sont :

Des composés phénoliques

Les phénoliques sont un composé chimique caractérisé par la présence d'une structure cyclique aromatique portant un ou plusieurs groupes hydroxyle . Les composés phénoliques sont les métabolites secondaires les plus abondants des plantes, allant de simples molécules telles que l' acide phénolique à des substances hautement polymérisées telles que les tanins . Les classes de composés phénoliques ont été caractérisées sur la base de leur squelette de base.

Nombre d'atomes de carbone Squelette de base Classer
6 C 6 Phénols simples
7 C 6 - C 1 Acides phénoliques
8 C 6 - C 2 L' acétophénone , l' acide acétique Phenyle
9 C 6 - C 3 Phénylepropanoïdes , acide hydroxycinnamique , coumarines
dix C 6 - C 4 Naphtoquinone
13 C 6 - C 1 - C 6 Xanthone
14 C 6 - C 2 - C 6 Stilbène , anthraquinone
15 C 6 - C 3 - C 6 Flavonoïdes , isoflavanoïdes
18 (C 6 - C 3 ) 2 lignanes , néolignanes
30 ( C 6 - C 3 - C 6 ) 2 Biflavonoïdes

Un exemple de phénol végétal est :

Alcaloïdes

Formule développée pour l' alcaloïde nicotine . La structure comprend deux atomes d' azote qui dérivent tous deux d' acides aminés . L'atome d'azote dans le cycle pyridine (à gauche) dérive de l' aspartate , tandis que celui dans le cycle pyrrolidine (à droite) dérive de l' arginine (ou ornithine )-
Formule squelettique de solanine , un alcaloïde toxique qui s'accumule dans les pommes de terre.

Les alcaloïdes sont un groupe diversifié de composés basiques azotés. Ils sont généralement dérivés de sources végétales et contiennent un ou plusieurs atomes d'azote. Chimiquement, ils sont très hétérogènes. Sur la base des structures chimiques, ils peuvent être classés en deux grandes catégories :

Des exemples d'alcaloïdes produits par les plantes sont :

De nombreux alcaloïdes affectent le système nerveux central des animaux en se liant aux récepteurs des neurotransmetteurs .

Glucosinolates

Formule développée des glucosinolates . Le groupe latéral ''R'' peut varier. La structure comprend une molécule de glucose (à gauche), un atome d' azote dérivé d'un acide aminé et deux atomes de soufre , dont l'un dérive du glutathion et l'autre du sulfate (vu à gauche).

Les glucosinolates sont des métabolites secondaires qui comprennent à la fois des atomes de soufre et d' azote et sont dérivés du glucose , d'un acide aminé et du sulfate .

Un exemple de glucosinolate dans les plantes est :

Les métabolites secondaires des plantes en médecine

De nombreux médicaments utilisés en médecine moderne sont dérivés de métabolites secondaires végétaux.

Extraction du taxol des écorces d'if du Pacifique.

Les deux terpénoïdes les plus connus sont l' artémisinine et le paclitaxel . L'artémisinine était largement utilisée dans la médecine traditionnelle chinoise et redécouverte plus tard comme un puissant antipaludique par un scientifique chinois Tu Youyou . Elle a ensuite reçu le prix Nobel pour la découverte en 2015. Actuellement, le parasite du paludisme , Plasmodium falciparum , est devenu résistant à l'artémisinine seule et l' Organisation mondiale de la santé recommande son utilisation avec d'autres médicaments antipaludiques pour une thérapie réussie. Le paclitaxel, le composé actif du Taxol, est un médicament de chimiothérapie utilisé pour traiter de nombreuses formes de cancers, notamment le cancer de l'ovaire , le cancer du sein , le cancer du poumon , le sarcome de Kaposi , le cancer du col de l'utérus et le cancer du pancréas . Le taxol a été isolé pour la première fois en 1973 à partir de l'écorce d'un conifère, l' if du Pacifique .

La morphine et la codéine appartiennent toutes deux à la classe des alcaloïdes et sont dérivées du pavot à opium . La morphine a été découverte en 1804 par un pharmacien allemand Friedrich Sertürner t. C'était le premier alcaloïde actif extrait du pavot à opium . Elle est surtout connue pour ses puissants effets analgésiques , cependant, la morphine est également utilisée pour traiter l'essoufflement et le traitement de la dépendance aux opiacés plus puissants tels que l' héroïne . Malgré ses effets positifs sur l'homme, la morphine a des effets indésirables très forts, tels que la dépendance, le déséquilibre hormonal ou la constipation. En raison de sa nature hautement addictive, la morphine est une substance strictement contrôlée dans le monde, utilisée uniquement dans des cas très graves, certains pays la sous-utilisant par rapport à la moyenne mondiale en raison de la stigmatisation sociale qui l'entoure.

Champ d'opium en Afghanistan, le plus grand producteur d'opium.

La codéine, également un alcaloïde dérivé du pavot à opium, est considérée comme la drogue la plus utilisée dans le monde selon l' Organisation mondiale de la santé . Il a été isolé pour la première fois en 1832 par un chimiste français Pierre Jean Robiquet , également connu pour la découverte de la caféine et d'un colorant rouge largement utilisé, l' alizarine . La codéine est principalement utilisée pour traiter les douleurs légères et soulager la toux, bien que dans certains cas, elle soit utilisée pour traiter la diarrhée et certaines formes de syndrome du côlon irritable . La codéine a une force de 0,1-0,15 par rapport à la morphine ingérée par voie orale, il est donc beaucoup plus sûr à utiliser. Bien que la codéine puisse être extraite du pavot à opium, le procédé n'est pas économiquement réalisable en raison de la faible abondance de codéine pure dans la plante. Un procédé chimique de méthylation de la morphine beaucoup plus abondante est la principale méthode de production.

L'atropine est un alcaloïde trouvé pour la première fois dans Atropa belladonna , un membre de la famille des solanacées . Alors que l'atropine a été isolée pour la première fois au 19ème siècle, son utilisation médicale remonte au moins au quatrième siècle avant JC où elle était utilisée pour les plaies, la goutte et l'insomnie. Actuellement, l'atropine est administrée par voie intraveineuse pour traiter la bradycardie et comme antidote à l' empoisonnement aux organophosphorés . Un surdosage d'atropine peut entraîner un empoisonnement à l'atropine qui entraîne des effets secondaires tels qu'une vision floue , des nausées , un manque de transpiration, une bouche sèche et une tachycardie .

Le resvératrol est un composé phénolique de la classe des flavonoïdes. Il est très abondant dans les raisins , les myrtilles , les framboises et les arachides . Il est couramment utilisé comme complément alimentaire pour prolonger la vie et réduire le risque de cancer et de maladie cardiaque, mais il n'existe aucune preuve solide soutenant son efficacité. Néanmoins, on pense en général que les flavonoïdes ont des effets bénéfiques pour l'homme. Certaines études ont montré que les flavonoïdes ont une activité antibiotique directe. Un certain nombre d' études in vitro et in vivo limitées ont montré que les flavonoïdes tels que la quercétine ont une activité synergique avec les antibiotiques et sont capables de supprimer les charges bactériennes.

La digoxine est un glycoside cardiaque dérivé pour la première fois par William Withering en 1785 de la plante digitale (Digitalis) . Il est généralement utilisé pour traiter les affections cardiaques telles que la fibrillation auriculaire , le flutter auriculaire ou l' insuffisance cardiaque . La digoxine peut cependant avoir des effets secondaires tels que nausées , bradycardie , diarrhée ou même arythmie mettant en jeu le pronostic vital .

Métabolites secondaires fongiques

Les trois principales classes de métabolites secondaires fongiques sont : les polycétides , les peptides non ribosomiques et les terpènes . Bien que les métabolites secondaires fongiques ne soient pas nécessaires à la croissance, ils jouent un rôle essentiel dans la survie des champignons dans leur niche écologique. Le métabolite secondaire fongique le plus connu est la pénicilline découverte par Alexander Fleming en 1928. Plus tard en 1945, Fleming, aux côtés d' Ernst Chain et de Howard Florey , a reçu un prix Nobel pour sa découverte qui a joué un rôle crucial dans la réduction du nombre de décès pendant la Seconde Guerre mondiale de plus de 100 000.

Voici des exemples d'autres métabolites secondaires fongiques :

La lovastatine a été le premier métabolite secondaire approuvé par la FDA pour abaisser le taux de cholestérol. La lovastatine est naturellement présente en faibles concentrations dans les pleurotes , la levure de riz rouge et le Pu-erh . Le mode d'action de la lovastatine est l'inhibition compétitive de la HMG-CoA réductase et une enzyme limitante responsable de la conversion de la HMG-CoA en mévalonate .

Les métabolites secondaires fongiques peuvent également être dangereux pour l'homme. Claviceps purpurea , un membre du groupe de champignons de l' ergot poussant généralement sur le seigle, entraîne la mort lorsqu'il est ingéré. L'accumulation d'alcaloïdes toxiques trouvés dans C. purpurea entraîne des symptômes tels que des convulsions et des spasmes , de la diarrhée , des paresthésies , des démangeaisons , une psychose ou une gangrène . Actuellement, l'élimination des corps d'ergot nécessite de mettre le seigle dans une solution de saumure avec des grains sains qui coulent et qui flottent infectés.

Métabolites secondaires bactériens

La production bactérienne de métabolites secondaires commence dans la phase stationnaire en raison d'un manque de nutriments ou en réponse à un stress environnemental. La synthèse de métabolites secondaires chez les bactéries n'est pas indispensable à leur croissance, cependant, ils leur permettent de mieux interagir avec leur niche écologique. Les principales voies de synthèse de la production de métabolites secondaires chez les bactéries sont : voies b-lactame, oligosaccharide, shikimate, polykétide et non ribosomique. De nombreux métabolites secondaires bactériens sont toxiques pour les mammifères . Lorsqu'ils sont sécrétés, ces composés toxiques sont appelés exotoxines alors que ceux trouvés dans la paroi cellulaire procaryote sont des endotoxines .

Un exemple de métabolite secondaire bactérien ayant un effet positif et négatif sur l'homme est la toxine botulique synthétisée par Clostridium botulinum . Cette exotoxine s'accumule souvent dans les aliments en conserve de manière incorrecte et, lorsqu'elle est ingérée, bloque la neurotransmission cholinergique entraînant une paralysie musculaire ou la mort. Cependant, la toxine botulique a également de multiples utilisations médicales telles que le traitement de la spasticité musculaire, la migraine et l'utilisation de produits cosmétiques.

Voici des exemples d'autres métabolites secondaires bactériens :

Phénazine

Polykétides

Peptides non ribosomiques

Peptides ribosomiques

Glucosides

Alcaloïdes

Approches biotechnologiques

Culture de tissus végétaux Oncidium leucochilum.

L'élevage sélectif a été utilisé comme l'une des premières techniques biotechnologiques utilisées pour réduire les métabolites secondaires indésirables dans les aliments, tels que la naringine provoquant l'amertume du pamplemousse. Dans certains cas, l'augmentation de la teneur en métabolites secondaires dans une plante est le résultat souhaité. Traditionnellement, cela a été fait en utilisant des techniques de culture de tissus végétaux in vitro qui permettent : de contrôler les conditions de croissance, d'atténuer la saisonnalité des plantes ou de les protéger des parasites et des microbes nocifs. La synthèse des métabolites secondaires peut être encore améliorée en introduisant des éliciteurs dans une culture tissulaire végétale, tels que l'acide jasmonique , les UV-B ou l' ozone . Ces composés induisent un stress sur une plante conduisant à une production accrue de métabolites secondaires.

Pour augmenter encore le rendement des SM, de nouvelles approches ont été développées. Une nouvelle approche utilisée par Evolva utilise des souches de levure recombinante S. cerevisiae pour produire des métabolites secondaires normalement présents dans les plantes. Le premier composé chimique synthétisé avec succès avec Evolva était la vanilline, largement utilisée dans l'industrie des boissons alimentaires comme arôme. Le processus implique l'insertion du gène du métabolite secondaire souhaité dans un chromosome artificiel dans la levure recombinante conduisant à la synthèse de vanilline. Actuellement, Evolva produit une large gamme de produits chimiques tels que la stévia , le resvératrol ou la nootkatone .

Protocole de Nagoya

Avec le développement des technologies de recombinaison, le Protocole de Nagoya sur l'accès aux ressources génétiques et le partage juste et équitable des avantages découlant de leur utilisation à la Convention sur la diversité biologique a été signé en 2010. Le protocole réglemente la conservation et la protection des ressources génétiques pour empêcher la exploitation des pays plus petits et plus pauvres. Si les ressources génétiques, protéiques ou de petites molécules provenant de pays riches en biodiversité deviennent rentables, un système de compensation a été mis en place pour les pays d'origine.

Voir également

Les références

Liens externes