天然产物化学与食品科学的关系.doc

1、天然产物化学与食品科学的关系摘要：本文简述了天然产物化学在食品科学中的应用，主要有药用天然产物化学研究的现状及其发展, 生物转化在天然产物化学中的应用。关键词：天然产物化学 食品科学 药物开发 生物转化食品产业是民生产业，是国民经济重要的支柱产业。进入新世纪以来，我国食品产业得到了迅猛进展，大规模以上食品工业产值已经突破 10 万亿元人民币，与此相适应，食品科学研究取得了许多重要成果。 天然产物化学是以天然资源为研究对象 , 探讨其化学组成、合成和作用的一门基础研究和应用基础研究科学,是从分子水平上研究基因、蛋白的功能,探索生命奥秘和认识生命活动规律的重要途径之一 1。天然产物化学的研究推动着

2、有机化学、合成化学、分析化学、结构化学、植物化学等基础学科的进步。通过对活性天然产物的合成研究,人们创造了许多新的有机合成方法和路线,从而极大地推动了现代医药、材料等产业的发展,对国民经济的健康持续发展具有重要的意义。天然产物化学与食品科学的关系尤为密切，近年来，天然产物化学在食品行业中的应用日益增加，比如保健食品，化学药物，食品生物转化技术。1 天然产物化学与药物开发天然产物自古以来就为人类健康服务。人类在与疾病作斗争的过程中,通过以身试药,日积月累,对天然药物的应用积累了丰富的经验。天然药物之所以能够防病治病,其物质基础在于所含的有效成分。研究中草药的有效成分,目的在于研究有效成分的化学结

3、构、理化性质与生物活性之间的关系,逐步阐明其防病治病的原理;寻找新药物、新药源或开发利用对国民经济有价值的资源;同时,探索中草药加工工艺,改进药物剂型,控制中药及其制剂的质量,提高临床疗效。由于天然药物往往含有结构、性质不同的多种成分,且有效成分的含量一般较低,因此研究和开发天然药物必须从复杂的中草药组成成分中提取、分离和鉴定出有活性的单体纯成分。有时,为了增强疗效,克服毒副作用,通过改变有效成分的结构,如制备其类似物或衍生物,以创制出更好更新的药物。以中草药或其他动植物、微生物和海洋生物为主要研究目标的天然产物化学工作,已经成为我国寻找新药的重要研究途径。1.1 一些引人注目的药用天然产物由

4、于现代分离技术和光谱方法的发展,以及近代生物技术和药理学方法的进步,从植物中分离得到的具有生理活性的天然产物不断被发现,其中一些已用作药物,另一些正在朝市场方向开发。下面介绍部分 70 年代以来国内外文献报道的具有意义的例子。 1.1.1 紫杉醇1971 年,美国科学家 Wani 等 2首先从短叶红豆杉(T.brevi folia)的树皮中分离得到紫杉醇(taxol),它具有复杂新颖的化学结构,属于三环二萜类化合物。它对疑难性卵巢转移癌(包括顺铂无效的疾病)、乳腺癌、肺癌后期及头颈部鳞状细胞癌等很有效,1992 年 FDA批准了紫杉醇用于临床治疗。由于紫杉醇罕见的化学结构和独特的抗癌作用机理,

5、近十多年来, 在国内外工业界、药物学界和化学界引起了很大的轰动 ,人们纷纷寻找各种方法开辟其来源。如我国已从红豆杉Taxus Chinensis(pilger) Rehd等红豆杉属的植物中分离到了紫杉醇 及其衍生物。由于天然原料中含量少和资源短缺问题,例如,要获得 1kg 紫杉醇需要砍伐大约 11 吨红豆杉树木(约 4800 株),因此,人们还大量研究了半合成、全合成、细胞组织悬浮培养到基因工程法的生产。随着紫杉醇主要构效关系的阐明,合成了紫杉醇的大量类似物,以寻找生物活性强、水溶性好的药物 3 。1.1.2 黄皮酰胺黄皮(Clausena Lansium)系生长在我国南方的一种果树, 民间用

6、其叶煮水治流感、疥癞,消风肿。其叶的水浸膏治疗黄疸型病毒性肝炎有效。杨明河等 4从黄皮叶中分离得一类具有 降 SGPT 活性的新酰胺化合物黄皮酰胺(Clausenamide), 结构由 X-射线衍射法确证。随后,又发现黄皮酰胺具有抑制脂质过氧化和脑保护作用。有人完成了这种保肝化合物的全合成 5,并发现只有(3R,4S,5S,7R)这种立体构型的化合物才具活性。德国 Bayer 公司正在开发这种药物。1.1.3 抗 HIV 活性化合物近年来人们对寻找抗 HIV 活性的化合物越来越感兴趣。值得一提的有没食子酸(digallic acid),各种丹宁 6, Castanosp ernine ,金丝桃

7、素( Hypericin),从大叶吴茱萸分得的喹啉类生物碱 Buchapine 和喹啉酮等 7,例如 Buchapine 和喹啉酮抗 HIV-1 感染活性 EC50 分别为 0.94、1.64mol/l,抑制 HIV-1 逆转录酶的活性 IC 50 分别为2.9、26.9mol/1。此外,从蓝桉(Eucalyprus globulus)中分离到的芳香族取代二萜(Macraarpol)等也是颇令人感兴趣的抗 HIV-1 感染活性的化合物 8。1.1.4 免疫调节剂和抗肿瘤活性多糖现已发现数百种天然多糖,很多用作药助剂,但真正作为药物开发还是近年来的事。在已分离的多糖中,分子量大多在 1 万45

8、万之间。现已知多糖的免疫活性及抗肿瘤作用与多糖的结构有关。关于构效关系已见讨论 9。对其结构进行改造修饰,寻求最佳活性的半合成工作已开始进行。这些具有免疫刺激作用的多糖多来自真菌、地衣、藻类,结构通常以1,3 及 1,6 糖甘键为主的葡聚糖,从高等植物中发现了 1,2果聚糖及 阿拉伯聚糖。2 生物转化在天然产物中的应用生物转化是利用生物体系或其产生的酶制剂对外源性化合物进行结构修饰的生物化学过程。就其本质而言,生物转化是生物体系对外源性底物的酶催化反应 10-12。生物转化反应具有高效、高选择性、反应清洁、产物单纯、易分离纯化、能耗低等优点,符合绿色化学的要求。著名化学家 Wong Chi H

9、uey 教授指出,生物转化在天然产物化学中的应用具有巨大的潜力,设计与发展适于生物转化(酶促)反应的新的底物和利用遗传工程改变酶的催化性质等都将大大利于其在制药工业中的应用 13。因此,生物转化方法已经受到研究者的广泛重视,并正迅速发展。2.1 有机合成及天然产物结构修饰天然活性药物常常因为含量低、资源有限、结构复杂、不能采用化学方法合成等缺点而难以开发成新药。生物转化是由酶催化的化学反应, 具有位置选择性和立体选择性好、催化效率高、反应条件温和、反应类型多、不污染环境等特点,因此往往应用生物转化方法合成有活性的天然产物或寻找有活性的天然产物衍生物,易于得到结构新颖的化合物,且避免了有机合成反

10、应中对其它基团的保护与去保护,简化了合成步骤,提高了产物的收率,现已成为开发新药的有效途径。利用结构类似物进行生物转化对于开发天然活性药物具有重要意义。1952 年,Murray和 Peterson 首先成功用黑根霉( Rbizopus nigricans)使孕酮(黄体酮)实现 C11 羟基化,成为 C11A-羟基孕酮(图 1),成功地解决了皮质激素类药物合成过程中的难题,也使人们意识到用化学方法极难发生的 C11 羟基化,通过微生物转化能轻而易举地完成,从而开创了微生物转化甾体化合物的先例 14。10-羟基喜树碱(HCPT),作为抗癌药,其疗效好而且毒性低。近期发现多种微生物能定向将含量较高

11、的喜树碱(CPT,图 2)转化 10-羟基喜树碱 15。2.2 作为药物代谢机制的研究模型近年来,有人发现药物的体内代谢产物往往与其微生物转化产物具有一定的相似性,遂提出将微生物转化作为药物体内代谢的模型,从而将生物转化技术引入到一个新的应用领域。文献报道华蟾毒精和蟾毒灵在大鼠肝脏的主要代谢途径 3-OH 脱氢及 16-位脱乙酰基反应,与微生物转化具有一定的相似性,例证了微生物转化可用于制备并辅助鉴定药物的体内代谢产物。Hufford 研究组对蒿乙醚进行微生物转化,得到的转化产物中 9B-羟基蒿乙醚、9A-羟基蒿乙醚、2A-羟基蒿乙醚、14-羟基蒿乙醚也是蒿乙醚在小鼠肝细胞中的代谢产物。药物的

12、体内代谢产物在生物制品中大多含量很低,且杂质干扰严重, 产物的分离纯化与结构鉴定均较困难;而微生物转化产物的分离过程则相对简单,且可实现较大量的产物制备,因此可用于辅助鉴定药物代谢的微量乃至痕量产物,并可大量制备以作深入的研究 16。2.3 阐明抑真菌药物的耐药机制最近发现生物转化是微生物耐受抑真菌药物的重要脱毒机制。Aleu 等发现Botrytiscinerea 可使具有抑真菌活性的天然化合物 Ginsenol 和 Isoprobotryan-9A-ol 的结构发生改变, 生成羟基化产物,从而失去抗真菌作用。该研究成果为抑真菌药物的研制及耐药机制的阐明提供了新的思路。Pedras 等还发现植

13、物对病原性真菌的耐受亦存在着类似于生物转化的机制。植物可使真菌产生的有害物质通过糖苷化、羟基化等反应,失去毒害作用 17。综上所述,我们应该重视天然产物化学研究中各个研究阶段工作的开展,同时也必须有重点地选择各个研究阶段的关键科学问题进行研究。要充分利用现代科学技术手段和多学科交叉的方法,将研究的触角深入到天然产物的原始出发点,即与之相关的生理行为的研究中去,为后基因组时代我国食品科学的发展做出应有的贡献 18。参考文献1Nicolaou K C, Vourloumis D , Winssinger N , Baran P S.Angew. Chem. Int. Ed.,2000,39:442

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