高中生物競賽教程第5章植物體內(nèi)有機(jī)物的代謝

1、第五章 植物體內(nèi)有機(jī)物的代謝1植物的初生代謝和次生代謝關(guān)于糖類脂類核酸和蛋白質(zhì)的合成和分解過程，在生物化學(xué)課程中已將討論過，在此不重復(fù)。這里重點(diǎn)討論它們之間的相互關(guān)系?？栁难h(huán)、糖酵解、三羧酸循環(huán)和戊糖磷酸途徑是有機(jī)體代謝的主干，它筑起了生命活動(dòng)的舞臺，是各種有機(jī)物代謝的基礎(chǔ)，這個(gè)主干來源于光合作用，形成蔗糖和淀粉；通過呼吸作用，分解糖類，產(chǎn)生各種中間產(chǎn)物，進(jìn)一步為脂類、核酸和蛋白質(zhì)的合成提供底物。糖和脂類是相互轉(zhuǎn)變的，因?yàn)楦视涂赡孓D(zhuǎn)為己糖，而脂肪酸分解為乙酰輔酶A后可再轉(zhuǎn)變?yōu)樘?。氨基酸的碳?酮酸主要來源于糖代謝的中間產(chǎn)物，糖與蛋白質(zhì)之間可以互相轉(zhuǎn)變，丙酮酸、乙酰輔酶A、-酮戊二酸和草酰乙

2、酸等中間產(chǎn)物在它們之間的轉(zhuǎn)變過程中起著樞紐作用。核苷酸的核糖來源于戊糖磷酸代謝，堿基則是由氨基酸及其代謝產(chǎn)物組成的。糖類、脂類、核酸和蛋白質(zhì)等是初生代謝產(chǎn)物（primary metabolites）,植物體中還有許多其他有機(jī)物，如萜類、酚類和生物堿等，它們是由糖類等有機(jī)物次生代謝衍生出來的物質(zhì)以，因此成為次生代謝產(chǎn)物（sevondarymetabolites）。次生代謝產(chǎn)物貯存在夜泡或細(xì)胞壁中，是代謝的最終產(chǎn)物，除了極少數(shù)之外，大部分不再參加代謝活動(dòng)。某些次生代謝產(chǎn)物是植物生命活動(dòng)必需的，如吲哚乙酸、赤霉素等植物激素，葉綠素、類胡蘿卜素和花色素等色素以及木質(zhì)素等屬于次生代謝產(chǎn)物。它們的存在使植

3、物體具有一定的色、香、味，吸引昆蟲或動(dòng)物來傳粉和傳播種子；某些植物產(chǎn)生對植物本身無毒而對動(dòng)物或微生物有毒的次生代謝產(chǎn)物，防御天敵吞食，保存自己；因此次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生是植物在長期進(jìn)化中對生態(tài)環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果。某些次生產(chǎn)物往往是重要的藥物（如奎寧堿）或工業(yè)原料（如橡膠），深受人們的重視。植物的次生代謝產(chǎn)物可分3類：萜類、酚類和含氮次生化合物，它們的生物合成過程如圖5-2所示。2萜類一、萜類的種類萜類或類萜是植物界中廣泛存在的一類次生代謝物質(zhì)，一般不溶于水。萜類是異戊二烯組成的。萜類化合物的結(jié)構(gòu)有鏈狀的，也有環(huán)狀的。萜類種類是根據(jù)異戊二烯數(shù)目而定，有單萜、倍半萜、雙萜、三萜，四萜和多萜之分。在植物細(xì)

4、胞中，低相對分子質(zhì)量的萜是揮發(fā)油，相對分子質(zhì)量增高就成為樹脂、胡蘿卜素等較復(fù)雜的化合物，更大相對分子質(zhì)量的萜則形成橡膠等高分子化合物。萜類對植物的作用是多方面的。某些萜類影響植物的生長發(fā)育，例如，屬于雙萜的赤霉素是調(diào)節(jié)植物高度的數(shù)量；屬于三萜的固醇與磷脂相互作用使膜穩(wěn)定，是膜的必需組成；類胡蘿卜素是四萜的衍生物，包括胡蘿卜素、葉黃素、番茄紅素等，常能決定花、葉和果實(shí)的顏色；胡蘿卜素和葉黃素能吸收光能，參與光合作用，胡蘿卜素也是維生素A的主要來源；脫落素是種子成熟和抗逆性信號的一種激素，它是由胡蘿卜素轉(zhuǎn)變來的；細(xì)胞分裂素和葉綠素本身雖然不是萜類，但含有萜類側(cè)鏈。許多植物的萜類有毒，可防止哺乳動(dòng)物

5、和昆蟲吞食，例如菊的葉和花含有的單萜酯擬除蟲菊酯，是極強(qiáng)的殺蟲劑；松和冷杉含有的松枝的單萜成分，如苧烯和桂葉烯對昆蟲（包括危害松樹嚴(yán)重的棘脛小蠹）有毒。揮發(fā)油多是單萜和倍半萜，它廣泛分布于植物界，存在于腺細(xì)胞和表皮中。例如薄荷、檸檬等植物含有揮發(fā)油，有氣味，防止害蟲侵襲。有一種倍半萜棉酚存在于一些棉花品種的棉籽和下表皮毛中，顯著抗蟲侵襲。許多雙萜對草食動(dòng)物有毒，使他們不愿食用。松樹的樹脂含有相當(dāng)數(shù)量的雙萜（如冷杉酸）當(dāng)害蟲取食穿刺到樹脂道時(shí)，樹脂流出，組織害蟲取食，最后封閉傷口。大戟科植物產(chǎn)生的乳汁，含有雙萜成分，例如佛波醇，嚴(yán)重刺激皮膚，對哺乳動(dòng)物有毒。有些萜類是藥用或工業(yè)原料，例如短葉紅豆

6、杉中的紅豆杉醇（亦稱紫杉醇），是強(qiáng)烈的抗癌藥物；多萜化合物之中，橡膠是最有名的高分子化合物，一般由150015000個(gè)異戊二烯單位所組成。二、萜類的生物合成萜類的生物合成有兩條途徑：甲羥戊酸途徑和甲基赤蘚醇磷酸途徑，兩者都形成異戊烯二磷酸（IPP），然后進(jìn)一步合成萜類，所以IPP亦稱為“活躍異戊二烯”。甲羥戊酸途徑是以3 個(gè)乙酰COA分子為原料，形成甲羥戊酸，再經(jīng)過焦磷酸化、脫酸化合脫水等過程，就形成IPP。甲基赤蘚醇途徑也是合成IPP，不過它是由糖酵解或C4途徑的中間產(chǎn)物丙酮酸和3-磷酸苷有權(quán)，經(jīng)過一系列反應(yīng)，形成甲基赤蘚醇磷酸，繼而形成二甲炳烯二磷酸（DMAPP）。IPP和DMAPP是異構(gòu)

7、體，是平衡的，兩者很活躍，結(jié)合起來成為更大的分子。首先是IPP和DMAPP結(jié)合為牦牛兒二磷酸（GPP）成為單萜的前身；GPP又會與另一個(gè)IPP分子結(jié)合，形成法呢二磷酸（FPP），成為倍半萜和三萜的前身；同樣，F(xiàn)PP又會與另一個(gè)IPP分子結(jié)合，形成牦牛兒牦牛兒二磷酸（GGPP），它是二萜和四萜的前身；最后，F(xiàn)PP和GGPP就聚合為多萜。31酚類一、酚類的種類酚類是芳香族環(huán)上的氫原子被羥基或功能衍生物取代后生成的化合物，種類繁多，是重要的次級產(chǎn)物之一，有些只溶于有機(jī)溶劑，有些是水溶性羧酸和糖苷，有些是不溶的大分子多聚體。根據(jù)芳香環(huán)上帶有的碳原子數(shù)目的不同可分為幾種。酚類化合物廣泛分布于植物體，以糖

8、苷或糖脂狀態(tài)積存于液泡中。在酚類化合物中，又決定花、果顏色的花色素和橙皮素，有構(gòu)成次生壁重要組成的木質(zhì)素，也有作為藥物的蕓香苷（路?。⒐鹌に岷腿夤鸫嫉?。二、 類的生物合成植物的酚類化合物是通過多條途徑合成的，其中以莽草酸途徑和丙二酸途徑為主。在高等植物，大多數(shù)通過前一種途徑合成酚類；真菌和細(xì)菌通過后一種途徑合成酚類。（一）莽草酸途徑糖酵解產(chǎn)生的磷酸烯醇是丙酮酸（PEP）和戊糖酸途徑產(chǎn)生的D-赤蘚糖-4-磷酸作用形成中間產(chǎn)物3-脫氧-D-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸，進(jìn)一步環(huán)化成重要中間產(chǎn)物莽草酸。莽草酸再與PEP作用，形成3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸，脫去Pi，形成分支酸。分支酸是莽草酸途徑的

9、重要樞紐物質(zhì)，他以后的去向分為兩個(gè)分支：一個(gè)分支走向色氨酸，另一個(gè)分支是先形成預(yù)苯酸，經(jīng)過arogenic acid ,然后再分支：一是形成苯丙氨酸，另一是形成酪氨酸。廣譜除草劑草甘磷之所以能除草，就是因?yàn)樗芤种拼呋Р菟崤cPEP合成3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸的酶。本途徑存在于高等植物、真菌和細(xì)菌中，而動(dòng)物則無，所以動(dòng)物不能合成苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸這3種芳香族氨基酸，必須從食物中那個(gè)補(bǔ)充。大多數(shù)植物次生產(chǎn)物是苯丙氨酸在苯丙氨酸解氨酶（PAL）作用下，脫氨形成桂皮酸。PAL是初生代謝與次生代謝的分支點(diǎn)，是形成酚類化合物中的一個(gè)重要調(diào)節(jié)酶，它受內(nèi)外條件影響，例如植物激素、營養(yǎng)水平、光照長

10、短、病菌及機(jī)械損傷等，可影響PAL的合成及其活性。（二）丙二酸途徑本途徑首先是一分子?；鵆OA與3分子丙二酰COA結(jié)合，脫羧，合成一分子多酮酸。多酮酸通過各種方式發(fā)生環(huán)化作用，形成間苯三酚衍生物，由于他們的R基性質(zhì)不同，于是形成許多不同的黃酮衍生物。三、 單酚類 簡單酚類廣泛分布于維管植物。其結(jié)構(gòu)有3類：（1）簡單苯丙酸類化合物，具苯環(huán)-C3的基本骨架，例如，反-桂皮酸，對-香豆酸、咖啡酸，阿魏酸；（2）苯丙酸內(nèi)酯（環(huán)酯）類化合物，亦稱香豆素類，也具苯環(huán)C3基本骨架，但C3與苯環(huán)通過氧環(huán)化，例如傘形酮，補(bǔ)骨脂內(nèi)酯、香豆素等;(3 )苯甲酸衍生物類，具苯環(huán)-C3的基本骨架，例如水楊酸，例如水楊酸

11、、香蘭素等。大多數(shù)植物酚類的生物合成是從苯丙氨酸開始的，經(jīng)過PAL的作用，就形成各種簡單的苯丙酸類化合物、香豆素、苯甲酸衍生物、木質(zhì)素、花色素苷、異黃酮、縮合鞣質(zhì)及其他類黃酮。許多簡單酚類化合物在植物防御草食昆蟲和真菌侵襲中起重要功能。有一種酚類膠補(bǔ)骨脂素（呋喃香豆素類的一種），本無毒，但可被日光中的紫外線A（320400nm）激發(fā)為高能電子態(tài)，插入DNA雙螺旋中，與胞嘧啶和胸腺嘧啶結(jié)合，阻斷DNA轉(zhuǎn)爐和修復(fù)，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。傘形科中的芹菜、防風(fēng)草和芫荽富含有這類光照后有毒的呋喃香豆素。在逆境或病害條件下，芹菜得著這種化合物含量會增加100倍左右，所以用手接觸這種植物時(shí)，有時(shí)受會腫脹。然而有

12、些昆蟲能生活在含有這類光照后有毒的植物中，因?yàn)榫砣~可以濾去激發(fā)光波。四、 質(zhì)素植物體中的木質(zhì)素?cái)?shù)量很大，僅次于纖維素，具有機(jī)物的第二位。木質(zhì)素是植物體重要組成物質(zhì)，廣泛分布于植物界。木質(zhì)素是簡單酚類的醇衍生物（如香豆醇、松柏醇、芥子醇，5-羥基阿魏酸）的聚合物，其成分因植物種類而異，例如松柏木質(zhì)素含有許多的松柏醇，還有一些香豆醇和芥子醇；山毛櫸木質(zhì)素的松柏醇和芥子醇數(shù)量相近，而香豆醇則很少；單子葉植物（尤其是和谷類）的木質(zhì)素則含有極多的香豆醇。木質(zhì)素的生物合成是以苯丙氨酸和酪氨酸為起點(diǎn)的。首先，苯丙氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)楣鹌に幔鹌に岷屠野彼嵊址謩e轉(zhuǎn)變?yōu)?香豆酸，然后，4香豆酸形成了咖啡酸、阿魏酸、5羥基

13、阿魏酸和芥子酸，它們分別與乙酰COA結(jié)合，相應(yīng)的被催化為高能COA硫脂衍生物，進(jìn)一步被還原為相應(yīng)的醛，在被脫氫酶還原為相應(yīng)的醇，即4香豆醇、松柏醇，5羥基阿魏醇和芥子醇。上述4種醇類是組成木質(zhì)素的基本單位，他們是在細(xì)胞質(zhì)中形成的，經(jīng)過糖基化作用，進(jìn)一步形成葡萄香豆醇、松柏苷、5-羥基阿魏苷和丁香苷，再通過質(zhì)膜運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞壁，在糖苷酶作用下釋放出相應(yīng)的單體（醇），最后這些單體經(jīng)過氧化和聚合作用形成木質(zhì)素。五、 黃酮類（一）種類植物酚類化合物另一大類植物是類黃酮。它是兩個(gè)芳香環(huán)被三碳橋聯(lián)起來的15碳化合物，其結(jié)構(gòu)來自兩個(gè)不同的生物合成途徑。一個(gè)芳香環(huán)（B）和橋是從苯丙氨酸轉(zhuǎn)變來的，而另一個(gè)芳香環(huán)（A

14、），則來自丙二酸途徑。類黃酮是由苯丙酸、p-香豆酰COA和3個(gè)苯二酰COA分子在查兒酮合酶催化下縮合而成的。根據(jù)3C橋的氧化程度，類黃酮類可分為4種，即花色素苷、黃酮、黃酮醇和異黃酮。基本類黃酮骨架會有許多取代基，羥基常位于4，5，7位，它也常帶糖，所以大多數(shù)類黃酮是葡糖苷。羥基和糖增加類黃酮的水溶性，而其他替代物（例如甲酯或修改異戊基單位）則是類黃酮成脂溶性。（二）功能不同類黃酮具有不同功能：1呈現(xiàn)顏色 植物的色素主要有兩類：類胡蘿卜素和類黃酮。類胡蘿卜素是光合作用的輔助色素，呈黃、橙和紅色。類黃酮包含各種有色的物質(zhì)，其中最普遍的有色類黃酮是花色素苷?；ā⒐蟛糠殖始t、淡紅、紫和藍(lán)等色，都與

15、花色素苷有關(guān)。鮮艷花色可吸引昆蟲而幫助傳粉，鮮艷果實(shí)可吸引動(dòng)物食用而傳播種子?；ㄉ剀赵贑環(huán)部位3有糖，是葡糖苷；如果沒有糖，則稱為花色素?；ㄉ剀帐屈S酮類化合物，溶解于細(xì)胞液中，在植物界中分布極廣，花、果實(shí)和葉片的顏色往往與它有關(guān)。花色素苷的顏色受許多因子影響，例如B環(huán)上的羥基和甲氧基數(shù)目、芳香酸對主要骨架的酯化和液泡中的PH等。表5-3說明B環(huán)上取代基不同花色有差異。羥基數(shù)目越多，吸收光向長波遷移，顏色偏藍(lán)；顏色偏藍(lán)；羥基被甲氧基替代，吸收光向段波遷移，顏色偏紅。同一花色素的顏色也會有變化，主要是受細(xì)胞液的PH決定，偏酸性使呈紅色，偏堿性是為藍(lán)色。低溫、缺氧和缺磷等不良環(huán)境也會促進(jìn)花色素的

16、形成和積累。2防御傷害 黃酮類和黃酮醇類不只存在于花器官，也存于綠葉中，由于這兩類物質(zhì)積累在葉和莖的表皮層，吸收紫外線B（UVB，280320nm）,因此避免了細(xì)胞受到強(qiáng)烈UVB的傷害，這兩類物質(zhì)允許可見光通過，不影響光合作用進(jìn)行。最近實(shí)驗(yàn)證明，類黃酮類是植物的紫外光保護(hù)劑。缺乏查兒酮合酶活性的擬南芥突變體，不產(chǎn)生類黃酮，對UVB較野生型敏感，在正常條件下生長極差。如果將UVB過濾掉，植物就正常生長。異黃酮類屬于類黃酮，具有不同的功能，例如魚藤根中的魚藤酮有很強(qiáng)的殺蟲作用，植物受細(xì)菌或真菌侵染后形成的植物防御素能限制病原微生物進(jìn)一步擴(kuò)散。六、 鞣質(zhì)在植物酚類多聚體中具有防御功能的，除了木質(zhì)素外

17、，就是鞣質(zhì)（俗名丹寧），其相對分子質(zhì)量大多數(shù)為6003000。鞣質(zhì)可分為兩類：縮合鞣質(zhì)和可水解鞣質(zhì)?？s合鞣質(zhì)是由類黃酮單位聚合而成，相對分子質(zhì)量較大，是木本植物的組成成分，可被強(qiáng)酸水解為花色素?？伤怊焚|(zhì)是不均勻的多聚體，含有酚酸（主要是沒食子酸）和單糖，相對分子質(zhì)量較小，易被稀酸水解。鞣質(zhì)有毒，食草動(dòng)物吃后明顯抑制生長。鞣質(zhì)在口腔中與蛋白質(zhì)結(jié)合，有澀味。一些牲畜不愿吃鞣質(zhì)含量高的植物，因?yàn)轺焚|(zhì)與腸中的蛋白質(zhì)結(jié)合會形成不易消化的蛋白質(zhì)鞣質(zhì)復(fù)合物。樹干心材的鞣質(zhì)豐富，能防止真菌和細(xì)菌引起的心材腐敗。41含氮次生化合物植物次生代謝產(chǎn)物中有許多是含氮的，大多數(shù)含氮次生產(chǎn)物是從普通的氨基酸合成的。這里

18、，著重介紹植物含氮次生代謝產(chǎn)物中的生物堿和含氰苷等，它們都具有防御功能。八、生物堿生物堿是一類含氮雜環(huán)化合物，通常有一個(gè)含N雜環(huán)，其堿性劑來自含N的環(huán).目前已發(fā)現(xiàn)含有生物堿的植物將近100多個(gè)科，其中豆科、夾竹桃克、罌粟科、毛茛克、防己科、馬錢科、茄科、蕓香科、茜草科及石蒜科等多含生物堿。一科植物中常含多種結(jié)構(gòu)相似的生物堿，如麻黃中已發(fā)現(xiàn)7種有機(jī)胺類生物堿。生物堿在植物體內(nèi)的分布并不一致，如古柯堿（可卡因）集中在葉內(nèi)，奎寧間集中在樹皮，香木鱉堿集中在種子，石蒜堿集中在鱗莖。植物器官中的生物堿含量很低，一半在萬分之幾到百分之一二（像金雞納樹皮那樣含奎寧堿12%是極少的）。植物在不同生長時(shí)期所含生

19、物堿的成分及含量常有不同。有些多年生的植物，隨年齡增長，某部分的含量逐漸增加，如金雞納樹皮的奎寧堿含量隨樹齡的增長而增加，小蘗根中的小蘗堿（黃連素）含量也隨植物年齡的增長而增加。植物生物堿含量亦受外界條件的影響而改變，如氮肥多時(shí)，煙堿含量就高 。生物堿的種類很多，其生物合成的前身也不同。生物堿是植物體代代謝的中間產(chǎn)物，是有不同氨基酸衍生來的，尤其賴氨酸、酪氨酸、色氨酸。煙堿是煙草中的主要生物堿。煙堿的生物合成是由天冬氨酸和3-磷酸甘油醛合成煙酸，進(jìn)一步與精氨酸生物合成的中間產(chǎn)物鳥氨酸合成為煙堿。生物堿是合算的組成成分，又是維生素B1、葉酸和生物素的組成成分，所以具有重要的生理意義。它對生物往往

20、有毒性，所以也有防御敵害的意義。生物堿是重要藥物的有效成分，許多重要的有效成分往往是生物堿，比如有平喘作用的麻黃，其有效成分是麻黃堿；有抗菌效果的黃連，其有效成分是小蘗堿；有止痛作用的元胡，其有效成分是延胡索酸乙素等多種生物堿?，F(xiàn)在西藥常用的重要藥品，最初還是從植物分離出來證實(shí)有效后化學(xué)合成的，例如從蘿芙木分離出來的利血平，從金雞納樹皮分離出來的奎寧等。在抗癌藥物中有從長春花分離出來的長春新堿，從粗榧分離的三尖杉酯堿，從美登木分離的美登木堿等。由此可見，生物堿在醫(yī)藥上甚為重要。九、含氰苷含氰苷廣泛分布于植物界，其中以豆類、禾谷類和玫瑰一些種類最多。含氰苷本身無毒，但植物破碎后就會釋放出有揮發(fā)性

21、的毒物氰化氫（HCN）。在完整植物中，含氰苷存在葉表皮的液泡中，而分解含氰苷的酶糖苷酶則存在葉肉中，互不接觸。當(dāng)葉片被咬碎后，含氰苷就與酶混合，含氰苷中的氰醇和糖分開，前者再在羥基腈裂解酶作用下或自發(fā)分解為酮和HCN。昆蟲和其他草食動(dòng)物（如蛇、蛞蝓）取食植物后，產(chǎn)生HCN，呼吸就被抑制。木薯塊莖含較多含氰苷，一定要經(jīng)磨碎、浸泡、干燥等過程，除去或分解大部分含氰苷后，才能食用。5.1 植物次生代謝的基因工程一、花卉育種植物花的顏色與類黃酮有關(guān)，而查爾酮合酶（CHS）是類黃酮生物合成的關(guān)鍵酶，也是花色素合成的關(guān)鍵酶。陳章良等從矮牽牛分離出CHS的cDNA,將cDNA與CaMV的35S啟動(dòng)子反向連接，再把此反向基因系統(tǒng)連到雙元載體Bin19上，得到矮牽牛轉(zhuǎn)基因植物，其花色從原來的紫紅色變?yōu)榉奂t色并夾有雜白色或全白色，這種反義RNA技術(shù)為園藝學(xué)育種提供了一條新途徑。二、 作物形狀改良利用基因工程改變植物的次生代謝，可使植物合成新的植物抗毒素，以增加抗病能力，或抑制某些性狀，以提高產(chǎn)品品質(zhì)。例如，1，2二苯乙烯合成酶是合成植保素白藜蘆醇的關(guān)鍵酶，正常煙草不含這種酶。將花生的二苯乙烯合成酶轉(zhuǎn)入煙草，煙草便合成此植保素，增強(qiáng)對灰葡萄孢菌的抗性。又如，用正義和反義序列的O-甲基轉(zhuǎn)移酶基因轉(zhuǎn)化煙草，就可以控制植物中木質(zhì)素的合