大蒜素的生物学活性及应用研究现况*

姚静文 赵景鹏 王德才

(1．泰山医学院药学院，山东 泰安 271016； 2．山东农业大学动物科技学院，山东 泰安 271018)

大蒜素的生物学活性及应用研究现况*

姚静文1赵景鹏2王德才1

(1．泰山医学院药学院，山东 泰安 271016； 2．山东农业大学动物科技学院，山东 泰安 271018)

大蒜素；生物合成；抗菌；保健；谷胱甘肽

人们对大蒜烹调、药用甚至精神价值的认识由来已久，可以追溯到公元前[1]。不过，直到1944年，Cavallito和Bailey[2]分离并描述了大蒜素的特性，业界才开始对大蒜的功能机制有更深入的了解。本研究综述了大蒜素的生物合成及其对微生物、植物和动物细胞的生理活性，以期为大蒜素在农业、医药工业中的合理应用提供指导。

1 大蒜素的合成

大蒜素是一种硫代亚磺酸酯，Stoll和Seebeck[3]测定了它的结构。在自然状态下，它由破损的植物组织经酶促反应生成。大蒜素的前体是一种非蛋白氨基酸-蒜氨酸，即S-烯丙基-L-半胱氨酸亚砜。蒜氨酸和其他S-烷(烃)基-L-半胱氨酸亚砜可被蒜氨酸酶水解[4]，其中，蒜氨酸的分解产物是脱氢丙氨酸和烯丙基次磺酸，两分子烯丙基次磺酸能自动缩合成一分子大蒜素[5]。蒜氨酸存在于大蒜和熊葱中[3]，而洋葱不能合成蒜氨酸，但能生成其异构体-异蒜氨酸(反式-(+)-S-(1-丙稀基)-L-半胱氨酸亚砜)。目前关于蒜氨酸的生物合成途径尚不明了，Granroth[4]采用放射性标记的方法研究报道，丝氨酸和谷胱甘肽可能是S-烯丙基-半胱氨酸的合成底物。

在大蒜素的化学合成方面，已有关于其酶法(离体法)制备工艺的报道[6]。它的底物蒜氨酸既可从大蒜中提取，也可由半胱氨酸经溴丙烯烷化、过氧化氢氧化而成[3]。因为大蒜素的反应活性高，热稳定性差，所以，很难获得和储存无大蒜烯、乙烯基二噻烯或聚硫烷等相关污染物的纯大蒜素。不过，据悉[1]，大蒜素可在稀释的水溶液中-70 ℃稳定保存数年(2年内无损失)。

2 大蒜素的抗菌作用及应用

根据合成方式，植物抗生素被分成两类。一种来自现有底物，不需要细胞额外耗能(被动合成)，被称作组成型抗菌化合物。另一种由植物从头合成，需要细胞耗能(主动合成)，被称为诱导型抗菌化合物。大蒜素属于前者，由新鲜破损组织经蒜氨酸/蒜氨酸酶系统生成，是防御外来生物侵害的化学武器。

2.1 大蒜素的抗菌活性

从大蒜中分离有机硫化合物并检测其抗菌活性的研究见于20世纪40年代[2]，无论是大蒜素分解形成的二烯丙基二硫醚(DADS)还是二烯丙基聚砜，都无任何明显的抗菌活性，除非很高的应用剂量。Koch和Lawson[1]测定了碎蒜中存在的有机硫化合物要抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生长所需的最低浓度，结果发现，DADS的有效浓度(6.15mM)大约是大蒜素(0.17 mM)的36倍。

作为大蒜素分解的直接产物之一，DADS的抗菌活性显著降低，说明硫代亚磺酸基团具有重要作用，因为它在大蒜素还原生成DADS的过程中被失去。Small等[7]化学合成了包括大蒜素在内的不同硫代亚磺酸酯，它们的区别在于与硫代亚磺酸基团相连的烷(烃)基结构是直链的还是分支的。研究者检测了这些衍生物对20种不同的细菌分离株的抑制效果，有两个发现：第一，烷(烃)基的分支越多，抗菌活性越低；第二，碳链越长，硫代亚磺酸酯对革兰氏阳性菌的抑制效果越强，同时对革兰氏阴性菌的抑制效果越差。

基于所研究的微生物和抗生素，以摩尔比为基础，传统抗生素像β-内酰胺类(青霉素及其衍生物如氨苄青霉素)和糖苷类抗生素如卡那霉素的抗菌功效与大蒜素相当[2-8]。不过，相比大多数常用抗生素，大蒜素的抑菌谱更广。例如，大蒜素能有效抑制革兰氏阳性菌和阴性菌，而青霉素对后者几乎无效[2]。大蒜素也能抑制对特定抗生素耐受的人类病原体，一个明显的例子是对甲氧西林耐受的金黄色葡萄球菌。

在某些探讨大蒜素抗菌活性的研究中，所用材料为大蒜提取物而非纯大蒜素。通常，大蒜提取物的抗菌活性与大蒜素浓度相关；如果在提取过程中，大蒜素的形成被抑制或大蒜素被去除，提取物就会失去抗菌活性。不过，Fujisawa等[8]证实，以摩尔比为基础，含大蒜素的大蒜提取物对金黄色葡萄球菌的抑制功效是合成大蒜素的2倍，表明大蒜素与提取物中其他成分的协同作用或与其他抗菌成分的叠加效应。

2.2 大蒜素的抗菌机制

通常，一种化合物具有抗菌活性基于两个重要特征。第一，它必须能够到达潜在的作用靶点，如果目标位于细胞内的话，就意味着它必须进入微生物细胞内部。就细菌而言，抗菌素必须穿透细胞壁和细胞膜。除了这两个结构，某些细菌外围还包裹粘液或荚膜。第二，抗菌素进入细胞后，必须要有一个可以导致细菌失活或死亡的攻击靶点。Miron等[9]研究了人造和天然磷脂膜对大蒜素的通透性，证实大蒜素很容易穿过它们。

在大蒜素进入细胞后，它的抗菌功效取决于其与作用靶点的反应以及这些靶点对于细胞的重要性。Cavallito等[10]研究报道，一些植物源抗菌剂如大蒜素和一些非植物源抗菌剂如青霉素都与半胱氨酸反应，使用半胱氨酸预处理会使它们的抗菌活性完全消失。这些抗菌剂与半胱氨酸残基的反应性因后者所处的化学微环境而异。不管相邻基团如何，只要巯基(-SH)游离，一些抗菌剂如大蒜素就能与每一个半胱氨酸残基反应。另有一些抗菌剂如青霉素，只有当其他氨基邻近半胱氨酸残基时，与半胱氨酸的反应性才增加，否则反应速率就大大减缓。还有一些抗菌剂如绿脓菌素，与半胱氨酸的反应性介于两者之间。因为大蒜素易与所有游离的半胱氨酸残基反应，所以，它的抗菌力会被一些对维持细胞活性并不重要的蛋白质和低分子量的硫醇中和。另一方面，青霉素对邻近氨基的半胱氨酸残基具有高度的亲和性，这使其抗菌力不会浪费在无关紧要的靶点上，故比大蒜素更高效。

有研究[11-12]报道了大蒜素与某些含有硫醇的酶的反应性，如Wills[13]在离体条件下，使用大蒜素抑制一些参与初级代谢的重要酶类，包括琥珀酸脱氢酶、己糖激酶、磷酸丙糖脱氢酶和乙醇脱氢酶。值得一提的是，尽管有些酶含有硫醇基团，但不会被大蒜素灭活。这可能与酶蛋白内部结构的微环境有关[24]，即半胱氨酸的离解度不当，与大蒜素的反应性很差。还有一些酶不含硫醇基团也会被大蒜素抑制，表明半胱氨酸并不是大蒜素作用的唯一靶点。Rabinkov等[12]运用反相高效液相色谱(RP-HPLC)和核磁共振(NMR)技术分析产物，发现大蒜素与半胱氨酸巯基之间的作用是一种二硫键交换反应。

1988年，Feldberg等[14]研究了大蒜素对鼠伤寒沙门氏菌DNA、RNA和蛋白质合成的影响。大蒜素抑制鼠伤寒沙门氏菌生长所需的最低浓度为0.3 mM，该剂量并不致死，在经历大约50 min的停滞期后，鼠伤寒沙门氏菌就会复苏，继续以较慢的速度生长。研究发现，在大蒜素处理几分钟后，[3H]-胸苷、[3H]-尿嘧啶和[3H]-亮氨酸的摄取率明显下降，最高幅度可达68%、100%和65%，提示大蒜素可能抑制细菌DNA、RNA和蛋白质的合成。不过，这并不排除是这些前体物的转运蛋白受抑所致。例如，如果这些转运蛋白的结构中含有暴露的半胱氨酸基团的话，大蒜素对其就有直接破坏作用。另一种可能性是，大蒜素处理影响了细菌代谢通路中的某些酶，使这些转运蛋白的能量供应不足。

2.3 大蒜素对真菌的影响及应用

大蒜素对真菌细胞也具有杀伤作用，在活体和离体条件下都能抑制孢子萌发和菌丝生长[15]。例如，使用接种孢子的琼脂进行平板扩散试验，葡萄孢菌、瓜织球壳菌、甘蓝链格孢菌和稻瘟病菌都能被新鲜蒜汁中的大蒜素显著抑制。再者，大蒜汁对感染链格孢菌的胡萝卜种子具有与商业消毒剂媲美的效果。使用大蒜汁处理感染病原菌的小麦种子，其发芽率和幼苗发育明显改善[16]。因此，在生态农业建设中，大蒜素可被考虑用于种子消毒。在人类和动物医学中，大蒜素可被用于治疗肺曲霉菌病，因为它易挥发，能够吸入肺中[17]。大蒜素也可被用于治疗皮肤真菌感染[18]，如念珠菌病，其效果与常用抗真菌药氟康唑相当。

关于大蒜素的抗真菌机制，很多在面包酵母上的研究表明，它与其他已知的抗真菌物如铜具有协同作用[19]。其中，大蒜素与两性霉素B的协同抗性提示[20-21]，它可能影响真菌细胞膜。很多研究[22]证实，大蒜素破坏氧化还原平衡(还原型谷胱甘肽被氧化)，导致酵母细胞凋亡。Yu等[23]利用基因芯片技术，检测了大蒜素对酵母细胞转录组的影响，发现大蒜素通过抑制不同的转录因子(YAP1、MSN2/4、RPN4和SKN7等)，降低一些重要酶类的基因表达，包括氨基酸代谢(尤其是蛋氨酸)、铁摄取、呼吸链、硫胺素代谢和蛋白酶体的蛋白质降解过程。

3 大蒜素对动物和人类健康的影响及应用

3.1 大蒜素与心血管疾病

心血管疾病的成因非常复杂，其中，氧化应激如低密度脂蛋白(LDL)的氧化与动脉粥样硬化关系密切。尽管大蒜素在化学组成上是一种氧化剂，但是，在生理条件下，低剂量的大蒜素具有抗氧化作用[24]，因为轻度氧化应激可以激活对氧化还原平衡敏感的转录因子，诱导所谓II相解毒酶的基因表达，保护机体免受进一步的氧化损伤。大蒜素是一种亲电体，许多研究[25-26]证实，它能激活Nrf2/Keap1系统，调节各种抗氧化酶的表达，尤其是谷胱甘肽的生物合成。值得一提的是，除心血管疾病外，大蒜素活化Nrf2对其它疾病如神经退行性疾病也有益。据报道[26]，大蒜素通过活化Nrf2，缓解与年龄相关的认知障碍和记忆衰退。

根据所谓的“LDL受体”假说，胆固醇是动脉粥样硬化的主因，可能的机制是巨噬细胞被氧化型LDL吸附和活化，进而引起血小板在动脉内聚集，故胆固醇也是缺血性疾病如心绞痛、心肌梗死和中风的风险因素。通常，临床使用他汀类药物，竞争性抑制3-羟基-3-甲基戊二酰CoA(HMG-CoA)还原酶，减少内源胆固醇的合成。大蒜素通过抑制角鲨烯单加氧酶和乙酰CoA合成酶，也能控制胆固醇的生物合成。此外，因为CoA含有硫醇基团，所以大蒜素还可与未乙酰化的CoA直接反应，使CoA依赖的胆固醇合成途径受阻。

血小板聚集是导致心血管疾病、心脏和大脑缺血的另一个重要因素，它的形成过程比较复杂，前提条件是凝血噁烷激活GPIIb/IIIa受体，使纤维蛋白原被结合。临床常用乙酰水杨酸(阿司匹林)抑制内源凝血噁烷的生物合成，阻止GPIIb/IIIa受体的活化。像大蒜素等硫代亚磺酸酯也具有类似功效，据报道[27]，0.4 mM大蒜素对血小板聚集的抑制率高达90%，而0.36 mM阿司匹林的功效不及此一半，抑制率仅为35%。

高血压也是心血管疾病的诱因之一，大蒜素的分解产物可与硫醇(尤其是谷胱甘肽)发生级联反应，生成硫化氢(H2S)。H2S是一种气体信号分子，通过舒张血管平滑肌，降低血压[56]。

3.2 大蒜素的免疫调节作用

初步研究表明，大蒜素抑制嗜中性粒细胞跨上皮迁移，这是炎性反应的一个重要过程。再者，大蒜素通过抑制SDF1α诱导的趋化反应，影响T淋巴细胞迁移，而这与肌动蛋白细胞骨架的动力学变化有关。在不同生物系统中均已证实，大蒜素影响细胞骨架。例如，在小鼠成纤维细胞(NIH-3T3)中，低浓度大蒜素(2 μM)作用几分钟就能使微管蛋白细胞骨架解聚[28]，但不影响肌动蛋白细胞骨架。调节淋巴细胞活化的一个关键蛋白分子是p21ras，它通过提高自身酶活使RAS-GTP酶钝化。p21ras可与大蒜素直接发生硫醇化反应而被激活，进而引起ERK1/2的磷酸化。

调节免疫反应的另一个重要因子是TNF-α，有研究[29]报道，在肠道上皮细胞内，大蒜素抑制TNF-α依赖的促炎性因子释放，提示大蒜素对TNF-α下游通路的影响。TNF-α主要由巨噬细胞分泌，经大蒜素预孵育后，脂多糖(LPS)刺激提高了巨噬细胞TNF-α启动子活性，表明大蒜素在LPS处理模型中诱导TNF-α的表达[30]。此外，大蒜素抑制与ERK1/2磷酸化有关的磷酸酶活性，降低LPS刺激的巨噬细胞活性氮(RNS)释放[30]。

3.3 大蒜素与癌症

免疫系统功能与癌症的发生密切相关，在早期一项研究[31]中，使用大蒜素孵育肿瘤外植体，移入健康小鼠体内后，生长停滞。大蒜素的抗癌功效源于对细胞凋亡的诱导，它改变氧化还原电位，分别通过半胱天冬酶依赖途径和非半胱天冬酶依赖途径(如凋亡诱导因子AIF)，导致细胞死亡。Bat-Chen等[32]研究报道，Nrf2参与大蒜素诱导的细胞凋亡，揭示了Nrf2的两面性。在大多数情况下，Nrf2是一种抗凋亡因子，调控Bcl-2家族蛋白如Bcl-2和Bcl-xL的表达[33-34]，不过，在特定条件下，它也具有促凋亡功能。在免疫细胞中，大蒜素也通过影响ERK1/2[35]，诱导细胞凋亡。

4 结 语

大蒜素是一种活性硫(RSS)，对细胞内的硫醇如蛋白质中的半胱氨酸残基具有氧化作用，它的抗菌、抗癌功效在很大程度上来自对氧化还原平衡的调控。研究[12-13]证实，谷胱甘肽是防止大蒜素氧化损伤最为重要的缓冲剂。一方面，谷胱甘肽能将大蒜素氧化生成的二硫化物还原回硫醇，另一方面，巯基的谷胱甘肽化可以防止其被大蒜素过度氧化，生成磺酸和亚磺酸。

限制大蒜素临床应用的一个主要问题是它的化学不稳定性，一旦被摄入体内，最迟在进入循环系统以后，它就会与游离的巯基尤其是高浓度的谷胱甘肽反应，进而被降解为其他化合物，这使其目前只能被用作营养滋补药。要克服这一问题，一个可行的方案是将蒜氨酸酶耦联到传输系统上，然后供应稳定的底物-蒜氨酸，使大蒜素在特定的表位就地生成。现在，已有利用细胞表面抗原的抗体耦联蒜氨酸酶抑制肿瘤的成功尝试[36]。

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十三五国家重点研发计划(2016YFD0500510)，国家自然科学基金(31672442)。

姚静文(1987—)，女，硕士研究生，研究方向：中药药理学。

王德才(1962—)，男，硕士，教授，研究方向：药理学。

R96

A

1004-7115(2017)05-0597-04

10.3969/j.issn.1004-7115.2017.05.048

2016-10-16)