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(名师原创)高中生物 第5章《植物体内有机物的代谢》竞赛辅导教案

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第五章

植物体内有机物的代谢

1.植物的初生代谢和次生代谢 关于糖类脂类核酸和蛋白质的合成和分解过程,在生物化学课程中已将讨论过,在此不重复。这里 重点讨论它们之间的相互关系。 卡尔文循环、糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径是有机体代谢的主干,它筑起了生命活动的舞台,是 各种有机物代谢的基础,这个主干来源于光合作用,形成蔗糖和淀粉;通过呼吸作用,分解糖类,产生 各种中间产物,进一步为脂类、核酸和蛋白质的合成提供底物。 糖和脂类是相互转变的,因为甘油可逆转为己糖,而脂肪酸分解为乙酰辅酶 A 后可再转变为糖。 氨基酸的碳架——α -酮酸主要来源于糖代谢的中间产物,糖与蛋白质之间可以互相转变,丙酮酸、乙 酰辅酶 A、α -酮戊二酸和草酰乙酸等中间产物在它们之间的转变过程中起着枢纽作用。 核苷酸的核糖来源于戊糖磷酸代谢,碱基则是由氨基酸及其代谢产物组成的。 糖类、脂类、核酸和蛋白质等是初生代谢产物(primary metabolites),植物体中还有许多其他 有机物,如萜类、酚类和生物碱等,它们是由糖类等有机物次生代谢衍生出来的物质以,因此成为次生 代谢产物(sevondarymetabolites) 。次生代谢产物贮存在夜泡或细胞壁中,是代谢的最终产物,除了 极少数之外,大部分不再参加代谢活动。某些次生代谢产物是植物生命活动必需的,如吲哚乙酸、赤霉 素等植物激素,叶绿素、类胡萝卜素和花色素等色素以及木质素等属于次生代谢产物。它们的存在使植 物体具有一定的色、香、味,吸引昆虫或动物来传粉和传播种子;某些植物产生对植物本身无毒而对动 物或微生物有毒的次生代谢产物,防御天敌吞食,保存自己;因此次生代谢产物的产生是植物在长期进 化中对生态环境适应的结果。某些次生产物往往是重要的药物(如奎宁碱)或工业原料(如橡胶) ,深 受人们的重视。 植物的次生代谢产物可分 3 类:萜类、酚类和含氮次生化合物,它们的生物合成过程如图 5-2 所 示。

2.萜类 一、萜类的种类 萜类或类萜是植物界中广泛存在的一类次生代谢物质,一般不溶于水。萜类是异戊二烯组成的。萜 类化合物的结构有链状的,也有环状的。 萜类种类是根据异戊二烯数目而定,有单萜、倍半萜、双萜、三萜,四萜和多萜之分。在植物细胞中, 低相对分子质量的萜是挥发油,相对分子质量增高就成为树脂、胡萝卜素等较复杂的化合物,更大相对 分子质量的萜则形成橡胶等高分子化合物。 萜类对植物的作用是多方面的。 某些萜类影响植物的生长发育,例如,属于双萜的赤霉素是调节植物高度的数量;属于三萜的固醇

与磷脂相互作用使膜稳定,是膜的必需组成;类胡萝卜素是四萜的衍生物,包括胡萝卜素、叶黄素、番 茄红素等,常能决定花、叶和果实的颜色;胡萝卜素和叶黄素能吸收光能,参与光合作用,胡萝卜素也 是维生素 A 的主要来源;脱落素是种子成熟和抗逆性信号的一种激素,它是由胡萝卜素转变来的;细胞 分裂素和叶绿素本身虽然不是萜类,但含有萜类侧链。 许多植物的萜类有毒,可防止哺乳动物和昆虫吞食,例如菊的叶和花含有的单萜酯拟除虫菊酯,是 极强的杀虫剂;松和冷杉含有的松枝的单萜成分,如苎烯和桂叶烯对昆虫(包括危害松树严重的棘胫小 蠹)有毒。挥发油多是单萜和倍半萜,它广泛分布于植物界,存在于腺细胞和表皮中。例如薄荷、柠檬 等植物含有挥发油,有气味,防止害虫侵袭。有一种倍半萜棉酚存在于一些棉花品种的棉籽和下表皮毛 中,显著抗虫侵袭。许多双萜对草食动物有毒,使他们不愿食用。松树的树脂含有相当数量的双萜(如 冷杉酸)当害虫取食穿刺到树脂道时,树脂流出,组织害虫取食,最后封闭伤口。大戟科植物产生的乳 汁,含有双萜成分,例如佛波醇,严重刺激皮肤,对哺乳动物有毒。有些萜类是药用或工业原料,例如 短叶红豆杉中的红豆杉醇(亦称紫杉醇) ,是强烈的抗癌药物;多萜化合物之中,橡胶是最有名的高分 子化合物,一般由 1500—15000 个异戊二烯单位所组成。 二、萜类的生物合成 萜类的生物合成有两条途径:甲羟戊酸途径和甲基赤藓醇磷酸途径,两者都形成异戊烯二磷酸 (IPP) ,然后进一步合成萜类,所以 IPP 亦称为“活跃异戊二烯” 。 甲羟戊酸途径是以 3 个乙酰 COA 分子为原料,形成甲羟戊酸,再经过焦磷酸化、脱酸化合脱水等过 程,就形成 IPP。 甲基赤藓醇途径也是合成 IPP,不过它是由糖酵解或 C4 途径的中间产物丙酮酸和 3-磷酸苷有权, 经过一系列反应,形成甲基赤藓醇磷酸,继而形成二甲炳烯二磷酸(DMAPP) 。 IPP 和 DMAPP 是异构体,是平衡的,两者很活跃,结合起来成为更大的分子。首先是 IPP 和 DMAPP 结合为牦牛儿二磷酸 (GPP) 成为单萜的前身; GPP 又会与另一个 IPP 分子结合, 形成法呢二磷酸 (FPP) , 成为倍半萜和三萜的前身;同样,FPP 又会与另一个 IPP 分子结合,形成牦牛儿牦牛儿二磷酸(GGPP) , 它是二萜和四萜的前身;最后,FPP 和 GGPP 就聚合为多萜。 3.1 酚类 一、酚类的种类 酚类是芳香族环上的氢原子被羟基或功能衍生物取代后生成的化合物,种类繁多,是重要的次级产 物之一,有些只溶于有机溶剂,有些是水溶性羧酸和糖苷,有些是不溶的大分子多聚体。根据芳香环上 带有的碳原子数目的不同可分为几种。 酚类化合物广泛分布于植物体,以糖苷或糖脂状态积存于液泡中。在酚类化合物中,又决定花、果 颜色的花色素和橙皮素,有构成次生壁重要组成的木质素,也有作为药物的芸香苷(路丁) 、桂皮酸和 肉桂醇等。 二、类的生物合成 植物的酚类化合物是通过多条途径合成的,其中以莽草酸途径和丙二酸途径为主。在高等植物,大

多数通过前一种途径合成酚类;真菌和细菌通过后一种途径合成酚类。 (一)莽草酸途径 糖酵解产生的磷酸烯醇是丙酮酸(PEP)和戊糖酸途径产生的 D-赤藓糖-4-磷酸作用形成中间产物 3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸,进一步环化成重要中间产物莽草酸。莽草酸再与 PEP 作用,形成 3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸,脱去 Pi,形成分支酸。分支酸是莽草酸途径的重要枢纽物质,他以后的 去向分为两个分支:一个分支走向色氨酸,另一个分支是先形成预苯酸,经过 arogenic acid ,然后再 分支:一是形成苯丙氨酸,另一是形成酪氨酸。广谱除草剂草甘磷之所以能除草,就是因为它能抑制催 化莽草酸与 PEP 合成 3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸的酶。本途径存在于高等植物、真菌和细菌中,而动 物则无,所以动物不能合成苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸这 3 种芳香族氨基酸,必须从食物中那个补充。 大多数植物次生产物是苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶(PAL)作用下,脱氨形成桂皮酸。PAL 是初生代 谢与次生代谢的分支点,是形成酚类化合物中的一个重要调节酶,它受内外条件影响,例如植物激素、 营养水平、光照长短、病菌及机械损伤等,可影响 PAL 的合成及其活性。 (二)丙二酸途径 本途径首先是一分子酰基 COA 与 3 分子丙二酰 COA 结合,脱羧,合成一分子多酮酸。多酮酸通过各 种方式发生环化作用,形成间苯三酚衍生物,由于他们的 R 基性质不同,于是形成许多不同的黄酮衍生 物。 三、单酚类 简单酚类广泛分布于维管植物。 其结构有 3 类: (1) 简单苯丙酸类化合物, 具苯环-C3 的基本骨架, 例如,反--桂皮酸,对--香豆酸、咖啡酸,阿魏酸; (2)苯丙酸内酯(环酯)类化合物,亦称香豆素类, 也具苯环—C3 基本骨架,但 C3 与苯环通过氧环化,例如伞形酮,补骨脂内酯、香豆素等;(3 )苯甲酸 衍生物类,具苯环--C3 的基本骨架,例如水杨酸,例如水杨酸、香兰素等。 大多数植物酚类的生物合成是从苯丙氨酸开始的,经过 PAL 的作用,就形成各种简单的苯丙酸类化 合物、香豆素、苯甲酸衍生物、木质素、花色素苷、异黄酮、缩合鞣质及其他类黄酮。 许多简单酚类化合物在植物防御草食昆虫和真菌侵袭中起重要功能。有一种酚类胶补骨脂素(呋喃 香豆素类的一种) ,本无毒,但可被日光中的紫外线 A(320—400nm)激发为高能电子态,插入 DNA 双 螺旋中,与胞嘧啶和胸腺嘧啶结合,阻断 DNA 转炉和修复,最终导致细胞死亡。伞形科中的芹菜、防风 草和芫荽富含有这类光照后有毒的呋喃香豆素。 在逆境或病害条件下, 芹菜得着这种化合物含量会增加 100 倍左右,所以用手接触这种植物时,有时受会肿胀。然而有些昆虫能生活在含有这类光照后有毒的 植物中,因为卷叶可以滤去激发光波。 四、质素 植物体中的木质素数量很大,仅次于纤维素,具有机物的第二位。木质素是植物体重要组成物质, 广泛分布于植物界。木质素是简单酚类的醇衍生物(如香豆醇、松柏醇、芥子醇,5--羟基阿魏酸)的 聚合物,其成分因植物种类而异,例如松柏木质素含有许多的松柏醇,还有一些香豆醇和芥子醇;山毛 榉木质素的松柏醇和芥子醇数量相近,而香豆醇则很少;单子叶植物(尤其是和谷类)的木质素则含有

极多的香豆醇。 木质素的生物合成是以苯丙氨酸和酪氨酸为起点的。首先,苯丙氨酸转变为桂皮酸,桂皮酸和酪氨 酸又分别转变为 4—香豆酸,然后,4—香豆酸形成了咖啡酸、阿魏酸、5—羟基阿魏酸和芥子酸,它们 分别与乙酰 COA 结合,相应的被催化为高能 COA 硫脂衍生物,进一步被还原为相应的醛,在被脱氢酶还 原为相应的醇,即 4—香豆醇、松柏醇,5—羟基阿魏醇和芥子醇。 上述 4 种醇类是组成木质素的基本单位,他们是在细胞质中形成的,经过糖基化作用,进一步形成 葡萄香豆醇、松柏苷、5--羟基阿魏苷和丁香苷,再通过质膜运输到细胞壁,在β —糖苷酶作用下释放 出相应的单体(醇) ,最后这些单体经过氧化和聚合作用形成木质素。 五、黄酮类 (一)种类 植物酚类化合物另一大类植物是类黄酮。它是两个芳香环被三碳桥联起来的 15 碳化合物,其结构 来自两个不同的生物合成途径。一个芳香环(B)和桥是从苯丙氨酸转变来的,而另一个芳香环(A) , 则来自丙二酸途径。类黄酮是由苯丙酸、p-香豆酰 COA 和 3 个苯二酰 COA 分子在查儿酮合酶催化下缩合 而成的。 根据 3C 桥的氧化程度,类黄酮类可分为 4 种,即花色素苷、黄酮、黄酮醇和异黄酮。基本类黄酮 骨架会有许多取代基,羟基常位于 4,5,7 位,它也常带糖,所以大多数类黄酮是葡糖苷。羟基和糖增 加类黄酮的水溶性,而其他替代物(例如甲酯或修改异戊基单位)则是类黄酮成脂溶性。 (二)功能 不同类黄酮具有不同功能: 1.呈现颜色 植物的色素主要有两类:类胡萝卜素和类黄酮。类胡萝卜素是光合作用的辅助色素, 呈黄、橙和红色。类黄酮包含各种有色的物质,其中最普遍的有色类黄酮是花色素苷。花、果大部 分呈红、淡红、紫和蓝等色,都与花色素苷有关。鲜艳花色可吸引昆虫而帮助传粉,鲜艳果实可吸 引动物食用而传播种子。 花色素苷在 C 环部位 3 有糖,是葡糖苷;如果没有糖,则称为花色素。花色素苷是黄酮类化合物, 溶解于细胞液中,在植物界中分布极广,花、果实和叶片的颜色往往与它有关。花色素苷的颜色受许多 因子影响,例如 B 环上的羟基和甲氧基数目、芳香酸对主要骨架的酯化和液泡中的 PH 等。表 5-3 说明 B 环上取代基不同花色有差异。羟基数目越多,吸收光向长波迁移,颜色偏蓝;颜色偏蓝;羟基被甲氧 基替代,吸收光向段波迁移,颜色偏红。同一花色素的颜色也会有变化,主要是受细胞液的 PH 决定, 偏酸性使呈红色,偏碱性是为蓝色。低温、缺氧和缺磷等不良环境也会促进花色素的形成和积累。 2.防御伤害 黄酮类和黄酮醇类不只存在于花器官,也存于绿叶中,由于这两类物质积累在叶和茎 的表皮层,吸收紫外线 B(UV—B,280~320nm),因此避免了细胞受到强烈 UV—B 的伤害,这两类物质 允许可见光通过,不影响光合作用进行。最近实验证明,类黄酮类是植物的紫外光保护剂。缺乏查儿酮 合酶活性的拟南芥突变体,不产生类黄酮,对 UV—B 较野生型敏感,在正常条件下生长极差。如果将 UV—B 过滤掉,植物就正常生长。

异黄酮类属于类黄酮,具有不同的功能,例如鱼藤根中的鱼藤酮有很强的杀虫作用,植物受细菌或 真菌侵染后形成的植物防御素能限制病原微生物进一步扩散。 六、鞣质 在植物酚类多聚体中具有防御功能的,除了木质素外,就是鞣质(俗名丹宁) ,其相对分子质量大 多数为 600~3000。鞣质可分为两类:缩合鞣质和可水解鞣质。缩合鞣质是由类黄酮单位聚合而成,相 对分子质量较大,是木本植物的组成成分,可被强酸水解为花色素。可水解鞣质是不均匀的多聚体,含 有酚酸(主要是没食子酸)和单糖,相对分子质量较小,易被稀酸水解。 鞣质有毒,食草动物吃后明显抑制生长。鞣质在口腔中与蛋白质结合,有涩味。一些牲畜不愿吃鞣 质含量高的植物, 因为鞣质与肠中的蛋白质结合会形成不易消化的蛋白质——鞣质复合物。 树干心材的 鞣质丰富,能防止真菌和细菌引起的心材腐败。 4.1 含氮次生化合物 植物次生代谢产物中有许多是含氮的,大多数含氮次生产物是从普通的氨基酸合成的。这里,着重 介绍植物含氮次生代谢产物中的生物碱和含氰苷等,它们都具有防御功能。 八、生物碱 生物碱是一类含氮杂环化合物,通常有一个含 N 杂环,其碱性剂来自含 N 的环.目前已发现含有生 物碱的植物将近 100 多个科,其中豆科、夹竹桃克、罂粟科、毛茛克、防己科、马钱科、茄科、芸香科、 茜草科及石蒜科等多含生物碱。 一科植物中常含多种结构相似的生物碱, 如麻黄中已发现 7 种有机胺类 生物碱。生物碱在植物体内的分布并不一致,如古柯碱(可卡因)集中在叶内,奎宁间集中在树皮,香 木鳖碱集中在种子,石蒜碱集中在鳞茎。 植物器官中的生物碱含量很低,一半在万分之几到百分之一二(像金鸡纳树皮那样含奎宁碱 12%是 极少的) 。植物在不同生长时期所含生物碱的成分及含量常有不同。有些多年生的植物,随年龄增长, 某部分的含量逐渐增加, 如金鸡纳树皮的奎宁碱含量随树龄的增长而增加, 小蘖根中的小蘖碱 (黄连素) 含量也随植物年龄的增长而增加。植物生物碱含量亦受外界条件的影响而改变,如氮肥多时,烟碱含量 就高 。 生物碱的种类很多,其生物合成的前身也不同。 生物碱是植物体代代谢的中间产物,是有不同氨基酸衍生来的,尤其赖氨酸、酪氨酸、色氨酸。烟 碱是烟草中的主要生物碱。烟碱的生物合成是由天冬氨酸和 3-磷酸甘油醛合成烟酸,进一步与精氨酸 生物合成的中间产物鸟氨酸合成为烟碱。 生物碱是合算的组成成分,又是维生素 B1、叶酸和生物素的组成成分,所以具有重要的生理意义。 它对生物往往有毒性,所以也有防御敌害的意义。生物碱是重要药物的有效成分,许多重要的有效成分 往往是生物碱,比如有平喘作用的麻黄,其有效成分是麻黄碱;有抗菌效果的黄连,其有效成分是小蘖 碱;有止痛作用的元胡,其有效成分是延胡索酸乙素等多种生物碱。现在西药常用的重要药品,最初还 是从植物分离出来证实有效后化学合成的, 例如从萝芙木分离出来的利血平, 从金鸡纳树皮分离出来的 奎宁等。在抗癌药物中有从长春花分离出来的长春新碱,从粗榧分离的三尖杉酯碱,从美登木分离的美

登木碱等。由此可见,生物碱在医药上甚为重要。 九、含氰苷 含氰苷广泛分布于植物界,其中以豆类、禾谷类和玫瑰一些种类最多。 含氰苷本身无毒,但植物破碎后就会释放出有挥发性的毒物氰化氢(HCN) 。在完整植物中,含氰苷 存在叶表皮的液泡中,而分解含氰苷的酶——糖苷酶则存在叶肉中,互不接触。当叶片被咬碎后,含氰 苷就与酶混合,含氰苷中的氰醇和糖分开,前者再在羟基腈裂解酶作用下或自发分解为酮和 HCN。昆虫 和其他草食动物(如蛇、蛞蝓)取食植物后,产生 HCN,呼吸就被抑制。木薯块茎含较多含氰苷,一定 要经磨碎、浸泡、干燥等过程,除去或分解大部分含氰苷后,才能食用。 5.1 植物次生代谢的基因工程 一、花卉育种 植物花的颜色与类黄酮有关,而查尔酮合酶(CHS)是类黄酮生物合成的关键酶,也是花色素合成 的关键酶。陈章良等从矮牵牛分离出 CHS 的 cDNA,将 cDNA 与 CaMV 的 35S 启动子反向连接,再把此反向 基因系统连到双元载体 Bin19 上, 得到矮牵牛转基因植物, 其花色从原来的紫红色变为粉红色并夹有杂 白色或全白色,这种反义 RNA 技术为园艺学育种提供了一条新途径。 二、作物形状改良 利用基因工程改变植物的次生代谢,可使植物合成新的植物抗毒素,以增加抗病能力,或抑制某些 性状,以提高产品品质。例如,1,2—二苯乙烯合成酶是合成植保素白藜芦醇的关键酶,正常烟草不含 这种酶。将花生的二苯乙烯合成酶转入烟草,烟草便合成此植保素,增强对灰葡萄孢菌的抗性。又如, 用正义和反义序列的 O--甲基转移酶基因转化烟草,就可以控制植物中木质素的合成。这对未来的蔬菜 基因工程很有意义。 三、用植物的细胞工程与基因工程 我国的人参、紫草等植物的细胞大规模培养获得成功。人参细胞培养及进入商业化生产;紫草细胞 的发酵罐培养规模已达 100L,其有效成分紫草素含量可达细胞干中的 10%。 发根农杆菌可感染植物受伤部位,菌中 Ri 上的 T—DNA 片段整合到植物细胞基因组内,诱导毛状根 产生。近年来发根培养的研究颇多,已有 100 多种植物,其中包括利用青蒿的发根培养获得青蒿素。更 重要的是,Ri 质粒是一个很好的转基因载体,被用作提高药用植物的有效成分,例如把发根农杆菌转 入颠茄,发根中的茛菪碱含量增加 5 倍。 小结 尽管植物体中糖类、脂类、核酸和蛋白质等初生产物的合成和代谢很复杂,但详细分析,光合作用 是形成糖类的基础,呼吸作用中间产物是各种代谢的中心。由糖类等初生产物衍生出来的物质,成为次 生产物。次生产物一般不再参加代谢,主要具有防御天敌的作用,亦是人类所需的药物和工业原料。 萜类根据异戊二烯数目可分为简单酚类、木质素、类黄酮类、鞣质类和其他酚类等。酚类生物合成 主要走莽草酸途径和丙二酸途径。主要分类化合物有桂皮酸、咖啡酸、香豆素、水杨酸、没食子酸、木 质素、花色素苷及鞣质等,可防御昆虫取食,决定花果颜色,有的还参与植物细胞壁的组成。

植物次生产物中有含氮次生化合物,大多数是从普通氨基酸合成的。生物碱是其中一大类,具有一 个含 N 杂环,许多中药的有效成分是生物碱,现场用西药如利血平、吗啡等,最初也是从植物分离出来 的。含氰苷本身无毒,但叶片破碎后会释放出 HCN,抑制呼吸。木薯块茎含较多含氰苷,要妥善加工才 能食用。 植物次生代谢的研究为细胞工程和基因工程打下理论基础,人们现在可以利用这些成果改良作物品 种、花卉颜色和培养药用植物的有效成分。


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