植物天然产物或次生代谢产物评述

   杨顺楷 四川 成都

                  （二）

4. 萜类化合物

萜类化合物是结构繁多的一类植物天然产物。萜类化合物或萜类的名称是基于这样的一个事实，即早在1887年德国学者就提出了该烃类重复融合的一类化合物，以分枝的“五碳单位”为特征的“异戊二烯定则”。所有的萜类化合物均由基于异戊烷骨架分枝五碳单位重复合成。这些单体通常称为异戊二烯单位，因为化学热解许多萜类物质都产生气态“异戊二烯单位”；而在合适的化学条件下，能够诱发产生异戊二烯，并进而由多重五碳单位聚合，成为若干萜类化合物骨架，对此萜类化合物通常称为异戊二烯类化合物。尽管研究者早在100多年前就已经知道，异戊二烯本身并不是该代谢产物家族的生物学前体物。

5.简介萜类化合物的分类

对萜类化合物的分类是由其含有五碳单位的数目而划分。五碳单位（异戊二烯）构造成为萜类化合物通常以“头到尾”融合形式而成；这是一般形式，也有一些产物以“头到中间”的融合方式而成。这就提供了广泛的以碳-碳键重排，发生结构修饰的可能性。因此要追踪异戊二烯单位的原初模式是困难的。最小的萜烯含有一个单位的异戊二烯单位，作为一个基团称为半萜（半个萜烯）。最熟知的半萜就是异戊二烯本身，这是一种来自光合活性组织释放出来的挥发性产物。异戊二烯合成酶存在于C3植物叶片的质体，其代谢的光依赖性产生异戊二烯的原理尚不清楚（已经提出与高温的气候有关）。据估计每年散发出的异戊二烯物质是一个极其巨大的数量（折合成碳量达到50000000公吨）。该气体作为反应物，诱导生成大气对流层带NOx的基团形式。

C4植物萜类化合物称为单萜，由两个异戊二烯单体组成。1850年就分离出首个此类化合物，其后以此为基础，次第推出单萜，倍半萜，二萜等术语。单萜了解最多的是植物开花含有的挥发物质，植物香料，以及精油植物，其中含量最高的可达干重的5%；单萜分离采用蒸馏或提取；其中有的具有工业用途就是风味物质和香料的生产。

倍半萜是由三个异戊二烯单位，含有15个碳原子构成的萜类化合物（即1个加半个萜烯），如同单萜一样，许多倍半萜含有精油成分。加之，若干个倍半萜化合物起作用，是以植物应答微生物攻击而产生的防御素、抗生素，以及作为阻止草食动物取食的拒食剂。虽然植物激素脱落酸结构上似乎是一个倍半萜，然而它的C15 前体花椒毒素并不是直接从三个异戊二烯单位合成，而是经由不对称断裂C40类胡萝卜素合成而来。二萜是含有20个碳原子（四个C5单位）的化合物，包括叶绿醇（叶绿素的疏水侧链）、激素赤霉素、松柏苷的树脂酸，和豆科植物的抗毒素，以及具有药物重要性的植物代谢产物存在于宿主，如紫杉醇抗癌药；它存在于紫杉属树木的树皮内，含量极低（干重0.01%），还有治疗青光眼的毛喉萜；有些赤霉素仅有19个碳原子，皆被认为它是经由一个代谢裂解反应，丢失一个碳原子的去甲基萜类化合物结果。

三萜类是含有30个碳原子，经由头对头结合二个C15链而产生。每一个三萜化合物由三个异戊二烯，以头对尾方式结合而成。这一大类分子包括芥子甾体，植物甾醇膜组份（多数存在于原生质体膜的游离植物甾醇菜油甾醇、谷甾醇和谷甾醇），植物抗毒素和其他各种毒素，以及各种拒食剂；还有以腊质成份存在，如葡萄的齐墱果酸。最流行的四萜（40个碳原子，8个异戊二烯单位）就是类胡萝卜素辅色素，执行光合作用的基本功能。多萜烯类，即含有多于8个异戊二烯单位的聚合物包括电子载体异戊二烯基苯醌（质体醌和辅酶Q），以及巨大的长链多聚物，例如橡胶（平均分子质量大于1000000道尔顿，通常在橡树浆液中发现）。

混合生物合成来源的天然产物，就是在其分子结构中部分来自萜类化合物，通常称为部分萜烯类。例如细胞激动素和若干苯丙醇类化合物，均含有C5异戊二烯侧链；某些生物碱，如抗癌药长春新碱和长春花碱，在其分子结构中都含有萜类化合物片断；加之有些修饰蛋白，包括一个C15或C20的萜类化合物侧链均都锚定在膜蛋白分子上。

6. 萜类化合物分子骨架的修饰

至于萜类化合物分子骨架的修饰，就是对由萜类化合物合成酶产生的母体基础结构的后续修饰。这样就可以得到由植物产生的众多不同的萜类化合物。这些次级转化大多数涉及氧化、还原、异构化和结合反应；这些反应就导致形成多样性的萜类化合物具有不同的功能性质，例如经由氧化反应产生的数个萜类化合物衍生物，即capsidiol、lubimin、棉籽酚、松香酸和齐墩果酸。

向许多萜类化合物骨架引进氧原子,涉及的反应通常是羟基化或环氧化，均是经由细胞色素P450混合功能氧化酶进行的。由于这些反应并不是萜类化合物生物合成所独特的，在此不重点介绍专一性酶类，有必要综合性了解多样性萜类化合物结构与功能来源。

7. 萜类化合物的转基因生产

最近成功克隆编码了萜类化合物酶基因，这就表明对某些植物萜类化合物代谢的转基因操作手段是可行的。体现在若干个农业重要性品种，如目标是作为产生植物防卫化合物的少量萜类化合物，已经选择性培育出来，结果表现作为饲料口味差；反而这个栽培品种却丢失了植物防卫功能，就农作物品质评价的风味和色澤也失去了。

应该肯定，重新设计选择性地引进基于萜类化学转基因操作确实是可行的。作为工程化的技术途径引入水果和蔬菜，用以赋予所要求的风味色泽，有助于商业化。对观赏植物芳香分布型品种，也可能采用类似的手段进行修饰选育；同样的转基因表达，可以加快慢速生物合成步骤的速率，这样就可增加风味物质和香料精油的生产。尤其是植物药物（如青蒿素和紫杉醇），以及众多植源性工业中间体，采用传统化学合成，往往达不到经济性产量。

基于防卫昆虫的萜类化合物遗传工程尤其具有吸引力。相当数量的单萜、倍半萜、二萜和三萜化合物是可行的，它们对昆虫是具有毒性的；这样已经提出了更多更复杂的可供选择的转基因策略，如诱使掠食者和靶昆虫的寄生性化合物，或修饰宿主的引诱剂，产卵刺激剂，以及信息素前体。实施对此萜类化合物生物合成途径的有效地转基因操作，对组织特异性的启动子，发育性调控，以及可诱导表达，在对精油植物和针叶树产生的分泌性结构靶的启动子均是必不可少的。后者对于启动操作的种属特异性是可能的，因为它们已经适应积累的萜类化合物，且已经了解先前和后续的代谢步骤。

萜类化合物生物合成代谢途径的工程化，可能对于某些品种通常并不积累这些天然产物，这样对缺乏已经有的代谢知识背景情况下，这就对未知领域探索，带来极大的机遇或挑战并存。针对这样的植物种属，对于亚细胞生物合成的位点，需要保持足够的前体流，以达到所需求产物的结局。这些问题就都是可能遇到的难题。显然，靶向一个萜类化合物合成酶，对于细胞的区域化所含有的C10，C15，或C30的前体物，均是值得考虑的重要因素。提供足够的IPP流，在驱动途径生产位点也是关键；因为约束前体流终将限制后续代谢途径步骤转基因的有效性；以及流向调控有关IPP生物合成信息，在细胞液和原生质体两方面的有效性。

萜类化合物代谢的遗传工程，目前报道的案例较少。尽管已经有引人注目的2个例子，那就是在萜类化合物维生素研发领域取得的成功。借助这一手段，已经在含油作物籽粒改变有益成分生育酚（维生素E）异构体比率获得成功。同样，在改变类胡萝卜素代谢途径，增加稻米和葡萄中beta-胡萝卜素浓度（维生素A前体）取得成果。但是值得引起重视的事件，就是在转基因番茄，对其转基因多样性表达过量类胡萝卜素GGPP酶，结果造成植株矮小的表型，其实这就是对植物激素赤霉素前体物被耗空未曾料到的结果。

           （待续）