《植物此生代谢产物.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《植物此生代谢产物.doc（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、植物次生代谢物综述班级：09农学（2）班姓名：学号：植物次生代谢物综述 植物次生代谢( secondary metabolism)是由初生代谢( p rimary metabolite) 派生的一类特殊代谢过程,是植物在长期进化中与环境相互作用的结果。近来的研究发现,植物次生代谢物在植物生命活动的许多方面均起着重要作用,且部分是植物生命活动所必需的。例如,吲哚乙酸、赤霉素直接参与生命活动的调节;木质素为细胞次生壁的重要组成成分;叶绿素、类胡萝卜素等萜类物质作为光合色素参与光合作用过程等。随着次生代谢产物在医药、食品、轻化工等领域的广泛应用,其物质的种类、代谢途径,以及代谢机理等相关问题亦倍受研
2、究者关注,是植物生理学、植物化学等众多学科的主要研究内容之一。植物次生代谢物的产生和分布通常有种属、器官组织和生长发育期的特异性。目前其分类方法主要有如下三种: 根据化学结构不同,分为酚类、萜类和含氮有机物等; 根据结构特征和生理作用不同,生物碱与植物毒素等; 根据其生物合成的起始分子不同,分为萜类、生物碱类、苯丙烷类及其衍生物等三个主要类型。笔者将按第三种分类方法对其物质种类、代谢类型等方面的研究进展进行概述。1萜类化合物萜类化合物(perpenoid)是所有异戊二烯聚合物及其衍生物的总称,以异戊烷五碳类异戊二烯为基本单位,又称类异戊二烯( isop renoid) ,以侧链重复连接方式递增
3、,分开链类和环萜类两种。开链型类萜的分子组成通式为(C5H8 ) n ,包括半萜(C5 ,即含一个异戊二烯单位, n = 1) 、单萜(C10 , n = 2) 、倍半萜(C15 , n = 3) 、双萜(C20 , n = 4) 、三萜(C30 , n =6) 、四萜(C40 , n = 8) 、多萜( C40 , n 8)及杂萜(含异戊二烯侧链)等。环萜型类萜因分子内碳环数的不同,可分为单环萜、双环萜、三环萜等。半萜、单萜及其简单含氧衍生物是挥发油的主要成分;双萜是形成树脂的主要成分;倍半萜是萜类的最大一族,约有7000多种,作用广泛;二萜、三萜多以皂甙形式存在。双萜类以上也称“高萜类化合
4、物”,一般不具挥发性。植物萜类广泛分布于植物、微生物的初级代谢物和次级代谢物中。1. 1萜类化合物的生物合成萜类化合物的生物合成过程从属于异戊二烯代谢途径,总体可分为四步:( 1 ) 前体物质异戊烯焦磷酸( isopentenyldiphosphate, IPP) 的合成: IPP 或二甲丙烯焦磷酸, DMAPP, IPP的异构化产物)为萜类合成的基本前体,合成途径有两条,即甲羟戊酸途径和甘油醛磷酸/丙酮酸径。经典的MVA途径存在于胞质和内质网中, 32羟基232甲基戊二酸单酰CoA 还原为该途径的第一个限速酶; DXP途径存在于质体中,参与此途径的两个限速酶分别是12去氧木糖252磷酸合成酶
5、和12去氧木糖252磷酸还原酶。此外,线粒体亦可通过MVA途径产生泛醌异戊二烯基团,是第三类IPP生物合成区室。IPP合成途径的区室化特征可能与萜类代谢亚细胞水平特异性有关。(2) 异戊二烯焦磷酸同系物的产生: IPP在异戊烯基转移酶的作用下发生亲电子延伸反应,使相应的中产物通过C5 单位头对尾、头对头等方式连续加成形成异戊烯焦磷酸同系物。如法呢基焦磷酸、牻牛儿基焦磷酸、牻牛儿牻牛儿基焦磷酸等烯丙焦磷酸酯类物质,是构成各类萜化合物的直接前体。异戊烯基转移酶催化亲电耦合反应的过程为丙烯基焦磷酸酯首先离子化,再和IPP的末端双键反应形(3) 萜类基本骨架的构建:各类烯丙基焦磷酸酯经特异性萜类合酶作
6、用可产生各种萜类的碳骨架,如植烯、鲨烯的形成等。(4) 骨架的次级酶修饰:萜类碳骨架合成后,需经过附加不同含氧官能团、共振结构和环化作用等次级修饰过程,才可赋予萜类物质结构多样性、化学性质复杂性,以及功能特异性等特征。如( - ) 2柠檬烯在不同烯丙位上特异性引入一个氧原子,就会在辣薄荷中转化为( - ) 2薄荷醇,在留兰香中转变为( - ) 2香芹酮,二者分别为不同种植物精油的特征性成分。向萜类骨架引入氧原子的羟基化或环氧化反应,多由细胞色素P450多功能氧化酶催化完成。1. 2萜类化合物的代谢调控植物次生代谢途径通常以不同类别的次生代谢物合成途径为单位即代谢频道的形式存在。植物萜类化合物,
7、如单萜、倍半萜以及双萜等高级萜类不仅拥有单独的合成途径,且具独特的酶促反应机制。例如,番茄果实甾醇和胡萝卜素的合成分别由不同的HMGR等位基因所控制;马铃薯中HMG1负责机械损伤诱导的甾醇合成, HMG2和HMG3则负责诱发因子作用下倍半萜植保素的合成。萜类的代谢频道不仅受植物发育进程的调控,亦受不同诱发因子的启动。如气候条件是影响萜类物质形成的重要因素之一,其种类、数量、含量和释放量都会随季节的变化而变化,多数热带植物含有大量挥发油成分;亚热带松柏科植物树脂含量明显高于温带松柏科植物。此外,萜类代谢与植物营养水平有关ant等提出的“碳2营养平衡”假说认为,植物体内以C为基础的次生代谢物质(如
8、萜类、酚类等)与以N为基础的次生代谢物质(如生物碱等)基本保持一种平衡关系。在植物生长过程中,添加N可以导致以C为基础的次生代谢物质的减少,其中单萜类化合物受营养水平的影响更为显著。病虫害侵袭能诱导植物产生更多的挥发性物质,或改变植物挥发性物质成分的含量及组分浓度比。如青蒿素单萜合成酶cDNA 的转录可被伤诱导;华山松球果受害后,萜类各组分的含量明显增加。萜类物质的变化有利于植株进行自我保护及防御病虫害的侵袭。植物萜类化合物的生物合成受关键酶与限速酶的调控,如转移酶、合酶、环化酶等 。其中,关键酶的表达决定代谢途径的启动及相关特定物质的合成,而限速酶的表达则与物质的合成量相关。萜类合酶是萜类生
9、物合成的关键酶,是研究萜类代谢途径的重点,目前主要研究方向为萜类合酶分子DNA序列分析。该酶具有多重特性,如一种植物中有多种萜类合酶基,其表达有时空特异性,在特定细胞和组织中表达,在生长发育的特定阶段表达,以及具防御反应诱导的瞬时表达等。但是,该合酶基因在植物中一般表达量低,难于分离纯化。目前已从植物中得到约100 个萜类合酶的cDNA,已具备从一级结构分析萜类合酶的基础各种萜类环化酶、鲨烯合成酶是萜类代谢途径的限速酶。代谢频道内多个相关酶活性的协同提高,往往可显著地提高次生代谢物的产量。如McMullen等通过QTL分析发现玉米黄酮甙( flavone glycoside,又称maysin)
10、的生物合成量的提高与各种酶活性的协同表达关。近年来,人们已拓宽了对萜类化合物代谢工程的研究策略,利用增加萜类代谢途径中限速步骤酶编码基因的拷贝数,或通过反义RNA和RNA干涉等技术,以增加灭活代谢途径中具有反馈抑制作用的编码基因,在不影响细胞基本生理状态的前提下,阻断或抑制与目的途径相竞争的代谢流;利用已有的途径构建新的代谢旁路合成新的萜类化合物等。例如,将萜类代谢途径中的一系列关键酶基因导入大肠杆菌中可构建一条新的代谢途径,实现在无类胡萝卜素合成的大肠杆菌菌株中生成类胡萝卜素。研究表明,部分大肠杆菌菌株经DXP途径可以合成少量的类胡萝卜素,通过基因工程增加此代谢途径中关键酶基因的拷贝数后其合
11、成量明显提高。2生物碱生物碱( alkaloid)属含氮有机次生代谢物中的最大一族,主要包括异奎啉类、吲哚类和多炔类等。大约20%的有花植物都能产生生物碱,目前已经分离到12 000余种,其中许多种类是药用植物的有效成分。如喜树(Cam ptotheca acum inata )中喜树碱为一种有效的抗癌药物;罂粟中可待因具有止痛、镇咳功效;金鸡纳树(Cinchona of2f icinalis)中奎宁为传统的抗疟疾药物, 用来消除对其他抗疟疾药物产生的抗性; 长春花(Catharanthusroseus)中长春花碱为抗肿瘤药物,可用于治疗淋巴瘤等。2. 1生物碱类化合物的生物合成大多数生物碱分
12、子都是由L2氨基酸(如色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸和精氨酸等)单独合成,或者与类固醇、类裂环烯醚萜(如次番木鳖苷)或其他类萜配基结合生成。根据合成前体不同,生物碱可分为真生物碱、伪生物碱和原生物碱。真生物碱和原生物碱都是氨基酸衍生物,但后者不含杂氮环,而伪生物碱则不来源于氨基酸,是由萜类、嘌呤和甾类化合物转化而来。普通氨基酸经三羧酸循环一两次转变即可成为具高度特异性的生物碱合成前体。目前研究发现,植物生物碱的主要类型为萜类吲哚生物碱、苄基异喹啉生物碱、茛菪碱、烟碱和嘌呤生物碱等,这些生物碱在植物体内均有其特定的生物合成途径或代谢频道形式存在。萜类吲哚生物碱分子含有吲哚环和次番木鳖苷。异胡豆
13、苷合酶是该途径关键酶之一,其中产物异胡豆苷( strictosidine) ,是该途径重要的分支点,可进一步转化为长春花碱、奎宁、番木鳖碱等多种同类生物碱;四氢苯基异喹啉类生物碱合成途径的分支点为( S) 2网状番荔枝碱,在特异性合酶的作用下可进一步合成黄连素、延胡索碱、吗啡等生物碱。烟碱和茛菪碱等生物碱的合成前体为鸟氨酸,腐胺2N2甲基转移酶、托品酮还原酶、东茛菪胺羟基化酶等为该类物质生物合成的关键酶。2. 2生物碱类化合物的代谢调节植物生物碱代谢途径是一个动态的复杂过程 ,既受到植物本身遗传背景和生长发育进程的调控,也受到病虫侵染和取食、生态环境、营养水平、养分形态等各种诱发因子刺激的作用
14、。例如,氮素有利于植物生物碱产额的提高,反之,缺乏氮素则严重抑制生物碱的合成;氮素形态差异对生物碱的合成和积累也有影响,可导致生物碱含量或各组分比例的改变, 但其影响机制, 目前还知之甚少。已知的植物生物碱代谢频道中,其代谢途径往往受到在空间、区域和底物上的高度特异酶的调控。例如,生物碱长春多灵的生物合成过程分别在细胞质、液泡、液泡膜、内质网膜、类囊体膜等5个以上细胞区室内完成。苯基异喹啉生物碱的合成途径中黄连素桥酶及( S) 2四氢原黄连素氧化酶都定位在由光滑内质网产生的小泡中,是一种微小粒体细胞色素P450依赖型氧化酶,具有高度底物特异性 47 。吲哚232甘油磷酸裂解酶、酪氨酸/多巴脱羧
15、酶、小檗碱桥酶等可能是各类生物碱合成途径的限速酶,决定着生物碱的合成与积累量。托品酮还原酶、小檗碱桥酶、氧甲基转移酶等为催化合成生物碱中特定立体结构基本骨架的专一性酶,而羟基化酶、脱氢酶和单氧化酶等修饰酶类,虽然对底物要求不高但可影响生物碱代谢的最终产物类型 。植物次生代谢往往涉及多个酶基因的协同表达。增强关键酶基因转录因子或调节基因的拷贝数,可强化次生代谢多基因的协同表达,促进次生产物的合成,是物次生代谢基因工程的新途径。目前,研究者已从长春花中分离得到茉莉酸诱导型的AP2区域转录因子ORCA3,该转录因子在长春花中的组成型表达,使得萜类吲哚生物碱关键酶的表达增强,目标产物合成量提高。此外,
16、通过强启动子与酶基因嵌合转化的基因添加方式也可提控制特定生物碱合成的关键酶和限速酶的活性,例如将长春花中色氨酸脱羧酶和异胡豆苷合酶的嵌合基因连接到组成型启动子上,再转入长春花,转基因长春花培养细胞中萜类吲哚生物碱含量增加;强化转基因植物中与生物碱合成有关的酪氨酸/多巴脱羧酶和色氨酸脱羧酶基因的协同表达,可减少吲哚芥子油苷的含量,增加吲哚生物碱的含量。3苯丙烷类化合物苯丙烷类化合物(phenylp ropanoid)或其衍生物广泛分布于约250 000种维管植物中,结构迥异,种类繁多,广泛参与调节生长发育、繁殖和防御等各种植物生理活动。黄酮类化合物泛指由2个芳香环(A和B)通过中央三碳链相互连接而成的以苯色酮环为基础结构的一系列化合物,目前已发现4500多种异型分子,如花色素苷(色素) 、原花色素或缩合鞣质(阻食剂或木材保护剂) 、异黄酮类化合物(防御产物和/或信号分子) 、查尔酮、
