什么是乌头酸?

什么是乌头酸(Aconitic Acid)?

乌头酸，即1,2,3-三甲酸，被美国能源部列为最具附加价值的30种化学物质之一，因其在工业中用作化学原料和其他重要产品的前驱物 。 化学品和聚合物。 乌头酸也在生物系统中发挥作用，并具有许多应用。

乌头酸向衣康酸(Itaconic Acid)的微生物转化

衣康酸的生产成本仍居高不下。 然而，透过优化发酵或化学合成方法可以提高经济可行性。 一些选择可能包括使用甘蔗糖蜜（一种富含糖和乌头酸的原料）进行化学或酶脱羧或改善发酵条件。 优化的发酵条件可能包括使用廉价的原料，例如农业废物，或透过微生物菌株的代谢工程来消除不需要的途径并直接增加衣康酸生产的碳通量。
有些真菌透过脱羧自然地将乌头酸转化为衣康酸。 例如，土曲霉用于发酵生产衣康酸。 在土曲霉中，顺乌头酸(CAA)首先由粒线体转运蛋白At_MttA 从粒线体中的三羧酸(TCA) 循环转运至 胞质溶胶，其中CAA 被顺乌头酸脱羧酶Cad-A 脱羧为衣康酸。 随后，衣康酸透过特定的转运蛋白从菌丝体中转运出来，转运蛋白属于主要促进子超家族（MFS）型转运蛋白（MfsA）。 土麴菌中参与衣康酸生产的基因也包括转录因子，这四个基因称为「衣康酸基因簇」。 然而，在玉米黑穗病担子菌中，玉米黑粉菌粒线体转运蛋白Um_Mtt1也将CAA从粒线体转运至细胞质，但CAA首先被乌头酸-Δ异构酶Adi1异构化为TAA， 然后被反式乌头酸脱羧酶脱羧。 ，Tad1，衣康酸。 玉米中的「衣康酸基因簇」是在氮限制条件下诱导的。 总的来说，这两种真菌在衣康酸生产中的代谢差异是值得注意的，因为它证明了在不同生物体中从乌头酸的反式或顺式异构体生产衣康酸的可能 性。 CAA 和 TAA 转化为衣康酸的差异微生物也可以提供对重组表达脱羧酶的离体酶促转化选项的深入了解。

微生物作为碳源的用途

微生物，例如土壤细菌假单胞菌。 WU-0701 编码一种乌头酸异构酶，可催化 TAA 和 CAA 之间的可逆异构化，CAA 是 TCA 循环中柠檬酸转化为异柠檬酸的中间体 [15]。 这使得生物体能够以 TAA 作为唯一碳源生长，将 TAA 异构化为 CAA，然后反馈到 TCA 循环中。 有趣的是，其他人报告了甘蔗根际中存在各种假单胞菌属物种，而其他人则报告了一些根际相关细菌在某些条件下可能会改善植物生长和光合作用[16]。 其中一些细菌利用 TAA 作为碳源可能表明甘蔗和根际涉及 TAA 的微生物之间可能存在共生关系。

乌头酸作为发酵抑制剂

有一些报告指出乌头酸可能在甘蔗汁、糖浆、糖蜜和甜高粱糖浆的发酵中充当抑制剂。 在研究甜高粱汁的发酵与收获时间的关系时，尽管糖含量增加，清酒和葡萄酒酵母产生的乙醇产量在收获季节后期有所下降。 推测乌头酸是乙醇产量降低的原因。 当透过浓缩甜高粱汁来增加可发酵糖。 报告发酵效率随着除水量的增加而降低，并推测由于除水量而乌头酸水平的增加可能是原因。 在甜高粱汁的发酵中，酿酒酵母的乙醇产量较低，取决于甜高粱品种。 推测乌头酸是造成这种抑制的部分原因，因为乌头酸在不同品种之间存在差异。 在甜高粱汁与水解谷物醪的混合物的发酵中，这种抑制作用仍然很明显。 玉米醪的抑制作用比小麦醪的抑制作用更大。 另一份报告显示，与含有0.114%和0.312%乌头酸的甜高粱汁生产乙醇相比，发酵率下降了29%。 这些作者将速率降低归因于乌头酸，并表明当 pH 从 pH 5.0 变为 pH 3.5 至 pH 2.0 时，酵母的细胞内酸浓度增加了 2 至 4 倍。 在一项详细研究中表明，在甜高粱糖的发酵过程中，正是未解离形式的乌头酸抑制了酿酒酵母（S. cerevisiae）产生乙醇。 透过控制发酵过程中的pH值，可以克服抑制作用，当pH值控制在4.5以上时，乌头酸（5 g/L）的存在变得稍微有利，乙醇效价（+4%）和产量（ + 3%）略有增加，证实了先前合成介质研究的结果。 在发酵 pH > 4.5 时，拜氏梭菌将稀释的甜高粱糖浆发酵为丁醇似乎不受乌头酸抑制。

反式乌头酸的杀线虫活性

致病性线虫对于甜菜和棉花等某些作物来说可能是一个严重问题。 例如，甜菜胞囊线虫 Heterodera schachtii 对甜菜来说尤其成问题，因为甜菜供应的糖量约占世界糖量的三分之一。 寻找一种对人类无毒的、可持续的、基于植物的杀线虫剂来源引起了人们的极大兴趣。 有趣的是，土壤细菌苏云金杆菌会产生 TAA 作为对抗土壤线虫的毒力因子。 苏云金素生产菌株（特别是苏云金芽孢杆菌 CT-43）的研究揭示了一种名为 CT-A 的化学产品，对主要害虫根结线虫－南方根结线虫具有杀线虫活性。 进一步的研究表明，CT-A 含有 TAA，并且在南方根结线虫 J2s 72 小时后的存活生物测定中，TAA 比顺式异构体 CAA 表现出显著更高的杀线虫活性。 苏云金芽孢杆菌CT-43 中描述了用于TAA 生物合成的质粒编码操纵子，它编码乌头酸异构酶，称为TAA 生物合成相关基因A (tbrA)，以及将TAA 转运出细胞的膜结合转运 蛋白tbrB。

反式乌头酸的抗利甚曼原虫活性

抗利甚曼原虫活性也归因于 TAA 针对原生动物病原体杜氏利甚曼原虫，三十年前内脏利希曼病（也称为黑热病）的病原体，可能致命且难以治疗。 在这种原生动物的生命周期中，在疾病传播期间，前鞭毛体形式存在于载体中，而无鞭毛体形式存在于宿主受感染的巨噬细胞的细胞内。 抗利甚曼病药物可能因毒性而出现问题。 由于 TAA 是 TCA 循环中乌头酸酶的抑制剂，因此研究了 TAA 作为替代方案并与传统化疗相结合。 杜氏乳杆菌无鞭毛体依赖脂肪酸的粒线体β-氧化作为重要的能量来源。 在 β-氧化过程中，脂肪酸转化为乙醯辅酶 A，乙醯辅酶 A 进入 TCA 循环以产生 ATP 提供能量，因此 TAA 作为 TCA 循环中乌头酸酶的抑制剂特别令人感兴趣 。 有趣的是，20 mM TAA 显著减弱了前鞭毛体复制，这可以透过在 72 小时添加 20 mM CAA 来逆转，这表明两种乌头酸异构体的生物活性不同。 此外，2 mM TAA 以剂量依赖性方式减少受感染仓鼠的寄生肝脏负担。 2 mM TAA 剂量可使巨噬细胞模型中无鞭毛体数量减少 60%。 五 (5) mM TAA 与抗利甚曼病药物、葡萄糖酸钠、喷他脒或别嘌呤醇一起，完全抑制无鞭毛体向前鞭毛体的转化。 这些来自杜诺瓦尼乳杆菌的报告可能提供对线虫等其他生物体的作用机制的深入了解。

乌头酸生产赋予生存优势

甘蔗、甜高粱和其他植物生产的 TAA 可能赋予其对抗害虫的生存优势，并有助于调节植物快速生长过程中的代谢过程。 斯托特等人。 检测了牧场中的 94 种禾本科植物和非禾本科植物，发现 47% 的禾本科植物和 17% 的非禾本科植物累积了高水准的 TAA。 此外，在燕麦、黑麦、小麦、大麦和玉米等禾本科植物中也检测到乌头酸。
在高等植物中，反式乌头酸作为「三羧酸库」产生并储存。 TAA 是透过与 TCA 循环相关的两种机制产生。 第一个过程是透过柠檬酸阀和柠檬酸水合酶形成 TAA 。 第二种机制是乌头酸酶透过顺式乌头酸中间体将柠檬酸转化为异柠檬酸，然后透过乌头酸异构酶将其异构化为 TAA。 TAA 的累积可能透过抑制乌头酸酶在调节 TCA 循环中发挥作用。 此外，这种抑制可以透过反乌头酸甲基转移酶 TMT1 的单甲酯化来减轻，该酶已在大肠杆菌、酿酒酵母和 Ashbya gossypii 中被描述。

抗真菌防御

乌头酸也可能在某些植物的抗真菌防御中发挥作用。 例如，TAA 可能在小麦中积累，作为对抗白粉病 Blumeria graminis f 的保护机制的一部分。 sp。 小麦。 特别是，硫酸钾可以诱导 TAA 和较小程度的 CAA 在小麦叶片中大量累积。 此外，后来的研究表明，在实验性感染并饲喂矽的小麦植株中，TAA 被甲基化，形成甲基 TAA，其作为植物抗毒素来限制疾病。
有机酸根分泌物如苹果酸和酒石酸也似乎能抑制尖孢镰刀菌引起的枯萎病。 sp。 蚕豆 (FOF)，蚕豆 (Vicia faba)。 在限氮条件下，仅在根系分泌物中检测到TAA，而施氮后则检测到酒石酸和苹果酸。 到目前为止，尚不清楚在有限氮条件下TAA在蚕豆抗真菌防御中发挥什么作用。

拒食剂

TAA 似乎也对某些植物有拒食作用，例如稗草对抗褐飞虱 (Nilaparvata lugens) 。 其他研究进一步证明，稗草和一种抗性水稻品种「Babawee」对褐飞虱的取食具有抗性，因为存在 TAA，但不存在 CAA。 此外，在易感水稻品种「Koyonishiki」中未检测到TAA。 高水平的乌头酸产量也可能在一些谷类植物（如玉米、高粱和稗草）对蚜虫的抗性中发挥作用]。 例如，高粱叶子中较高水平的 TAA 对应于蚜虫负担和叶子损伤的减少，进一步表明 TAA 具有防御性植物化学物质的功能。

防御铝中毒

乌头酸和草酸是玉米中产生的主要有机酸。 乌头酸似乎可以保护玉米免受铝中毒。 玉米中的有机酸含量在早期收获期间较高，并随着每次连续收获而降低。 大约60%的乌头酸是反式异构体。 TAA 存在于玉米的芽和根中，可能透过有机酸螯合帮助保护植物免受铝中毒。 研究发现，与芽中相比，TAA 在 Al3+ 活性的作用下在根中累积的水平更高。
有趣的是，由于甘蔗等产 TAA 的草通常是大豆轮作策略的一部分，而且由于甘蔗酒糟有时会应用于田间，因此研究了 TAA 对大豆生长的影响。 研究发现，TAA 透过抑制光合作用和增加根部的 H2O2 来抑制大豆生长，导致水分吸收减少。 目前尚不清楚收获甘蔗后土壤中是否残留有残留的 TAA，或者 TAA 是否会迅速消散至可以忽略不计的水平，但值得考虑的是 TAA 对大豆轮作可能产生的影响。

生物膜抑制

乌头酸可能是生物膜形成的抑制剂。 佩斯塔纳-诺布尔斯等人。 报告了一项基于分子对接和分子动力学模拟的计算研究，从天然产物ZINC15资料库中筛选了224,205个分子。 结果预测 TAA 可能是参与细菌生物膜形成的 PleD 蛋白的配体和抑制剂。 PleD 及其同系物是二鸟苷酸环化酶，含有参与环二 GMP 第二信使形成的 GGDEF 结构域，这是一种参与生物膜形成所需群体感应的关键讯号分子。 因此，PleD 同系物通常是生物膜抑制剂高通量筛选的目标。 虽然 TAA 透过计算被确定为 PleD 的抑制性配体，但尚未经过实验验证。

抗发炎治疗

据报道，TAA 还可以透过含有 TAA 的黏膜黏附微球来治疗关节炎等疾病。 例如，药用植物 Echinodorus grandifloras 含有高含量的 TAA，在巴西用于治疗类风湿性关节炎。 TAA 与从Echinodorus grandiflorus 叶中提取的其他成分一起，在脂多糖(LPS) 刺激的THP-1 人类单核细胞的体外测定过程中，透过抑制肿瘤坏死因子-α (TNF-α) 的释放来发挥 抗发炎作用。 此外，TAA 的亲脂性可以透过与醇进行 Fisher 酯化形成 TAA 单、二或三酯来改善。 透过酯化提高 TAA 的亲脂性被用作改善 TAA 的药物动力学和跨生物膜转运的策略。 TAA 酯经口服给药并在脂多糖 (LPS) 诱导的关节炎小鼠模型中进行测试。 TAA 二酯被发现具有最强的生物活性，且用于酯化的醇的脂肪链越长，其抗发炎活性就越强。