植物天然产物或次生代谢产物评述

   杨顺楷 四川 成都

                  （三）

8.生物碱

自人类有史以来，植物提取物一直是用于药剂或毒剂配方用。在地中海地域，早在公元前1400-1200年，就开始使用鸦片罂粟乳液作药用。印度则早在公元前1000年就开始使用菝葜属植物的根作为药用。古代人类使用药用植物提取物，用作泻药、止咳药，以及止痛药，治疗多种病患者，包括蛇咬伤、发烧和精神疾患。作为植物药用向西扩展，跨越阿拉伯地域，传到欧洲。由此不断发现发明植物药用途的新剂型，以致其直接使用植物药煎剂。回顾起来，在一些历史性事件中，这些植物药被派上了用场，以致在公元399年，处死古希腊哲学家苏格拉底，就给与饮用一种植物毒芹碱提取物（从一种伞形科植物有毒草中提取）处以死刑。公元前51-30年期间，埃及女王克娄巴特拉使用植物天仙子毒剂（一种茄科植物提取物颠茄碱）阿托品，用来对付击败她的女性政治对手。在过去的一个多世纪以来，全球号称得上药物“王座”的，那就是鸦片莫属了。它曾经被广泛地作为“灵丹妙药”予以消费用途。早期的剂型主要由鸦片、干燥的蛇肉和酒调制而成。后来经过研究者对鸦片的组成分析，终于鉴定出“吗啡”—该名字出自希腊神话书籍，意为“上帝的梦幻”。1896年由德国药物学家分离出吗啡成份，至此开始了对生物碱的研究。到1819年，德国的另一位药物学家造出一个源自阿拉伯语的术语—“生物碱”。它是首次利用苏打从植物中分离制得，原初的定义是来自植物源的具有药理活性的含氮碱性化合物。

生物碱研究的190年后，前述的定义已经不足以包含生物碱整个领域，当然在许多情况下还是切合事宜的。现代研究表明，生物碱并不是仅仅为植物所独有，而且也已经从若干动物来源分离出生物碱，尽管仍然须得事先测定每一个有机体是否是从头合成，例如也已经从两栖动物蟾蜍皮肤分离到相当数量的吗啡。迄今为止，已经在哺乳类发现许多生物碱，并不是药理活性物质，并且有些反而是中性特征，而非碱性。尽管分子结构中含有氮原子。

含有生物碱的植物曾经被人类认为是“原料药”源头。直到今日，许多生物碱还一直被作为处方用药，其中最为熟知的一种生物碱处方用药，就是镇咳药和镇痛药。一个生物碱组份从鸦片得到的可待因，也已经作为现代药物合成的模板。例如莨菪烷生物碱阿托品，其来源的托品酰胺，用于眼科检验的散瞳剂用，以及来自吲哚生物碱的抗疟药喹啉。

有关生物碱对于现代医药学的主要影响，体现在西方帝国主义列强为了掠夺殖民地，发生在19世纪40年代英国侵略我国的鸦片战争。作为影响当今世界最大毒品的鸦片结构类似物—海洛因（来自乙酰吗啡的半合成化合物），根除其违禁生产的渠道，是世界各国政府都十分重视的禁毒职责；还有就是来自天然存在的生物碱可卡因，产自南美的古柯植物古柯叶提取物。由于生物碱具有多样性的药理活性，在应用方面，自人类有史以来，它就具有“好与坏”的双重特征。但是在植物生物学家看来，生物碱是一个植物进化选择的过程，以至于它具有如此大量复杂的化学结构，从而保持其影响力超过千年。

9. 植物生物碱生理活性参与植物的化学防卫

自从发现吗啡以来，已经有多达12000个以上的生物碱被分离出来。其中有20%以上的开花植物产生生物碱，并且其中每种植物积累产生的生物碱均都具有独特的性质。有些植物，例如长春花含有多达100个不同的单萜类吲哚生物碱。为什么一种植物须得含有如此多个氮原子，合成如此大量多样性结构的生物碱呢？对于此，这是长期以来都会提出的一个话题。可以设想，这也许就是这些化合物存在的生态化学功能。

植物生物碱的化学防卫作用，凭借其对动物广大范围的生理学效应而起作用。许多生物碱具有的抗生活性而得到支持。多种生物碱对昆虫是有毒性的，或称具有拒食剂功能。例如烟草中发现的尼古丁，就是人类首次使用的杀虫剂之一；也已经从食草类动物发现，刺激野生烟草植物，导致尼古丁的生物合成。另外一个有效的昆虫毒素就是咖啡因。发现它存在于可可种子和叶、咖啡豆、巴拉圭茶和茶叶中。在新鲜咖啡豆或茶叶饮品，使用低浓度的咖啡因做试验，几乎在24小时内，几乎全部杀死烟草蠕虫的幼虫，几乎全部抑制水解cAMP磷酸二酯酶的活力；a-茄碱（龙葵硷）是一种在土豆块发芽发现的胆碱酯酶抑制剂。其痕迹量的毒性成分与土豆发芽时的致畸性存在相关性；该甾体生物碱a-茄碱（龙葵胺）的化学结构类似于薯蓣皂苷，差别在于甾体骨架上D环-F 环间杂有一个氮原子。已经有报道该茄碱（澳洲茄胺）可作作为半合成原料，制造糖皮质激素药物。

10. 生物碱生物合成研究的生物技术应用

基于对生物化学和分子遗传学可行的技术手段，推动了对具有实际应用价值的生物碱的鉴定、纯化和生产。天然产物领域分枝的生物碱研究现况，反映在分析化学、酶学和药理学方面的诸多新进展。例如现在仅仅利用少量生物碱纯样品，就可以借助质谱和NMR谱分析，完成结构解析；绝对的立体化学可以借助晶体结构测定予以明白无误的排定。植物提取物的粗品或纯化样品的药理学活性，可以使用全自动系统予以测定。立足于每年工业筛选计划所搜集到的上百万个数据点，进行比对分析。对此我们能够测试生物活性的数量，受限于可以得到的靶酶和受体的数量。当其对疾病继续获知更多生物化学基础条件下，那么测试系统的数量将会增加。

当其从一种稀有植物，发现一种具有生理活性，且具有复杂结构，而仅有少量生物碱样品，该怎么办？首先须得将该生物碱样品通过动物和临床试验。如果这些条件得以满足，最终须得提供足够的原料药满足市场需求。这就给研发人员提出了须得建立仿生合成手段，即至少复制部分生物合成途径，产出与植物类似的合成化合物；换言之，他们能够改变植物的代谢，改变生物碱的分佈型。细胞培养技术调控生物碱的生物合成，同样可以影响所需要产生的生物碱。下述介绍研究成功案例。表明这些方法是可行的。

11. 药用植物的代谢工程可能就是未来的药物生物技术

主要是在茄科植物发现的莨菪烷类生物碱，含有2种抗胆碱能药物：莨菪碱和东莨菪碱。茄科植物传统上已经应用于医药，那就是致幻剂和毒剂用途。它们都部分来源于莨菪烷生物碱。为了获得改进药源的目标，借助东莨菪碱商业源头代谢工程，能够扩大传统的植物育种，力图选育出含有优良生物碱模式的药用植物。到如今东莨菪碱的商用来源是Duboisia；它是栽培已经带有编码东莨菪碱6b-羟基化酶cDNA（黑色天仙子）基因；借助农杆菌体系已被引进介导转化成功的植株，用来生产东莨菪碱药用原料。结果获得的转基因植株，在每条多毛的根含有较野生型高浓度的东莨菪碱。这种转基因植物提供了首个先例，即如何使用分子遗传技术，提高产生药用重要性生物碱数量。这就可能改变原有野生株低产生物碱的性状。

设计一个有意义的转化实验，须得具有生物碱生物合成代谢途径的全面知识，这种研究也为我们自身转化和再生药用植物的能力所限。迄今为止，在这一重要领域的专门知识，还远远落后于如烟草、矮牵牛苷和谷类作物。例如在莨菪烷生物碱领域，转化和再生Duboisia，对植物的定植、收获和纯化技术业已经建立起商业化模式，这在事前都是不得不认真考虑的事件。植物细胞培养的遗传操作，可以增高限速酶的浓度，或可能得出并非正常诱导细胞培养，而是基因表达的结果。如果是如此，那么植物细胞或组织培养确实可以成为生产生物碱的工业化途径。

另外一个成功的案例，就是代谢工程是如何能够改变天然产物合成。借助cDNA编码某油料作物的色氨酸脱羧酶，已经成功转化，用于单萜吲哚生物碱的生物合成。收获的籽粒用于榨油，饼粕如果作为动物蛋白饲料添加，则因为存在吲哚生物碱含有的葡萄糖异硫氰酸盐而受到限制。因为该含硫化合物作为饲料蛋白对动物适口性差。对该作物的色氨酸脱羧酶转基因，改变了色氨酸池。致使从野生型吲哚葡萄糖异硫氰酸盐生物合成方向，转变为色胺产物；该转基因油料作物成熟的籽粒，含有较少的吲哚葡萄糖异硫氰酸盐，且并不积累色胺。从而使得饼粕较适合作为动物饲料添加，成为经济适用的产品。

到如今至少已经有8个阐明生物碱酶法合成已经完全，或接近完全的案例。那就是西罗芙木硷、长春栗林、黄连素、延胡索硷、macarpine、吗啡、大叶小檗碱和东莨菪硷。在这些生物碱中，如吗啡和东莨菪硷在工业上的用途，仍然是从产生这些生物碱的植物原料分离，而不是合成。未来对这些生物碱的研究须得立足于发展一个替代的生产体系，例如采用植物细胞培养或微生物发酵培养产生，以及培育出较现行在田间生长分离生物碱，更有效改进了的生产药用生物碱谱的新植物品系。

这些替代品系的设计和植物优化选择，均需得在分子水平操作；反之，这些均要求拥有生物碱生物合成在酶水平的知识。现在已经在选择出的生物碱取得很大进展；但是也还有许多具有药物重要性的生物碱，如喜树碱、金鸡纳碱和吐根碱尚待发现。目前提到的仅仅是少数几个案例。如今借助cDNA工作程序，分离到的生物碱生物合成大约已经有20个。确实，有待鉴定克隆须得在未来岁月里加快速度。当其欲要分离基因时，我们可以预期杂合表达系统，可以在细菌、酵母，以及昆虫细胞培养系统得以建立起来。这对于生物碱的生物模拟合成，产生单一的酶，或许可以缩短代谢途径。就目前所知，生物碱生物合成基因是如何借助诱导物表达调控，或者在特定组织也许可能借助生物分析，得出生物碱生物合成基因启动子得以改进。未来几乎可以使人确信的是，遗传工程的微生物和真核生物的细胞培养生产的生物碱，代谢工程药用植物含有人工分子剪裁的生物碱谱系，以及在植物细胞培养含有重要药物用途生物碱；甚至发现经由组合生物化学，发现迄今为止未知的酶法合成生物碱都是可以期待的。

              （待续）