黄酮类化合物分类和生物活性机理

胡云霞，樊金玲，武涛

(河南科技大学 食品与生物工程学院，河南 洛阳 471003)

0 引言

黄酮类化合物(Flavonoids)是植物次生代谢产物，以结合态(黄酮苷)或自由态(黄酮苷元)形式存在于草药、水果蔬菜、豆类和茶叶等食源性植物中，具有抗氧化性，可清除自由基，调节人体新陈代谢，预防慢性疾病和变态反应，降低心血管疾病死亡率，抑制多种肿瘤细胞株的体外生长[1]；还可抑制多种酶，如醛糖还原酶，环氧合酶，Ca2+-ATP酶，黄嘌呤氧化酶，磷酸二酯酶和脂肪氧化酶[2]的活性；广泛用于预防或治疗多种疾病，如维护毛细血管完整性、肝脏解毒、消炎、抗溃疡、抗病毒等[3]，是中草药或保健食品中的重要活性成分.

1 黄酮类化合物的主要类型、化学结构和来源

自1962年Geissman T A[4]首次对黄酮进行综述以来，人们发现并鉴定了9000多种黄酮类化合物，结构上均为两个具有酚羟基的苯环(A-与B-环)通过中央三个碳原子相互连结而成.基本母核称为2-苯基色原酮[5]，由乙酸和苯丙氨酸在植物体内生物合成[6](图1).植物体内通过类苯基丙烷途径先将苯丙氨酸转化成4 -香豆酰基-CoA，查耳酮合酶是起始和限制酶，然后在多种异构酶、还原酶、羟化酶、双加氧酶参与下，进入类黄酮合成途径合成基本骨架2-苯基色原酮，再通过修饰合成大部分黄酮类化合物[7].

图1 黄酮类化合物的基本结构及其生物合成[6]

按照链接A环和B环的三碳原子结构如是否成环、氧化、取代的差异，可以将黄酮分为黄酮类、黄酮醇类、橙酮、异黄酮、花青素、查耳酮以及上述各类的二氢衍生物[8, 9].如查耳酮和二氢查耳酮的三碳原子环即C环为开环，异黄酮的基本母核B环连接在C-3位置，橙酮或橙酮醇的C环为五元碳环，按C环的氧化程度不同分为黄酮、黄酮醇、二氢黄酮、二氢黄酮醇、黄烷和花青素等[9].一些不同来源的黄酮种类和分子结构如表1所示.

表1不同植物中常见黄酮类化合物的化学结构及其来源

黄酮类化合物的化学性质，与其分子结构中的双键、羟基、酚羟基、甲基、甲氧基、异戊烯基等官能团在其平面结构中的结合状态、各基团的修饰、是否与糖结合成苷有关.黄酮类化合物广泛存在于各类植物的根、茎、叶、花、果实和种子中[10]，如葛根、黄芩、陈皮、银杏叶、红花、白果等中草药[11]；洋葱、辣椒、西兰花、芹菜、香菜、豆角、甘蓝、生菜、大豆等蔬菜或水果[12]，甚至酿造的果酒中都有黄酮类化合物的存在.许亮等[13]研究发现在利用枸杞发酵酿制果酒的过程中，不仅产生黄酮，黄酮含量还会随时间而变化.

黄酮类化合物不仅是植物重要的次级代谢产物，也是其对人类发挥药理作用的重要活性成分.通常情况下，人们通过饮食摄取类黄酮促进身体健康.据报道，日人均摄取类黄酮大约1-2g，其中黄酮和黄酮醇平均约23mg，槲皮素16mg.随着分离鉴定技术进一步发展，更多天然黄酮会被发现，通过化学改造，更多自然界中不存在的黄酮衍生物会被生产制造，造福人类.

2 黄酮类化合物的生物活性机制

国外有句俗语：“一天一苹果，医生远离我”，意在苹果中含有的槲皮素对人体具有保护作用.黄酮类化合物抑制多种酶，如水解酶、透明质酸酶、碱性磷酸酶、芳香基硫酸酯酶、cAMP磷酸二酯酶、α-葡萄糖苷酶和激酶的活性[14]；作为抗氧化剂、自由基清除剂和螯合剂，可抑制脂质过氧化、抑制血小板聚集、调理毛细血管通透性和脆性；其多种生物活性包括抗炎症、抗菌、抗病毒、抗变态反应、抗肿瘤、抗神经变性疾病和舒张血管等正逐渐受到重视.

2.1 黄酮类化合物抗氧化作用机制

生物体在进行新陈代谢过程中会产生自由基，即一些具有不成对电子的离子或基团.这个反应一般是通过一个链式反应进行的，包括“链引发”、“链增长”和“链终止”(公式1).

(1)

由于自由基含有未配对电子，极不稳定，易从相邻的分子(如脂肪、蛋白质甚至DNA)中夺取电子，使后者变成新的自由基，然后周而复始形成连锁反应，大量自由基的生成破坏了生物大分子结构，导致细胞膜结构破坏、功能丧失、直至基因突变、衰老、死亡.

黄酮类化合物清除自由基或对抗自由基生成的能力源于其供氢作用，分子中酚基团可提供还原性“H”原子，解离并提供电子，使上述链式反应终止(公式2).在此过程中，黄酮类化合物产生高反应活性的羟基取代基发挥了重要作用[15].

F-OH+R·→F-O·+RH

(2)

根据芳氧自由基生成和分解反应的动力学研究，黄酮类化合物抗氧化能力与其分子中3个基团结构有关.一是B-环结构中3',4'形成的邻苯二酚或邻二羟基结构，增加了芳氧自由基的稳定性，使之可通过氢键参与电子脱位(图2a)；二是2-3之间的双键可与4的氧代基共轭，使电子容易从B-环脱位(图2b)；三是3(a)和5(b) 存在羟基(图2c)[16].

图2 黄酮类化合物产生抗氧化作用的官能团结构[1]

上述3个结构中，B环中3',4'-邻苯二酚结构最重要，可强烈抑制过氧化脂质生成，如果缺失该结构，抗氧化活性就会下降.如黄烷酮和黄酮的3'位缺乏该羟基，抗氧化能力就弱.

除了黄酮类化合物抵抗自由基产生之外，体内还存在其它清除自由基的酶系统，如超氧化物歧化酶(SOD)就是重要的酶系统，他们和黄酮类化合物协同作用，清除自由基，增强免疫力，减缓衰老，预防疾病.

近几年，我国研究者对诸多中草药总黄酮的生理活性进行了广泛研究，如张红兵等对欧亚旋覆花[17, 18]、徐佳杨等[19]对淫羊藿、王瑞婷等[20]对黄芩、冯静等[21]对黄杞、艾明等[22]对葛花，发现这些总黄酮均具有清除自由基，抗氧化应激的作用.

2.2 黄酮类化合物抗炎作用机制

炎症是异物入侵时人体防御系统产生的综合反应，该反应涉及补体系统、血液凝固、体液免疫和细胞免疫、细胞因子、血管生成和修复等多种系统，过程复杂.

炎症过程中，大量巨噬细胞被招募，通过抗体的FcR识别并参与抵抗入侵的异物(微生物或其毒素).FcR受体以非共价键形式与质膜上的磷脂酰肌醇脂肪酶结合导致三磷酸肌醇和二乙酰基甘油(DAG)的释放并持续激活蛋白激酶C，使毒素和抗体复合物被吞噬细胞内吞，激活磷脂酶A2将细胞膜磷脂转换成花生四烯酸(arachidonic acid，AA).AA在环加氧酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)和5-脂氧化酶(5-lipoxygenase，5-LOX)存在下， 催 化 生成炎 症 因 子PGE2及白三烯类(leukotriene，LTs)，引起炎症和启动凝血系统，这就是AA通路.AA是许多二十烷酸衍生物如前列腺素E2(PGE2)、前列腺环素(PGI2)、血栓素A2(TXA2)、白细胞三烯和C4(LTC4)的直接前体，这些产物本身有强烈的介导内皮细胞和组织损伤的作用，加重原始炎症刺激因子的损伤效能，对脂蛋白代谢、血液流变性、血管弹性、白细胞功能和血小板激活等重要事件的发生发展具有调节作用.COX和LOX是AA通路反应的起始，而黄酮类化合物可抑制这两个酶的活性，从而抑制了炎症反应的起始[23](图3).

图3 黄酮类化合物抑制炎症反应的花生四烯酸途径

黄酮类化合物还可调节细胞因子(可作为免疫细胞之间通讯的化学信号)的产生；抑制PKC与ATP的结合位点，促进干扰素的合成；抑制诱导型一氧化氮合酶；抑制胞内酪氨酸激酶和中性粒细胞脱颗粒，减少AA的释放[24].

研究表明，柑桔类黄酮，橙皮苷具有抗炎和镇痛作用[25]；芹菜素、木犀草素、槲皮素具有抗炎活性；山奈酚、槲皮素、杨梅素、漆黄素有抑制COX和LOX活性的作用[26].Guardia 等人报道，每天按80 mg·kg-1摄取槲皮素和橙皮苷对治疗急性或慢性炎症有较好效果，而芦丁仅对慢性炎症有疗效[27].总之，各种黄酮通过不同途径发挥抗炎作用.

2.3 黄酮类化合物抗血栓形成的效应机制

AA的释放，进而形成前列腺素、环内过氧化物和血栓素A2，促进血小板活化和聚集，是导致急性血小板血栓形成、动脉粥样硬化发生发展直至动脉狭窄栓塞的重要原因.血小板的聚集并活化，黏着于血管内壁，生成脂质过氧化物和氧自由基，抑制了血管内皮释放前列环素(该物质具有很强的抑制血小板聚集及扩张血管功能的活性)和一氧化氮的功能.

黄酮类化合物清除自由基，抑制COX和LOX途径，减少TXA2生成，抑制血小板聚集而抗血栓形成(图4).

图4 黄酮类化合物抗血栓形成效应

自上世纪60年代以来的研究表明，黄酮类化合物如槲皮素、山奈酚、杨梅素是抗血小板聚集性能的化合物，已用狗和猴为被试对象得以证明[28]；茶色素可降低血液凝固性，增加纤维蛋白溶解，防止血小板粘附和聚集；黄酮醇直接清除自由基，使血管内皮保持适当浓度的前列环素和一氧化氮，进而发挥抗血栓形成作用.

2.4 黄酮类化合物抗肿瘤作用机制

癌症是控制细胞生长增殖机制的失常引起的疾病[29].癌细胞与正常细胞的不同，表现在不受控制的增殖、分化、功能丧失，侵袭和转移.癌细胞大量消耗营养物质，释放多种毒素，使人体产生不适症状；侵袭和转移到全身各处增殖，导致消瘦、乏力、贫血、发热、食欲不振以及严重的脏器功能受损.

活性氧对机体的损伤，是癌症发生和发展的重要原因.通常情况下，体内抗氧化系统难以完全清除和抵抗活性氧产生，活性氧积累最终导致DNA破坏，而损伤情况下的有丝分裂又延长DNA的诱变暴露时间，增加了受损DNA进一步导致基因突变和细胞分裂异常的风险，形成恶性循环.活性氧还直接参与细胞信号转导和细胞生长，也是基因突变的诱因.总之，超氧化物的积累是引起癌症的重要原因之一.

长期以来，虽然医疗工作者经常利用草药治疗癌症，但直到最近才了解其中的黄酮类化合物是有效成分之一.这归功于对蜂胶和Essiac茶(一种由Essiac发明的美洲保健茶，有防癌作用)中黄酮类物质的研究，两者的黄酮类化合物都具有较强的抗癌作用[30].

黄酮类化合物通过多种途径发挥抗肿瘤作用.其作用机制有三方面，一是可诱导细胞凋亡；二是作为活性氧分子的清除剂，高效清除单线态氧和各种自由基，防止DNA损伤和肿瘤发生；三是通过改变代谢途径，抑制致癌物质的生物活化.所以黄酮类物质可调节细胞的增殖、分化、凋亡、转移和血管发生，干预癌症的发生、发展和结局[30](图5).

图5 黄酮类化合物对癌症各阶段发展进程的效应

在细胞增殖方面，芹菜素、漆黄素和木犀草素是细胞增殖的强效抑制剂；染料木素和槲皮素可抑制参与细胞增殖的蛋白酪氨酸激酶.在雌激素依赖性肿瘤细胞或动物模型中，类黄酮(如异黄酮和槲皮素)抗增殖作用还与其抗雌激素特性有关[31].

在细胞侵袭和转移方面，槲皮素和芹菜素可以抑制黑色素瘤的生长，影响瘤细胞对小鼠的侵袭转移潜能.

血管生成是细胞信号转导和刺激的结果，血管生成抑制因子可以在血管生成中各个时期如血管内皮细胞的增殖、迁移、管腔形成等阶段进行干预，但肿瘤发生的血管生成却不受此调控.黄酮类化合物通过对多种内源性血管生成因子和抑制因子的调节，抑制血管的生成.如茶黄素可通过抑制表皮生长因子和血小板衍生生长因子介导的信号转导途径，抑制血管生成的发生.虽然已知黄酮类化合物是血管生成抑制剂，但真正机制目前还不十分清楚，有待进一步研究.

针对癌症发生的其它相关因素也进行了研究，槲皮素、山奈酚、高良姜素和芹菜素可抑制CYP1A家族的细胞色素P450酶，槲皮素和柚皮苷抑制CYP3A4(一种在肝脏中丰富的P450酶)，有利于多种致癌物质或药物的代谢.此外，动物和体外研究表明，儿茶素增强了一些解毒酶和抗氧化酶的活性，如谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽S-还原酶、过氧化氢酶和醌还原酶.另外，芹菜素、木犀草素、槲皮素通过P53途径，诱导细胞周期阻滞和凋亡[32].

3 结语

经过数十年研究，已部分阐明黄酮类化合物对人类健康的重要性.众所周之，中草药和蔬菜中都含有丰富的黄酮类化合物，实验药食同源植物备受关注.当然，消费者更希望通过饮食摄取安全且廉价的天然黄酮，因为其易于吸收、半衰期长且副作用小.普通人群应该多摄食富含黄酮的水果、蔬菜、饮料或保健品.在此，笔者也希望有关部门就不同人群对黄酮化合物的每日需求量进行评测，并制定相应指导标准供大家参考使用.

[1]Perez-Vizcaino F, Duarte J, Santos-Buelga C. The flavonoid paradox: conjugation and deconjugation as key steps for the biological activity of flavonoids[J]. J Sci Food Agric, 2012,92(9):1822-1825.

[2]AD A. Pharmacological Activities of Flavonoids: A Review[J]. Int J Pharm Sci Nanotech, 2011,4(2):1394-1398.

[3]Brunetti C, Di Ferdinando M, Fini A, et al. Flavonoids as antioxidants and developmental regulators: relative significance in plants and humans[J]. Int J Mol Sci, 2013,14(2):3540-3555.

[4]Geissman T A. The chemistry of flavonoid compounds[M]. Oxford, London, New York, Paris.: Pergamon Press, 1962.

[5]Tsuji P A, Stephenson K K, Wade K L, et al. Structure-Activity Analysis of Flavonoids: Direct and Indirect Antioxidant, and Antiinflammatory Potencies and Toxicities[J]. Nutr Cancer, 2013.

[6]Weston L A, Mathesius U. Flavonoids: their structure, biosynthesis and role in the rhizosphere, includingallelopathy[J]. J Chem Ecol, 2013,39(2):283-297.

[7]Martens S, Preuss A, Matern U. Multifunctional flavonoid dioxygenases: flavonol and anthocyanin biosynthesis inArabidopsis thaliana L[J]. Phytochemistry, 2010,71(10):1040-1049.

[8]Tsuchiya H. Structure-dependent membrane interaction of flavonoids associated with their bioactivity[J]. Food chemistry, 2010,120(4):1089-1096.

[9]张培成. 黄酮化学[Z].北京：化学工业出版社, 2009.

[10]Shi Q, Sui L Z, Lu Y Q. Research on flavonoids contents in Fructus sophorae with capillary zone electrophoresis[J]. Pak J Pharm Sci, 2013,26(6):1131-1136.

[11]徐宁, 张峰, 肖远胜, 等. 中药黄酮类化合物[J]. 大学化学, 2010，(1).

[12]Chong M F, George T W, Alimbetov D, et al. Impact of the quantity and flavonoid content of fruits and vegetables on markersof intake in adults with an increased risk of cardiovascular disease: the FLAVURS trial[J]. Eur J Nutr, 2013,52(1):361-378.

[13]许亮, 师俊玲, 任健, 等. 枸杞果酒发酵过程中黄酮含量的变化[J]. 食品科学, 2011(5):100-103.

[14]Xiao J, Hogger P. Metabolism of dietary flavonoids in liver microsomes[J]. Curr Drug Metab, 2013,14(4):381-391.

[15]Ferreira J F S, Luthria D L, Sasaki T, et al. Flavonoids from Artemisia annua L. as Antioxidants and Their Potential Synergism with Artemisinin against Malaria and Cancer[J]. Molecules, 2010,15(5):3135-3170.

[16]Weston L A, Mathesius U. Flavonoids: their structure, biosynthesis and role in the rhizosphere, includingallelopathy[J]. J Chem Ecol, 2013,39(2):283-297.

[17]Zhang H, Wen J, Wang Y, et al. Flavonoids from Inula britannica L. inhibit injury-induced neointimal formation by suppressing oxidative-stress generation[J]. Journal of Ethnopharmacology, 2009,126(1):176-183.

[18]Zhang H B, Wen J K, Zhang J, et al. Flavonoids from Inula britannica reduces oxidative stress through inhibiting expression and phosphorylation of p47(phox) in VSMCs[J]. Pharm Biol, 2011,49(8):815-820.

[19]徐佳杨, 董晓蕾, 郁郁, 等. 淫羊藿总黄酮对高脂血症大鼠氧化应激水平的相关研究[J]. 河北中医, 2012,34(1):111-114.

[20]王瑞婷, 关丽华, 周健, 等. 黄芩茎叶总黄酮对Aβ25-35致大鼠学习记忆损伤及海马抗氧化酶活性的影响[J]. 神经药理学报, 2011,01(2):14-18.

[21]冯静, 柴东燕, 秦玉花, 等. 黄杞总黄酮对脑缺血再灌注大鼠的脑保护作用[J]. 郑州大学学报(医学版), 2011,46(6):910-912.

[22]艾明, 杨芳, 孙明, 等. 葛花总黄酮对糖尿病小鼠视网膜MDA、SOD的影响[J]. 临床眼科杂志, 2012,20(4):374-376.

[23]Fu Y, Chen J, Li Y J, et al. Antioxidant and anti-inflammatory activities of six flavonoids separated from licorice[J]. Food Chem, 2013,141(2):1063-1071.

[24]Fu J H, Zheng Y Q, Li P, et al. Hawthorn leaves flavonoids decreases inflammation related to acute myocardial ischemia/reperfusion in anesthetized dogs[J]. Chin J Integr Med, 2013,19(8):582-588.

[25]刘学仁, 张莹, 林志群. 橙皮苷和橙皮素生物活性的研究进展[J]. 中国新药杂志, 2011，(4):329-333.

[26]Costa S S, Couceiro J N, Silva I C, et al. Flavonoids in the therapy and prophylaxis of flu: a patent review[J]. Expert Opin Ther Pat, 2012,22(10):1111-1121.

[27]Lee C C, Shen S R, Lai Y J, et al. Rutin and quercetin, bioactive compounds from tartary buckwheat, prevent liver inflammatory injury[J]. Food Funct, 2013,4(5):794-802.

[28]Osman H E, Maalej N, Shanmuganayagam D, et al. Grape juice but not orange or grapefruit juice inhibits platelet activity in dogs and monkeys[J]. The Journal of nutrition, 1998,128(12):2307-2312.

[29]Ravishankar D, Rajora A K, Greco F, et al. Flavonoids as prospective compounds for anti-cancer therapy[J]. Int J Biochem Cell Biol, 2013,45(12):2821-2831.

[30]Takemura H, Sakakibara H, Yamazaki S, et al. Breast cancer and flavonoids - a role in prevention[J]. Curr Pharm Des, 2013,19(34):6125-6132.

[31]Hou D X, Kumamoto T. Flavonoids as protein kinase inhibitors for cancer chemoprevention: direct binding and molecular modeling[J]. Antioxid Redox Signal, 2010,13(5):691-719.

[32]Hui C, Qi X, Qianyong Z, et al. Flavonoids, flavonoid subclasses and breast cancer risk: a meta-analysis of epidemiologic studies[J]. PLoS One, 2013,8(1):e54318.