次級(jí)代謝-20140228

1、次級(jí)代謝：構(gòu)造單元與組裝機(jī)制次級(jí)代謝：構(gòu)造單元與組裝機(jī)制Secondary Metabolism: the Building Blocks and Construction Mechanisms本章內(nèi)容本章內(nèi)容intermediary metabolism：中間代謝：中間代謝 metabolic pathway：代謝途徑：代謝途徑primary metabolism：初級(jí)代謝：初級(jí)代謝primary metabolites：初級(jí)代謝物：初級(jí)代謝物secondary metabolism ：次級(jí)代謝：次級(jí)代謝secondary metabolites ：次級(jí)代謝物：次級(jí)代謝物2.1 初級(jí)代謝與次

2、級(jí)代謝術(shù)語(yǔ)學(xué)習(xí)：中間代謝與代謝途徑術(shù)語(yǔ)學(xué)習(xí)：中間代謝與代謝途徑糖、蛋白質(zhì)、核酸和脂類(lèi)糖、蛋白質(zhì)、核酸和脂類(lèi)是生物體中最重要的分子是生物體中最重要的分子組成組成：多糖（糖單元）：多糖（糖單元） 蛋白質(zhì)（氨基酸）蛋白質(zhì)（氨基酸） 核酸（核苷酸）核酸（核苷酸）Primary MetabolitenPrimary metabolism（初級(jí)代謝）：初級(jí)代謝過(guò)程是對(duì)維持植物生命活動(dòng)不可缺少的過(guò)程，幾乎所有綠色植物中都存在，包括葡萄糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等。涉及到的化合物為初級(jí)代謝物(Primary metabolites)n降解多糖和單糖途徑：糖酵解和Krebs循環(huán)途徑，同時(shí)通過(guò)有機(jī)物氧化釋放能量n脂肪

3、酸經(jīng)b-氧化釋放能量nSecondary metabolitesSecondary metabolites（次級(jí)代謝）：二次代（次級(jí)代謝）：二次代謝過(guò)程是指并非在所有植物中都能發(fā)生，對(duì)維持謝過(guò)程是指并非在所有植物中都能發(fā)生，對(duì)維持植物生命活動(dòng)來(lái)說(shuō)又不起重要作用的過(guò)程。涉及植物生命活動(dòng)來(lái)說(shuō)又不起重要作用的過(guò)程。涉及到自然界中有限分布的化合物代謝。常見(jiàn)二代產(chǎn)到自然界中有限分布的化合物代謝。常見(jiàn)二代產(chǎn)物：生物堿、萜類(lèi)化合物物：生物堿、萜類(lèi)化合物n產(chǎn)生大量的藥理活性物質(zhì)產(chǎn)生大量的藥理活性物質(zhì)n次級(jí)和初級(jí)代謝界限區(qū)分并不嚴(yán)格次級(jí)和初級(jí)代謝界限區(qū)分并不嚴(yán)格Secondary Metabolite構(gòu)造單元：

4、構(gòu)造單元： Building Blockn次級(jí)代謝產(chǎn)物的構(gòu)造單元來(lái)自初級(jí)代謝過(guò)程光合作用、糖酵解途徑、光合作用、糖酵解途徑、KrebsKrebs循環(huán)提供生物合成中間體循環(huán)提供生物合成中間體除以上途徑，氨基酸也是常見(jiàn)的構(gòu)造單元，可構(gòu)造除以上途徑，氨基酸也是常見(jiàn)的構(gòu)造單元，可構(gòu)造肽類(lèi)、蛋白質(zhì)、生物堿以及抗生素等肽類(lèi)、蛋白質(zhì)、生物堿以及抗生素等更重要的是，次級(jí)代謝物不僅可由同一類(lèi)型單更重要的是，次級(jí)代謝物不僅可由同一類(lèi)型單元合成，也可由不同類(lèi)型的構(gòu)造單元合成，從元合成，也可由不同類(lèi)型的構(gòu)造單元合成，從而導(dǎo)致了天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)多樣性，當(dāng)然，也復(fù)雜而導(dǎo)致了天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)多樣性，當(dāng)然，也復(fù)雜化了生物合成途徑的分

5、類(lèi)化了生物合成途徑的分類(lèi)常見(jiàn)天然產(chǎn)物碳骨架和氮骨架常見(jiàn)天然產(chǎn)物碳骨架和氮骨架nC1C1：一碳結(jié)構(gòu)單元，通常是指甲基，來(lái)源于一碳結(jié)構(gòu)單元，通常是指甲基，來(lái)源于L-甲硫甲硫氨酸（氨酸（L-methionine）。此外，二氧亞甲基也屬于一）。此外，二氧亞甲基也屬于一碳結(jié)構(gòu)單元碳結(jié)構(gòu)單元nC2C2：二碳結(jié)構(gòu)單元包括乙酰基或者鏈烴及芳香環(huán)中二碳結(jié)構(gòu)單元包括乙?；蛘哝湡N及芳香環(huán)中的一部分，來(lái)源于乙酰輔酶的一部分，來(lái)源于乙酰輔酶A（acetyl-CoA）。不過(guò)）。不過(guò)轉(zhuǎn)變成二碳結(jié)構(gòu)單元之前，乙酰輔酶轉(zhuǎn)變成二碳結(jié)構(gòu)單元之前，乙酰輔酶A先轉(zhuǎn)變成活性先轉(zhuǎn)變成活性更高的丙二酰輔酶更高的丙二酰輔酶A（malonyl

6、-CoA）常見(jiàn)天然產(chǎn)物碳骨架和氮骨架常見(jiàn)天然產(chǎn)物碳骨架和氮骨架nC5C5：支鏈的支鏈的C5C5異戊二烯結(jié)構(gòu)單元來(lái)源于甲羥戊酸異戊二烯結(jié)構(gòu)單元來(lái)源于甲羥戊酸（mevalonatemevalonate）和磷酸脫氧木糖（）和磷酸脫氧木糖（deoxyxylu-lose deoxyxylu-lose phosphatephosphate）。）。常見(jiàn)天然產(chǎn)物碳骨架和氮骨架常見(jiàn)天然產(chǎn)物碳骨架和氮骨架nC6C3C6C3：苯丙素結(jié)構(gòu)單元來(lái)源于，莽草酸途徑產(chǎn)生的芳：苯丙素結(jié)構(gòu)單元來(lái)源于，莽草酸途徑產(chǎn)生的芳香族氨基酸香族氨基酸L-L-苯丙氨酸或苯丙氨酸或L-L-酪氨酸，它們脫去氨基形成酪氨酸，它們脫去氨基形成苯丙素

7、。苯丙素。C3C3還可裂解，產(chǎn)生還可裂解，產(chǎn)生C6C2C6C2和和C6C1C6C1常見(jiàn)天然產(chǎn)物碳骨架和氮骨架常見(jiàn)天然產(chǎn)物碳骨架和氮骨架nC6C2NC6C2N: :該結(jié)構(gòu)單元同樣來(lái)源于該結(jié)構(gòu)單元同樣來(lái)源于L-L-苯丙氨酸或苯丙氨酸或L-L-酪氨酸，酪氨酸，它們脫去羧基形成該結(jié)構(gòu)。它們脫去羧基形成該結(jié)構(gòu)。n吲哚吲哚C2NC2N：L-L-色氨酸脫羧基而成。色氨酸脫羧基而成。常見(jiàn)天然產(chǎn)物碳骨架和氮骨架常見(jiàn)天然產(chǎn)物碳骨架和氮骨架nC4NC4N：C4NC4N結(jié)構(gòu)單元通常出現(xiàn)在雜環(huán)吡咯環(huán)中，經(jīng)非結(jié)構(gòu)單元通常出現(xiàn)在雜環(huán)吡咯環(huán)中，經(jīng)非蛋白質(zhì)氨基酸蛋白質(zhì)氨基酸L-L-鳥(niǎo)氨酸脫去羧基和鳥(niǎo)氨酸脫去羧基和-氨基氨基N

8、N而成。而成。nC5N：通常C5N出現(xiàn)于吡啶環(huán)中，來(lái)自于L-賴(lài)氨酸。常見(jiàn)天然產(chǎn)物碳骨架和氮骨架常見(jiàn)天然產(chǎn)物碳骨架和氮骨架n部分結(jié)構(gòu)單元組裝的化合物部分結(jié)構(gòu)單元組裝的化合物組裝機(jī)制組裝機(jī)制n絕大多數(shù)天然產(chǎn)物一均由一系列酶催化反應(yīng)而絕大多數(shù)天然產(chǎn)物一均由一系列酶催化反應(yīng)而來(lái)，通常反應(yīng)會(huì)涉及一些輔助因子，如來(lái)，通常反應(yīng)會(huì)涉及一些輔助因子，如NAD+,PLP, HSCoANAD+,PLP, HSCoA。酶催化反應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：酶催化反應(yīng)優(yōu)點(diǎn)： 特異性好特異性好 高效高效 溫和溫和酶（催化劑）具有高度的立體選擇性酶（催化劑）具有高度的立體選擇性組裝機(jī)制組裝機(jī)制 n烴化反應(yīng)：親核取代烴化反應(yīng)：親核取代 L- L-

9、蛋氨酸經(jīng)親核取代提供蛋氨酸經(jīng)親核取代提供C1C1結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元 活性更高的活性更高的 S-腺苷甲硫氨酸（腺苷甲硫氨酸（SAM）的形成（硫陽(yáng)）的形成（硫陽(yáng)離子）離子）組裝機(jī)制組裝機(jī)制 n烴化反應(yīng)：親核取代烴化反應(yīng)：親核取代 2. SAM作用下的作用下的O-烴化、烴化、N-烴化和烴化和C-烴化烴化組裝機(jī)制組裝機(jī)制 n烴化反應(yīng)：親核取代烴化反應(yīng)：親核取代二甲基烯丙基焦磷酸酯（二甲基烯丙基焦磷酸酯（DMAPP）作用下的烴）作用下的烴化（化（C5結(jié)構(gòu)單元異戊二烯）結(jié)構(gòu)單元異戊二烯） 組裝機(jī)制組裝機(jī)制 n烴化反應(yīng)：親電加成烴化反應(yīng)：親電加成 組裝機(jī)制組裝機(jī)制 n烴化反應(yīng)：親電加成烴化反應(yīng)：親電加成 1.

10、 1. 碳正離子的產(chǎn)生碳正離子的產(chǎn)生2.2.碳正離子中質(zhì)子的脫去碳正離子中質(zhì)子的脫去組裝機(jī)制組裝機(jī)制重排重排 nWagner-Meerwein 重排重排瓦格納梅爾外因重排反應(yīng)是醇失水反應(yīng)中，中間體碳瓦格納梅爾外因重排反應(yīng)是醇失水反應(yīng)中，中間體碳正離子發(fā)生正離子發(fā)生1,2-重排反應(yīng)，并伴隨有氫、烷基或芳基遷重排反應(yīng)，并伴隨有氫、烷基或芳基遷移的一類(lèi)反應(yīng)。移的一類(lèi)反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)普遍存在于很多萜類(lèi)化合物中，這個(gè)反應(yīng)普遍存在于很多萜類(lèi)化合物中，其首次發(fā)現(xiàn)就是從異冰片轉(zhuǎn)化為莰烯的反應(yīng)得到的：其首次發(fā)現(xiàn)就是從異冰片轉(zhuǎn)化為莰烯的反應(yīng)得到的： 反應(yīng)的推動(dòng)力是由較不穩(wěn)定的碳正離子重排為較穩(wěn)定的碳正離子。碳正離子

11、的穩(wěn)定性順序?yàn)椋? 2 1。這個(gè)反應(yīng)普遍存在于很多萜類(lèi)化合物萜類(lèi)化合物中，其首次發(fā)現(xiàn)就是從異冰片異冰片轉(zhuǎn)化為莰烯莰烯的反應(yīng)得到的：9 參見(jiàn)參見(jiàn)反應(yīng)的推動(dòng)力是由較不穩(wěn)定的碳正離子重排為較穩(wěn)定的反應(yīng)的推動(dòng)力是由較不穩(wěn)定的碳正離子重排為較穩(wěn)定的碳正離子。碳正離子的穩(wěn)定性順序?yàn)椋禾颊x子。碳正離子的穩(wěn)定性順序?yàn)椋? 2 1。Wagner-Meerwein 重排重排Aldol reaction（羥醛反應(yīng)）（羥醛反應(yīng)）&Claisen reaction （克萊森酯縮合反應(yīng)）（克萊森酯縮合反應(yīng)） Aldol reaction（羥醛反應(yīng)）（羥醛反應(yīng)）&Claisen reaction （克萊森

12、酯縮合反應(yīng)）（克萊森酯縮合反應(yīng)） 生物過(guò)程常有輔酶參與生物過(guò)程常有輔酶參與aldol reaction和和Claisen reactionAcetyl-CoA（乙酸硫酯）介導(dǎo)的反應(yīng)：活性更好（乙酸硫酯）介導(dǎo)的反應(yīng)：活性更好 n丙二酰輔酶丙二酰輔酶A的合成的合成 n丙二酰輔酶丙二酰輔酶A的生物合成作用的生物合成作用 n逆羥醛反應(yīng)（逆羥醛反應(yīng)（reverse aldol reaction）和逆克萊）和逆克萊森反應(yīng)（森反應(yīng)（reverse Claisen reaction） Schiff Base and Mannich Rx希夫堿希夫堿:Schiff Base.或譯為席夫堿、偶氮甲堿或譯為席夫堿、

13、偶氮甲堿（Azomethine），是一類(lèi)在氮原子上連有烷基或），是一類(lèi)在氮原子上連有烷基或芳基的較穩(wěn)定的亞胺，來(lái)源于化學(xué)家雨果芳基的較穩(wěn)定的亞胺，來(lái)源于化學(xué)家雨果希夫。希夫。通式為通式為R1R2C=N-R3，R3為芳基或烷基，而不是為芳基或烷基，而不是氫。希夫堿的生成也是酶與底物結(jié)合的常見(jiàn)形式氫。希夫堿的生成也是酶與底物結(jié)合的常見(jiàn)形式Schiff Base and Mannich RxShiff Base and Mannich Rxn席夫堿（席夫堿（Schiff base）的水解）的水解 曼尼希反應(yīng)（曼尼希反應(yīng)（Mannich Rx） 曼尼希反應(yīng)（曼尼希反應(yīng)（Mannich反應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)曼氏反應(yīng)

14、），反應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)曼氏反應(yīng)），也稱(chēng)作胺甲基化反應(yīng)，是含有活潑氫的化合物也稱(chēng)作胺甲基化反應(yīng)，是含有活潑氫的化合物（通常為羰基化合物）與甲醛和二級(jí)胺或氨縮合，（通常為羰基化合物）與甲醛和二級(jí)胺或氨縮合，生成生成-氨基（羰基）化合物的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)。一氨基（羰基）化合物的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)。一般醛亞胺與般醛亞胺與-亞甲基羰基化合物的反應(yīng)也被看做亞甲基羰基化合物的反應(yīng)也被看做曼尼希反應(yīng)。反應(yīng)的產(chǎn)物曼尼希反應(yīng)。反應(yīng)的產(chǎn)物-氨基（羰基）化合物氨基（羰基）化合物稱(chēng)為稱(chēng)為“曼尼希堿曼尼希堿”（Mannich堿），簡(jiǎn)稱(chēng)曼氏堿堿），簡(jiǎn)稱(chēng)曼氏堿托品酮的合成是曼尼希反應(yīng)的經(jīng)典例子，被認(rèn)為是托品酮的合成是曼尼希反應(yīng)的經(jīng)典例子，被認(rèn)

15、為是全合成中的經(jīng)典反應(yīng)之一。全合成中的經(jīng)典反應(yīng)之一。1901年，年，Willsttter首首先合成了這個(gè)化合物，用的是環(huán)庚酮作原料，通過(guò)先合成了這個(gè)化合物，用的是環(huán)庚酮作原料，通過(guò)14步反應(yīng)，總產(chǎn)率僅為步反應(yīng)，總產(chǎn)率僅為0.75%。1917年，羅伯年，羅伯特特魯賓遜以丁二醛、甲胺和魯賓遜以丁二醛、甲胺和3-氧代戊二酸為原料，氧代戊二酸為原料，在仿生條件下，利用了曼尼希反應(yīng)，僅通過(guò)一步反在仿生條件下，利用了曼尼希反應(yīng)，僅通過(guò)一步反應(yīng)便得到了托品酮。反應(yīng)的初始產(chǎn)率為應(yīng)便得到了托品酮。反應(yīng)的初始產(chǎn)率為17%，后經(jīng)，后經(jīng)改進(jìn)可增至改進(jìn)可增至90%曼尼希反應(yīng)（曼尼希反應(yīng)（Mannich Rx） 曼尼希反

16、應(yīng)（曼尼希反應(yīng)（Mannich Rx） 很多生物堿都是通過(guò)曼尼希反應(yīng)合成的。很多生物堿都是通過(guò)曼尼希反應(yīng)合成的。指的是一種氨基酸指的是一種氨基酸(amino acid)的的-氨基轉(zhuǎn)移到一種氨基轉(zhuǎn)移到一種-酮酸上的過(guò)程。轉(zhuǎn)氨基作用是氨基酸脫氨基作用的酮酸上的過(guò)程。轉(zhuǎn)氨基作用是氨基酸脫氨基作用的一種途徑。其實(shí)可以看成是氨基酸的氨基與一種途徑。其實(shí)可以看成是氨基酸的氨基與-酮酸的酮酸的酮基進(jìn)行了交換。結(jié)果是生成了一種非必需氨基酸和酮基進(jìn)行了交換。結(jié)果是生成了一種非必需氨基酸和一種新的一種新的-酮酸。酮酸。轉(zhuǎn)氨基作用轉(zhuǎn)氨基作用(Transamination) 轉(zhuǎn)氨基作用轉(zhuǎn)氨基作用(Transamina

17、tion) 反應(yīng)由轉(zhuǎn)氨酶和其輔酶磷酸吡哆醛反應(yīng)由轉(zhuǎn)氨酶和其輔酶磷酸吡哆醛(PLP)催化。催化。磷酸吡哆醛是維生素磷酸吡哆醛是維生素B6(Vitamin B6)的衍生物。的衍生物。人體內(nèi)最重要的轉(zhuǎn)氨酶為谷丙轉(zhuǎn)氨酶和谷草轉(zhuǎn)氨人體內(nèi)最重要的轉(zhuǎn)氨酶為谷丙轉(zhuǎn)氨酶和谷草轉(zhuǎn)氨酶。它們是肝炎診斷和預(yù)后的指標(biāo)之一。酶。它們是肝炎診斷和預(yù)后的指標(biāo)之一。轉(zhuǎn)氨基作用轉(zhuǎn)氨基作用(Transamination) 脫羧反應(yīng)（脫羧反應(yīng)（Decarboxylation）氨基酸的脫羧氨基酸的脫羧n-酮酸的脫羧酮酸的脫羧脫羧反應(yīng)（脫羧反應(yīng)（Decarboxylation）n脫氫酶：脫氫酶：dehydrogenases氧化還原反應(yīng)氧

18、化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)：脫氫酶氧化還原反應(yīng)：脫氫酶氧化還原反應(yīng)：脫氫酶氧化還原反應(yīng)：脫氫酶n氧化酶：氧化酶：Oxidase氧化還原反應(yīng)：氧化酶氧化還原反應(yīng)：氧化酶氧化還原反應(yīng)：加單氧酶氧化還原反應(yīng)：加單氧酶氧化還原反應(yīng)：加單氧酶氧化還原反應(yīng)：加單氧酶氧化還原反應(yīng)：加雙氧酶氧化還原反應(yīng)：加雙氧酶氧化還原反應(yīng)：加雙氧酶氧化還原反應(yīng)：加雙氧酶糖基化反應(yīng)糖基化反應(yīng) (Glycosylation Rx)又稱(chēng)糖苷化作用。單糖的半縮醛羥基與醇或酚又稱(chēng)糖苷化作用。單糖的半縮醛羥基與醇或酚的羥基反應(yīng)，失水而形成縮醛或衍生物的羥基反應(yīng)，失水而形成縮醛或衍生物(通稱(chēng)通稱(chēng)糖苷糖苷)的反應(yīng)。糖苷的非糖部分叫配糖體。如的反應(yīng)