一文读懂类胡萝卜素的合成——参考胡萝卜基因组

一、类胡萝卜素( carotenoids)：

　　1.是有一系列共轭双键和甲基支链基本结构的一类高度不饱和化合物的总称，四萜化合物。典型的类胡萝卜素是由8个异戊二烯单位首尾相连形成。类胡萝卜素的颜色因共轭双键的数目不同而变化。共轭双键的数目越多, 颜色越偏向红色。

　　2.类胡萝卜素是体内维生素A的主要来源, 同时还具有抗氧化、免疫调节、抗癌、延缓衰老等功效；人体自身不能合成类胡萝卜素，必须通过外界摄入。

　　3.类胡萝卜素通常为黄色、橙红色或红色的色泽，但是不是色泽的唯一来源。

　　4.类胡萝卜素可分为：含氧类胡萝卜素及不含氧类胡萝卜素两类。

　　α-胡萝卜素

　　β-胡萝卜素

图1 α和β-胡萝卜素

二、类胡萝卜素合成的2条途径

　　类胡萝卜素的合成主要是通过生物合成方式完成（还可以利用化学方法合成）。

　　植物类胡萝卜素物质的合成途径有2种：MEP途径和MVA途径；

　　这2种途径生成类胡萝卜素合成的直接前提物质牻牛儿基牻牛儿基二磷酸(geranylgeranyl diphosphate,GGPP），GGPP生成第一个类胡萝卜素的物质八氢番茄红素，再经脱氢、环化、羟基化、环氧化等转变为其它类胡萝卜素。

　　1.MEP途径：即2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸（2-C-Methyl-D-erythritol 4-phosphate，MEP）途径，该途径是在植物细胞器质体中 和 真菌中发生。

　　相关的酶：

　　1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶（DXS）；

　　1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合还原异构酶（DXR）；

　　2-C-甲基-D-赤藓糖醇4-磷酸胞苷酰转移酶（MCT）；

　　4-（胞苷5'-二磷酸）-2-C-甲基-D-赤藓糖醇激酶（CMK）；

　　2-C-甲基-D-赤藓糖醇2,4-环二磷酸合成酶（MDS）；

　　1-羟基-2-甲基-2-丁烯基4-二磷酸合成酶（HDS）；

　　1-羟基-2-甲基-2-丁烯基4-二磷酸还原酶（HDR）；

　　MEP途径相关物质：

　　1）3-磷酸甘油醛；

　　2）丙酮酸；

　　3）1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸（1-Deoxy-D-xylulose 5-phosphate）；

　　4）2-C-甲基-D-赤藓糖醇4-磷酸（2-C-Methyl-D-erythritol 4-phosphate）；

　　5）4-（胞苷5'-二磷酸）-2-C-甲基-D-赤藓糖醇

　　（4-(Cytidine 5’-diphoospho)-2-C-methyl-D-erythritol）；

　　6）2-磷酸-4-（胞苷5'-二磷酸）-2-C-甲基-D-赤藓糖醇

　　（2-Phospho-4-(cytidine 5’-diphoospho)-2-C-methyl-D-erythritol）；

　　7）2-C-甲基-D-赤藓糖醇2,4-环二磷酸

　　（2-C-Methyl-D-erythritol2,4-cyclodiphosphate）；

　　8）1-羟基-2-甲基-2-丁烯基4-二磷酸

　　（1-Hydroxy-2-methyl-2-butenyl 4-diphosphate）；

　　9）异戊烯焦磷酸（Isopentenylpyrophosphate，IPP）；

　　10）二甲基烯丙基焦磷酸（Dimethylallylpyrophosphate，DMAPP）；

　　11）牻牛儿基牻牛儿基二磷酸(geranylgeranyl diphosphate,GGPP）

　　2.MVA途径：即甲羟戊酸途径(Mevalonate pathway)是以乙酰辅酶A为原料生成甲羟戊酸，最后增加异戊二烯焦磷酸和二甲烯丙基焦磷酸的一条代谢途径。

　　该途径是在植物细胞胞液中和 细菌中发生，好像在过程改良中应用比较多，还可以生成甾体辅酶Q等。

　　MVA途径物质：

　　1）乙酰辅酶A；

　　2）3羟基-3-甲基戊二酸单酰CoA；

　　3）甲羟戊酸--5-甲羟戊酸磷酸；

　　4）5-甲羟戊酸焦磷酸；

　　5）异戊二烯焦磷酸；

　　6）二甲烯丙基焦磷酸

　　MEP途径和MVA途径生成GGPP的途径如下：

图2 类胡萝卜素合成的2条起始途径（MEP和MVA途径）

三、类胡萝卜素合成

　　从GGPP生成第一个类胡萝卜素的物质八氢番茄红素，再经脱氢、环化、羟基化、环氧化等转变为其它类胡萝卜素。这个途径是研究比较清楚的。

　　1、相关物质

　　1）八氢番茄红素（15-cis-Phytoene）；

　　2）六氢番茄红素（15,9-tri-cis-Phytofluene)；

　　3) ε-胡萝卜素（9,15,9-tri--cis-ε-Carotene）；

　　4）3-顺式-链孢红素（7,9,9’-3-tri-cis-neurosporene）；

　　5) 4-顺式-番茄红素（7,9,7’,9’-tetra-cis-Lycopene）；

　　6) 番茄红素（Lycopene）；

　　7) δ-胡萝卜素（δ-Carotene)；

　　8）α-胡萝卜素（α-Carotene）；

　　9）叶黄素（Lutein）；

　　10）环氧叶黄素（epoxyLutein）

　　11）γ-胡萝卜素（γ-Carotene)；

　　12）玉米黄质（Zeaxanthin）；

　　13）α-胡萝卜素（β-Carotene）

　　14）花药黄质（Antheraxanthin ）；

　　15）紫黄质（violaxanthin ）；

　　16）新黄质（neoxanthin）；

　　17）辣椒红素（capsanthin）；

　　2.相关酶

　　1）八氢番茄红素合成酶（phytoene synthase，PSY）；

　　2）八氢番茄红素脱氢酶（phytoenedesaturase，PSD）；

　　3）ε-胡萝卜素异构酶（ε-carotene isomerase，ZISO）；

　　4）ε-胡萝卜素脱氢酶（ε-carotenedesaturase，ZDS）

　　5) 番茄红素 δ-环化酶（lycopene δ-cyclase-LCYE）；

　　6）番茄红素β-环化酶（lycopeneβ-cyclase，LCYB）；

　　7）β-胡萝卜素羟化酶（ β-carotene hydroxylase，CHYB）

　　8）细胞色素P450型单加氧酶97A

　　（ cytochrome P450-type monooxygenase 97A，CYP97A）

　　9）细胞色素P450型单加氧酶97C

　　（cytochrome P450-type monooxygenase 97C，CYP97C）

　　10）玉米黄质环化酶（zeaxanthin epoxidase，ZEP）

　　11）紫黄质脱环氧化酶（violaxanthin de-epoxidase，VDE）

　　12）辣椒红色素-辣椒素合酶（capsanthin-capsorubin synthase，CCS）；

　　13）新黄质合酶（neoxanthin synthase.NXS）。

图3 类胡萝卜素合成

　　目前，类胡萝卜素代谢途径的研究相对清楚，不同材料的调控，和定向积累也有不错进展。随着对类胡萝卜素代谢途径以及调控机制的深入研究，以基因工程技术为基础的代谢工程将成为提高目标化合物含量的有效手段之一，例如华南农大通过类胡萝卜素通路基因改良，培育出虾稻米（MP，2018）。类胡萝卜素代谢产物调节水稻生长和独脚金内酯合成（NC，2019）。另外工程菌的改良也有不少研究。值得注意的是不同来源的GGPP生成的萜类也不同。

　　参考文献：

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　　3.Ampomah‐Dwamena C, Thrimawithana A H, Dejnoprat S, et al. A kiwifruit (Actinidia deliciosa) R2R3‐MYB transcription factor modulates chlorophyll and carotenoid accumulation[J]. New Phytologist, 2019, 221(1): 309-325.

　　4.Wang J Y, Haider I, Jamil M, et al. The apocarotenoid metabolite zaxinone regulates growth and strigolactone biosynthesis in rice[J]. Nature communications, 2019, 10(1): 1-9.

　　5.Liu Y, Lv J, Liu Z, et al. Integrative analysis of metabolome and transcriptome reveals the mechanism of color formation in pepper fruit (Capsicum annuum L.)[J]. Food Chemistry, 2020, 306: 125629.