麦角生物碱研究进展
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
DMATS 是一个分子质量为 105kD 的同型二聚体， 它是麦角碱生物合成途径的酶之一，此酶是合成麦角 生物碱的关键一步，也是限速步骤。Tsai 等[6]克隆了 C. fusiformis 中的该酶基因(dmaW)，推算得出该基因编 码 455 个氨基酸，分子质量约 51.8kD。Arntz 等[7]克隆 了黑麦麦角菌中的该酶基因(cpd 1)，他们是以 dmaW 基 因的 cDNA 为探针，从黑麦麦角菌 P1 菌株中克隆获得 cpd 1。
+7
1
3
源自文库PP
HN
2
NH2
CO2H
DMAPP
Trypyophan
N CH3
HN Agroclavine
P450 Monooxygenase
12 OH
N CH3 HN
Elymoclavine
cpd1 DMAT-Synthase
NH2 CO2H HN DMAT
(cpox1) Chanoclavine-Cyclase O
系列生物碱衍生物。目前已经从麦角中提取了 40 多种生 物碱。天然的生物碱结构都是相似的，都有四核环 - 麦 角灵(ergoline)(图 3)，在 N6 位甲基化，C8 位被不同的 取代基取代，这也是生物碱的不同之处。大部分麦角
生物碱在 C8、C9(A8,9-ergolenes)或者在 C9、C10(A - 9,10 ergolenes)有双键，新麦角烯(ergolene)派生物在 C5、C10 或者在 C5、C8 有两个不对称中心(图 4)。由于在 C8 位 有不对称原子，可发生异构化(由 8R 转变成 8S)形成不具 生理活性的差向异构体。
NHCH3
HN Chanoclavine-1-aldehyde
cpP450-1 Monooxygenase
COOH 8 9
N CH3 H
HN Paspalic acid
(orfB) Methyitransferase
Chanoclavine-Synthase NHCH3 CO2H
OH IR
NHCH3
D- 麦角酸肽合成酶(LPS)属于非核糖体肽合成酶 (NRPS)，它由 2 个亚基(LPS1 和 LPS2)组成，是麦角肽 碱合成的关键酶。
Tudzynski 等[8]发现在黑麦麦角菌中存在麦角生物碱 生物合成基因成簇(cluster)(图 1)。在 cpd 1 的下游有一 个 cpps1 基因，氨基酸序列分析表明，在对应的区段 LPS1 与 cpps1 的推断产物 CPPS1 基本一致，由此推论 cpps1 就是 LPS1 的编码基因。在 cpd 1 上游包括 2 个单 模块的肽合成酶基因(cpps2 和 cpps3)。cpps2 经过生化 遗传学分析证明为 LPS2 的编码基因。几个氧化酶基因 (cpox 1、cpox 2、cpox 3)其编码的产物可能在生物合 成的早期发挥作用。
※专题论述
食品科学
2010, Vol. 31, No. 11 283
1.2 麦角生物碱的生物合成途径
1.2.1 麦角碱合成中的相关酶和基因[5] 为了研究麦角毒素的毒理学性质和合成途径，对麦
角毒素的产生进行了研究。麦角生物碱的生物合成途径 大约有十几步反应，各步骤均受到相应酶的调控，但 有关酶学方面的知识仍然有限。目前，从酶的作用机 制、结构和基因水平进行详细研究的只有二甲烯丙基色 氨酸合成酶(dimethylallyltryptophan synthetase， DMATS)和 D- 麦角酸肽合成酶(D-lysergylpeptide synthetase，LPS)。
Research Progress of Ergot Alkaloids
LU Chun-xia，WANG Hong-xin* (State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology, Jiangnan University,
cpox3 cpP450-1 cpox2 orfB cpd 1
cpps 1
2kb
1 80 270
cpps2 cpcat2 cpox1orfA LPS2
850 950 1308 1
orfC LPS1
600700 1100 1170 1800 2200 27502850 3232
图 1 麦角碱生物合成基因簇示意图[9] Fig.1 Gene cluster of ergot alkaloid biosynthesis
1 麦角毒素的产生及合成途径
1.1 麦角毒素的产生[1] 麦角菌(Claviceps purpurea)属于真菌门，子囊菌亚
门，核菌纲，球壳目，麦角菌科，麦角菌属。在黑 麦开花期，麦角菌线状、单细胞的子囊孢子借风力传
播到寄主的穗花上，立刻萌发出芽管，由雌蕊的柱头 侵入子房。菌丝滋长蔓延，发育成白色、棉絮状的菌 丝体并充满子房。毁坏子房内部组织后逐渐突破子房 壁，生出成对短小的分生孢子梗，其顶端产生大量白 色、卵形、透明的分生孢子。同时菌丝体分泌出一种 具甜味的黏性物质，引诱苍蝇、蚂蚁等昆虫把分生孢 子传至其他健康的花穗上，麦角病随之重复传播。当 黑麦快成熟时，受害子房不再产生分生孢子，子房内 部的菌丝体逐渐收缩成一团，进而变成黑色坚硬的菌丝 组织体，将子房变为菌核，形状如同麦粒，故称之为 麦角。
HN
cpps2 LPS2
S
H3C
O
ON
N H
CH3
HN
OS
H H3C
O ON
N CH3
H
HN
ON
N
H3C
O
ON
N CH3
H
HN
S O cpps1 LPS1
H HN
O H3C H
NO
H
H
N
O N CH3
H
O
H
N P450 Monooxygenase
OH
O H3C OH
HN
OO H3C H
N
H
N
O
NO N
麦角肽碱衍生自 D- 麦角酸 - 三肽内酰胺前体。它是 从 D- 麦角酸开始构建，在一种典型的非核糖体肽合成 酶(non-ribosomal peptide synthetase，NRPS)—— D- 麦 角酸肽合成酶催化下将氨基酸逐个加上去(图 2b)。
2 麦角生物碱的种类与结构[12]
麦角碱的活性成分主要是以麦角酸为基本结构的一
spontaneously
H
NO
H
NO CH3
NH O H
H
H CH3 Ergotamine
N
b.麦角肽碱的合成(如：麦角胺)。
图 2 麦角碱生物合成途径[11]
Fig.2 Biochemical pathways of ergoc alkaloids biosynthesis
282 2010, Vol. 31, No. 11
食品科学
※专题论述
麦角生物碱的研究进展
卢春霞，王洪新 *
(食品科学与技术国家重点实验室，江南大学食品学院，江苏 无锡
214122)
摘 要：麦角生物碱是由麦角菌属(Claviceps)产生的生物碱毒素，易引起人和动物麦角中毒，同时也具有多种生 物活性，主要用于治疗偏头疼、产后出血、乳腺病、帕金森病、脑血管系统等疾病。本文详细阐述了麦角碱的 产生、理化性质、生物合成、危害、生物活性以及检测方法。 关键词：麦角生物碱；生物合成；基因；检测
Key words：ergot alkaloids；biosynthesis；gene；detection
中图分类号：R282.71
文献标识码：A
文章编号：1002-6630(2010)11-0282-07
麦角生物碱(ergot alkaloilds，EA)简称麦角碱，是 由麦角菌属(Claviceps)侵害黑麦、大麦、小麦、裸麦、 燕麦以及多种禾本科植物而产生的生物碱毒素。动物食 入含麦角的植物和人食用含麦角的面粉制品后，均可引 起中毒。麦角毒素的活性成分主要是以麦角酸为基本结 构的一系列生物碱衍生物，如麦角胺(ergotamine)、麦 角新碱(ergonovine)、麦角毒碱(ergotoxin)、麦角生碱 (ergosine)、麦角克碱(ergocristine)等。国外对麦角生物 碱的研究比较深入，本文从麦角碱的产生、理化性质、 生物合成、危害、生物活性以及检测方法进行阐述， 为麦角碱的研究提供参考。
This paper reviews the production of ergot alkaloids, physical and chemical properties, biosynthesis, hazards, biological
activity, as well as the detection method.
1.2.2 麦角碱合成途径[10] 麦角碱生物合成首先是合成麦角灵环，由乙酰辅酶
A 生成的甲戊二羟酸(MVA)是生物碱合成的起始物，进 而形成焦磷酸二甲烯丙酯，在二甲烯丙基色氨酸合酶 (dimethylallytrytophan synthase，DMATS)催化下与 L- 色氨酸发生环合得到二甲烯丙基色氨酸(dimethylallyt rytophan，DMAT)。DMAT 在甲基转移酶催化下发生
HN
MeDMAT
b
H COOH
9
10
N CH3
H
HN
Chanoclavune-1
a.麦角酸的合成
cpps1 Lysergylpeptidyl-Synthetase (LPS)1
Ala
Phe
Pro
HN D-Lyserglc acid
COOH H
9
10
N CH3
H
HN
D-Lyserglc acid
Lsa OS N CH3
N- 甲基化，之后脱羧并环合形成裸麦角碱(chanoclavine-1)， 再经氧化、环合得到田麦角碱(agoclavine)。田麦角碱 在田麦角碱 - 1 7 - 单加氧酶催化下形成野麦角碱 (elymoclavine)，而后经野麦角碱 -17- 单加氧酶作用形成 雀稗草酸(paspalic acid)，雀稗草酸可自发地异构化成 D麦角酸(D-lysergic acid)，至此已完成麦角灵环的生物合 成(图 2a)。在 C.fusiformis 菌株中，生物合成途径在形 成 D- 麦角酸之前终止，其终产物为棒麦角碱类，多为 田麦角碱和野麦角碱及其衍生物。而雀稗麦角菌和黑麦 麦角菌的生物碱合成途径则继续下去，从 D- 麦角酸合 成麦角酰胺类或麦角肽碱。
Wuxi 214122, China)
Abstract：Ergot alkaloids are mycotoxins, which are produced from fungi in the family of Clavicipitaceae. Toxicity of ergot
alkaloids is an important issue to human and animals. However, ergot alkaloids exhibited a therapeutic effect on some forms of migraine, postpartum hemorrhages, mastopathy, Parkinson, s disease, cerebrovascular insufficiency and venous insufficiency.
有报道称，曲霉属[2]和青霉属[3]也可以产生麦角生 物碱。但是，由于这些霉菌主要产生对人体有害的黄 曲霉毒素和桔霉素，所以，人们对其产生少量的麦角 生物碱没有给予过多的关注。更特别的是，Friedman 等[4]1989 年报道，一种旋花科植物的成熟种子也产生麦 角生物碱。
收稿日期：2009-10-26 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目( 2 0 0 7 B A K 3 6 B 0 6 ) 作者简介：卢春霞(1978 —)，女，博士研究生，研究方向为食品营养与安全。E-mail：shzlcx2002@163.com * 通信作者：王洪新(1964 —)，男，教授，博士，研究方向为食品功能因子。E-mail：whx1964@126.com
8
9
7
12
D
10
NH
13
5
A
C
14 15
4 16 B3
HN
2
图 3 麦角灵
Fig.3 Ergoline
R1 R2
R2
R1
H N CH3
H
N CH3
H
HN
HN
图 4 新麦角烯
Fig.4 Ergolenes
284 2010, Vol. 31, No. 11
食品科学
※专题论述
a
4
3＇
3
6
5
4
2 HR 1
+7
1
3
源自文库PP
HN
2
NH2
CO2H
DMAPP
Trypyophan
N CH3
HN Agroclavine
P450 Monooxygenase
12 OH
N CH3 HN
Elymoclavine
cpd1 DMAT-Synthase
NH2 CO2H HN DMAT
(cpox1) Chanoclavine-Cyclase O
系列生物碱衍生物。目前已经从麦角中提取了 40 多种生 物碱。天然的生物碱结构都是相似的，都有四核环 - 麦 角灵(ergoline)(图 3)，在 N6 位甲基化，C8 位被不同的 取代基取代，这也是生物碱的不同之处。大部分麦角
生物碱在 C8、C9(A8,9-ergolenes)或者在 C9、C10(A - 9,10 ergolenes)有双键，新麦角烯(ergolene)派生物在 C5、C10 或者在 C5、C8 有两个不对称中心(图 4)。由于在 C8 位 有不对称原子，可发生异构化(由 8R 转变成 8S)形成不具 生理活性的差向异构体。
NHCH3
HN Chanoclavine-1-aldehyde
cpP450-1 Monooxygenase
COOH 8 9
N CH3 H
HN Paspalic acid
(orfB) Methyitransferase
Chanoclavine-Synthase NHCH3 CO2H
OH IR
NHCH3
D- 麦角酸肽合成酶(LPS)属于非核糖体肽合成酶 (NRPS)，它由 2 个亚基(LPS1 和 LPS2)组成，是麦角肽 碱合成的关键酶。
Tudzynski 等[8]发现在黑麦麦角菌中存在麦角生物碱 生物合成基因成簇(cluster)(图 1)。在 cpd 1 的下游有一 个 cpps1 基因，氨基酸序列分析表明，在对应的区段 LPS1 与 cpps1 的推断产物 CPPS1 基本一致，由此推论 cpps1 就是 LPS1 的编码基因。在 cpd 1 上游包括 2 个单 模块的肽合成酶基因(cpps2 和 cpps3)。cpps2 经过生化 遗传学分析证明为 LPS2 的编码基因。几个氧化酶基因 (cpox 1、cpox 2、cpox 3)其编码的产物可能在生物合 成的早期发挥作用。
※专题论述
食品科学
2010, Vol. 31, No. 11 283
1.2 麦角生物碱的生物合成途径
1.2.1 麦角碱合成中的相关酶和基因[5] 为了研究麦角毒素的毒理学性质和合成途径，对麦
角毒素的产生进行了研究。麦角生物碱的生物合成途径 大约有十几步反应，各步骤均受到相应酶的调控，但 有关酶学方面的知识仍然有限。目前，从酶的作用机 制、结构和基因水平进行详细研究的只有二甲烯丙基色 氨酸合成酶(dimethylallyltryptophan synthetase， DMATS)和 D- 麦角酸肽合成酶(D-lysergylpeptide synthetase，LPS)。
Research Progress of Ergot Alkaloids
LU Chun-xia，WANG Hong-xin* (State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology, Jiangnan University,
cpox3 cpP450-1 cpox2 orfB cpd 1
cpps 1
2kb
1 80 270
cpps2 cpcat2 cpox1orfA LPS2
850 950 1308 1
orfC LPS1
600700 1100 1170 1800 2200 27502850 3232
图 1 麦角碱生物合成基因簇示意图[9] Fig.1 Gene cluster of ergot alkaloid biosynthesis
1 麦角毒素的产生及合成途径
1.1 麦角毒素的产生[1] 麦角菌(Claviceps purpurea)属于真菌门，子囊菌亚
门，核菌纲，球壳目，麦角菌科，麦角菌属。在黑 麦开花期，麦角菌线状、单细胞的子囊孢子借风力传
播到寄主的穗花上，立刻萌发出芽管，由雌蕊的柱头 侵入子房。菌丝滋长蔓延，发育成白色、棉絮状的菌 丝体并充满子房。毁坏子房内部组织后逐渐突破子房 壁，生出成对短小的分生孢子梗，其顶端产生大量白 色、卵形、透明的分生孢子。同时菌丝体分泌出一种 具甜味的黏性物质，引诱苍蝇、蚂蚁等昆虫把分生孢 子传至其他健康的花穗上，麦角病随之重复传播。当 黑麦快成熟时，受害子房不再产生分生孢子，子房内 部的菌丝体逐渐收缩成一团，进而变成黑色坚硬的菌丝 组织体，将子房变为菌核，形状如同麦粒，故称之为 麦角。
HN
cpps2 LPS2
S
H3C
O
ON
N H
CH3
HN
OS
H H3C
O ON
N CH3
H
HN
ON
N
H3C
O
ON
N CH3
H
HN
S O cpps1 LPS1
H HN
O H3C H
NO
H
H
N
O N CH3
H
O
H
N P450 Monooxygenase
OH
O H3C OH
HN
OO H3C H
N
H
N
O
NO N
麦角肽碱衍生自 D- 麦角酸 - 三肽内酰胺前体。它是 从 D- 麦角酸开始构建，在一种典型的非核糖体肽合成 酶(non-ribosomal peptide synthetase，NRPS)—— D- 麦 角酸肽合成酶催化下将氨基酸逐个加上去(图 2b)。
2 麦角生物碱的种类与结构[12]
麦角碱的活性成分主要是以麦角酸为基本结构的一
spontaneously
H
NO
H
NO CH3
NH O H
H
H CH3 Ergotamine
N
b.麦角肽碱的合成(如：麦角胺)。
图 2 麦角碱生物合成途径[11]
Fig.2 Biochemical pathways of ergoc alkaloids biosynthesis
282 2010, Vol. 31, No. 11
食品科学
※专题论述
麦角生物碱的研究进展
卢春霞，王洪新 *
(食品科学与技术国家重点实验室，江南大学食品学院，江苏 无锡
214122)
摘 要：麦角生物碱是由麦角菌属(Claviceps)产生的生物碱毒素，易引起人和动物麦角中毒，同时也具有多种生 物活性，主要用于治疗偏头疼、产后出血、乳腺病、帕金森病、脑血管系统等疾病。本文详细阐述了麦角碱的 产生、理化性质、生物合成、危害、生物活性以及检测方法。 关键词：麦角生物碱；生物合成；基因；检测
Key words：ergot alkaloids；biosynthesis；gene；detection
中图分类号：R282.71
文献标识码：A
文章编号：1002-6630(2010)11-0282-07
麦角生物碱(ergot alkaloilds，EA)简称麦角碱，是 由麦角菌属(Claviceps)侵害黑麦、大麦、小麦、裸麦、 燕麦以及多种禾本科植物而产生的生物碱毒素。动物食 入含麦角的植物和人食用含麦角的面粉制品后，均可引 起中毒。麦角毒素的活性成分主要是以麦角酸为基本结 构的一系列生物碱衍生物，如麦角胺(ergotamine)、麦 角新碱(ergonovine)、麦角毒碱(ergotoxin)、麦角生碱 (ergosine)、麦角克碱(ergocristine)等。国外对麦角生物 碱的研究比较深入，本文从麦角碱的产生、理化性质、 生物合成、危害、生物活性以及检测方法进行阐述， 为麦角碱的研究提供参考。
This paper reviews the production of ergot alkaloids, physical and chemical properties, biosynthesis, hazards, biological
activity, as well as the detection method.
1.2.2 麦角碱合成途径[10] 麦角碱生物合成首先是合成麦角灵环，由乙酰辅酶
A 生成的甲戊二羟酸(MVA)是生物碱合成的起始物，进 而形成焦磷酸二甲烯丙酯，在二甲烯丙基色氨酸合酶 (dimethylallytrytophan synthase，DMATS)催化下与 L- 色氨酸发生环合得到二甲烯丙基色氨酸(dimethylallyt rytophan，DMAT)。DMAT 在甲基转移酶催化下发生
HN
MeDMAT
b
H COOH
9
10
N CH3
H
HN
Chanoclavune-1
a.麦角酸的合成
cpps1 Lysergylpeptidyl-Synthetase (LPS)1
Ala
Phe
Pro
HN D-Lyserglc acid
COOH H
9
10
N CH3
H
HN
D-Lyserglc acid
Lsa OS N CH3
N- 甲基化，之后脱羧并环合形成裸麦角碱(chanoclavine-1)， 再经氧化、环合得到田麦角碱(agoclavine)。田麦角碱 在田麦角碱 - 1 7 - 单加氧酶催化下形成野麦角碱 (elymoclavine)，而后经野麦角碱 -17- 单加氧酶作用形成 雀稗草酸(paspalic acid)，雀稗草酸可自发地异构化成 D麦角酸(D-lysergic acid)，至此已完成麦角灵环的生物合 成(图 2a)。在 C.fusiformis 菌株中，生物合成途径在形 成 D- 麦角酸之前终止，其终产物为棒麦角碱类，多为 田麦角碱和野麦角碱及其衍生物。而雀稗麦角菌和黑麦 麦角菌的生物碱合成途径则继续下去，从 D- 麦角酸合 成麦角酰胺类或麦角肽碱。
Wuxi 214122, China)
Abstract：Ergot alkaloids are mycotoxins, which are produced from fungi in the family of Clavicipitaceae. Toxicity of ergot
alkaloids is an important issue to human and animals. However, ergot alkaloids exhibited a therapeutic effect on some forms of migraine, postpartum hemorrhages, mastopathy, Parkinson, s disease, cerebrovascular insufficiency and venous insufficiency.
有报道称，曲霉属[2]和青霉属[3]也可以产生麦角生 物碱。但是，由于这些霉菌主要产生对人体有害的黄 曲霉毒素和桔霉素，所以，人们对其产生少量的麦角 生物碱没有给予过多的关注。更特别的是，Friedman 等[4]1989 年报道，一种旋花科植物的成熟种子也产生麦 角生物碱。
收稿日期：2009-10-26 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目( 2 0 0 7 B A K 3 6 B 0 6 ) 作者简介：卢春霞(1978 —)，女，博士研究生，研究方向为食品营养与安全。E-mail：shzlcx2002@163.com * 通信作者：王洪新(1964 —)，男，教授，博士，研究方向为食品功能因子。E-mail：whx1964@126.com
8
9
7
12
D
10
NH
13
5
A
C
14 15
4 16 B3
HN
2
图 3 麦角灵
Fig.3 Ergoline
R1 R2
R2
R1
H N CH3
H
N CH3
H
HN
HN
图 4 新麦角烯
Fig.4 Ergolenes
284 2010, Vol. 31, No. 11
食品科学
※专题论述
a
4
3＇
3
6
5
4
2 HR 1