Φυσικά προϊόντα

Στην οργανική χημεία, ο όρος φυσικά προϊόντα (αγγλ. natural products) αναφέρεται στις οποιεσδήποτε φυσικές ενώσεις ή ουσίες, οι οποίες παράγονται από ένα ζωντανό οργανισμό (φυτικό ή ζωικό) και απαντώνται στη φύση στον πλανήτη μας. Τα φυσικά προϊόντα από τα προϊστορικά χρόνια είχαν μεγάλη αξία και εξακολουθούν και σήμερα να έχουν ιδιαίτερη σπουδαιότητα για τον σύγχρονο άνθρωπο.

Με την ευρεία έννοια, τα φυσικά προϊόντα περιλαμβάνουν κάθε ουσία που παράγεται από τη ζωή. Τα φυσικά προϊόντα μπορούν, επίσης, να παρασκευαστούν με χημική σύνθεση (τόσο με ημισύνθεση όσο και με ολική σύνθεση) και έχουν διαδραματίσει κεντρικό ρόλο στην ανάπτυξη του κλάδου της οργανικής χημείας παρέχοντας απαιτητικούς συνθετικούς στόχους. Ο όρος φυσικό προϊόν έχει, επίσης, επεκταθεί – για εμπορικούς λόγους – και αναφέρεται σε καλλυντικά, συμπληρώματα διατροφής και τρόφιμα που παράγονται από παρθένες φυσικές πρώτες ύλες χωρίς την προσθήκη συνθετικών (τεχνητών) ουσιών.

Στο πεδίο της οργανικής χημείας, ο ορισμός των φυσικών προϊόντων συνήθως περιορίζεται στις οργανικές ενώσεις που απομονώνονται από φυσικές πηγές και οι οποίες παράγονται από τις βιοχημικές οδούς του πρωτογενούς ή του δευτερογενούς μεταβολισμού. Στον κλάδο της φαρμακευτικής χημείας, ο ορισμός αυτός συχνά περιορίζεται στους δευτερογενείς μεταβολίτες. Οι δευτερογενείς μεταβολίτες (ή εξειδικευμένοι μεταβολίτες) δεν είναι απαραίτητοι για την επιβίωση του κάθε οργανισμού, αλλά παρόλ' αυτά παρέχουν στους οργανισμούς που τους παράγουν ένα μείζον εξελικτικό πλεονέκτημα. Πολλοί δευτερογενείς μεταβολίτες είναι κυτταροτοξικοί και έχουν επιλεγεί και βελτιστοποιηθεί μέσω της εξέλιξης για χρήση ως προστατευτικοί παράγοντες («χημικό οπλοστάσιο») έναντι επικίνδυνων παθογόνων μικροοργανισμών (βακτήρια, μύκητες, έντομα, παράσιτα, κ.ά.) και των ανταγωνιστικών οργανισμών. Οι δευτερογενείς μεταβολίτες είναι συχνά μοναδικοί για τα είδη, κάτι που έρχεται σε αντίθεση με τους πρωτογενείς μεταβολίτες που έχουν ευρεία χρήση τόσο στο φυτικό όσο και στο ζωικό βασίλειο. Οι δευτερογενείς μεταβολίτες χαρακτηρίζονται από υψηλή χημική πολυπλοκότητα, γι' αυτό και παρουσιάζουν ιδιαίτερο (ερευνητικό) ενδιαφέρον για τους οργανικούς χημικούς.

Οι φυσικές πηγές μπορεί να οδηγήσουν σε βασική έρευνα για πιθανά βιοενεργά συστατικά για ανάπτυξη και αξιοποίηση σε φάρμακα και διάφορα χρήσιμα σκευάσματα. Αν και τα φυσικά προϊόντα έχουν αποτελέσει βάση για πολλά φάρμακα, η ανάπτυξη φαρμάκων από φυσικές πηγές έχει λάβει φθίνουσα πορεία τον 21ο αιώνα από τις φαρμακευτικές εταιρείες, εν μέρει λόγω της μη σταθερής πρόσβασης και προμήθειάς τους, της πνευματικής ιδιοκτησίας (πατέντες), των επιφυλάξεων επί του κόστους και του κέρδους, της εποχιακής αλλά και περιβαλλοντικής μεταβλητότητας της (χημικής) σύνθεσής τους, ή/και την απώλεια (φυσικών πρωτογενών) πηγών λόγω των αυξανόμενων ρυθμών εξαφάνισης των ειδών στον πλανήτη μας.

Κατηγορίες 
Ο ευρύτερος ορισμός του φυσικού προϊόντος είναι οτιδήποτε παράγεται από τη ζωή και περιλαμβάνει υλικά-μέρη ζωντανών οργανισμών (π.χ. ξύλο), υλικά βιολογικής βάσης (π.χ. βιοπλαστικά, άμυλο αραβοσίτου), σωματικά υγρά και εκκρίματα (π.χ. γάλα, μετάξι, φυτικά εκκρίματα), άλλα φυσικά υλικά (π.χ. χώμα, άνθρακας) και πάρα πολλά άλλα.

Τα φυσικά προϊόντα μπορούν να ταξινομηθούν σε κατηγορίες (κλάσεις) ανάλογα με τη βιολογική τους λειτουργία (φυσική αποστολή), με τη βιοσυνθετική οδό (με την οποία συντίθενται), ή με την πηγή προέλευσής τους. 

Ανάλογα με τις πηγές, ο αριθμός των γνωστών μορίων που αποτελούν χημικώς τα φυσικά προϊόντα κυμαίνεται μεταξύ 300.000 και 400.000, ίσως και μεγαλύτερος.

Φυσικός ρόλος 
Μετά την αρχική πρόταση του Γερμανού βιοχημικού Άλμπρεχτ Κόσελ το 1891, τα φυσικά προϊόντα διαχωρίζονται (συχνά) σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τους πρωτογενείς μεταβολίτες και τους δευτερογενείς μεταβολίτες. 

Οι πρωτογενείς μεταβολίτες έχουν μια εγγενή λειτουργία που είναι απαραίτητη για την επιβίωση του οργανισμού που τους παράγει. Οι δευτερογενείς μεταβολίτες, αντίθετα, έχουν μια εξωτερική λειτουργία (αποστολή) που επηρεάζει κυρίως τους άλλους οργανισμούς. 

Οι δευτερογενείς μεταβολίτες δεν είναι απαραίτητοι για την επιβίωση, αλλά αυξάνουν την ανταγωνιστικότητα του οργανισμού στο φυσικό περιβάλλον του. Λόγω της δυνατότητάς τους να ρυθμίζουν τις βιοχημικές οδούς και τις οδούς μεταφοράς σήματος, ορισμένοι δευτερογενείς μεταβολίτες έχουν χρήσιμες φαρμακευτικές ιδιότητες και θεραπευτικές δράσεις.

Τα φυσικά προϊόντα, ειδικά στο πεδίο της οργανικής χημείας, ορίζονται συχνά ως πρωτογενείς μεταβολίτες και δευτερογενείς μεταβολίτες. Ένας πιο στενός ορισμός, που περιορίζει τα φυσικά προϊόντα σε δευτερογενείς μεταβολίτες, χρησιμοποιείται συνήθως στα πεδία της φαρμακευτικής χημείας και της φαρμακογνωσίας.

Πρωτογενείς μεταβολίτες 

Οι πρωτογενείς μεταβολίτες, όπως ορίστηκαν από τον Κόσελ, είναι συστατικά των βασικών μεταβολικών οδών (pathways) που απαιτούνται για τη ζωή. Συνδέονται με βασικές κυτταρικές λειτουργίες, όπως την αφομοίωση των θρεπτικών ουσιών, την παραγωγή ενέργειας και την εν γένει ανάπτυξη. Υπάρχει ευρεία κατανομή ειδών που εκτείνεται σε πολλές συνομοταξίες και συχνά σε περισσότερα από ένα βασίλεια. 

Οι πρωτογενείς μεταβολίτες περιλαμβάνουν τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της ζωής, ήτοι, τα εξής:

 υδατάνθρακες
 λιπίδια
 αμινοξέα 
 νουκλεϊκά οξέα

Οι πρωτογενείς μεταβολίτες που εμπλέκονται στην παραγωγή ενέργειας περιλαμβάνουν αναπνευστικά και φωτοσυνθετικά ένζυμα. Τα ένζυμα με τη σειρά τους αποτελούνται από αμινοξέα και συχνά από μη πεπτιδικούς συμπαράγοντες που είναι απαραίτητοι για τη λειτουργία των ενζύμων. Η βασική δομή των κυττάρων και των οργανισμών αποτελείται επίσης από πρωτογενείς μεταβολίτες. Αυτοί περιλαμβάνουν κυτταρικές μεμβράνες (π.χ. από φωσφολιπίδια), κυτταρικά τοιχώματα (π.χ. από πεπτιδογλυκάνη ή χιτίνη) και κυτταρικούς σκελετούς (από πρωτεΐνες).

Οι πρωτογενείς ενζυματικοί συμπαράγοντες μεταβολιτών περιλαμβάνουν μέλη της οικογένειας των βιταμινών Β. Η βιταμίνη Β1 ως διφωσφορική θειαμίνη είναι ένα συνένζυμο για την πυροσταφυλική αφυδρογονάση, την 2-οξογλουταρική αφυδρογονάση και την τρανσκετολάση, οι οποίες εμπλέκονται στο μεταβολισμό των υδατανθράκων. 

Η βιταμίνη Β2 (ριβοφλαβίνη) είναι συστατικό από το μονονουκλεοτίδιο φλαβίνης (FMN) και το δινουκλεοτίδιο αδενίνης φλαβίνης (FAD), που είναι απαραίτητα για πολλές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Η βιταμίνη Β3 (νιασίνη), που συντίθεται από τρυπτοφάνη, είναι συστατικό των συνενζύμων NAD+ και NADP+ που με τη σειρά τους απαιτούνται για τη μεταφορά ηλεκτρονίων στον κύκλο του Κρεμπς, την οξειδωτική φωσφορυλίωση, καθώς και πολλές άλλες αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. 

Η βιταμίνη Β5 (παντοθενικό οξύ) είναι συστατικό του συνενζύμου Α, βασικό συστατικό του μεταβολισμού των υδατανθράκων και των αμινοξέων, καθώς και της βιοσύνθεσης λιπαρών οξέων και πολυκετιδίων. Η βιταμίνη Β6 (πυριδοξόλη, πυριδοξάλη και πυριδοξαμίνη) ως 5'-φωσφορική πυριδοξάλη είναι συμπαράγοντας για πολλά ένζυμα, ειδικά τις τρανσαμινάσες, που εμπλέκονται στο μεταβολισμό των αμινοξέων. 

Η βιταμίνη Β12 (κοβαλαμίνες) περιέχει έναν δακτύλιο τετραπυρόλης (ή κορίνης), παρόμοιο στη δομή με την πορφυρίνη, και είναι ένα απαραίτητο συνένζυμο για τον καταβολισμό των λιπαρών οξέων, καθώς και για τη βιοσύνθεση της μεθειονίνης.

Το DNA και το RNA, που αποθηκεύουν και μεταδίδουν γενετικές πληροφορίες, αποτελούνται από πρωτεύοντες μεταβολίτες του νουκλεϊκού οξέος.

Οι πρώτοι αγγελιοφόροι (first messengers) είναι μόρια σηματοδότησης που ελέγχουν τον μεταβολισμό ή την κυτταρική διαφοροποίηση. Αυτά τα σηματοδοτικά μόρια περιλαμβάνουν ορμόνες και οι αυξητικοί παράγοντες με τη σειρά τους αποτελούνται από πεπτίδια, βιογενείς αμίνες, στεροειδείς ορμόνες, αυξίνες, γιββεριλλίνες κ.ά.. Αυτοί οι πρώτοι αγγελιοφόροι αλληλεπιδρούν με κυτταρικούς υποδοχείς που αποτελούνται από πρωτεΐνες. Οι κυτταρικοί υποδοχείς με τη σειρά τους ενεργοποιούν τους δεύτερους αγγελιοφόρους, που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση του εξωκυτταρικού μηνύματος σε ενδοκυτταρικούς στόχους. Αυτά τα μόρια σηματοδότησης περιλαμβάνουν τους πρωτογενείς μεταβολίτες, όπως κυκλικά νουκλεοτίδια, διακυλογλυκερόλη και άλλους.

Δευτερογενείς μεταβολίτες 

Οι δευτερογενείς μεταβολίτες -σε αντίθεση με τους πρωτογενείς μεταβολίτες- είναι μεν καθοριστικοί, αλλά δεν είναι και απολύτως απαραίτητοι για την επιβίωση. Επιπλέον, οι δευτερογενείς μεταβολίτες έχουν συνήθως μια στενή κατανομή εντός των ειδών που απαντώνται.

Οι δευτερογενείς μεταβολίτες έχουν ευρύ φάσμα λειτουργιών. Αυτές περιλαμβάνουν φερομόνες που δρουν ως μόρια κοινωνικής σηματοδότησης με άλλα άτομα του ίδιου είδους, «μόρια επικοινωνίας» δηλαδή που προσελκύουν και ενεργοποιούν συμβιοτικούς οργανισμούς, παράγοντες που διαλυτοποιούν και μεταφέρουν θρεπτικά συστατικά (σιδεροφόροι) και ανταγωνιστικά χημικά «όπλα» (απωθητικά, δηλητήρια, τοξίνες) που χρησιμοποιούνται ενάντια σε πιθανούς ανταγωνιστές, βιολογικούς εχθρούς και παθογόνα. 

Για πολλούς άλλους δευτερογενείς μεταβολίτες, η ακριβής λειτουργία τους είναι άγνωστη. Μια υπόθεση είναι ότι προσδίδουν ανταγωνιστικό πλεονέκτημα στον οργανισμό που τους παράγει. Μια δεύτερη άποψη είναι ότι, κατ' αναλογία με το ανοσοποιητικό σύστημα, αυτοί οι δευτερογενείς μεταβολίτες δεν έχουν συγκεκριμένη λειτουργία, αλλά η ύπαρξη του μηχανισμού για την παραγωγή αυτών των διαφορετικών χημικών δομών είναι σημαντική και, επομένως, παράγονται και επιλέγονται μερικοί δευτερογενείς μεταβολίτες.

Οι βασικές κατηγορίες δευτερογενών μεταβολιτών περιλαμβάνουν:

 αλκαλοειδή
 φαινυλοπροπανοειδή
 πολυκετίδια
 τερπένια και τερπενοειδή

Βιοσύνθεση 

Οι βιοσυνθετικές οδοί που οδηγούν στις κύριες κατηγορίες φυσικών προϊόντων περιγράφονται παρακάτω. 

 Φωτοσύνθεση ή γλυκονεογένεση → μονοσακχαρίτες → πολυσακχαρίτες (κυτταρίνη, χιτίνη, γλυκογόνο κ.ά.)
 Οξική οδός → λιπαρά οξέα και πολυκετίδια
 Βιοσυνθετική οδός Shikimate → αρωματικά αμινοξέα και φαινυλοπροπανοειδή
 Βιοσυνθετική οδός μεβαλονικού και οδός φωσφορικής μεθυλεθρυθριτόλης → τερπενοειδή και στεροειδή
 Αμινοξέα → αλκαλοειδή

Υδατάνθρακες 
Οι υδατάνθρακες είναι απαραίτητη πηγή ενέργειας για τις περισσότερες μορφές της ζωής. Επιπλέον, οι  πολυσακχαρίτες που σχηματίζονται από πολύ απλούς υδατάνθρακες (γλυκόζη, μαννόζη, γαλακτόζη κ.ά.), είναι σημαντικά δομικά συστατικά πολλών οργανισμών, όπως τα κυτταρικά τοιχώματα των βακτηρίων, των φυτών, των δέντρων. 

Οι υδατάνθρακες είναι προϊόντα της φυτικής φωτοσύνθεσης και της γλυκονεογένεσης των ζώων. Η φωτοσύνθεση παράγει αρχικά την 3-φωσφογλυκεραλδεϋδη, ένα άτομο από τρεις άνθρακες που περιέχει σάκχαρο (μια τριόζη). Αυτή η τριόζη με τη σειρά της μπορεί να μετατραπεί σε γλυκόζη (μόριο με 6 άτομα άνθρακα που περιέχει ζάχαρη) ή σε ποικιλία από πεντόζες (ενώσεις με πέντε άτομα άνθρακα που περιέχουν σάκχαρα) μέσω του κύκλου του Κάλβιν. Στα ζώα, οι τρεις πρόδρομες ενώσεις άνθρακα, γαλακτικό οξύ ή γλυκερόλη, μπορούν να μετατραπούν σε πυροσταφυλικό οξύ που με τη σειρά του μπορεί χημικά να μετατραπεί σε υδατάνθρακες στο ήπαρ.

Λιπαρά οξέα και πολυκετίδια 
Μέσω της διαδικασίας της γλυκόλυσης, τα σάκχαρα διασπώνται σε ακετυλο-CoA. Σε μια εξαρτώμενη από τα ένζυμα ΑΤΡ, καταλυόμενη αντίδραση, το ακετυλο-CoA καρβοξυλιώνεται για να σχηματίσει το μηλονυλο-CoA. 

Το ακετυλο-CoA και το μηλονυλο-CoA υφίστανται συμπύκνωση Claisen με απώλεια διοξειδίου του άνθρακα για να σχηματίσουν τελικά το ακετοακετυλο-CoA. Πρόσθετες αντιδράσεις συμπύκνωσης παράγουν διαδοχικά υψηλότερου μοριακού βάρους αλυσίδες πολυ-β-κέτο, οι οποίες στη συνέχεια μετατρέπονται σε άλλα πολυκετίδια. Η κατηγορία πολυκετιδικών φυσικών προϊόντων έχει ποικίλες δομές και λειτουργίες και δύναται να περιλαμβάνει τις προσταγλανδίνες και τα μακρολιδικά αντιβιοτικά. 

Ένα μόριο ακετυλο-CoA («μονάδα εκκίνησης») και αρκετά μόρια μηλονυλο-CoA («μονάδες επέκτασης») συμπυκνώνονται από τη συνθετάση λιπαρού οξέος για να παράγουν λιπαρά οξέα. Τα λιπαρά οξέα είναι απαραίτητα συστατικά των λιπιδικών διπλών στοιβάδων, που σχηματίζουν κυτταρικές μεμβράνες, καθώς και αποθήκες ενέργειας λίπους στους ζωικούς οργανισμούς.

Πηγές προέλευσης 
Τα φυσικά προϊόντα μπορούν να εκχυλιστούν ή να εξαχθούν από τα κύτταρα, τους  ιστούς και τις εκκρίσεις μικροοργανισμών, φυτών και ζώων.  

Ένα ακατέργαστο εκχύλισμα από οποιαδήποτε από αυτές τις πηγές θα περιέχει μια σειρά από δομικά ποικίλες και συχνά νέες χημικές ενώσεις. Η χημική ποικιλότητα στη φύση βασίζεται στη βιοποικιλότητα, επομένως, οι ερευνητές συλλέγουν δείγματα από όλο τον κόσμο για να τα αναλύσουν και να τα αξιολογήσουν σε ελέγχους υψηλής απόδοσης ή σε εφαρμοζόμενες βιοδοκιμές. Αυτή η προσπάθεια αναζήτησης βιολογικά ενεργών φυσικών προϊόντων είναι γνωστή ως βιοαναζήτηση (αγγλ. bioprospecting).

Η φαρμακογνωσία παρέχει ειδικά εργαλεία για την ανίχνευση, την απομόνωση και τον εντοπισμό βιοενεργών φυσικών προϊόντων που θα μπορούσαν να αναπτυχθούν για ιατρικές χρήσεις. Όταν ένα ενεργό συστατικό απομονώνεται από ένα παραδοσιακό φάρμακο ή από άλλο βιολογικό υλικό, αυτό είναι γνωστό στα αγγλικά ως «hit», δηλαδή έναυσμα για έρευνα. Στη συνέχεια εκτελούνται επακόλουθες επιστημονικές και νομικές εργασίες για την επικύρωση της επιτυχίας (π.χ. αποσαφήνιση του μηχανισμού δράσης, επιβεβαίωση ότι δεν υπάρχει σύγκρουση για την πνευματική ιδιοκτησία, κ.ά.). Ακολουθεί το πρώτο στάδιο της ανακάλυψης φαρμάκου, όπου συντίθενται παράγωγα της δραστικής ένωσης σε μια προσπάθεια να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητα και η ενδεχόμενη τοξικότητα της ένωσης. Με αυτόν τον τρόπο και συναφείς τεχνικές, τα σύγχρονα φάρμακα μπορούν να αναπτυχθούν απευθείας από τις φυσικές πηγές. 

Αν και τα παραδοσιακά φάρμακα και άλλο βιολογικό υλικό θεωρούνται εξαιρετική πηγή νέων ενώσεων, η εκχύλιση και η απομόνωση αυτών των ενώσεων μπορεί να είναι μια αργή, δαπανηρή και -ίσως- μη αποτελεσματική διαδικασία. Για παραγωγή μεγάλης κλίμακας επομένως, μπορούν να γίνουν προσπάθειες για την παραγωγή της νέας ένωσης με ολική σύνθεση ή με ημισύνθεση. 

Επειδή τα φυσικά προϊόντα είναι γενικά δευτερογενείς μεταβολίτες με εξόχως πολύπλοκες χημικές δομές, η ολική σύνθεση/ημισύνθεσή τους δεν είναι πάντα τεχνικά βιώσιμη. Σε αυτές τις περιπτώσεις, μπορούν να γίνουν προσπάθειες για τον σχεδιασμό απλούστερων ανάλογων ενώσεων, με συγκρίσιμη ισχύ και ασφάλεια που να επιδέχονται την ολική σύνθεση, ή την ημισύνθεση.

Προκαρυωτικά

Βακτήρια 

Η τυχαία ανακάλυψη και η επακόλουθη κλινική επιτυχία της πενικιλίνης οδήγησαν σε μεγάλης κλίμακας έρευνα για άλλους μικροοργανισμούς που θα μπορούσαν να παράγουν φυσικά προϊόντα κατά των μολύνσεων. 

Η συλλογή από δείγματα εδάφους και νερού από όλο τον κόσμο, οδήγησε στην ανακάλυψη της στρεπτομυκίνης (που προέρχεται από το βακτήριο Streptomyces griseus) και στη συνειδητοποίηση ότι τα βακτήρια τελικά -όχι μόνον οι μύκητες, που ως τότε πίστευαν- αντιπροσωπεύουν μια πάρα πολύ σημαντική πηγή φαρμακολογικά ενεργών φυσικών προϊόντων. 

Αυτό, με τη σειρά του, οδήγησε στην ανάπτυξη ενός εντυπωσιακού «οπλοστασίου» αντιβακτηριακών και αντιμυκητιασικών παραγόντων, συμπεριλαμβανομένης της αμφοτερικίνης Β, της χλωραμφενικόλης, της δαπτομυκίνης και της τετρακυκλίνης από βακτήρια του γένους Streptomyces spp., των πολυμυξινών (από τον Paenibacillus polymyxa), και τις ριφαμυκίνες από το είδος Amycolatopsis rifamycinica. 

Τα αντιπαρασιτικά και αντιιικά φάρμακα έχουν προέλθει ομοίως από άλλους βακτηριακούς μεταβολίτες.

Αν και τα περισσότερα από τα φάρμακα που προέρχονται από βακτήρια χρησιμοποιούνται ως αντιμολυσματικά, ορισμένα έχουν βρει χρήσεις και σε άλλους τομείς της ιατρικής. Η βοτουλινική τοξίνη (από τον Clostridium botulinum) και η βλεομυκίνη (από τον Streptomyces verticillus) είναι δύο εντυπωσιακά παραδείγματα. 

Η αλλαντίαση, δηλαδή η νευροτοξίνη που είναι υπεύθυνη για την αλλαντίαση, μπορεί να εγχυθεί σε συγκεκριμένους μύες (όπως εκείνους που ελέγχουν τα βλέφαρα) για την πρόληψη του μυϊκού σπασμού. 

Επίσης, το γλυκοπεπτίδιο, μπλεομυκίνη, χρησιμοποιείται για τη θεραπεία πολλών καρκίνων, συμπεριλαμβανομένου του λεμφώματος Hodgkin, του καρκίνου της κεφαλής, του καρκίνου του τραχήλου και του καρκίνου των όρχεων. 

Οι νεότερες τάσεις στον τομέα αυτό περιλαμβάνουν το μεταβολικό προφίλ και την απομόνωση φυσικών προϊόντων από νέα είδη βακτηρίων που υπάρχουν σε ανεξερεύνητα περιβάλλοντα. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τη συμβίωση ή τα ενδόφυτα από τροπικά περιβάλλοντα, υπόγεια βακτήρια που βρέθηκαν πολύ βαθιά μέσα στο έδαφος μέσω εξόρυξης ή/και γεώτρησης, και επίσης θαλάσσια βακτήρια.

Αρχαία 
Επειδή πολλά αρχαία έχουν προσαρμοστεί στη ζωή τους σε ακραία περιβάλλοντα, όπως λ.χ. πολικές περιοχές, ιαματικές πηγές, όξινες πηγές, αλκαλικές πηγές, αλμυρές λίμνες και στην υψηλότατη πίεση του βαθέος νερού των ωκεανών, διαθέτουν ένζυμα που λειτουργούν κάτω από πολύ ασυνήθιστες και ακραίες συνθήκες. 

Αυτά τα ένζυμα είναι πιθανής χρήσης στις βιομηχανίες τροφίμων, χημικών και φαρμακευτικών βιομηχανιών, όπου οι βιοτεχνολογικές διεργασίες συχνά περιλαμβάνουν υψηλές θερμοκρασίες, ακραίες οξύτητες (pH), υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, ή/και πολύ υψηλή πίεση. 

Παραδείγματα ενζύμων που έχουν εντοπιστεί μέχρι σήμερα συμπεριλαμβάνουν αμυλάσες, πουλουλανάσες, γλυκοζυλοτρανσφεράσες της κυκλοδεξτρίνης, κυτταρινάσες, ξυλανάσες, χιτινάσες, πρωτεάσες, αλκοολική αφυδρογονάση, καθώς και εστεράσες. 

Τα αρχαία αντιπροσωπεύουν επίσης μια σημαντική πηγή για ανακάλυψη νέων (άγνωστων) χημικών ενώσεων, για παράδειγμα, ισοπρενυλογλυκερολαιθέρες τύπου 1 και τύπου 2, λ.χ. από τα είδη Thermococcus S557 και Methanocaldococcus jannaschii, αντίστοιχα.

Ευκαρυωτικά

Μύκητες 

Αρκετά αντιμολυσματικά φάρμακα έχουν ληφθεί από μύκητες, συμπεριλαμβανομένης της πενικιλίνης και των κεφαλοσπορινών (αντιβακτηριακά φάρμακα από τα είδη Penicillium rubens και Cephalosporium acremonium, αντίστοιχα) και επίσης γκριζεοφουλβίνη, αντιμυκητιακό φάρμακο από το είδος Penicillium griseofulvum. 

Άλλοι ιατρικά χρήσιμοι μεταβολίτες των μυκήτων περιλαμβάνουν την λοβαστατίνη από τον μύκητα Pleurotus ostreatus, που κατέλαβε την πρώτη θέση σε σειρά φαρμάκων (βλ. στατίνες) που μειώνουν τα επίπεδα χοληστερόλης. Επίσης η κυκλοσπορίνη (από το είδοςTolypocladium inflatum), η οποία χρησιμοποιείται για την καταστολή της ανοσολογικής απόκρισης μετά από επεμβάσεις μεταμόσχευσης οργάνων.

Επιπρόσθετα, η εργομητρίνη από το είδος Claviceps spp., το οποίο δρα ως αγγειοσυσταλτικό, χρησιμοποιείται για την πρόληψη της αιμορραγίας μετά τον τοκετό. Η ασπερλικίνη (από το είδος Aspergillus alliaceus), μια ουσία που είναι ένα πολύ χαρακτηριστικό παράδειγμα, διότι είναι ένας νέος ανταγωνιστής της χολοκυστοκινίνης, ενός δηλ. νευροδιαβιβαστή που πιστεύεται ότι εμπλέκεται στις κρίσεις πανικού και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία του άγχους.

Φυτά 

Τα φυτά αποτελούν κύρια πηγή πολύπλοκων και εξαιρετικά ποικιλόμορφων χημικών ενώσεων (φυτοχημικά).

Αυτή η δομική ποικιλομορφία τους αποδίδεται εν μέρει στη φυσική επιλογή των (φυτικών) οργανισμών που παράγουν ισχυρές ενώσεις για την αποτροπή φυτοφάγων. 

Οι κύριες κατηγορίες φυτοχημικών περιλαμβάνουν τις απλές φαινόλες (λιγνάνες, στιλβένια, φλαβονοειδή), τις πολυφαινόλες, τις ταννίνες, τα τερπένια και τα αλκαλοειδή. 

Αν και ο αριθμός των φυτών που έχουν μελετηθεί εκτενώς είναι σχετικά μικρός, έχουν ήδη εντοπιστεί πολλά φαρμακολογικώς ενεργά φυσικά προϊόντα. Κλινικά χρήσιμα παραδείγματα περιλαμβάνουν την αντικαρκινική ένωση πακλιταξέλη από τον φλοιό του είδους Taxus brevifolia και την επίσης αντικαρκινική μεπεσουκινική ομακεταξίνη από το είδος Cephalotaxus harringtonii. Επίσης τον ανθελονοσιακό αρτεμισινίνη από το είδος Artemisia annua όπως και την ακετυλοχολινεστεραση που χρησιμοποιείται για τη θεραπεία της νόσου του Αλτσχάιμερ. 

Άλλες δραστικές ουσίες φυτικής προέλευσης που χρησιμοποιούνται είτε για ιατρική χρήση είτε για ψυχαγωγική χρήση περιλαμβάνουν τις εξής: μορφίνη, κοκαΐνη, κινίνη, τουβοκουραρίνη, μουσκαρίνη και νικοτίνη.

Ζώα 

Τα ζώα αντιπροσωπεύουν επίσης μια πηγή βιοενεργών φυσικών προϊόντων. 

Ειδικότερα, τα δηλητηριώδη ζώα όπως τα φίδια, οι αράχνες, οι σκορπιοί, οι κάμπιες, οι μέλισσες, οι σφήκες, οι σαρανταποδαρούσες, τα μυρμήγκια, οι βάτραχοι και άλλα, έχουν τραβήξει την προσοχή της ερευνητικής κοινότητας. 

Αυτό συμβαίνει επειδή τα συστατικά στα δηλητήρια (π.χ. πεπτίδια, ένζυμα, νουκλεοτίδια, λιπίδια, βιογενείς αμίνες) έχουν συχνά πολύ συγκεκριμένες αλληλεπιδράσεις με έναν μακρομοριακό στόχο στο σώμα (π.χ. α-μπουνγκαροτοξίνη από κόμπρες). Όπως και με τα αποτρεπτικά για τη διατροφή των φυτών, αυτή η βιολογική δραστηριότητα αποδίδεται στη φυσική επιλογή, οι οργανισμοί που είναι ικανοί να θανατώσουν ή να παραλύσουν τη λεία τους -ή/και να αμυνθούν έναντι των εχθρών τους- είναι πιο πιθανό να επιβιώσουν τελικά στη φύση και να αναπαραχθούν.

Λόγω αυτών των ειδικών αλληλεπιδράσεων χημικού-στόχου, τα συστατικά των δηλητηρίων έχουν αποδειχθεί σημαντικά εργαλεία για τη μελέτη υποδοχέων, διαύλων ιόντων και ενζύμων. 

Σε ορισμένες περιπτώσεις έχουν επίσης χρησιμεύσει ως οδηγοί στην ανάπτυξη νέων φαρμάκων. Για παράδειγμα, η τεπροτίδη, ένα πεπτίδιο που απομονώθηκε από το δηλητήριο της βραζιλιάνικης οχιάς Bothrops jararaca, ήταν καθοριστικό στην ανάπτυξη των αντιυπερτασικών δραστικών ενώσεων, π.χ. σιλαζαπρίλης και καπτοπρίλης. Επίσης, η εχιστανίνη, μια αποσυντεγκρίνη από το δηλητήριο της είδους οχιάς Echis carinatus με λέπια, βοήθησε στην τελική ανάπτυξη του αντιαιμοπεταλιακού φαρμάκου που ονομάζεται Tirofiban.

Εκτός από τα ζώα της ξηράς και τα αμφίβια που περιγράφηκαν παραπάνω, πολλά θαλάσσια ζώα έχουν εξεταστεί για φαρμακολογικώς ενεργά φυσικά προϊόντα, με κοράλλια, σφουγγάρια, χιτωνοφόρα, θαλάσσια σαλιγκάρια και βρυόζωα, τα οποία όλα παράγουν χημικές ουσίες με πολύ ενδιαφέρουσες αναλγητικές, αντιικές και αντικαρκινικές δράσεις. 

Δύο αντιπροσωπευτικά παραδείγματα είναι αφενός η ω-κωνοτοξίνη από το θαλάσσιο σαλιγκάρι Conus magus (που αναφέρθηκε προηγούμενα) αλλά και η εκτεϊνασκιδίνη 743 που προέρχεται από το χιτωνοφόρο είδος Ecteinascidia turbinata. Το πρώτο χρησιμοποιείται για την ανακούφιση του έντονου και χρόνιου πόνου, ενώ το δεύτερο χρησιμοποιείται για τη θεραπεία του μεταστατικού σαρκώματος μαλακών ιστών. 

Άλλα φυσικά προϊόντα που προέρχονται από θαλάσσια είδη και τελούν υπό διερεύνηση ως πιθανές θεραπείες περιλαμβάνουν τα αντικαρκινικά συστατικά, δισκοδερμολίδη από τον σπόγγο Discodermia dissoluta, ελευθεροβίνη από το είδος κοραλλιού Erythropodium caribaeorum, και οι βρυοστατίνες από το σπάνιο είδος Bugula neritina.

Ιατρικές χρήσεις 
Τα φυσικά προϊόντα μερικές φορές έχουν φαρμακολογική δράση που μπορεί να επιφέρει θεραπευτικό όφελος στη θεραπεία ασθενειών. 

Επιπλέον, μπορούν να παρασκευαστούν συνθετικά -ανάλογα των φυσικών προϊόντων- με βελτιωμένη ισχύ και ασφάλεια (μειωμένη τοξικότητα), και επομένως, τα φυσικά προϊόντα χρησιμοποιούνται συχνά ως αφετηρία για την ανακάλυψη φαρμάκων. 

Τα συστατικά των φυσικών προϊόντων έχουν εμπνεύσει πολλές προσπάθειες ανακάλυψης φαρμάκων που τελικά κέρδισαν την έγκρισή τους ως νέα φάρμακα.

Παραδοσιακή ιατρική 

Οι αυτόχθονες πληθυσμοί και οι αρχαίοι πολιτισμοί πειραματίστηκαν με διάφορα μέρη φυτών και ζώων για να καθορίσουν και να ανακαλύψουν ποια επίδραση θα μπορούσαν να έχουν. Μέσω δοκιμής και λάθους σε μεμονωμένες περιπτώσεις, παραδοσιακοί θεραπευτές ή σαμάνοι βρήκαν κάποιες πηγές για να έχουν θεραπευτικό αποτέλεσμα, αντιπροσωπεύοντας τη γνώση -για ακατέργαστα φάρμακα- που μεταδόθηκε από γενιά σε γενιά για χρήσιμες παραδοσιακές πρακτικές, όπως η παραδοσιακή κινεζική ιατρική και η Αγιούρ Βέντα. 

Τα εκχυλίσματα ορισμένων φυσικών προϊόντων οδήγησαν στη σύγχρονη ανακάλυψη των ενεργών συστατικών τους και τελικά στην ανάπτυξη νέων φαρμάκων.

Φάρμακα από φυσικά προϊόντα 
Ένας μεγάλος αριθμός από τα σημερινά φάρμακα έχει προέλθει άμεσα ή/και έμμεσα από φυσικά προϊόντα.

Μερικά από τα παλαιότερα φάρμακα που βασίζονται σε φυσικά προϊόντα είναι τα αναλγητικά. Ο φλοιός της ιτιάς είναι γνωστό από την αρχαιότητα ότι έχει αναλγητικές ιδιότητες. Αυτό οφείλεται στην παρουσία του φυσικού προϊόντος, σαλικίνη, η οποία με τη σειρά της μπορεί να υδρολυθεί σε σαλικυλικό οξύ. Ένα συνθετικό παράγωγο αυτού, το ακετυλοσαλικυλικό οξύ, πιο γνωστό ως ασπιρίνη, είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο αναλγητικό. Ο μηχανισμός δράσης του έγκειται στην αναστολή του ενζύμου, κυκλοοξυγενάση (COX). 

Ένα άλλο αξιοσημείωτο παράδειγμα είναι το όπιο που εκχυλίζεται από φυσικά κόμμεα από το είδος Papaver somniferous (ένα ανθοφόρο φυτό παπαρούνας). Το πιο ισχυρό ναρκωτικό συστατικό του οπίου είναι το αλκαλοειδές μορφίνη, που δρα ως αγωνιστής των υποδοχέων οπιοειδών. 

Ένα πιο πρόσφατο παράδειγμα είναι το αναλγητικό, ζικονοτίδη, που είναι ένα πεπτίδιο, και αποτελεί έναν αναστολέα διαύλων ασβεστίου τύπου Ν το οποίο βασίζεται σε μια κυκλική πεπτιδική τοξίνη (ω-κωνοτοξίνη, MVIIA) από το σπάνιο είδος σαλιγκαριού Conus magus.

Σημαντικός αριθμός αντιμολυσματικών (ουσιών έναντι των λοιμώξεων) βασίζονται σε φυσικά προϊόντα. Το πρώτο αντιβιοτικό που ανακαλύφθηκε, η πενικιλίνη, απομονώθηκε από τη μούχλα, δηλ. μύκητες Penicillium. Η πενικιλίνη και οι σχετικές β-λακτάμες δρουν αναστέλλοντας το ένζυμο DD-τρανσπεπτιδάση που απαιτείται από τα βακτήρια για διασταύρωση της πεπτιδογλυκάνης για να σχηματιστεί το κυτταρικό τοίχωμα.

Αρκετά φάρμακα από φυσικά προϊόντα στοχεύουν στην τουμπουλίνη, η οποία είναι συστατικό του κυτταρικού σκελετού. Αυτά περιλαμβάνουν τον αναστολέα πολυμερισμού τουμπουλίνης, την κολχικίνη, που απομονώθηκε από το είδος Colchicum autumnale (φυτό κρόκου), το οποίο χρησιμοποιείται για τη θεραπεία της ουρικής αρθρίτιδας. Η κολχικίνη βιοσυντίθεται από τα αμινοξέα, φαινυλαλανίνη και τρυπτοφάνη.

Η πακλιταξέλη, αντίθετα, είναι ένας σταθεροποιητής πολυμερισμού της τουμπουλίνης και χρησιμοποιείται ως χημειοθεραπευτικό φάρμακο έναντι αριθμού καρκίνων. Αποτελεί αμιγώς φυσικό προϊόν, που ανακαλύφθηκε τυχαία, και χημικώς βασίζεται στο τερπενοειδές της ταξόλης, το οποίο απομονώνεται από ένα δασοπονικό είδος, τον ίταμο Taxus brevifolia (που φύεται στην Βόρεια Αμερική).

Μια κατηγορία φαρμάκων που χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μείωση της χοληστερόλης είναι οι αναστολείς της  αναγωγάσης HMG-CoA, για παράδειγμα, η ατορβαστατίνη, μία ένωση στατίνης. Αυτό αναπτύχθηκε ουσιαστικά από την μεβαστατίνη, ένα πολυκετίδιο που παράγεται με φυσικό τρόπο από τον μύκητα Penicillium citrinum. 

Επιπλέον, σειρά από φυσικά προϊόντα χρησιμοποιείται για τη θεραπεία της υπέρτασης και της συμφορητικής καρδιακής ανεπάρκειας. Αυτά περιλαμβάνουν έναν αναστολέα του μετατρεπτικού ενζύμου της αγγειοτενσίνης, που ονομάζεται καπτοπρίλη. Η καπτοπρίλη βασίζεται στον πεπτιδικό ενισχυτικό παράγοντα της βραδυκινίνης που απομονώνεται από το δηλητήριο μιας επικίνδυνης βραζιλιάνικης οχιάς που λέγεται Bothrops jararaca.

Περιοριστικοί παράγοντες 
Πολυάριθμες προκλήσεις περιορίζουν τη χρήση φυσικών προϊόντων για την ανακάλυψη φαρμάκων, με αποτέλεσμα οι φαρμακευτικές εταιρείες να προτιμούν τον 21ο αιώνα να επενδύουν σε προσπάθειες ανακάλυψης στον έλεγχο υψηλής απόδοσης καθαρών συνθετικών ενώσεων, με μικρότερα χρονοδιαγράμματα για βελτίωση. 

Οι πηγές φυσικών προϊόντων είναι συχνά μη σταθερές (μη αξιόπιστες) και ως προς την πρόσβαση και την προμήθεια, έχουν μεγάλη πιθανότητα επανάληψης, εγγενώς δημιουργούν ανησυχίες για την πνευματική ιδιοκτησία σχετικά με την προστασία των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, ποικίλλουν σε χημική σύνθεση λόγω της εποχής ή λόγω του περιβάλλοντος και είναι επιρρεπείς στα αυξανόμενα ποσοστά εξαφάνισης των ειδών.

Οι βιολογικοί πόροι, ωστόσο, για την ανάπτυξη καινοτομικών φαρμάκων από φυσικά προϊόντα παραμένουν άφθονοι στη Γη, και είναι μικρά τα ποσοστά μικροοργανισμών, φυτικών ειδών και εντόμων που ουσιαστικά έχουν αξιολογηθεί -ήδη- για βιοδραστικότητα. Σε τεράστιους αριθμούς, βακτήρια και θαλάσσιοι μικροοργανισμοί παραμένουν άγνωστα, ανεξέταστα. Βέβαιο είναι ότι η εν λόγω έρευνα θα ενταθεί στο μέλλον.

Από το 2008, το πεδίο της μεταγονιδιωματικής έχει προταθεί για την εξέταση των γονιδίων και της λειτουργίας (δράσης) τους στα μικρόβια του εδάφους, αλλά οι περισσότερες φαρμακευτικές εταιρείες δεν έχουν αξιοποιήσει πλήρως αυτούς τους φυσικούς πόρους, αντ' αυτού, οι εταιρείες επιλέγουν να αναπτύξουν συνθέσεις προσανατολισμένες στην ποικιλομορφία, από βιβλιοθήκες με γνωστά φάρμακα ή με φυσικές πηγές για ενώσεις μολύβδου, με υψηλότερη πιθανότητα βιοδραστικότητας.

Απομόνωση και καθαρότητα 

Όλα τα φυσικά προϊόντα ξεκινούν ως μείγματα με άλλες ενώσεις από τη φυσική πηγή, συχνά πολύ πολύπλοκα μείγματα, από τα οποία πρέπει να απομονωθεί και να καθαριστεί το προϊόν που ενδιαφέρει. 

Η απομόνωση ενός φυσικού προϊόντος αναφέρεται, ανάλογα με το πλαίσιο, είτε στην απομόνωση επαρκών ποσοτήτων καθαρής χημικής ύλης για την αποσαφήνιση της χημικής δομής του, τη χημεία παραγωγής και αποικοδόμησης, τις βιολογικές δοκιμές και άλλες ερευνητικές ανάγκες (γενικά σε ποσότητα mg) ή για την απομόνωση αναλυτικών ποσοτήτων της ουσίας ενδιαφέροντος, όπου η εστίαση είναι στον προσδιορισμό και την ποσοτικοποίηση της ουσίας (π.χ. σε βιολογικό ιστό ή σε υγρό) και όπου η ποσότητα που απομονώνεται εξαρτάται από την αναλυτική μέθοδο που εφαρμόζεται (αλλά γενικά είναι πάντα σε κλίμακα σε μg).  

Η ευκολία με την οποία ο δραστικός παράγοντας μπορεί να απομονωθεί και να καθαριστεί εξαρτάται από τη δομή, τη σταθερότητα και την ποσότητα του φυσικού προϊόντος. Οι μέθοδοι απομόνωσης που εφαρμόζονται για την επίτευξη αυτών των δύο διακριτών κλιμάκων προϊόντος είναι επίσης διαφορετικές, αλλά γενικά περιλαμβάνουν εκχύλιση, καθίζηση, προσροφήσεις, χρωματογραφία και μερικές φορές, και κρυσταλλώσεις. 

Και στις δύο περιπτώσεις, η απομονωμένη ουσία καθαρίζεται μέχρι χημικής ομοιογένειας, δηλ. συγκεκριμένος διαχωρισμός και οι αναλυτικές μέθοδοι όπως οι μέθοδοι υγρής χρωματογραφίας - φασματομετρίας μάζας (LC-MS) επιλέγονται ως «ορθογώνιες», επιτυγχάνοντας τους διαχωρισμούς με βάση διακριτούς τρόπους αλληλεπίδρασης μεταξύ ουσίας και μήτρας απομόνωσης. 

Στόχος είναι η επαναλαμβανόμενη ανίχνευση μόνο ενός μεμονωμένου είδους που υπάρχει στο υποτιθέμενο καθαρό δείγμα. Η πρώιμη απομόνωση ακολουθείται σχεδόν αναπόφευκτα από προσδιορισμό της δομής, ειδικά εάν μια σημαντική φαρμακολογική δραστηριότητα σχετίζεται με το καθαρισμένο φυσικό προϊόν. 

Ο προσδιορισμός δομής αναφέρεται σε μεθόδους που εφαρμόζονται για τον προσδιορισμό της χημικής δομής ενός απομονωμένου καθαρού φυσικού προϊόντος, μια διαδικασία που περιλαμβάνει σειρά από χημικές και φυσικές μεθόδους που έχουν μεταβληθεί σημαντικά και έχουν αναβαθμιστεί σε όλα αυτά τα πολλά χρόνια έρευνας των φυσικών προϊόντων. Τα πρώτα χρόνια έρευνας, αυτές επικεντρώνονταν στον χημικό μετασχηματισμό άγνωστων ουσιών σε γνωστές ουσίες και στη μέτρηση των φυσικών ιδιοτήτων τους, όπως το σημείο τήξης και το σημείο βρασμού και σε σχετικές μεθόδους για τον προσδιορισμό του μοριακού βάρους.  

Στη σύγχρονη εποχή, οι μέθοδοι επικεντρώνονται στη φασματομετρία μαζών και στις μεθόδους πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, συχνά πολυδιάστατες, και, όταν είναι εφικτό, σε κρυσταλλογραφία μικρών μορίων. Για παράδειγμα, η χημική δομή της πενικιλίνης καθορίστηκε από την πρωτοπόρο χημικό Ντόροθι Χότζκιν, το 1945, και για την έρευνά της αυτή αργότερα βραβεύτηκε η ίδια με το Νόμπελ Χημείας (1964).

Σύνθεση 
Πολλά φυσικά προϊόντα έχουν πολύ περίπλοκες δομές. Η αντιληπτή πολυπλοκότητα ενός φυσικού προϊόντος είναι ένα ποιοτικό ζήτημα, που συνίσταται στην εξέταση της μοριακής του μάζας, των ιδιαίτερων διατάξεων των υποδομών (δραστικές ομάδες, δακτύλιοι κ.ά.) μεταξύ τους, τον αριθμό και την πυκνότητα αυτών των λειτουργικών ομάδων, τη σταθερότητα αυτών των ομάδων αλλά και του μορίου στο σύνολό του, τον αριθμό και τύπο των στερεοχημικών στοιχείων, τις φυσικές ιδιότητες του μορίου και των ενδιάμεσων ενώσεων του (που επηρεάζουν την ευκολία χειρισμού και καθαρισμού του).

Όλα αυτά θεωρημένα στο πλαίσιο της καινοτομίας της δομής και εάν οι προηγούμενες σχετικές συνθετικές προσπάθειες τύχει να είναι επιτυχείς. Ορισμένα φυσικά προϊόντα, ειδικά αυτά που είναι λιγότερο περίπλοκα, παρασκευάζονται εύκολα και οικονομικά μέσω πλήρους χημικής σύνθεσης από άμεσα διαθέσιμα, απλούστερα χημικά συστατικά, μια διαδικασία που αναφέρεται ως ολική σύνθεση. Δεν είναι όλα τα φυσικά προϊόντα επιδεκτικά ολικής σύνθεσης, ή οικονομικά υλοποιήσιμα. Συγκεκριμένα, τα πιο περίπλοκα συχνά δεν είναι. 

Πολλές ενώσεις είναι προσβάσιμες, αλλά οι απαιτούμενες διαδρομές είναι απλώς πολύ δαπανηρές για να επιτρέψουν τη σύνθεση σε οποιαδήποτε βιομηχανική κλίμακα. Ωστόσο, για να είναι διαθέσιμα για περαιτέρω μελέτη, όλα τα φυσικά προϊόντα πρέπει να υφίστανται απομόνωση και καθαρισμό. Αυτό μπορεί να αρκεί εάν η απομόνωση παρέχει κατάλληλες ποσότητες του φυσικού προϊόντος για τον επιδιωκόμενο σκοπό (π.χ. ως φάρμακο για την ανακούφιση της νόσου). Φάρμακα όπως π.χ. η πενικιλλίνη, η μορφίνη και η πακλιταξέλη αποδείχθηκαν ότι αποκτώνται με βιώσιμο τρόπο σε απαραίτητες εμπορικές κλίμακες αποκλειστικά μέσω διαδικασιών απομόνωσης.  Ωστόσο, σε άλλες περιπτώσεις, οι απαραίτητοι παράγοντες δεν είναι διαθέσιμοι χωρίς χειρισμούς της συνθετικής χημείας.

Ημισύνθεση 
Η διαδικασία απομόνωσης ενός φυσικού προϊόντος από την φυσική πηγή του μπορεί να είναι δαπανηρή από την άποψη του χρόνου και των δαπανών. 

Για παράδειγμα, έχει υπολογιστεί ότι ο φλοιός ενός ολόκληρου δέντρου ίταμου (Taxus brevifolia) θα πρέπει να συγκομιστεί για να εξαχθεί αρκετή πακλιταξέλη για μία μόνο δόση θεραπείας. 

Επιπλέον, ο αριθμός δομικών αναλόγων που μπορούν να ληφθούν για ανάλυση δομής-δραστικότητας (SAR) περιορίζεται από τη βιολογία που λειτουργεί στον οργανισμό, και επομένως είναι εκτός του ελέγχου του πειραματιστή. 

Σε τέτοιες περιπτώσεις όπου ο τελικός στόχος είναι πιο δύσκολο να επιτευχθεί ή περιορίζει το SAR, είναι εφικτό να ληφθεί ένας βιοσυνθετικός πρόδρομος ή ανάλογο μεσαίου  σταδίου από το οποίο μπορεί να παρασκευαστεί ο τελικός στόχος. Αυτό ονομάζεται ημισύνθεση ή μερική σύνθεση. Με αυτή την προσέγγιση, το σχετικό βιοσυνθετικό ενδιάμεσο συλλέγεται και στη συνέχεια μετατρέπεται στο τελικό προϊόν με συμβατικές διαδικασίες χημικής σύνθεσης. 

Αυτή η στρατηγική μπορεί να έχει δύο πλεονεκτήματα. Πρώτον, το ενδιάμεσο μπορεί να εκχυλιστεί ευκολότερα και με υψηλότερη απόδοση. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η πακλιταξέλη, η οποία μπορεί να παρασκευαστεί με εκχύλιση της 10-δεακετυλομπακατίνης III από βελόνες του Τ. brevifolia και στη συνέχεια με σύνθεση τεσσάρων σταδίων.  Δεύτερον, η διαδρομή που έχει σχεδιαστεί μεταξύ ημισυνθετικής πρώτης ύλης και τελικού προϊόντος μπορεί να επιτρέπει τη σύνθεση αναλόγων του τελικού προϊόντος. 

Οι ημισυνθετικές πενικιλίνες νεότερης γενιάς αποτελούν παράδειγμα του πλεονεκτήματος αυτής της προσέγγισης, της ημισύνθεσης.

Ολική σύνθεση 

Γενικά, η ολική σύνθεση φυσικών προϊόντων είναι μια μη εμπορική αμιγώς ερευνητική δραστηριότητα, που στοχεύει στη βαθύτερη κατανόηση της σύνθεσης συγκεκριμένων πλαισίων φυσικών προϊόντων και στην ανάπτυξη θεμελιωδών νέων συνθετικών μεθόδων. 

Ακόμα κι έτσι, έχει τεράστια εμπορική και κοινωνική σημασία. Παρέχοντας προκλητικούς συνθετικούς στόχους, για παράδειγμα, επιβοηθάται η ανάπτυξη του τομέα της οργανικής χημείας. Πριν από την ανάπτυξη των μεθόδων αναλυτικής χημείας τον 20ο αιώνα, οι δομές των φυσικών προϊόντων επιβεβαιώθηκαν με ολική σύνθεση (σημ. ήταν η λεγόμενη «απόδειξη της χημικής δομής με σύνθεση»). 

Οι πρώτες προσπάθειες για τη σύνθεση φυσικών προϊόντων στόχευαν σύνθετες (πολύπλοκες) ουσίες όπως η κοβαλαμίνη (βιταμίνη Β12), ένας ουσιαστικός συμπαράγοντας στον κυτταρικό μεταβολισμό.

Συμμετρία 
Η εξέταση διμερισμένων και τριμερισμένων φυσικών προϊόντων έδειξε ότι συχνά υπάρχει ένα στοιχείο διμερούς συμμετρίας. 

Η αμφίπλευρη συμμετρία αναφέρεται σε ένα μόριο ή σύστημα που περιέχει μια ταυτότητα ομάδας σημείων C2, Cs ή C2v. Η συμμετρία C2 τείνει να είναι πολύ πιο άφθονη από άλλους τύπους αμφίπλευρης συμμετρίας. Αυτό το εύρημα έριξε φως στον τρόπο με τον οποίο αυτές οι ενώσεις θα μπορούσαν να δημιουργηθούν μηχανιστικά, και παρείχε μια εικόνα για τις θερμοδυναμικές ιδιότητες που κάνουν αυτές τις ενώσεις πιο ευνοϊκές.

Στη συνέχεια η συναρτησιακή θεωρία πυκνότητας (DFT), η μέθοδος Hartree-Fock και οι ημιεμπειρικοί υπολογισμοί της κβαντικής χημείας, έδειξαν κάποια τάση για διμερισμό σε φυσικά προϊόντα λόγω της εξέλιξης περισσότερης ενέργειας ανά δεσμό από το ισοδύναμο τριμερές ή τετραμερές. Αυτό πιθανά να οφείλεται σε στερεοχημική παρεμπόδιση στον πυρήνα του μορίου, καθώς τα περισσότερα φυσικά προϊόντα διμερίζονται και τριμερίζονται με τρόπο από την κεφαλή προς την κεφαλή, και όχι από την κεφαλή προς την ουρά.

Έρευνα και διδασκαλία 
Οι ερευνητικές και διδακτικές δραστηριότητες που σχετίζονται με τα φυσικά προϊόντα εμπίπτουν σε διάφορους  τομείς, όπως π.χ. οργανική χημεία, φαρμακευτική χημεία,  φαρμακογνωσία, εθνοβοτανική, παραδοσιακή ιατρική και  εθνοφαρμακολογία. 

Άλλοι τομείς της βιολογίας -που άμεσα σχετίζονται με τα φυσικά προϊόντα- περιλαμβάνουν τη χημική βιολογία, τη χημική οικολογία, τη χημειογονιδιωματική, τη βιολογία συστημάτων, τη μοριακή μοντελοποίηση, τη χημειομετρία και τη χημειοπληροφορική.

Χημεία 
Η χημεία των φυσικών προϊόντων είναι ένας ξεχωριστός τομέας της χημικής έρευνας, που ήταν σημαντικός για την ανάπτυξη και την ιστορία της χημείας. 

Η απομόνωση και η αναγνώριση φυσικών προϊόντων ήταν σημαντική για την προμήθεια ουσιών κατά την πρώιμη προκλινική έρευνα ανακάλυψης φαρμάκων, για την κατανόηση της παραδοσιακής ιατρικής και της εθνοφαρμακολογίας, καθώς και για την εύρεση φαρμακολογικά χρήσιμων περιοχών (λ.χ. ναρκωτικών ουσιών). Για να επιτευχθεί αυτό, έχουν γίνει πολλές τεχνολογικές πρόοδοι, όπως η εξέλιξη της τεχνολογίας που σχετίζεται με τους χημικούς διαχωρισμούς και η ανάπτυξη σύγχρονων μεθόδων στον προσδιορισμό της χημικής δομής, όπως το NMR. 

Οι πρώτες προσπάθειες κατανόησης της βιοσύνθεσης φυσικών προϊόντων, είδαν τους χημικούς να χρησιμοποιούν πρώτη ραδιοσήμανση και πιο πρόσφατα σταθερή σήμανση ισοτόπων σε συνδυασμό με πειράματα NMR. Επιπλέον, τα φυσικά προϊόντα παρασκευάζονται με βιολογική σύνθεση, για να επιβεβαιωθεί η δομή τους ή για να δοθεί πρόσβαση σε μεγαλύτερες ποσότητες φυσικών προϊόντων ενδιαφέροντος. Σε αυτή τη διαδικασία, η δομή ορισμένων φυσικών προϊόντων έχει αναθεωρηθεί,    και η πρόκληση της σύνθεσης φυσικών προϊόντων οδήγησε στην ανάπτυξη νέας συνθετικής μεθοδολογίας και συνθετικής στρατηγικής. 

Από αυτή την άποψη, τα φυσικά προϊόντα διαδραματίζουν κεντρικό ρόλο στην εκπαίδευση νέων συνθετικών οργανικών χημικών και αποτελούν βασικό κίνητρο για την ανάπτυξη νέων παραλλαγών παλαιών χημικών αντιδράσεων (π.χ. αντίδραση Evans aldol), καθώς και για την ανακάλυψη πλήρως νέων αντιδράσεων (π.χ. αντιδράσεις διασταυρούμενης σύζευξης Woodward cis-hydroxylation, ή εποξείδωση Sharpless, ή αντίδραση Suzuki-Miyaura).

Ιστορική αναδρομή

Χημεία των φυσικών προϊόντων 
Η έννοια των φυσικών προϊόντων χρονολογείται από τις αρχές του 19ου αιώνα, όταν και ετέθησαν τα θεμέλια της οργανικής χημείας. 

Η οργανική χημεία θεωρούνταν -εκείνη την εποχή- ως η χημεία των ουσιών από τις οποίες αποτελούνται τα φυτά και τα ζώα. Ήταν μια πολύπλοκη μορφή χημείας και βρισκόταν σε πλήρη αντίθεση με την ανόργανη χημεία, οι αρχές της οποίας είχαν θεσπιστεί από το 1789 από τον πρωτοπόρο («πατέρα» της χημείας) Γάλλο χημικό Αντουάν Λωράν Λαβουαζιέ στο μνημειώδες έργο του Traité Élémentaire de Chimie.

Απομόνωση 
Ο Λαβουαζιέ απέδειξε, στα τέλη του 18ου αιώνα, ότι οι οργανικές ουσίες αποτελούνταν από περιορισμένο αριθμό χημικών στοιχείων: κυρίως άνθρακα και υδρογόνο, που ήταν συμπληρωμένα με οξυγόνο και άζωτο. Γρήγορα εστίασε στην απομόνωση αυτών των ουσιών, συχνά επειδή είχαν ενδιαφέρουσα φαρμακολογική δράση. 

Τα φυτά ήταν η κύρια πηγή τέτοιων ενώσεων, ιδιαίτερα τα αλκαλοειδή και οι γλυκοζίτες. Ήταν από χρόνια πριν γνωστό ότι το όπιο, ένα κολλώδες μείγμα αλκαλοειδών (συμπεριλαμβανομένης της κωδεΐνης, της μορφίνης, της νοσκαπίνης, της θηβαΐνης και της παπαβερίνης) από την παπαρούνα οπίου του είδους Paver somniferum, είχε ναρκωτικές και ταυτόχρονα παρανοϊκές δράσεις. 

Μέχρι το 1805, η μορφίνη είχε ήδη απομονωθεί από τον Γερμανό χημικό Φρίντριχ Σέρτιρνερ και τη δεκαετία του 1870 ανακαλύφθηκε ότι ενδεχόμενος βρασμός της μορφίνης με οξικό ανυδρίτη παρήγαγε μια ουσία με ισχυρή κατασταλτική δράση του πόνου: την ηρωίνη. 

Το 1815, ο Γάλλος χημικός Σεβρέλ απομόνωσε την χοληστερόλη, μια κρυσταλλική ουσία από ζωικό ιστό, που ανήκει στην κατηγορία των στεροειδών και το 1819 απομονώθηκε η στρυχνίνη, ένα αλκαλοειδές με ισχυρές δηλητηριώδεις δράσεις.

Σύνθεση 
Ένα δεύτερο σημαντικό βήμα ήταν η σύνθεση οργανικών ενώσεων. Ενώ η σύνθεση ανόργανων ουσιών ήταν γνωστή αρκετές δεκαετίες πριν, η σύνθεση οργανικών ουσιών ήταν ένα πάρα πολύ δύσκολο εγχείρημα στη χημεία. 

Το 1827 ο φημισμένος Σουηδός χημικός Μπερζέλιους υποστήριξε ότι χρειαζόταν μια απαραίτητη δύναμη της φύσης για τη σύνθεση οργανικών ενώσεων, που την αποκάλεσε «ζωτική δύναμη» (vital force). Αυτή η φιλοσοφική ιδέα, ο βιταλισμός, μέχρι τον 19ο αιώνα είχε πολλούς υποστηρικτές ακόμα και μετά την εισαγωγή της ατομικής θεωρίας. Η ιδέα του βιταλισμού συμβάδιζε ιδιαίτερα με τις πεποιθήσεις στην ιατρική, και τότε, οι πιο παραδοσιακές θεραπευτικές θεωρίες (πρακτικές) πίστευαν ότι η ασθένεια ήταν το αποτέλεσμα κάποιας ανισορροπίας στις ζωτικές ενέργειες, που διακρίνει τη ζωή από τη μη ζωή. 

Μια πρώτη προσπάθεια για να καταπέσει η θεωρία του βιταλισμού έγινε το 1828, όταν ο Γερμανός χημικός Φρήντριχ Βέλερ κατάφερε να συνθέσει την ουρία, ένα φυσικό προϊόν που βρίσκεται στα ούρα του ανθρώπου και των θηλαστικών, θερμαίνοντας το κυανικό αμμώνιο -μια ανόργανη ένωση- όπως φαίνεται παρακάτω στην αντίδραση:

 

Αυτή η αντίδραση απέδειξε ότι δεν υπήρχε ανάγκη για «ζωτική δύναμη» για την παρασκευή οργανικών ουσιών. Αυτή η ιδέα, ωστόσο, αρχικά αντιμετωπίστηκε με μέγιστο βαθμό σκεπτικισμού και απόρριψης, και μόνο 20 χρόνια αργότερα, με τη σύνθεση οξικού οξέος από άνθρακα από τον χημικό Adolph Wilhelm Hermann Kolbe, έγινε ευρέως αποδεκτή η ιδέα. 

Η οργανική χημεία έχει από τότε εξελιχθεί σε έναν ανεξάρτητο κλάδο έρευνας, αφιερωμένο στη μελέτη ενώσεων που περιέχουν άνθρακα, καθώς αυτό το κοινό στοιχείο ανιχνεύτηκε σε ποικιλία φυσικών ουσιών που προέρχονται από τη φύση. Ένας σημαντικός παράγοντας για τον χαρακτηρισμό των οργανικών υλικών ήταν η βάση των φυσικών τους ιδιοτήτων (όπως π.χ. το σημείο τήξης, το σημείο βρασμού, η διαλυτότητα, η κρυσταλλικότητα, το χρώμα).

Δομικές θεωρίες 
Ένα τρίτο βήμα ήταν η αποσαφήνιση της δομής των οργανικών ουσιών: αν και η στοιχειακή σύνθεση των καθαρών οργανικών ουσιών (ανεξάρτητα από το αν ήταν φυσικής ή συνθετικής προέλευσης) μπορούσε να προσδιοριστεί με αρκετά καλή ακρίβεια, η ακριβής μοριακή δομή ήταν -τότε- ένα πάρα πολύ δύσκολο πρόβλημα. 

Η παρόρμηση να γίνει δομική διαλεύκανση προέκυψε από μια ακαδημαϊκή διαμάχη μεταξύ του Friedrich Wöhler και του Φον Λήμπιχ, οι οποίοι και οι δύο μελέτησαν ένα άλας αργύρου της ίδιας σύνθεσης αλλά ανακάλυπταν εντελώς διαφορετικές ιδιότητες. Ο Wöhler μελέτησε τον κυανικό άργυρο, μια αβλαβή ουσία, ενώ ο Φον Λήμπιχ ερεύνησε τον κεραυνικό άργυρο, ένα άλας με πολύ εκρηκτικές ιδιότητες. Η στοιχειακή ανάλυση έδειχνε ότι και τα δύο άλατα περιέχουν ίσες ποσότητες αργύρου, άνθρακα, οξυγόνου και αζώτου. Σύμφωνα με τις τότε επικρατούσες ιδέες, και οι δύο ουσίες θα έπρεπε να έχουν τις ίδιες (φυσικής ή χημικές) ιδιότητες, αλλά αυτό δεν συνέβαινε, ούτε κάποιο λογικό συμπέρασμα εξάγονταν.

Αυτή η φαινομενική αντίφαση επιλύθηκε αργότερα από τη θεωρία των ισομερών του Μπερζέλιους, όπου αποδείχτηκε ότι όχι μόνο ο αριθμός και ο τύπος των στοιχείων είναι σημαντικοί για τις ιδιότητες και τη χημική αντιδραστικότητα των ενώσεων, αλλά και η (στερεοχημική) θέση των ατόμων μέσα σε μια ένωση. Αυτό ήταν μια άμεση αιτία για την ανάπτυξη των θεωριών δομής, όπως η ριζοσπαστική θεωρία του Jean-Baptiste Dumas και η θεωρία υποκατάστασης του Auguste Laurent.  

Ωστόσο, χρειάστηκε να περάσουν κάποια χρόνια, μέχρι το 1858, προτού ο Γερμανός χημικός Κέκουλε διατυπώσει τη συγκεκριμένη θεωρία δομής. Υποστήριξε -τότε- ότι ο άνθρακας είναι τετρασθενής και μπορεί να συνδεθεί με τον εαυτό του για να σχηματίσει αλυσίδες άνθρακα-άνθρακα, όπως όντως συμβαίνει σε πολλά φυσικά προϊόντα.

Διεύρυνση της έννοιας 
Η έννοια του φυσικού προϊόντος, που αρχικά βασιζόταν σε οργανικές ενώσεις που μπορούσαν να απομονωθούν από φυτά, επεκτάθηκε ούτως ώστε να συμπεριλάβει και ενώσεις από ζωικό υλικό στα μέσα του 19ου αιώνα από τον Γερμανό χημικό Γιούστους φον Λήμπιχ.

Ο φημισμένος Γερμανός επιστήμονας Εμίλ Φίσερ το 1884, έστρεψε την προσοχή του και τη βασική του έρευνα στη μελέτη των υδατανθράκων και των πουρινών και για αυτό το καινοτομικό έργο του στην οργανική χημεία του απέφερε δικαίως το βραβείο Νόμπελ το 1902. Κατάφερε επίσης να παράξει συνθετικά στο εργαστήριο ποικιλία υδατανθράκων, συμπεριλαμβανομένης της γλυκόζης και της μαννόζης. 

Μετά την ανακάλυψη της πενικιλίνης από τον Φλέμινγκ το 1928, μύκητες και άλλοι μικροοργανισμοί προστέθηκαν στην ευρεία γκάμα των πηγών των φυσικών προϊόντων. Αυτού του είδους η έρευνα συνεχίζεται και μέχρι τις μέρες μας, αφού τα φυσικά προϊόντα είναι πάρα πολλά (σημ. αρκετά από αυτά δεν τα έχουμε ανακαλύψει ακόμα).

Σημεία - ορόσημα 
Μέχρι τη δεκαετία του 1930, πολλές μεγάλες κατηγορίες φυσικών προϊόντων ήταν ήδη γνωστές. Στα σημαντικά αυτά σημεία - ορόσημα περιλαμβάνονται και τα εξής:  

 Τερπένια, αρχικά μελετήθηκαν συστηματικά από τον Όττο Βάλαχ (βραβείο Νόμπελ 1910) και αργότερα από τον Λεόπολντ Ρουζίτσκα (βραβείο Νόμπελ 1939)
 Βαφές με βάση τις πορφίνες (συμπεριλαμβανομένης της χλωροφύλλης και της αίμης), που μελετήθηκαν από τον Ρίχαρντ Βίλστετερ (βραβείο Νόμπελ 1915) και τον Hans Fischer (βραβείο Νόμπελ 1930)
 Στεροειδή, που μελετήθηκαν από τον Heinrich Otto Wieland (βραβείο Νόμπελ 1927) και τον Adolf Windaus (βραβείο Νόμπελ 1928)
 Καροτενοειδή, που μελετήθηκαν από τον Paul Karrer (βραβείο Νόμπελ 1937)
 Βιταμίνες, που μελετήθηκαν, μεταξύ πολλών άλλων, από τους ερευνητές Paul Karrer, Adolf Windaus, Robert R. Williams, Norman Haworth (βραβείο Νόμπελ 1937), Richard Kuhn (βραβείο Νόμπελ 1938) και 'Αλμπερτ Σεντ-Γκιέργκι
 Ορμόνες, που μελετήθηκαν από τον Adolf Butenandt (βραβείο Νόμπελ 1939) και τον Edward Calvin Kendall (βραβείο Νόμπελ 1950)
 Αλκαλοειδή και ανθοκυανίνες, που μελετήθηκαν, μεταξύ άλλων, από τον Robert Robinson (βραβείο Νόμπελ 1947)

Δείτε επίσης 
 Βιογενής ουσία
 Φαρμακογνωσία
 Φυτοθεραπεία

Επιστημονικά περιοδικά 
 Chemistry of Natural Compounds
 Journal of Natural Products
 Natural Product Reports
 Natural Product Research

Σημειώσεις

Παραπομπές

Περαιτέρω ανάγνωση

Εξωτερικοί σύνδεσμοι 
 
 

Προιοντα
Φυσικα προιοντα