类胡萝卜素生物合成抑制剂的研究进展解析

类胡萝卜素生物合成抑制剂的研究进展11应用化学摘要概述了类胡萝卜素生物合成抑制剂类除草剂的作用机理以及八氢番茄红素去饱和酶(phytoene desaturase, PD酶)抑制剂的结构-活性关系。

简要介绍了进入商品化开发应用的类胡萝卜素生物合成抑制剂类除草剂品种以及它们的除草活性。

类胡萝卜素生物合成是极佳的除草剂作用靶标,经类胡萝卜素生物合成抑制剂处理后的植物最明显的症状是产生白化叶片【1】。

植物产生白化叶片的首要原因是类胡萝卜素生物合成被抑制,其次是叶绿素生物合成被抑制,而且已合成的叶绿素还会遭到破坏。

尽管经药剂处理后的植株仍能生长一段时间,但是由于不能产生绿色的光合组织,因此其生长不可能持续下去,随后生长停止,植物死亡【2】。

由于此类除草剂以类胡萝卜素生物合成为作用点,确保了动植物之间的选择毒性,具有高效、低毒的特点,成为新型除草剂开发的热点。

1、类胡萝卜素生物合成类胡萝卜素在植物中的生物合成途径见图l:首先,异戊烯焦磷酸(IPP)在IPP异构酶作用下生成二甲基丙烯基二磷酸(DMAPP),然后DMAPP在拢儿基抛牛儿基焦磷酸合成酸(CGPS)作用下与三个IPP缩合,依次生成10碳的拢牛少L焦磷酸(GPP)、巧碳的法尼基焦磷酸(FPP〕即碳的橄儿基推牛儿基焦磷酸(GGPP)。

2个GGPP在八氢番茄红素合成酶(PSY)作用下形成第一个40碳的、无色的举胡萝卜素一八氢番茄红素(Phytone)。

Phytone再经过连续的脱氢反应、共扼双键延长,经八氢番茄红素脱氮酶(PDS)脱笨形成ζ一类胡萝卜素,直至在ζ一胡萝卜素脱氢酶(ZDS)作用下形成番茄红素(Lycopene)。

番茄红素是类胡萝卜素进一步合成代谢的分枝点,可被环化形成β一、ε一环两大类胡萝卜素分支。

番茄红素分子的两个末端在番茄红素β一环化酶(LycB)作用下形成β一环,即为β一胡萝卜素;若只有其中一个末端在番茄红素ε一环化酶(LycE)作用下形成ε一环,即为δ一胡萝卜素;而若分子的两个末端分别被LycB及LycE作用形成β一环和ε一环,即为α一胡萝卜素[3][4]。

α一、β一胡萝卜素还可形成结构更为复杂的叶黄素等[5]。

类胡萝卜素是含 40 个碳的类异戊烯聚合物，即四萜化合物，是含有 8 个异戊二烯单位的四萜化合物，由两个二萜缩合而成。

植物中的萜类化合物有两条合成途径，即甲羟戊酸途径( mevalonate，MVA)和2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸( 2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate，MEP) 途径。

Zhan 等【6】综述了植物帖类化合物的生物合成途径并以图表形式清晰的给出了类胡萝卜素生物合成的前体物质异戊烯二磷酸( isopentenydiphosphate，IPP) 主要来自于 MEP 途径，其在 IPP 异构酶作用下生成二甲基丙烯基二磷酸 ( dimethylallyldiphosphate，DMAPP) 。

MEP 途径主要在植物特有的细胞器质体中进行，以 IPP 为中间产物，除了类胡萝卜素，赤霉素、脱落酸、生育酚、叶绿素、叶醌、质体醌和单萜等的合成也是通过该途径。

三个 IPP 分子和一个 DMAPP 分子在牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶( geranylgeranyl diphosphate synthase，GGPS) 催化下缩合形成 20 个碳原子的牻牛儿基牻牛儿基二磷酸( geranylgeranyl diphosphate，GGPP) ，GGPP 是多种物质生物合成的共同前体，是形成植物类胡萝卜素最直接的前体，参与合成植物中第一个类胡萝卜素———八氢番茄红素。

在八氢番茄红素合酶( phytoene synthase，PSY) 催化下，两个 GGPP 分子缩合生成类胡萝卜素生物合成途径中的第一个化合物: 无色的 15-顺式-八氢番茄红素。

在植物中，由八氢番茄红素脱氢酶 ( phytoenedesaturase，PDS ) 和ζ-胡萝卜素脱氢酶 ( ζ-carotenedesaturase，ZDS) 催化 4 步脱氢反应，PDS 脱氢作用的产物 9，15，9'-三顺式-ζ-胡萝卜素，在光和ζ-胡萝卜素异构酶( ζ-carotene isomerase，ZISO) 作用下异构形成黄色的 9，9'-二顺式-ζ-胡萝卜素【7】，在植物非绿色组织中，由类胡萝卜素异构酶( carotenoid isomersase，CRTISO)催化作用下，生成全反式番茄红素【8】【9】。

全反式番茄红素是一种红色的类胡萝卜素，主要存在于西瓜、番茄等的果实中。

番茄红素分子式为 C40H56，为含有 11 个共轭双键和 2 个非共轭双键的多不饱和脂肪烃，是一种很重要的类胡萝卜素，结晶是暗红色【10】。

分子式及其晶体结构如图 2所示:图2 番茄红素的结构及其晶体番茄红素环化反应是类胡萝卜素进一步合成代谢的分支点，可被环化形成β-、ε-环两大类胡萝卜素。

番茄红素分子的两个末端在番茄红素β-环化酶( lycopeneβ-cyclase-L YCB) 作用下形成β-环，即为β-胡萝卜素，其分子结构如图3所示。

图3 β-胡萝卜素的结构及其晶体β-胡萝卜素以不同的有机溶剂提取得到的晶体形状不同，一般为深紫红色六棱柱结晶或红色正方形叶片晶体。

可溶于二硫化碳、苯、氯仿等溶剂，微溶于甲醇、乙醇、食用油等溶剂，不溶于水、酸和碱等。

β-胡萝卜素对空气、光和热较敏感，空气中易被氧化而变为无色、无活性的氧化产物【11】，其晶体结构如图4 所示。

图 4 δ-胡萝卜素的结构若只有其中一个末端在番茄红素ε-环化酶( lycopene ε-cyclase-L YCE) 作用下形成ε-环，即为δ-胡萝卜素，其分子结构如图 4 所示。

以δ-胡萝卜素为底物经过L YCB 催化，在其另一端形成β-环，生成α-胡萝卜素。

α-胡萝卜素为红黄色板状结晶，能溶于石油醚、氯仿，难溶于甲醇，其分子结构如图5所示【12】。

图 5 α-胡萝卜素的结构β-胡萝卜素、α-胡萝卜素、γ-胡萝卜素和β-隐黄质都含有未被取代的β-环，是维生素A 生物合成的前体物质，被称为维生素A 原。

β-胡萝卜素环可以在非亚铁血红素β-胡萝卜素羟化酶( β-carotene hydroxylase，BCH) 催化下经中间产物β-隐黄质( β-cryptoxanthin)生成玉米黄质( zeaxanthin) ，而α-胡萝卜素则可在细胞色素P450 胡萝卜素羟化酶( ε-carotene hydroxylase，CYP97) 的作用下生成叶黄素【12-14】。

叶黄质和玉米黄质在生物体内以酯化物形式存在，且存在立体异构现象【15-16】。

玉米黄质可以转化为花药黄质( a ntheraxanthin) ，进而转化为紫黄质( violaxanthinde) ，两步环氧化作用都是在玉米黄质环化酶( zeaxanthin epoxidase，ZEP)催化作用下完成。

在胡萝卜素分子中引入羟基、酮基、醚基、环氧基等含氧基团，可以将其转化为其氧化衍生物叶黄素( 类胡萝卜素中的另一大类物质) 。

常见的叶黄素主要有α-隐黄质、叶黄质、玉米黄质、紫黄质、新黄质、辣椒红素和虾青素等，都是常见的氧化衍生叶黄素，其类胡萝卜素分子中引入了羟基、酮基、醚基、环氧基等含氧基团，是类胡萝卜素中的另一大类物质，类胡萝卜素合成途径如图6 所示。

2、类胡萝卜素生物合成的调控一般来说，类胡萝卜素在体内的生物合成是通过基因和环境因素（如：光、氧及营养等）多级调控的。

许多文章都论述了不同种生物中类胡萝卜素生物合成的调控【2,8】。

在此，只将基因调控及合成抑制方面的研究予以介绍。

2.1基因调控高等植物光和组织的多种突变可影响其中的类胡萝卜素生物合成，并可能会产生多种表型，包括在叶子生长过程中的光漂白和其它变化。

许多人已对Arabidopsis thalianna，Lycopersicon esculentum 和Zea mays 中的突变做了深入的研究[15]。

此外，已有文献报道了在Hordeum vulgare、Capsicum annuum和Helianthus annuus中的突变。

除了突变之外，高等植物中类胡萝卜素的生物合成也受到植物生长和个体发育的调控，例如，PSY和PDS在Lycopersicon esculentum 的叶子、花和果实中的表达就明显不同。

在花的发育期，这两种基因的表达产物会比开花前多10倍[16]。

与高等植物相比，微生物中类胡萝卜素生物合成的基因调控比较简单。

母菌株通过各种处理（如物理、化学和放射等处理）即可得到突变型或新菌株。

2.2合成的抑制对类胡萝卜素生物合成抑制的研究已有40 年的历史。

Bramley曾对类胡萝卜素生物合成的抑制以及各种抑制剂的情况进行过全面的评述[17]。

已经证明，多种化合物在合成途径中可抑制各种反应，主要是八氢番茄红素去饱和环化反应。

图6阐明了多种抑制剂和其作用点。

这些抑制剂在生物合成途径和反应机制的研究中起到了重要的作用，尼古丁是个典型的例子。

它可在各种微生物中抑制环化反应，从而导致番茄红素和链孢红素在体内的积累，现被大量用于类胡萝卜素生物合成途径的研究中。

图6 类胡萝卜素生物合成抑制剂的作用位点示意图类胡萝卜素的生物合成对许多生物（尤其是光合生物）的生命是很重要的，抑制类胡萝卜素的生物合成可能导致生物体的死亡。

在高等植物的光合组织中，八氢番茄红素去饱和反应的抑制剂可导致组织失去颜色，最终导致植物体的死亡。

因此，这些抑制剂亦可作为漂白除草剂。

3、类胡萝卜素生物合成抑制剂作用机理的研究类胡萝卜素生物合成需要多种酶的参与(见图7),理论上讲,抑制参与催化的任何一种酶都能阻断类胡萝卜素的生成,最终导致植物死亡[18]。

目前,研究最为透彻的作用位点是八氢茄红素去饱和酶(phytoene desaturase, PD酶)以及F-胡萝卜素去饱和酶(F-carotenedesaturase, ZD酶),尤其是PD酶。

图74、类胡萝卜素生物合成抑制剂类胡萝卜素生物合成抑制剂又称白化除草剂(bleaching herbicide)。

此类除草剂引起的变化主要表现为植物出现白化叶片,导致植物死亡。

主要原因有两点:其一,植物体内类胡萝卜素生物合成被抑制;其二,植物体内叶绿素生物合成被抑制[19]。

阻断类胡萝卜素生物合成的主要两种酶为八氢番茄红素去饱和酶(PDS)以及F-胡萝卜素去饱和酶(ZDS)。

4.1八氢番茄红素去饱和酶,F-胡萝卜素去饱和酶抑制剂的作用机制目前,研究最为透彻的类胡萝卜素生物合成抑制剂的作用位点是八氢番茄红素去饱和酶以及F-胡萝卜素去饱和酶。