植物次生代谢物研究进展

植物次生代谢物研究进展

药用植物学 廖凯

1 植物次生代谢物

1.1植物次生代谢物定义

植物的代谢产物可分为两类，即初生代谢产物(Primary metabolites)和次生代谢产物( secondary metabolites)。初生代谢物是指维持植物体正常生命活动所必需的物质和能量代谢，包括合成代谢和分解代谢，初生代谢产生的代谢产物称为初生代谢产物(Primary etabolites)，如糖类、脂类、氨基酸、核酸以及它们的多聚体（淀粉、多糖、蛋白质、RNA和DNA等），这些物质的分子量一般很大，又称为大分子化合物。而植物次生代谢的概念最早于11年由Kossel明确提出，与初生代谢物（糖类、蛋白质和脂肪类）相比，次生代谢产物不是细胞生命活动或植物生长发育所必需的，其在已知的光合作用、呼吸、同化物运输以及生长分化等过程中没有明显的或直接的作用。因此多年来曾一直被认为是植物体内的废物。随着研究的不断深入，表明植物次生代谢物的形成多与植物的抗病、抗逆有关，在处理植物与生态环境关系上充当着重要的角色。并且通过对植物次生代谢的，改变次生代谢物的含量，可提高植物的防御能力，大量有益的次生代谢物还可用于医药生产和人类疾病的防治等方面。植物的次生代谢是植物体利用初生代谢产物，在一系列酶的催化作用下，进一步进行合成或分解代谢，产生的代谢产物称为次生代谢产物，如生物碱、糖苷、黄酮类、挥发油等，由于这些化合物分子量一般很小(2500以下)，又称为小分子化合物，习惯上称为天然产物(Natural Products)。次生代谢是一类特殊而且复杂的代谢类型，通常认为植物的次生代谢是通过渐变或突变获得的一种适应生存的方式，是植物体在长期的进化过和中对生态环境适应的结果。它们通过降解或合成产生，不再对代谢过程起

作用。

1.2 植物次生代谢产物的分类

植物次生代谢产物种类繁多，在来源、结构和功能方面均有不同之处。目前己知的结构达3万余种。植物次生代谢产物根据结构异同可分为酚类(phenolic)、萜类(terpene)和含氮化合物(nitrogen—containing compound) 等三大类。各大类再根据其化学结构和性质又可分为黄酮类、简单酚类、醌类、挥发油类、萜类、生物碱类和胺类等，其中前三种属于酚类，生物碱类和胺类则包含在含氮化合物中。

广义的酚类化合物分为黄酮类、简单酚类和醌类。

黄酮类是一大类以苯色酮环为基础，具有C6—C3—C6结构的酚类化合物．其生物合成的前体是苯丙氨酸和马龙基辅酶A。一般可分为花色苷、黄酮醇和黄酮三类。花色苷主要包括花色苷和花色素等。花色苷主要分布于花瓣中，在植物的细胞内一般是以糖苷的形式存在，与糖基解离的花色苷剩余部分则称为花色素。花色素的功能主要作为诱引色，吸引昆虫或动物采食，协助传粉和传播种子。另外在一些植物的果实、叶片、茎干和根中也存在花色苷。很多黄酮类成分用于心血管疾病的治疗，如槐树槐米中的芦丁用于治疗毛细血管脆性引起的出血症及辅助治疗高血压，许多异黄酮是植保素。黄酮醇和黄酮与花色素的结构非常相似，大部分呈淡黄色或象牙白色，和花色素一样也是植物花的呈色物质。这些物质还存在于植物叶片内，对动物起拒食剂的作用，也可以吸收大量紫外线，保护叶片不受其危害。

简单酚类是含有一个被羟基取代苯环的化合物，广泛分布于植物叶片及其它组织中。某些成分有调节植物生长的作用，有些是植保素的重要成分。如在某些植物的抗病过程中

具有重要作用的原儿茶酸和绿原酸的衍生物一植保素；对植物生长有严重抑制作用的单宁类化合物一没食子鞣质。这类化合物甚至可以抑制周围其他植物的生长，形成植物异株相克现象。

醌类由苯式多环羟碳氢化合物(如萘、葸等)衍生的芳香二氧化合物，存在于所有主要植物类群中。它也是植物呈色的主要原因之一，有些醌类是抗菌的主要成分，如紫草栓皮层中的紫草宁，存在于胡桃中的胡桃醌等。

萜类化合物萜类是由异戊二烯单元(5碳)组成的化合物，通过异戊二烯途径(又称甲羟戊酸途径) 合成。现在已研究发现，在植物细胞器质体中存在着第二条途径—— 丙酮酸／磷酸甘油醛途径，胡罗卜素、单萜和二萜通过该途径合成．两条途径差异就是异戊烯基焦磷酸(IPP)形成机制不一样．甲羟戊酸途径IPP前体为甲羟戊酸，而丙酮酸／磷酸甘油醛途径的前体是在转酮酶的作用下，由丙酮酸和3一磷酸甘油醛缩合而成的5一磷酸木酮糖，丙酮酸提供2C骨架，而3一磷酸甘油醛则提供3C骨架。根据萜类分子结构通常分为低等萜类和高等萜类，由2个，3个或4个异戊二烯单元分别组成产生的单萜、倍半萜和二萜称为低等萜类，其中由2个异戊二烯单元头尾相连形成单萜、由3个异戊二烯单元构成倍半萜、由4个异戊二烯单元构成二萜和多萜。甾类化合物和三萜的合成前体都是含30个碳原子的鲨烯，为高等萜类。现已知的萜类已超过2万种。单萜和倍半萜是植物挥发油的主要成分，也是香料的主要成分。许多倍半萜和二萜化合物是植保素。一些萜类成分具有重要的药用价值。如倍半萜成分青蒿素是目前治疗疟疾的最佳药物，抗癌药物紫杉醇是二萜类生物碱，存在于裸子植物红豆杉中。甾类化合物由1个环戊烷并多氢菲母核和3个侧链基本骨架组成。植物体内三萜皂苷元和甾体皂苷元分别与糖类结合形成三萜皂苷。如人参皂苷和薯蓣皂苷等。

含氮有机化合物中最大的一类次生代谢物质是生物碱，是一类含氮的碱性天然产物，

已知的达5 500种以上。按其生源途径可分为真生物碱、伪生物碱和原生物碱。真生物碱和原生物碱都是氨基酸衍生物，但后者不含杂氮环。伪生物碱不是来自氨基酸，而是来自萜类、嘌呤和甾类化合物。许多生物碱是药用植物的有效成分，如小檗碱、莨菪碱等，还有些是植保素。现已深入研究的有烟草的烟碱、吡咯啶生物碱、毒藜碱，毛茛科的小檗碱，曼陀罗的莨菪碱、东莨菪碱等。含氮有机化合物还有胺类，是NH中的氢的不同取代产物，根据取代基数目分为伯、仲、叔和季胺四种。现已鉴定结构的约100种，在种子植物中分布广泛，常存在于花部，具臭味。非蛋白氨基酸，即不组成植物蛋白的氨基酸，以游离的形式存在。目前已鉴定结构的达400多种，对动物常有毒性，多集中于豆科植物中。由于与蛋白氨基酸类似，易被错误地结合进正常蛋白质，导致蛋白质功能的丧失；生氰苷一类由脱羧氨基酸形成的O.5糖苷，它是植物生氰过程中产生HCN 的前体。其本身无毒性，当含生氰苷的植物被损伤后，则会释放出有毒的氢氰酸(HCN)气体。现已鉴定结构的达30种左右，存在于多种植物内，最常见的有豆科植物、蔷薇科植物等。如苦杏仁苷和亚麻苦苷。生氰苷与植物趋避捕食有关．芥子油苷主要存在于芸薹属植物，其经硫葡糖苷酶水解，生成糖苷配基，然后自发分解为异硫氰苷和腈。这些产物对草食动物有毒。但植物未受伤害之前芥子油苷和硫葡糖苷酶是分隔开的。

其他 除了上述的主要三大类外，植物还产生多炔类、有机酸等次生代谢物质，多炔类是植物体内发现的天然炔类，有机酸广泛地分布于植物各个部位。

1.3影响植物次生代谢的因素

影响植物次生代谢的水平的因素主要可分为两类，生物因素和非生物因素。生物因素和非生物因素同时影响着植物的次生代谢。

植物面对的生物环境比较复杂，包括昆虫和草食动物乃至人类的侵害、致病微生物的

危害、植物之间的相互竞争和协同进化以及与真菌的共生关系等等。在植物与这些生物环境的相互作用过程中，次生代谢及其产物均发挥着重要的作用。很多植物中的次生代谢产物对食草动物、昆虫等具有一定的防御作用。来源于莽草酸或者芳香氨基酸的次生代谢产物中，有很多化合物在防御机制中发挥着重要作用。芥子油苷是一类含硫和氮的化合物，目前至少有100种不同的结构被确定。植物组织破坏后芥子油苷被黑芥子酶水解并释放出异硫氰酸醋、硫氰酸醋、睛等防御物质。芥子油苷的气味和味道降低了植物对食草动物如鸟和昆虫的适口性。多数植物还具有较强的诱导防御能力，即植物被取食后某些次生代谢产物迅速增加，增强植物的防御能力。此外，植物除了直接用次生代谢物对外界进行防御外，有些植物还有利用次生代谢产物进行间接防御的能力，通常是释放挥发性信号物质来吸引取食者的天敌。红叶瞒取食利马豆的叶片后，能激发受害植物释放挥发性物质，吸引肉食性螨来捕食红叶螨。植物间的化感作用是近年来颇受重视的研究领域，它主要是指植物产生并向环境释放次生代谢产物从而影响周围植物生长和发育的过程。具有化感潜势的次生代谢产物呈现高度的化学多样性，萜类途径产生的众多复杂化合物通常被认为是高效的化感物质，而其他次生代谢产物如生物碱、非蛋白氨基酸等也被发现具有化感潜势。化感作用包括促进和抑制两个方面，在范围上包括种群内部和物种间的相互作用。植物释放毒性物质到环境中并抑制同种植物萌发和生长的现象称为自毒作用，自然条件下能在时间上和空间上调节种群格局，避免种内竞争，形成更好的空间分布。多种作物如小麦、水稻、玉米、绿豆、向日葵、油彩籽、芦笋、胡萝卜、黄瓜等被证明存在自毒作用[2]，并引起诸如土地贫瘠和作物减产等许多生态和经济问题。菊科植物在自然生态系统中多具有攻击性而易形成单一群落，是物种间化感作用的典型例证，关于其化感作用已有较多报道[3]。生物人侵是当今生态学的一个重大问题，虽然人侵植物影响邻近植物的机制还不十分清楚，但化感作用可能和这种人侵有关。菌根是自然界中一种极为普遍和重要的共生现象，自然界中约有90%的维管植物都能形成菌根[4]。近年来许多研究表明菌根真菌及共生过程影响植物的次生代谢，导致植物的次生代谢产物发生变化，而这些次生代谢产物在植物和菌根真菌之间形成的共生关系中起着特别重要的作用。致病微生物的侵袭是危害植物生存的又

一重要因素，次生代谢产物在提高植物抗病能力方面也起着举足轻重的作用。从植物中提取的许多次生代谢物质都具有抵抗多种微生物的活性，它们主要分为两类，一类是组成型表达的物质，称为植物抗毒素，另一类是诱导型表达的物质，称为植保素，通常在微生物侵染2一3d后才出现。植保素只存在于维管植物中，多见于单子叶植物，少数分布在双子叶植物和裸子植物中，目前已经在25科植物中发现了超过20种植保素[5]。简单酚类，如香豆素、咖啡酸、没食子酸、阿魏酸、类黄酮和单宁具有抗真菌、细菌和病毒的活性，这些物质可作为植物抗毒素、植保素甚至物理屏障如木质素的合成前体。水杨酸在对抗微生物方面有重要和复杂的作用。萜类的情况比较复杂，如树脂中的单萜组分可能是抵抗病原微生物的毒素，而二萜组分则可能作为防御病原真菌的物理屏障。

非生物因子如温度、水分、光照、大气、盐分、养分等都会对植物的生长产生各种各样的影响。植物对这些环境条件的适应可以发生在形态结构上，也可以发生在生理代谢上，而次生代谢产物则成为后一种适应的物质基础之一，很多次生代谢产物都会因环境的影响而变化。

温度是调节植物代谢水平的主要环境因子，对植物的次生代谢也有很大影响；在干旱胁迫下，植物组织中次生代谢产物的浓度常常上升，包括氰苷及其他硫化物、萜类化合物、生物碱、单宁和有机酸等。在受到中度干旱胁迫的针叶树中，低分子量萜类化合物的浓度升高，同时树脂酸和单萜的组成发生变化；有研究表明高山红景天根中的红景天苷含量因土壤含水量而变化[6]，轻度的水分胁迫则有利于乌拉尔甘草中甘草酸的积累[7]；光强、光质和日照长短都对植物次生代谢有影响。林中植物上部阳生叶中酚类物质含量要比下部阴生叶中多，非洲热带雨林植物中的酚含量与光照强度正相关。温室中的烟草补加紫外光照射时绿原酸含量增加到对照的5倍，受红光照射时则产生较多的生物碱、较少的酚。遮荫导致高山红景天根中的红景天苷含量降低，但却增加了喜树叶片中的喜树碱含量。红光成分增加提高高山红景天根中的红景天苷含量；早期的一些研究表明，土壤氮素的增加导致植

物中非结构碳水化合物含量下降，从而使以非结构碳水化合物为直接合成底物的单萜类化合物减少，但以氨基酸为前体的次生代谢产物水平则提高，反之在使体内非结构碳水化合物增加的条件下，缩合单宁、纤维素、酚类化合物和萜烯类化合物等含碳次生代谢产物大量产生，当然结果并不完全一致。高山红景天根中红景天苷的合成与积累需要适宜的氮素营养，过高过低都不利，而且在自然条件下红景天苷含量与土壤的有机质含量、pH值以及氮素、磷素、钾素营养均有密切联系。大气中C O2的浓度一直在增加，这种变化不仅作用于植物的初生代谢，也影响次生代谢。一些研究工作观察到，伴随着大气中C O2浓度的升高，落叶树叶片中单宁的浓度升高，盐生车前叶片中咖啡酸含量含量也增加。UV一B辐射 中波紫外辐射(UV一B，208一302nm)对植物的影响是近年来的研究热点，一些研究者认为UV一B辐射诱导产生的次生代谢产物如黄酮、单宁和木质素等的变化对生态系统营养循环的调节才是其最重要的影响。大量研究表明，UV一B辐射增强对植物最一致的影响是诱导植物叶片中的紫外吸收物质(主要是酚类化合物如类黄酮、黄酮醇、花色素苷以及烯萜类化合物如类胡萝卜素、树脂等，其中类黄酮最主要，并且也观察到在UV-B辐射下类黄酮合成途径的苯丙氨酸解氨酶和查尔酮合成酶以及其它分支点酶的酶量增加或活性加强。环境污染 一些研究表明，环境污染可导致植物次生代谢产物的组成和含量发生变化，如酚类等化合物对各种形式的污染物均有反应，较适合于污染的早期检测[8]。

近些年来，人们越来越认识到植物次生代谢产物广泛的生物学效应，开始重新评价这些化合物在植物生命活动以及生态系统中可能扮演的角色。在植物与非生物环境的关系中，人们逐渐认识到次生代谢及其产物的重要作用，在近年来的全球性环境问题如温室效应、UV一B辐射增强、环境污染等的研究中也开始关注植物次生代谢过程和产物的响应和作用。而且，研究工作将不仅局限于植物个体水平，更需要在种群、群落乃至生态系统层次上分析次生代谢产物的作用与机制。在植物对环境的适应与进化的过程中，植物为应对环境变化逐渐演化形成了各种次生代谢途径，并生产相应的次生代谢产物来缓解环境的胁迫，植物的次生代谢比初生代谢包含着更多的环境信息。研究植物次生代谢与环境的关系，可以

从更深的层次发掘植物与环境的内在联系，为全面、深入认识植物与环境的相互关系提供新的研究途径，同时也有利于人类更有效、合理地利用植物的次生代谢产物。

2 青蒿次生代谢物的研究

植物的次生代谢物不仅对植物自身有重要意义，同时植物次生代谢物也为人类抵御疾病提供了广泛的选择基础，现在人们已经开始从高等植物的次生代谢物中去寻找、开发新药。如萜类化合物中的紫杉醇是目前最有效的天然抗癌药物；中药白芷中的异欧前胡素及白当归素对Hela人体癌细胞有明显的细胞毒活性[9]；青蒿中的倍半萜类化合物青蒿素及其衍生物等则是目前对疟疾最有效的抗疟药。

青蒿（Artemisia annua L.）作为常用中药在我国已有两千多年的历史了。在马王堆出土的《五十二病方》（西汉）就有记载；而东晋葛洪《肘后备急方》(公元281-340年)，记录了青蒿治疗疟疾的方法“青蒿一握，以水二升渍，绞取汁，尽服之”的记载，则是现存最早的用青蒿治疗疟疾的记载。青蒿次生代谢物的研究较多，也较早，但主要集中在青蒿素及其衍生物和挥发性成分的研究方面。青蒿的主要药用化学成分分为四类：挥发油、倍半萜、黄酮、香豆素等。

青蒿的主要药用化学成分分为四类：挥发油、倍半萜、黄酮、香豆素等。其中挥发油以茨烯（Camphene）、β-茨烯(β-Camphere)、异蒿酮(Isoartemisis Ketone)、左旋樟脑(1-Camphor)、β-丁香烯（β-Caryophyllene）[14] 等几种成分为主。黄酮类成分则有柽柳黄素（Tamarixetin）、猫眼草酚（Chrysosplenol-D）、鼠李黄素（Rhamnetin）、金圣草黄素（Chrysoeriol）、猫眼草黄素（Chrysosplenol）、泽兰黄素（Erpatorin）等。挥发油成分方面的研究，陈伟民报道了青海产青蒿的挥发油主要含樟脑、蒿酮、龙脑、松油醇、桉叶油素和蒎烯等成分[10]；通过对不同采收期的青蒿素含量比较发现，其在盛花＜初花期

＜花后期＜花前期[11]。香豆素类化合物有东莨菪内酯（Scopoletin）、东莨菪苷（Scopolin）等，此外青蒿中还含有β-谷甾醇（β-Sitosterol）、β-半乳糖苷酶（β-Galactosidase）、蒿甲醚（artemether）、青蒿琥酯（artesunate）[12]。其中青蒿素有较好的抗疟效果。青蒿酸对黄色葡萄球菌、宋氏痢疾杆菌等有抑制作用。青蒿油可以、去痰、平喘等。倍半萜类化合物是青蒿的抗疟成分。

2.1青蒿挥发油成分的研究进展

青蒿的挥发油成分是其具有清虚热，凉血，除骨蒸，解暑等功效的主要成分。挥发油成分方面的研究，陈伟民报道了青海产青蒿的挥发油主要含樟脑、蒿酮、龙脑、松油醇、桉叶油素和蒎烯等成分；通过对不同采收期的青蒿素含量比较发现，其在盛花＜初花期＜花后期＜花前期[1３]。其中挥发油以茨烯（Camphene）、β-茨烯(β-Camphere)、异蒿酮(Isoartemisis Ketone)、左旋樟脑(1-Camphor)、β-丁香烯（β-Caryophyllene）等几种成分为主。不同产地青蒿挥发油分的差异可能是因为采收时期不同造成的。吴卫等通过对不同生育期的鱼腥草挥发油成分检测发现，在不同生育期，鱼腥草的挥发油成分有较大差异。故可能在不同生育期，不同采收期采收的青蒿其挥发性成分也可能存在一定差异。检测条件的不同也可能导致检测结果不。青蒿自身的遗传多样性，以及可能存在的不同的化学型导致其挥发性成分的多样性。在不同的生长环境中生长，青蒿的挥发油成分也可能存在较大差异。导致青蒿挥发油成分变化明显的原因还有待进一步研究。

2.2 青蒿素及其衍生物的研究进展

青蒿素对脑型疟疾和抗氯喹疟疾有速效、低毒的特点，随着疟原虫对奎宁等众多治疟药产生抗药性，青蒿素这类新型抗疟药被广泛应用于临床。据世界卫生组织估计，目前全世界约有3亿人长期感染疟疾，而每年又有约1.5亿新增感染病历。全球平均约有150万

人死于疟疾，其中约有一半是儿童。可见，疟疾仍然是世界上最严重的传染病之一。青蒿素被世界卫生组织称为“世界上唯一有效的疟疾治疗药物，临床上主要用于治疗疟疾，急慢性支气管炎，呼吸道感染，神经性皮炎和皮肤真菌等多种疾病。青蒿素为一种含过氧桥的新型倍半萜内酯，该结构与奎宁类抗疟药不同，即它是一个不含杂环的非生物碱类抗疟药。在国内外市场上供不应求[14]。对青蒿素极其衍生物的研究发现，青蒿素不仅仅具有抗疟作用，同时对血吸虫病、艾滋病并发症等也有很好的疗效，翟自立等对感染日本吸血虫的小鼠灌服蒿甲醚（青蒿素的一种衍生物）后收集虫体，观察糖代谢酶活性，72 h后，己糖激酶，苹果酸脱氢酶等代谢关键酶活性均明显下降，甚至被完全抑制[15]。吴玲娟等给小鼠灌服青蒿琥酯（青蒿的一种水溶性衍生物），收集小鼠体内24d童虫制成匀浆电泳，测定酶活性，发现青蒿琥酯对日本血吸虫酸性磷酸酶有明显抑制作用，表明青蒿琥酯对日本血吸虫童虫能量代谢和肠壁消化红细胞的功能均有抑制作用[16]。

有学者研究认为青蒿素主要存在于青蒿叶片的腺毛中，而其生物合成也可能与腺毛状分泌物有关。在组织培养中，未分化的愈伤组织或细胞不能产生青蒿素，为青蒿素在腺毛状分泌腺中合成提供证据，而在青蒿毛状根中检测到高含量的青蒿素存在，又为青蒿素在腺毛状分泌腺外合成提供了证据。在青蒿素生物合成途径中，青蒿酸、青蒿素B、脱氢青蒿酸和杜松烯等是其关键的中间体。目前认为青蒿素的生物合成经由三大步组成，由乙酸形成法尼基焦磷酸(FPP)，由FPP合成的倍半萜，倍半萜内酯化形成青蒿素。目前除对单萜的合成途径已经比较清楚外，对于青蒿素的生物合成途径尚在探索之中。Akhila[17]等利用放射性同位素示踪标记推测出FPP至青蒿素的合成途径。Brown[18]给出了由青蒿素B经脱氢青蒿素合成青蒿素的途径。青蒿素合成的关键酶，有学者认为主要有法尼基焦磷酸合成酶，倍半萜环化酶以及由醋形成过程中的加氧酶或氧化酶。法尼基焦磷酸合成酶是为倍半菇的合成提供重要的前体FPP的关键酶。

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