海洋天然產物化學

海洋天然產物化學，是研究從海洋生物中提取的有機物質，是化學轉變確定化學結構的一門科學。

基本介紹

• 中文名：海洋天然產物化學
• 外文名：marine natural products chemistry 
• 釋義：  海洋化學的一個分支
• 演變：化學轉變確定化學結構的一門科學

簡介

海洋是生命的發源地，物種複雜多樣約有50萬種動物，1.3萬多種植物，約占地球資源的80%，是社會可持續發展的最大資源寶庫。在海洋特殊的生態環境（高鹽、高壓、缺氧）下，很多海洋生物在長期的進化過程中，能夠代謝產生一些結構獨特的化學物質，擁有豐富的生物多樣性和化學多樣性，是發現新藥的重要資源。海洋生物中的天然產物與陸生植物相比不僅在化學類型上有很大區別，而且即使是同類成分海洋生物中的天然產物有其獨特的結構和生物活性。由此可見，海洋中蘊藏著極其豐富的結構特異的天然產物，相對於陸生生物物種天然產物開發利用的程度而言, 海洋生物資源的開發利用程度還是相當低的。近年來, 隨著水下探測技術的提高和設備的改進, 人們對海洋生物資源開發的可能性和重視程度日益提高現在從海洋生物中開發出來的天然產物, 主要用作藥物、食品、保健藥品和化妝品, 以及用於其它生物醫學研究。

研究內容

海洋化學的一個分支。研究從海洋生物中提取的有機物質，包括脂肪族、芳香族、萜類、甾醇和含氮、含硫等各種類型的有機化合物，及其分離、提純、性質以及利 用現代方法光譜技術，化學轉變確定化學結構的一門科學。海洋天然產物具有獨特的化學結構和各種各樣的生理活性。對這些物質的研究中國早在古代就積累了豐富 的經驗。世界最早的醫藥文獻之一《神農本草經》中就有“文蛤主惡瘡”、“蝕五痔”。“牡蠣強 骨節，殺邪氣”的記載。明代李時珍的巨著《本草綱目》記載了近百種海洋生物的性、味功能和醫藥價值，許多記載和論述與現代資料完全一致，有些仍是今天值得 深入研究的課題。目前，海洋天然產物化學仍是最活躍的研究領域之一，對於海洋天然有機活性物質的提取、半合成、全合成以及結構改造，從海洋天然產物中尋找 新的藥物以有效地防治世界上的一些疑難病症(如癌症、心血管疾病等)。這些方面的研究豐富了海洋天然產物化學的內容。

主要反應類型

甾醇

甾醇是生物膜的重要組成部分，也是某些激素的前體。 自1970 年從扇貝中提取出24-碳-22-脫氧膽甾醇以及發現珊瑚甾醇後，海洋甾醇的研究進展十分迅速現已發現大量結構獨特的甾醇，它們主要分布在硅藻、海綿、腔腸動物、被囊類環節動物、軟體動物、棘皮動物等海洋生物體內，尤以海綿類為多。Fusetn等從海綿Topsentia sp.中獲得末端帶呋喃基的多羥基甾醇硫酸鹽Topsentiasterol D和E實驗表明，其不僅具有廣譜抗菌作用， 還具有抗真菌作用。

萜類

萜類是異戊二烯首尾相連的化合物。海洋萜類化合物主要來源於海洋藻類、海綿和珊瑚動物，許多聚有獨特的、新型碳骨架的萜類化合物不斷在海洋生物中被發現。包括單萜、倍半萜、二萜、二倍半萜、呋喃萜等類型。大多數海洋單萜化合物都含有較多鹵素，這是其獨特的結構特點，海倍半萜常見於紅藻、褐藻、珊瑚、海綿等，大多數與陸地植物中的不同，是海洋天然化學家感興趣的一個領域。

皂甙

許多陸地植物含有皂甙，動物界中只有海洋棘皮動物的海參和海星含有皂甙，皂甙是它們的毒性成分。海參皂甙均為羊毛脂甾烷型三萜皂甙，其甙元都具有相同的母核海參烷holostane，而海星皂甙元均為甾體，包括孕甾烷型和膽甾烷型。前者如海星甾酮即海星皂甙元asterosapogenin，後者如瑪沙海星甾酮和二氫瑪沙海星甾酮，它們是最先確定結構的海星皂甙元，而組成糖元部分的單糖主要有鼠李糖、岩藻糖奎諾糖、木糖、半乳糖和葡萄糖。

大環內酯化合物

海洋生物體內的大環內酯化合物，具有特殊的化學結構和強烈的生理活性，大多具有抗腫瘤、抗菌活性。 現已發現的海洋天然產物大環內酯類占了1/3，結構複雜，往往有很強的抗腫瘤活性，主要分布於藍藻、甲藻、海綿、苔蘚蟲、被囊動物和軟體動物及某些海洋菌類中。海洋苔蘚蟲Bugula neritina 中存在一系列26元大環內酯，其中bryostatin4分子式為C46H70O17，46g/ml劑量可使PS淋巴細胞生命延長62%。林厚文等從中國南海總合草苔蟲中分離得到一種新型的具有很強抗癌活性的大環內酯L將其命名為草苔蟲內酯Bryostatin19，我國南,海總合草苔蟲資源豐富，其抗癌活性成分草苔蟲內酯的分布受生長環境影響較小，為新藥研製與開發提供了很好的資源保障。

不飽和脂肪酸

很多不飽和脂肪酸來源於海洋，如二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）、十八碳八烯，DHA具有抗衰老、提高大腦記憶、防止大腦衰退、降血脂、降血壓、抗栓、降血黏度、抗癌等多種作用。EPA則用於治療動脈硬化和腦血栓還有增強免疫力的功能。此外，從鯊魚、海兔、鯨、海馬、海龍等體內也獲得多種不飽和脂肪酸，實驗表明，它們均具有一定的藥理活性。

多糖和糖苷

多糖和糖苷參與體內細胞各種生命現象的調節，能激活免疫細胞，提高機體免疫功能而對正常細胞無毒副作用。具有開發潛力的海洋多糖化合物包括螺旋藻多糖、 微藻硒多糖、紫菜多糖、玉足海參黏多糖、海星黏多糖、扇貝糖胺聚糖、刺參黏多糖、硫酸軟骨素、透明質酸、甲殼質及其衍生物等。科學家從紅藻中中提取的多糖硫酸酯，分子量為2106，能顯著抑制,HIV感染者的MT-4細胞內HIV的複製。其他海洋糖苷化合物尚包括KEMH扇貝糖蛋白、烏魚墨海膽糖蛋白以及鮑魚的抗菌抗腫瘤活性成分鮑靈等。

生物鹼

生物鹼是生物體內除去胺基酸、 蛋白質的含氮有機化合物的總稱，大多具有較複雜的氮雜環結構。來源於植物的許多生物鹼已成為重要的藥物，因此生物鹼一直是天然有機化合物的重要研究領域之一。 自1983年Kirkup4等首次從紅藻Martensia fragilis中分離出吲哚生物鹼以來，越來越多的生物鹼從海洋生物中被發現，這些生物鹼多數來源於海綿，並且都有特異化學結構和生理活性，有很強的抗病毒和抗腫瘤活性。

類胡蘿蔔素

一般來說，類胡蘿蔔素化合物在生物界分布很廣，現在從海洋生物中已發現了數百種結構新穎的類胡蘿蔔素。β-胡蘿蔔素（β-C）是自然界一系列類胡蘿蔔素中最為人類需要的一種，它是含有個共軛雙鍵的多烯烴化合物，是維生素A的前體，可對孕婦及兒童起到補充人體維生素A的作用，並不致造成維生素A過量而中毒。β-C有抗氧化作用防治腫瘤作用，尤其對防治癌的惡化是有效的。能阻止或延緩因紫外線照射引起的皮膚癌，對慢性萎縮性胃炎和胃潰瘍亦有療效。β-C主要從養殖鹽生杜氏藻 Dunaliellasalina中生產，因鹽藻所含的β-C要比胡蘿蔔所含的β-C高出上千倍。

環肽

是多個胺基酸通過肽鍵結合而成的環狀化合物，因為大多數海洋環肽化合物具有很強的抗腫瘤性，使其研究備受重視， 海洋環肽化合物大部分來自海鞘，1980年Irelad等從海鞘中發現第一個具有抗腫瘤活性的環肽化合物以來，在海洋化合物中不斷有環肽發現。從海鞘中提取出的一環肽Didemnin-B的體內體外抗腫瘤活性非常強，對人體的乳腺癌、卵巢癌、腎癌等的癌細胞有明顯抑制作用，目前已進入二期臨床試驗，是一種最有希望開發成功的治療癌症新藥。

套用

DHA 和ARA食品添加劑

位於美國馬里蘭州的哥倫比亞Martek生物科學研究所, 已研究出一種含有海洋天然產物的嬰兒配方牛奶, 與人乳一樣含有大腦和視網膜生長發育必需的二十二碳六烯酸(DHA) 和二十碳四烯酸(ARA , 又稱花生四烯酸)Martek研究所生產的DHA的來源是一種稱為CryPtooo dinium cohnii的微型海藻, 這種海藻可以大批種植。含AHA和ARA的配方牛奶目前在歐洲已開始使用。

消炎藥Pseudopeterosin C和Contignasterol

Pseudopeterosin C是從海洋無脊椎動物中得到的一批推向市場的產品之一它是由位於美國加州海洋研究所的研究小組從加勒比海Pseudopeterogorgracllsa bethae中分離出來的。Pseudopeterosin C是一種消炎化合物, 同時有助於阻止皮膚老化, 已用於雅詩蘭黛的護膚品中。

加拿大不列顛哥倫比亞大學的Ray andersen在一種海藻中發現了Contignasterol，這種化合物正由溫哥華的研究所作為抗哮喘藥進行開發。

海洋防污

另一個受益於海洋天然產物的領域是防污。由海洋中藤壺類甲殼動物引起的船舶和海上建築物的淤塞, 會導致嚴重的損害, 增加了燃料的消耗，要除去它們耗資巨大。估計全世界每年為此而多花費35 億美元最常用的防污劑是銅和有機錫化合物但由於有機錫化合物對海洋生物有廣泛的傷害作用, 已開始減少用量, 逐漸會禁止使用。日本東京大學研究小組已著手對環境比較有利的防污劑的研究。天然的防污物質是由某些附生物產生的, 它們用這些物質來避免過度生長, 並與其它生物競爭地盤這些研究人員正在研究無脊椎動物的幼體用什麼潛在的化學線索來決定他們應該在哪裡生長。幼體需要將它們自己安置在靠近相同物種成體的地方, 以保證它們可以存活。通常, 成體釋放出化學信號來吸引幼蟲軟體動物的地盤之爭也意味著, 它們已經有了有效的方法制止其他種類的幼蟲在它們附近安家，用這些化合物作為防污劑, 可以防止許多生物停留。到目前為止,科學家已經鑑定出一些有前途的異氰基類鐵及與之相關的萜類化合物他們斷定, 這些菇類化合物與硫酸銅一樣有效, 而且毒性更低。現在主要的障礙是不能得到這些化合物的優良的供給源，於是這些科學家們已開始了一個合成這種物質的計畫。

抗癌藥Bryostatin1和ET-743

在研究海洋天然產物時, 主要的焦點集中在抗癌藥的開發, 這可能是美國NCI 組織的海洋開發計畫的直接結果, 這項計畫目前, 在從海洋軟體動物中提取抗癌藥的領域中, 有一些成功的案例, 其中最先進的是Bryostatin1，它由東太平洋的一種名叫Bugula neritina的苔蘚中分離出來的，這種化合物對白血病、乳癌、皮膚癌、結腸癌、肺癌、宮頸癌、子宮癌以及淋巴癌有積極的抵抗作用。 Bryostatin1是一種不同尋常的抗癌化合物, 因為它具有不同尋常並且有益的性質一促進骨髓的生長, 骨髓又可以生產紅細胞—這種性質可以抑制腫瘤的生長。這種效果正與其它大多數抗癌製劑的效果相反, 別的製劑更容易殺死骨髓細胞, 並降低免疫系統功能。

Ecteinascidin 743簡稱ET-743，是Sigel等從加勒比海海鞘Ecteinascidia turbinate中分離的具有較強抗腫瘤活性生物鹼。該化合物是由3個四氫異喹啉結構單元連線而成，分子中有7個手性中心，其核心部分是一個哌嗪並雙四氫異喹啉的五環骨架。由於其結構複雜，目前僅有三個研究小組合成成功。Ecteinascidin 743對許多腫瘤細胞，如軟惡性毒瘤、結腸癌、卵巢癌、黑色素瘤、乳腺癌、腎癌、非小細胞肺癌、前列腺癌以及官頸癌細胞都有活性。對36名患者每21 d持續24 h靜脈輸注，總臨床獲益率為20%。1/3患者有3—4級的中性粒細胞減少症，所有的症狀均可逆，無中毒死亡現象。

前景

海洋天然產物是天然產物化學研究中最活躍的領域之一，在不久的將來會有更多的研究與開發。由於對海洋藥用生物資源缺乏系統評估，導致可利用資源種類更少，為獲得足夠的活性化合物大規模採集海洋生物既不可行，也不利於海洋環境生態平衡 。過度的海洋開發直接破壞近海生物鏈，造成許多重要海洋藥用生物資源瀕臨枯竭。因此，利用現代生物技術與化學合成技術對海洋天然產物進行投入的研究與開發將變得十分重要。