植物化学与天然药物课件天然类胡萝卜素3.ppt

1、参考书:n王业勤,李勤生编著,天然类胡萝卜素:研究进展、生产、应用,中国医药科技出版社,1996年第一版 n吴立军主编，天然药物化学，人民卫生出版社，2007年第五版n苏立强编著，色谱分析法，清华大学出版社，2009年1月第一版生物合成途径与调控生物合成途径与调控微生物基因工程微生物基因工程植物基因工程植物基因工程n类胡萝卜素是由类胡萝卜素是由8 8个类异戊二烯单位个类异戊二烯单位连接而成的一类碳氢化合物及其氧化连接而成的一类碳氢化合物及其氧化衍生物衍生物,是普遍存在于自然界的一类是普遍存在于自然界的一类黄色或红色的色素。黄色或红色的色素。目前已经超过目前已经超过700700种。种。Lycop

2、eneLutein-caroteneZeaxanthinDeinoxanthinMVA是各种类型萜是各种类型萜类化合物生物合成类化合物生物合成的最关键前体的最关键前体IPP和和DMAPP是活是活性的异戊二烯，延性的异戊二烯，延长碳链长碳链类胡萝卜素定位在亲脂性类胡萝卜素定位在亲脂性组织间具有重要的生物学组织间具有重要的生物学功能，包括亲脂抗氧化活功能，包括亲脂抗氧化活性、在生物膜中起稳定作性、在生物膜中起稳定作用的特性等用的特性等Photosynthesis Research 81:215225,2004如果未指明是顺式构型，母体“胡萝卜素”表示所有双键均为反式构型。根据IUPAC命名法，顺式

3、构型用前缀“顺式”和其位数表示。目前，IUPAC规定采用前缀“E”和“Z”代替原有的“反式”和“顺式”来表示类胡萝卜素分子的几何异构现象 自由基的一般定义：自由基的一般定义：广泛意义上还包括与自由基性质近似的化学性质活广泛意义上还包括与自由基性质近似的化学性质活泼的物质，如活性氧（泼的物质，如活性氧（ROSROS），活性氮（），活性氮（NONO）等。）等。种类：1）氧自由基，羟基自由基（OH）、超氧阴离子自由基（O2-），脂质过氧化自由基LOO、还有活性氧H2O2、单线态氧 1O2等等2）含氮自由基，NO,DPPH(1，1-二苯基苦基苯肼)O2+e2O2O+H+2H2O2+O2Fe2+H2O2

4、OH-+OH+Fe3+H2O2+2O1O2+OH+OH-(Fenton Reaction)(Haber-Weiss Reaction)每个分子轨道上不能存在两个自旋态相同的电子，因而各个轨每个分子轨道上不能存在两个自旋态相同的电子，因而各个轨道上已成对的电子自旋运动产生的磁矩是相互抵消的，只有存道上已成对的电子自旋运动产生的磁矩是相互抵消的，只有存在未成对电子的物质才具有永久磁矩，它在外磁场中呈现顺磁在未成对电子的物质才具有永久磁矩，它在外磁场中呈现顺磁性。性。n 绝大多数自由基难于在通常条件下存在，例如绝大多数自由基难于在通常条件下存在，例如CH3等存在几分之一等存在几分之一秒所以不易制备；

5、除用特殊方法外，难于检测其存在。但也有少数自由秒所以不易制备；除用特殊方法外，难于检测其存在。但也有少数自由基能在室温下溶液中存在，例如三苯甲基自由基，基能在室温下溶液中存在，例如三苯甲基自由基，DPPH等等n类胡萝卜素自由基与氧分子的反应 以与氧气反应，最终生成5，8一过氧化物，在含水环境中CAR.+易失去一个质子，而生成中性的自由基。这类中性类胡萝卜素自由基与氧气反应，生成具有助氧化性的类胡萝卜素过氧化物自由基 由于类胡萝卜素的存在而引起由于类胡萝卜素的存在而引起LDLLDL氧化作用的不同滞氧化作用的不同滞后时间。后时间。-胡萝卜素在保护胡萝卜素在保护LDLLDL不被氧化的过程中起不被氧化

6、的过程中起了重要的作用。了重要的作用。LDLLDL中类胡萝卜素的保护作用取决于氧自由基最初攻中类胡萝卜素的保护作用取决于氧自由基最初攻击的部位。如果攻击发生在脂肪水中间相，更高极击的部位。如果攻击发生在脂肪水中间相，更高极性的类胡萝卜素如玉米黄素和黄体素会比较有效。然性的类胡萝卜素如玉米黄素和黄体素会比较有效。然而，如果发生在脂肪相，低极性的类胡萝卜素如番茄而，如果发生在脂肪相，低极性的类胡萝卜素如番茄红素和胡萝卜素等将更重要。红素和胡萝卜素等将更重要。传统柱色谱 薄层层析法(a)HPLC-MS分析.(be)各个峰的吸收光谱.Peak 1,deinoxanthin(b);peak 1,2-hy

7、droxy-4-keto-carotene(c);peak 2,4-keto-carotene(d);peak 3,-carotene(e).生物样品生物样品的破碎离心去除残渣有机溶剂提取真空旋转蒸发去除溶剂类胡萝卜素提取物 Lcy-e和Lcy-b在氨基酸水平上表现出较大的相似性，约为30%。两种环化酶在氨基酸末端也有特异性双核苷酸(FAD/NADP)连接序列基序。羟基化羟基化:在高等植物中，在高等植物中，-胡萝卜素胡萝卜素和和-胡萝卜素的胡萝卜素的C3C3和和C3C3位置发生羟位置发生羟基化后，经由基化后，经由-玉米黄质和玉米黄质和-玉米玉米黄质，生成了黄体素和玉米黄素。黄质，生成了黄体素和

8、玉米黄素。在拟南芥中发现了两种在拟南芥中发现了两种-胡萝卜素胡萝卜素羟基化酶，在番茄和胡椒中发现同系物。羟基化酶，在番茄和胡椒中发现同系物。环氧化作用和去环氧化作用环氧化作用和去环氧化作用:在在3-3-羟基羟基-环上环上引入了引入了5 5，6-6-环氧化基团，玉米黄质转化为堇环氧化基团，玉米黄质转化为堇菜黄质。去环氧化作用可以将堇菜黄质转化菜黄质。去环氧化作用可以将堇菜黄质转化为玉米黄质。玉米黄素的环氧化基因（为玉米黄质。玉米黄素的环氧化基因（ZeplZepl）序列已在杏、烟草和胡椒中被确定。序列已在杏、烟草和胡椒中被确定。新黄质的合成新黄质的合成:新黄质是由堇菜黄质新黄质是由堇菜黄质生成的，

9、含有生成的，含有1个简单的丙二烯系个简单的丙二烯系末端基团末端基团,马铃薯和番茄基因产马铃薯和番茄基因产物的分离与功能鉴定已实现。物的分离与功能鉴定已实现。辣椒黄素和辣椒红素的合成辣椒黄素和辣椒红素的合成:这些类这些类胡萝卜素含有一个特殊的环戊烷胡萝卜素含有一个特殊的环戊烷环，辣椒黄素环，辣椒黄素/辣椒红素合成酶已辣椒红素合成酶已从辣椒叶绿体中获得纯化从辣椒叶绿体中获得纯化n光照强度可能可以通过增加某种类光照强度可能可以通过增加某种类胡萝卜素生物合成基因的表达来改胡萝卜素生物合成基因的表达来改变类胡萝卜素的合成。比如，光照变类胡萝卜素的合成。比如，光照下下PsyPsy的的mRNAmRNA含量增

10、加含量增加,这个作用这个作用是由光敏色素是由光敏色素(BphP)(BphP)介导的介导的。Harry Smith,Nature,2000,407,585-591 Microbiology-SGM,2008,154,3697-3706 类胡萝卜素合成途径类胡萝卜素合成途径crtI的鉴定；的鉴定；类胡萝卜素合成途径类胡萝卜素合成途径crtB、crtD、crtLm等基因的鉴定；等基因的鉴定；类胡萝卜素贡献于耐辐射球菌的极端抗性。类胡萝卜素贡献于耐辐射球菌的极端抗性。耐辐射球菌素清除自由基的能力高于其耐辐射球菌素清除自由基的能力高于其它类似物。它类似物。FEMS Microbiol Lett,2009

11、,301:2127特殊类胡萝卜素合成途径和功能的研究特殊类胡萝卜素合成途径和功能的研究耐辐射球菌的类胡萝卜素合成代谢研究耐辐射球菌的类胡萝卜素合成代谢研究类胡萝卜素合成途径类胡萝卜素合成途径crtO的鉴定的鉴定Peak 1,deinoxanthin;peak 2,2,1-dihydroxy-3,4-didehydro-carotene;peak 3,1-hydroxy-3,4-didehydro-carotene;peak 4,1-hydroxy-carotene.AU-0.0050.0000.0050.0100.015Minutes0.002.004.006.008.0010.0012.00

12、14.0016.0018.0020.0022.0024.00类胡萝卜素合成途径类胡萝卜素合成途径crtE的鉴定的鉴定FEMS Microbiol Lett 2009,301:21-27耐辐射球菌的类胡萝卜素合成代谢研究耐辐射球菌的类胡萝卜素合成代谢研究Microbiology-SGM,2009,155:2775-2783 一种新型的类胡萝卜素一种新型的类胡萝卜素-1,2水和酶水和酶Carotenoid 1,2-hydratase dr0091 在在CrtO基因临近位置，被筛选基因临近位置，被筛选为为C-1,2水和酶的候选基因水和酶的候选基因dr0091 突变株的PCR验证(a)DR野生型和突变

13、株R1 cruF色素产物的HPLC和质谱分析.(be)各个峰的吸收光谱.Peak 1,deinoxanthin(b);peak 1,2-hydroxy-4-keto-carotene(c);peak 2,4-keto-carotene(d);peak 3,-carotene(e).大肠杆菌转化菌株产物的HPLC分析.Peak 7,1-OH-carotene;peak 8,-carotene;peak 9,-carotene.Carotenoid 1,2-hydratases的进化树分析的进化树分析.CruF homologues 构成独立的分支，进化上不同于已知的构成独立的分支，进化上不同于已

14、知的 CrtC family.耐辐射球菌的类胡萝卜素合成代谢研究耐辐射球菌的类胡萝卜素合成代谢研究DR菌类胡萝卜素的基本合成途径菌类胡萝卜素的基本合成途径耐辐射球菌的类胡萝卜素合成代谢研究耐辐射球菌的类胡萝卜素合成代谢研究Eric Giraud,Journal of Biological Chemistry,2004,279(15):1507615083 对于高产虾青素的红发夫酵母来说，试验证明其虾青素的生产具有光的可诱导性。在强光照射下，虾青素是高水平浓度状态。当再将细胞转回至黑暗状态时，虾青素含量又减少了。以中等强度51OO 的光持续辐射，可以得到虾青素最大量的生产。三种生物的类胡萝卜素合成基因三种生物的类胡萝卜素合成基因cDNA通过两个载体被共转化入水通过两个载体被共转化入水稻。水仙八氢番茄红素合成酶稻。水仙八氢番茄红素合成酶cDNA和番茄红素环化酶和番茄红素环化酶cDNA在胚乳在胚乳特异控制下（谷氨酸启动子）定位，而特异控制下（谷氨酸启动子）定位，而Euredovora八氢番茄红素八氢番茄红素脱氢酶基因（脱氢酶基因（crtl）在组合启动）在组合启动(CaMV35 S)控制下被定位。控制下被定位。