1.3　生物合成基本反应类型

1.3.1　C—C共价键的断裂与生成

（1）共价键的断裂

①均裂

有机化合物发生化学反应时，总是伴随着一部分共价键的断裂和新的共价键的生成。当共价键以均匀的裂解方式断开，也就是两个原子之间的共用电子对均匀分裂，两个原子各保留一个电子，形成自由基，共价键的这种断裂方式叫键的均裂。结果往往产生不稳定基团，常见于氧化还原反应。

例如，在松萝酸生物合成过程中，中间体甲基间三酚苯乙酮的下一步反应，就是靠单电子氧化产生自由基来实现的。甲基间三酚苯乙酮的氧化还原反应如下。

②异裂

共价键断裂的另一种方式是不均匀裂解，也就是在键断裂时，两原子间的共用电子对完全转移到其中的一个原子上。共价键的这种断裂方式叫做键的异裂。键异裂的结果是产生带正电或带负电的离子。如C—H键断裂，电子对通常留在碳原子一侧（碳原子的电负性大于氢原子），形成富电子的碳负离子（亲核基团）和氢离子，容易与缺电子的亲电基团发生反应。

例如，在原人参二醇生成人参二醇的过程中，中间态的一步环合反应就是异裂模式，反应过程如下。

（2）克莱森（Claisen）缩合反应

α-碳上有氢原子的酯，在乙醇钠或其他碱性催化剂存在下，发生缩合反应，脱去一分子乙醇，称为克莱森缩合反应。两分子乙酸乙酯在乙醇钠作用下，克莱森缩合反应如下。

乙酰辅酶A分子中的硫酯与化学反应中常见的乙酰乙酰乙酯的氧酯键相比，酯基团更容易脱去，因而有着更好的反应活性。生物合成中多聚-β-酮链的生成就是典型的由连续的克莱森缩合反应而产生，2分子乙酰辅酶A经一次Claisen缩合反应，其产物为乙酰乙酰辅酶A，然后与乙酰辅酶A重复Claisen反应可得到适宜长度的多聚-β-酮链，反应过程如下。

1.3.2　基团转移反应

通常为亲电基团从一个亲核体转移到另一个亲核体，常见的转移基团有碳酰基、磷酰基和糖基等。

（1）碳酰基转移

许多次生代谢反应涉及碳酰基团的转移，被转移的碳酰基可以是乙酰、丙酰、丙二酰、3-羟基-3-甲基戊二酸单酰等基团，酰基的“受体”可以是含羟基、氨基、羧基等基团的化合物，乙酰辅酶A是最典型的乙酰基团的供体，向含有羟基或氨基等的次生代谢产物转移乙酰基，完成乙酰化过程。

例如，重要的紫杉烷10-去乙酰巴卡亭Ⅲ（10-DBⅢ）向巴卡亭Ⅲ（BⅢ）转化的有机反应机理为乙酰辅酶A将乙酰基团转移给10位紫杉烷母核上的羟基。本例子中C2位上的苯甲酰基的反应机理也类似，不同的是，被转移的是苯甲酰基。事实上，在紫杉烷生物合成的后面阶段，母核上的羟基在后续的修饰中都有可能被乙酰或其他酰基（如异戊烯基、苯丙酰、苯甲酰）化，形成结构多样的紫杉烷。卡那霉素向N-酰基卡那霉素的转化也是乙酰基转移，反应过程如下。

（2）磷酰基转移

磷酰基的转移起始于一个亲核体（Y^-）向磷酰基的磷原子进攻，形成一个三角形、双金字塔结构的中间产物，三角形的顶端位置原来由一个被攻击的离子基团（X^-）占据，Y^-的进攻，导致（X^-）脱去，四面体的磷酰基构象反转，产生最后的产物。Y^-基团常见的为羟基、氨基等，磷酰基的转移反应是生成P—O及P—N磷酰酯分子、实现“磷酸化”重要的反应。

（3）糖基转移

通常情况下，次生代谢产物并不是以一种自由小分子形式存在于生物体内，更多的可能是与生物大分子结合，与糖结合形成糖苷是各类次生代谢产物常见的合成后修饰形式。糖基化的反应机制涉及糖基转移。在糖基转移过程中，一般发生的是双取代（S_N2），其机制是糖基上的基团（X）脱下，形成共振稳定的碳正离子，随后是亲核体（Y^-）的进攻。也可以发生单取代（S_N1），此时构型发生逆转，如图1-21所示。

糖不仅与氧相连，还可以与S、N、C等相连，形成相应的苷。糖单元的供体是尿苷二磷酸糖（UDP），它由1-磷酸葡萄糖和UTP经S_N2亲核取代生成（图1-22），因为UDP葡萄糖的离去基团呈α-构型，所以天然糖苷多呈β-构型。

特定的水解酶可以用来水解糖苷，如β-葡萄糖苷酶可以使葡萄糖苷发生水解（Dewick，2002）。除此之外，糖苷水解可以在酸性条件下进行，糖苷在酶或酸催化下水解，都涉及糖基的转移，从生化反应过程看，糖苷水解是糖基化成苷的逆反应。当有亲核碳参与时，糖基转移的产物可能生成碳苷，如图1-22中③所示，被酚羟基激活的芳基碳，

进攻糖基上的C，形成新的C—C键连接的碳苷。

（4）氨基转移

转氨基反应是将氨基酸中的氨基转移到酮酸上，生成相应的氨基酸，原来氨基酸的氨基脱去，该反应是最常见的在产物中引入氮原子或失去氮原子的反应。偶联的谷氨酸/2-酮戊二酸是氨基基团最常见的供体/受体。Krebs循环中间体2-酮戊二酸经氨化还原成谷氨酸，生成的谷氨酸可作为氨基受体。反应过程中包括亚胺的生成和还原。转氨基反应将谷氨酸的氨基转移至某一酮酸上，或相反地将某一氨基酸的氨基转移到2-酮戊二酸上。氨基转移生化反应实例如图1-23所示。

（5）烃基转移

许多次生代谢产物分子结构中含有甲氧基、乙氧基等基团，这些基团往往在官能团修饰阶段生成。例如红霉素合成过程中，最后红霉素B是由其直接前体经甲基转移反应生成，反应过程如下。

甲基的供体通常来自S-腺苷甲硫氨酸（SAM），SAM由L-蛋氨酸和腺苷分子结合而生成。SAM含有硫阳离子，导致S_N2亲核取代反应更容易发生。S-腺苷甲硫氨酸的生成反应如下。

SAM作为甲基供体，将甲基转移至亲核物质的羟基或氨基上，发生S_N2取代，生成O-甲基或N-甲基的次生代谢产物。S-腺苷甲硫氨酸的反应如下。

例如，在桂皮酸合成途径中，由咖啡酸到阿魏酸的一步，就实现了甲基转移。S-腺苷甲硫氨酸参与从咖啡酸到阿魏酸的反应如下。

1.3.3　重排及烃化反应

重排反应是分子的碳骨架发生重排生成结构异构体的化学反应，是有机反应中的一大类。重排反应通常涉及取代基由一个原子转移到同一个分子中另一个原子上的过程。

（1）Cope重排

（2）Wagner-Meerwein重排

①氢迁移

②烷基迁移

（3）亲电加成

①碳正离子对烯烃的亲电加成反应

②碳正离子对的产生途径

③碳正离子质子的脱去途径

（4）亲核取代

在SAM作用下，酚羟基的邻位、对位以及羰基的邻位易于接受甲基形成C-甲基，如图1-24所示。

1.3.4　氧化还原反应

氧化还原反应是生物合成中常见的化学反应，特别是在次生代谢产物生物合成的官能团修饰阶段，常常发生“氧化”反应。其实，任何氧化还原反应都遵守电荷守恒，有电子对的失去或转移，必然有接受电子对的一方，只不过在生物代谢中，通常由NAD⁺或NADP⁺、FMN+等充当电子对传递的中间体，形成电子传递链。当代谢物被氧化时，转移出一对电子对，这对电子对最终的受体是分子氧（O₂），而且这对电子对氧的进攻是一个一个地分别进行的，如图1-25所示。

目前，人们对生物体中发生的复杂氧化反应的过程并未彻底了解，下面介绍已得到验证的氧化还原反应的共性特征。根据参与反应的酶的类型和反应机制，可分为以下几类（Dewick，2002）。

（1）脱氢

脱氢酶（dehydrogenase）可以从底物中消去2个氢原子，将它们传递给NAD⁺或者NADP⁺，底物中与碳相连的一个氢形成氢化物转移至辅酶上，另一个氢则形成质子转移至反应介质中。不同的脱氢酶几乎都根据其底物的名称命名。如琥珀酸脱氢酶催化的反应：

再如，乳酸（lactate）脱氢酶催化乳酸的脱氢反应：

若发生的是醇、羰基、胺基脱氢类型，一般是NAD⁺或NADP⁺作为辅酶；若涉及烷烃的脱氢氧化过程，一般是FAD或者FMN作为辅酶。常见脱氢反应类型如下。

（2）氧化

也可以从底物中脱去氢，与上述脱氢酶不同的是，将2个氢原子传递给氧或过氧化氢而形成水。依赖过氧化氢的酶称为过氧化酶，它是过氧化物酶体中的主要酶类，氧化酶约占过氧化物酶体酶总量的一半，包括尿酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶、L-氨基酸氧化酶和L-α-羟基酸氧化酶等。该类酶催化的典型反应包括邻苯二酚和对苯二酚氧化成醌，以及过氧化酶介导的酚氧化偶联过程。酚氧化过程如下。

（3）加氧

单加氧酶直接催化将氧原子加成给底物的反应。根据加入底物中的氧原子数目分为加单氧酶和加双氧酶。

在单加氧反应中，氧分子中的另一个氧原子与适当的氢供体结合生成水，这些氢供体可以是NADH、NADPH或者抗坏血酸等。单加氧酶常参与的反应是羟基反应，在生物合成或者哺乳动物脱毒及代谢外源性物质中，是主要的反应类型。现在已知这类酶是依赖于细胞色素P450的多功能单加氧酶，有时也称羟化酶，它们能够羟化烷烃或芳香环，也可以使烯烃转化为环氧化合物。单加氧酶还可以催化苯环侧链二氧亚甲基桥的形成，当羟基和甲氧基处于芳香环邻位时，该酶首先羟化甲基，产生一个甲醛半缩醛的中间体，通过离子化机制产生二氧亚甲基桥（甲醛的缩醛），如图1-26所示。

加双氧酶将氧分子的两个氧原子转移到底物中，常引起包括芳香环在内的键的裂解。环状过氧化物很可能是该过程的中间产物。邻苯二酚或对苯二酚作底物时可引发芳香环的氧化。前者可发生在两个羟基间或羟基邻位，生成含有醛基或羧基官能团的产物。加双氧酶的催化反应如下。

（4）胺氧化

除了上面提到的氧化酶，在代谢途径中也常见能将胺氧化的胺氧化酶。这些酶有单胺氧化酶和双胺氧化酶。单胺氧化酶在黄素核苷酸和分子氧的条件下，催化脱氢将胺转化为亚胺，然后将之水解成醛和氨。双胺氧化酶则以二胺为底物，在分子氧的作用下将一个氨基基团氧化生成相应的醛，同时生成双氧水和氨。产物氨基醛可经席夫碱进一步转化为环状亚胺。

（5）Baeyer-Villiger氧化

过酸将酮氧化成酯的过程在化学上称为贝耶尔-维利格氧化（Baeyer-Villiger氧化），该过程中，酮中的烃基发生了迁移。生物化学上，该过程的实现需要依赖细胞色素P450或FAD的辅酶、NADPH以及氧分子的共同参与。生物Baeyer-Villiger氧化过程中首先形成过氧化物-酶复合物，然后将氧分子中的氧转移至底物，其机制与化学的Baeyer-Villiger氧化相似。