全 文 ：中草菊ChineseTraditionalandHerbalDrugs第37卷第9期2006年9月·1281·
·中药现代化论坛·
天然药物活性成分的生物合成与生物转化
于荣敏
(暨南大学药学院，广东广州 510632)
摘要：生物活性成分是中药防病治病的物质基础，也是中药现代化研究的重要内容之一。生物合成与生物转化以
其公认的高效和高选择性的温和催化体系的特征正在中医药学等学科领域发挥着越来越重要的作用。探讨了天然
药物活性成分的生物合成和生物转化与中药现代化的关系及其诸多应用(尤其中药和天然药物研究)，并进行了探
索性展望。
关键词：天然药物；活性成分；生物合成；生物转化
中圈分类号：R284 文献标识码：A 文章编号：0253—2670(2006)09—1281—08
Biosynthesisandb otransformationfbiologicalactiveconstituentsfromnaturalmedicines
YURong—min
(CollegeofPharmacy，JinanUn versity，Guangzhou510632，China)
Abstract：Bioactivec ns tuentiSthesubstantialbasisoftreatmentforvariousdi easesbyChinese
materiamedica(CMM)andalsoneofthemostimportantsubstancesforthemodernizationofCMM．
Biosynthesisandb otransformationa econsideredtob oneofthemildsystemsinbio——catalysiswithopti．．
malefficiencya dselectivity，whichplaymorepotentialroleinthefield，suchastraditionalChinese
medicine．Toreviewandiscusssomeapplicationsofbio ynthesisandbiotransformationintheresearchof
CMMandnaturalmedicinesa dtheirrelationshipofmodernizationofCMMaswell．Moreover，aprospect
isgivenxploringly．
Keywords：naturalmedicines；activeconstituents；biosynthesis；biotransformation
生物催化体系是迄今为止人类所知的最高效和
最具有选择性的温和催化体系。生物体中的酶以远
远超出人们想像的速度催化各种生化反应。酶不仅
在生物体内，也能在生物体外促进天然的和人工合
成的化学分子的诸多转化反应，并且显示出优良的
化学选择性、区域选择性和立体选择性。因此生物合
成和生物转化提供了许多常规化学方法不能或不易
进行的化合物合成方法。众多研究结果表明，利用生
物合成和生物转化方法可以合成和制备许多包括光
学纯的医药产品及中间体在内的复杂的功能化合
物。绝大多数的生物合成和生物转化反应所需的条
件非常温和，而且反应产物单一。从本质上讲他们是
一个与环境友善的绿色化学过程。该方法不但经济
效益明显，而且对环境及社会发展，对绿色工业的建
立都具有重要的战略意义。
植物的次生代谢产物如生物碱、香豆素、芳香类
物质、类固醇以及萜类等是药物、香料、色素、农药以
及食品添加剂等的重要来源。由于高等植物细胞中
的次生代谢产物量很低且有些产物不能或难于通过
化学合成途径得到，因此，人们期望能够充分利用植
物细胞培养以及植物酶对外源底物进行转化，得到
目标化合物。许多利用植物细胞和酶系统进行的生
物转化具有部位以及立体特异性，其反应类型包括
氧化反应、还原反应、羟基化反应、甲基化反应、乙酰
化反应、异构化反应、糖基化反应以及酯化反应等。
随着基因操作技术的进步，生物转化具有更大的潜
力来克隆和表达目标酶的外源基因，从而促进其产
物的合成。
1天然药物活性成分的生物合成
生物合成(biosynthesis)为生物体内进行的同
化反应的总称。其具有如下几种不同的生理意义：
(1)合成生长增殖所必需的物质；(2)在稳定状态时，
收稿日期：2006—04—11
作者简介：于荣敏(1955一)，男，山东淄博人，教授，博士，主要从事中药及天然药物、中药生物技术等领域的研究工作。 万方数据
·1282· 中草菊ChineseTraditionalandHerbalDrugs第37卷第9期2006年9月
合成用于补充消耗掉的成分的物质；(3)为长期和短
期的贮藏，进行必要的合成。一般来说，生物合成是
吸能反应，多数是朝向使分子结构复杂化的方向进
行。所需能量多由ATP供给，也有通过GTP(如蛋
白质合成)、UTP(如糖合成)、CTP(如磷脂的合成)
和还原型辅酶(如脂肪链的延长)等提供。生物合成
可分为由主要原料进行的全合成(从头合成，如光合
作用)和由部分分解产物进行可逆性的废物利用途
径(如嘌呤核苷酸的转换)。生物体内的各种生物合
成途径之间多受到复杂的控制。
天然药物活性成分生物合成研究的主要目的是
探讨生物体中次级代谢产物的生源途径，研究从前
体经各个中间体直至形成最后产物的历程，以及有
关的反应机制，进而用生物方法实现难以用一般化
学方法完成的某些反应，进一步为现代药物化学的
新药先导化合物的发现提供一仿生的研究手段，也
为天然药物生物资源的可持续发展和利用提供新的
研究途径uJ。
结构类型众多的天然药物活性成分多来源于为
数不多的基本反应和原料。大多数反应是由酶催化
的，酶的功能只是催化，故生物合成中的反应是符合
有机化学反应机制的。初级代谢形成的数百个化合
物中也仅有几个但却是构成成千上万个活性成分的
原料，如乙酸、芳香氨基酸及脂肪氨基酸等。
此外，尽管现代波谱学技术和X射线单晶衍射
的广泛应用使得天然药物化学成分的鉴定受益匪
浅，但对有机化学家来说，利用天然产物的生源学说
不仅可以大大节省结构鉴定的时间和费用，而且也
为新化学反应及其机制的阐明提供非常有价值的
信息。
天然药物活性成分均由一定的基本结构单位按
不同方式组合而成。常见的基本结构有以下几种类
型：C：单位(乙酸单位)：如脂肪酸、酚类、苯醌等聚
酮类化合物；C。单位(异戊烯单位)：如萜类、甾类
等；C。单位：如香豆素、木质素等苯丙素类化合物；
氨基酸单位：如生物碱类化合物；复合单位：是上述
单位复合构成。主要生物合成途径有：(1)乙酸一丙二
酸途径(acetate—malonatepathway，AA—MA途径)：
脂肪酸类、酚类、蒽酮类等化合物均由该途径生成。
(2)甲戊二羟酸途径(mevaloniccidpathway，
MVA途径)：主要生成萜类化合物。但须注意的是，
萜类化合物中也有与异戊烯法则不相符合的，这些
化合物多在环化过程中伴随着重排反应的发生。由
于MVA也是由乙酰辅酶A出发生成，故其生物合
成基源也可以认为是乙酰辅酶A。(3)桂皮酸途径
(cinnamiccidpathway)及莽草酸途径(shikimic
acidpathway)：苯丙素类及黄酮类化合物均由此途
径生成。(4)氨基酸途径(aminoacidpathway)：是天
然药物中众多生物碱类成分生物合成的途径。
1．1植物细胞培养物中活性成分的生物合成：自从
1939年人们用实验方法建立了植物细胞和器官培
养技术以来，植物细胞培养技术现已发展成为一门
精细的实验科学。许多天然药物的活性成分是植物
的次生代谢产物，因而利用植物细胞培养技术生产
这些化合物已经发展成为现代生物技术研究的主要
内容之一。从植物培养细胞和组织中分离得到的活
性成分主要有苯丙素类、生物碱、萜类、醌类及黄酮
类化合物等。就细胞培养而言，理论上均可以通过基
因工程以及改变培养环境和培养策略等手段，对次
级代谢产物的单体分布比例进行调控。基因工程方
法是提高次级代谢产物量的有效方法，但是目前对
多样性次级代谢产物生物合成的研究，尤其是修饰
母体结构生成不同的代谢产物的有关酶的报道还很
少，故利用基因工程的手段来调节细胞培养过程中
多样性次级代谢产物的合成任重道远。
植物细胞培养技术与种植方式相比，具有如下
优点：(1)活性成分的生产可在人为控制条件下进
行，可以极大地提高生产率；(2)培养可排除病菌和
虫害的侵扰，便于控制质量；(3)通过对有效成分合
成路线进行遗传操作，可达到提高生物量的目的；
(4)培养细胞也可产生原植物不存在的新化合物；
(5)对培养细胞产生的中间产物进行酶促合成或化
学合成，可获得所需目的产物。同时，也保护了珍贵
的药用植物资源，如名贵中药藏红花Crocussativus
L．具有很强的活血化瘀功效，还具有良好的抗癌活
性，而且低毒无副作用。藏红花培养细胞中产生的抗
癌活性成分藏红花素A(crocinA)是人工栽培藏红
花的2～3倍，故可大大改善藏红花有效成分量低的
问题。张秀省等口]以长春花叶和子房诱导的愈伤组
织为实验材料，对4种不同愈伤组织的生长、吲哚生
物碱组分、阿玛碱、长春酯碱的生物量进行分析比
较，发现用长春花不同器官作为外植体培养出的愈
伤组织中吲哚生物碱的量有明显差异，从而为今后
提高植物药用成分的量的研究提供了一条新途径。
因此，在药用植物的栽培研究和大力实行GAP管
理的同时，充分发挥植物组织培养、细胞培养以及器
官培养等现代生物技术方法的优势和特点是实现中
药现代化的可行之路。
万方数据
中草菊CMn鹤eTraditionalandHerbalDrugs第37卷第9期2006年9月·1283·
1．2生物碱的生物合成：生物碱是含氮有机化合物
中最大的一类次生代谢物质，主要包括异喹啉类、吲
哚类和多炔类等结构类别。
长春花Catharanthusroseu$(L．)G．Don中含
有多种生物碱，其中包括具有抗癌作用的长春花碱
和长春花新碱，这两种化合物属于吲哚类生物碱。人
们已从该类生物碱中发现了许多活性成分。吲哚生
物碱的生物合成有两条途径：莽草酸途径(吲哚途
径)和甲羟戊酸途径(萜类途径)，其生物合成前体异
胡豆苷(strictosidine)是由色胺和裂环马钱子(sec—
ologanin)缩合形成的，催化此反应的是异胡豆苷合
成酶(strictosidinesynthase，STR)。有报道口1将STR
标定在烟草植物不同的亚细胞区室一叶绿体、液泡和
内质网中表达，通过蛋白免疫印迹分析和STR酶活
性的测定，表明STR可在叶绿体、液泡和内质网中
有效表达。这表明了次生代谢产物在细胞内和细胞
间的路径选择对吲哚生物碱的合成来说是相当重要
的一个方面。通过细胞培养、组织培养及毛状根的培
养分析了长春花生物碱合成的关键步骤，结果发现
长春花碱和长春花新碱合成的主要障碍在于缺乏文
多灵的积累，从而导致文多灵与长春质碱的偶合障
碍而不能生成用于抗癌的长春花碱和长春花新碱，
此障碍一旦突破，则用生物技术方法合成长春花碱
和长春花新碱将具极大的应用开发价值。
1．3萜类化合物的生物合成：萜类化合物都是从异
戊二烯基二磷酸(IPP)和二甲基烯丙基二磷酸
(DMAPP)聚合而成的。IPP在IPP异构酶的作用下
形成DMAPP，IPP和DMAPP在异戊烯基转移酶
的作用下形成geranyldiphosphate(GPP)。Farne—
syldiphosphate(FPP)和geranylgeranyldiphosphate
(GGPP)为非环化的中间体，在萜类合酶(Tps)的作
用下形成各类萜类物质(单萜来自于GPP，倍半萜
来自于FPP，二萜来自于GGPP)L4J。
紫杉醇属于二萜类化合物，是一种优良的抗肿
瘤药物。沿着异戊二烯代谢途径，从异戊二烯焦磷酸
到紫杉醇的最后合成，大致可以分为3个阶段：紫杉
烷骨架的形成、紫杉烷碳骨架的官能团化和紫杉醇
侧链的生物合成。赵春芳[53利用茉莉酸甲酯(MJ)诱
导红豆杉细胞培养物，比较各个组分在诱导前后的
相对色谱峰面积变化，发现所有的紫杉烷组分的浓
度在诱导后都有不同程度的提高，提示MJ对紫杉
醇合成中非有效乙酰化旁路代谢有促进作用，而对
c。。位取代物生成的旁路促进作用不明显，这为紫杉
醇的生物合成研究提供了新的思路和方法。
刘峻等[63提取黄瓜炭疽病菌Colletorichum
lagnarinm、青菜炭疽病菌Phomafiltrate、棉花枯萎
病菌Fusariumoxysp num、黑曲霉Asperillusniger
中的真菌诱导子与人参毛状根共培养，在分析测定
后发现真菌诱导子对人参毛状根某些皂苷的合成具
有特异性，同时也影响人参毛状根的生物量。如将培
养液中黑曲霉多糖诱导子增加到20mg／L时，总人
参皂苷可增至3．649％。尽管单体人参皂苷Rg，和
Re未检出，但人参皂苷Rg。和Rb。的量却有明显增
加，并可促进人参毛状根的生长。上述结果表明：培
养过程中添加外源性诱导子，有利于人参毛状根次
生代谢产物的定向积累。
1．4黄酮类化合物的生物合成：黄酮类化合物是指
以C。一C。一C。碳骨架为基本单位构成的一大类化合
物的总称，这类含有氧杂环的化合物多存在于高等
植物和羊齿类植物中，其众多结构类型则是由于母
核上各取代基(如羟基、羟甲基等)的数量和位置不
同所致。黄酮类化合物的基本骨架是由3个丙二酰
辅酶A(malonylCoA)和1个桂皮酰辅酶A(cow—
naroylCoA)生物合成而产生的。
方从兵等[7]以野葛Puerarialobata(Willd．)
Ohwi悬浮细胞为实验体系，进行了不同前体化合
物和相关中间代谢产物的饲喂实验，以及相关酶学
证据的研究。结果表明：采用对羟基苯丙酮酸和对羟
基苯丙乳酸的处理同样有助于野葛培养细胞中异黄
酮化合物的合成和积累，且单位细胞干重的黄酮产
率有更大程度的提高；同时在野葛培养细胞中均可
检测到对羟基苯丙酮酸还原酶和对羟基苯丙乳酸脱
水酶的活性 因此，可推测对羟基苯丙酮酸和对羟基
苯丙乳酸可能也是黄酮生物合成的前体化合物，并
且植物黄酮类化合物生物合成可能存在另一条新的
途径，即黄酮类化合物生物合成的直接前体香豆酸
是以预苯酸为前体化合物，越过了苯丙氨酸和桂皮
酸(或肉桂酸)的中间代谢过程，经对羟基苯丙酮酸
和对羟基苯丙乳酸而合成的。
植物次级代谢是一个公认研究难度大，但又极
具研究价值的领域。次级代谢一般只限定在特定组
织和器官内，同时多数仅在植物生活环境的特定时
期才出现，且大多受到光照、温度、营养等生育条件
的影响。由于生物的多样性以及植物次生代谢自身
的复杂性，使得植物次生产物的生物合成途径往往
呈现出多样性的特点，故各类化合物的生物合成均
有发现新途径的可能性。随着植物基因工程的发展，
植物代谢途径基因的发现、克隆、转化及表达工作的
万方数据
·1284· 中草喃ChineseTraditionalandHerbalDrugs第37卷第9期2006年9月
飞速发展，对次生代谢的途径和机制研究也从原有
的单点代谢转到现在的多点代谢，从通过调节单个
酶的表达来调控代谢途径到通过调节几个酶的表达
来调控代谢途径等。相信随着研究工作的不断深入，
植物次生代谢基因工程必将为人类更好的利用植物
资源做出更大的贡献，为人类提供更多有效的药物
和有用的经济资源。
2天然药物活性成分的生物转化
一般认为，现代生物转化研究始于巴斯德时代，
但微生物转化技术的工业化则始于20世纪50年代
人们利用微生物对甾体化合物的结构改造。其后，该
项技术由于相关产业的资金支撑和潜在的巨大商机
而取得了较快的发展。
生物转化技术的发展一般分为4个重要阶段，
即大规模膜分离、酶和细胞的固定化、重组DNA技
术和双相生物催化系统的应用。生物转化和生物催
化技术是现代生物技术的重要组成部分，同时也在
化学领域发挥着愈来愈重要的作用。被人们广泛应
用于医药、食品、精细化工等行业中。其中，尤以微生
物整体细胞或分离酶为反应催化剂的生物转化和生
物催化技术以其反应周期短、专一性强、条件易控、
易于放大等优点而受到青睐，成为生物转化技术中
发展最迅速的分支之一。而现代提取、分离和结构鉴
定技术的进步，又拓宽了该技术的应用范围。目前，
生物转化技术已在小分子化合物的转化、天然化合
物的生物合成、药物前体化合物的转化、生物催化的
有机化合物不对称合成、活性成分筛选及新药开发、
药物代谢研究等领域得到广泛应用。
生物转化(biotransformation，bioconversion)，
也称生物催化(biocatalysis)，是指利用植物离体培
养细胞或器官、动物、微生物及其细胞器等对外源化
合物进行结构修饰而获得有价值产物的生理生化反
应，其本质是利用生物体系本身所产生的酶对外源
化合物进行酶催化反应。它具有反应选择性强(Tr体
选择性、位置选择性)、反应条件温和、副产物少、不
造成环境污染和后处理简单等优点，并且可以进行
传统有机合成不能或很难进行的化学反应。生物转
化与生物合成(biosynthesis)不同，后者是指利用整
体细胞、器官和机体中简单的底物合成复杂化合物
的过程。它们又和生物降解(biodegradation)不同，
在生物降解中，复杂的底物被分解为简单物质。
作为生物催化剂，植物细胞培养具有下列优点：
①可以在实验室中生长，重现性好；②细胞可以无限
制的生长，培养物可以大量累积，从而源源不断的提
供生物材料；③生长循环周期短，有利于实验的进
行。因此，人们把植物细胞培养与微生物(如酵母、真
菌以及细菌等)等一样广泛用于生物转化。
与微生物及其产生的酶进行的生物转化相比，
植物生物转化系统的独特之处在于植物中具有许多
微生物中不存在的独特的酶，它们可以催化一定的
反应，生成许多复杂的化合物，甚至是新化合物，而
用化学的方法来合成这些化合物步骤烦琐且费用昂
贵。因此利用植物细胞及从植物细胞中分离出的酶
来进行药物生产或新药研制开发具有极大潜力。
自然界中存在许多可以进行生物转化的化合
物，如芳香族化合物、类固醇、生物碱、香豆素、萜类、
木脂体等。不过，利用植物进行生物转化的化合物的
潜力，在植物细胞培养中，一些重要的次生代谢产物
并不局限于植物在其代谢过程中产生的中间体，也
可以是人工合成的化合物。
植物细胞培养具有巨大的产生特定次生代谢产
物的潜力，在植物细胞培养中，一些重要的次生代谢
产物并不形成和累积。但是，这样的培养物却保留了
将外源底物转化为有用产物的能力。植物悬浮细胞
培养、固定化细胞培养、毛状根培养以及酶都可以通
过生物转化产生有用化合物。生物转化既可产生新
的化合物，又可改造或修饰已有的化合物，或增加目
标产物的产量以及克服化学合成的缺点等。更重要
的是，植物细胞和器官培养由于催化多步反应常常
会产生中间体代谢产物，有助于人们阐明化合物的
生物合成途径。而且催化反应可以在比较温和的环
境下进行，副产物较少、耗能少、安全及减少开支等。
此外，植物生物转化系统还可以与有机合成结合应
用而相得益彰。
2．1植物细胞和器官培养物的生物转化：许多因素
都能够影响植物细胞和器官培养物进行生物转化，
如前体物的溶解性、细胞通透性、有活性的酶量、酶
的存在位置、副反应的存在、诱导作用、pH值变化
以及渗透作用等。有些物质难溶或者不溶于水，因此
其转化速率非常低，通过引入环糊精(cyclodextrin)
可以使这些物质更容易进行生物转化。环糊精是一
个环状寡聚糖，能够与各种各样的非极性配基形成
极易溶于水的稳定的包合物(inclusioncomplexes)。
有机相的存在会在很大程度上影响植物细胞的生
存，因此在这些系统中酶的活性可能会有所降低，而
环糊精复合物的形式使得这些前体物质的物理性质
包括它们在水中的溶解性改进了，因而更容易进行
生物转化。有机溶剂如异丙醇、二甲亚砜(DMS0)和
万方数据
中草菊ChineseTraditionalandHerbalDrugs第37卷第9期2006年9月·1285·
多糖(如壳聚糖)都可能增大细胞的通透性，从而促
进底物摄取及产物释放。其他增大细胞通透性的方
法还有超声波降解法、电极法和电泳释放以及高电
场脉冲和超高压等。
并非所有在植物细胞中产生的物质都依赖于酶
的催化反应。如含有几个立体活性中心的生物碱ni—
traramine，在东庙NitrariaschobeL．中就以消旋
体的形式存在。手性代谢产物的分离可能是一种自
然的非酶反应，首先生成非手性前体，然后对其中的
一个对映体进行酶催化代谢。
植物细胞培养和毛状根培养所进行的生物转化
为具有生物活性的化合物的结构改造提供了一种重
要工具。但是，悬浮培养的最大缺点就是体细胞克隆
不稳定，为了维持高产就必须持续不断的筛选细胞
株，利用组织(如芽和根)进行培养时也存在这一问
题。而通过土壤中的发根农杆菌进行生物转化所得
到的转基因毛状根，与植物细胞悬浮培养相比其生
长速度更快，无须添加外源生长素，而且由于其属于
器官培养，具有分化性，其遗传稳定性增加，因此其
代谢产量也非常稳定。由于具有这些优势，许多曾经
一度被认为不可能通过细胞培养进行生产的一些来
源于根的产物都利用毛状根培养技术重新进行了研
究。许多因素也可能影响毛状根的药用次生代谢产
物的产生，如营养成分、诱导子、产物生物转化的前
体以及对发根农杆菌Ri质粒的遗传改造等。
近年来，我国科学家们也对利用植物细胞、转基
因组织等生物转化药用活性成分给予了极大的关
注，并取得可喜成果。如周立刚等[81在露水草Cyan—
otisarachnoideaC．B．Clarke毛状根培养系中加入
青蒿素，培养8d后，青蒿素转化为去氢青蒿素。赵
明强等研究了人参毛状根生物合成熊果苷的基本条
件，以熊果苷的量、氢醌的转化率为指标，对培养22
d的人参毛状根更换含底物的B5培养基后，对浓度
为2mmol／L的氢醌持续转化24h，所合成的熊果
苷占干重的13．O％，转化率达89％。
科学家们在生物转化途径方面的研究则主要表
现在植物特征性的生物合成途径或使用了正常的生
物合成途径的中间产物。Kreis等研究了毛花洋地
黄培养物中有关成分的生物转化。由digitoxigenin
转化而成的digitoxin及其衍生物digoxin均可用于
心血管疾病的治疗，其中，后者尤为重要，但其在植
物中的量却较前者低。在此转化过程中，约80％的
digoxin可分泌到培养基中。研究发现，digitoxin一
12p羟基化酶扮演了重要角色。此外，转化过程中还
生成了许多强心苷类成分，如葡萄糖苷、甲基葡萄糖
苷、海藻糖苷及毛地黄毒糖苷等单糖苷类化合物。
植物细胞培养物具有对外源底物进行生化转化
的能力。人们选择不同类型的生物催化剂及底物来
考察这些反应的部位特异性、立体特异性以及对映
选择性和底物特异性。反应类型以及反应的立体化
学是由底物的官能团以及官能团附近的结构片段决
定的。因此，通过植物细胞培养物进行生物转化被认
为是一种可以对分子进行结构修饰而使其成为活性
化合物的工具。比较重要的生物转化类型有：羟基化
反应、糖基化反应、氧化还原反应、水解反应、环氧化
反应、羰基还原反应、碳碳双键的还原反应、硝基还
原反应。
2．1．1羟基化反应：植物细胞培养物通过在分子中
的不同部位进行立体选择性氧化反应转化外源底
物。这些细胞具有部位特异和立体特异性羟基化烯
丙位C—C双键的能力，以及区别底物的不同对映
体并选择性地对其中之一进行羟基化的能力。如长
春花的细胞悬浮培养物可将香叶醇、橙花醇以及左
旋和右旋香芹酮通过其戊基侧链羟基化为一系列的
单羟基化异构体，其中包括转化为抗真菌代谢物5p一
羟基新二羟基香芹醇。杨林等[91利用商陆培养细胞
对6p-santonin进行选择性还原及羟基化反应，可为
其进一步化学结构改造提供有价值的中间体。
2．1．2糖基化反应：糖基化反应可以使得许多外源
化合物的理化性质与生物活性发生较大的变化，例
如将不溶于水的化合物转变为水溶性化合物，这一
点是微生物培养或化学合成很难做到的。糖基化反
应主要有两种：一种是在羧酸和糖片段之间发生酯
化反应，另一种是羟基和糖片段之间的糖基化反应。
丁酸具有体外抑制肿瘤生长和诱导肿瘤细胞分化的
作用，但是其在哺乳动物系统中半衰期很短，人们通
过悬浮培养的灰叶烟草Nicotianaplumbaginifolia
Viv．细胞糖基化得到其糖苷，半衰期大大增加，有
希望开发为抗癌新药。
2．1．3氧化还原反应：通过植物细胞培养可以将醇
转化为相应的酮。对于一些手性化合物的生产来说，
对映选择性氧化反应是非常有用的。长春花细胞悬
浮培养物可选择性地氧化和还原脱氢表雄酮的C。
和C17位，使其转化为androst一4一ene一3，17一dione和
17phydroxyandrost一4一en一3一one‘1o|。
2．1．4水解反应：在水解反应中，人们对醋酸盐水
解了解较多。对映选择性水解可用于外消旋醋酸盐
的光学鉴定。
万方数据
·1286· 中草菊ChineseTraditionalandHerbalDrugs第37卷第9期2006年9月
2．1．5环氧化反应：环氧化反应可以用于具有细胞
毒性的倍半萜烯的结构修饰。莪术Curcumaze—
doaHa(Christm．)Rose．细胞悬浮培养物中大根
香叶酮(germaerone)的环氧化反应就是成功的实例
之一。
2．1．6羰基还原反应：在植物细胞培养中有很多关
于酮和醛经过还原反应生成相应的醇的报道。在该
反应中，使羟基化合物在具羟基的部位具有手性。
NicotianasylvestrisL．或长春花细胞悬培养中得到
的全细胞、细胞提取物或者培养液都能够实现这一
反应，这要归因于其过氧化物酶胞分泌到培养基中。
在合适的条件下，大约87％的底物可在40rain内
转变为目标产物。
2．1．7C=C双键的还原反应：长变胞藻Astasia
longaPringsheim的细胞培养物能够产生2种烯酮
还原酶，可以还原芹酮的C=C双键。该反应具有部
位特异性。
2．1．8 硝基还原反应：北洋金花Daturainnoxia
Mill．、长春花以及菜属MyriophyllumL．植物细胞
培养物都能够将2，4，6一trinitrot01uene经过硝基还
原反应生成2，4，6-aminodinitrotoluene。
2．2利用固定化细胞培养进行生物转化：细胞培养
产生次生代谢产物的方法的改进通常与植物细胞的
器官化和分化有关，而器官化和分化的理论则是固
定化技术应用的基础。固定化技术是一种将具有催
化活性的酶或细胞固定在特定支持物上的技术，已
被应用于前体的单步和多步生物转化生成目的产物
以及生物合成次生代谢产物。有报道En3称利用嗜热
固定化细胞系统可将糊精一麦芽糖复合剂转化为葡
萄糖，转化率高达98％。
固定化植物细胞培养生物转化外源底物具有下
列优势：①细胞抗剪切能力增强；②细胞可以长期重
复使用；③可能产生较多的生物材料，从而转化更多
底物；④细胞较易恢复；⑤转化产品处理更容易。
固定酶系统具一定的局限性，被分离的酶在极
限pH值、加热和加入特定有机溶剂时很容易引起
变性，在分离酶的过程中酶的活性会有损失，常常应
用于单步反应中。而固定化植物细胞培养与固定酶
系统相比，作为生物催化剂更具有其独特的优势：①
它可实行多步酶反应；②选择高效生物合成细胞，其
催化活性也可增加；③不需提供辅因子，因为细胞本
身可合成；④固定化细胞比固定化酶更容易操作。因
此，固定化细胞作为生物催化剂就显得更为重要。全
细胞固定化培养还可创造一种类似全植物的有机组
织的微环境，可导致细胞分化并且产生较多的次生
代谢产物。
常用的固定植物细胞的方法就是通过离子交
换、沉淀、聚合，在预先固定好的结构上进行凝胶包
埋。植物细胞可直接通过吸附固定，而酶可以利用氢
键、偶极一偶极反应和疏水反应等吸附在支持物上，
当酶的最适pH值与其等电点不接近时可以通过离
子交换来固定，另外还可以利用共价结合。常用的支
持物有聚丙烯和硅藻土。聚丙烯酰胺是酶固定化中
比较常用的基质。除了凝胶包埋以外，还可以通过微
囊技术来固定植物细胞。
酶和细胞所进行的生物转化也可以在膜反应器
中进行。膜不但能够保留生物催化剂同时也允许基
质、营养物质以及产物自由出入。与凝胶法相比，其
流体动力学、流动分布更易控制，而且也更容易生
产。此外，膜反应器还能更容易的维持反应器的无菌
状态。
2．3基因工程方法在生物转化中的应用：人们可以
通过细胞株的选择、诱导、细胞通透性、射线、pH值
和渗透打击等使细胞培养物的生物转化能力达到最
大。但最好的方法还是将编码催化生物合成反应的
关键酶基因转入到真菌或细菌细胞中去增殖，然后
再把这个克隆的基因转入到植物当中，并在其中表
达。植物转基因技术不但能够有效地产生和改造现
有的生物转化过程，而且对于研究基因功能和生理
性调节及其发展过程都是一个强有力的工具和手
段。如Hashimoto等报告了天仙子胺6一p羟化酶在
大肠杆菌中的表达。重组大肠杆菌能够将天仙子胺
转化为东莨菪碱。然后，将该基因转入颠茄Atropa
belladonnaL．中并且进行表达。后来Hashinoto等
又报道了转基因的毛状根，在这种毛状根中天仙子
胺向东莨菪碱的生物转化效率大大增加。
章焰生等[12]用RACE方法从青蒿Artemisia
annuaL．高产株系001中克隆了一个过氧化物酶
的基因。将此基因在大肠杆菌BL21(DE3)pLysS细
胞中进行原核表达得到重组蛋白(APODl)，表达的
蛋白分别以抗坏血酸、愈创木酚为底物进行过氧化
反应，结果显示：APODl催化愈创木酚的活力是抗
坏血酸的1．8倍左右，进一步证明了克隆的APODl
类属于植物经典过氧化物酶(第3大类过氧化物
酶)。加入APODl至青蒿细胞提取液有利于青蒿酸
向青蒿素的生物转化。
2．4利用微生物进行生物转化：高等植物细胞增殖
速度较慢，而微生物繁殖速度极快且初级代谢迅速，
万方数据
中草焉ChineseTraditionalandHerbalDrugs第37卷第9期2006年9月·1287·
体内酶系相对简单。在极端环境下生存的微生物常
能提供一些在极端条件下发挥作用的酶，微生物转
化与哺乳动物的分解代谢机制相类似，故可作为预
测药物代谢与毒理学方面的体外模型。王园园等n妇
研究了灰色链霉菌对芦丁的生物转化及其产物对超
氧阴离子的清除能力变化，其中有4个代谢产物的
抗氧化活性比底物芦丁强。转化过程涉及到黄酮苷
类的去羟基化反应为首次发现，证实了微生物转化
是增加天然化合物多样性的有效方法。
2．5利用植物酶进行生物转化：虽然酶的制备技术
看起来更适合于商业药物生产，但与细胞系统比起
来，其应用与否主要取决于在分离酶的过程中活性
损失与其生物转化高效率的优越性之间能否达到和
谐统一。酶的羟基化和糖基化的部位选择性为改进
后的药物的生产提供了机会。下面列举了一些从植
物中分离出来的以自由或固定状态存在的酶，它们
可催化一些重要反应。
2．5．1 木瓜蛋白酶：在橡胶树叶和番木瓜Carica
papayaL．的绿色果实中都含有高浓度的硫醇蛋白
酶——木瓜蛋白酶(papain)。木瓜蛋白酶是一种蛋
白水解酶，可以水解肽键，在某些情况也可水解酯
键。它可以催化正负两个方向的反应，而反应方向可
能与水的浓度有关。木瓜蛋白酶可用于部位选择性
水解反应，如该酶可部位特异性水解脱氢谷氨酸二
酯5位上的酯键，而a一胰凝乳蛋白酶只水解1位酯
键。木瓜蛋白酶还具有特异性水解苯丙氨酸、亮氨酸
的能力。
2．5．2 氧腈酶(oxynitrilases)：是一类立体选择性
酶，只作用于对映体中的一个。它们催化腈化氢加到
醛上合成手性腈醇。氧腈酶是通用的合成a一羟基酸和
醛、乙醇胺、氨基醇、拟除虫菊酯杀虫剂、咪唑等的前
体。根据其对映选择性可分为R型和S型氧腈酶。
2．5．3环化酶(cyclases)：具有广泛的底物选择性，
可用于环二烯及其环氧化物的环化。人们在菊苣中
发现一个环化酶，该酶能够选择性环化大根香叶烷
衍生物germanone的4，5一环氧化物生成neopro—
cureumenol。环化反应的第一步就是由酶介导的环
氧化基团的加氢作用，然后闭合成环。
2．5．4酚氧化酶(phenoloxydases)：能够部位特异
性催化单酚羟基化反应生成儿茶酚。Pras等口41研究
发现在刺毛黧豆Mucunapruriens(L．)DC．的细
胞培养物中由酚氧化酶催化可以生成一个非常重要
的药用化合物：7，8一二羟基一Ⅳ一二一／-／一丙基一2一氨基四
氢化萘(7，8-dihydroxy—N—di一咒一propyl一2一aminote—
tralin)。
2．5．5 卤化过氧化酶(haloperoxidases)：以过氧化
氢和卤化物离子为底物可催化许多有机化合物的卤
化反应。这种酶广泛存在于哺乳动物、鸟、植物、藻类、
真菌和细菌中，参与许多天然卤化产物的生物合成。
在高等植物中它们通常催化单电子氧化反应生成脱
氢产物和多聚体。人们已经阐明了由氯过氧化酶催化
的茚(indene)的环氧化反应的立体化学[1引。在水溶液
当中，环氧化产物不稳定，形成顺一反二醇。在缺水的
情况下大约有30％生成1R，2S对映异构体。
2．5．6脂氧酶(1ipoxygenases)：是一不闭合的含电
子酶，催化双氧化物结合成稳定的不饱和底物[1引。
这类酶立体选择性和部位选择性都很强。
2．5．7细胞色素P㈣单氧化酶：依赖细胞色素P。。。
的氧化反应在植物萜类的生物合成中起着非常重要
的作用。由于其广泛的底物特异性，使得细胞色素
P450单氧化酶(cytocromeP450monoxygenase)在催
化体外生物转化中具有很大的潜力[173。洋地黄毒苷
12p羟化酶是存在于微粒体内的一种依赖细胞色素
P。。。的单氧化酶，人们将其从植物细胞培养物中分离
出来后，用于催化B一甲基洋地黄毒苷生成p甲基地
高辛。
2．5．8其他酶类：通过豌豆中的a一氧化酶对长链
羧酸酯的a一羟基化来合成其光学纯的2一羟酸已经
达到半制备水平。由该酶所催化的饱和、不饱和及含
有杂原子(如氧、硫)的羧酸酯的底物选择性可以看
出，此生物转化过程具有高度的立体选择性。
3展望
利用植物细胞、器官和酶在体外进行生物合成
和生物转化的研究起步较晚，但其意义重大。特别是
由于次生代谢途径具有多学科性特征，包括中间代
谢产物的鉴定、推测可能的反应历程、有关酶的分离
及特 以及这些酶在组织和亚细胞中的定位等，故
利用生物合成与生物转化技术以及代谢途径工程的
分子水平研究可以更好的理解基因和酶的属性，可
在不同层次上加速体外生物转化在生产和新药研制
开发中的应用。
植物细胞培养具有无法估量的生物化学能力，
可以合成和转化不同有机化合物。生物合成与生物
转化反应的类型和立体化学与底物功能基因以及功
能基团周围的结构片段有关。因此，由植物细胞培养
所进行的生物合成与生物转化对于药用化合物分子
的生物合成和结构修饰用途广泛。一些基本信息，如
外源化合物在生物合成与生物转化过程中的反应类
万方数据
·1288· 中草菊ChineseTraditionalandHerbalDrugs第37卷第9期2006年9月
型、立体特异性及部位特异性对于中药及天然药物
生物技术的发展是非常必要的。
此外，随着我国加入WTO及对外开发步伐的
进一步加快，中药标准化、现代化、国际化已成为广
大药学科技工作者面临的艰巨任务。利用天然药物
活性成分的生物合成与生物转化技术，研究和发现
新的生物合成途径，寻找活性更强的化学成分，并进
而创制具有我国自主知识产权的中药新药，必将为
中药现代化的实现发挥重要作用。
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万方数据
天然药物活性成分的生物合成与生物转化
作者： 于荣敏， YU Rong-min
作者单位： 暨南大学药学院,广东,广州,510632
刊名： 中草药
英文刊名： CHINESE TRADITIONAL AND HERBAL DRUGS
年，卷(期)： 2006,37(9)
被引用次数： 13次

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