一文讀懂類胡蘿卜素的合成——參考胡蘿卜基因組

一、類胡蘿卜素( carotenoids)：

　　1.是有一系列共軛雙鍵和甲基支鏈基本結構的一類高度不飽和化合物的總稱，四萜化合物。典型的類胡蘿卜素是由8個異戊二烯單位首尾相連形成。類胡蘿卜素的顏色因共軛雙鍵的數目不同而變化。共軛雙鍵的數目越多, 顏色越偏向紅色。

　　2.類胡蘿卜素是體內維生素A的主要來源, 同時還具有抗氧化、免疫調節、抗癌、延緩衰老等功效；人體自身不能合成類胡蘿卜素，必須通過外界攝入。

　　3.類胡蘿卜素通常為黃色、橙紅色或紅色的色澤，但是不是色澤的唯一來源。

　　4.類胡蘿卜素可分為：含氧類胡蘿卜素及不含氧類胡蘿卜素兩類。

　　α-胡蘿卜素

　　β-胡蘿卜素

圖1 α和β-胡蘿卜素

二、類胡蘿卜素合成的2條途徑

　　類胡蘿卜素的合成主要是通過生物合成方式完成（還可以利用化學方法合成）。

　　植物類胡蘿卜素物質的合成途徑有2種：MEP途徑和MVA途徑；

　　這2種途徑生成類胡蘿卜素合成的直接前提物質牻牛兒基牻牛兒基二磷酸(geranylgeranyl diphosphate,GGPP），GGPP生成第一個類胡蘿卜素的物質八氫番茄紅素，再經脫氫、環化、羥基化、環氧化等轉變為其它類胡蘿卜素。

　　1.MEP途徑：即2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸（2-C-Methyl-D-erythritol 4-phosphate，MEP）途徑，該途徑是在植物細胞器質體中 和 真菌中發生。

　　相關的酶：

　　1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶（DXS）；

　　1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸合還原異構酶（DXR）；

　　2-C-甲基-D-赤蘚糖醇4-磷酸胞苷酰轉移酶（MCT）；

　　4-（胞苷5'-二磷酸）-2-C-甲基-D-赤蘚糖醇激酶（CMK）；

　　2-C-甲基-D-赤蘚糖醇2,4-環二磷酸合成酶（MDS）；

　　1-羥基-2-甲基-2-丁烯基4-二磷酸合成酶（HDS）；

　　1-羥基-2-甲基-2-丁烯基4-二磷酸還原酶（HDR）；

　　MEP途徑相關物質：

　　1）3-磷酸甘油醛；

　　2）丙酮酸；

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

　　4）2-C-甲基-D-赤蘚糖醇4-磷酸（2-C-Methyl-D-erythritol 4-phosphate）；

　　5）4-（胞苷5'-二磷酸）-2-C-甲基-D-赤蘚糖醇

　　（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-赤蘚糖醇

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

　　7）2-C-甲基-D-赤蘚糖醇2,4-環二磷酸

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

　　8）1-羥基-2-甲基-2-丁烯基4-二磷酸

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

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

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

　　11）牻牛兒基牻牛兒基二磷酸(geranylgeranyl diphosphate,GGPP）

　　2.MVA途徑：即甲羥戊酸途徑(Mevalonate pathway)是以乙酰輔酶A為原料生成甲羥戊酸，最后增加異戊二烯焦磷酸和二甲烯丙基焦磷酸的一條代謝途徑。

　　該途徑是在植物細胞胞液中和 細菌中發生，好像在過程改良中應用比較多，還可以生成甾體輔酶Q等。

　　MVA途徑物質：

　　1）乙酰輔酶A；

　　2）3羥基-3-甲基戊二酸單酰CoA；

　　3）甲羥戊酸--5-甲羥戊酸磷酸；

　　4）5-甲羥戊酸焦磷酸；

　　5）異戊二烯焦磷酸；

　　6）二甲烯丙基焦磷酸

　　MEP途徑和MVA途徑生成GGPP的途徑如下：

圖2 類胡蘿卜素合成的2條起始途徑（MEP和MVA途徑）

三、類胡蘿卜素合成

　　從GGPP生成第一個類胡蘿卜素的物質八氫番茄紅素，再經脫氫、環化、羥基化、環氧化等轉變為其它類胡蘿卜素。這個途徑是研究比較清楚的。

　　1、相關物質

　　1）八氫番茄紅素（15-cis-Phytoene）；

　　2）六氫番茄紅素（15,9-tri-cis-Phytofluene)；

　　3) ε-胡蘿卜素（9,15,9-tri--cis-ε-Carotene）；

　　4）3-順式-鏈孢紅素（7,9,9’-3-tri-cis-neurosporene）；

　　5) 4-順式-番茄紅素（7,9,7’,9’-tetra-cis-Lycopene）；

　　6) 番茄紅素（Lycopene）；

　　7) δ-胡蘿卜素（δ-Carotene)；

　　8）α-胡蘿卜素（α-Carotene）；

　　9）葉黃素（Lutein）；

　　10）環氧葉黃素（epoxyLutein）

　　11）γ-胡蘿卜素（γ-Carotene)；

　　12）玉米黃質（Zeaxanthin）；

　　13）α-胡蘿卜素（β-Carotene）

　　14）花藥黃質（Antheraxanthin ）；

　　15）紫黃質（violaxanthin ）；

　　16）新黃質（neoxanthin）；

　　17）辣椒紅素（capsanthin）；

　　2.相關酶

　　1）八氫番茄紅素合成酶（phytoene synthase，PSY）；

　　2）八氫番茄紅素脫氫酶（phytoenedesaturase，PSD）；

　　3）ε-胡蘿卜素異構酶（ε-carotene isomerase，ZISO）；

　　4）ε-胡蘿卜素脫氫酶（ε-carotenedesaturase，ZDS）

　　5) 番茄紅素 δ-環化酶（lycopene δ-cyclase-LCYE）；

　　6）番茄紅素β-環化酶（lycopeneβ-cyclase，LCYB）；

　　7）β-胡蘿卜素羥化酶（ β-carotene hydroxylase，CHYB）

　　8）細胞色素P450型單加氧酶97A

　　（ cytochrome P450-type monooxygenase 97A，CYP97A）

　　9）細胞色素P450型單加氧酶97C

　　（cytochrome P450-type monooxygenase 97C，CYP97C）

　　10）玉米黃質環化酶（zeaxanthin epoxidase，ZEP）

　　11）紫黃質脫環氧化酶（violaxanthin de-epoxidase，VDE）

　　12）辣椒紅色素-辣椒素合酶（capsanthin-capsorubin synthase，CCS）；

　　13）新黃質合酶（neoxanthin synthase.NXS）。

圖3 類胡蘿卜素合成

　　目前，類胡蘿卜素代謝途徑的研究相對清楚，不同材料的調控，和定向積累也有不錯進展。隨著對類胡蘿卜素代謝途徑以及調控機制的深入研究，以基因工程技術為基礎的代謝工程將成為提高目標化合物含量的有效手段之一，例如華南農大通過類胡蘿卜素通路基因改良，培育出蝦稻米（MP，2018）。類胡蘿卜素代謝產物調節水稻生長和獨腳金內酯合成（NC，2019）。另外工程菌的改良也有不少研究。值得注意的是不同來源的GGPP生成的萜類也不同。

　　參考文獻：

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