天然产物化学第七章-海洋天然产物

1第七章海洋天然产物2海洋生物的特点生活环境与陆生生物迥然不同；次生代谢产物较陆生生物独特新颖；化合物结构独特、生物活性多样；开展海洋药物研究具有重要的理论意义与实际应用价值。3第一节概述海洋天然产物资源及研究概况海洋天然产物是指从海洋生物中分离出来的初级或次级代谢物质。海洋天然产物的来源比较广泛，如藻类(红藻、褐藻、绿藻、蓝藻)、海绵、腔肠动物(如珊瑚)、软体动物(如海兔)、棘皮动物(如海参)、被囊动物(如海鞘)、鱼贝类、苔藓虫类、微生物与浮游生物等。研究最多的海洋生物是海藻、海绵，其次是珊瑚。按照化学结构分类，海洋天然产物主要有甾体、萜类、生物碱、核苷、聚醚、大环内酯、卤化物、氮杂环、含硫杂环、多肽、多糖、蛋白质等类型。新化合物以甾醇为最多，其次是萜类，生物碱也占有一定比例。4•根据活性和功用的不同，可将有关海洋天然产物的研究分为生物信息物质、药用活性物质、海生毒素和生物功能材料等几个方向。随着人类以住所依赖的陆地生物资源的日益贫乏以及人们对化学药品毒副作用的逐渐认识，从海洋生物中寻找高效低毒的天然药物已变成海洋天然产物研究的一个特别重要的方向。有科学家甚至预言，最具前途的抗癌药物将来自海洋。5在海洋天然产物的活性研究方面：•20世纪50年代以抗菌活性为主，•60年代美国国立癌症研究所开始筛选抗肿瘤活性物质，•80年代后开始了大规模的筛选，主要侧重在抗肿瘤、抗病毒、抗炎和强心等作用方面。•至20世纪90年代，已有多个海洋天然产物进入临床试验阶段。•目前，国际上对所发现的海洋天然产物仍以抗肿瘤活性方面的研究为主，其次是抗菌、抗病毒活性(特别是抗HIV)。另外，抗心血管病(降压、降血脂等)、抗氧化、植物生长调节活性等方面的研究报道也较多。6•海洋天然产物的研究虽然已有40多年的历史，但与来源于陆生植物的15万多种天然产物相比，海洋天然产物至今才一万多种；从资源范围角度看，已被研究过的海洋生物才几千种，只占整个海洋生物的极小部分，因此．相对陆地生物而言，海洋生物资源远未得到有效的开发和利用。另外，由于受样品采集条件的限制，研究工作目前大多局限于沿海、近海和浅海。从普通易得的海洋生物中获得有价值的活性产物已变得越来越困难，远海、深海等地较难获得的海洋生物样品因此备受青睐，成为目前海洋天然产物研究的一大特色。7海洋天然产物开发利用概况经过数十年的研究开发积累，国际上已出现大量涉及药学、食品、功能食品、化妆品、酶制剂等方而的海洋天然产物专利产品。海藻多糖、鱼肝油、甲壳素、藻胆蛋白、鲨鱼软骨素和深海鱼油等一大批海洋生物制品已越来越为人们所熟悉、由于它们大多含量高、用途广泛，已经实现了工业化和商品化。8•来自海藻的一类大分子物质藻胆蛋白，不仅是自然界中很有开发价值的食用、饵料蛋白资源，而且在光合作用原初理论的研究方面也颇具优越性。近年来最得到重视的是藻胆蛋白作为新一代荧光探针的开发。•放射性同位素标记法因半衰期短、需防护、废物处理困难和灵敏废低等缺点，正被荧光标记法所取代。•藻胆蛋白不仅荧光强度比常用的荧光素强30倍，而且具有不受天然荧光干扰、容易选择激发光源、可用液态或固态保存、荧光不易被天然生物大分子粹灭、易用化学方法同其他分子结合而不影响其荧光性质等诸多优点。因此，藻胆蛋白己发展成为新一代的荧光探针。9•近几十年来，由于不断地从海洋生物中发现一些结构新、活性强、毒性低的天然产物，加上现有合成药物的较大毒副作用，从海洋中寻求高效低毒的天然药物己引起世界各大国越来越浓厚的兴趣。从丰富的海洋生物资源中寻求特效新药已经成为新药开发的方向之一。已经从海洋生物中分离出一大批具有显著抗肿瘤、抗菌、抗病毒和抗氧化等活性的天然产物单体，其中大多数是在陆地生物中从未发现过的。10目前，已从海葵、海绵、腔肠动物、被囊动物、棘皮动物和微生物体内分离得到具有抗菌、抗病毒、止血、镇痛、抗炎、抗肿瘤和心血管等生物活性的多种新型化合物。如从海蛤提取的蛤素(mercenene)海鞘中的膜海鞘素(didemnin)鲸鲨软骨中的6-硫酸软骨素(chondroitinsulfateA)从黄海葵提取的新型强心药物海葵毒(anthoplearin)A和B等。11•我国海洋天然产物的研究开发水平与世界发达国家相比仍有很大差距，具体表现在：①国家对海洋天然产物研究的经费投入不足；②我国海洋生物资源的分布与品种调查很不完今；③从事海洋生物的化学、生物学、生态学等基础研究的学术机构不多，学术水平不高；④海洋天然产物的研发力量分散、低水平重复、缺乏深度，涉及海洋初级代谢产物的研究工作偏多、不利于药物品质控制和知识产权保护。12第二节海洋生物多糖类化合物海藻多糖•海藻多糖主要指红藻和褐藻中含量较高的多糖类代谢物质。从性质与结构上可大致分为琼胶、卡拉胶、褐藻胶、褐藻糖胶、红藻淀粉和海带淀粉等几大类型。在生物体内，这些多糖化合物有的是海藻细胞壁的内填充物，如琼胶、卡拉胶和褐藻胶；有些则是海藻细胞质的组成部分，如红藻淀粉、海带淀粉。•早在一千多年前，我国就有用石花菜类红藻水煮放冷成冻胶食用的记载，在南洋的居民自古就有麒麟菜(一种红藻)煮成冻胶来食用的习惯。直至近现代，人们经过不断的研究，才发现这些冻胶都属于多聚糖类物质。13OOOOOOOOOOOCH2CH2CH2OOHOOHCH2OHOHOHCH2OHOHOHHOHOH2COHOHOHOHO(L)(D)(L)(D)(L)(D)琼胶也称琼脂，是一种重要的海藻多糖，特别是发现琼胶作为细菌培养基后，琼胶的应用价值才大大提高，成为现今许多科学研究工作中不可缺少的珍贵材料。琼胶糖的化学结构，是由1，3连接的-D-吡喃半乳糖与1、4连接的3，6-内醚--L-吡喃半乳糖反复交替连接的链形分子中性糖。此处假设其还原末端糖为D-半乳糖，非还原末端糖为3，6-内醚-L-半乳糖。琼二糖琼二糖14•琼胶在食品工业、医药工业、日用化工、生物工程等许多方面有着广泛的应用，琼胶用于食品中能明显改变食品的品质，提高食品的档次。其特点：具有凝固性、稳定性，能与一些物质形成络合物等物理化学性质，可用作增稠剂、凝固剂、悬浮剂、乳化剂、保鲜剂和稳定剂，广泛用于制造各种饮料、果冻、冰淇淋、糕点、软糖、罐头、肉制品、凉拌食品等。琼胶在化学工业、医学科研中，可作培养基，药膏基及其他用途。15•琼胶的最有用特性是它的凝点和熔点之间的温度相差很大。水中需95℃时才开始熔化40℃时才开始凝固。用琼胶配制的固体培养基，可用以进行高温培养而不熔化，在凝固之前接种时，也不致将培养物烫死。因此，琼胶是制备各种生物培养基中应用最广泛的一种凝固剂。琼胶的浓度，通常是液体培养基的1～1.5%。16•琼胶的工业生产原理基于琼胶不溶于冷水而溶于热水。随所用原料种类、质量、采集地区等的不同，所用方法也有所差异，但总体都大致经过原料晒干→漂白→剪切→水洗→压力锅蒸煮→过滤→凝固→冻结→融化→干燥等步骤。生产琼胶的原藻主要有石花菜、江篱、坛紫菜等，其中以石花菜属种类为最好，因其所含琼胶的硫酸基含量最低。17•卡拉胶是另一种红藻多糖，主要来由于卡帕藻、麒麟菜、角叉菜、杉藻和银杏藻等红藻类型，其分子基本骨架是以(1→3)--D-半乳糖基—(1→4)-3，6-内醚(或不内醚化)--D-半乳糖为重复二糖的多糖结构。根据半乳糖上取代的硫酸基、甲氧基和丙酮酸的位置及数量的不同，可将卡拉胶分为族卡拉胶，族卡拉胶，族卡拉胶和-卡拉胶等。卡拉胶的工业生产原理和生产工艺与琼胶基本一致。1819•卡拉胶目前主要用于食品工业，一方面因为卡拉胶在价格上比琼胶便宜，可以代替琼胶使用；另一方而源于卡拉胶的持殊性质：有凝固力很强的-卡拉胶，有凝固力适宜且富有弹性的-卡拉胶，还有黏度很高但无凝固力的-卡拉胶。这样就可根据卡拉胶产品的不同性质广泛地用于不同特点的食品中。•卡拉胶还用于牙膏、水溶涂料、农药乳剂和固定化酶等的生产和制备中。20•卡拉胶稳定性强，干粉长期放置不易降解。它在中性和碱性溶液中也很稳定，即使加热也不会水解，但在酸性溶液中（尤其是pH值≤4.0）卡拉胶易发生酸水解，凝胶强度和黏度下降。值得注意的是，在中性条件下，若卡拉胶在高温长时间加热，也会水解，导致凝胶强度降低。所有类型的卡拉胶都能溶解于热水与热牛奶中。溶于热水中能形成黏性透明或轻微乳白色的易流动溶液。卡拉胶在冷水中只能吸水膨胀而不能溶解。21•基于卡拉胶具有的性质，在食品工业中通常将其用作增稠剂、胶凝剂、悬浮剂、乳化剂和稳定剂等。而这些卡拉胶的生产应用与其流变学特性有着较大的关系，因而准确掌握卡拉胶的流变学性能及其在各种条件下的变化规律对生产具有重要的意义。22•在诸多的海藻多糖中，工业产量最大的是褐藻胶(海带多糖)，因其在藻体中含量相对较高，及用途非常广泛。褐藻胶主要来自海带、巨藻、墨角藻、昆布和马尾藻等褐藻类型，在褐藻的细胞壁中以金属盐类形式存在，其有机多糖部分由D-甘露糖醛酸和L-古罗糖醛酸两种组分构成。•由于褐藻胶是以金属盐类存在，所以其工业生产原理不同于琼胶和卡拉胶：先用稀酸处理海藻使不溶性褐藻酸盐转变成褐藻酸，然后加碱加热提取，使生成可溶性的钠盐溶出。过滤后，加钙盐生成褐藻酸钙沉淀。该沉淀以酸液处理使转变成不溶性褐藻酸。脱水后加碱再转变成钠盐，烘干后即为褐藻酸钠。23•褐藻胶目前主要应用在食品工业、纺织工业、医药卫生和科学研究等方面。例如，褐藻胶在食品中广泛用作稳定剂、增稠剂，经纯化后可用作代血浆、止血剂、止血粉，或织成止血纱布等。在硬水处理、橡胶膏化、水溶性涂料、包装薄膜、电焊条生产、纸张上浆、发泡剂、洗涤剂生产等方面，每年也消耗相当数量的褐藻胶。24海洋多糖药物开发前景•褐藻和红藻中含有一定量的硫酸多糖，人们已证实它们具有不同程度的抗凝血和抗高血脂活性。例如，琼脂多糖硫酸酯、角叉藻多糖硫酸酯和海带多糖硫酸酯等具有抗凝血、降血脂和止血等作用，已在临床上获得应用。经磺酸化处理过的褐藻酸和海带淀粉因为分子中导人一定量的硫酸基，也表现出不同程度的抗凝血和抗高血脂的活性，其活性的高低决定于导入的硫酸基含量。同时，人们发现多糖类及其缀合物(糖蛋白、糖脂等)参与了细胞各种生命现象的调节、是一种免疫调节剂，它能激活免疫细胞，提高机体的免疫功能，对正常细胞则没有副作用。因此，硫酸多糖作为抗肿瘤药、治疗艾滋病等抗病毒药和抗衰老药，在临床上已显示出越来越多的应用前景。25第三节藻胆蛋白•藻胆蛋白是某些藻类特有的重要捕光色素蛋白,早在上个世纪初,就曾报道在蓝藻和红藻中存在强烈荧光性的红色、紫罗蓝色和蓝色蛋白质。科学研究表明，藻胆蛋白是一种既可以作为天然色素用于食品、化妆品、染料等工业上，也可制成荧光试剂，用于临床医学诊断和免疫化学及生物工程等研究领域中。另外，还可以制成食品和药品用于医疗保健上，应用范围广阔，具有很高的开发、利用价值。26•藻胆蛋白主要存在于蓝藻、红藻、隐藻和少数一些甲藻中,其主要功能是作为光合作用的捕光色素复合体,在一些藻类中藻胆蛋白也可以作为储藏蛋白,以使藻类在氮源缺乏的季节得以生存。藻胆蛋白的分类•已知的藻胆蛋白主要可以分为以下４大类•1、藻红蛋白(Phycoerythrin,PE)•2、藻蓝蛋白(Phycocyanin,PC)•3、藻红蓝蛋白(Phycoerythrocyanin,PEC)•4、别藻蓝蛋白(Allophyxoxyanin,APC)27•藻胆蛋白是一种新型的荧光标记物，在荧光免疫分析方面有着广阔的应用前景。其应用领域主要包括荧光激活细胞分类、流式细胞荧光测定、荧光免疫检测以及单分子检测等。在可溶性抗原、抗体检测方面的研究则开展较少。28二、藻胆蛋白的结构与性质•藻胆蛋白在结构上是内载体蛋白和发色团-开链线性延展的四吡咯化合物组成的，载体蛋白和发色团通过硫醚键连接。有多种连接方式。氨基酸序列分析表明，每个发色团均连接在载体蛋白的半胱氨酸残基上。这里发色团也称胆色素或称藻胆色素，共有藻红素、藻蓝素、藻黄素和藻尿胆素等几种。29•藻胆蛋白的吸收光谱是藻胆蛋白的分类基础。各类型藻胆蛋白在可见光区的最大吸光区在470~6