吡咯-2-羧酸的生物合成及生物活性研究

胡倩，王松齡，周雨，付海蘭

（福建師范大學(xué)，福建福州 350000）

吡咯-2-羧酸（pyrrole-2-carboxylic acid），又名2-羧基吡咯、2-吡咯甲酸、吡咯-2-甲酸、2-吡咯羧酸，其結(jié)構(gòu)式如圖1所示。吡咯-2-羧酸具有富電子的吡咯環(huán)和提供親核中心的2-羧酸，是生物體（包括細菌、放線菌、真菌、植物、動物和人類）產(chǎn)生的一種常見代謝物，在許多生物的代謝調(diào)節(jié)中起重要作用。吡咯-2-羧酸具有特殊的化學(xué)和物理電子特性，這些特性在生物環(huán)境中很容易被利用。吡咯環(huán)是平面結(jié)構(gòu)且富含電子，對電子的攻擊高度敏感，能夠氧化并參與π-π堆積和氫鍵的相互作用。含有吡咯環(huán)結(jié)構(gòu)的四吡咯是血紅素和相關(guān)的類卟啉類輔助因子[1][如血紅素b、維生素b12、葉綠素α3和因子430（圖2）]的骨架，鐵、鈷、鎂或鎳原子被螯合在其大環(huán)的中心平面上。另外，吡咯-2-羧酸中的2-羧酸為與氫鍵結(jié)合以及與生物靶標反應(yīng)提供了親核中心?？傊?，吡咯-2-羧酸具有富電子的吡咯核，能夠與親電試劑反應(yīng)，而其缺電子羰基轉(zhuǎn)化為硫酯形式后容易受到親核攻擊。這些化學(xué)和物理電子特性，使得含吡咯的分子表現(xiàn)出明顯的生物活性。本文根據(jù)吡咯-2-羧酸相關(guān)文獻對其生物合成及生物活性研究進行分析與總結(jié)，以期為吡咯-2-羧酸的研究應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖1 吡咯-2-羧酸結(jié)構(gòu)式

圖2 血紅素及類卟啉類輔助因子結(jié)構(gòu)式

1 吡咯-2-羧酸的生物合成

根據(jù)相關(guān)報道，通過酶促氧化、過氧化氫對羥脯氨酸的非酶促氧化作用以及酶促和非酶促氨基轉(zhuǎn)移作用都可以形成吡咯-2-羧酸。還有報道表明，CloN2家族以及NgnN4家族等一系列基因參與吡咯-2-羧基的生物合成過程[2-6]。

1949年，Hiyama用10%（W/V）氫氧化鉀處理牛舌下腺黏蛋白10 h，在100 ℃下通過復(fù)雜的程序從水解液中分離出一批晶體，通過元素分析，該化合物被鑒定為吡咯-2-羧酸[7]。隨后在羥脯氨酸代謝實驗中，吡咯-2-羧酸被鑒定為Δ1-吡咯-4-羥基-2-羧酸的脫水產(chǎn)物[8]（圖3）。后者是由哺乳動物脯氨酸D-氨基酸氧化酶或假單胞菌的特異性異羥基-D-脯氨酸氧化酶催化羥基-D-脯氨酸[9]而形成的。

吡咯羧酸可來自D-氨基酸氧化酶對羥脯氨酸的氧化作用，該反應(yīng)解釋了吡咯羧酸為何會出現(xiàn)在施用羥脯氨酸D-異構(gòu)體后的大鼠或人類的尿液中[10]。并且在羥脯氨酸代謝的實驗過程中，羥脯氨酸與腎臟制劑混合培養(yǎng)形成了一種吡咯-2-羧酸的化合物[11]。Radhakrishnan等[12]的研究表明，腎臟D-氨基酸氧化酶將羥基-D-脯氨酸和異羥基-D-脯氨酸氧化成中間化合物Δ1-吡咯-4-羥基-2-羧酸，Δ1-吡咯-4-羥基-2-羧酸將自發(fā)轉(zhuǎn)化（在pH 8.3下）為吡咯-2-羧酸，這種轉(zhuǎn)化在酸性溶液中更快。另外，在堿性硫酸銅的存在下，過氧化氫對羥脯氨酸的非酶促氧化反應(yīng)中主要產(chǎn)物為吡咯-2-羧酸。該反應(yīng)中形成的中間體可能與羥脯氨酸的酶促氧化過程中存在的中間體相同[12]。

此外，吡咯-2-羧酸也是γ-羥基鳥氨酸與乙醛酸、丙酮酸或α-酮戊二酸發(fā)生轉(zhuǎn)氨作用的產(chǎn)物[13]。有證據(jù)表明，在γ-羥基鳥氨酸的酶促和非酶促氨基轉(zhuǎn)移作用下形成吡咯-2-羧酸，該反應(yīng)涉及的氨基轉(zhuǎn)移是α-氨基而不是δ-氨基[14-16]。

圖3 羥脯氨酸產(chǎn)生吡咯-2-羧酸的代謝過程

一些基因涉及吡咯-2-羧基的生物合成，其衍生物已被鑒定。例如，在玫瑰色鏈霉菌DS 12.976中，CloN1、CloN7、CloN2及CloN6基因參與了將吡咯-2-羧基部分向氯霉素脫氧糖轉(zhuǎn)移的過程[2-5]。在諾卡氏菌CS682生物合成Nargenicin A1（阿根諾卡菌素A1）的途徑中，NgnN4（脯氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶）、NgnN5（脯氨酸載體蛋白）和NgnN3（黃素依賴性酰基輔酶A脫氫酶）一系列基因用于將L-脯氨酸轉(zhuǎn)化為吡咯-2-羧酸部分的過程。并且基于溶桿菌OH11基因組數(shù)據(jù)，研究人員嘗試從OH11基因組中找到與吡咯-2-羧酸衍生物相關(guān)的基因[6]。

2 吡咯-2-羧酸的生物活性研究

根據(jù)吡咯-2-羧酸的吡咯環(huán)以及其2-羧酸結(jié)構(gòu)的化學(xué)和物理電子特性，相關(guān)研究人員對其生物活性進行研究。吡咯-2-羧酸具有殺藻、抗有絲分裂、抑制細胞生長[17]和抗植物病原真菌[18]等作用，并含有生物殺真菌劑[19]、抗血小板物質(zhì)[20]。從赤桿菌3-20A1M分離出的吡咯-2-羧酸對引起赤潮的球菌具有殺藻作用，可作為高效殺藻劑，減少對海洋初級生產(chǎn)者生態(tài)系統(tǒng)的影響[21]。吡咯-2-羧酸具有很強的抗真菌活性，其最低抑菌濃度（MIC）為4 μg/mL。在64 μg/mL的濃度下，辣椒疫霉菌的菌絲體生長幾乎被抑制[19]。研究人員還發(fā)現(xiàn)吡咯-2-羧酸是4-羥脯氨酸-2-差向異構(gòu)酶（HyPRE，是包括假單胞菌在內(nèi)的各種致病細菌中表達的重要的酶[22-25]）的選擇性抑制劑，其半數(shù)最大抑制濃度為2.3 mmol/L[26]。吡咯-2-羧酸也是水稻幼苗葉片中植物抗毒素的引發(fā)劑[27]，其對有害稻瘟病菌具有抑制作用。在血清中，吡咯-2-羧酸明顯減少是因為氧化應(yīng)激（ROS）反應(yīng)增加而導(dǎo)致食管鱗狀癌細胞轉(zhuǎn)移，這被認為是癌癥的早期預(yù)測和診斷的生物標志物[28]。另外，吡咯-2-羧酸也是果膠暴露標記[29]和烏頭堿中毒的尿液生物標志物[30]，其在代謝調(diào)節(jié)中起重要作用。

含吡咯的分子往往表現(xiàn)出明顯的生物活性，如抗菌、抗真菌、抗炎或抗腫瘤作用，是生物堿、卟啉、二氫卟酚和咕啉等天然產(chǎn)物中的重要組分。例如，香豆素家族產(chǎn)生的吡咯霉素、藤黃綠膿菌素和硝吡咯菌素等（圖4），都是從生物菌株中分離出來的次生代謝物，能夠抑制真菌在植物表面的生長[31]。此外，吡咯-2-羧酸和羧酰胺類化合物是全合成天然產(chǎn)物，是片螺素（海洋軟體動物活性物質(zhì)）或溴吡咯生物堿（hanishin或longamide B）中經(jīng)常使用的中間體。另外，吡咯-2-羧酸衍生物可作為殺蟲劑，對蚜蟲和朱砂葉螨有很高的抑制活性[32]。含有3個吡咯環(huán)均被完全甲基化的偏端霉素A類似物，是一種具有抗病毒和抗生素活性的吡咯寡肽[33]。

圖4 香豆素家族產(chǎn)生的含吡咯環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)式

3 結(jié)語

含吡咯的分子表現(xiàn)出的抗菌、抗真菌、抗炎或抗腫瘤作用等生物活性，為吡咯-2-羧酸用于醫(yī)藥用途提供了可能。在環(huán)境保護方面，吡咯-2-羧酸具有殺藻作用，可作為高效殺藻劑。在農(nóng)學(xué)方面，吡咯-2-羧酸具有抗植物病原真菌，作為生物殺真菌劑。另外，在醫(yī)學(xué)臨床研究方面，吡咯-2-羧酸明顯減少的癥狀也可作為癌癥的早期預(yù)測。對吡咯-2-羧酸相關(guān)研究的深入，可為其應(yīng)用研究提供更廣泛的思路。