三萜皂苷的生物合成.pdf

C u r r e n t T o p i c s 生命的化学 2 0 0 5年2 5卷5期 C H E M I S T R YO FL I F E2 0 0 5 2 5 5 文章编号 1 0 0 0 1 3 3 6 2 0 0 5 0 5 0 4 2 0 0 2 三萜皂苷的生物合成 邢朝斌王一曼陈正恒沈海龙 1 华北煤炭医学院生物科学系 唐山0 6 3 0 0 0 1东北林业大学林学院 哈尔滨1 5 0 0 4 0 摘要 异戊烯二磷酸在香叶二磷酸合成酶 法呢二磷酸合成酶 鲨烯合成酶和鲨烯环氧酶催化下合成2 3 氧 化鲨烯 再经氧化鲨烯环化酶催化形成各种三萜类 三萜类经细胞色素P 4 5 0 糖基转移酶和 糖苷酶的修饰 形成各种类型的三萜皂苷 关键词 三萜皂苷 氧化鲨烯环化酶 糖基转移酶 糖苷酶 中文分类号码 Q 9 4 6 收稿日期 2 0 0 5 0 6 0 6 国家 十五 科技攻关子课题资助项目 N o 2 0 0 1 B A 5 1 0 B 0 8 0 1 作者简介 邢朝斌 1 9 7 5 男 硕士 讲师 联系作者 E m a i l x i n g z h b m a i l e d u c n 皂苷 s a p o n i n 一词由s a p o演化而来 也就是 拉丁语的肥皂 s o a p 因为在水溶液中 这些分 子有表面活化剂的特征且有像肥皂一样的泡沫 1 三萜皂苷是一种重要的植物次生代谢产物 广泛 分布于植物界中 有抗菌和抗虫害的作用 1 2 三 萜皂苷可用作药物 能抗胆固醇血症 抗癌 辅 药和有溶血活性 3 具有重要的商业价值 目前对三萜皂苷的生物合成途径已有一定的 了解 首先通过甲羟戊酸途径合成2 3 氧化鲨 烯 随后在氧化鲨烯环化酶 O S C 的作用下形成 各种三萜类 最后经细胞色素P 4 5 0 糖基转移酶 G T 和 糖苷酶的作用 形成了各种类型的三 萜皂苷 图1 1 甲羟戊酸途径 甲羟戊酸途径是公认的皂苷三萜苷元合成必 由途径 5 异戊烯二磷酸依次在香叶二磷酸合成 酶 G P S 法呢二磷酸合成酶 F P S 鲨烯合成 酶 S S 和鲨烯环氧酶 S E 的催化下 最终合成 2 3 氧化鲨烯 4 此过程中 S S和S E是最关键 的两个酶 在环丙甲醇二磷酸中间体介导下 S S催化两 图1植物三萜皂苷的生物合成途径 4 M V A 甲羟戊酸 I P P 异戊烯二磷酸 G P P 香叶二磷酸 F P P 法呢二磷酸 G P S 香叶二磷酸合成酶 F P S 法呢二 磷酸合成酶 S S 鲨烯合成酶 S E 鲨烯环氧酶 C A S 环 阿屯醇合成酶 A S 香树脂合成酶 D S 达玛烯二醇 合成酶 G T 糖基转移酶 4 图中实线为已公认的合成途径 虚线为尚未得到公认的合成途径 个法呢二磷酸 F P P 分子以头对头的形式形成还 原性的二聚体 6 S u z u k i等 3 用 1 4 C F P P N A D P H 和M g 2 检测 S S活性时发现 在转导空载体的大肠 杆菌提取物中没有 1 4 C 鲨烯产物的形成 而在转 导含S S的p E T 1 5 b的大肠杆菌提取物中发现了标 记性产物 然而去掉N A D P H时 却根本没有鲨 烯产物的形成 没有M g 2 离子的条件下 鲨烯的 8 L i nS Ye t a l D e vC e l l 2 0 0 3 4 6 3 9 6 5 0 9 S o n gJ J e t a l N a t u r eS t r u c t B i o l 2 0 0 3 1 0 1 0 2 6 1 0 3 2 1 0 T a n gG S c i 2 0 0 5 3 0 1 0 6 1 1 4 1 1 S c h w a r z D Se t a l C e l l 2 0 0 3 1 1 5 1 9 9 2 0 8 1 2 K h v o r o v aAe t a l C e l l 2 0 0 3 1 1 5 2 0 9 2 1 6 1 3 B a r t e l Be t a l P l a n t P h y s i o l 2 0 0 3 1 3 2 7 0 9 7 1 7 1 4 M a r t i n e z J e t a l G e n e s D e v 2 0 0 4 1 8 9 7 5 9 8 0 1 5 M a r t i n e z J e t a l C e l l 2 0 0 2 1 1 0 5 6 3 5 7 4 1 6 N y k a n e nAe t a l C e l l 2 0 0 1 1 0 7 3 0 9 3 2 1 1 7 P h a mJ W e t a l C e l l 2 0 0 4 1 1 7 8 3 9 4 4 2 0 知识介绍 生命的化学 2 0 0 5年2 5卷5期 C H E M I S T R YO FL I F E2 0 0 5 2 5 5 合成也显著下降 继续研究S S反应时还发现 M n 2 C o 2 和 F e 2 能替代 M g 2 作为反应中的辅助因 子 但C a 2 C u 2 和 Z n 2 却不能 S E催化鲨烯在C C双键之间插入一个氧原 子形成环氧化物 3 在研究人参皂苷合成时 C h o i 等 5 识别了三个编码S E的转录物 这表明在人 参 基 因 组 中S E形 成 了 一 个 小 的 多 基 因 家 族 S u z u k i等 3 通过D N A琼脂印迹分析 在苜蓿基因 组中发现了两个S E基因 S E 1和S E 2 它们编 码的蛋白S E 1和S E 2与人参公认的S E关系非常 密切 分别有7 7 1 和7 4 4 的序列一致性 用 甲基茉莉酸 m e t h y l j a s m o n a t e M e J A 处理苜蓿后 S E 1转录物并没有被诱导 而S E 2转录物的诱导 率却很高 表明S E 2并不是S E 1 其在合成三萜 类过程中起到了重要的作用 2 氧化鲨烯环化酶 O S C 生物合成三萜类皂苷的第一步就是O S C的环 化作用 大多编码O S C的基因是由5个蛇麻脂醇 合成酶基因和7个公认的五环三萜合成酶基因组 成的 7 目前已经从各种不同植物中分离得到了3 个编码O S C的基因 香树脂合成酶 A S 蛇 麻脂醇合成酶 L S 和环阿屯合成酶 C A S 5 O S C 的活性与微体有关 揭示了它们与细胞膜结合的 特性 O S C不可逆抑制和变异分析表明 高保守 的氨基酸模体D C T A E是底物结合所需的 1 大多 数植物三萜类皂苷是从齐墩果烷和达玛烷衍化而 来的 1 因此 A S和达玛烯二醇合成酶 D S 对 三萜皂苷的合成非常重要 目前已经从人参和豌豆中得到了两个与 A S相似的酶 8 9 其能催化氧化鲨烯产生单个的环 化产物 1 H a r a l a m p i d i s等 1 在研究与产物专一性 有关的酶的结构域时发现 A S的T r p 2 5 9通过齐 墩果烷阳离子控制 香树脂的形成 高保守的 T y r 2 6 1附近的氨基酸残基易于产生突变 其突变导 致五环三萜类转变为组氨酸 而产生四环碳骨架 的相应残基的突变导致了达玛烷型三萜类的合成 产生原人参萜二醇的D S目前还没有被识别 然而这些O S C酶的氨基酸序列彼此同源 因此通 过氨基酸序列的同源比较 分离生物合成三萜类 皂苷的D S候补物并不困难 5 植物产生了大约8 0多种不同的O S C产物 三萜类O S C的多作用特性和改变单个氨基酸序列 就改变了产物的特性表明 天然结构多样性可能 是由 灵活 酶的核心部位产生的 1 从2 3 氧化鲨烯形成的环化产物合成皂苷还 需要额外的修饰 包括各种氧化 取代以及在骨 架的不同位置上糖基化 1 3 细胞色素P 4 5 0 通过密码和域的研究 C h o i等 5 已经识别了 2 5种细胞色素P 4 5 0 其中一员包含在原人参萜 二醇C 6位置上 催化形成原人参萜三醇 合成 人参皂苷的主链 4 所识别的P 4 5 0家族成员中 3个与C Y P 8 5 A 1家族 包含在油菜类固醇生物合 成中 有高度的氨基酸序列同源性 1 0 虽然许多酶 有高度的底物专一性 但它们的同源就是由于有 相似的底物化学结构 5 4 糖基转移酶 G T 和 糖苷酶 从三萜苷元生物合成皂苷对于原人参萜二醇 型骨架在C 3和C 2 0的羟基位置进行了糖基化 形成了原人参萜二醇型人参皂苷 而对于原人参 萜三醇则在C 6和C 2 0位置上进行了糖基化 形成了原人参萜三醇型人参皂苷 4 J u n g等 4 用 密码和域研究 识别了7 4个糖苷转移酶候补物 这些重叠群集合形成4 2个独特的糖苷转移酶候 补物 然而有1 2个与植物次生代谢产物葡萄糖基 转移酶 P S P G 序列一致的E S T在植物次生代谢产 物合成的糖苷转移酶中已被发现 C h o i等 5 从人 参E S T数据组中识别了9个糖苷转移酶基因 其 中有5个与P S P G有共同结构域 在植物次生代 谢产物合成的糖苷转移酶中也有所发现 糖苷转 移酶的预计氨基酸序列含有一个U D P 结合区 其与来自哺乳动物特殊甾类的U D P 糖苷转移酶 相似 1 到目前为止才分离得到了一个编码皂苷 糖基转移酶 S t S G T 基因 5 对于已识别的糖苷转 移酶候补物 其作用特征正在研究之中 C h o i等 5 用密码和域的研究 识别了5个 糖苷酶候补物 有些人参皂苷由 糖苷酶介导 裂解葡萄糖转变成其他的形式的皂苷 5个公认 的 糖苷酶中有3个编码的蛋白质与以前分离的 酶 修饰呋甾烷苷和燕麦皂苷 相似 综上所述 目前对三萜皂苷的生物合成途径 和合成中所需的酶尚了解较少 这主要是由于对 代谢途径中间体和分子的复杂性缺乏基础研究 三萜皂苷有一定的药理作用和商业价值 因此有 必要进一步研究三萜皂苷的生物合成途径 了解 生物合成的基因 从而工业化生产三萜皂苷 参考文献 4 2 1 C u r r e n t T o p i c s 生命的化学 2 0 0 5年2 5卷5期 C H E M I S T R YO FL I F E2 0 0 5 2 5 5 文章编号 1 0 0 0 1 3 3 6 2 0 0 5 0 5 0 4 2 2 0 3 小分子G T P酶的结构与功能 董玖红文建凡 中国科学院昆明动物研究所细胞与分子进化重点实验室 昆明6 5 0 2 2 3 摘要 小分子G T P酶是真核生物中普遍存在的一类分子量较小的蛋白质 它们具有保守的G T P结合结构域 在G T P酶类中自成一个超家族 根据序列结构的不同它们又分为多个家族 不同的家族分别在诸如细胞信号转 导 胞质骨架的建成和物质转运等过程中起着非常重要的调控功能 关键词 小分子G T P酶 G T P结合结构域 细胞调控功能 中图分类号 Q 5 5 收稿日期 2 0 0 5 0 5 3 0 国家自然科学基金资助项目 N o 9 0 4 0 8 0 1 6 3 0 0 2 1 0 0 4 作者简介 董玖红 1 9 7 8 女 博士生 E m a i l d j h c n 1 2 6 c o m 文建凡 1 9 6 5 男 博士 研究员 联系作者 E m a i l w e n j f m a i l k i z a c c n 小分子G T P酶广泛存在于真核生物中 是一 类分子量为2 0 4 0k D的单体G T P结合蛋白 又名 小分子G蛋白 小分子G T P结合蛋白和R a s蛋白 超家族 1 它们本身的G T P酶活性很低 需要G T P 酶激活蛋白 G A P 的参与 与G T P和G D P的结合 与释放也需要鸟苷酸交换因子 G E F 的作用 2 目前在真核生物中已鉴定了超过1 0 0多种的 小分子G T P酶 根据序列结构特征 这些蛋白质 被分为5个家族 R a s R h o R a b S a r 1 A r f和 R a n 1 序列排比表明 不同物种的小分子G T P酶 之间有3 0 5 5 的同源性 R a s家族内各成员之 间有较高的序列一致性 达5 0 R a b和R h o家 族与R a s家族成员之间有3 0 的一致性 1 尤其 是 所有这些蛋白都具有高度保守的G T P结合结 构域 G T P b i n d i n gd o m a i n 1 结构 对多种小分子G T P酶晶体进行的核磁共振分 析表明 整个家族的蛋白质都具有一个2 0k D的 G T P结合结构域 简称G结构域 1 2 该结构域由 5个 螺旋 A 1 A 5 6个 折叠 B 1 B 6 和5 个环 l o o p G 1 G 5 构成 图1 其中的5个环是 G结构域中最保守的结构元件 G 1环 G X X X X G K S T 也叫P 环 连接B 1折 叠和A 1螺旋 与G T P或G D P的 和 磷酸基团 结合 G 2环 X T X 连接A 1螺旋和B 2折叠 其保 守的苏氨酸与M g 2 结合 G 3环 D X X G 位于A 2 螺旋的N端 主要功能是与G T P或G D P的 磷 酸基团及M g 2 结合 G 4和 G 5环的主要功能是识 别鸟苷酸的鸟嘌呤 G 4环 N T K Q X D 的天冬 酰氨和赖氨酸直接与核苷酸结合 G 5环位于B 6 和A 5之间的部分氨基酸也负责识别鸟嘌呤 R a s G D P M g 2 和 R a s G p p C p M g 2 的晶体结构 相比较揭示出两个区域在G T P的结合与水解过程 中调节酶分子的结构变化 1 图1 一个是s w i t c h I 与G 2环有关 一个是s w i t c hI I 由G 3环和 部 分A 2螺 旋 构 成 S w i t c hI也 被 称 为 效 应 环 e f f e c t o r l o o p 因为它是效应因子和G A P的结合 位点 各家族成员的晶体结构比较表明 G 1磷酸识 别环和G 4核苷酸识别环最为保守 而G 2M g 2 识 别环和G 3 磷酸基团识别环较为多变 1 构象的 不同直接影响了不同G T P酶与一系列效应因子的 结合能力和G T P水解活性 2 功能 小分子G T P酶的生物功能在很大程度上依赖 于其翻译后加工 例如 很多R a s和R h o蛋白在 C端都有C A A X C 半胱氨酸 A 芳香族氨基酸 1 H a r a l a m p i d i sKe t a l A d vB i o c h e mE n gB i o t e c h n o l 2 0 0 2 7 5 3 1 4 9 2 P a p a