药物所研究生萜类讲课文档

研究生课程萜类化合物：从生源途径到药理活性结构·生源·活性·前沿汇报人研究生课程主讲日期2026年10月课程导览01萜类概述与分类定义、生源法则与分类框架02生源途径与生物合成MVA与MEP通路及关键酶03结构类型与代表化合物单萜至三萜的结构与活性04药理活性与提取分离活性谱、理化性质与分离方法05前沿进展与展望合成生物学、酶工程与产业化PART萜类概述与分类自然界最大的天然产物家族从异戊二烯单元到系统分类框架01萜类，源于甲戊二羟酸“萜类化合物已知结构超过8万个，是自然界最大的天然产物家族。”“甲戊二羟酸（MVA）而非异戊二烯，才是萜类生源途径中最关键的前体物；凡由MVA衍生、分子式符合（C5H8）n通式的化合物及其衍生物，均称为萜类化合物。”经验异戊二烯法则起源与提出1887年Wallach提出核心主张自然界萜类由异戊二烯首尾相连聚合而成判断依据以是否符合该法则作为判断依据生源异戊二烯法则生物合成起点萜类形成起源于葡萄糖MVA生成经乙酸生成甲戊二羟酸（MVA）关键转化再经磷酸化、脱羧、脱水形成焦磷酸异戊烯酯按异戊二烯单元分类最常用的分类依据是分子结构中

异戊二烯单位数目，同时可结合碳环有无与数目、含氧官能团类型进行二级划分。类别碳原子数通式（C5H8）n主要存在形式半萜5n=1植物叶单萜10n=2挥发油倍半萜15n=3挥发油二萜20n=4树脂、苦味质、植物醇二倍半萜25n=5海绵、植物病菌、昆虫代谢物三萜30n=6皂苷、树脂、植物乳汁四萜40n=8植物胡萝卜素多聚萜约7.5×10³至3×10⁵（C5H8）n橡胶、硬橡胶二级划分：按碳环有无与数目分为链状、单环、双环、三环、四环萜；按含氧基团分为醇、醛、酮、羧酸、酯、苷。分布广泛，结构多变薄荷植株腺毛与挥发油原料形态分布与结构，揭示萜类多样性之源分布特征植物界分布广泛主要存在于种子植物，尤其是被子植物富含挥发油科属松科、柏科、樟科、芸香科、唇形科、菊科、姜科等水生植物罕见菌类、苔藓及海洋生物中亦有发现结构特点开链萜烯通式(C5H8)n碳原子数为5的倍数，氢比例多数不是8的倍数多为含氧衍生物包括醇、醚、酮、酸、酯、内酯、亚甲二氧基苷或含氮形式环烯醚萜苷；萜类生物碱如乌头碱PART生源途径与生物合成两条通路，一个前体库MVA与MEP途径解析骨架来源02MVA途径是胞质经典通路MVA途径定位于细胞质，共包含7个酶促反应，消耗2分子NADPH和3分子步骤1缩合硫解酶缩合乙酰辅酶A在硫解酶催化下，两分子缩合为乙酰乙酰辅酶A。步骤2HMG-CoAHMGS生成与另一分子乙酰辅酶A经HMG-CoA合酶（HMGS）作用生成HMG-CoA。步骤3还原HMGR还原HMG-CoA经HMG-CoA还原酶（HMGR）还原为甲戊二羟酸，此步为限速步骤。步骤4IPPIPP生成经磷酸化、脱羧等反应生成异戊烯焦磷酸（IPP），再经异构酶转化为DMAPP。关键酶要点HMGS·HMGR·MVKHMGS：产物HMG-CoA具细胞毒性，高浓度抑制脂肪酸合成与细胞生长。HMGR：催化不可逆反应，是胞质萜类合成的关键调控节点。MVK：受DMAPP、IPP、GPP、FPP等下游产物负调控。MEP途径定位于质体MEP途径最初在细菌中发现，后证实存在于植物，定位于质体，包含8个酶促反应，以丙酮酸和甘油醛-3-磷酸为起始原料。丙酮酸起始底物MEP途径的酶促反应底物之一甘油醛-3-磷酸起始底物MEP途径的酶促反应底物之一8个酶促反应数MEP途径的酶促反应步骤总数DXS1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶限速反应关键酶MEP途径的首个代谢瓶颈，过表达可增强碳流入该途径。MEPIPPDMAPPDXR1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶限速反应关键酶将DXP转化为MEP并调节异戊二烯水平，缺氮条件下表达显著增加。MEPIPPDMAPP多基因多基因联合表达限速反应关键酶多基因联合表达对萜类生产的影响显著优于单个基因过表达。MEPIPPDMAPP前体聚合决定骨架长度多数情况下两类酶在自然界独立存在，双功能萜类合酶则同时含有PT与TC结构域。IPP与DMAPP通过头尾相连方式聚合，逐步形成不同链长的萜类骨架单萜GPP牻牛儿基焦磷酸1分子IPP与1分子DMAPP缩合生成倍半萜与三萜FPP法尼基焦磷酸2分子IPP与1分子DMAPP缩合生成二萜GGPP香叶基香叶基焦磷酸4分子IPP与1分子DMAPP缩合生成异戊二烯转移酶（PT）催化DMAPP与不同数量IPP产生链状聚异戊二烯焦磷酸萜类环化酶（TC）催化不同聚异戊二烯焦磷酸产生纷繁复杂的萜类环状骨架PART结构类型与代表化合物从单萜到三萜的结构谱系逐类剖析结构与药理活性03单萜是挥发油主力成分01开链单萜香叶醇、橙花醇、香茅醇及其醛类香叶醇具玫瑰香气，是香料工业重要原料橙花醇、香茅醇及其醛类香叶醇玫瑰香气·香料工业原料02单环单萜薄荷醇、胡椒酮、D-柠檬烯薄荷醇：薄荷的主要有效成分，具清凉、镇痛与局部麻醉作用胡椒酮：松弛平滑肌，是治疗支气管哮喘的有效成分D-柠檬烯：抗氧化、抗炎、抗癌，并具抗菌效果薄荷醇清凉·镇痛·局部麻醉03双环单萜樟脑、龙脑（冰片）樟脑：具局部刺激与防腐、驱虫作用龙脑（冰片）：开窍醒神、清热止痛，可由樟脑在乙醇溶液中用金属钠还原制得樟脑局部刺激·防腐·驱虫环烯醚萜苷易水解变黑半缩醛结构是显色与不稳定根源结构特征苷元具半缩醛结构，化学性质活泼，易水解水解后进一步聚合，生成黑色沉淀以苷形式存在时不具挥发性，不能随水蒸气蒸馏出来典型实例京尼平苷：存在于玄参等药材中，具泻下作用地黄、玄参炮制后变黑，即源于环烯醚萜苷分解聚合栀子中的京尼平苷亦属此类成分学习提示：判断单萜变型结构时，抓住苷元半缩醛与环烯醚骨架两个特征，即可与普通单萜醇、酮类区分。倍半萜以青蒿素为代表倍半萜由3个异戊二烯单位构成，含15个碳原子，主要分布在植物界与微生物界，多以挥发油形式存在，在植物中常以醇、酮、内酯或苷的形式存在。结构类型与代表化合物链状麝香子油中的香料成分单环青蒿素，含过氧桥倍半萜内酯，抗恶性疟疾双环山道年驱蛔，厄树橙抗肿瘤三环环桉醇，抗菌作用青蒿素为单环倍半萜内酯机制产生活性氧自由基WHO2004年5月列为治疗疟疾首选药物覆盖全球10亿人次接受治疗荣誉屠呦呦获2015年诺贝尔生理学或医学奖二萜贡献多个明星药物二萜由4个异戊二烯单位

构成，含20个碳原子，多以树脂、苦味质形式存在，常为双环、三环、四环的含氧衍生物。穿心穿心莲内酯双环二萜，抗菌、抗炎；经酯化脱水成盐制成穿琥宁注射液，用于上呼吸道感染、支气管炎。双环二萜紫杉紫杉醇三环二萜，含酯基与酰胺键，通过稳定微管蛋白抑制癌细胞分裂，是抗癌领域明星药物。三环二萜银杏银杏内酯治疗心血管疾病的银杏制剂有效成分，具抗血小板聚集与脑保护活性。心血管甜菊甜菊苷四环二萜，甜度约为蔗糖的300倍，可作糖尿病患者用药与食品添加剂。四环二萜三萜皂苷与甘草酸三萜由6个异戊二烯单位构成，含30个碳原子；皂苷水溶液振摇后产生持久性泡沫四环三萜骨架与达玛烷类似，具环戊烷多氢菲基本母核。人参皂苷为代表，调节免疫、抗肿瘤、抗疲劳、抗衰老。部分成分有轻度中枢兴奋与抗疲劳作用。五环三萜类型较多，由30个碳原子组成五个六元环。甘草酸即甘草皂苷，水解生成两分子葡萄糖醛酸与一分子甘草次酸。甘草酸及其降解产物促ACTH分泌；甘草酸铵、甘草酸二铵作抗炎药。角鲨烯属三萜，具保湿与渗透功效，用于化妆品。萜类生物碱拓展骨架萜类生物碱是一类具有异戊二烯结构单元且含氮原子的植物次生代谢产物，按萜类骨架碳原子数分为三大类，植物化学研究已鉴定超过200种。200+已鉴定种类氮原子嵌入萜骨架显著改变活性谱单单萜生物碱分布龙胆科为主，环烯醚萜衍生物代表龙胆碱（镇痛）；Incarvillateine为传统中药角蒿中的镇痛成分，作用于阿片受体产生强效镇痛作用倍倍半萜生物碱分布兰科石斛属代表石斛碱，具神经保护与调节神经功能作用二二萜生物碱分布毛茛科乌头属与红豆杉属代表乌头碱（剧毒四环/五环，严格剂量控制下抗炎镇痛）；紫杉醇（红豆杉属抗癌）特征普遍含氮杂双环体系，氮原子以氨基或含氮杂环形式嵌入PART药理活性与提取分离活性多样，分离有法活性谱系与理化性质、分离策略04药理活性覆盖多个领域萜类化合物的生理活性覆盖临床多个治疗领域，是天然药物研究的重要资源。抗肿瘤与抗白血病雷公藤内酯、雷公藤羟内酯、鸦胆丁具抗肿瘤活性紫杉醇稳定微管蛋白，抑制癌细胞分裂抗疟与抗寄生虫青蒿素、鹰爪甲素抗疟驱蛔素、川楝素、土木香内酯驱蛔杀虫神经系统与心血管马桑内酯类用于精神分裂症治疗芍药苷抑制血小板凝集、扩张冠状动脉、增强免疫功能银杏内酯用于心血管疾病其他活性抗生育：芫花酯甲、芫花酯乙为引产药保肝与泻下：齐墩果酸促肝细胞再生；京尼平苷具泻下作用甜味剂：甜菜素甜度为蔗糖600至800倍；罗汉果甜素V比蔗糖甜约250倍昆虫拒食、保幼激素、性引诱及驱避作用理化性质决定分离策略理理化性状颜色挥发油大多为无色或淡黄色液体形态常温多为透明液体，低温析出结晶习称"脑"，如薄荷脑、樟脑气味大多具特殊香味，少数具异味，如鱼腥草挥发油挥发性可随水蒸气蒸馏，难溶于水，易溶于乙醇及石油醚、甲苯等亲脂性溶剂稳定性易受光线、空气影响氧化变质，比重增加、颜色变深、香气丧失化化学性质与分离含羰基用吉拉德试剂分离，形成水溶性缩醛双键/α-亚甲基含双键或羰基α-亚甲基：可被二氧化硒选择性氧化羰基/双键含羰基或双键：可通过加成反应（如硼氢化钠还原）进行分离纯化四类经典分离方法溶剂提取法分离原理依据极性差异选择石油醚、乙醚、乙醇等溶剂适用对象适用于游离态萜类与挥发油的提取碱提取酸沉淀法分离原理利用含羧基或酚羟基成分的酸碱性质差异适用对象适用于酸性皂苷等成分的富集与纯化活性炭吸附法分离原理借助吸附能力差异分离色素与杂质适用对象适用于脱色与初步精制大孔树脂吸附法分离原理依据极性及分子量差异进行吸附与洗脱适用对象适用于皂苷类成分的富集与分离方法选择要点分离前需先明确目标成分的官能团类型含羰基优先考虑吉拉德试剂含双键或α-亚甲基可考虑二氧化硒氧化挥发性成分可优先采用水蒸气蒸馏挥发油的组成与通性挥发油又称精油，是植物体中一类具有挥发性、可随水蒸气蒸馏出来而又与水不相混溶的油状液体的总称。组成3项主要成分主要为单萜、倍半萜及其含氧衍生物，包括醇、醛、酮、内酯特殊成分薁类化合物，为共轭三环结构，使洋甘菊油显蓝色其他物质如芥子油、大蒜油，以及川芎嗪、烟碱等，通常不作挥发油成分对待通性3项挥发性具挥发性与特殊香气，不溶于水形态常温下为透明液体，少数为固态如樟脑稳定性不具稳定性，易氧化变质，氧化后比重、颜色、气味均改变PART前沿进展与展望从发现到制造的跃迁合成生物学与酶工程新机遇05合成生物学重塑生产传统萜类发掘与生产面临效率低、成本高等挑战，合成生物学为高效制备提供了新路径。01人工途径构建案例大肠杆菌引入粪肠球菌mvaS与mvaE、马氏甲烷八叠球菌mvk、肺炎链球菌pmk与pmd基因。实现近600mg/L异戊二烯产量。02人工途径构建案例酿酒酵母使用hmgS、hmgR、mvk、pmK、pmD基因及内源Idi与aacT基因。柠檬烯产量可达3.6g/L。技术手段通过CRISPR/Cas9敲除或过表达关键基因，提升前体供应借助13C标记代谢流分析识别瓶颈步骤，引入异源途径弥补宿主缺陷数据表明，多基因联合表达对萜类生产的提升显著优于单基因过表达酶工程打开合成新路01结构研究双功能萜类合酶的结构解析北京大学马明、杨东辉、柏林团队合作，于2026年1月在JACS发表研究，通过冷冻电镜首次揭示双功能萜类合酶所具有的螺旋管状结构。研究对象为EvAS、EvSS和PbSS三个双功能二倍半萜合酶，其PT结构域均