植物色素的天然合成——花青素,培他兰,类胡萝卜素

植物色素的生物合成

——花青素，培他兰，类胡萝卜素

概要：植物中可以为人类所感知的有颜色的通常被称为“色素”。植物色素的多种多样

的结构和颜色早就深深吸引了化学家和生物学家，化学家、科学家们已经研究它们的物理化学性质、合成的方式、生理生态学的角色。人类使用植物色素也有悠久的历史。这里将介绍除了叶绿素外的大多数植物色素。花青素，从苯丙氨酸衍生来的一种类黄酮，为水溶性细胞质合成，最后聚集在液泡中。它们提供了桔子/红色到紫色/蓝色的颜色变化。它们的颜色不仅取决于结构，也取决于色素的综合作用、金属离子和pH值。它们广泛存在于植物中。脂溶性的类胡萝卜素，一种萜类化合物，在植物中也广泛存在着。它们在叶绿体中合成，并是光合作用完整进行的必要物。花青素，对黄—红颜色的产生具有一定作用，一种水溶性衍生自酪氨酸的含氮化合物，目前只在某些植物中发现它的存在。花青素、类胡萝卜素的生物合成已经较为人们所知，而人们对于培他兰的生物合成途径却还不是那么地清楚。这三种色素作为可见信号来吸引昆虫、鸟类和动物授粉和种子的传播，它们也保护植物免受紫外线与可见光的危害。

关键字：色素，花青素，培他兰，类胡萝卜素，类黄酮，花

简介：植物可以合成20余万不同类型的化合物，包括许多种色素。人类感知颜色是通

过感知化合物反射或透射出的波长在380—730纳米之间的光，而昆虫可以识别波长更短的光。本文将集中介绍近年来的三种主要植物色素的生物合成，这三种色素为花青素、培他兰和类胡萝卜素。类黄酮和类胡萝卜素的生物合成途径将作单独介绍。本文也将会介绍着三种色素的遗传学以及生物化学特性。

类黄酮，类苯基丙烷的次生代谢产物，有着很广的颜色变化范围，颜色可以从浅黄到蓝色。值得一提的是，花青素是导致许多花、叶、果实、种子和其他一些部位呈现黄色—蓝色的原因。这类色素，广泛分布在种子植物中，并且具有水溶性的特性，存储在液泡中。培他兰是一类颜色为黄—红的含氮化合物，它们源自于酪氨酸。这类色素也是水溶性的，并且存储在液泡中，但是人们现在只在石竹中发现它们的身影。类胡萝卜素，属于类异戊二烯化合物，它们在植物和微生物中无处不在。类胡萝卜素是光和体系作用中的必需化合物，并且可以使花和果实呈现黄—红范围的颜色变化。类黄酮和类胡萝卜素经常在一些橘子中出现，并且它们的混合物会使颜色范围更广。

（图略）

类黄酮/花青素

从化学、着色机制、生物化学、遗传学以及分子生物学等方面来说，花青素是最特别的物植物次生代谢产物之一。它们的功能，包括它们潜在的对人体健康的促进作用，都已被人类获知。它们作为天然的着色剂被广泛使用，比如说紫色包心菜中的矢车菊素和紫苏。

结构和颜色

类黄酮的基本结构是C6-C3-C6的结构，它们广泛分布在陆地植物。根据它们的结构、类黄酮可以分为很多种，如查耳酮、黄酮、黄酮醇和花青素。用羟基、甲基、糖基和酰基等集团修饰类黄酮化合物可以得到上千种不同的结构。一个关于黄酮的数据库也已投入使用

(http://www.metabolome.jp/software/FlavonoidViewer/）。

橙色到蓝色:花青素

现在，人们了解的共有19种花青素、花青素的糖苷配基或发色团，但是主要的只有六大类: 天竺葵色素、花青色素、芍药花色素、花翠素、牵牛花色素、锦葵色素。它们的颜色在很大程度上取决于B环上的羟基个数；羟基个数越多，蓝色越深。O型花色苷有轻微发红甲基化效果。

花青素是一类用糖基修饰的化合物。花青素中最易发生O型糖化（通常是糖化）的部位是C3位的，其次是C5位的，C7位也有发现。糖基化经常在C7’、C3’或者是C5’位发现。花青素的糖基化使其略显红色。花青素的糖基化通常是芳香（羟基）酰化和/或者是脂肪酰化。芳香酰化导致蓝移，并使花青素趋于稳定。用多种芳香酰基基团修改的花青素常常因为分子堆叠使其呈现一个稳定的蓝色。脂肪族酰化不改变颜色，而且还增加色素的稳定性和溶解度。在少数几种植物（比如说玉米）中发现的3—脱氧花青素和在小百合中发现的6—羟基花青素，比一般的花青素略显红色。

花青素的颜色取决于pH值、共存的无色化合物（颜色、黄酮、黄酮醇）、金属离子。在体外实验中，低pH值(pH < 3)时花青素显得更红并更稳定；在轻度酸性环境下(pH 3 – 6)花青素的颜色变浅；pH 为6或者6以上时花青素为蓝色且不稳定。自发发生的分子堆积或者是与类黄酮、黄酮之间的堆积作用，可以使花青素稳定并引使其红移。金属离子，如Al3 +和Fe3 + ，分别在蓝色的绣球花和郁金香种起着重要作用。在矢车菊中，一个由六分子组成的复杂超分子是使花瓣呈现蓝色的原因，这六个分子分别为3—（6—琥珀酰苷）—5—葡萄糖苷矢车菊、7—葡萄糖醛酸—4—（6—丙二酰苷）芹菜素、铁离子、镁离子和两个钙离子。但是，现在人们还无法确定植物体是如何调节各种成分的微妙比例使其获得合适的颜色的。

黄色:查尔酮，橙酮，黄酮醇，黄酮

许多浅黄色的花卉，例如康乃馨、仙客来，都包含2′，4′，4′，6′—4羟基 2′—葡萄糖苷查耳酮。红花能够产生一种比较少见的黄色的葡萄糖苷查耳酮——红花黄色素，现在它被用作一种着色剂。一些菊科产生浅黄色的 6′—脱氧查耳酮。橙酮，是一种比较少见的类黄酮化合物，它有着比查耳酮还鲜亮的黄色，并且目前只在极少数的植物品种有发现，比如说金鱼草、大波斯菊和补血草。黄酮醇、黄酮的颜色为较浅的黄色，并且大多是人类的眼睛看不到。当它们吸收可以被昆虫识别的紫外线时，这些物质赋予花朵不一样的颜色和图案，使花朵来吸引昆虫。

类黄酮的生物合成

主要途径类黄酮的生物合成途径如图2(b)所示。它的合成途径已经为人类所知，并且在种子植物中进行的较为完整。类黄酮是在细胞溶质中合成的。科学家们推断，一种超分子的合成物催化蛋白之间的反应，并固定在内质网(ER)膜。这种合成酶属于酶这个大家族，这个大家族中包括2—酮戊二酸依赖型双加氧酶 (OGD)、细胞色素P450和葡萄糖基转移酶(GT)。这表明植物通过已经存在的代谢途径来合成这些酶。分析表明，控制这些酶合成的基因有着当初在种子植物中发现的一致或者是相似的活动，当然也有一些例外的(见下文)。

查耳酮合酶（CHS），是一种聚酮合成酶，它催化一分子的４—香豆酰辅酶Ａ和三分子丙二酰辅酶Ａ合成THC。THC被查耳酮异化酶快速的空间结构异化成无色的柚皮素。柚皮素是被F3H催化形成的3—羟基的黄酮醇类化合物。F3H属于OGD酶系，也能催化圣草酚和五羟基黄酮醇使其分别形成二氢槲皮素和二氢杨梅素。

F3′H和F3′5′H，属于P450酶系，它们催化二氢山萘酚羟基化形成二氢槲皮素和二氢