植物天然产物或次生代谢产物评述

      杨顺楷  四川 成都

          （四）

12. 苯丙素及苯丙素乙酸代谢途径的代谢产物

植物生源经由从水生到陆生环境的漫长演化过程，是通过产生巨大数量“植物酚类”化合物得以成功。虽然可以设想这些大批量的植物物质是由构建细胞壁结构而起作用，然而众多的非结构组份也同时一并产生。它们具有多样性保护植物的作用。决定不同树木独具的心材和树皮的耐久性特征，造成开花植物多种色彩，也带来了植物香料食材饮品多种多样的风味。这一切导致各种类型的维管植物长久永续生存。这些必不可少的功能和其他作用，均借助于植物酚类而起作用。地球生物圈统计大约有40%的有机碳循环，基本上都归属于这些植物酚类化合物：来自于苯丙素和苯丙素乙酸，及其相关生物化学代谢途径的产物。例如，“可水解单宁”即如是；当其生物降解（矿化作用）再被同化，返回二氧化碳时，这就对再循环生物碳提出了限速步骤问题。

植物酚类一般特征是芳香代谢产物。芳香环（苯环）通常带有一个或多个“酸性”羟基。这些化合物多年来，一直以“干扰试验方法”困顿植物科学工作者。例如，当其植物试材样品曝露在空气中时，植物酚类易被氧化，变成为棕色；它与蛋白形成的复合物产物抑制酶活性。现在已经有许多方案用于分离植物蛋白和核酸，包含设计减少来自多酚类化合物干扰的预防措施。植物组织培养也能够释放酚类物质，抑制愈伤组织的生长，以及小植株的再生。同时，酚类化合物极大地加深了人们对植物生长发育繁殖，以及防卫作用的印象。确实，过去数十年来植物科学工作者不得不正确评价植物酚类化合物的重要性。

有关植物酚类物质的争论，本身就是涉及植物多样性的讨论。设想，如果要对目前大约出现有250000种维管植物，要对每一种的全部或至少部分进行表征，经由通过不同特化途径，研究苯丙素及苯丙素乙酸代谢衍生物的沉积作用是不现实的。也没有单一的物种能够阐明存在于植物界专有的“次生代谢”多样性；或许被予以详细描述，发现这许多代谢途径分支的复杂性，也仅仅存在于特定的植物家族。任何过分强调单一物种已经产生植物类型的生物合成能力，会极端模糊其谱系的宽泛变异。

13. 苯丙素及苯丙素乙酸的生物合成：苯丙氨酸（酪氨酸）解氨酶（PAL）是苯丙素代谢的中心酶

有一种酶（PAL）由芳香氨基酸的有机碳定向合成苯丙素代谢产物。该PAL酶法转化苯丙氨酸成为肉桂酸，以及酪氨酸被转化为对-羟基香豆酸（对-羟基苯丙烯酸）。有趣的是在大多数维管植物，苯丙氨酸对于PAL酶是高度优良的代谢底物，但是仅发现在禾本科单子叶植物PAL/（TAL）能够检测到苯丙氨酸和酪氨酸（TAL酶分布在高等植物中远比PAL有限，且几乎不存在使苯丙氨酸氧化成为酪氨酸的酶，至今也尚未建立起一个由酪氨酸可比较的氮循环体系）。此外，在少数水生植物也能够检测到PAL/（TAL）酶活性的存在，其功能是生成简单的黄酮类化合物，例如C-葡萄糖酰和毒香豆苷。水生植物并不存在木质素，于是PAL/（TAL）酶促反应步骤和多样化的苯丙素及苯丙素乙酸代谢途径产物，成为了陆生植物定植的关键。

在所有植物次生代谢研究中，PAL是最被广泛研究的酶。在某些植物PAL是单基因编码，而在另外一些种类又是多基因家族的酶产物；PAL酶活性不需要辅因子；但是经由PAL反应释放出的铵离子，经由谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶催化，而得以再循环。一旦被同化生成谷氨酸，该氨基供给合成预苯酸，代谢转化成为arogenate，该物质是苯丙氨酸和酪氨酸的前体物。该氮循环过程保证了芳香氨基酸的稳定提供，而前二者（Phe/Tyr）又是来自酚类化合物（虽然酪氨酸酶TAL活性已经在某些植物有所报道，但是也还尚未建立起可比较的氮循环体系）。

14. 生化代谢途径衍生有差别的植物酚类的一般特征

上世纪60-70年代，在定义许多转化肉桂酸成为单木素醇代谢途径静态生化特征上，取得了印象深刻的进展。该代谢途径主要由四种类型的酶促反应所组成：芳香羟基化，O-甲基化，连接反应-CoA，以及NADPH-依赖的还原反应。近来，精准酶学涉及早期代谢途径的再研究，聚焦于芳香羟基化，以及是否在O-甲基化步骤，利用游离酸或CoA-酯。

芳香环羟基化含有三个有区别的羟基化转化，均被认为是微粒体起作用。被这些酶催化最佳的研究就是肉桂酸-4-羟化酶，它是需氧NADPH-依赖性，细胞色素P450酶。该体系催化肉桂酸对位的区域选择性羟化，生成产物对-香豆酸；另外两个羟化酶在于引入羟基催化，分别产生游离酸—对-香豆酸或阿魏酸（或其CoA-酯的形式）；产生的双酚（儿茶酚）产物咖啡酸或5-羟阿魏酸（或其CoA-衍生物）。但是即便如此，事实上的模糊不清楚问题依然存在。例如，咖啡酸的咖啡酰基结构部分，或咖啡酰-CoA是如何形成的？至今尚属未知。是否该生物合成涉及一种非特异性酚酶催化转化？或者是否还有一些其它的酶促步骤（如涉及NADPH-依赖细胞色素P450），至今仍不清楚。加之，虽然已经建立阿魏酸-5-羟化酶NADPH-依赖细胞色素P450酶体系，但是仍然还有不确定性存在，即关于是否是存在阿魏酸，阿魏酸酰-CoA，松柏醛，或松柏醇作为生理性底物起作用，仍然不清楚。研究者还未确定在有些请况下，是否是O-甲基化步骤先于CoA-连接，或还是两条路线均可能存在；在何种情况下，

O-甲基化转移酶是否以高度区域选择性方式引入甲基；甲基化作用在间位，而非对位均不清楚。该酶催化此转化作用，利用S-腺苷甲硫氨酸作为辅因子，因为CoA-连接需要ATP和CoASH；该两步连接首先产生AMP衍生物，然后转化成为相应的CoA-酯。

生成CoA-酯以后，两步序列NADPH-依赖还原产生单木素醇，结束一般的苯丙素代谢途径。这些酶类，肉桂酰-CoA还原酶首先催化生成对-香豆醛（对-羟肉桂醛），松柏醛，以及可能的芥子醛。该B型还原酶起作用时，从NADPH-后方的烟酰胺平面，转移为前S-杂化；第二种酶肉桂酰脱氢酶是A型还原酶，它从烟酰胺平面前面转移前R-杂化，生成单木素醇对-香豆酰，对-松柏酰，和芥子醇。

这就是对上述产生单木素醇的生物化学步骤小结。但是须知，并不是所有的植物细胞、组织、或种系都全部利用所有的代谢途径。在有些情况下植物仅利用小部分代谢节段，指向底物到一个或多个代谢分枝。这样它们可能仅在专门组织表达截短的代谢途径节段。研究者也尚未充分了解苯丙素代谢途径的代谢流和细胞内的区室化作用。阐明这些过程将会有必要定义或者鉴定该代谢途径的控制节点。

15. 类黄酮：包含了一组多样性的化合物并执行宽泛的功能

如今已经知道有4500个不同种类的类黄酮化合物，它代表了这一庞大的植物天然产物酚类化合物。通常分布的植物组织存在于液泡。类黄酮可能以单体、双体，以及以较高的寡聚体形式出现；也有以有颜色寡聚体/多聚物组份的混合物形式，存在于各种树木的心材和树皮中。

许多植物-动物相互作用，就是通过类黄酮的相互影响。花和果实的颜色，通常吸引传粉者和种籽的散播者而起作用，主要是液泡中的花靑苷所致，例如天竺葵色素（橙色、鲑肉色、粉红色和红色），花靑素（品红和深红）和飞燕草色素苷（紫色、紫红色和蓝色）。相关的类黄酮，如黄酮、黄烷酮、查耳酮和橙酮也都与颜色界定有关。借助各种靶酶反应步骤，操控花色和类黄酮生物合成基因，业已经在牵牛花取得成功。

专一的类黄酮也能够在保护植物抗UV-B 辐射起作用。该物质组份就是常称为山萘酚的类黄酮。另外，如对昆虫取食的吸引作用，如桑葚中的iso-槲皮素（五羟黄酮），涉及一种对宿主桑蚕识别作用因子。与之相反，缩合单宁原花色素苷带有一种独特的苦味或者某些植物组织涩味，这就起到对动物拒食剂的作用。类黄酮芹菜素和叶黄素（luteolin，木樨草素）作为信号分子，在大豆根瘤菌诱导Nod基因整合表达相互作用，以此促进了固氮作用。又一个相关功能植保素异-类黄酮具有对苜蓿诱导抗真菌侵袭作用（如medicarpin）；可以说对于某些生成树木心材和树皮的各别类黄酮，则是属于寡聚体或是多聚体方面的知识，目前了解得最少。这些化合物包括木本裸子植物，原花色素及其同种类，还有来自热带的木本豆科植物异-类黄酮。在两种情况下，它们涉及在超巨大木材生产（心材）具有重要性，尤其是在木材整体色彩、品质，以及抗腐蚀性，经久耐用，都引人关注。对这些巨量代谢产物—木质素，尚难以有定论，其主要组份具有难溶性，只有在特定的条件下呈现可溶性。

目前，已经对各种类黄酮进行了多方面广泛的研究，如保护健康和药物用途，以及对哺乳类酶系统的评估。也还对类黄酮作为免疫和炎症应答模块进行了分析；其他还有影响平滑肌功能、抗癌、抗病毒、抗毒性，以及肝脏保护剂功能。当下有一个值得关注热点就是类黄酮预防癌症。已经被公认的观点就是大豆中的类黄酮大豆黄素和染料木素，已经促进了豆类制品（保健品）的饮食消费。确实，它在降低人类发生乳腺癌和前列腺癌方面是有效方剂。

                （待续）