植物甾醇的結(jié)構(gòu)與功能的研究進(jìn)展

左春山 劉大勇 徐啟杰 時(shí)文中 牛 靜 G.C.Chass

（黃淮學(xué)院 化學(xué)化工系，河南 駐馬店 463000）

植物甾醇作為一類天然功能活性物質(zhì)，廣泛存在于植物細(xì)胞與組織中[1,2]，已被確認(rèn)具有抗炎、退熱、抗癌、阻礙膽固醇吸收等多種生理功能，廣泛應(yīng)用于食品衛(wèi)生行業(yè)，深受消費(fèi)者的青睞[3]。西方飲食中，人們每天攝入一定量甾醇，主要來源于植物油、麥類、水果和蔬菜等[4,5]。美國FDA已批準(zhǔn)添加甾醇的食品可采用“Health Claim”的標(biāo)簽。甾醇逐漸成了研究的熱點(diǎn)，甾醇許多重要的價(jià)值被發(fā)現(xiàn)和挖掘出來。對甾醇的存在形式、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、甾醇的抗氧化機(jī)理及應(yīng)用等方面做深入系統(tǒng)的闡述是很有必要的，同時(shí)也為將來基于甾醇構(gòu)效關(guān)系的研究、甾醇功能性的結(jié)構(gòu)修飾與調(diào)整、甾醇生理功能衍生物的合成與制備提供了有益的參考。

1 甾醇的來源

甾醇廣泛存在與植物、動(dòng)物及真菌等細(xì)胞與組織的膜結(jié)構(gòu)中，在自然界中既可以游離態(tài)形式存在，也可以結(jié)合態(tài)形式存在，不同生物組織中甾醇化合物的種類與含量不盡相同。根據(jù)來源的不同，可以將甾醇分為植物甾醇、動(dòng)物甾醇與菌類甾醇三類。如：植物的根、莖、葉、果實(shí)和種子中含有大量的植物甾醇如谷甾醇、豆甾醇和菜油甾醇(見表1)[6]。動(dòng)物的組織與細(xì)胞中主要是動(dòng)物甾醇如膽甾醇(俗稱膽固醇)。霉菌與蘑菇等菌類含有豐富的菌類甾醇如麥角甾醇等。

表1 一些常見甾醇含量及組成

2 甾醇的結(jié)構(gòu)

甾醇的結(jié)構(gòu)大多相似，但是功能卻千差萬別。這主要是由于R3基團(tuán)的區(qū)別所導(dǎo)致的。因此結(jié)構(gòu)的區(qū)別直接決定了性質(zhì)的不同，性質(zhì)不同則決定了其功能的不同。

2.1 甾族化合物骨架結(jié)構(gòu)

甾族化合物復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及其重要的生理功能引起了化學(xué)家的廣泛關(guān)注。從結(jié)構(gòu)上來說，甾族化合物的結(jié)構(gòu)大多相似，都含有一個(gè)環(huán)戊烷并氫菲的四個(gè)相并的環(huán)構(gòu)成的基本骨架以及三個(gè)側(cè)鏈(骨架結(jié)構(gòu)及編號見圖1)。其中，四個(gè)環(huán)可以按順序依次編號為A、B、C、D環(huán)，前三個(gè)環(huán)均為六元環(huán)，D環(huán)為五元環(huán)；而三個(gè)側(cè)鏈可以按順序編為 R1、R2、R3，R1和 R2一般為甲基(有時(shí)為醛基－CHO或者伯醇基—CH2OH)，通常把這類甲基稱為角甲基，R3可以由 2，4，5，8，9，10 個(gè)碳原子的碳鏈構(gòu)成； 除此以外，在C3上一般帶有一個(gè)羥基。

圖1 甾醇的骨架結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 幾種主要的甾族化合物結(jié)構(gòu)及構(gòu)效關(guān)系

甾醇化合物的主要區(qū)別在于C17所連的基團(tuán)R3不同。植物甾醇為類甾醇化合物[6]，其結(jié)構(gòu)與膽固醇頗為相似，主要區(qū)別在于R3側(cè)鏈上所連基團(tuán)不同(圖2)。豆甾醇與谷甾醇的區(qū)別在于R3側(cè)鏈上是否有雙鍵，菜油甾醇與谷甾醇的主要區(qū)別在于R3側(cè)鏈?zhǔn)欠窈幸一?/p>

圖2 膽固醇與三種植物甾醇的結(jié)構(gòu)示意圖

由于側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致了其構(gòu)效關(guān)系和生理功能的不同[7]。例如甾醇可以作為很好的乳化劑，主要是由于甾醇本身具有龐大的疏水性基團(tuán)，同時(shí)也具有羥基這樣的親水性基團(tuán)，因此具有很好的乳化性能。通過對羥基基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)修飾可以調(diào)節(jié)甾醇的乳化性能。正是由于甾醇具有兩親性特征，使得它具有調(diào)節(jié)和控制膜流動(dòng)性的能力從而起到膜支架作用。

3 甾醇的生理功能

甾醇被譽(yù)為“生命的鑰匙”，具有十分重要的生理功能，挖掘其生理功能成為化學(xué)家、生物學(xué)家永恒追求的主題。本文將從下屬幾方面來闡述植物甾醇的生理功能。

3.1 降膽固醇作用

植物甾醇與膽固醇結(jié)構(gòu)相似，在生物體內(nèi)以與膽固醇同樣方式被吸收，但甾醇在動(dòng)物體內(nèi)吸收率不到膽固醇的10%。由于能抑制肝臟內(nèi)膽固醇生物合成、促進(jìn)膽固醇異化、抑制膽固醇在腸道內(nèi)的吸收，植物甾醇是很好的降膽固醇藥物[3]。早在1953年，人們就發(fā)現(xiàn)植物甾醇可以降低人體膽固醇的水平，隨后迅速被開發(fā)為降膽固醇藥物，這一功能有利于降低心血管病發(fā)作的風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，對使用他汀類藥物的患者來說，植物甾醇甚至能將體內(nèi)膽固醇水平降低9-17%。但是不同結(jié)構(gòu)的植物甾醇降膽固醇效果也不一樣，如β-谷甾醇和豆甾醇降低膽固醇作用十分明顯，而菜油甾醇降膽固醇作用則相對較弱。

3.2 延緩衰老

延緩衰老，提高人口壽命是人類追求的終極目標(biāo)之一。人體組織、機(jī)體的老化是導(dǎo)致衰老的主要原因。膜結(jié)構(gòu)中包括磷脂、糖脂和甾醇三類脂質(zhì)化合物，它的異變直接導(dǎo)致生物組織、機(jī)體的老化。在膜結(jié)構(gòu)中，甾醇起著關(guān)鍵性的支架作用，它可以限制脂肪酸烴基長鏈自由擺動(dòng)，降低膜流動(dòng)性，保持膜的完整性從而延緩膜的老化。當(dāng)膜內(nèi)甾醇比例降低時(shí)，雙層膜脂肪酸烴基長鏈無法自由擺動(dòng)，磷脂分子位置被固定，膜由于喪失柔軟性變得僵硬，蛋白質(zhì)會(huì)失去活性。最終，膜會(huì)表現(xiàn)出老化或缺陷的特性，從而失去適應(yīng)能力，選擇性和功能性大大損傷。由于與膽固醇結(jié)構(gòu)類似，植物甾醇可以在人體內(nèi)起到部分替代膽固醇的作用，適量攝入植物甾醇，補(bǔ)充人體內(nèi)細(xì)胞或組織內(nèi)甾醇含量，可以延緩衰老[8]。

3.3 預(yù)防腫瘤

癌癥是目前人類最大的致死病因。許多植物甾醇被證明有很好的抗腫瘤作用。膽固醇經(jīng)腸道微生物的作用產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物容易誘發(fā)結(jié)腸癌及炎癥。相反，植物甾醇會(huì)促使膽固醇本身直接排出體外，減少了膽固醇的微生物分解代謝產(chǎn)物，可達(dá)到預(yù)防腫瘤的效果[9]。有些植物甾醇能直接抑制腫瘤，如谷甾醇本身已被證明能夠有效地抑制人結(jié)腸癌細(xì)胞HT29的生長、上皮細(xì)胞增殖以及化學(xué)誘導(dǎo)大鼠結(jié)腸腫瘤，從而作為抗腫瘤藥物來使用。給患有腫瘤細(xì)胞的小數(shù)喂食0.2%劑量的谷甾醇28周后，39%的老鼠腫瘤會(huì)減少，每只老鼠的腫瘤細(xì)胞會(huì)減少60%。

3.4 消炎、退熱作用

研究表明，植物甾醇能抑制細(xì)菌、真菌等繁殖，具有明顯的消炎、退熱、治潰瘍的功效。如：β-谷甾醇具有類似于氫化可的松和羥基保泰松這些藥物的抗炎作用，而且無藥物副作用；β-谷甾醇還具有有類似于阿司匹林(乙酰水楊酸)退熱作用；同時(shí)其副作用很低。一般臨床應(yīng)用抗炎藥物多具有致潰瘍性，而谷甾醇服用量高至300mg/kg也不會(huì)引起潰瘍[10]。

3.5 護(hù)膚作用

護(hù)膚作用是大多數(shù)甾醇類化合物所具有的一種功能。由于甾醇是W/O型乳化劑，其乳化性能和穩(wěn)定性都非常好，同時(shí)對皮膚有很高的滲透性，是優(yōu)良的護(hù)膚品成分。此外，植物甾醇親和性弱，在洗發(fā)護(hù)發(fā)劑中起到調(diào)節(jié)劑作用，能增強(qiáng)頭發(fā)韌性，保護(hù)頭皮。目前在美國、日本等許多國家，甾醇廣泛用于各種化妝品中。

4 甾醇的抗氧化性

有關(guān)資料報(bào)道甾醇具有抗氧化的生理作用，是一種新型的天然抗氧化劑[11]。在分子結(jié)構(gòu)中由于親水性羥基和碳碳雙鍵的存在，甾醇很容易被氧化，這種現(xiàn)象在一些植物油(花生油等)中很常見[12-15]。具有抗氧化功能的植物甾醇的共同特征是他們R3側(cè)鏈上都有一個(gè)亞乙基[16,17]。帶亞乙基的植物甾醇的含量越高，其抗氧化性越強(qiáng)[3]。豆甾醇在特殊情況下，可以形成三價(jià)的自由基，但它不顯示任何抗氧化活性。這可能是由于空間的問題，降低自由基形成的比例[3]。已經(jīng)報(bào)道豆甾醇可以使細(xì)胞膜變得無序[18]，并且豆甾醇與其它甾醇在質(zhì)膜中的摩爾比率隨著衰老而不斷增加[19]。

4.1 甾醇化合物抗氧化性可能的反應(yīng)機(jī)制

甾醇，包括植物甾醇很容易被氧化，它們通過酶氧化或自然氧化。最常見的氧化反應(yīng)是自由基反應(yīng)[20]，甾醇氧化能夠抑制其它脂質(zhì)分子(如甘油三酯和脂肪酸)的氧化。由于植物甾醇和膽固醇化學(xué)結(jié)構(gòu)的相似，它們可進(jìn)行類似的化學(xué)反應(yīng)，包括氧化。甾醇氧化主要發(fā)生在A環(huán)，B環(huán)上。也可以發(fā)生在分子的支鏈上，但支鏈上比環(huán)上的氧化困難一些，通常該部位的氧化被認(rèn)為主要是由于酶催化的反應(yīng)[21]。甾醇大約有60%的以脂肪酸酯的形式存在于植物油中[22]，醇酯結(jié)構(gòu)甾醇的氧化形成空間阻礙。當(dāng)脂肪酸為不飽和脂肪酸時(shí)，氧就會(huì)先于脂肪酸作用，再與甾醇作用；當(dāng)脂肪酸是飽和脂肪酸時(shí)，氧將會(huì)直接與甾醇作用[21]。以膽固醇為例：

膽固醇受氧氣、光照及各種促氧劑的作用，會(huì)在A環(huán)、B環(huán)或支鏈發(fā)生自氧化反應(yīng)(如圖3所示)。一種情況是在自由基及氧氣作用下，C7首先失去一個(gè)H原子而形成自由基，接著自由基與氧氣、氫原子反應(yīng)生成7-氫過氧化膽固醇，然后OO鍵斷裂生成7α-羥基膽固醇或7β-羥基膽固醇，再脫氫生成7-酮基膽固醇；7-氫過氧化膽固醇也可直接脫水生成7-酮基膽固醇(見圖3過程I)。一種情況是在游離脂肪酸自由基與氧氣存在的條件下，膽固醇先生成5,6-環(huán)氧膽固醇，進(jìn)一步水解可形成膽甾烷三醇[21](見圖3過程II)。第三種情況是在自由基存在情況下，R3支鏈上的 C20，C22，C24，C25和 C26也易被氧化而形成相應(yīng)的羥基膽固醇(見圖3過程III)。

圖3 膽固醇氧化物的形成機(jī)理

有研究表明，由于不飽和脂肪酸帶有多個(gè)雙鍵，導(dǎo)致其性質(zhì)不穩(wěn)定，容易與環(huán)境中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的游離基和過氧化物進(jìn)攻膽固醇的碳原子，使膽固醇自身產(chǎn)生游離基，引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[23]。這種反應(yīng)容易促進(jìn)膽固醇氧化。Wang等用非線性回歸動(dòng)力學(xué)模型研究的結(jié)果表明，在不飽和脂肪酸存在的條件下，開始階段的膽固醇自氧化過程中的C7氫過氧化反應(yīng)和5,6-環(huán)氧化反應(yīng)屬二級反應(yīng)，其它氧化反應(yīng)屬一級反應(yīng)，亞油酸的存在能促進(jìn)膽固醇的氧化[24]。

4.2 甾醇的氧化產(chǎn)物

許多食物中都存在有甾醇氧化物，甾醇氧化物的數(shù)量取決于處理和儲存條件，比如溫度等。甾醇的氧化產(chǎn)物大部分都發(fā)生在四個(gè)環(huán)的結(jié)構(gòu)上。在不同的甾醇氧化物中，7-keto-是較穩(wěn)定的，羥基、環(huán)氧、和二羥基會(huì)被分解[12]。

圖4 幾種氧化形態(tài)的甾醇的骨架結(jié)構(gòu)示意圖

最近研究表明，膽固醇氧化物(COPS)可能是造成動(dòng)脈損害的主要原因[25]，人們可以從食物中吸收COPS[26]，COPS可以導(dǎo)致人們動(dòng)脈硬化和冠心病，而且膽固醇的環(huán)氧化物能誘導(dǎo)有機(jī)體發(fā)生突變[27,28]。西方人們的飲食已經(jīng)從用動(dòng)物脂肪轉(zhuǎn)變用植物油[20]。植物油中高含量的多未飽和脂肪比動(dòng)物脂肪更容易使甾醇發(fā)生自由基氧化[30]。植物油中不飽和脂肪酸的比例越高，就會(huì)發(fā)現(xiàn)越多的氧化物，這意味著脂肪酸的種類和性質(zhì)可能影響油中甾醇的氧化。植物甾醇的氧化產(chǎn)物在毒性方面和COPS是相似的。研究表明，植物甾醇的氧化物確實(shí)有危害，但其沒有膽固醇氧化物的嚴(yán)重。

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