The Biosynthesis of Triterpenoids, Steroids, and Carotenoids
- 作者
- D. M. Harrison
- 单位
- Chemistry Department, University of Ulster, Coleraine, Co. Londonderry, Northern Ireland BT52 1SA
- 杂志
- Natural Product Reports（1988）
- DOI
- 10.1039/np9880500387
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
系统总结1984—1985年间三萜、甾体类及类胡萝卜素生物合成研究的新进展，涵盖从甲羟戊酸到鲨烯、羊毛固醇、胆固醇、甾体激素、胆汁酸、植物甾醇、真菌甾醇及类胡萝卜素的生物合成途径、关键酶和调控机制。
研究策略
按生物合成途径分章节对已发表文献进行综述，重点介绍关键酶（HMG-CoA还原酶、鲨烯环氧酶、细胞色素P450酶等）的纯化、性质、抑制剂以及同位素标记实验揭示的机理。
核心内容
该综述系统总结了1984至1985年间三萜、甾体及类胡萝卜素生物合成研究的重要进展，按代谢途径分章节梳理了从甲羟戊酸到鲨烯、羊毛固醇及下游甾体激素等产物的酶学与调控机制。关键结果包括：仓鼠HMG-CoA还原酶被鉴定为含887个氨基酸残基的糖蛋白，分子量为97092，人源还原酶含888个残基；大鼠经胃给予甲羟戊酸内酯后20分钟内肝还原酶活性下降38%，揭示了该酶的快速可逆磷酸化调控。鲨烯环氧酶在白色念珠菌中需分子氧、NADH或NADPH及FAD作为辅因子；羊毛固醇14α-甲基氧化由细胞色素P450混合功能氧化酶催化。此外，从大鼠肝微粒体纯化5α-胆甾-7-烯-3β-醇脱氢酶70倍，7α-羟胆固醇-4-烯-3-酮还原酶纯化230倍。三甲吗啉在10 μmol dm-3浓度下显著抑制酿酒酵母麦角固醇合成并积累中间体。这些结果明确了多个关键酶的分子特征与催化机理，为后续甾醇代谢调控和抑制剂设计奠定了基础。
创新点
将三萜/甾体与类胡萝卜素生物合成合并综述；汇总了HMG-CoA还原酶蛋白序列、可逆磷酸化调控、鲨烯环氧酶抑制剂、羊毛固醇环化酶抑制剂、芳香化酶机理研究等关键进展。
研究对象（28）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 仓鼠 | 甲羟戊酸途径/胆固醇生物合成 | HMGCR | HMG-CoA还原酶(NADPH) | 催化 | 含887氨基酸，分子量97092，N端膜结合，受磷酸化/去磷酸化调控 |
| 人 | 甲羟戊酸途径/胆固醇生物合成 | HMGCR | HMG-CoA还原酶(NADPH) | 催化 | 含888氨基酸，与仓鼠酶同源 |
| 大鼠 | 甲羟戊酸途径/胆固醇生物合成 | HMGCR | HMG-CoA还原酶激酶 | 调控 | ATP依赖性磷酸化使还原酶部分失活，磷酸化激酶活性更高 |
| 酿酒酵母 | 甲羟戊酸途径/胆固醇生物合成 | HMGCR | HMG-CoA还原酶(NADPH) | 催化 | compactin与HMG-CoA还原酶相互作用 |
| Claviceps SD58 | 甲羟戊酸途径/异戊烯焦磷酸代谢 | idi | 异戊烯基二磷酸Δ-异构酶 | 催化 | 氟化底物类似物(5b)和(6b)及胺(9)可抑制该酶 |
| 猪肝 | 甲羟戊酸途径/异戊烯基二磷酸代谢 | idi | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 同系物(5c-e)和(6c-d)可转化为同一平衡混合物 |
| 家蚕 | 甲羟戊酸途径/萜烯前体合成 | FPPS | 法尼基焦磷酸合成酶 | 催化 | 存在I和II两种形式，II型偏好同系物底物，可能与保幼激素合成有关 |
| 番茄果实 | 甲羟戊酸途径/类胡萝卜素前体合成 | idi; FPPS | 异戊烯基焦磷酸异构酶；法尼基焦磷酸合成酶 | 催化 | 从质体中分离纯化，需Mg2+或Mn2+，异构酶被碘乙酰胺1 mmol dm-3完全失活 |
| Candida albicans | 鲨烯环氧/甾醇生物合成 | ERG1 | 鲨烯单加氧酶(鲨烯环氧酶) | 催化 | 需分子氧、NADH/NADPH和FAD；NADH活性更高；被萘替芬和SF 86-327抑制 |
| Botryococcus braunii | 三萜烃合成 | — | — | 催化 | 将乙酸和亮氨酸高效掺入不规则三萜(16)，产率11.8%和5.2%；甲羟戊酸掺入仅0.2% |
| Perilla frutescens var. acuta | 五环三萜生物合成 | — | 鲨烯环氧酶/环化酶 | 催化 | [3,5-13C]甲羟戊酸掺入熊果酸，证实Wagner-Meerwein重排和1,2-氢迁移 |
| 大鼠肝 | 胆固醇生物合成 | LSS | 羊毛固醇合酶 | 催化 | 被氮氧化物(20b)等抑制；氯喹抑制该酶 |
| 豌豆 | 三萜生物合成 | — | β-香树脂醇合酶 | 催化 | N-氧化物(20b)抑制鲨烯环氧化物转化为β-香树脂醇 |
| Acetobacter pasteurianus subsp. pasteurianus | 藿烷三萜生物合成 | — | 甲基转移酶 | 催化 | 3β-甲基藿烷类化合物在甲硫氨酸存在下成为主要三萜；[Me-2H3]甲硫氨酸转移完整甲基 |
| Methylobacterium organophilum | 藿烷三萜生物合成 | — | 甲基转移酶 | 催化 | 形成2β-[2H3]甲基二藿醇 |
| 大鼠肝微粒体 | 胆固醇生物合成（C-4脱甲基） | — | 细胞色素P-450 14α-脱甲基酶 | 催化 | 氧化24,25-二氢羊毛固醇14α-甲基，被氰离子抑制 |
| 大鼠肝微粒体 | 胆固醇生物合成（C-14还原） | — | 4,4-二甲基-5α-胆甾-8,14-二烯-3β-醇还原酶 | 催化 | NADPH依赖，pH7.4最大活性，被巯基试剂和AY-9944抑制 |
| 大鼠肝微粒体 | 胆固醇生物合成（C-5去饱和） | SC5D | 5α-胆甾-7-烯-3β-醇脱氢酶（去饱和酶） | 催化 | 纯化70倍，需细胞色素b5和b5还原酶，1摩尔NADH对应1摩尔二烯 |
| 牛肝 | 甾醇转运 | SCP2 | 甾醇载体蛋白2 (SCP-2) | 转运 | 与Z-蛋白不同，刺激胆固醇侧链裂解等反应 |
| 牛肾上腺线粒体 | 甾体激素生物合成（侧链裂解） | CYP11A1 | 细胞色素P-450scc（胆固醇单加氧酶，侧链裂解） | 催化 | 催化胆固醇→孕烯醇酮，经22-羟基和20,22-二羟基中间体，需 adrenodoxin |
| 牛肾上腺线粒体 | 甾体激素生物合成（电子传递） | FDX1; FDXR | 肾上腺皮质铁氧还蛋白；铁氧还蛋白还原酶 | 能量供给 | 为P-450scc提供电子 |
| 人胎盘微粒体 | 雌激素生物合成（芳香化） | CYP19A1 | 芳香化酶（细胞色素P-450AROM） | 催化 | 催化雄激素→雌激素，经3次氧化，释放甲酸；2β-羟基醛(51)不是中间体 |
| 大鼠肝 | 胆汁酸生物合成 | CYP7A1 | 胆固醇7α-单加氧酶 | 催化 | 胆汁酸合成限速酶，被25 kDa胞质蛋白和SCP-2刺激 |
| 大鼠肝 | 胆汁酸生物合成 | AKR1D1 | 7α-羟胆固醇-4-烯-3-酮还原酶 | 催化 | 纯化230倍，NADPH依赖，催化5β-还原 |
| 兔肝线粒体 | 胆汁酸生物合成（C26羟化） | CYP27A1 | 甾醇27-羟化酶（细胞色素P-450） | 催化 | 羟基化C27甾醇，需铁氧还蛋白和铁氧还蛋白还原酶 |
| 酿酒酵母 | 麦角固醇生物合成 | ERG11 | 细胞色素P-45014DM（14α-脱甲基酶） | 催化 | 催化羊毛固醇14α-甲基氧化去除，生成三酮(67) |
| Ustilago maydis | 麦角固醇生物合成 | ERG11 | 14α-脱甲基酶 | 催化 | 三唑类杀菌剂抑制14α-脱甲基，积累 obtusifoliol 等 |
| Penicillium italicum | 麦角固醇生物合成 | — | 14α-脱甲基酶 | 催化 | 咪唑类杀菌剂imazalil阻断14α-甲基氧化 |
关键发现
- 仓鼠HMG-CoA还原酶为含887个氨基酸残基的糖蛋白，分子量97092
- 人源还原酶含888个氨基酸残基。大鼠胃内给予甲羟戊酸内酯后20分钟内肝还原酶活性降低38%。Botryococcus braunii中[U-14C]乙酸和[U-14C]亮氨酸掺入不规则三萜(16)的产率分别为11.8%和5.2%，而[2-14C]甲羟戊酸仅0.2%。酵母Candida albicans的鲨烯环氧酶需分子氧、NADH或NADPH及FAD。24,25-二氢羊毛固醇的14α-甲基氧化由细胞色素P-450混合功能氧化酶催化。5α-胆甾-7-烯-3β-醇脱氢酶从大鼠肝微粒体纯化70倍，每形成1摩尔二烯消耗1摩尔NADH。7α-羟胆固醇-4-烯-3-酮还原酶纯化230倍。三甲吗啉在10 μmol dm-3浓度下显著降低酿酒酵母麦角固醇合成并积累中间体(67)和(68a)。
研究结论
该阶段研究阐明了甲羟戊酸途径至甾体、三萜及类胡萝卜素生物合成中的多个关键酶学与机理细节，包括HMG-CoA还原酶的序列与磷酸化调控、鲨烯环氧酶性质、羊毛固醇环化及甾体激素合成中的细胞色素P450催化机制，并开发了多种特异性抑制剂。