植物活性成分1--概论和生物碱

植物天然活性成分2015-2016-2课程概述崇尚自然、回归自然的生活方式和消费理念。植物活性成分涉及食品、医药、化妆品等行业。从哪来怎么来有何用屠呦呦与青蒿素Artemisinin2015年度诺贝尔生理学或医学奖屠呦呦因发现治疗疟疾新型药物青蒿素和双氢青蒿素而获奖，其余二人因发现治疗蛔虫寄生虫感染的新疗法而获奖。双氢青蒿素青蒿素6疟疾是经按蚊叮咬或输入带疟原虫者的血液而感染疟原虫传染病。本病主要表现为周期性规律发作，全身发冷、发热、多汗，长期多次发作后，可引起贫血和脾肿大。屠呦呦，1930年12月30日出生于浙江宁波，是中国中医科学院终身研究员兼首席研究员，青蒿素研究开发中心主任。她无博士学位、无留洋背景、无院士头衔，被戏称“三无”科学家。1955年（25岁），毕业于北京医学院（现为北京大学医学部）药学系，分配在卫生部中医研究院（现中国中医科学院）中药研究所工作。1969年（39岁），中国中医研究院接受抗疟疾药研究任务，屠呦呦任科技组组长。人物简介青蒿素的发现背景20世纪60年代初越南战争爆发，全球疟疾严重。传统治疗疟疾的西药副作用大，易产生抗药性，且价格昂贵。1967年5月23日周恩来总理就研发抗疟新药问题作出批示，并在军事医学科学院内特设了一个“523办公室”，要求要调动全国的力量研发抗疟新药。1969年初屠呦呦被任命为523小组组长，全面负责工作。青蒿素的发现背景1972年从中药青蒿中分离得到抗疟有效单体，命名为青蒿素，对鼠疟、猴疟的原虫抑制率达到100%。1973年经临床研究取得与实验室一致的结果、抗疟新药青蒿素由此诞生。同年，屠呦呦研发出青蒿素第一个衍生物双氢青蒿素，抗疟的疗效一下子提高了10倍。1986年，青蒿素和双氢青蒿素获得新药证书。1979年国家发明奖二等奖2011年美国拉斯克奖“美国诺贝尔奖”！中国先秦医方书《五十二病方》已经对植物青蒿有所记载；公元前340年，东晋的葛洪在其撰写的中医方剂《肘后备急方》一书中，首次描述了青蒿的退热功能；“青蒿一握，以水二升渍，绞取汁，尽服之。”李时珍的《本草纲目》则说它能“治疟疾寒热”。11全国许多科研单位对青蒿进行了筛选，然而却发现青蒿提取物无效。屠呦呦领导的中医所“523”小组对青蒿素进行分析，用乙醚低温提取的方法证明，青蒿素的过氧结构在通常提取中被破坏，进而丧失抗疟活性。12青蒿素的提取传统方法：中药水煎法，高温破坏有效成分青蒿药材含抗疟活性的部分是在新鲜的叶片里，而非根、茎部位；最佳的采摘时节是青蒿即将开花的时刻。改用低沸点溶剂处理青蒿，得到的提取物疗效更高更稳。60°C的乙醚冷浸法处理青蒿，然后将提取物注入染有鼠疟的小白鼠，发现对鼠疟的抑制率有了明显的提高。——证明低温提取是保障青蒿疗效的关键。1971年，屠呦呦提取到191号（即191次实验）药物样品，显示出100%的鼠疟原虫抑制率。青蒿素的提取屠呦呦又把青蒿提取物成功分离成中性和酸性两大部分。后者毒性大，而且还没有抗疟的功能，屠呦呦除掉这一部分，由此也解决了中草药含毒的副作用。在证实了中性部分是青蒿抗疟的有效成分后，屠呦呦又做猴疟的实验，同样取得了理想的效果。结构解析HR-MS:分子式C15H22O51972年，中科院生物物理所用当时最先进的“X衍射法”，帮助屠呦呦确定了其青蒿提取物的立体化学结构：C15H22O5。分子式中不含氮（N）元素，这意味着其青蒿提取物是完全不同于喹啉类药物的一个全新的抗疟药。屠呦呦和她的同事们将这种无色针状的晶体，命名为青蒿素。青蒿素的生理功效抗疟：作用方式主要是干扰疟原虫的表膜-线粒体。可能是青蒿素作用于食物泡膜，从而阻断了营养摄取的最早阶段，使疟原虫较快出现氨基酸饥饿，迅速形成自噬泡，并不断排出虫体外，使疟原虫损失大量胞浆而死亡。抗肿瘤：肿瘤细胞膜是青蒿素攻击的主要靶点。青蒿素既可以通过诱导肿瘤细胞发生“凋亡”。从机理上讲，疟原虫和肿瘤细胞都含有较高的铁成分，而青蒿素可以结合铁元素，产生自由基，破坏细胞膜。细胞膜被破坏膜通透性增加大量的钙离子会进入细胞内，诱导细胞程序化死亡细胞内的渗透压发生变化，细胞吸收大量水分发生膨胀直至死亡过氧桥环为其抗疟活性必要基团;抗疟活性的存在归功于内过氧化物-缩酮-乙缩醛-内酯的结构；取代基链长增加对抗疟活性提高有利,但取代基过大反而降低活性,因此取代基链长不宜过长，可在端处分支;分子中引入亲水性基团或使其极性增大，抗疟活性减小——为保持和增加抗疟活性，其亲酯性非常重要。青蒿素的构效关系青蒿素衍生物青蒿素具有水溶性差、热稳定性差的缺点，制成片剂因其难溶性，生物利用度低，且体内代谢快。而纳米青蒿素的水溶性好，制成针剂后可进行静脉注射，将极大地提高药效，减少用药量，扩大应用范围。课程概述天然活性成分的定义：构成植物体内的物质除水分、糖类、蛋白质类、脂肪类等必要物质外，还包括一些次生代谢产物(如萜类、黄酮、生物碱、甾体、木质素、矿物质等)。这些物质对人类以及各种生物具有生理促进作用，称为植物天然活性成分。课程概述一次代谢过程：对维持植物生命活动来说是不可缺少的过程，且几乎存在于所有的绿色植物中。一次代谢产物：糖、蛋白质、脂质、核酸等这些对植物机体生命活动来说不可缺少的物质。二次代谢过程：并非在所有的植物中都能发生，对维持植物生命活动来说又不起重要作用的过程。二次代谢产物：生物碱、萜类、苯丙素类成分。天然活性成分的生物合成：植物体内的代谢过程按化学结构分：糖苷类、苯丙素类、醌类、黄酮类、萜及其苷类、甾体及其苷类、生物碱类。按酸碱性来分：酸性成分（脂肪酸类、苯丙酸类、含羧基皂苷、蒽醌类、黄酮类），碱性成分（生物碱、非生碱的有机氮类，如毒蕈碱、辣椒素等）按极性来分：亲水性成分、亲脂性成分。天然活性成分的分类生物碱的含义生物碱的含义：是指来源于生物界（主要是植物界）的一类含氮有机化合物。大多数有较复杂的环状结构，氮原子结合在环内；多数具有碱性，可以和酸形成盐；大都具有特殊而显著的生理活性。生物体内普遍存在的含氮有机化合物如氨基酸、蛋白质、核酸、及某些含氮维生素除外。生物碱的分布多分布于双子叶植物中，少数单子叶植物和裸子植物也有分布。双子叶——防己科、婴粟科、夹竹桃科、毛茛科、豆科、马钱科、茄科、小檗科等。单子叶——兰科、百合科、石蒜科、禾本科等。裸子——麻黄科、红豆杉科、三尖杉科等。多集中分布于植物的某一器官。金鸡纳——树皮；麻黄——髓多种生物碱共存且结构类似。生物碱的存在形式1.游离碱：碱性极弱。2.与酸形成盐：有机酸：柠檬酸、酒石酸等；特殊的酸类：乌头酸、绿原酸等；无机酸：硫酸、盐酸等。3.苷类：以苷的形式存在于植物中；4.酯类：多种吲哚类生物碱分子中的羧基，常以甲酯形式存在。5.N-氧化物：植物体中的氮氧化物约一百余种。苷类：糖或糖衍生物的端基C原子与另一类非糖物质连接形成的化合物。生物碱的分类：按化学结构㈠有机胺类氮原子不结合在环内的一类生物碱CHCHOHCH3NHCH3CHCHOHCH3NHCH3麻黄碱伪麻黄碱(1R,2S)(1S,2S)ephedrinepseudoephedrine麻黄枝、茎麻黄㈡吡咯烷类由吡咯或四氢吡咯（吡咯烷）衍生的生物碱。NHNH吡咯四氢吡咯㈡吡咯烷类生物碱简单的吡咯衍生物NNOMeMeNNMeMeOOOCOMe红古豆碱cuscohygrine红古豆醇苦杏仁酸酯（无活性）（有活性）㈢吡啶类由吡啶或六氢吡啶衍生的生物碱。分类：简单吡啶衍生物、喹诺里西啶NN吡啶喹诺里西啶㈢吡啶类NMeMeNOOMeCNMeNNHO猕猴桃碱蓖麻碱金雀花碱actinidinericininecytisineactinidinericininecytisine㈢吡啶类NNONNOO苦参碱氧化苦参碱matrineoxymatrine苦参㈣莨菪烷类莨菪烷：由吡咯啶和哌啶拼合而成的杂环。分类：颠茄生物碱古柯生物碱NCH3HHNCH3HHNCH3HH莨菪烷莨菪碱是由莨菪醇与莨菪酸缩合而生成的酯NCH3HOHCHHOOCCH2OHCHCH2OHNCH3HOCO莨菪醇莨菪酸莨菪碱（阿托品）+缩合颠茄生物碱（belladonnaalkaloids）CH2OHNCH3HOCOOOH莨菪碱hyoscyamineCHCH2OHNCH3HOCOCHCH2OHNCH3HOCOOHCHCH2OHNCH3HOCOO东莨菪碱scopolamine山莨菪碱anisodamine樟柳碱anisodine颠茄古柯生物碱（cocaalkaloids）NCH3HOHCOOH爱康宁ecgonine古柯碱cocaineNCH3HCOOCH3OCO古柯树㈤喹啉类N12345678喹啉NNOOOOH喜树碱camptothecine治白血病和直肠癌内酯结构碱化开环成盐溶于水喜树（六）异喹啉类NOOOMeOMeOHMeONOMeOMe+OH-+OH-小檗碱（黄连素）berberine药根碱jatrorrhizine小檗碱（黄连素）berberine药根碱jatrorrhizine黄连（七）吲哚类NH1234567吲哚NHNHCONHMeMeCH2OH麦角新碱ergonovineergometrine（七）吲哚类NNCH3CH3CH3COOCH3NHNHNCH3CH3毒扁豆碱physostigmine治疗青光眼玫瑰树碱ellipticine抗癌作用，低毒。(八)甾体类NHHOHHHHHHOHHOHH贝母碱peimineverticine(九)萜类NOMeOMeOCH3OHOHONCH3CH2OCH3OCH3OCCH3OOCH3COOH石斛碱dendrobine乌头碱aconitine(十)大环类ClNMeOOONMeOMeHMeNHOOMeOOMeHMeOHMeOMe美登碱maytansine高效低毒、安全幅度大的抗癌活性成分(十一)其他类型生物碱NNMeMeMeMeOOHClOMeONOMeOMeMeONCH3CH3OCH3OOOHHNH莲氏花烷hasubanane间千金藤碱metaphanine短防已碱acutumine50Ar-NH2N+OHNHNH2NONH季铵仲胺伯胺叔胺芳胺酰胺-伯、仲、叔胺：氨基（-NH3）的1,2,3个H被烃基取代季铵：带-OH芳胺：带苯环酰胺：带酰基生物碱的生物活性生物碱大多具有显著而特殊的生物活性。同一种生物碱可能具有多种活性。•吗啡、延胡索乙素具有镇痛作用；•阿托品具有解痉作用；•小檗碱、苦参碱、蝙蝠葛碱有抗菌消炎作用；•利血平（吲哚类生物碱）有降血压作用；•麻黄碱有止咳平喘作用；•奎宁有抗疟作用；•苦参碱、氧化苦参碱等有抗心律失常作用；•喜树碱、秋水仙碱、长春新碱、三尖杉碱、紫杉醇等有不同程度的抗癌作用等。生物碱的提取与分离提取1.水溶性生物碱的提取（1）水或酸水提取法：可直接用水或用0.5%～1%的酸水提取。常用酸：盐酸、硫酸、醋酸、酒石酸等。方法：浸渍法。缺点：提取液体积大、杂质多，需净化。提取（2）醇类溶剂提取法：适用于游离生物碱及生物碱盐的提取。方法：浸渍法和回流法。缺点：常含有亲脂性杂质，可利用生物碱溶于酸水，杂质不溶的性质加以分离。（3）亲脂性有机溶剂提取法：先用碱水湿润，使生物碱游离，再用有机溶剂提取。方法:回流法和连续回流法。（碱水：10%氨水，石灰乳或碳酸钠）。提取2、脂溶性生物碱的提取（1）沉淀法：雷氏铵盐沉淀季铵碱，柱色谱净化，丙酮溶解，滤除不溶物，滤液通过氧化铝短柱，以丙酮洗脱。（2）溶剂法：用正丁醇、异戊醇，或氯仿-甲醇混合液萃取。分离利用生物碱及其盐的溶解度不同分离利用生物碱碱性的差异分离CHCl3Et2O分离方法苦参碱++总碱溶于少量CHCl3，逐滴加入至Et2O中，过滤氧化苦参碱+－CHCl3甲苯H2O分离方法麻黄碱++麻黄碱草酸盐-总碱溶于甲苯，用草酸溶液萃取，浓缩萃取液，麻黄碱草酸盐析出。伪麻黄碱++伪麻黄碱草酸盐+思考题•青蒿素的化学结构以及抗疟作用机制？•生物碱的定义是什么？•提取生物碱的方法有哪些？58