第六章 植物的次级代谢产物.ppt

第六章 植物的次级代谢产物,第一节 初级代谢和次级代谢,次级代谢产物的特征：,贮存在液泡或细胞壁中，大部分不再参加代谢活动。 生命活动必需，如植物激素（生长素、赤霉素）、光合色素（类胡萝卜素）、花色素（挥发萜类吸引昆虫传粉）、对植物无害对动物或微生物有毒的物质（多酚单宁）、抵抗入侵的产物（质保素）等。 长期演化过程中形成。 往往是重要的药物或工业原料。,一、萜类的种类 萜类或类萜在自然界中广泛存在、不溶于水；异戊二烯组成，有链状的也有环状的。 相对分子质量低的萜是挥发油，相对分子质量高的萜成为树脂、胡萝卜素等，相对分子质量更大的则形成橡胶等高分子化合物。,第二节 萜类,第二节 萜类,第二节 萜类,樟脑,单萜,除虫菊酯,侧柏烯,苎（ zhù ）烯/ 柠檬烯,牻（máng ）牛儿醇,姜烯,倍半萜,丁香烯,桉叶醇,檀香烯,树脂酸,双萜,冷杉酸,鱼鲨烯/角鲨烯,三萜,固醇（豆固醇、谷固醇、麦角固醇等）,橡胶,多萜,杜仲胶,二、萜类的生物合成,二者都形成IPP，然后进一步合成萜类，所以IPP亦称为“活跃异戊二烯”。,三、萜类的功能 1. 影响植物生长发育,水稻恶苗病 赤霉素（双萜）：促进生长、打破休眠,类胡萝卜素（四萜）：胡萝卜素、叶黄素、番茄红素可以调节花、叶和果实颜色；胡萝卜素还能转变成脱落酸。,2. 对哺乳动物和昆虫有毒害作用,松和冷杉含有松脂的单萜成分，如苎烯和桂叶烯等对棘胫小蠹等昆虫有毒害作用,挥发油多是单萜和倍半萜，存在于腺细胞和表皮中。如薄荷、柠檬等分泌特殊挥发油，防止害虫侵袭。,棉酚，一种倍半萜，存在于一些棉花品种的棉籽和下表皮毛中，可以抗虫。,松树的树脂含有相当数量的双萜（如冷杉酸），当害虫取食穿刺到树脂道时，树脂流出，阻止害虫取食，最后封闭伤口。,2. 对哺乳动物和昆虫有毒害作用,大戟科植物产生的乳汁含有双萜（如佛波醇），严重刺激皮肤，对哺乳动物有毒。,3. 药用或工业原料,短叶红豆杉分泌红豆杉醇（也叫紫杉醇）是强烈的抗癌药物。,多萜化合物中橡胶是最有名的高分子化合物，一般由1500-15000个异戊二烯单位组成。,一、酚类的种类 定义：芳香族环上的氢原子被羟基或功能衍生物取代后生成的化合物，种类繁多，是重要的次级代谢产物之一。 有的是脂溶性；有的是水溶性的羧酸和糖苷；有些是不溶的大分子多聚体。,第二节 酚类,根据芳香环上带有的碳原子数目不同，分为6种。,肉桂酸/桂皮酸,简单苯丙酸类,阿魏酸（抗血小板凝集，抑制血栓素形成，增强前列腺活性等）,苯丙酸内酯,香豆素（香豆酸的内酯，有抗凝血作用）,水杨酸,苯甲酸衍生物类,没食子酸,木质素（存在于木质组织中，主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁。 木质素主要位于纤维素纤维之间， 起抗压作用。可作为橡胶补强剂 ）,木质素,类黄酮类 之 花色素苷,黄酮,黄酮醇,异黄酮（大豆、葛根等植物中含量较大）,鞣质,二、酚类的生物合成 以莽草酸途径为主,1. 莽草酸途径 该合成途径存在于高等植物、真菌和细菌中，动物和人类没有，因酪氨此动物和人类需要的酸、苯丙氨酸和色氨酸必需从食物中获取。 催化莽草酸和PEP合成烯醇丙酮酸5-磷酸莽草酸（EPSP）的EPSP合酶能被广谱除草剂草甘膦抑制。因此施用草甘膦后，植物不能合成芳香族氨基酸及其衍生物，最后因缺蛋白质而死。,2. 莽草酸途径是酚类合成的中心 苯丙氨酸解氨酶（PAL）是控制初级代谢转变为次级代谢的分至点，是形成酚类化合物中的一个重要调节酶。 苯丙氨酸在PAL作用下，脱氨形成肉桂酸，进一步羟化形成香豆酸，这是酚类物质合成的首先步骤。之后香豆酸加羟基和甲氧基分别形成咖啡酸和阿魏酸。这四种简单酚类是较复杂的香豆素、木质素、鞣质、类黄酮和异黄酮等的前身。,三、简单酚类,三、简单酚类,补骨脂素（呋喃香豆素类的一种），被日光中的紫外线A（320-440 nm）激发为高能电子态，插入DNA双螺旋中，与碱基C和T结合，阻断DNA转录和修复，可导致白血病细胞死亡。 在逆境或病害时，芹菜中的呋喃香豆素类含量显著增加。,作用：防御食草昆虫和真菌侵袭,四、木质素 植物体的木质素数量很大，仅次于纤维素，居有机物的第二位。木质素是植物体重要组成物质，广泛分布于植物界。 植物在细胞质中形成3种木质醇（香豆醇、松柏醇和芥子醇），再运送到细胞壁形成木质素，为细胞壁的主要成分之一。,与CoA结合，被催化成相应的高能CoA硫酯衍生物,五、类黄酮类 类黄酮是两个芳香环被三碳桥连起来的15碳化合物，其结构来自两个不同的生物合成途径。 一个芳香环（B）和桥是从苯丙氨酸转变而来，而另一个芳香环（A），则来自于丙二酸途径。,基本类黄酮骨架会由许多取代基，羟基常位于4、5、7位，它也常带糖，所以大多数类黄酮是葡萄糖苷。 羟基和糖增加类黄酮的水溶性，而其他替代物则使类黄酮呈脂溶性。,2. 功能 （1）呈现颜色,可吸引昆虫传粉，鲜艳果实可吸引动物食用传播种子。,植物色素,鲜艳的果实,在C环部位3有糖基的是花色素苷，没有糖基的是花色素。均是黄酮类化合物，溶解于细胞质中。,花色素苷的颜色受许多因子的影响。,（2）防御伤害 黄酮和黄酮醇也存在于绿叶中。这两类物质积累在叶和茎的表皮层，吸收紫外线B（280-320 nm），因此可以保护细胞受紫外线伤害。这两类物质允许可见光通过，不影响光合作用进行。 异黄酮属于类黄酮，具有不同的功能。如鱼藤根中的鱼藤酮有杀虫效果；植株受真菌或细菌感染后形成植物防御素能限制病原微生物进一步扩散。,六、鞣质（单宁）,鞣质有毒，草食动物吃后，明显抑制生长。 鞣质在口腔中与蛋白质结合，有涩味。一些牲畜不愿意吃鞣质含量高的植物，因为鞣质与肠中的蛋白质结合会形成不易消化的蛋白质鞣质复合体。 树干心材的鞣质丰富，能防止真菌和细菌引起的心材腐烂。,定义：从普通的氨基酸合成的含氮化合物。,第四节 次级含氮化合物,一、生物碱 定义：一类含氮杂环化合物，通常含有一个含N环，其碱性来自含N的环。 目前已发现含生物碱的植物将近一百多个科。,羽扇豆（豆科）,长春花（夹竹桃科）,防己（防己科）,钩吻（马钱科）,罂粟（罂粟科）,川乌（毛茛科）,茜草科,朱顶红、君子兰（石蒜科）,马铃薯（茄科）,枳（芸香科）,一科植物常含有多种结构相似的生物碱，如麻黄中已发现7种有机胺类生物碱。 生物碱在植物体内的分布并不一致，如古柯碱（可卡因）集中在叶内，奎尼碱集中在树皮，香木鳖碱集中在种子，石蒜碱集中在鳞茎。,古柯,马钱子,水仙,乌檀,生物碱含量很低，通常在万分之几到百分之一（金鸡纳树皮含奎宁碱12%极少的例子）。 不同生长时期所含生物碱成分及含量常有不同。（多年生植物，随年龄增长，某部分含量逐渐增加，金鸡纳树皮的奎宁碱随树龄增长而增加，小檗根中的小檗碱/黄连素含量虽植物年龄增长而增加） 植物生物碱含量也受外界条件的影响而变化，如氮肥多时，烟碱含量高。,金鸡纳树皮,小檗,烟草,又叫阿片，俗称大烟，罂粟花汁液凝固后的黑色固体，主要作用成分是吗啡。 症状：欣快感、无法集中精神、有幻觉，致高度心理及生理依赖性；戒断反应发生渴求药物、不安、流泪、流汗、流鼻水、易怒、发抖、寒战、打冷颤、厌食、便秘、腹泻、身体卷曲、抽筋等。 危害：急性中毒，昏迷、呼吸抑制、低血压、瞳孔变小，严重的引起呼吸抑止致人死亡。,鸦片,以吗啡生物碱作为合成起点得到的半合成毒品，是鸦片毒品系列中的精制品，主要作用成分是二乙酰吗啡。最初曾被用做戒除吗啡毒瘾的药物，后来发现它比吗啡成瘾性更强。 危害：心血管系统、神经系统、免疫系统、呼吸系统、生殖系统以及内分泌系统等各系统、器官的急慢性中毒损害，吸食者者有焦虑、沮丧、抑郁、烦躁、自卑、情绪障碍等一系列的心理损伤。 迄今并无任何有效的戒除方式，且戒断反应非常剧烈，因此复吸比例极高，一旦沾染，几无可能戒除。,海洛因,古柯碱，被用作局部麻醉药或血管收缩剂，也可作强烈的天然中枢兴奋剂，也因其对中枢神经系统的兴奋作用而导致滥用。毒性极强，一般不用于注射。 症状：焦虑、倦怠和极度兴奋等症状，酷似妄想精神分裂症，产生幻觉，触觉致幻尤为强烈，仿佛皮肤上总是有昆虫附着，以致发生自残行为，常常还有心理恐怖，总怀疑被人监视、跟踪。 危害：易激惹、注意力涣散，心理依赖性反应强。严重的神经、精神损伤，并出现神经系统并发症，包括缺血性中风、蛛网膜下腔出血和脑出血、头痛、晕厥、癫痫发作和死亡。,可卡因,甲基苯丙胺，又称甲基安非他明、去氧麻黄碱，纯品很像冰糖，形似冰，故俗称冰毒。其前体伪麻黄碱最早作为感冒药使用。现今多采用全化学合成法，制备工艺较为简单，有“厨房毒品”之称。 症状：大剂量用药后会出现精神兴奋、性欲亢进，对食物和睡眠的要求降低，常导致激动不安和暴力行为。 危害：重度中毒时出现心率失常、痉挛、出血、多器官损害和代谢紊乱，甚至可致高热综合征，多器官功能衰竭而死亡，有时也可猝死，或由于过度兴奋而摇晃头部，导致颈部脱位而死。 长期吸食可产生强烈的依赖性，会有戒断反应，但较之海洛因等传统毒品略轻微。,冰毒,果实、果壳、苞片均可入药，叶有麻醉效应。主要有效化学成份为四氢大麻酚（THC），THC在吸食或口服后有精神和生理的活性作用。 症状：对时间、空间发生错觉，肌肉张力松弛，站立不稳，双手震颤。出现幻觉，妄想和类偏执状态，思维紊乱，自我意识库碍，出现双重人格。 危害：大麻依赖以心理依赖为主，躯体依赖较轻。戒断反应多见于广泛流行地区使用较大剂量者。戒断反应如激动、不安、食欲下降、失眠、体温下降甚至寒战、发热、震颤。一般持续45天逐渐消失。 经常吸食大麻的年轻人罹患精神病的机率，是不抽大麻的年轻人的两倍。,大麻,其他,生物碱的作用 1. 生物碱是核酸的组成成分，又是维生素B1、叶酸和生物素的组成成分，具有重要的生理意义。,叶酸在核酸代谢中有重要作用；帮助蛋白质的代谢，并与维生素B12共同促进红细胞的生成和成熟，在制造红血球时不可缺少。,生物素又称维生素H、辅酶R，水溶性，属于VB族，B7。在合成维生素C，以及脂肪和蛋白质正常代谢中不可或缺。,维生素B1又称硫胺素或抗神经炎维生素或抗脚气病维生素。,2. 对动物有毒性，因此能防御敌害。,毒蘑菇：菌柄上同时有菌环和菌托，菌褶剖面为逆两侧形的蘑菇多数有毒。,颠茄碱/阿托品是副交感神经抑制剂，可作眼科扩瞳剂、泻药，还可缓减干草热、伤风鼻阻和肠痉挛。 毒性较大，剂量过大时可引起视觉模糊、分泌闭止、血管扩张、高热、兴奋。 它是吗啡、毛果芸香碱、毒扁豆碱等的拮抗剂， 因此对付神经性毒气的特效药。,3. 重要药物的有效成分（麻黄能平喘，其有效成分是麻黄碱；黄连可抗菌，其主要成分是小檗碱/黄连素；元胡可镇痛，其有效成分是延胡索乙素等多种生物碱）,元胡又名延胡索、玄胡，为罂粟科紫堇属多年生草本植物，入心、脾、肝、肺，是活血化瘀、行气止痛之妙品，尤以止痛之功效而著称于世。,现在的西药常用的重要药品，最初都是从植物分离出来证实有效后化学合成的。,从萝芙木分离出来的利血平能降低血压和减慢心率，作用缓慢、温和而持久，对中枢神经系统有持久的安定作用，是一种很好的镇静药。,长春花中分离出来的长春花新碱可用于治疗一些癌症，如淋巴肉瘤、急性白血病、乳腺癌、卵巢癌、睾丸癌、恶性黑色素瘤等。,从粗榧中分离出来的三尖杉酯碱能抑制真核细胞内蛋白质的合成，使多聚核糖体解聚，是干扰蛋白质合成功能的抗癌药物。,二、含氰苷 广泛分布于植物界，其中以豆类、禾谷类和玫瑰一些种类最多。 主要存在于叶表皮的液泡中，其本身无毒，但其分解酶糖苷酶存在叶肉中，互不接触。叶片被咬碎后，含氰苷与酶混合，含氰苷中的氰醇和糖分开，前者在酶催化下自发分解为酮和氰化氢（HCN）。 昆虫和其他食草动物如蛇、蛞（ku）蝓(yú)取食后，产生HCN，呼吸被抑制。,三、芥子油苷 十字花科植物如甘蓝、花椰菜、萝卜和油菜中含有芥子油苷/芥菜油糖苷。 芥子油苷可被葡萄糖硫苷酶水解产生有刺激性、化学活性的物质，如异氰酸盐和腈，可作为抗毒素或拒食剂来抵抗食草动物。 对某些食草动物如纹白蝶，芥子油苷却有刺激其进食和产卵的作用。 我国作物育种专家培育出了种子高油分、低芥子油含量的油菜品种。,一、花色改良育种 利用基因工程在改变花色方面进行大量尝试和研究。,第五节 次级代谢物的生物技术应用,紫色康乃馨,蓝色及紫色月季,二、改良农作物品质 利用基因工程改变植物次级代谢，抑制农作物的某些形状，以提高产品品质或合成新的植保素，以增强抗性。,“金色稻米”：提高稻米胡萝卜素含量。,抑制番茄DETI基因表达，提高胡萝卜素和黄酮类的含量。,导入色氨酸脱羧酶，使油菜中色氨酸代谢不流向有毒的硫糖苷。,将花生合成植保素的关键酶转入烟草，提高烟草对灰霉病（灰葡萄孢菌）的抗性。,将(E)-B-金合欢烯合成酶基因转入高粱，提高对蚜虫的抗性。,三、药用植物的快速繁殖 细胞工程、细胞培养、组织培养。,三七,人参,西洋参,三尖杉,发根农杆菌可感染植物受伤部位，菌中Ri质粒上的T-DNA片段整合到植物细胞基因组内，诱导毛状根产生。毛状根培养最有应用潜力的是用来生产次级代谢产物。 优点：生长迅速；合成次级代谢产物能力强；每天可回收代谢物等。,