第一章植物次生代谢

初生代谢和次生代谢的关系
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植物的次生代谢是相对于初生代谢而言的，
是释放能量的代谢，是以初生代谢的中间产物作
为起始物(底物)的代谢。通常认为，植物的次生
代谢与其生长、发育、繁殖无直接关系，所产生
的次生代谢物被认为是释放能量过程产生的物质。
次生代谢物的意义
• 长期以来，次生代谢物被认为是代谢中不再起
作用的末端产物，为废物储藏在植物的各种组织中， 虽对其生存有重要的生态作用，但在生物体内所执 行的功能并不重要。 • 近年来研究发现，其实在所有旺盛生长的细胞 中都发生着次生代谢物的不断合成和转化，其中很 多次生代谢物有着很强的生物活性，具有特殊的医 疗价值，如生物碱、萜类化合物、芳香族化合物等， 通常称为有效成分。
初生代谢和次生代谢的关系
• 植物次生代谢产物的种类繁多、化学结构 多种多样，但从它们的生源发生和生物合成途 径看，次生代谢与初生代谢的关系，和蛋白、 脂肪、核酸与初生代谢的关系很相似，也是从 几个主要分叉点与初生代谢相连结，初生代谢 的一些关键产物是次生代谢的起始物。
“代谢纽”
• 乙酰辅酶A是初生代谢的一个重要“代谢 纽”，在TCA循环、脂肪代谢、能量代谢上占有 重要地位，它又是次生代谢产物黄酮类化合物和 萜类化合物的起始物。乙酰辅酶A会在一定程度 上相互独立地调节次生代谢和初生代谢，同时又 将糖代谢和TCA途径结合起来。从生源发生的角 度看，次生代谢产物可大致归为萜类、芳香族化 合物和生物碱三大类。它们与初生代谢的关系如 图所示。
(二)莽草酸途径
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天然化合物中具有C6-C3骨架的苯丙素类、
香豆素类、木脂素类以及具有C6-C3-C6骨架的黄 酮类化合物极为多见，其中的C6-C3骨架均出苯 丙氨酸经苯丙氨酸脱氨酶脱去氨后生成的桂皮酸
得来。
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桂皮酸的前体是莽草酸，可是莽草酸还是
酪氨酸、色氨酸等其他芳香酸类的前体，后两者 又与生物碱的生物合成密切相关，所以有专家认
2．乙酰—甲戊二羟酸(MVA)途径
• 生物体内真正的异戊烯基单位为焦磷酸二甲 烯丙酯（DMP)及其异构体焦磷酸异戊烯酯 (IPP)，它们均由MVA变化而来，在相互衔接时 一般为头—尾相接，但自三萜起，则呈尾—尾 相接方式。各种萜类分别由对应的焦磷酸酯得 来，三萜及甾体类则由反式角鳖烯转变而成， 它们再经氧化、还原、脱胺、环合或重排，即 生成种类繁多的萜类及甾体化合物。出于MVA 也是由乙酰辅酶A出发外成，故其生物合成基 源也是乙酰辅酶A。
酸等。其中，芳香族氨基酸来自莽草酸途径，脂
肪族氨基酸则基本上由来自TCA循环及糖酵解途 径中形成的α-酮酸经还原氨化后形成。
（四）复合途径
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由复合适径生成成的化合物均由两个以上不
同的生物合成途径所生成。
• 常见的复合适径有下列几种组合：
• A. 乙酰—丙二酸—莽草酸途径
• B. 乙酰—丙二酸—甲戊二羟酸途径
次生代谢的多途径的意义
• 次生代谢的多途径观点，表明次生代谢 “全能性”的可调控性，包括含量的提高和成 分的改变。所以“全能性’与“多途径”是相 辅相成的，也是利用生物技术生产次生代谢物 的理论依据。
• C . 氨基酸—乙酰—甲戊二羟酸途径
• D .氨基酸—乙酰—丙二酸途径
• E．氨基酸—莽草酸途径
其他途径
• 许多天然化合物均由上述特定的生物合成途 径所生成、但是也有少数例外。例如，植物界 中广泛分布的没食子酸在不同的植物中，或由 莽草酸直接生成(如老鹳草)，或由桂皮酸生成 (如漆树)，或由苔藓酸得来。
第一节 初生代谢与次生代谢
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植物的新陈代谢可以分为初生代谢和次生
代谢。初生代谢与植物的生长发育和繁殖直接
相关，是植物获得能量的代谢，是为生物体生
存、生谢(降解作用)和合
成代谢(合成作用)。
一、初生代谢
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绿色植物及藻类可通过光合作用将二氧化
碳和水合成糖类，并放出氧气，生成的糖则进
• 复合单位：由上述单位复合构成。
• 天然化合物的主要生物合成途径如下，且大多数已 用同位素示踪试验得到了证明
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(一)乙酰辅酶A途径
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这一过程的生物合成基源(起始物)是乙酰
辅酶A。由此基源出发，又形成两条支途径，
即乙酰-丙二酸途径利乙酰-甲戊二羟酸途径、
1．乙酰-丙二酸(AA-MA)途径
• 脂肪酸类、酚类、蒽醌类等均由这一途径 生成。这一过程的出发单位(起始物)是乙酰辅 酶A。
三、次生代谢途径及次生代谢物
• 天然化合物的主要合成途径(姚新生、1994)。
主要的生物合成途径
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虽然从自然界得到的化合物总数非常多，其结构
也千变万化，非常复杂，但它们均由一定的基本结
构单位按不同方式组合而成。常见的基本结构单位
大概有以下几种类型
• C２单位：如脂肪酸、酚类、苯醌等聚酮类化合物。 • C５单位(异戊烯单位)：如萜类、甾类等。 • C６单位：如香豆素、木脂体等苯丙素类化合物。 • 氨基酸单位：如生物碱类化合物。
为莽草酸途径将无法限定为仅由桂皮酸而来的苯
丙素类化合物，故而将这一支路称之为桂皮酸途
径。
(三)氨基酸途径
• 天然产物中的生物碱类成分均由此途径生成。 有些氨基酸脱按成为胺类，再经过一系列化学反
应(甲基化、氧化、还原、重排等)后即转变成为
生物碱。
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并非所有的氨基酸都能转变成为生物碱。作
为生物碱前体的氨基酸，脂肪族中主要有鸟氨酸、 赖氨酸。芳香族中则有苯丙氨酸、酪氨酸、色氨
第二节 植物次生代谢的基础理论
• 一、次生代谢的“全能性” • 二、次生代谢的多途径观点 • 三、次生代谢的可调控性
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一、次生代谢的“全能性”
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植物细胞“全能性”
• 次生代谢的“全能性”是指任何植物的离体细胞， 在适宜的人工培养条件下，都具有亲本植物的合成 次生代谢物的能力—培养细胞的药物生物合成的全 能性。换句话说，就是次生代谢物合成的全部遗传 信息(转录、翻译、基因表达等)和生理基础(酶、底 物、代谢纽)，都存在于一个离体细胞中。植物细胞 代谢的全能性是植物细胞代谢工程的基础。
A(为合成酯质的重要原料)等，并通过固氮反应得到一 系列的氨基酸（合成肽及蛋白质的重要原料)。
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这些过程因为对维持植物生命活动来说是不可缺少
的过程，且几乎存在于所有的绿色植物中，所以称之为
切生代谢过程：糖、蛋白质、酯质、核酸等这些对植物
体生命活动来说不可缺少的物质，则称为初生代谢物。
二、次生代谢
• 在特定的条件下，一些重要的初生代谢产物， 如乙酰辅酶A，丙二酸单酰辅酶A，莽草酸及一些 氨基酸等、作为原料或前体，又进一步经历不同 的代谢过程。这一过程产生一些通常对生物生长 发育无明显用途的化合物，即“天然产物”，如 黄酮、生物碱、萜类等化合物。合成这些天然产 物的过程就是次生代谢，因而这些天然产物也被 称为次生代谢物。
二、次生代谢的多途径观点
次生代谢的多途径隆主要表现在： （1）同一底物可以通过不同的代谢途径合成不 同的代谢谢产物； （2）同一产物可以由同一底物经不同途径产生； （3）一产物也可由不同底物通过不同途径形成， 如黄酮类、多酚类化合物可由不同途径、不同底 物形成。这些途径在时间上是并行和交错的，在 空间上是多方向的(正反方向和分支)。这种多途 径在时间和空间上不同强度与速度的搭配，构成 了植物培养细胞次生代谢的不同类型。
一步通过不同的途径(糖酵解—三羧酸循环途径
和磷酸戊糖途径)代谢，产生三磷酸腺苷(ATP)
及辅酶I(NAD)等维持植物肌体生命活动的能量
物质，以及丙酮酸、磷酸烯醇式丙酮酸、4—
磷酸—赤藓糖、核糖等。
初生代谢
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核糖是合成核酸的重要原料；
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磷酸烯醇式丙酮酸与4-磷酸赤藓糖可进一步合成莽
草酸；
• 丙酮酸经过氧化、脱胺后生成乙酰辅酶A，再进入三 羧酸循环中，生成一系列的有机酸及丙二酸单酰辅酶