苦参异戊烯基黄酮类化合物的化学_活性及其生物合成研究进展.docx

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1、苦参异戊烯基黄酮类化合物的化学 ,活性及其生物合成研究进展平1 ,2 ,张颖君1 3,山本浩文3 ,杨崇仁1 3赵(11 中国科学院昆明植物研究所植物化学与西部植物资源持续利用国家重点实验室 昆明 650204 ;21 日本长崎大学药学部 日本 ;31 东洋大学生命科学部 日本 37420193)摘 要 综述苦参 ( S op hora f l avecens Aito n. ) 异戊烯基黄酮类化合物的化学 ,活性及其生物合成研究进展 。关键词 苦参 ;异戊烯基黄酮 ;化学 ;生物活性 ;生物合成RECENT AD VA NCE O N THE C HEM ISTRY ,BIOACTIVITY

2、 A ND BIOSY NTHESIS OFP RENYL ATED FL A VO NOIDS FROM S O P HO RA FL A V EC ENSZHAO Ping1 ,2 , ZHAN G Ying2jun1 3 , Yamamoto Hiro bumi3 , YAN G Cho ng2ren1 3(1 . S t ate Key L aboratory of Phytochem ist ry & Pl ant Resou rces i n W est Chi n a , Ku n m i n g I nst i t ute of B ot any , Chi nese A ca

3、dem y of S ciences , Kunming 650204 ,China ;2 . Facul t y of Pha r m aceut ical S ciences , N agasaki U ni versi t y , B u nkyo M achi 1 214 ,Nagasaki 85228521 ,J apan ;3 . Facul t y of L i f e S ciences , Toyo U ni versi ty , Itakura 37420193 ,J apan)AbstractPro gress of t he st udies o n chemist r

4、y , bioactivit y and bio synt hesis of p renylatedflavo noids f ro m S op hora f l avecens Aito n . was reviewed.Key wordsS op hora f l avecens Aito n ;p renylated flavo noids ;chemist ry ; bioactivit y ; bio synt hesis异戊烯基黄酮类化合物 ,通常被认为是作为植物防卫素 ,在植物抵御外来生物的侵袭过程中发挥 重要的植物生理调节作用 。该类成分仅分布于豆 科 、桑科和菊科等少数几个

5、科的植物中 ,具有很明显 的化学分类学特征 。上世纪 70 年代开始 ,由于异戊 烯基黄酮类化合物在药理研究中表现出多种明显的活性 ,对该类成分的研究也愈来愈引起人们的关注 。 迄今为止 ,天然由来的该类化合物已有上千余种 。苦参 ( S op hora f l avecens Aito n . ) 为豆科槐属植 物 ,是中国传统的常用中药之一 ,主要用于解热 、镇 痛 、利尿和祛湿等 。早期的化学工作主要侧重在苦参生物碱类成分上 ,近年来的研究则多集中在其所 含的异戊烯基黄酮类化合物上 ,并取得了大量研究 成果 。现将苦参异戊烯基黄酮类化合物的化学 ,活 性及其生物合成研究进展综述于下 。异

6、戊烯基黄酮类化合物的化学研究苦参异戊烯基黄酮类化合物的化学研究始于上 世纪 70 年代 。自日本学者小松等从苦参根中第一 次分 离 得 到 Isoanhydroicaritin , No ranhydroicaritin , Xant ho humol 和 Iso xant ho humol 等 4 种 成 分 以 来 , 到目前为止 ,已从苦参根中共分离得到了 41 种异戊 烯基黄酮类化合物 ( 图 1) 。按黄酮化合物的骨架 来分 ,这 41 种化合物中包括异戊烯基二氢黄酮类23 种 ,异戊烯基二氢黄酮醇类 8 种 ,异戊烯基黄酮 醇类 6 种和异戊烯基查耳酮类 4 种1 14 。如图 1

7、 所示 ,这些化合物中的异戊烯基侧链包 括有 A2E 五种类型 , 有别于同属其他植物 , 在所有化合物中异戊烯基侧链仅存在于 A 环上 。其中 ,除 少数化合物如 Kushenol B , E ,L ,M 和 Ko samol A 等在 A 环的 C28 和 C26 位上各含有一条异戊烯基侧 链 ,以及 Kushenol F , V , Iso kurarino ne , Kuraridin 中C26 位上含有一条异戊烯基侧链外 , 大多数化合物1收稿日期 :2003212209 接受日期 :20042022133 通讯作者 Tel :86287125223235 ; E2mail :zha

8、ngyj mail . kib. ac . cn2004 Vol . 16 No . 2赵 平等 :苦参异戊烯基黄酮类化合物的化学 ,活性及其生物合成研究进展173则多以 lavandulyl 的分枝异戊烯基侧链及其羟基化形式存在于 A 环的 C28 位上 。这是苦参区别于同 属其他植物最明显的化学结构特征 。另外 ,在几乎 所有含 lavandulyl 侧链的化合物 ,均有 5 ,72和 2,42 含氧取代的存在 。山本等利用组织化学分析手段 ,发 现 含 lavandulyl 侧 链 的 化 合 物 Kurarino ne , Kushenol I 和 Sop ho raflavano n

9、e G ( SF G) 等 主 要 蓄 积在根部的木栓层组织中15 。其中 , Kurarino ne 和 Kushenol I 为日本产苦参根的主要异戊烯基黄酮类 成分 。在生物体中更易于透过细胞膜到达作用目标而致 。之后 ,大量的有关异戊烯基黄酮类化合物的一些生 物活性研究结果和构效关系分析 ,也同样支持异戊 烯基化可增强化合物生物活性的这一观点 。近年 来 ,利用活性跟踪方法进行的苦参异戊烯基黄酮类化合物的生物活性研究工作 ,则多围绕在异戊烯基 二氢黄酮类化合物上 , 并特别集中在 SF G , Kurari2 no ne 和 Kuraridin 等几种成分上 。211 抗微生物活性抗微

10、生物是异戊烯基黄酮类化合物最早被确定 的生物活性 ,至今该活性也仍然是许多新近发现异戊烯基黄酮类化合物的主要生物活性表现之一 。苦参中含有的大多数的异戊烯基二氢黄酮类化合物对 革兰氏阳性菌 B aci l l us s ubt i l is , S t a p hylococcus epi2异戊烯基黄酮类化合物的生理活性早期的研究证明 ,黄酮类化合物的异戊烯基化 可增强其抗菌和防虫等活性16 ,17 。通常认为这是 因为异戊烯基化增加了黄酮化合物的亲脂性 ,使其2de r m i dis和 Propioni bacte ri u macnes 显示有不同程图 1 苦参根中的异戊烯基黄酮类化合物

11、Fig. 1 Prenylated flavo noids isolated f ro m t he root s of S op hora f l avescens 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 174天然产物研究与开发2004 Vol . 16 No . 2度的抑制作用12cenol的 活 性 最 好25 。SF G , Kurarinol , Kuraridin 还显示具有 cAM P 磷酸二酯酶抑制活性26 。L ee 等 调查 了 11 种 化 合

12、物 ( SF G , Kurarino ne , Kuraridi n , Kushenol B , E , H , K , L , M , N , 和 Ko samol A ) 对 p ho sp holipase C1 的 抑 制 影 响 , 发 现 除 Kusheol H ( IC50 5 . 3 10 - 4 M) 外 ,其余化合物均显示较强的抑制作用 ( IC50 :7 . 5 10 - 6 35 10 - 6 M) 27 。213 抗癌活性含有 lavandulyl 侧 链 的 SF G , Kurarino ne , 2 2Met ho xykurarino ne 和 L eac

13、hiano ne G 显示有较强的human myeloid leukemia HL260 cells ( IC50 = 12 . 5 ,18 . 5 , 13 . 7 , 11 . 3 M ) 和 human hepatocarcino ma Hep G2 cells 抑制活性 ( IC50 = 13 . 3 ,36 . 2 ,21 . 1 ,13 . 3 M) 。但 具 有 羟 基 化 lavandulyl 侧 链 的 Kurarinol ,Kushenol H , K 则无该活性28 。表明 lavandulyl 侧链的存在是该活 性 表 现 的 必 需 条 件 , 并 提 示 含 la

14、2 vandulyl 侧链的该类化合物有望作为癌症病患的化 学治疗剂和活性防护剂使用 。对 A549 , HeL a , K562和 L 1210 细胞株的抑制 , SF G 的 ED50 值分别为 0 .78 ,1 . 57 ,2 . 14 和 5 . 0 g/ mL ,其中对 A549 最为敏,对甲氧苯青霉素耐受菌 S . a u2reus ( M S R A ) 也显示有抑制作用 , 其中 S FG 的作用较强 , 其最小抑制浓度为 3 . 1326 . 25 g/ mL 18 。构 效关系表明二氢黄酮母核中 B 环 2,42二羟基取代 或 2,62二羟基取代以及 A 环的 5 ,72二

15、羟基取代对抑制 M SRA 活性有重要意义 。同时 ,位于 C28 或 C26 的异戊烯基侧链能增强其活性 , 如与 SF G 相比 , 在 C28 位上含有 A 侧链的 L eachiano ne G 的最小抑 制浓 度 为 12 . 5 g/ mL , 而 不 具 异 戊 烯 基 侧 链 的 Naringenin 则 几 无 作 用 ( 400 g/ mL ) 。此 外 , SF G ( 吲哚美辛 ( Indo met hacin ,0 . 4 1 . 3 g/ mL ) Kuraridin = Kurarino ne ( 0 . 61 g/ mL ) Q uercetin ( 8 g/

16、mL ) 。在对 52L O X的抑制中 ,SF G( 0 . 090 . 25 g/ mL ) 去甲二氢愈 创 木 酸 ( No rdihydroguaiaretic acid , 0 . 6 0 . 9 g/ mL ) Q uercetin (0 . 8g/ mL ) 补骨脂次素 ( Pso ra2 lidin ,3 . 68 . 8 g/ mL ) , 在 CO X22 的抑制活性中 ,SF G Kuraridin ,但 Kurarino ne 则无此活性 。另外 , 给由巴豆油诱发耳浮肿的鼠饲喂 2250 mg/ kg 或 局部涂敷 10 250 g/ 耳的 SF G ,表明其具有体内

17、 抗炎作用24 。此外 ,活性跟踪实验表明五种异戊烯基黄酮类化 合 物 , Kurarinol , Kushenol H , K , Kuraridin 和 Sop hoflavescenol 显 示 有 较 强 的 并 有 选 择 性 地 抑 制 c GM P 磷 酸 二 酯 酶 5 的 活 性 , 其 中 以 Sop hoflaves2异戊烯基黄酮类化合物的生物合成1968 年日本学者 Furuya 和 Ikuta 最早报道了 苦参愈伤组织培养的研究工作 ,发现愈伤组织可诱 导生 产 maackiain 和 p terocarpin35 。1989 年 Saito 等报道了能生产苦参碱等生

18、物碱的细胞培养系36 。1991 年 Yamamoto 等则首次描述了苦参愈伤组织3 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2004 Vol . 16 No . 2赵 平等 :苦参异戊烯基黄酮类化合物的化学 ,活性及其生物合成研究进展175能生产两种异戊烯基二氢黄酮类化合物 ,即 SF G 和L ehmannin (图 2) 37 ,随后并建立了其悬浮细胞培 养系 。在此基础上 ,探讨了多种诱导子 ( elicito r) 和 吸附剂对这些产物生产的影响 ,并发现经处

19、理后的 木栓组织的促进效果最好38 ,39 。与对照组相比 ,在培养基中添加了木栓组织的细胞中异戊烯基二氢黄 酮 (主要以 SF G 为主) 的含量增加了 325 倍 ,并且它 们总量的大约 80 %能被共培养后的木栓组织所吸 附 。更有趣的是 ,与其他诱导子不同 ,木栓组织对细 胞的生长几乎不产生任何抑制影响 ,而且添加过木栓组织的培养细胞仍可照常进行继代 。随后 ,赵平等发现通过木栓组织和诱导子茉莉酸甲酯 ( met hyl jasmo nate) 与 细 胞 共 培 养 能 进 一 步 促 进 SF G 的 生 产 ,其产量达到 2 . 7 mg/ 20 mL medium 。同时从共

20、培养 后 的 木 栓 组 织 中 分 离 得 到 了 其 前 体 化 合 物Sop ho raflavano ne B 和 L eachiano ne G ,以及其它微量 的异戊烯基黄酮类化合物 ( 图 2) 40 。这些微量成 分在普通的培养细胞中因含量甚微而无法检出 ,且 大多数也尚未从原植物中分离得到 。图 2 苦参悬浮培养细胞中的异戊烯基黄酮类化合物Fig. 2 Prenylated flavo noids isolated f ro m t he cell suspensio n cult ures of S op hora f l avescens通常认为 ,植物体中异戊烯基黄酮类

21、化合物是异戊烯基侧链先完成合成后 ,再与黄酮母核进行结 合而形成的41 。而具有 lavandulyl 侧链的 SF G 的 生物合成则是一个例外 。酶学研究表明 ,它的合成并不是通过 lavandulyl 侧链直接被结合到二氢黄酮的母核上来完成 ,而是通过包含有一个羟基化反应 的两个不连续的异戊烯基化反应来进行的 ( 图 3) 。 同时 ,对催化这三步反应的酶 , Naringenin 82dimet2hylallylt ransferase ( N8 P T) 42 ,82Dimet hylallylnarin2探讨 ,发现 B 环 C22位上羟基的存在是催化进行第二步异戊烯基化反应的必需

22、条件 。这也符合这样一 个事实 , 那就是从植物由来的具 lavandulyl 侧链的黄酮化合物中几乎都含有 C22羟基 。N8 P T 是催化 转移一个 dimet hylallyl 基到芳环母核 上 , 而 L GP T则催化异戊烯基侧链的延长 ,并最终完成 SF G 的合 成 。到目前为止 ,已发现的链状化合物的异戊烯基 转移酶均为水溶性酶 ,且异戊烯基单元多以 124 或121 形式结合而形成了庞大的萜类和甾族化合物 群 。因具有膜结合性并催化异戊烯基单元 122 结 合等特殊性质 ,L GP T 被认为是首次发现的一种新奇的异戊烯基转移酶 。通过13 C 标记葡萄糖饲喂实验对 lav

23、andulyl 侧 链的生物合成起源进行了探讨 ,结果证明 ,构成 la2vandulyl 侧链的两个 C5 单位并不是由经典的甲瓦 龙酸 途 径 , 而 是 由 近 年 新 发 现 的 12Deo xy2D2xylu2genin 2 2hydro xylase ( 2 O H) 43 和 L eachiano neG22dimet hylallylt ransferase (L GP T) 44 的生物化学性质分别进行了详细的检测 。发现这三种酶均为膜 结合酶 ,其中两步异戊烯基化反应均要求二价金属离子特别是镁离子的参与 , 并仅接受 Dimet hylallyldip ho sp hate

24、 为异戊烯基供体 , 它们的最适 p H 分别 为 9 . 0 和 8 . 8 。此外 ,对异戊烯基受体特异性进行 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 176天然产物研究与开发2004 Vol . 16 No . 2lo se252p ho sp hate (DO XP) 途径合成而来45 , 暗示这两步异戊烯基化反应是在质体中进行 。并通过实验 证明 ,两种异戊烯基转移酶 N8 P T 和 L GP T 存在于 质体中 ,而进行第二步异戊烯基化反应所必需的 B环

25、C22位上的羟基化反应是在内质网上进行的44( 图 3) 。如图 3 中所示 ,在 SF G 合成中 ,要求质体和 内质网的协调参与 ,并提示细胞中存在有特异的各 中间体以及最终产物 SF G 的输送体系 。图 3 苦参悬浮培养细胞中 Sop horaflavano ne G 的生物合成途径及其相关前体和最终产物的细胞内输送体系Fig. 3 Biosynt hetic route f ro m (2 S) 2naringenin to sop horaflavano ne G by t wo disco ntinuous dimet hylallylatio ns and 22hydro xy

26、2latio n and p recursors/ p roduct s t ransport systems in Sop hora flavescens cult ured cells. N8 P T : naringenin 82dimet hylal2 lylt ransferase ; 2 O H : 82dimet hylallylnaringenin 2 2hydro xylase ; L GP T : leachiano ne G 2”2dimet hylall2ylt ransferase ; ER : endoplasmic reticulum利用分子生物学手段进一步开展

27、L GP T 的结构和功能 、SF G 合成相关的各种输送体系 、以及木 栓组织等对 SF G 的生产调控机理等方面的研究 ,将 为利用培养细胞进行 SF G 的大量生产提供科学依 据 。同时也有利于了解含分枝异戊烯基侧链的芳香化合物在植物中的形成机理及其生理功能 ,并为高 活性的类似化合物的创制提供有力的帮助 。3Kyogo ku K , Hatayama K , Ko mat su M . Co nstit uent s of aChinese crude drug Kushen ( t he root of S op horaf l avescens ) . Isolatio n of

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