次生代谢产物

定义

次生代谢产物与初生代谢产物相对而言。初生代谢产物包括蛋白质、脂类、糖类和核酸等,直接参与生物的生长、发育与繁殖;次生代谢产物则不直接参与光合作用、呼吸作用、养分同化和溶质运输等过程^[1]。这类化合物只在某些属、科或物种中合成,含量通常不高,却往往具有生态与进化上的意义^[2]。

“次生”二字反映早期研究者把这类物质视为代谢的次要产物,近年已有学者主张改用“植物专化代谢产物”这一名称,以强调其功能并非可有可无^[3]。按化学结构,植物次生代谢产物一般划分为萜类、酚类、生物碱和糖苷四类^[4];若按生源途径,则可归为含氮化合物、酚类化合物和萜类三组^[5]。也有资料把它细分为苯丙素类、醌类、黄酮类、单宁类、类萜、甾体及其苷、生物碱七大类^[6]。

原理

次生代谢产物的碳骨架大多来自初生代谢产物的中间物,再经专门的分支途径加工生成,其合成途径高度分支,并且只在特定器官、组织或细胞器中开启^[7]。植物专化代谢主要有 4 条途径:乙酸-丙二酸途径负责合成脂肪酸衍生物与聚酮;甲羟戊酸途径和甲基赤藓醇磷酸途径负责合成萜类;莽草酸途径负责合成酚类;生物碱则由氨基酸出发合成^[3]。这些途径都依附于初生代谢,并与初生代谢交织成复杂的代谢网络^[3]。

萜类化合物的骨架由异戊二烯单元(五碳)连接而成,按照所含五碳单元的数量,可分为单萜、倍半萜、二萜、三萜、四萜以及多萜等,类胡萝卜素属四萜,天然橡胶属多萜^[4]。生物碱以含氮为特征,在植物中的分布常局限于一定的分类群;酚类化合物的分子含有一个或多个连接在芳香环上的羟基,可以游离态或糖苷形式存在^[2]。

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A[初生代谢] --> B[莽草酸途径]

A --> C[甲羟戊酸途径与甲基赤藓醇磷酸途径]

A --> D[乙酸-丙二酸途径]

A --> E[氨基酸途径]

B --> F[酚类化合物]

C --> G[萜类化合物]

D --> H[脂肪酸衍生物与聚酮]

E --> I[生物碱]

发展历程

植物次生代谢的概念由Kossel在1891年明确提出,此后“次生代谢产物”成为与初生代谢产物相对应的术语^[7][6]。早期研究以分离和鉴定化合物为主,化学家与植物化学家在19世纪末至20世纪上半叶鉴定了大量植物代谢物^[3]。

微生物次生代谢产物进入医学应用始于青霉素的发现。1928年9月,英国细菌学家亚历山大·弗莱明在伦敦圣玛丽医院注意到培养皿中霉菌周围的金黄色葡萄球菌被溶解,推测霉菌分泌物具有杀菌作用,并于1929年发表相关结果^[8]。20世纪40年代,牛津大学的霍华德·弗洛里与恩斯特·钱恩等人完成了青霉素的提纯并证实其临床价值,青霉素在第二次世界大战期间投入大规模生产,开启了抗生素时代^[8]。抗生素被定义为微生物或高等动植物在生活过程中产生的、具有抗病原体等活性的次级代谢产物^[9]。

20世纪后期以来,次生代谢产物的生物合成途径被逐步解析,合成生物学成为获取这类化合物的重要研究方向^[10]。2006年,研究者把紫穗槐二烯合成酶基因与细胞色素P450氧化酶基因导入酵母,并通过强化限速步骤、阻断支路等改造,使重组酵母以约 100 mg/L 的产量生成青蒿素前体青蒿酸^[11]。2010年,研究者在大肠杆菌中重构异戊二烯途径并优化上下游模块,使抗癌药紫杉醇的前体紫杉二烯产量达到约 1 g/L^[11]。

应用

抗生素、抗疟药和抗癌药是次生代谢产物最受关注的用途。青霉素、链霉素等抗生素由微生物的次级代谢产生^[9];青蒿素来自菊科植物青蒿,紫杉醇来自短叶红豆杉树皮,长春花碱来自长春花,它们均属萜类或含氮的次生代谢产物^[12]。统计显示,20世纪40年代至2010年间,约 65% 的抗菌小分子药物和 41% 的抗癌小分子药物来源于天然化合物及其衍生物^[11]。

除药用之外,次生代谢产物还被用作染料、精油、调味剂、农药和鞣剂等^[13]。萜类化合物的应用涵盖药品、食品添加剂、维生素、香料以及燃料添加剂^[14]。植物所含的黄酮、单宁等酚类物质也被视为食品与保健品中的功能成分^[15]。

在生产方式上,次生代谢产物早期依靠从植物或微生物中直接提取^[16],此外还有化学全合成、植物细胞与组织培养、微生物发酵等途径^[11]。近年来,通过在微生物底盘细胞中重构生物合成途径来制备青蒿素、紫杉醇、人参皂苷等化合物,已成为代谢工程与合成生物学的重要研究内容^[11]。

局限

次生代谢产物在天然原料中的含量通常很低。以紫杉醇为例,一棵生长约百年的太平洋紫杉,树皮重约 3 kg,其中紫杉醇仅约 300 mg,占树皮干重的万分之一左右^[11]。人参中活性成分人参皂苷约占根部干重的 2%,一些稀有皂苷的含量更低^[11]。要从大量植物材料中获取微量成分,既消耗资源,也容易对野生植物造成破坏^[17]。

直接分离提取的产率往往不高,而且次生代谢产物的合成受特定组织和发育阶段的限制;许多药用与芳香植物因需求量大而遭到过度采伐,部分物种已面临灭绝风险^[17]。此外,植物悬浮细胞培养的目的产物含量偏低,目前能用这一技术生产的活性物质种类有限^[16]。

对结构复杂的分子,化学全合成往往路线长、总产率低、经济性差,合成过程中还会使用大量保护与脱保护步骤和昂贵的重金属催化剂^[11]。利用诱导剂虽可提高培养细胞中次生代谢产物的积累量,但植物抗毒素类物质多有毒性,通常会抑制细胞生长,诱导剂及其剂量的选择因此需要权衡^[18]。

借助合成生物学在异源宿主中生产次生代谢产物,同样面临优良宿主的筛选、多个基因的协同表达、细胞代谢平衡以及产物耐受性等问题。相关研究大多仍处于实验室或中试阶段,距离大规模工业化应用还有距离^[11]。

参见

• 初生代谢产物 —— 与次生代谢产物相对的另一类代谢产物,直接参与生物的生长、发育和繁殖。

• 萜类 —— 次生代谢产物中数量最多的一类,骨架由异戊二烯单元构成。

• 生物碱 —— 含氮的次生代谢产物大类,多具有药理活性。

• 青霉素 —— 由青霉菌产生的次生代谢产物,是人类最早发现的抗生素。

• 合成生物学 —— 通过在异源宿主中重构生物合成途径生产次生代谢产物的技术方向。