-
类胡萝卜素生物合成抑制剂的研究进展
11
应用化学
摘要
概述了类胡萝卜素生物合成
抑制剂类除草剂的作用机理以及八氢番茄红素去饱和
酶
(phytoene desaturase, PD
酶
)
抑制剂的结构
-
活性关系。简要介绍了进入商品化开发应
用的类胡萝卜素生物合
成抑制剂类除草剂品种以及它们的除草活性。
类胡萝卜素生物合成是极佳的除草剂作用靶标
,
经类胡萝卜素生物合成抑制剂处理后的
植物最明显的症状是
产生白化叶片
。
植物产生白化叶片的首要原因是类胡萝卜素生物
合成
被抑制
,
其次是叶绿素生物合成被
抑制
,
而且已合成的叶绿素还会遭到破坏。
尽管经药剂处理
后的植株仍能生长一段时间
,
但是由于不能产生绿色的光合组织
,
因此其生长不可
能持续下
去
,
随后生长停止
,
植物死亡
【
2
】
【
1
】
。由于此类除草剂以类胡萝卜素生物合成为作用点
,
确保了动
植物之间的选择毒性
,
具有高
效、低毒的特点
,
成为新型除草剂开发的热点。
1
、类胡萝卜素生物合成
类胡萝卜素在植物中的生物合成途径见图
l:
首先
,
异戊烯焦磷酸<
/p>
(IPP)
在
IPP
异构酶作
用下生成二甲基丙烯基二磷酸
(DMAPP),<
/p>
然后
DMAPP
在拢儿基抛牛儿基焦磷酸
合成酸
(CGPS)
作用下与三个
IP
P
缩合
,
依次生成
10
碳的拢牛少
L
焦磷酸
(GPP)
、
巧碳的法尼基焦磷酸
(FPP
〕
即碳的橄儿基推牛儿基焦磷酸
(GGPP)
。
2
个
GGPP
在八氢番茄红素合成酶
(PSY)
作用下形成第
一个
40
碳的、无色的举胡萝卜素一八氢番茄红素
(Phytone)
< br>。
Phytone
再经过连续的脱氢反
< br>应、共扼双键延长
,
经八氢番茄红素脱氮酶
(PDS)
脱笨形成
ζ
一类
胡萝卜素
,
直至在
ζ
< br>一胡萝
卜素脱氢酶
(ZDS)
作
用下形成番茄红素
(Lycopene)
。番茄红素是类胡萝卜
素进一步合成代谢
的分枝点
,
可被环化
形成
β
一、
ε
一环两大类胡萝卜素分支。番茄红素分子的两个末端在番
茄红素
β
一环化酶
(LycB)
作用下形成<
/p>
β
一环
,
即为<
/p>
β
一胡萝卜素
;
若只有其中一个末端在番
茄红素
ε
一环
化酶
(LycE)
作用下形成
ε
一环
,
即为
δ
一胡萝卜素
;
而若分子的两个末端分别
被
LycB
及
Lyc
E
作用形成
β
一环和
< br>ε
一环
,
即为
< br>α
一胡萝卜素
可形成结构更为复杂的叶黄素等
。
类胡萝卜素是含
40
个碳的类异戊烯聚合物，即四萜化合物，是含有
8 <
/p>
个异戊二烯单
位的四萜化合物，
由两个二
萜缩合而成。
植物中的萜类化合物有两条合成途径，
即甲羟戊酸
途
径
(
me
valonate
，
MVA)
和
2-C-
甲
基
-D-
赤
藻
糖
醇
-4-
磷
酸
【
6
】
[5]
[3][4]
。
α
一、
β
一胡萝卜素还
(
2-C-methyl-D-
erythritol-4-phosphate
，
MEP)
途径。
Zhan
等
< br>综述了植物帖类化合物
的生物合成途径并以图表形式清晰的给出了类胡萝卜素生物
合成的前体物质异戊烯二磷酸
(
isopentenydip
hosphate
，
IPP)
主要来自于
MEP
途径，其在
IPP
异构酶作
用
下
生
成
二
甲
基
丙
烯
基
二
磷
酸
(
dimethylallyldiphosphate
，
DMAPP)
。
MEP
< br>途径主要在植
物特有的细胞器质体中进行，以
IPP
为中间产物，除了类胡萝卜素，赤霉素、脱落酸、生
育酚、叶绿
素、叶醌、质体醌和单萜等的合成也是通过该途径。
三个
IPP
分子和一个
DMAPP
分子在牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶
(
geranylgeranyl
diphosphate
synthase
，
GGPS)
催化下缩合形成
20
个碳原子的牻牛儿基牻牛儿基二磷酸
(
geranylgeranyl
diphosphate
，
GGPP)
，
GGPP
是多种物质生物合成的共
同前体，是形成
植物类胡萝卜素最直接的前体，参与合成植物中第一个类胡萝卜素———
八氢番茄红素。
在八氢番茄红素合酶
(
phytoene
synthase
，
PSY)
催化下，两个
GGPP
分子缩合生
成类
胡萝卜素生物合成途径中的第一个化合物
:
无色的
15-
顺式
< br>-
八氢番茄红素。在
植
物
中，
由
八
氢
番
茄
红
素
脱
氢
酶
(
phytoenedesat
urase
，
PDS
)
和
ζ
-
胡
萝
卜
素
脱
氢
酶
(
ζ
-carotenedesaturase
< br>，
ZDS)
催化
4
步脱氢反应，
PDS
脱氢作用的产物
9
，
15
，
9'-
三顺式
-
ζ
-
胡萝卜素，在光
和
ζ
-
胡萝
卜素异构酶
(
ζ
-carotene
isomerase
，
ZISO)
作用
下异构形成黄色的
9
，
9'-
二顺式
-
ζ
-
胡萝卜素
【
7
】
，在植物非绿色组织中，由类胡萝卜素
异
【
8
】
【<
/p>
9
】
构酶
(
carotenoid isomersase
，
CRTISO
)
催化作用下，生成全反式番茄红素
番茄红素是一种红色的类胡
萝卜素，主要存在于西瓜、番茄等的果实中。
。全反式
番茄红素分子式为
C40H56
，
为含有
11
个共轭双键和
2
个非共轭双键的多
不饱和脂肪
烃，是一种很重要的类胡萝卜素，结晶是暗红色
<
/p>
【
10
】
。分子
式及其晶体结构如图
2
所示
:
图
2
番茄红素的结构及其晶体
番茄红素环
化反应是类胡萝卜素进一步合成代谢的分支点，可被环化形成
β
-
、
ε
-<
/p>
环
两
大
类
胡
萝
卜
素
。
番
茄
红
素
分
子
的
两
个
末
端
在
番
茄
红
素<
/p>
β
-
环
化
酶
(
lycop
ene
β
-cyclase-L
YCB
)
作用下形成
β
-
环，即为
β
-
胡萝卜素，其分子结构如图
3
所示。
图
3
β
-
胡萝
卜素的结构及其晶体
β
-
胡萝卜素以不同的有机溶剂提取得到的晶体形状不同，一般为深紫红色六棱柱结晶
< br>或红色正方形叶片晶体。可溶于二硫化碳、苯、氯仿等溶剂，微溶于甲醇、乙醇、食用油等
溶剂，不溶于水、酸和碱等。
β
-
胡萝卜素对空气、光和热较敏感，空气中易被氧化而变为
无色、无活性的氧化产物<
/p>
【
11
】
，其晶
体结构如图
4
所示。
图
4
δ<
/p>
-
胡萝卜素的结构
若
只
有
其
中
一
个
末
端
在
番
茄
红
素
ε
-
环
化
酶
(
lycopene
ε
-cyclase-L
YCE)
作用下形成
ε
-
环，即为
δ
-
胡萝卜素，其分子结构如图
4
所示。以
<
/p>
δ
-
胡萝卜素为底物经过
L
YCB
催化，在其另一端形成
β
-
环，生成
α
-
胡萝卜素。
α
-
胡萝卜
素为红黄色板状结晶，能
溶于石油醚、氯仿，难溶于甲醇，其分子结构如图
5
所示
【<
/p>
12
】
。
图
5
α
-
胡萝
卜素的结构
β
-
胡萝卜素、
α
-
胡萝卜素、
γ
-
胡萝卜素和
<
/p>
β
-
隐黄质都含有未被取代的
β
-
环，是维
生素
A
生物合成的前体物质，
被称为维生素
A
原。
β
-
胡萝卜素环可以在非亚铁血红素
β<
/p>
-
胡萝卜素羟化酶
(
β
-carotene
hydrox
ylase
，
BCH
)
催化下经中间产物
β
-
隐黄
质
(
β
-cryptoxanthin)
生成玉米黄质
(
zeaxanthin
)
，而
α
-<
/p>
胡萝卜素则可在细胞色素
P450
胡萝卜
素羟化酶
(
ε
-carotene hydroxylase
，
CYP97
)
的作用下
生成叶黄素
在生物体内以酯化物形式存在，且存在立体异构现象
【
15-16
】
【
12-14
】
。叶黄质和玉米黄质
。玉米黄质可以转化为花
药
黄
质
( a
ntheraxanthin
)
，
进
而
转
化
为
紫
黄
质
(
violaxanthinde
)
，
两步环氧化作用都是在
玉米黄质环化酶
(
zeaxanthin
epoxidase
，
ZEP)
催化作用下完成。
在胡萝卜素分子中
引入羟基、酮基、
醚基、
环氧基等含氧基团，
< br>可以将其转化为其氧化
衍生物叶黄素
(
类胡萝卜素中的另一大类物质
)
。常
见的叶黄素主要有
α
-
隐黄质、叶黄质
、
玉米黄质、紫黄质、新黄质、辣椒红素和虾青素等，都是常见的氧化衍生叶黄素，其类
胡萝
卜素分子中引入了羟基、
酮基、
醚基、
环氧基等含氧基团，
是类胡萝卜
素中的另一大类物质，
类胡萝卜素合成途径如图
6
所示。
2
、类胡萝卜素生物合成的调控
一般来说，
类胡萝卜素在体内的生物合成是通过基因和环境因素
（如：
光、
氧及营养等）
< br>多级调控的。许多文章都论述了不同种生物中类胡萝卜素生物合成的调控
基因调控
及合成抑制方面的研究予以介绍。
2.1
基因调控
高等植物光和组织的多种突变可影响其中的类胡萝卜素生物合成，
并可能会产生多种
表
型，包括在叶子生长过程中的光漂白和其它变化。许多人已对
Arabidopsis
thalianna
，
Lycopersicon
esculentum
和
Zea mays
中的突变做了深入的研究
[15]
。此外，
已有文献报道
了在
Hordeum
vulgare
、
Capsicum
annuum
和
Helianthus
annuus
中的突变。除了突变之
外，高等植物中类胡萝卜素的生物合成也受到植物生长和个体发
育
的
调
控
，
例
如
，
【
2,8
】
。在此，只将
PSY
和
PDS
在
Lycopersicon
esculentum
的叶子、花和果实中的表达就明显不同。在花的
发育期，这两种基因的表
达产物会比开花前多
10
倍
[16]<
/p>
。
与高等植物相比，
< br>微生物中类胡萝卜素生物合成的基因调控比较简单。
母菌株通过各种
处理（如物理、化学和放射等处理）即可得到突变型或新菌株。
2.2
合成的抑制
对类胡萝卜素生物合成抑制的研究已有
40
< br>年的历史。
Bramley
曾对类胡萝卜素生物合
成的抑制以及各种抑制剂的情况进行过全面的评述
[17]
。已经证明，多种化合物在合成途径
中可抑制各种反应，
< br>主要是八氢番茄红素去饱和环化反应。
图
6
阐明了多种抑制剂和其作用
点。
这些抑制剂在生物合
成途径和反应机制的研究中起到了重要的作用，
尼古丁是个典型的
例子。
它可在各种微生物中抑制环化反应，
从而导致番茄红素
和链孢红素在体内的积累，
现
被大量用于类胡萝卜素生物合成途
径的研究中。
图
6
类胡萝卜素生物合成抑制剂的作用位点示意图
类胡萝卜素的生物合成对许多生物
（尤其是光合生物）
的生命是很重要的，
抑制类胡萝
卜素的生物合成可能导致生物体
的死亡。
在高等植物的光合组织中，
八氢番茄红素去饱和反
应的抑制剂可导致组织失去颜色，
最终导致植物体的死亡。
因此，
这些抑制剂亦可作为漂白
除草剂。
3
、类胡萝卜素生物合成抑制剂作用机理的
研究
类胡萝卜素生物合成需要多种酶的参与
(
见图
7),
理论上讲
,
抑制参与催化的任何一种酶
都能阻断类胡萝卜素的
生成
,
最终导致植物死亡
[18]
。目前
,
研究最为透彻的作用位点是八氢茄
红素去饱和酶
(
phytoene
desaturase,
PD
酶
)
以及
F-
胡萝卜
素去饱和酶
(
F-carotenedesaturase,
ZD
酶
),
尤
其是
PD
酶。
图
7
4
、类胡萝卜素生物合成抑制剂
类胡萝卜素生物合成抑制剂又称白化除草剂
(bleaching
herbicide)
。此类除草剂引起的变
化主要表现为植物
出现白化叶片
,
导致植物死亡。
主要原
因有两点
:
其一
,
植物体内类胡萝卜素
生物合成被抑制
;
其二
,
植物体内叶绿素生物合成被抑制
[19]
。阻断类胡萝卜素生物合成的主要
两种酶为八氢番
茄红素去饱和酶
(PDS)
以及
F-<
/p>
胡萝卜素去饱和酶
(ZDS)
。
4.1
八氢番茄红素去饱和酶
,F-
胡萝卜素去饱和酶抑制剂的作用机制
目前
,
研究最为透彻的类胡萝卜素生物合成抑制
剂的作用位点是八氢番茄红素去饱和酶
以及
F-
胡萝卜素去饱和酶。
A L Babili
[20]<
/p>
曾发现如果
PDS
受到抑制
,
植物体内六氢番茄红素以
及
F-
胡萝卜素积累程度受到影响
,
最
终导致类胡萝卜素积累减少。
通过类异戊二烯途径或类萜途径
可以得到类胡萝卜素。
类胡萝卜素的生成过程是由二甲
基丙烯基
焦磷酸和异戊烯焦磷酸的浓缩物生成
=
牛儿基
< br>=
牛儿基焦磷酸
,
后者进而缩合
得到八
氢番茄红素
,
在
PDS
的作用下八氢番茄红素脱氢生成六氢番茄红素
,
六氢番茄红素继续在
PDS
的作用下脱
氢生成
F-
胡萝卜素
,
最后
F-
胡萝卜素在
ZDS<
/p>
作用下脱氢生成番茄红素
[21]
。
类胡萝
卜生物合成抑制剂通过对
PDS
以及
ZDS
的抑制
,
造成八氢番茄红素大量积累
,
六氢番
茄红素
减少
,
导致类胡萝卜素的积累受
到抑制
,
最终使得植物出现白化症状而死亡。图
8
为植物类胡
萝卜素生物合成途径简图
[17]
。
图
8
植物类胡萝卜素生物合成途径简图
4.2
八氢番茄红素去饱和酶
,F-
胡萝卜素去饱和酶抑制剂的应用
目前世
界上以
PDS
为作用靶标
,
已经进入商品化开发应用的类胡萝卜素生物合成抑制剂
类除草剂的发展研究
更为系统化。
Atul
等
[22]
报道
,
氟啶草酮
(
fluridone)
作为一种抑制
PDS
类
的除草剂
,
是美国环境保护局批
准的唯一对水生杂草进行长期系统控制的除草剂。
Kolyo
等
[23]
把它用于研究类胡萝卜素减少的程度与植物光合系统的
功能之间的关系
,
数据显示
,
微量氟啶
草酮的使用使类胡萝卜素减少
25%,
可见除草活性较好。
到目前为止
, ZDS
抑制剂类除草剂
还不具备商品化的条件
,
但已经发现能够抑制
< br>ZDS
的许
多嘧啶类衍生物
,<
/p>
不仅可以导致
F-
胡萝卜素的量增加
,
也使八氢番茄红素得到大量积累
,
此类
衍生物甚至对
PDS
有更好的抑制作用。
Breitenbach
等
[23]
曾试验了
14
种
不同的
6-
甲基嘧啶
衍生物对
F-
胡萝卜素去饱和酶的抑制活性
,
结果表明
,
抑制作用最强的是结构中含二氯
-
环丙
基
-
甲基
-
氧代的化合物。番茄红素环化酶
(lycopene
cyclase)
是阻断
类胡萝卜素生成的另一个
作用靶标
,Burdge
[24]
曾报道多种可以抑制此酶的嘧啶酮类化合物、三乙胺衍生物和烟碱类
衍
生物
,
但至今还未有一种化合物进入
商品化市场。目前已开发或推广应用的主要
PDS
抑制剂
类除草剂见表
1
表
1
PDS
抑制剂类除草剂的主要品种
5
、质体醌生物合成抑制剂
质体醌是类胡萝卜素生物合成以及光合电子传递过程中的一个电子接受体。
质体醌的生物合
成受到抑制
,
间接导
致类胡萝卜素的生物合成受到抑制
,
最终使得植物死亡。质体醌
生物合成
抑制剂也具有除草活性
,
能产
生植物白化毒素。这些抑制剂的靶标酶为对羟苯基丙酮酸双氧
化酶
[25]
。
5.1
对羟苯基丙酮酸双氧化酶抑制剂的作用机制
20
世纪初
,
一个新的类胡萝卜素生物合成抑制
剂作用位点——对羟苯基丙酮酸双氧化酶
(HPPD)
被确定<
/p>
,
在微生物、哺乳动物和植物中都可以找到
HPPD,
但在不同的生物体内作用机
制不同。
HPPD
是一种铁
-
酪氨酸
蛋白
,
在哺乳动物体内
,HPPD
参与生物体内酪氨酸和苯丙氨
酸的分解代谢
【
26
】
;
在
植物体内
HPPD
催化质体醌与生育酚生物合成的起始反应
【
27
】
,
亦即催化
对羟苯基丙酮酸转化为尿黑酸的过程
,
同时释放出
CO2
。对羟基苯基丙酮
酸在
HPPD
催化条
件下转化得到的尿
黑酸是植物体内一种重要物质。有氧条件下
,
这个过程包括氧化
脱羧、芳
环羟基化以及羧甲基的
1,2
位迁移
,
从而生成质体醌和生育酚
【<
/p>
28
】
。
尿黑酸的生物合成被抑制
,
导致质体醌与生
育酚合成受阻。植物体内质体醌和生育酚的
减少
,
可引起植物白化症状
【
29
】
。
生育酚在植物的新陈代谢过程中具有重要的作用
,
它是高等植
物细胞膜的主要抗氧化剂之一
;
而质体醌是植物在进行光合作用时重要的电子传递载体
,
同时
HPPD
抑制剂也起
着光合作用电子传递抑制剂的角色。此外
,
在类胡萝卜素的生物
合成过程
中
,
质体醌还是辅助八氢番茄
红素去饱和酶的关键因素
,
八氢番茄红素去饱和酶的催化作用受
阻中的主要原因是由于质体醌的减少
,
最终导致类胡萝卜素的生物合成受到抑制
,
使植物出现
白化症状。类胡萝卜素既可作为光吸收体
,
又可
作为保护性物质
,
降低三线态叶绿体或单线态
< br>氧的激发
,
类胡萝卜素的生物合成被抑制将导致植物最终
出现白化症状而死亡。
5.2
对羟苯
基丙酮酸双氧化酶抑制剂的应用
HPPD
抑制剂最初来源于三酮类化合物
,
因此对于
HPPD
抑制剂构效关系的研究也主要
集中于三酮类化
合物。影响
HPPD
抑制剂活性的结构主要分为
3
类
:
在环己二酮部分中
,4-
位
或者
6-
位引入取代基后可以增强除草剂的活性
,
如果环己二酮取代基被异噁唑环替代
,
可形成
异噁唑类抑制剂
;
如果环己二酮取代基被吡唑环替代<
/p>
,
可形成吡唑类
HP-PD
抑制剂。
在苯环部
分中
,<
/p>
为增强除草剂的活性
,
可引入强吸电子取
代基
,
并且引入的取代基碳链越长、
基
团体积越
大
,
除草剂活性提高的效果越
明显。在三酮部分中
,HPPD
抑制剂的除草活性取决于
7-
位羰基
的存在、具有共平面性的三酮系统
及形成烯醇的能力
【
30
】
。
目前
,
对于三酮类除草剂已有
3
个品种开发成功
,
它们是磺草酮
(
sul
cotrione
)
、
甲基磺草酮
(
me-sotrione
)
和双环磺草酮
(
benzobicyclon
)
。三酮类除草剂的最大优点是
【
31
】
:
其一
,
不易挥发
-
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-
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