药用植物次生代谢工程研究进展

药用植物次生代谢工程研究概况

摘要高等植物的次生代谢产物是许多天然药物的重要来源，随着对药用植物次生代谢合成途径日渐全面的认识，采取有效的代谢工程策略对植物次生代谢途径进行遗传改良，已经取得了诸多研究成果。本文介绍了黄酮类化合物（flavonoids）、萜类化合物（terpenoids）及生物碱（alkaloid）这三种重要药用植物次生代谢产物的结构及生物合成途径，说明了次生代谢工程在提取高质量药用植物活性物质中的研究现状，为今后药用植物次生代谢产物的大规模研究和利用提供借鉴。

关键词植物药；次生代谢产物；代谢工程

高等植物的次生代谢产物是许多天然药物的重要来源，植物药在国际医药市场中占有重要的地位。由于许多植物的天然活性物质的结构特殊，很难用化学方法完全合成，因此这类物质的生产必须依赖于天然植物资源。针对植物天然药物可持续发展问题，药用植物次生代谢产物的应用吸引了国内外众多研究者的关注。

植物次生代谢的概念最早于1891年由Kossel明确提出。次生代谢产物(Secondary metabolites)是由次生代谢(Secondary metablism)产生的一类细胞生命活动或植物生长发育正常运行的非必需的小分子有机化合物，其产生和分布通常有种属、器官、组织以及生长发育时期的特异性。次生代谢产物可分为苯丙素类、醌类、黄酮类、单宁类、萜类、甾体及其甙、生物碱七大类。还有人根据次生产物的生源途径分为酚类化合物、萜类化合物、含氮化合物(如生物碱)等三大类。

代谢工程（Metabolic engineering）是生物工程的一个新的分支，通过基因工程的方法改变细胞的代谢途径，主要是针对提高某种重要的次生代谢物或其前体的含量，以期在较广范围内改善细胞性能，满足人类对生物体的特定需求。随着现代生物工程技术的发展，充分利用基因组学的研究成果，解析和调控植物次生代谢的生物合成途径，进而利用代谢工程的方法大幅度提高药用植物中目标产

物的含量，不仅具有理论上的可行性，而且已经成为改造物种的有力工具。1.植物次生代谢产物合成途径

了解植物次生代谢合成途径是实施次生代谢工程的基础。尽管在一些动物和微生物中也能分离到一些次生化合物，但目前所发现的次生代谢产物大约有80%来自植物组织。植物合成次生代谢产物的途径主要有苯丙烷代谢途径、异戊二烯代谢途径和生物碱合成途径等，如下图1。

图1 植物主要次生代谢途径[1]

以下介绍几种次生代谢产物合成途径。

1.1黄酮类化合物（flavonoids）

1.1.1黄酮类化合物结构与分类

黄酮类化合物（flavonoids）是一类重要的天然有机化合物, 是植物在长期自然选择过程中产生的一类次生代谢产物。黄酮类化合物具有2-苯基色原酮（flavone）结构，它们分子中有一个酮式羰基，第一位上的氧原子具碱性，能

与强酸成盐，其羟基衍生物多具黄色，故又称黄碱素或黄酮。黄酮类化合物在植物体中通常与糖结合成苷类，小部分以游离态（苷元）的形式存在。依据中央三碳链的氧化程度、B 环连接位置(2-位或3-位)以及三碳链是否成环等特点, 可将主要的黄酮类化合物分为黄酮类、异黄酮类、查耳酮类、花色素类以及黄烷酮类等[2]

绝大多数植物体内都含有黄酮类化合物，它在植物的生长、发育、开花、结果以及抗菌防病等方起着重要的作用。

图2 黄酮类化合物母核结构[2]

1.1.2黄酮类化合物生物合成途径[3]

大量实验证实, 植物黄酮类生物合成的前期途径是相同的, 都是以丙二酸单酰CoA( malonyl CoA) 与香豆酰CoA( coumaro yl-CoA)为直接前体 , 如图3。这两种前体分别与糖代谢、脂质代谢以及氨基酸代谢有关。除了这3种初级代谢外, 黄酮类的生物合成还与某些次级代谢有关。如番茄红素( ly copene ) 的生物合成以乙酰CoA 为前体, 而乙酰CoA 恰好也是类黄酮生物合成的直接前体丙二酸单酰CoA 的来源。经过长期进化, 植物黄酮类合成代谢的后期途径往往产生物种特异性。如异黄酮类( isoflavo noid) 合成代谢途径通常只存在于豆科植物与个别裸子植物中。

图3 黄酮类化合物生物合成途径[3]

1.2萜类化合物（terpenoids）

1.2.1萜类化合物结构及分类

萜类化合物的分子结构是以异戊二烯为基本单位的,因此其分类依据主要是以异戊二烯单位数目的不同为标准来进行。开链萜烯的分子组成符合通式(C5H8) n ( n ≥2) ,含有两个异戊二烯单位的称为单萜,含有三个异戊二烯单位的称为倍半萜,含有四个异戊二烯单位的则称为二萜 ,以此类推[4]。倍半萜约有7 000 多种, 是萜类化合物中最大的一类。二萜类以上的也称“高萜类化合物”,一般不

具挥发性。此外,有的萜类化合物分子中具有不同的碳环数,因此又进一步区分为链萜、单环萜、双环萜、三环萜等。其中,单萜和倍半萜及其简单含氧衍生物是挥发油的主要成分,而二萜是形成树脂的主要成分,三萜则以皂甙的形式广泛存在。萜类化合物是挥发油（又称香精油）的主要成分，从植物的花、果、叶、茎、根中得到有挥发性和香味的油状物，其作用有一定的生理活性，如祛痰、止咳、驱风、发汗、驱虫、镇痛。

图4 几种萜类化合物的结构[5]

1.2.2萜类化合物生物合成途径[6]

萜类生物合成的前体均为异戊二烯焦磷酸( IPP) , IPP在植物细胞质中通过乙酰CoA起始的甲羟戊酸途径(MVA pathway)合成;在植物质体、细菌、蓝细菌中经由丙酮酸起始的非甲羟戊酸途径( non2MVA pathway) ,亦称5-磷酸脱氧木酮糖途径(DXP pathway )合成(图5) , IPP再经过重复叠加形成一系列异戊二烯二磷酸同系物,在特异的萜类合酶的作用下产生各种萜类的骨架(图6) 。高等植物中的单萜和二萜合成的IPP来源于DXP途径, 而倍半萜生物合成的IPP 既可来源于MVA途径,也可来源于DXP途径。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。萜类合酶是萜类生物合成的关键酶,是研究萜类代谢途径的重点。