類黃酮類植物營養(yǎng)素的研究進展

類黃酮類植物營養(yǎng)素的研究進展

在植物體內(nèi)，類黃酮的生物合成方法很常見，并產(chǎn)生了豐富的二級代謝產(chǎn)物，統(tǒng)稱為類黃酮?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)6000多種藥物。類黃酮化合物在植物的花、葉等部位含量很高。許多研究已表明類黃酮化合物具有多種生物活性,除具有抗菌、消炎、抗突變、降壓、清熱解毒、鎮(zhèn)靜等作用外,在抗氧化、抗癌、防癌等方面也有顯著效果;是大多數(shù)氧自由基的清除劑,因而能提高過氧化物歧化酶(SOD)的活力,減少脂質(zhì)過氧化物丙二醛(MDA)及氧化低密度脂蛋白(OX-LDL)的生成,對治療冠心病、心絞痛、高血壓等有顯著效果;對降低舒張壓,防治心律失常、心血管病和活血化瘀也起重要作用。類黃酮化合物在防止紫外線傷害,作為植物-微生物間的信號物質(zhì)、植物著色物質(zhì)、植物防御素等方面也發(fā)揮著重要的作用。由于類黃酮化合物顯著的生物活性和豐富的資源,促使類黃酮的研究進入了一個新的階段,掀起了開發(fā)和利用的熱潮,進而在化妝品、醫(yī)藥、食品等工業(yè)中廣泛應用。在茶樹葉片中,類黃酮(尤其是黃酮醇類)含量很高,可占干重的20%,遠遠高于其他的物種,這是茶樹所特有的。由于茶樹的這一特性,使得茶葉在人類眾多的食品中占有相當重要的地位,而且越來越受到消費者的關(guān)注。因此,對植物類黃酮合成途徑和調(diào)控的研究具有重要理論意義和實際價值。1類黃酮基本結(jié)構(gòu)類黃酮是色原酮或色原烷的衍生物,以C6-C3-C6結(jié)構(gòu)為基本母核的天然產(chǎn)物,即兩個苯環(huán)通過3個碳原子結(jié)合而成,其中C3部分可以是脂鏈,或與C6部分形成六元或五元氧雜環(huán)結(jié)構(gòu)(圖1)。依據(jù)類黃酮基本分子結(jié)構(gòu)的雜氧環(huán)和構(gòu)象的不同,一般把類黃酮劃分為六大類:黃酮(flavone)、黃酮醇(flavonol)、異黃酮(isoflavone)、黃烷酮(flavanone)、黃烷醇(flavanol)、花色素(anthocyanidin)。在植物體內(nèi),類黃酮主要以糖苷衍生物的形式存在,糖基化位點通常為C-3位和C-7位,糖基有葡萄糖、棉子糖、半乳糖、鼠李糖等,其中葡萄糖最為常見。1.1異黃酮類的化合物黃酮在唇形科、玄參科、爵床科、菊科分布最廣。常見的有毛地黃黃酮(luteolin)、芹菜素(apigenin)和五羥黃酮(tricetin)。黃酮醇為無色,但是在植物體內(nèi)通過與花色素共同作用來顯色,同時也是一些植物花粉管萌發(fā)所必須的。異黃酮類作為類黃酮生物合成代謝的終產(chǎn)物之一,目前已知的種類超過1000種,只普遍存在于豆科和個別裸子植物中。異黃酮是一種植物激素,具有2-苯基色酮結(jié)構(gòu)的化合物群,染料木黃酮(genistein)和大豆苷元(daidzein)是主要的配基。染料木黃酮是強力的酪氨酸酶抑制劑,具有抗癌、防治心血管疾病等藥理學功能。1.2oqflarene第1類:黃烷酮類黃烷酮主要有圣草素(eriodictyol)、柚皮素(naringenin)和pentahydroxyflavanone,在植物體內(nèi)主要作為配糖體存在,其羥基衍生物和甲氧基衍生物(特別是在3,5,7,3′,4′位置上取代)統(tǒng)稱為黃烷酮類。黃烷醇類化合物主要存在于含鞣質(zhì)的木本植物中,比較常見的有黃烷-3-醇、黃烷-4-醇,其中黃烷-3-醇的衍生物,稱為兒茶素類(catechins)。1.3proanhcynidin法一類以離子形式存在的色原烯衍生物。植物合成的花色素通過谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(glutathioneS-transferase,GST)和轉(zhuǎn)位子進入液泡,在液泡中不斷積累,當液泡中的pH值變化時,花色素的化學結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生變化,表現(xiàn)出不同的顏色,使花、果、葉子呈現(xiàn)出漂亮的紅色、紫色、橙色等絢麗的色彩。而原花色素(proanthcyanidin),也叫縮合單寧,是類黃酮分子的聚合體,當它被氧化后,植物種子表現(xiàn)出棕色,水果、果汁有收斂性。茶葉的類黃酮物質(zhì)以黃烷醇和黃酮醇為主。黃烷醇主要是兒茶素類,包括表兒茶素(epicatechin,EC)、表兒茶素沒食子(epicatechingallate,ECG)、表沒食子兒茶素(epigallatecatechin,EGC)、表沒食子兒茶素沒食子酸(epigallatecatechingallate,EGCG)、兒茶素(C)、沒食子兒茶素(gallatecatechin,GC)、兒茶素沒食子酸(catechingallate,CG)和沒食子兒茶素沒食子酸(gallatecatechingallate,GCG)等8種兒茶素,占綠茶干重的20%~30%。兒茶素是無色、水溶性的化合物,它賦予綠茶茶湯以苦味和收斂性,是茶葉中最主要的品質(zhì)成分和功能性成分。黃酮醇主要包括楊梅素(myricetin)、槲皮素(quercetin)和莰菲醇(kaempferol)等,約占茶水溶性提取物的2%~3%。2豆酰氧化酶a、丙二酰氧化酶a及柚皮素a的合成植物類黃酮生物合成的起始底物為香豆酰輔酶A(Coumaroyl-CoA)和丙二酰輔酶A(malonyl-CoA),香豆酰輔酶A來源于苯丙烷類代謝途徑,丙二酰輔酶A來自乙酰輔酶A。它們在查爾酮合成酶(chalconesynthase,CHS)的作用下形成查爾酮,由查爾酮異構(gòu)酶(chalconeisomerase,CHI)催化查爾酮(chalcone)形成柚皮素(圖2),柚皮素作為主要的代謝產(chǎn)物進入其他類黃酮的合成途徑。根據(jù)產(chǎn)物的形成過程,類黃酮生物合成途徑可分為三個階段。2.1黃酮合成酶型黃酮是以黃烷酮為底物,在黃酮合成酶(flavonesynthase,FS)的催化下形成。植物中有黃酮合成酶I(FSI)和Ⅱ(FSⅡ)兩種黃酮合成酶。FSⅡ存在于大多數(shù)植物中,是細胞色素P450單氧化酶,催化黃烷酮C-2和C-3之間引入雙鍵,圣草素形成毛地黃黃酮(圖2)。而在傘形科的有些植物中,存在可溶性的2-氧代戊二酸(2-oxoglutarate)依賴的FSⅠ,FSⅠ催化黃烷酮的C-2,C-3之間脫氫形成黃酮,柚皮素形成芹菜素。異黃酮合成酶(isoflavonesynthase,IFS)催化柚皮素生成染料木黃酮。2.2chs底物與柚子皮素的合成在類黃酮合成途徑中(圖2),查爾酮是第一個中間產(chǎn)物,由于CHI的催化活性很高,能夠瞬間轉(zhuǎn)化查爾酮形成柚皮素,故在反應體系中很難檢測到查爾酮,CHS成為關(guān)鍵酶。CHS對4-香豆酰-CoA有較高的活性(0.88pKat/mgprotein),而對咖啡堿-CoA只有0.36pKat/mgprotein,因此4-香豆酰-CoA是CHS的最佳底物,柚皮素則為主要的產(chǎn)物(表1)。然后,柚皮素在類黃酮3′-羥化酶(flavonoid3′-hydroxylase,F3′H)和類黃酮3′5′-羥化酶(flavonoid3′5′-hydroxylase,F3′5′H)的催化作用下形成圣草素和pentahydroxyflavanone。柚皮素是黃酮醇-3-羥化酶(flavanone-3-hydroxylase,F3H)的最適底物,產(chǎn)物是二氫山萘酚(dihydrokaempferol),F3′H和F3′5′H以二氫山萘酚為底物,形成二氫槲皮素(dihydroquercetin)、二氫楊梅素(dihydromyricetin)等二氫黃酮醇(圖2)。以二氫黃酮醇為底物,通過兩個途徑被降解,一方面在黃酮醇合成酶(flavonolsynthase,FLS)的作用下形成槲皮素、山萘酚、楊梅素等黃酮醇。在植物種皮中,以槲皮素的積累為主。另一方面,在其他酶的作用下形成花色素。2.3茶樹兒茶素的合成來源二氫黃酮醇在二氫黃酮醇還原酶(dihydroflavonol4-reductase,DFR)的作用下,形成白矢車菊素(leucocyanidin)、白天竺葵素(leucopelargonidin)和白花翠素(leucodelphindin)等無色花色素,再經(jīng)過花色素合成酶(anthocyanidinsynthase,ANS)作用形成矢車菊素(cyanidin)、天竺葵色素(pelargonidin)和花翠素(delphinidin)等花色素(圖2),這些花色素在糖苷轉(zhuǎn)移酶(flavonoid3-O-glucosyltransferase,FGT)的作用下,在C-3位和C-7位糖基化,生成花色苷。原花色素是由起始單體和延伸單體構(gòu)成的,其起始單體為表兒茶素或兒茶素,其中表兒茶素是主要的起始單體,延伸單體為白矢車菊素(leucocyanidin),經(jīng)過縮合作用形成聚合體。在茶樹中,F3′5′H的活性略高于F3′H,所以合成表沒食子兒茶素的量較多。在許多植物體內(nèi),DFR還具有FNR(flavanone4-reductase,FNR)的活性。在茶鮮葉的酶提取液中,DFR可以將圣草素轉(zhuǎn)化為luteoliflavan(圖2)。茶樹兒茶素的合成途徑的酶學特征已經(jīng)得到比較詳細的闡明,其主要有DFR/LAR和ANR兩個途徑分別合成兒茶素、沒食子兒茶素和表兒茶素、表沒食子兒茶素。但是最終通過酶的活性和底物特異性來調(diào)節(jié)終產(chǎn)物,如表1。3黃酮類化合物的合成軌跡是一種重要的基因控制類黃酮的生物合成具有其時空特性。植物不僅通過外界因素的誘導來調(diào)節(jié)類黃酮的合成,同時通過轉(zhuǎn)錄因子直接調(diào)節(jié)酶的表達來調(diào)控類黃酮的合成。3.1不同處理對chs和pal表達的影響植物類黃酮合成過程中很多酶的基因,如茶樹的PAL、CHS、CHI、DFR、ANR、FLS、ANS、FTH等,都已經(jīng)克隆得到其全長cDNA序列,其中CHS的研究最為全面和透徹。CHS是類黃酮合成的第一個關(guān)鍵酶,它受到多種因素的影響,如環(huán)境脅迫、光照、傷害、誘導劑,甚至中間產(chǎn)物如肉桂酸,都能影響CHS的表達水平。大麥的培養(yǎng)細胞進行紫外線照射和熱激處理,可以降低CHS、PAL的表達量和活性。在茶樹上,CHS主要在葉片和莖中表達,在花中也有適度表達,并隨著植株的生長發(fā)育,葉片和莖中的表達水平改變,葉片中CHS的表達量降低,在葉片上噴灑糖,如葡萄糖、棉子糖等,其表達水平上調(diào)。遮陰處理的茶樹新梢,CHS和PAL的表達降低,糖和兒茶素的含量下降,而氨基酸的含量增加,因此經(jīng)遮陰處理鮮葉制的茶葉風味和苦澀味都降低了。對葡萄花色素合成研究發(fā)現(xiàn),不同組織中花色素合成途徑中的七個基因(PAL,CHS,CHI,F3H,DFR,LDOX,UFGT)都有表達,而且都有原花色素的積累。通過對紅色果皮和白色果皮基因表達的對比研究發(fā)現(xiàn),花色素僅在紅色果皮中積累,且依賴UDP的類黃酮糖苷轉(zhuǎn)移酶(UFGT)也只在紅色果皮中檢測到。白色品種則沒有。因此花色素的合成和積累不僅與組織相關(guān)的,也可能與基因的選擇性表達有關(guān)。3.2蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子在植物細胞中,在轉(zhuǎn)錄水平上對生物合成相關(guān)基因進行調(diào)控是調(diào)節(jié)次生代謝產(chǎn)物的主要機制,轉(zhuǎn)錄因子在該機制中發(fā)揮重要作用。花色素是類黃酮代謝的終產(chǎn)物之一,轉(zhuǎn)錄因子對花色素合成的調(diào)節(jié)研究較多。在大多數(shù)植物中,兩個不同的轉(zhuǎn)錄因子家族,也即由c-MYB編碼的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子和由c-MYC編碼的具有basic-Helix-Loop-Helix(bHLH)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子,直接參與對花色素合成相關(guān)結(jié)構(gòu)基因的調(diào)控。MYB蛋白質(zhì)有兩個相關(guān)的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)域,其中R2和R3與目標DNA序列結(jié)合,特異的MYB與特異的bHLH蛋白質(zhì),通過結(jié)構(gòu)上的相互作用來共同調(diào)節(jié)類黃酮合成。MYB和bHLH轉(zhuǎn)錄因子對組織特異性的基因表達有激活作用。在玉米中,具有編碼MYB蛋白質(zhì)的R和編碼bHLH蛋白質(zhì)的C1來調(diào)控與花色素合成相關(guān)酶的結(jié)構(gòu)基因,同時還存在與C1/R獨立的調(diào)節(jié)因子P,它也是屬于MYB家族的。在擬南芥中,也存在MYB家族的轉(zhuǎn)錄因子PAP1(productionofanthocyaninpigment1),該轉(zhuǎn)錄因子在獨立發(fā)揮作用,不需要bHLH的協(xié)助。TT2和TT8分別是MYB和bHLH家族的轉(zhuǎn)錄因子,它們調(diào)節(jié)原花色素合成的第一個酶—無色花色素還原酶(LAR),如圖3所示。花色素的合成是bHLH和MYB這兩個轉(zhuǎn)錄因子的活性和mRNA的豐度來調(diào)節(jié)的,使轉(zhuǎn)錄因子處于一定水平,進而調(diào)節(jié)合成途徑中各種酶的活性,并最終調(diào)節(jié)產(chǎn)物的合成。4毛地黃黃酮和菜素由于類黃酮獨特的藥理學功效和在生物防御方面的作用,其生物合成途徑一直是人們關(guān)注的焦點,并取得了令人鼓舞的研究進展。隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)黃酮類具有比其他的類黃酮化合物更顯著的藥理學作用,研究證明黃酮類確實有很強抗腫瘤作用,通過激發(fā)ROS(reactiveoxygenspecies)反映來引起細胞凋亡,進而抑制腫瘤。毛地黃黃酮具有殺菌、消炎、收斂功能,此外尚具有維生素P(VitaminP)的藥理功能,其天然品已應用于臨床治療止咳、祛痰、消炎。毛地黃黃酮作為天然防腐劑和抗氧化劑具有很好開發(fā)潛力。