Biosynthesis of Carotenoids and Plant Tirterpenes
- 作者
- T. W. Goodwin
- 单位
- Department of Biochemistry, University of Liverpool, Liverpool L69 3BX, U.K.
- 杂志
- Biochemical Journal（1971）
- DOI
- 10.1042/bj1230293
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明类胡萝卜素和植物三萜（包括甾醇和五环三萜）的生物合成途径，特别是氢原子转移的立体化学机制。
研究策略
使用立体特异性标记的甲羟戊酸（[2-14C,(4R)-4-3H1]、[2-14C,(4S)-4-3H1]、[2-14C,(5R)-5-3H1]、[2-14C,(2R)-2-3H1]等）作为前体，结合化学降解、气质联用和同位素比例分析，追踪各生物合成步骤中氢原子的来源和去向。
核心内容
该研究以多种生物体为材料，利用立体特异性标记的甲羟戊酸前体结合化学降解与同位素比例分析，系统阐明了类胡萝卜素和植物三萜生物合成中的关键立体化学步骤。研究证明八氢番茄红素而非番茄红素是C40类胡萝卜素的第一前体，其几何构型依赖于消除氢原子的立体化学；发现类胡萝卜素环化中α-和β-环由共同碳正离子中间体独立形成，α-环不转化为β-环。在甾醇代谢方面，证明高等植物首环化产物为环阿屯醇而非羊毛甾醇，并阐明C-24烷基化的氢原子迁移机制。关键数据显示，用[2-14C,(4R)-4-3H1]甲羟戊酸标记时α-胡萝卜素的14C/3H原子比为8:7，β-胡萝卜素为8:6；环阿屯醇直接由角鲨烯2,3-氧化物环化，14C/3H为6:6。这些发现系统揭示了萜类代谢中氢原子转移的立体化学规律，为理解类异戊二烯途径的精细调控奠定了重要基础。
创新点
（1）证明八氢番茄红素（phytoene）而非番茄红素（lycopersene）是C40类胡萝卜素的第一前体；（2）确定了八氢番茄红素的几何构型依赖于消除的氢原子立体化学；（3）发现类胡萝卜素环化过程中α-和β-环由共同碳正离子中间体独立形成，α-环不转化为β-环；（4）证明高等植物甾醇生物合成的首环化产物是环阿屯醇（cycloartenol）而非羊毛甾醇（lanosterol）；（5）阐明植物甾醇C-24烷基化的氢原子迁移机制；（6）在Rhodopseudomonas viridis中发现新的1,2-二氢类胡萝卜素类。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄果实（Lycopersicon esculentum） | 类胡萝卜素生物合成 | — | 异戊烯基转移酶 (prenyltransferase) | 催化 | 参与异戊烯基焦磷酸链延伸形成C20前体，用于研究八氢番茄红素形成时的氢原子立体化学 |
| 菠菜叶绿体酶系统 | 类胡萝卜素生物合成（八氢番茄红素脱氢） | — | 八氢番茄红素脱氢酶系统 | 催化 | 可催化[14C]八氢番茄红素转化为八氢氟番茄红素和番茄红素 |
| Rhodospirillum rubrum | 螺菌黄质生物合成 | — | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 二苯胺抑制脱氢导致八氢番茄红素积累；证明脱氢途径通过7,8,11,12-四氢番茄红素而非ζ-胡萝卜素 |
| Rhodopseudomonas viridis | 类胡萝卜素生物合成 | — | — | 催化 | 发现主要色素为1,2-二氢神经孢烯和1,2-二氢番茄红素，并鉴定出1,2-二氢八氢番茄红素等新类胡萝卜素 |
| Phycomyces blakesleeanus | β-胡萝卜素生物合成 | — | 番茄红素环化酶 | 催化 | 尼古丁抑制环化导致番茄红素积累，洗去抑制剂后番茄红素转化为环化产物 |
| Flavobacterium sp. | 玉米黄质生物合成 | — | 番茄红素环化酶 | 催化 | 番茄红素环化为β-胡萝卜素为厌氧过程 |
| Ochromonas malhamensis | 植物甾醇生物合成（poriferasterol） | — | 角鲨烯2,3-氧化物环化酶 | 催化 | 标记环阿屯醇转化为植物甾醇的效率为7%；证明环阿屯醇而非羊毛甾醇是直接环化产物 |
| Polypodium vulgare | 五环三萜烃和蜕皮激素生物合成 | — | 角鲨烯环化酶 | 催化 | 利用[2-14C,(4R)-4-3H1]甲羟戊酸证明ferene保留全部6个氟原子，hopene I只保留5个；根茎中蜕皮激素浓度高达干重1.0% |
| Aspergillus fumigatus | 麦角甾醇生物合成 | — | C-22脱氢酶 | 催化 | Δ22双键形成时消除22-pro-S和23-pro-S氢原子 |
| Tetrahymena pyriformis | 胆固醇脱氢 | — | 胆固醇脱氢酶 | 催化 | 可将胆固醇脱氢为胆甾-5,7,22-三烯-3β-醇；脱氢时消除7β氢原子 |
关键发现
- 八氢番茄红素1,2-环氧化物的质谱母离子m/e 560.4979（C40H64O）
- α-胡萝卜素的14C/3H原子比为8:7，β-胡萝卜素为8:6（用[2-14C,(4R)-4-3H1]甲羟戊酸）
- 用[2-14C,2-3H2]甲羟戊酸时α-胡萝卜素为8:11.39，β-胡萝卜素为8:12.25
- 环阿屯醇直接由角鲨烯2,3-氧化物环化，14C/3H为6:6
- 标记环阿屯醇在Ochromonas malhamensis中转化为植物甾醇的效率为7%
- Polypodium vulgare根茎中ecdysterone含量高达干重的1.0%
- 在八氢番茄红素合成中，两个pro-S氢原子（来自C-5）被消除
- 在脱氢形成双键时，5-pro-R氢被消除
- 在番茄果实和麦苗中，4-pro-S氢原子（来自C-4）在角鲨烯和八氢番茄红素合成中被立体特异性消除。
研究结论
本研究通过立体特异性标记技术系统阐明了类胡萝卜素和植物三萜生物合成中的关键立体化学步骤，包括八氢番茄红素的合成与脱氢、环化机制、羟基化、甾醇环化、甲基化与脱甲基化等，为深入理解萜类代谢提供了重要基础。