植物天然甾体化合物研究进展

陈 硕,王崇川,朱德强,周爱萍,刘新利*

1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 生物工程学院 山东省微生物工程重点实验室,山东 济南 250353;2.山东博士伦福瑞达制药有限公司,山东 济南 250101

天然甾体化合物的存在十分普遍,是具有重要作用的一类化合物。它们在结构上相同的特征是具有环戊烷多氢菲的基础骨架,也被称为甾核。按照在甾体母核17位上连接的侧链不同,我们将天然甾体分成多个种类,包括强心苷类、甾体皂苷类、植物甾醇类等。

通过研究发现,这几类天然甾体化合物主要在植物茎叶、水果和谷物中提取出来,主要的生物活性包括抗癌、抗肿瘤、心脏疾病治疗以及降低胆固醇和消炎止咳等[1]。天然甾体化合物领域的科研,促进了相关学科的发展,并且对于医学及制药方面也有很深的影响。

1 强心苷类化合物

1.1 强心苷类的结构特点

强心苷指通过强心苷元和糖缩合得到的产物,存在于被子植物中。强心苷的结构通常以甾体母核为苷元,C17位连接不饱和内酯环,C3位连接糖基[2]。结构见图1。

图1 强心苷结构图

强心苷的命名是由于它具有“强心”作用。“强心”作用就是指此类化合物可以提高心肌的收缩功能,从而使心脏的机能增强、心率减慢。在临床上主要被用作治疗心脏方面的疾病,例如节律障碍和充血性心力衰竭等。

1.2 强心苷类药物的提取

强心苷在植物界分布比较广泛,主要存在于夹竹桃科、玄参科、百合科等10多个科的100多种植物中,通过对目前已有的研究成果分析发现,强心苷常存在于一些有毒的植物中,如毒毛旋花子、毛花洋地黄、黄花夹竹桃、铃兰和海葱等植物。

强心苷在植物体中主要存在于花、叶、种子、鳞茎、树皮和木质部等组织器官中。由于在植物中有水解苷类的酶于强心苷共存,因此原生苷常被酶水解生成多种次生苷,使结构类似的强心苷数目增多,给提取分离强心苷带来一定困难。

从毛花洋地黄等植物中可以提取出2种强心苷类甾体药物,分别是洋地黄毒苷以及地高辛(图2)。这2种甾体药物可以说是治疗心脏病最具有历史的药物[3]。在200多年前就作为治疗心脏病的药物应用在临床,即使到了现在也依然是首选的基础药物之一。

图2 (1)洋地黄毒苷 R=H;(2)地高辛R=OH

从藤苦参中也可以提取出多种强心苷类化合物,例如杠柳苷元(图3)、洋地黄毒苷以及相关的糖苷类物质[4]。Zhu等[5]在藤苦参中提取了30个相关化合物,研究了其中23个物质的结构并归纳了强心苷类成分的质谱裂解规律。Luo等[6]通过UV-Vis得到各个地区采集到的藤苦参里强心苷含量,约为2.07 mg/g。最好的产地是广西,最好的采摘时间是年末10月到12月,因为在此时,强心苷的含量最高。

图3 杠柳苷元

从杠柳属植物中一共可以分离出18个强心苷类化合物,其中大多数的类型为甲型强心苷。1990年Hu等[7]从黑龙骨中鉴定得到了2个之前没有报道过的成分,将它们分别命名为滇杠柳苷元和滇杠柳苷。图4为目前已有的此类化合物的骨架类型和结构。该属植物里,研究得到的强心苷结构及骨架如图4。

图4 杠柳属植物中强心苷类骨架类型结构

80年代,中国科研工作人员[8]从南葶苈子里提取出5种强心苷成分,分别为:毒毛旋花子配基、伊夫单苷、葶苈苷(图5)、伊夫双苷和糖芥苷。

图5 葶苈苷

Wen等[9]通过UPLC-QTOF/MS,对黄花夹竹桃枝所含化合物进行分离鉴定,发现其中包括了6种强心苷类,分别为黄花夹竹桃黄夹苷B、黄夹次苷D、黄花夹竹桃次苷甲、黄夹臭蚁醛苷、黄花夹竹桃次苷乙以及单乙酰次苷乙。

1.3 强心苷类化合物的活性机理

研究表明强心苷抗肿瘤的机制主要包括直接的细胞毒作用以及特异性结合Na+/K+-ATP从而调节细胞的增殖、肥大、分化和存活以及肿瘤细胞凋亡等多种生理、病理过程。常见的强心苷类化合物的活性机理如表1。

表1 强心苷类化合物的活性机理

2 甾体皂苷类化合物

2.1 甾体皂苷类的结构特点

甾体皂苷在天然产物中的地位非常重要,具有止咳、镇静、抑菌、抗癌、解热等多种功效,是合成甾体激素的重要原料,可以作为药物中间体发挥药用作用,在制备消炎、镇痛、脑血管、避孕药物中被广泛应用[16]。从植物原料中获取甾体皂苷类化合物的方法,首先是用甲醇或含水乙醇进行提取,在把醇浸膏悬浮于在水中,通过正丁醇来萃取,最后获取总皂苷[17]。

甾体皂苷的结构由两部分组成,包括糖以及苷元。苷元有27个碳,可以在百合、石蒜以及薯蓣科里找到。很多中药里也含有这种成分,比如天门冬和七叶一枝花等。甾体皂苷的基本结构是螺甾烷,包括螺甾烷醇型(图6)、异螺甾烷醇型(图7)、呋甾烷醇型(图8)和变形螺甾烷醇型。另外,甾体皂苷的皂苷元通常是螺甾醇,单羟基通常位于第3位,若F环裂开,就变成了呋甾醇。可以通过酸水解和光谱确定具体种类。

图6 螺甾烷醇型 图7 异螺甾烷醇型

图8 呋甾烷醇型

2.2 不同植物甾体皂苷类化合物的提取

2.2.1 百合科

(1)重楼

重楼属植物系百合科(Liliaceae),在全球已知的有24种,主要生长在亚洲和欧洲的热、温带区域,目前在中国发现了19种,大多数生长于我国的偏远地区,例如贵州、四川和云南等。甾体皂苷在重楼植物中的地位十分重要,有文献记载的种类高达12种。其中包括4种螺甾烷结构,分别为螺甾烷醇型(spirostanol)、异螺甾烷醇型(isosprirostanol)、呋甾烷醇型(furostanol)和变形螺甾烷醇型(pseudospirostand)。Wu等[18]在滇重楼里提取得到含有C-5和C-8位环二氧结构的甾体皂苷,可以用来治疗鼻咽癌。

(2)知母

知母又名毛知母,尝起来比较苦,属寒。知母可以祛热去火,具有清热泻火、解渴除烦等作用[19]。通过实验我们发现,知母根茎里皂苷占6%[20]。由于皂苷元母核结构的区别,知母皂苷大多数都是螺甾或者呋甾型。黄彬彬[21]通过无水乙醇提取、重结晶和柱层析等方法将10种化合物从知母的非湿润根茎里提取出来,通过NMR、MS等方式一共得到其中9个的结构,例如知母皂苷AⅣ、知母皂苷Ⅰ、知母皂苷BⅢ和知母皂苷AⅠ。

(3)麦冬

麦冬是百合科麦冬的块根。在中国,麦冬的分布遍及各地,最大的产地包括浙江和四川等。不同区域产出的麦冬,我们将它们分别命名为川麦冬、杭麦冬和湖北麦冬[22]。迟宇昊等[23]利用回流、酶、超声或者动态逆流等多种提取法,在麦冬里提取得到大约70种甾体皂苷,大部分是螺甾烷醇型甾体皂苷,一小部分是呋甾烷醇型甾体皂苷。

2.2.2 薯芋科

在中国,薯芋皂苷元的分布十分广泛,大部分的薯芋科植物中都能发现薯芋皂苷的存在(图9)。在60余种薯芋科植物中,穿山龙和盾叶薯芋可作为主要原料提取薯芋皂苷元。Jun等[24]将盾叶薯芋根茎部位作原料,通过日常研究通用的酸水解法,在其中分离得到纯度高的甾体皂苷元。

图9 薯芋皂苷元

研究人员从黄药子中发现了几种化合物,例如薯芋次苷甲和薯芋皂苷元等。文献[25]研究,云南产出的师宗的黄独,含1.69%的薯芋皂苷元。墨西哥的黄独块茎中有大概0.45%的薯芋皂苷元;巴西的黄独株芽里,薯芋皂苷元含量为5.77%[26]。

2.3 甾体皂苷类药物的活性机理

甾体皂苷具有很高的药理活性。很多种中草药的有效成分之一就是甾体皂苷。这些甾体皂苷对癌症、糖尿病、心血管系统、免疫系统等都具有药理作用。如表2。

表2 甾体皂苷类活性机理

3 植物甾醇类化合物

3.1 植物甾醇类的结构特点

天然植物甾醇广泛分布在大自然中,主要源自植物油和一些加工物。在植物油的脱臭馏出物里,甾醇占据了主要地位,另外在谷物及其副产品坚果中也能被发现,我们日常食用的果蔬中也含有小部分的植物甾醇。大多数植物油中都能发现甾醇,含量高的植物油种类主要包括米糠油和一些谷物胚芽油,几乎所有植物油里都含有占比极高的无甲基甾醇,含量达到了总甾醇的70%。其次,一些中草药植物里甾醇也常被发现,像是蒲黄、黄荃和人参等[34]。

植物甾醇的种类有很多,比如β—谷甾醇(图10)、菜油甾醇(图11)、菜籽甾醇(图12)、豆甾醇(图13),另外还有燕麦甾醇、菠菜甾醇、麦角甾醇(图14)等。如图所示,R基为甲基的植物甾醇有菜籽甾醇和菜油甾醇,R基为乙基的植物甾醇有谷甾醇和豆甾醇,而这两类之间的区别则是有无位于侧链的双键。

图10 β—谷甾醇

图11 菜油甾醇

图12 菜籽甾醇

图13 豆甾醇

图14 麦角甾醇

本文论述的3类天然甾体化合物,立体结构都有所不同。强心苷的甾体母核,B/C环与其他甾醇相同为反式稠合,A/B环大多为顺式稠合(5β-H),C/D环均为顺式稠合(C14取代基β-构型),若为反式则无强心活性(其他甾醇C/D环为反式稠合,C14取代基α-构型)。具体区别见表3。

表3 天然甾体化合物的结构特点

3.2 植物甾醇类药物的提取

刘佳等[35]在灰树花的各个部位中提取出甾体化合物21个,大部分为麦角甾醇及其衍生物,按照结构的不同,包括:麦角甾醇22-二烯醇型甾类;麦角甾-8,22-二烯醇型甾类;麦角甾-7,9,22-三烯醇型甾类;三羟基麦角甾烯酮型甾类;羟基麦角甾烯酮型甾类;麦角甾-7,22-二烯型甾类;过氧麦角甾烯型甾体。

马鞭草科过江藤属植物在国内外能发现的有10种左右,在中国发现的只有1种,称作过江藤,生长在长江以南地区。Yang等[36]通过研究发现,过江藤地上区域的甲醇提取物中,含有4种化合物,分别为4′,5′-dimethoxy-benzoloxystigmasterol、豆甾醇、β-谷甾醇和γ-谷甾醇。

牛油果(油梨)是绿植鳄梨的果实,富含许多有益成分,包括维生素、矿物质以及脂肪等。由于牛油果果实中含糖量极低,并且只有微量的胆固醇,所以它经常被一些糖尿病人当做日常的水果和保健品。Tian等[37]通过气相色谱-串联质谱联用法,发现了在牛油果里包含以下几种植物甾醇:β-谷甾醇、菜油甾醇、胆固醇和豆甾醇。

葡萄籽含有良好的食用油脂,对于老人和小孩来说,也是十分有益的营养产品。Peng等[38]通过GC-MS第一次得到了葡萄籽油里植物甾醇的构成和比例,发现在其中含有6种植物甾醇,有菜油甾醇、豆甾醇、β-谷甾醇、岩藻甾醇、豆甾烷醇和环木菠萝烯醇。

3.3 植物甾醇类药物的活性机理

植物甾醇是一种重要的天然甾体,有独特的生物学活性及功能。对其活性机理的研究,关注点一开始是其降胆固醇的功效,之后相继有其他方面的研究证实,植物甾醇还具有抗癌、免疫调节、消炎、抑菌等生理功能。如表4。

表4 植物甾醇类活性机理

4 结语与展望

天然甾体化合物在我们的日常生活中随处可见,主要被人们用来消炎、解毒、防止过敏以及治愈或减轻胶原性疾病和休克等,同时它被用来解决一些内分泌方面的问题,并且它还可以成为解决一些癌症必不可少的辅助类药物。当甾体化合物的甾核或者支链的构造发生变化,它所展现的生物活性也会随之改变,通过这种改变就可以将它用于治疗各类的疾病。天然甾体化合物的来源范围大、品类丰富、生物活性多、有多种结构,把这种富含明显活性的化合物当成制备药物产品的先导,从而开始一系列新型药物的研发和生产,将成为研究新型药物领域具里有重大影响的一步。