植物次生代谢中萜类的代谢产物与功能

　　在次生代谢中异戊二烯焦磷酸酯代谢产生的萜类物质，是植物进化到较高层次的表现。此代谢已经使四批科学家获得诺贝尔奖，这一事实就很说明问题。萜类在自然界分布广泛、种类繁多大约有1万多种。萜类可保护植物细胞膜、产生多种内源激素、保护植物免受强光的伤害、萜类中的信号物质和化感物质在植物防御系统中起到关键作用。萜类物质与人类健康关系密切，也是人类日常膳食的不可或缺的营养素。

　　萜类化合物是所有异戊二烯聚合物及其衍生物的总称，萜类化合物中的烃类物质通常称为萜烯。萜类化合物除了以萜稀类和甾类的形式存在外，还以各种含氧衍生物的形式存在，包括醇、醛、羧酸、酮、酯类、苷等。

　　1. 萜类的分类

　　萜类是自然界存在的具有(C5H8)n通式的碳氢化合物及其含氧饱和程度不等的衍生物总称，其分子结构的碳架可看做是异戊二烯的聚合体。迄今发现自然界中带有(C5H8)n通式的萜类，包括n从1到102的各种萜类物质。常见的单萜（n=2）、倍半萜（n=3）、双萜（n=4）、三萜（n=6）和四萜（n=8），当n超过8后一律称为多萜。

　　根据异戊二烯的数量可将萜类做如下分类：相对分子质量低的萜是挥发油；相对分子质量高的为树脂；较复杂的化合物胡萝卜素等；更大分子萜类则形成橡胶等高分子化合物。

　　①单萜类和倍半萜类

　　单萜类和倍半萜类称为“低萜类化合物”，多具有挥发性，常以挥发油的形式存在于高等植物中。

　　②双萜

　　双萜类以上的化合物 称为“高萜类化合物”，一般不具有挥发性，普遍以树脂等形式存在于植物中。

　　③三萜

　　三萜类化合物分为：三萜皂苷、甾基皂苷、植物甾醇、强心苷、蟾蜍甾烯、葫芦素、类柠檬苦素、苦木内酯等。其中的皂苷类是一类植物糖苷化合物，是以水溶性糖基结合一个亲脂性的甾醇基，或三萜类基团而成。此类化合物具有降低液体表面张力的作用，皂苷常见的有甾体皂苷和三萜皂苷，是在植物界广泛分布的一类结构复杂的分子，在单子叶和双子叶植物中均有分布。类似于肥皂，在水溶液中可形成泡沫，广泛分布于大量开花植物中（见图1）。

图1. 云南省农科院生态仿生种植的三七其皂苷总含量高

　　④ 四萜

　　四萜类化合物分为：叶黄素、番茄红素、α胡萝卜素、β胡萝卜素、γ胡萝卜素，在光合作用中保护植物免受光氧化损伤。

　　⑤ 多萜

　　多萜类化合物 如橡胶等。

　　萜类产物是从植物花、果、叶、茎、根中得到的有挥发性和香味的油状物（见表1）。

　　表1. 萜类化合物的分类

　　2. 萜类的功能

　　萜类物质在促进植物生长和抵抗各种逆境中发挥功效，如：

　　①激素作用

　　萜类中的双萜赤霉素属于植物激素，可调节植物生长的高度。

　　②脂膜保护

　　作用萜类物质中的三萜固醇与磷脂是细胞膜的必需组成，使膜稳定。

　　③光强保护作用

　　胡萝卜素和叶黄素吸收光能，参与光合作用，叶黄素保护叶绿素不受强光的过度伤害。

　　④信号传递作用

　　赤霉素和脱落酸也都是信号转导物质，脱落酸是种子成熟和抗逆性信号，是由胡萝卜素转化来的；另一种激素和信号物质是细胞分裂素，它含有萜类侧链。

　　⑤抗逆功能

　　油菜素类固醇是甾醇类物质，可提高植物的抗逆性。萜类和甾类化合物的进一步反应形成脱落酸，与脯氨酸、甜菜生物碱，共同使植物抵抗灾害性天气和抗早衰。

　　⑥防御功能

　　萜类和甾类化合物又被称为化感物质，能杀死危害农作物的各种线虫，并能抑制细菌性、真菌性和各类病毒性的病原体。比如，正在生长中的玉米植株，遇到啃食它的粘虫幼虫时，很快就会释放出一种芳樟醇单萜类物质，这种挥发性物质能使粘虫幼虫中毒死亡。

　　3. 萜类的代谢途径

　　甲羟戊酸途径和甲基赤藓醇磷酸途径，两者都形成异戊烯焦磷酸（IPP），然后进一步合成萜类，所以异戊烯焦磷酸（IPP）亦称为“活跃异戊二烯”。两个途径差异是异戊二烯焦磷酸酯（IPP）形成机制不同。

　　①甲羟戊酸途径它是在细胞质中进行，并以糖酵解产物乙酰辅酶A分子为原初供体。产物为甾类和倍半萜。

　　②丙酮酸/磷酸甘油醛途径它主要在植物特有的细胞器—质体中进行，产物为胡萝卜素、单萜和二萜等。

　　4. 萜类研究获诺奖情况

　　萜类的异戊二烯焦磷酸酯代谢途径研究，已有四批科学家获得诺贝尔奖：

　　① 1910年德国化学家奥托.沃勒氏（Otto Wallach）获得诺贝尔化学奖，是缘于异戊二烯化合物结构的发现。

　　②1939年瑞士藉南斯拉夫人利奥波德.鲁齐卡（Leopold Ruzicka）获得诺贝尔化学奖，是缘于异戊二烯生物发生规则的发现。

　　③1985年美国德克萨斯大学布朗(Michael S.Brown)和戈尔茨坦(Joseph L.Goldstein)获诺贝尔生理学或医学奖，是因为探明了甲羟戊酸到异戊二烯焦磷酸脂的代谢途径。

　　④2015年中国医学科学家屠呦呦获诺贝尔生理学或医学奖，是缘于她从我国自然界中随处可见的黄花蒿里，成功提取萜类化合物单环倍半萜的青蒿素，以治疗疟疾。

　　5. 萜类是人类健康的护卫者和日常膳食的最佳营养素

　　①单环倍半萜中的青蒿素

　　青蒿素是从植物黄花蒿茎叶中提取的有过氧基团的倍半萜。青蒿素对疟疾的作用是改变疟原虫膜系的结构，阻断了其营养摄取的途径，使之出现氨基酸饥饿，形成自噬泡排出虫体外，使疟原虫损失大量胞浆而死亡，可治愈疟疾。世界卫生组织（WHO）统计，自2000年非洲撒哈拉以南约2.4亿被疟疾感染的人口受益于青蒿素联合疗法，青蒿素就是源自异戊二烯焦磷酸脂代谢途径的单环倍半萜。青蒿素的原材料来自我国广泛生长的黄花蒿。

　　②三萜的皂苷

　　三七中的皂苷有活血祛瘀通脉活络作用，抑制血小板聚集和增加脑血流量、提高免疫功能；人参皂苷有抗癌功效。

　　③四萜的类胡萝卜素

　　胡萝卜素是萜类化合物中的四萜衍生物，也是维生素A的主要来源，类胡萝卜素有两类物质，一类是胡萝卜素和番茄红素，另一类是叶黄素（有羟基、酮基、羧基、甲氧基等含氧官能团）。胡萝卜素、叶黄素和番茄红素三种物质都是人类必需营养素，是人类预防心脑血管疾病和眼部疾病的重要食物组成（见表2）。

　　表2. 优质农产品和中草药中的萜类物质对人体作用