植物甾醇的结构与功能的研究进展.doc

2013.NO.09河南科技生命科学与农业科学Journal of Henan Science and Technology植物甾醇的结构与功能的研究进展左春山 刘大勇 徐启杰 时文中 牛 静 G.C.Chass（黄淮学院 化学化工系，河南 驻马店 463000）摘要：植物甾醇具有抗炎、退热、抗癌、降胆固醇等多种功能，是人类饮食中必不可少的活性成分。 本文对甾醇的来源，甾醇的结构与功能的关系、甾醇的抗氧化机理等方面的作系统的概述，为将来化学工作者通过修饰甾醇的结构来改变其生理功能提供 了有益的参考。关键词：植物甾醇；结构与功能；抗氧化；机理Abstract: Pytosterols are essential components in human diet due to their physicological functions in antiphlogosis, pyretolysis, anti - cancer and cholesterol -lowering. It is summarized in this paper the existence forms, relationship between structures and functions, antioxidation mechanism of phytosterols. It may be considered as a useful reference for chemists to change the functions of phytosterols via modified their structures in the future.Keyword: phytosterol, structure and function, antioxidation, mechanism中图分类号：TQ645 献标识码：A 文章编号：1003-5168(2013)17-0211-03植物甾醇作为一类天然功能活性物质， 广泛存在于植物 细胞与组织中1,2，已被确认具有抗炎、退热、抗癌、阻碍胆固醇 吸收等多种生理功能，广泛应用于食品卫生行业，深受消费者 的青睐3。 西方饮食中，人们每天摄入一定量甾醇，主要来源于 植物油、麦类、水果和蔬菜等4,5。美国 FDA 已批准添加甾醇的食 品可采用“Health Claim”的标签。 甾醇逐渐成了研究的热点，甾 醇许多重要的价值被发现和挖掘出来。 对甾醇的存在形式、结构与功能的关系、甾醇的抗氧化机理及应用等方面做深入系统 的阐述是很有必要的， 同时也为将来基于甾醇构效关系的研 究、甾醇功能性的结构修饰与调整、甾醇生理功能衍生物的合 成与制备提供了有益的参考。1 甾醇的来源甾醇广泛存在与植物、 动物及真菌等细胞与组织的膜结 构中，在自然界中既可以游离态形式存在，也可以结合态形式 存在，不同生物组织中甾醇化合物的种类与含量不尽相同。 根据来源的不同，可以将甾醇分为植物甾醇、动物甾醇与菌类甾 醇三类。 如：植物的根、茎、叶、果实和种子中含有大量的植物甾 醇如谷甾醇、豆甾醇和菜油甾醇(见表 1)6。 动物的组织与细胞 中主要是动物甾醇如胆甾醇(俗称胆固醇)。 霉菌与蘑菇等菌类 含有丰富的菌类甾醇如麦角甾醇等。表 1 一些常见甾醇含量及组成食物甾醇含量(mg/mL)游离甾醇:酯型甾醇谷甾醇豆甾醇菜油甾醇芝麻714.01:0.7810017.520.6葵花籽534.01:1.3910021.617.7花生220.01:0.5110016.316.5菜籽308.01:0.8510046.3-大豆160.71:0.7810044.225.5绿豆23.01:0.8210061.313.0毛豆49.761.313.0-小麦68.81:1.7410066.1玉米177.61:1.6010017.426.8甘薯12.11:0.141009.331.0萝卜34.31:0.1810025.8-西红柿6.771:1.22100107.416.5葡萄3.3110031.116.7-苹果12.71002.8-草莓12.11004.51.5-2 甾醇的结构甾醇的结构大多相似，但是功能却千差万别。 这主要是由 于 R3 基团的区别所导致的。 因此结构的区别直接决定了性质的不同，性质不同则决定了其功能的不同。2.1 甾族化合物骨架结构甾族化合物复杂的结构及其重要的生理功能引起了化学 家的广泛关注。 从结构上来说，甾族化合物的结构大多相似，都含有一个环戊烷并氢菲的四个相并的环构成的基本骨架以及 三个侧链(骨架结构及编号见图 1)。 其中，四个环可以按顺序依 次编号为 A、B、C、D 环， 前三个环均为六元环，D 环为五元环； 而三个侧链可以按顺序编为 R1、R2、R3，R1 和 R2 一般为甲基(有 时为醛基CHO 或者伯醇基CH2OH)，通常把这类甲基称为角 甲基，R3 可以由 2，4，5，8，9，10 个碳原子的碳链构成； 除此以 外，在 C3 上一般带有一个羟基。图 1 甾醇的骨架结构示意图2.2 几种主要的甾族化合物结构及构效关系甾醇化合物的主要区别在于 C17 所连的基团 R3 不同。 植 物甾醇为类甾醇化合物6，其结构与胆固醇颇为相似，主要区别 在于 R3 侧链上所连基团不同(图 2)。 豆甾醇与谷甾醇的区别在 于 R3 侧链上是否有双键， 菜油甾醇与谷甾醇的主要区别在于 R3 侧链是否含有乙基。胆固醇豆甾醇谷甾醇菜油甾醇图 2 胆固醇与三种植物甾醇的结构示意图 由于侧链的结构不同导致了其构效关系和生理功能的不211河南科技 2013.NO.09Journal of Henan Science and Technology生命科学与农业科学同7。 例如甾醇可以作为很好的乳化剂，主要是由于甾醇本身具 有庞大的疏水性基团， 同时也具有羟基这样的亲水性基团，因 此具有很好的乳化性能。 通过对羟基基团进行化学修饰可以调 节甾醇的乳化性能。 正是由于甾醇具有两亲性特征，使得它具 有调节和控制膜流动性的能力从而起到膜支架作用。3 甾醇的生理功能甾醇被誉为“生命的钥匙 ”，具有十分重要的生理功能，挖 掘其生理功能成为化学家、生物学家永恒追求的主题。 本文将 从下属几方面来阐述植物甾醇的生理功能。3.1 降胆固醇作用植物甾醇与胆固醇结构相似， 在生物体内以与胆固醇同 样方式被吸收， 但甾醇在动物体内吸收率不到胆固醇的 10%。 由于能抑制肝脏内胆固醇生物合成、促进胆固醇异化、抑制胆 固醇在肠道内的吸收，植物甾醇是很好的降胆固醇药物3。 早在 1953 年， 人们就发现植物甾醇可以降低人体胆固醇的水平 ，随 后迅速被开发为降胆固醇药物，这一功能有利于降低心血管病 发作的风险。 研究表明，对使用他汀类药物的患者来说，植物甾 醇甚至能将体内胆固醇水平降低 9-17%。 但是不同结构的植物 甾醇降胆固醇效果也不一样， 如 -谷甾醇和豆甾醇降低胆固 醇作用十分明显，而菜油甾醇降胆固醇作用则相对较弱。3.2 延缓衰老延缓衰老，提高人口寿命是人类追求的终极目标之一。 人 体组织、机体的老化是导致衰老的主要原因。 膜结构中包括磷 脂、糖脂和甾醇三类脂质化合物，它的异变直接导致生物组织、 机体的老化。 在膜结构中，甾醇起着关键性的支架作用，它可以 限制脂肪酸烃基长链自由摆动，降低膜流动性，保持膜的完整 性从而延缓膜的老化。 当膜内甾醇比例降低时，双层膜脂肪酸 烃基长链无法自由摆动，磷脂分子位置被固定，膜由于丧失柔 软性变得僵硬，蛋白质会失去活性。 最终，膜会表现出老化或缺 陷的特性，从而失去适应能力，选择性和功能性大大损伤。 由于 与胆固醇结构类似，植物甾醇可以在人体内起到部分替代胆固 醇的作用，适量摄入植物甾醇，补充人体内细胞或组织内甾醇 含量，可以延缓衰老8。3.3 预防肿瘤癌症是目前人类最大的致死病因。 许多植物甾醇被证明 有很好的抗肿瘤作用。 胆固醇经肠道微生物的作用产生的代谢 产物容易诱发结肠癌及炎症。 相反，植物甾醇会促使胆固醇本 身直接排出体外，减少了胆固醇的微生物分解代谢产物，可达 到预防肿瘤的效果9。 有些植物甾醇能直接抑制肿瘤，如谷甾醇 本身已被证明能够有效地抑制人结肠癌细胞 HT29 的生长、上 皮细胞增殖以及化学诱导大鼠结肠肿瘤，从而作为抗肿瘤药物 来使用。 给患有肿瘤细胞的小数喂食 0.2%剂量的谷甾醇 28 周 后，39%的老鼠肿瘤会减少，每只老鼠的肿瘤细胞会减少 60%。3.4 消炎、退热作用研究表明，植物甾醇能抑制细菌、真菌等繁殖，具有明显 的消炎、退热、治溃疡的功效。 如：-谷甾醇具有类似于氢化可 的松和羟基保泰松这些药物的抗炎作用， 而且无药物副作用； -谷甾醇还具有有类似于阿司匹林(乙酰水杨酸)退热作用 ；同 时其副作用很低。 一般临床应用抗炎药物多具有致溃疡性，而 谷甾醇服用量高至 300mg/kg 也不会引起溃疡10。3.5 护肤作用护肤作用是大多数甾醇类化合物所具有的一种功能。 由 于甾醇是 W/O 型乳化剂，其乳化性能和稳定性都非常好，同时 对皮肤有很高的渗透性，是优良的护肤品成分。 此外，植物甾醇 亲和性弱，在洗发护发剂中起到调节剂作用，能增强头发韧性， 保护头皮。 目前在美国、日本等许多国家，甾醇广泛用于各种化 妆品中。4 甾醇的抗氧化性有关资料报道甾醇具有抗氧化的生理作用， 是一种新型 的天然抗氧化剂11。 在分子结构中由于亲水性羟基和碳碳双键 的存在，甾醇很容易被氧化，这种现象在一些植物油(花生油等) 中很常见12-15。 具有抗氧化功能的植物甾醇的共同特征是他们 R3 侧链上都有一个亚乙基16,17。 带亚乙基的植物甾醇的含量越 高，其抗氧化性越强3。 豆甾醇在特殊情况下，可以形成三价的 自由基，但它不显示任何抗氧化活性。 这可能是由于空间的问 题，降低自由基形成的比例3。 已经报道豆甾醇可以使细胞膜变 得无序18，并且豆甾醇与其它甾醇在质膜中的摩尔比率随着衰 老而不断增加19。4.1 甾醇化合物抗氧化性可能的反应机制甾醇，包括植物甾醇很容易被氧化，它们通过酶氧化或自 然氧化。最常见的氧化反应是自由基反应20，甾醇氧化能够抑制 其它脂质分子(如甘油三酯和脂肪酸)的氧化。 由于植物甾醇和 胆固醇化学结构的相似，它们可进行类似的化学反应，包括氧 化。 甾醇氧化主要发生在 A 环，B 环上。 也可以发生在分子的支 链上，但支链上比环上的氧化困难一些，通常该部位的氧化被 认为主要是由于酶催化的反应21。 甾醇大约有 60%的以脂肪酸 酯的形式存在于植物油中22，醇酯结构甾醇的氧化形成空间阻 碍。 当脂肪酸为不饱和脂肪酸时，氧就会先于脂肪酸作用，再与 甾醇作用；当脂肪酸是饱和脂肪酸时，氧将会直接与甾醇作用 21。 以胆固醇为例：胆固醇受氧气、 光照及各种促氧剂的作用， 会在 A 环、B 环或支链发生自氧化反应(如图 3 所示)。 一种情况是在自由基 及氧气作用下，C7 首先失去一个 H 原子而形成自由基，接着自 由基与氧气、氢原子反应生成 7-氢过氧化胆固醇，然后 OO 键 断裂生成 7-羟基胆固醇或 7-羟基胆固醇，再脱氢生成 7-酮 基胆固醇；7-氢过氧化胆固醇也可直接脱水生成 7-酮基胆固 醇(见图 3 过程 I)。 一种情况是在游离脂肪酸自由基与氧气存在 的条件下，胆固醇先生成 5,6-环氧胆固醇，进一步水解可形成 胆甾烷三醇21(见图 3 过程 II)。 第三种情况是在自由基存在情况 下，R3 支链上的 C20，C22，C24，C25 和 C26 也易被氧化而形成 相应的羟基胆固醇(见图 3 过程 III)。图 3 胆固醇氧化物的形成机理 有研究表明，由于不饱和脂肪酸带有多个双键，导致其性质不稳定，容易与环境中的氧发生氧化反应产生的游离基和过 氧化物进攻胆固醇的碳原子，使胆固醇自身产生游离基，引发 链式反应23。 这种反应容易促进胆固醇氧化。 Wang 等用非线性 回归动力学模型研究的结果表明，在不饱和脂肪酸存在的条件 下， 开始阶段的胆固醇自氧化过程中的 C7 氢过氧化反应和 5,6-环氧化反应属二级反应 ，其它氧化反应属一级反应 ，亚油 酸的存在能促进胆固醇的氧化24。4.2 甾醇的氧化产物许多食物中都存在有甾醇氧化物， 甾醇氧化物的数量取 决于处理和储存条件，比如温度等。 甾醇的氧化产物大部分都 发生在四个环的结构上。 在不同的甾醇氧化物中，7-keto-是较2122013.NO.09河南科技生命科学与农业科学Journal of Henan Science and Technology稳定的，羟基、环氧、和二羟基会被分解12。图 4 几种氧化形态的甾醇的骨架结构示意图最近研究表明，胆固醇氧化物(COPS)可能是造成动脉损害 的主要原因25，人们可以从食物中吸收 COPS26，COPS 可以导致 人们动脉硬化和冠心病，而且胆固醇的环氧化物能诱导有机体 发生突变27,28。 西方人们的饮食已经从用动物脂肪转变用植物 油20。 植物油中高含量的多未饱和脂肪比动物脂肪更容易使甾 醇发生自由基氧化30。植物油中不饱和脂肪酸的比例越高，就会 发现越多的氧化物，这意味着脂肪酸的种类和性质可能影响油 中甾醇的氧化。 植物甾醇的氧化产物在毒性方面和 COPS 是相 似的。 研究表明，植物甾醇的氧化物确实有危害，但其没有胆固 醇氧化物的严重。参考文献：1Kendrick M, The great cholesterol con M. 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