เมตาโบไลต์หลัก ตามที่Kossel นิยามไว้ คือ ส่วนประกอบที่จำเป็นของวิถีการเผาผลาญพื้นฐานที่จำเป็นต่อชีวิต พวกมันเกี่ยวข้องกับหน้าที่พื้นฐานของเซลล์ เช่น การดูดซึมสารอาหาร การผลิตพลังงาน และการเจริญเติบโตและการพัฒนา เมตาโบไลต์เหล่านี้มีการกระจายตัวอย่างกว้างขวางในหลายไฟลัมและมักครอบคลุมมากกว่าหนึ่งอาณาจักร เมตา โบไลต์หลักประกอบด้วยหน่วยพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต ได้แก่คาร์โบไฮเดรตไขมันกรดอะมิโนและกรดนิวคลีอิก^{[ 22 ]}

เมตาบอไลต์หลักที่เกี่ยวข้องกับการผลิตพลังงาน ได้แก่ เอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับ กระบวนการ หายใจและการสังเคราะห์แสงเอนไซม์เหล่านี้ประกอบด้วยกรดอะมิโน และมักต้องการ โคแฟคเตอร์ที่ไม่ใช่เปปไทด์เพื่อการทำงานที่เหมาะสม^{[ 23 ]}โครงสร้างพื้นฐานของเซลล์และสิ่งมีชีวิตก็สร้างขึ้นจากเมตาบอไลต์หลักเช่นกัน รวมถึงส่วนประกอบต่างๆ เช่น เยื่อหุ้มเซลล์ (เช่น ฟอ สโฟลิปิด ) ผนังเซลล์ (เช่นเพปติโดไกลแคนไคติน ) และโครงกระดูกเซลล์ (โปรตีน) ^{[ 24 ]}

โคแฟคเตอร์ของเอนไซม์ที่เป็นเมตาบอไลต์หลัก ได้แก่วิตามินบี หลายชนิด ตัวอย่างเช่นวิตามินบี (ไทอามีนไดฟอสเฟต) ซึ่งสังเคราะห์จาก1-ดีออกซี-ดี-ไซลูโลส 5-ฟอสเฟตทำหน้าที่เป็นโคเอนไซม์สำหรับเอนไซม์ต่างๆ เช่นไพรูเวทดีไฮโดรจี เนส 2-ออกโซกลูตาเรตดีไฮโดรจี เนส และทรานส์คีโทเลสซึ่งทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการเผาผลาญคาร์โบไฮเดรตวิตามินบี (ไรโบฟลาวิน) ซึ่งได้จากไรบูโลส 5-ฟอสเฟตและกัวโนซีนไตรฟอสเฟตเป็นสารตั้งต้นของFMNและFADซึ่งมีความสำคัญต่อปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันต่างๆวิตามินบี (กรดนิโคตินิกหรือไนอาซิน) ซึ่งสังเคราะห์จากทริปโตเฟน เป็นส่วนประกอบสำคัญของโคเอนไซม์NAD ⁺และNADP ⁺ซึ่งจำเป็นสำหรับการขนส่งอิเล็กตรอนในวัฏจักรเครบส์ การฟอส ฟอริเลชันแบบออกซิเดทีฟและกระบวนการออกซิเดชัน-รีดักชันอื่นๆวิตามินบี (กรดแพนโทเทนิก) ซึ่งได้มาจากα,β-ไดไฮดรอกซีไอโซ วาเลอเรต (สารตั้งต้นของวาลีน ) และกรดแอสปาร์ติกเป็นส่วนประกอบของโคเอนไซม์เอซึ่งมีบทบาทสำคัญในการเผาผลาญคาร์โบไฮเดรตและกรดอะมิโน รวมถึงการสังเคราะห์กรดไขมันวิตามินบี (ไพริดอกซอล ไพริดอกซอล และไพริดอกซามีน ซึ่งได้มาจากเอริโทรส 4-ฟอสเฟต ) ทำหน้าที่เป็นไพริดอกซอล 5′-ฟอสเฟต และทำหน้าที่เป็นโคแฟคเตอร์สำหรับเอนไซม์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งทรานส์อะมิเนส ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเผาผลาญกรดอะมิโนวิตามินบี (โคบาลามิน) มี โครงสร้างวงแหวน คอร์รินคล้ายกับพอร์ไฟรินและทำหน้าที่เป็นโคเอนไซม์ในการสลายกรดไขมันและการสังเคราะห์เมไทโอนีน^{[ 25 ] :บทที่ 2}

วิตามินเมตาโบไลต์หลักอื่นๆ ได้แก่เรตินอล (วิตามินเอ) ^{[ 25 ] : 304–305} ซึ่ง สังเคราะห์ในสัตว์จากแคโรทีนอยด์ ที่ได้จากพืช ผ่านทางวิถีเมวาโลเนตและกรดแอสคอร์บิก (วิตามินซี) ^{[ 25 ] : 492–493}ซึ่งสังเคราะห์จากกลูโคสในตับของสัตว์ แม้ว่าจะไม่พบในมนุษย์ก็ตาม

DNAและRNAซึ่งทำหน้าที่จัดเก็บและส่งต่อข้อมูลทางพันธุกรรมนั้น สังเคราะห์ขึ้นจากเมตาบอไลต์หลัก โดยเฉพาะกรดนิวคลีอิกและคาร์โบไฮเดรต^{[ 23 ]}

สารส่งสัญญาณแรกคือโมเลกุลส่งสัญญาณที่ควบคุมการเผาผลาญและการแบ่งเซลล์ซึ่งรวมถึงฮอร์โมนและปัจจัยการเจริญเติบโตที่ประกอบด้วยเปปไทด์ไบโอเจนิกอะมีนฮอร์โมนสเตียรอยด์ ออกซินและจิบเบอเรลลินสารส่งสัญญาณแรกเหล่านี้จะทำปฏิกิริยากับตัวรับของเซลล์ซึ่งมีพื้นฐานเป็นโปรตีน และกระตุ้นการทำงานของสารส่งสัญญาณที่สองเพื่อส่งสัญญาณภายนอกเซลล์ไปยังเป้าหมายภายในเซลล์ สารส่งสัญญาณที่สองมักประกอบด้วยเมตาบอไลต์หลัก เช่นนิวคลีโอไทด์แบบวงจรและไดอะซิลกลีเซอรอล^{[ 26 ]}

เมตาโบไลต์รองนั้นต่างจากเมตาโบไลต์หลักตรงที่ไม่จำเป็นและไม่ได้มีความสำคัญต่อการอยู่รอด นอกจากนี้ เมตาโบไลต์รองมักมีการกระจายตัวในสายพันธุ์ที่แคบ^{[ 27 ]}

เมตาโบไลต์รองมีหน้าที่หลากหลาย ได้แก่ฟีโรโมนซึ่งทำหน้าที่เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณทางสังคมกับสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกัน โมเลกุลสื่อสารที่ดึงดูดและกระตุ้นสิ่งมีชีวิตที่อยู่ร่วมกัน สารที่ละลายและขนส่งสารอาหาร ( ไซเดอโรฟอร์เป็นต้น) และอาวุธในการแข่งขัน (สารขับไล่พิษสารพิษเป็นต้น ) ที่ใช้ต่อต้านคู่แข่ง เหยื่อ และผู้ล่า^{[ 28 ]}สำหรับเมตาโบไลต์รองอื่นๆ อีกมากมาย หน้าที่ของมันยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด สมมติฐานหนึ่งคือ พวกมันให้ความได้เปรียบในการแข่งขันแก่สิ่งมีชีวิตที่ผลิตพวกมัน^{[ 29 ]}มุมมองทางเลือกอีกประการหนึ่งคือ ในทำนองเดียวกับระบบภูมิคุ้มกันเมตาโบไลต์รองเหล่านี้ไม่มีหน้าที่เฉพาะเจาะจง แต่การมีกลไกในการผลิตโครงสร้างทางเคมีที่หลากหลายเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญ และด้วยเหตุนี้จึงมีการผลิตและคัดเลือกเมตาโบไลต์รองเพียงไม่กี่ชนิด^{[ 30 ]}

กลุ่มโครงสร้างทั่วไปของเมตาโบไลต์รอง ได้แก่อัลคาลอยด์ฟีนิลโพรพา โน อิดโพลีคีไทด์และเทอร์เพนอยด์^{[ 7 ]}

คาร์โบไฮเดรตเป็นโมเลกุลอินทรีย์ที่จำเป็นสำหรับการเก็บสะสมพลังงาน การค้ำจุนโครงสร้าง และกระบวนการทางชีวภาพต่างๆ ในสิ่งมีชีวิต คาร์โบไฮเดรตถูกผลิตขึ้นผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงในพืชหรือกลูโคเนโอเจเนซิสในสัตว์ และสามารถเปลี่ยนเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ ขนาดใหญ่ได้ : ^{[ 25 ] :บทที่ 8}

• กระบวนการสังเคราะห์แสงหรือกลูโคเนโอเจเนซิส → โมโนแซ็กคาไรด์ → พอลิแซ็กคาไรด์ ( เซลลูโลสไคตินไกลโคเจนฯลฯ )

คาร์โบไฮเดรตทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ นอกจากนี้โพลีแซ็กคาไรด์ที่ได้จากน้ำตาลที่เรียบง่ายกว่ายังเป็นส่วนประกอบโครงสร้างที่สำคัญในการสร้างผนังเซลล์ของแบคทีเรีย^{[ 31 ]}และพืช^{[ 32 ] [ 33 ]}

ในระหว่างการสังเคราะห์แสง พืชจะสร้าง3-ฟอสโฟกลี เซอรัลดีไฮด์ ซึ่งเป็นไตรโอส ที่มี คาร์บอนสาม อะตอม ^{[ 25 ] :บทที่ 8}ซึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นกลูโคส (น้ำตาลที่มีคาร์บอนหกอะตอม) หรือเพนโทส ต่างๆ (น้ำตาลที่มีคาร์บอนห้าอะตอม) ผ่านวัฏจักรแคลวินในสัตว์ สารตั้งต้นที่มีคาร์บอนสามอะตอม เช่นแลคเตทหรือกลีเซอรอลจะถูกเปลี่ยนเป็นไพรูเวตซึ่งสามารถสังเคราะห์เป็นคาร์โบไฮเดรตในตับได้^{[ 34 ]}

กรดไขมันและโพลีคีไทด์ถูกสังเคราะห์ผ่านเส้นทางอะซิเตตซึ่งเริ่มต้นจากหน่วยโครงสร้างพื้นฐานที่ได้มาจากน้ำตาล: ^{[ 25 ] :บทที่ 3}

• น้ำตาล → วิถีอะซิเตต → กรดไขมันและโพลีคีไทด์

ในระหว่าง กระบวนการ ไกลโคไลซิสน้ำตาลจะถูกย่อยสลายเป็นอะเซทิล-โคเอในปฏิกิริยาเอนไซม์ที่ขึ้นอยู่กับ ATP อะเซทิล-โคเอจะถูกคาร์บอกซิเลต เพื่อสร้าง มาโลนิล-โคเอ จากนั้น อะเซทิล-โคเอและมาโลนิล-โคเอจะเกิดปฏิกิริยา ควบแน่นแบบไคลเซน ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อสร้างอะเซโตอะเซทิล-โคเอซึ่งถูกใช้โดยวิถีเมวาโลเนตเพื่อผลิตสเตียรอยด์ ในการสังเคราะห์กรดไขมันโมเลกุลของอะเซทิล-โคเอหนึ่งโมเลกุล ("หน่วยเริ่มต้น") และโมเลกุลของมาโลนิล-โคเอหลายโมเลกุล ("หน่วยต่อขยาย") จะถูกควบแน่นโดย เอนไซม์ สังเคราะห์ กรดไขมัน ^{[ 25 ] :บทที่ 3}หลังจากแต่ละรอบของการยืดออกหมู่คีโต จะถูกลดลง แอลกอฮอล์ตัวกลางจะขาดน้ำ และเอนอยล์-โคเอที่ได้จะถูกลดลงเป็นอะซิล-โคเอ กรดไขมันเป็นส่วนประกอบที่จำเป็นของชั้นไขมันสองชั้นที่สร้างเยื่อหุ้มเซลล์^{[ 36 ]}และทำหน้าที่เป็นแหล่งเก็บพลังงานในรูปของไขมันในสัตว์^{[ 37 ]}

กรดไขมันลิโนเลอิกที่ได้จากพืชจะถูกเปลี่ยนในสัตว์ผ่านกระบวนการยืดสายและการกำจัดพันธะคู่เป็นกรดอะราคิโดนิกจากนั้นจึงเปลี่ยนเป็นอีโคซานอยด์ ต่างๆ รวมถึงลิว โคไตรอีน โปรสตาแกลนดินและทรอมบอกเซนอีโคซานอยด์เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณ มีบทบาทสำคัญในการอักเสบและ การตอบสนอง ของระบบภูมิคุ้มกัน^{[ 25 ] :บทที่ 3}

หรืออีกทางหนึ่ง สารตัวกลางจากปฏิกิริยาควบแน่นเพิ่มเติมจะถูกทิ้งไว้โดยไม่ลดทอนเพื่อสร้างสายโซ่โพลี-β-คีโต ซึ่งต่อมาจะถูกแปลงเป็นโพลีคีไทด์ต่างๆ^{[ 25 ] :บทที่ 3} ผลิตภัณฑ์ธรรมชาติใน กลุ่มโพลีคีไทด์มีโครงสร้างและหน้าที่ที่หลากหลาย^{[ 38 ]}และรวมถึงสารประกอบที่สำคัญ เช่นยาปฏิชีวนะกลุ่มมาโครไลด์^{[ 39 ]}

เส้นทางชิกิเมตเป็นเส้นทางการเผาผลาญที่สำคัญซึ่งรับผิดชอบในการผลิตกรดอะมิโนอะโรมาติกและอนุพันธ์ของกรดอะมิโนเหล่านี้ในพืช เชื้อรา แบคทีเรีย และโปรโตซัวบางชนิด: ^{[ 25 ] :บทที่ 4}

• วิถีชีวสังเคราะห์ชิกิเมต → กรดอะมิโนอะโรมาติกและฟีนิลโพรพาโนอิด

วิถีชีวสังเคราะห์ชิกิเมตนำไปสู่การสังเคราะห์กรดอะมิโนอะโรมาติก (AAAs) ได้แก่ฟีนิลอะลานีนไทโรซีนและทริปโตเฟน [ ^{40 ] [ 41 ] วิถี}ชีวสังเคราะห์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเชื่อมโยงกระบวนการเผาผลาญขั้นต้นเข้ากับกระบวนการเผาผลาญเฉพาะทาง โดยนำคาร์บอนที่ถูกตรึงไว้ประมาณ 20-50% ผ่านปฏิกิริยาของวิถีชีวสังเคราะห์นี้^{[ 40 ] [ 42 ]} วิถีชีวสังเคราะห์ นี้เริ่มต้นด้วยการควบแน่นของฟอสโฟอีโนลไพรูเวต (PEP) และอีริโทรส-4-ฟอสเฟต (E4P) ซึ่งนำไปสู่ขั้นตอนทางเอนไซม์หลายขั้นตอนเพื่อสร้างคอริสเมตซึ่งเป็นสารตั้งต้นของ AAAs ทั้งสามชนิด^{[ 41 ] [ 43 ]}

จากคอริสเมต กระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพจะแตกแขนงออกไปเพื่อสร้าง AAA แต่ละตัว ในพืช ต่างจากในแบคทีเรีย การผลิตฟีนิลอะลานีนและไทโรซีนมักเกิดขึ้นผ่านอะโรจีเนตที่ เป็นสารตัวกลาง ^{[ 43 ]}ฟีนิลอะลานีนทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นของเส้นทางฟีนิลโพรพาโนอิดซึ่งนำไปสู่เมตาโบไลต์ทุติยภูมิที่หลากหลาย^{[ 43 ]}

นอกเหนือจากการสังเคราะห์โปรตีนแล้ว AAA และอนุพันธ์ของพวกมันยังมีบทบาทสำคัญในสรีรวิทยาของพืช รวมถึงการผลิตเม็ดสี การสังเคราะห์ฮอร์โมน การสร้างผนังเซลล์ และการป้องกันความเครียดต่างๆ^{[ 40 ] [ 41 ]}เนื่องจากสัตว์ไม่สามารถสังเคราะห์กรดอะมิโนเหล่านี้ได้ เส้นทางชิกิเมตจึงกลายเป็นเป้าหมายของสารกำจัดวัชพืช โดยเฉพาะอย่างยิ่งไกลโฟเสต ซึ่งยับยั้งเอนไซม์สำคัญตัวหนึ่งในเส้นทางนี้^{[ 40 ] [ 42 ]}

การสังเคราะห์ทางชีวภาพของเทอร์เพนอยด์และสเตียรอยด์เกี่ยวข้องกับสองเส้นทางหลัก ซึ่งผลิตหน่วยสร้างที่จำเป็นสำหรับสารประกอบเหล่านี้: ^{[ 25 ] :บทที่ 5}

• วิถีเมวาโลเนตและวิถีเมทิลอีริทริทอลฟอสเฟต → เทอร์พีนอยด์และสเตียรอยด์

เส้นทาง เมวาโลเนต ( MVA) และเมทิลอีริทริทอลฟอสเฟต (MEP) ผลิตหน่วยคาร์บอนห้าหน่วยคือไอโซเพนเทนิลไดฟอสเฟต (IPP) และไดเมทิลอัลลิลไดฟอสเฟต (DMAPP) ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานสำหรับเทอร์เพนอยด์ทั้งหมด^{[ 44 ] [ 45 ]}

เส้นทาง MVA ซึ่งค้นพบในช่วงทศวรรษ 1950 ทำงานในยูคาริโอตแบคทีเรียบางชนิด และพืช โดยจะเปลี่ยนอะเซทิล-CoA เป็น IPP ผ่านHMG-CoAและเมวาโลเนต และมีความสำคัญต่อการสังเคราะห์สเตียรอยด์ สแตตินซึ่งช่วยลดคอเลสเตอรอล ทำงานโดยการยับยั้ง HMG-CoA รีดักเทสในเส้นทางนี้^{[ 44 ] [ 45 ]}เส้นทาง MEP ซึ่งพบในแบคทีเรีย ปรสิตบางชนิด และคลอโรพลาสต์ของพืช เริ่มต้นด้วยไพรูเวตและกลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟตเพื่อผลิต IPP และ DMAPP เส้นทางนี้มีความสำคัญต่อการสังเคราะห์ เทอร์พีนอยด์ ในพลาสติดเช่นแคโรทีนอยด์และคลอโรฟิลล์^{[ 46 ] [ 47 ]}เส้นทางทั้งสองมาบรรจบกันที่ IPP และ DMAPP ซึ่งรวมกันเพื่อสร้างพรีนิลไดฟอสเฟตที่ยาวขึ้น เช่นเจอรานิล (C10) ฟาร์เนซิล (C15) และเจอรานิลเจอรานิล (C20) ^{[ 44 ]}สารประกอบเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำหรับเทอร์พีนอยด์หลากหลายชนิด รวมถึงโมโนเทอร์พีนเซสควิเทอร์พีนและไตรเทอร์พีน^{[ 45 ]}

ความหลากหลายของเทอร์เพนอยด์เกิดขึ้นจากการดัดแปลง เช่นการสร้างวงแหวนการออกซิเดชันและการไกลโคซิเลชันทำให้พวกมันมีบทบาทในการป้องกันพืช การดึงดูดแมลงผสมเกสร และการส่งสัญญาณ^{[ 48 ]}สเตียรอยด์ ซึ่งสังเคราะห์ขึ้นเป็นหลักผ่านทางเส้นทาง MVA นั้น ได้มาจากฟาร์เนซิลไดฟอสเฟตผ่านตัวกลาง เช่นสควาเลนและแลโนสเตอรอลซึ่งเป็นสารตั้งต้นของคอเลสเตอรอลและโมเลกุลสเตียรอยด์อื่นๆ^{[ 45 ]}

อัลคาลอยด์เป็นสารประกอบอินทรีย์ที่มีไนโตรเจนซึ่งผลิตโดยพืชผ่านวิถีการสังเคราะห์ทางชีวภาพที่ซับซ้อน โดยเริ่มต้นจากกรดอะมิโน การสังเคราะห์ทางชีวภาพของอัลคาลอยด์จากกรดอะมิโนมีความสำคัญต่อการผลิตสารประกอบที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพหลายชนิดในพืช สารประกอบเหล่านี้มีตั้งแต่ไซโคลอะลิฟาติก เอ มีน อย่างง่ายไป จนถึงเฮเทอโร ไซเคิลไนโตรเจนโพลีไซคลิกที่ซับซ้อน ^{[ 50 ] [ 25 ] :บทที่ 6}

โดยทั่วไปแล้ว การสังเคราะห์อัลคาลอยด์จะดำเนินไปตามขั้นตอนหลักสี่ขั้นตอน ได้แก่ (i) การสังเคราะห์สาร ตั้งต้น อะมีน (ii) การสังเคราะห์สาร ตั้งต้น อัลดีไฮด์ (iii) การสร้างแคตไอออนอิมิเนียมและ (iv) ปฏิกิริยาคล้าย แมนนิชขั้นตอนเหล่านี้เป็นโครงสร้างหลักของอัลคาลอยด์หลายชนิดและเป็นขั้นตอนเริ่มต้นที่สำคัญในการผลิต^{[ 51 ]}กรดอะมิโน เช่นทริปโตเฟน ไทโรซีนไลซีนอาร์จินีนและออร์นิทีน ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นที่จำเป็น การสะสมของ สารเหล่านี้ได้รับการอำนวยความสะดวกโดยกลไกต่างๆ เช่น การเพิ่มการแสดงออกของยีนการจำลองยีนหรือวิวัฒนาการของเอนไซม์ที่มีความจำเพาะต่อสารตั้งต้นที่กว้างขึ้น^{[ 51 ]} การสังเคราะห์ โคเคน ซึ่งเป็นอัลคาลอยด์ในกลุ่มโทรเพนเป็นไปตามเส้นทางทั่วไปนี้^{[ 49 ]}

ปฏิกิริยาสำคัญในการสังเคราะห์อัลคาลอยด์คือปฏิกิริยา Pictet–Spenglerซึ่งมีความสำคัญต่อการสร้าง โครงสร้าง β-carbolineที่พบในอัลคาลอยด์หลายชนิด ปฏิกิริยานี้เกี่ยวข้องกับการควบแน่นของอัลดีไฮด์กับอะมีน ดังที่เห็นได้ในการสังเคราะห์สตริดโตซิดีนซึ่งเป็นสารตั้งต้นของอัลคาลอยด์อินโดลโมโนเทอร์พีนจำนวนมาก^{[ 52 ]}

ออกซิโดรีดักเทสซึ่งรวมถึงไซโตโครม P450 และโมโนออกซิเจเนส ที่มีฟลาวิน มีบทบาทสำคัญในการปรับเปลี่ยนโครงสร้างหลักของอัลคาลอยด์ผ่านการออกซิเดชัน ซึ่งมีส่วนช่วยให้เกิดความหลากหลายทางโครงสร้างและฤทธิ์ทางชีวภาพ ตัวอย่างเช่น ในการสังเคราะห์มอร์ฟีนการเชื่อมต่อแบบออกซิเดชันมีความสำคัญต่อการสร้างโครงสร้างโพลีไซคลิกที่ซับซ้อนซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของอัลคาลอยด์เหล่านี้^{[ 50 ]}เส้นทางการสังเคราะห์ทางชีวภาพของอัลคาลอยด์เกี่ยวข้องกับขั้นตอนของเอนไซม์จำนวนมาก ตัวอย่างเช่น อั ลคาลอยด์โทรเพนที่ได้จากออร์นิทีน ผ่านกระบวนการต่างๆ เช่นการดีคาร์บอกซิเลชัน การออกซิเดชัน และการสร้างวงแหวน ในทำนองเดียวกัน การสังเคราะห์ทางชีวภาพของอัลคาลอยด์ไอโซควิโนลีนจากไทโรซีนเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงที่ซับซ้อน รวมถึงการสร้าง (S)- เรติคูลีนซึ่งเป็นตัวกลางสำคัญในเส้นทาง^{[ 50 ]}

การสังเคราะห์ทางชีวภาพของเปปไทด์ โปรตีน และอนุพันธ์ของกรดอะมิโนอื่นๆ จะประกอบกรดอะมิโนเข้าเป็นโมเลกุลที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพ ทำให้เกิดสารประกอบต่างๆ เช่น ฮอร์โมนเปปไทด์ เปปไทด์ที่ดัดแปลง และสารที่ได้จากพืช^{[ 25 ] :บทที่ 8}

เปปไทด์และโปรตีนถูกสังเคราะห์ขึ้นผ่านกระบวนการสังเคราะห์โปรตีนหรือการแปลรหัส ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการถอดรหัสดีเอ็นเอไปเป็นอาร์เอ็นเอส่งสาร (mRNA) mRNA ทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการประกอบโปรตีนบนไรโบโซมในระหว่างการแปลรหัส อาร์เอ็นเอส่งผ่าน (tRNA) จะนำกรดอะมิโนจำเพาะไปจับคู่กับรหัสของ mRNA ก่อให้เกิดพันธะเปปไทด์เพื่อสร้างสายโปรตีน

ฮอร์โมนเปปไทด์เช่นออกซิโทซิ น และวาโซเพรสซินเป็นสายโซ่กรดอะมิโนสั้นๆ ที่ควบคุมกระบวนการทางสรีรวิทยา รวมถึงการผูกพันทางสังคมและการกักเก็บน้ำ^{[ 53 ]}เปปไทด์ที่ดัดแปลงแล้ว ได้แก่ยาปฏิชีวนะเช่นเพนิซิลลินและเซฟาโลสปอรินซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือโครงสร้างวงแหวน β-แลคแทม ซึ่งจำเป็นต่อฤทธิ์ต้านแบคทีเรีย^{[ 54 ]}สารประกอบเหล่านี้มีการดัดแปลงเอนไซม์ที่ซับซ้อนในระหว่างการสังเคราะห์ทางชีวภาพ^{[ 55 ]}

ไซยาโนเจนิกไกลโคไซด์เป็นอนุพันธ์ของกรดอะมิโนในพืชที่สามารถปล่อยไฮโดรเจนไซยาไนด์เมื่อเนื้อเยื่อได้รับความเสียหาย ซึ่งทำหน้าที่เป็นกลไกการป้องกัน^{[ 56 ]}การสังเคราะห์ทางชีวภาพของสารเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนกรดอะมิโนให้เป็นไซยาโนไฮดริน จากนั้นจึงเติมหมู่ไกลโคซิล^{[ 57 ]}กลูโคซิ โนเลต เป็น สารประกอบที่มี กำมะถันในผักตระกูลกะหล่ำเช่นบรอกโคลีและมัสตาร์ดการสังเคราะห์ทางชีวภาพของสารเหล่านี้เริ่มต้นด้วยกรดอะมิโน เช่น เมไทโอนีนหรือทริปโตเฟน และเกี่ยวข้องกับการเพิ่มหมู่กำมะถันและกลูโคส^{[ 58 ]}เมื่อเนื้อเยื่อได้รับความเสียหาย กลูโคซิโนเลตจะสลายตัวเป็นไอโซไทโอไซยาเนต ซึ่งมีส่วนทำให้ผักเหล่านี้มีรสชาติเผ็ดร้อนและอาจมีประโยชน์ต่อสุขภาพ^{[ 58 ]}

ยาที่แพทย์สั่งจ่ายหลายชนิดได้มาจากผลิตภัณฑ์ธรรมชาติโดยตรงหรือได้รับแรงบันดาลใจจากผลิตภัณฑ์ธรรมชาติ^{[ 1 ] [ 101 ]}ประมาณ 35% ของตลาดโลกด้านยาต่อปีมาจากผลิตภัณฑ์ธรรมชาติหรือยาที่เกี่ยวข้อง^{[ 102 ]}ซึ่งแบ่งเป็น 25% จากพืช 13% จากจุลินทรีย์ และ 3% จากแหล่งที่มาจากสัตว์^{[ 102 ]}

ระหว่างปี 1981 ถึง 2019 องค์การอาหารและยา (FDA) ได้อนุมัติสารเคมีใหม่ 1,881 รายการ ซึ่งในจำนวนนี้ 65 รายการ (3.5%) เป็นผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติที่ไม่เปลี่ยนแปลง 99 รายการ (5.3%) เป็นยาผสมจากพืช ที่กำหนดไว้ 178 รายการ (9.5%) เป็นอนุพันธ์ของผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ และ 164 รายการ (8.7%) เป็นสารประกอบสังเคราะห์ที่มีฟาร์มาโคฟอร์ ของผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ โดยรวมแล้วคิดเป็น 506 รายการ (26.9%) ของยาใหม่ทั้งหมดที่ได้รับการอนุมัติ^{[ 13 ]}นอกจากนี้ ผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติและอนุพันธ์ของผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติมักแสดงอัตราความสำเร็จที่สูงกว่าในระยะการทดลองทางคลินิกในภายหลัง และอาจมีโปรไฟล์ความเป็นพิษต่ำกว่าเมื่อเทียบกับสารประกอบสังเคราะห์^{[ 103 ]}

ยาบางชนิดที่มีพื้นฐานมาจากผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่เก่าแก่ที่สุดคือยาแก้ปวด เปลือกของ ต้น วิลโลว์เป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยโบราณว่ามีคุณสมบัติในการบรรเทาอาการปวดเนื่องจากมี สาร ซาลิซิน ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ธรรมชาติ ซึ่งสามารถไฮโดรไลซ์เป็นกรดซาลิไซลิก ได้ อนุพันธ์สังเคราะห์ ของ กรดอะเซทิลซาลิ ไซลิกหรือ ที่รู้จักกันดีในชื่อแอสไพรินเป็นยาแก้ปวดที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย กลไกการออกฤทธิ์ของมันคือการยับยั้ง เอนไซม์ ไซโคลออกซิเจเนส (COX) ^{[ 104 ]}ตัวอย่างที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งคือฝิ่นที่สกัดจากน้ำยางของPapaver somniferous (พืชฝิ่นดอก) ส่วนประกอบของยาเสพติดที่มีฤทธิ์แรงที่สุดในฝิ่นคืออัลคาลอยด์มอร์ฟีน ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นตัวรับโอปิออยด์^{[ 105 ]} ซิ โคโนไทด์ซึ่งเป็นตัวบล็อกช่องแคลเซียมชนิด Nเป็นยาแก้ปวดที่มีพื้นฐานมาจากสารพิษจากหอยกรวยเปปไทด์แบบวงจร (ω- conotoxin MVIIA) จากสายพันธุ์Conus magus ^{[ 106 ]}

ยาต้านการติดเชื้อจำนวนมากมีพื้นฐานมาจากผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ^{[ 60 ]}ยาปฏิชีวนะตัวแรกที่ถูกค้นพบคือเพนิซิลลิน ซึ่งแยกได้จากเชื้อราPenicillium เพนิซิลลินและ เบต้าแลคแทมที่เกี่ยวข้องทำงานโดยการยับยั้ง เอนไซม์ DD -transpeptidaseซึ่งจำเป็นสำหรับแบคทีเรียในการเชื่อมโยงเพปติโด ไกลแคน เพื่อสร้างผนังเซลล์^{[ 107 ]}

ยาจากผลิตภัณฑ์ธรรมชาติหลายชนิดมีเป้าหมายที่ทูบูลินซึ่งเป็นส่วนประกอบของโครงสร้างเซลล์ ได้แก่ คอลชิซีน ซึ่งเป็นสารยับยั้งการเกิดพอลิเมอไรเซชันของทูบูลินที่แยกได้จากColchicum autumnale (พืชดอกคร็อกคัสฤดูใบไม้ร่วง) ซึ่งใช้ในการรักษาโรคเกาต์ [ ^{108 ] คอ}ลชิซีนถูกสังเคราะห์ทางชีวภาพจากกรดอะมิโนฟีนิลอะลานีนและทริปโตเฟนในทางตรงกันข้าม แพคลิแทกเซลเป็นสารทำให้การเกิดพอลิเมอไรเซชันของทูบูลินคงตัวและใช้เป็น ยา เคมีบำบัดแพคลิแทกเซลมีพื้นฐานมาจากผลิตภัณฑ์ธรรมชาติประเภท เทอร์พีนอยด์ที่เรียกว่า แท็กซอลซึ่งแยกได้จาก Taxus brevifolia (ต้นยิวแปซิฟิก) ^{[ 109 ]}

ยากลุ่มหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการลดคอเลสเตอรอลคือ สารยับยั้ง HMG-CoA reductaseเช่นอะทอร์วาสแตตินซึ่งพัฒนามาจากเมวาสแตตินซึ่งเป็นโพลีคีไทด์ที่ผลิตโดยเชื้อราPenicillium citrinum [ ^{110 ] สุดท้าย} นี้ ยาจากผลิตภัณฑ์ธรรมชาติจำนวนหนึ่งถูกนำมาใช้รักษาความดันโลหิตสูงและภาวะหัวใจล้มเหลว ซึ่งรวมถึงแคปโทพริล สาร ยับยั้งเอนไซม์แองจิโอเทนซินคอนเวอร์ติง แคปโทพริลมีพื้นฐานมาจากปัจจัยเสริมฤทธิ์ของเปปไทด์แบรดิกินินที่แยกได้จากพิษของงูหัวลูกศรบราซิล ( Bothrops jararaca ) ^{[ 111 ]}

ความท้าทายมากมายจำกัดการใช้ผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติในการค้นพบยา ส่งผลให้บริษัทเภสัชกรรมในศตวรรษที่ 21 นิยมทุ่มเทความพยายามในการค้นพบไปที่ การคัดกรอง สารประกอบสังเคราะห์บริสุทธิ์ด้วยความเร็วสูง และมีระยะเวลาในการปรับปรุงที่สั้นกว่า ^{[ 12 ] [ 112 ]}แหล่งที่มาของผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติมักเข้าถึงและจัดหาได้ยาก มีโอกาสสูงที่จะเกิดการลอกเลียนแบบ ก่อให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับทรัพย์สินทางปัญญาในเรื่องการคุ้มครองสิทธิบัตรองค์ประกอบอาจแตกต่างกันไปตามฤดูกาลหรือสภาพแวดล้อม และมีความเสี่ยงต่ออัตราการสูญพันธุ์ ที่เพิ่มขึ้น ^{[ 12 ] [ 112 ]}

ทรัพยากรทางชีวภาพสำหรับการค้นพบยาจากผลิตภัณฑ์ธรรมชาติยังคงมีอยู่มากมาย โดยมีจุลินทรีย์ พืช และแมลงเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์เท่านั้นที่ได้รับการประเมินถึงฤทธิ์ทางชีวภาพ^{[ 12 ]}แบคทีเรียและจุลินทรีย์ในทะเลจำนวนมหาศาลยังคงไม่ได้รับการตรวจสอบ^{[ 113 ] [ 114 ]}ในปี 2551 ได้มีการเสนอสาขาเมตาจีโนมิกส์เพื่อตรวจสอบยีนและหน้าที่ของยีนในจุลินทรีย์ในดิน^{[ 114 ] [ 115 ]}แต่บริษัทเภสัชกรรมส่วนใหญ่ยังไม่ได้ใช้ประโยชน์จากทรัพยากรนี้อย่างเต็มที่ โดยเลือกที่จะพัฒนา "การสังเคราะห์ที่เน้นความหลากหลาย" จากคลังยาที่รู้จักหรือแหล่งธรรมชาติสำหรับสารประกอบนำร่องที่มีศักยภาพสูงกว่าในการออกฤทธิ์ทางชีวภาพ^{[ 12 ]}

การแยกผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติออกจากแหล่งกำเนิดอาจมีค่าใช้จ่ายสูงทั้งในแง่ของเวลาและวัสดุ และอาจส่งผลกระทบต่อความพร้อมของทรัพยากรธรรมชาติหรือมีผลกระทบต่อระบบนิเวศ ตัวอย่างเช่น มีการประมาณการว่าการเก็บเกี่ยวแพคลิแท็กเซลให้เพียงพอสำหรับการรักษาเพียงครั้งเดียวจะต้องใช้เปลือกของต้นยิวทั้งต้น ( Taxus brevifolia ) ^{[ 124 ]}นอกจากนี้ จำนวนของสารอะนาล็อกเชิงโครงสร้างที่มีอยู่สำหรับการวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและกิจกรรม (SAR) นั้นมีจำกัดเนื่องจากชีววิทยาของสิ่งมีชีวิต และอยู่นอกเหนือการควบคุมการทดลอง^{[ 125 ]}

เมื่อผลิตภัณฑ์ที่ต้องการหาได้ยากหรือปรับเปลี่ยนเพื่อสร้างอะนาล็อกได้ยาก บางครั้งอาจใช้สารตั้งต้นหรืออะนาล็อกทางชีวสังเคราะห์ในระยะกลางถึงปลายเพื่อผลิตเป้าหมายสุดท้าย วิธีการนี้เรียกว่าการสังเคราะห์แบบกึ่งสังเคราะห์หรือการสังเคราะห์บางส่วน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสกัดสารตัวกลางทางชีวสังเคราะห์และแปลงเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้ายโดยใช้เทคนิคการสังเคราะห์ทางเคมี แบบดั้งเดิม ^{[ 125 ]}

กลยุทธ์นี้มีข้อดีสองประการ ประการแรก สารตัวกลางอาจสกัดได้ง่ายกว่าและให้ผลผลิตในปริมาณที่สูงกว่าผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ตัวอย่างเช่น แพคลิแทกเซลสามารถผลิตได้โดยการสกัด10-ดีอะเซทิลแบคคาติน IIIจากใบของT. brevifolia ตามด้วยการสังเคราะห์สี่ขั้นตอน^{[ 126 ]}ประการที่สอง กระบวนการกึ่งสังเคราะห์ช่วยให้สามารถสร้างอะนาล็อกของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายได้ ดังที่เห็นได้ในการพัฒนาเพนิซิลลินกึ่ง สังเคราะห์รุ่นใหม่ ^{[ 127 ]}

โดยทั่วไป การสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ธรรมชาติแบบสมบูรณ์เป็นกิจกรรมการวิจัยที่ไม่ใช่เชิงพาณิชย์ โดยมุ่งเน้นที่ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการสังเคราะห์โครงสร้างของผลิตภัณฑ์ธรรมชาติบางชนิด และการพัฒนาวิธีการสังเคราะห์ใหม่ที่เป็นพื้นฐาน ถึงกระนั้นก็มีความสำคัญอย่างมากในเชิงพาณิชย์และสังคม ตัวอย่างเช่น การให้เป้าหมายการสังเคราะห์ที่ท้าทายได้มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาสาขาเคมีอินทรีย์^{[ 131 ] [ 132 ]}ก่อนการพัฒนา วิธี การทางเคมีวิเคราะห์ในศตวรรษที่ 20 โครงสร้างของผลิตภัณฑ์ธรรมชาติได้รับการยืนยันโดยการสังเคราะห์แบบสมบูรณ์ (ที่เรียกว่า "การพิสูจน์โครงสร้างโดยการสังเคราะห์") ^{[ 133 ]}ความพยายามในช่วงแรกในการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ธรรมชาติมุ่งเป้าไปที่สารที่ซับซ้อน เช่น โคบาลามิน (วิตามินบี ) ซึ่งเป็นโคแฟคเตอร์ ที่จำเป็น ในการเผาผลาญของ เซลล์ ^{[ 129 ] [ 130 ]}

การสังเคราะห์แบบเลียนแบบชีวภาพเป็นสาขาหนึ่งของเคมีอินทรีย์ที่มีจุดมุ่งหมายในการออกแบบและเตรียมสารประกอบผลิตภัณฑ์ธรรมชาติในห้องปฏิบัติการโดยใช้ เส้นทาง การสังเคราะห์ทางชีวภาพเป็นแบบแผน วิธีนี้อิงตามกลไกที่สิ่งมีชีวิตใช้ในการสังเคราะห์สารประกอบต่างๆ ซึ่งมักจะทำใน ลักษณะที่มีสเตอริโอซีเลคทีฟและรีจิโอซีเลคทีฟ^{[ ​​134 ]}กลยุทธ์การสังเคราะห์แบบเลียนแบบชีวภาพเกิดขึ้นเนื่องจากความสามารถในการทำให้การสังเคราะห์โครงสร้างที่ซับซ้อนง่ายขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งโครงสร้างที่มีส่วนประกอบที่ผิดปกติ เช่นระบบวงแหวนสไปโรหรืออะตอมคาร์บอนควอเทอร์นารี^{[ 135 ]}แนวทางเหล่านี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาต่างๆ เช่น ปฏิกิริยาไดเมอไรเซชันของ Diels-Alder ปฏิกิริยาโฟโตไซโคลแอดดิชัน ปฏิกิริยาไซคลิเซชัน ปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยาอนุมูลอิสระ และปฏิกิริยาเหล่านี้สามารถใช้ในการสร้างโครงสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น การเลียนแบบกระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพ ทำให้นักเคมีสามารถออกแบบกระบวนการที่มีประสิทธิภาพและประหยัดมากขึ้นสำหรับการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่น่าสนใจในการค้นพบยาและชีววิทยาเคมี^{[ 134 ] [ 135 ]}

การตรวจสอบ ผลิตภัณฑ์ธรรมชาติ ที่เป็นไดเมอร์และไตรเมอร์แสดงให้เห็นว่ามักมีองค์ประกอบของสมมาตรแบบทวิภาคีอยู่ สมมาตรแบบทวิภาคีหมายถึงโมเลกุลหรือระบบที่มี เอกลักษณ์ ของกลุ่มจุด C , C หรือ C สมมาตร C มีแนวโน้มที่จะมีมากกว่าสมมาตรแบบทวิภาคีประเภทอื่น ๆ การค้นพบนี้ช่วยให้เข้าใจถึงกลไกการสร้างสารประกอบเหล่านี้ได้ดีขึ้น รวมถึงให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ที่ทำให้สารประกอบเหล่านี้มีความเหมาะสมมากขึ้นทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT) วิธี Hartree–Fockและ การคำนวณ แบบกึ่งเชิงประจักษ์ยังแสดงให้เห็นถึงความเหมาะสมสำหรับการเกิดไดเมอร์ในผลิตภัณฑ์ธรรมชาติเนื่องจากการพัฒนาพลังงานต่อพันธะมากกว่าไตรเมอร์หรือเตตระเมอร์ที่เทียบเท่ากัน มีการเสนอว่าสิ่งนี้เกิดจากการกีดขวางทางสเตอริกที่แกนกลางของโมเลกุล เนื่องจากผลิตภัณฑ์ธรรมชาติส่วนใหญ่จะเกิดไดเมอร์และไตรเมอร์ในลักษณะหัวต่อหัวมากกว่าหัวต่อหาง^{[ 136 ]}

เคมีผลิตภัณฑ์ธรรมชาติเป็นสาขาการวิจัยทางเคมีที่แตกต่างออกไป ซึ่งมีความสำคัญต่อการพัฒนาและประวัติศาสตร์ของวิชาเคมีการแยกและระบุผลิตภัณฑ์ธรรมชาติมีความสำคัญต่อแหล่งที่มาของสารสำหรับการวิจัยการค้นพบยาในระยะก่อนคลินิก เพื่อทำความเข้าใจยาแผนโบราณและเภสัชวิทยาชาติพันธุ์ และเพื่อค้นหาพื้นที่ทางเคมี ที่มีประโยชน์ ทาง เภสัชวิทยา ^{[ 139 ]}เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีมากมาย เช่น วิวัฒนาการของเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการแยกสารเคมีและการพัฒนาวิธีการที่ทันสมัยในการกำหนดโครงสร้างทางเคมีเช่นNMRความพยายามในช่วงแรกในการทำความเข้าใจการสังเคราะห์ทางชีวภาพของผลิตภัณฑ์ธรรมชาติ ทำให้นักเคมีใช้การติดฉลากด้วยรังสีเป็นครั้งแรก และเมื่อไม่นานมานี้ได้ใช้การติดฉลากด้วยไอโซโทปเสถียรควบคู่กับการทดลอง NMR นอกจากนี้ ผลิตภัณฑ์ธรรมชาติยังถูกเตรียมโดยการสังเคราะห์สารอินทรีย์เพื่อยืนยันโครงสร้างของผลิตภัณฑ์ หรือเพื่อให้สามารถเข้าถึงผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่น่าสนใจในปริมาณที่มากขึ้น ในกระบวนการนี้ โครงสร้างของผลิตภัณฑ์ธรรมชาติบางชนิดได้รับการแก้ไข^{[ 140 ] [ 141 ] [ 142 ]}และความท้าทายในการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ธรรมชาติได้นำไปสู่การพัฒนาวิธีการสังเคราะห์ กลยุทธ์การสังเคราะห์ และยุทธวิธีใหม่ๆ^{[ 143 ]}ในแง่นี้ ผลิตภัณฑ์ธรรมชาติมีบทบาทสำคัญในการฝึกอบรมนักเคมีอินทรีย์สังเคราะห์รุ่นใหม่ และเป็นแรงจูงใจหลักในการพัฒนารูปแบบใหม่ของปฏิกิริยาเคมีแบบเก่า (เช่น ปฏิกิริยา อัลดอลของอีแวนส์ ) ตลอดจนการค้นพบปฏิกิริยาเคมีใหม่ทั้งหมด (เช่น ปฏิกิริยา ไฮดรอก ซิเลชันซิสของวูดเวิร์ด ปฏิกิริยาอี พอก ซิเดชันของชาร์ปลิสและ ปฏิกิริยาครอสคัปปลิง ของซูซูกิ-มิยาอุระ ) ^{[ 144 ]}

แนวคิดเรื่องผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติมีมาตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19 เมื่อมีการวางรากฐานของเคมีอินทรีย์ ในเวลานั้น เคมีอินทรีย์ถือเป็นเคมีของสารที่ประกอบขึ้นเป็นพืชและสัตว์ เป็นเคมีรูปแบบที่ค่อนข้างซับซ้อนและแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับเคมีอนินทรีย์ซึ่งหลักการได้รับการวางรากฐานในปี 1789 โดยชาวฝรั่งเศสอองตวน ลาวัวซิเยร์ในงานเขียนTraité Élémentaire de Chimie ^{[ 145 ]}

ลาวัวซิเยร์ได้แสดงให้เห็นในช่วงปลายศตวรรษที่ 18 ว่าสารอินทรีย์ประกอบด้วยธาตุจำนวนจำกัด โดยหลักคือคาร์บอนและไฮโดรเจน และมีออกซิเจนและไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบเสริม เขาจึงมุ่งเน้นไปที่การแยกสารเหล่านี้อย่างรวดเร็ว เนื่องจากสารเหล่านี้มีฤทธิ์ทางเภสัชวิทยาที่น่าสนใจ พืชเป็นแหล่งหลักของสารประกอบดังกล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่งอัลคาลอยด์และไกลโคไซด์เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าฝิ่น ซึ่งเป็นสารเหนียวผสมของอัลคาลอยด์ (รวมถึงโคเดอีน มอร์ฟีนนอส คาพีน เธเบนและปาปาเวอรีน ) จากต้นฝิ่น ( Papaver somniferum ) มีฤทธิ์ทำให้มึนงงและเปลี่ยนแปลงสภาพจิตใจไปพร้อมกัน ในปี 1805 นักเคมีชาวเยอรมันฟรีดริช เซอร์ทูร์เนอร์ ได้แยกมอร์ฟีนออกมาได้แล้ว และในทศวรรษ 1870 ก็มีการค้นพบว่าการต้มมอร์ฟีนกับอะซิติกแอนไฮไดรด์จะทำให้เกิดสารที่มีฤทธิ์ระงับปวดอย่างรุนแรง นั่นคือ เฮโรอีน^{[ 146 ]}ในปี พ.ศ. 2458 Eugène Chevreulได้แยกคอเลสเตอรอลซึ่งเป็นสารผลึก ออกจากเนื้อเยื่อสัตว์ที่อยู่ในกลุ่มสเตียรอยด์^{[ 147 ]}และในปี พ.ศ. 2462 ได้มีการแยกสไตร คนีน ซึ่งเป็นอัลคาลอยด์ ออกมา^{[ 148 ]}

ขั้นตอนสำคัญที่สองคือการสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์ ในขณะที่การสังเคราะห์สารอนินทรีย์เป็นที่รู้จักกันมานานแล้ว การสร้างสารอินทรีย์ถือเป็นความท้าทายอย่างยิ่ง ในปี ค.ศ. 1827 นักเคมีชาวสวีเดนโยน์ส จาคอบ เบอร์เซลิอุสได้กล่าวว่าพลังชีวิตหรือพลังแห่งชีวิตนั้นจำเป็นต่อการสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์ แนวคิดนี้ซึ่งรู้จักกันในชื่อลัทธิพลังชีวิต (vitalism ) ได้รับการสนับสนุนมากมายจนถึงศตวรรษที่ 19 แม้หลังจากมีการนำทฤษฎีอะตอม มาใช้แล้วก็ตาม ลัทธิพลังชีวิตยังสอดคล้องกับการแพทย์แผนโบราณ ซึ่งมักมองว่าโรคภัยไข้เจ็บเป็นผลมาจากความไม่สมดุลของพลังชีวิตที่แยกแยะสิ่งมีชีวิตออกจากสิ่งไม่มีชีวิต

ความท้าทายสำคัญครั้งแรกต่อลัทธิชีวพลังเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2461 เมื่อฟรีดริช โวห์เลอร์ นักเคมีชาวเยอรมัน สังเคราะห์ยูเรีย ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่พบในปัสสาวะโดยการให้ความร้อนแก่แอมโมเนียมไซยาเนตซึ่งเป็นสารอนินทรีย์: ^{[ 149 ]}

${\displaystyle \mathrm {NH_{4}OCN\ {\xrightarrow {\ \ 60^{\circ }C\ \ }}\ H_{2}NCONH_{2}} }$

ปฏิกิริยานี้แสดงให้เห็นว่าไม่จำเป็นต้องมีพลังชีวิตในการสร้างสารอินทรีย์ ในตอนแรก แนวคิดนี้เผชิญกับความสงสัย แต่ได้รับการยอมรับในอีก 20 ปีต่อมา เมื่อAdolph Wilhelm Hermann Kolbeสังเคราะห์กรดอะซิติกจากคาร์บอนไดซัลไฟด์ [ ^{150 ] นับ}ตั้งแต่นั้นมา เคมีอินทรีย์ได้พัฒนาเป็นสาขาที่แตกต่างออกไป โดยมุ่งเน้นการศึกษาเกี่ยวกับสารประกอบที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ ซึ่งพบว่ามีอยู่ทั่วไปในธรรมชาติ

พัฒนาการสำคัญประการที่สามคือการอธิบายโครงสร้างของสารอินทรีย์ แม้ว่าองค์ประกอบธาตุของสารประกอบอินทรีย์บริสุทธิ์จะสามารถกำหนดได้อย่างแม่นยำ แต่โครงสร้างโมเลกุลของสารเหล่านั้นยังคงไม่ชัดเจน ปัญหานี้ปรากฏชัดในข้อพิพาทระหว่าง Friedrich Wöhler และJustus von Liebigซึ่งศึกษาเกลือเงินที่มีองค์ประกอบเหมือนกันแต่มีคุณสมบัติต่างกัน Wöhler ตรวจสอบซิลเวอร์ไซยาเนตซึ่งเป็นสารประกอบที่ไม่เป็นอันตราย ในขณะที่ von Liebig ตรวจสอบซิลเวอร์ฟุลมิเนตซึ่งเป็น วัตถุระเบิด ^{[ 151 ]}การวิเคราะห์ธาตุแสดงให้เห็นว่าเกลือทั้งสองชนิดมีปริมาณเงิน คาร์บอน ออกซิเจน และไนโตรเจนเท่ากัน แต่คุณสมบัติของมันแตกต่างกัน ซึ่งขัดแย้งกับมุมมองที่แพร่หลายว่าองค์ประกอบเพียงอย่างเดียวเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติ

ความไม่สอดคล้องกันนี้ได้รับการอธิบายโดยทฤษฎีไอโซเมอร์ของเบอร์เซลิอุสซึ่งเสนอว่าไม่เพียงแต่จำนวนและชนิดของธาตุเท่านั้น แต่การจัดเรียงของอะตอมก็มีผลต่อคุณสมบัติของสารประกอบด้วย ความเข้าใจนี้ทำให้เกิดการพัฒนาทฤษฎีโครงสร้าง เช่นทฤษฎีอนุมูลอิสระของฌอง-แบปติสต์ ดูมาสและทฤษฎีการแทนที่ของออกุสต์ ลอรองต์ [ ^{152 ] [ 153 ] ทฤษฎี}โครงสร้างที่ชัดเจนได้รับการเสนอในปี พ.ศ. 2391 โดยออกุสต์ เคคูเลซึ่งเสนอว่าคาร์บอนมีวาเลนซ์สี่และสามารถสร้างพันธะกับตัวเองได้ ก่อให้เกิดสายโซ่ที่พบในผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ^{[ 154 ] [ 153 ]}

แนวคิดเรื่องผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ ซึ่งเดิมทีนั้นอิงตามสารประกอบอินทรีย์ที่สามารถแยกได้จากพืช ได้ขยายไปรวมถึงวัสดุจากสัตว์ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 โดยJustus von Liebig ชาว เยอรมันHermann Emil Fischerในปี 1884 ได้หันมาสนใจศึกษาคาร์โบไฮเดรตและพิวรีน ซึ่งเป็นผลงานที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลในปี 1902 เขายังประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตหลายชนิดในห้องปฏิบัติการ รวมถึงกลูโคสและแมนโนส หลังจากที่ Alexander Flemingค้นพบเพนิซิลลินในปี 1928 เชื้อราและจุลินทรีย์อื่นๆ ก็ถูกเพิ่มเข้าไปในกลุ่มแหล่งที่มาของผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ^{[ 146 ]}

ภายในทศวรรษ 1930 ผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติประเภทหลักหลายประเภทได้รับการระบุและศึกษาอย่างกว้างขวาง เหตุการณ์สำคัญในสาขาการวิจัยผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ ได้แก่: ^{[ 146 ]}

• เทอร์พีน : ได้รับการศึกษาอย่างเป็นระบบครั้งแรกโดยOtto Wallach (รางวัลโนเบล พ.ศ. 2453) ^{[ 155 ]}และต่อมาโดยLeopold Ružička (รางวัลโนเบล พ.ศ. 2482)
• สีย้อมที่มี พอร์ฟิรินเป็นองค์ประกอบ: รวมถึงคลอโรฟิลล์และฮีมซึ่งได้รับการศึกษาโดยริชาร์ด วิลสแตตเตอร์ (รางวัลโนเบล ค.ศ. 1915) และฮันส์ ฟิชเชอร์ (รางวัลโนเบล ค.ศ. 1930) สารประกอบเตตระไพโรลเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางชีวภาพต่างๆ (รวมถึงการสังเคราะห์แสง การหายใจ การถ่ายโอนอิเล็กตรอน และการเร่งปฏิกิริยา) และเป็นหัวข้อของการวิจัยอย่างกว้างขวาง^{[ 156 ]}
• สเตียรอยด์ : วิจัยโดยไฮน์ริช ออตโต วีแลนด์ (รางวัลโนเบล พ.ศ. 2460) และอดอล์ฟ วินเดาส์ (รางวัลโนเบล พ.ศ. 2461) งานของพวกเขามีส่วนสำคัญต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการสังเคราะห์และโครงสร้างของสเตอรอล^{[ 157 ]}
• แคโรทีนอยด์ : ศึกษาโดยพอล คาร์เรอร์ (รางวัลโนเบล ค.ศ. 1937) รงควัตถุเหล่านี้มีความสำคัญเนื่องจากมี คุณสมบัติ ต้านอนุมูลอิสระและมีบทบาทในการสังเคราะห์แสงและการมองเห็น^{[ 158 ]}
• วิตามิน: ได้รับการศึกษาโดยนักวิทยาศาสตร์จำนวนมาก รวมถึง Paul Karrer, Robert R. Williams , Adolf Windaus (รางวัลโนเบลปี 1928), Norman Haworth (รางวัลโนเบลปี 1937), Richard Kuhn (รางวัลโนเบลปี 1938) และAlbert Szent-Györgyi (รางวัลโนเบลปี 1937) การค้นพบและลักษณะเฉพาะของวิตามินได้ปฏิวัติความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโภชนาการและสุขภาพ^{[ 159 ]}
• ฮอร์โมนสเตียรอยด์ : ศึกษาโดยAdolf Butenandt (รางวัลโนเบล พ.ศ. 2482) และEdward Calvin Kendall (รางวัลโนเบล พ.ศ. 2493) งานของพวกเขาเกี่ยวกับฮอร์โมนสเตียรอยด์ได้ปูทางไปสู่ วิทยา ต่อมไร้ท่อ สมัยใหม่ ^{[ 160 ]}
• อัลคาลอยด์และแอนโทไซยานิน : สารประกอบเหล่านี้ได้รับการวิจัยโดยโรเบิร์ต โรบินสัน (รางวัลโนเบลปี 1947) และนักวิจัยท่านอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอัลคาลอยด์ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการพัฒนายาหลายชนิด
• ฮอร์โมนโพลีเปปไทด์ : ศึกษาโดยVincent du Vigneaud (รางวัลโนเบล พ.ศ. 2498) ซึ่งสังเคราะห์โพลีเปปไทด์ธรรมชาติออกซิโทซินและวาโซเพรสซินได้ สำเร็จเป็นครั้งแรก ^{[ 161 ]}
• การสังเคราะห์สารประกอบจากธรรมชาติอย่างสมบูรณ์: โรเบิร์ต เบิร์นส์ วูดเวิร์ดได้รับรางวัลโนเบลในปี 1965 จากการสังเคราะห์สารประกอบต่างๆ เช่นควินินคอเลสเตอรอลคอร์ติโซนสไตรค์นินรี เซอร์พีน คลอ โรฟิลล์ และวิตามินบี 12ส่วนอีเลียส เจมส์ คอรีย์ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1990 จากผลงานที่คล้ายคลึงกัน เช่น การสังเคราะห์กรดจิบเบอเรลลิกกิงโกไลด์และโปรสตาแกลนดิน

การศึกษาบุกเบิกเหล่านี้ได้วางรากฐานสำหรับความเข้าใจของเราเกี่ยวกับเคมีและชีวเคมีของผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ^{[ 162 ]}ซึ่งนำไปสู่รางวัลโนเบลมากมายในสาขาเคมีและสรีรวิทยาหรือการแพทย์ สาขาผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง โดยการวิจัยล่าสุดมุ่งเน้นไปที่บทบาทเชิงวิวัฒนาการและนิเวศวิทยาของสารประกอบเหล่านี้^{[ 30 ]}

• เคมีของสารประกอบธรรมชาติ
• วารสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติ
• รายงานผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ
• การวิจัยผลิตภัณฑ์ธรรมชาติ