现代生物技术在中药化学研究中的应用探讨

现代生物技术在中药化学研究中的应用

探讨

【关键词】现代生物技术，"，中药化学

摘要：目的探讨现代生物技术在中药化学研究中的应用。方法分

析现代生物技术在中药化学成分产生途径、化学反应、合成和生产三个方面的

应用。结果现代生物技术在中药化学研究过程中比传统研究方法更具有优势，为

中药化学研究开辟一条崭新的途径。结论中药化学研究应当充分吸收和利用现代

生物技术。

关键词：现代生物技术；中药化学

中药是我国传统医学用以防治疾病的重要武器，其产生功效的物质基础

是中药所含的化学成分。中药化学的研究在中医药学的现代化、国际化及中药产

业化的进程中具有极为重要的作用[1b其研究过程中通常要结合现代科学理

论和成果，应用当代最新技术和方法来进行。现代生物技术是以生物体系（个体、

组织、细胞、细胞器、基因）和生物工程原理来生产生物产品，培育新的生物品

种或提供社会服务的综合性生物科学技术，在各个行业得到了广泛的应用，尤

其是农业、环保、医药等领域。现代生物技术将是推动中药现代化的强有力的重

要技术之一[2],并且在中药现代化研究中得到应用。现代生物技术在中药化学

研究中也有应用，但这方面研究大多分散在其他研究当中，尚未见到报道对这方

面有系统的分析，而且研究中药化学的人通常从化学角度入手，很少涉及到生物

技术。本文就现代生物技术在中药化学研究中的应用进行一个比较全面系统的分

析。

1现代生物技术在中药化学成分产生途径研究中的应用

中药化学成分大多是药用植物在生长时期进行的一系列新陈代谢过程中

形成和积累的，绝大部分是代谢次生产物，它们的产生往往有几种到几十种酶的

参与，合成途径非常复杂。中药化学成分产生途径的研究要借助于酶工程、基因

工程等现代生物技术来研究中药化学成分生物合成途径。研究中药化学成分的生

物合成途径不仅可以有助于这些化学成分的仿生合成，而且还可以人为地对这些

化学成分的合成进行生物调控，有利于定向合成所需要的化学成分，是整个中药

化学研究的基础。国际上这方面的研究已经逐步深入。HEide等在辽宁紫草的细

胞培养中，研究了与紫草宁生物合成相关的酶类，初步确定了紫草宁生物合成的

关键酶是对羟基苯甲酸耗牛儿基转移酶(Phydroxybenzoategeranytransferase)

［3］□Okada等［4］分离出了某种黄连细胞中的编码(S)四氢小龄碱氧化酶的

基因，并进行序列分析。国内这方面的研究起步较晚，但也取得一些成果。中

国科学院植物研究所叶和春研究员课题组已克隆出青蒿素生物合成途径中四个

关键酶基因，构建了不同启动子下的Cad和PP基因植物表达载体，通过液氮

冻融法等技术建立了二元载体系统［5｝利用基因技术研究红豆杉属植物中抗癌

化合物紫杉醇产生途径中关键酶环化酶已经取得应用。口引喙生物碱合成过程的关

键酶异胡豆昔合成酶(SSS),它催化次番木鳖昔和色胺缩合反应生成异胡豆昔。

在菇类化合物(如倍半菇合成酶和二菇合成酶)和苯丙基类化合物(如查耳酮合成

酶)的基因工程研究也取得了一定的进展。

2现代生物技术在中药化学反应中的应用

中药化学反应非常复杂，广泛存在于药用动植物的生长采收阶段、炮制

加工、中药制剂、临床调剂煎煮等中药产业的各个环节。中药化学研究的很重要

方面就是研究其化学反应。现代生物技术在此方面的应用，给中药化学反应的研

究开辟一条捷径。

2.1羟基化反应羟基化发应是中药化学反应的一个重要类型，在中药化

学成分生物合成途径中的乙酸丙二酸途径(acetatemalonatepathway,AAMA

途径)和甲戊二羟酸途径(mevalonicacidpathway,MVA途径)中都存在羟

基化反应。传统羟基化反应需要大量的反应步骤和催化剂，过程复杂，大规模生

产成本高。现在利用现代生物技术，就可以避免上述问题。通过培养具有部位

特异和立体特异性羟基化烯丙位C=C双键的能力以及区别底物的不同对映体并

选择性地对其中之一进行羟基化的能力的植物细胞培养物，在分子中的不同部位

进行立体选择性氧化反应转化外源底物，从而实现羟基化。例如长春花

(Catharanthusroseus)的细胞悬浮培养物可将香叶醇、橙花醇以及左旋和右旋香

芹酮通过其戊基侧链羟基化为一系列的单羟基化异构体，再转化为抗真菌代谢物

5,3羟基新二羟基香芹醇［6}

2.2还原反应中药化学成分的变化通常都存在还原反应。常见的包括皴

基还原反应、C-C双键的还原反应、硝基还原反应等方面。现代生物技术在这些

方面有着广泛的应用。利用细胞培养可以将醛和酮转化为相应的醇，斐基发生还

原反应；c=c双键加成其他成分，发生c=c双键还原反应；硝基被还原，发生

硝基还原反应。例如长春花细胞悬浮培养得到的全细胞，通过其过氧化物酶胞外

分泌到培养基中，可以使进攻皴基表面发生还原反应，使羟基化合物在具羟基基

团的部位具有活性［6］眼虫Astasialonga细胞培养物能够产生2种烯酮(enone)

还原酶，可以还原香芹酮的C=C双键，该反应具有部位特异［6］;北洋金花

(Daturainnoxiu)、长春花以及Myrophyllum属植物细胞培养物都能够将

TNT(2,4,6trinitrotoluene)经过硝基还原反应生成

ADNT(2,4,6aminodinitrotoluene)［7,84

2.3糖基化反应糖基是中草药的重要生物活性物质之一，由其衍生的甘

类化合物，常为中草药的有效成分。糖基化反应可以使不溶于水的化合物转变为

水溶性化合物，许多中药成分的理化性质与生物活性发生较大的变化，因此具有

很重要的意义。糖基化反应利用传统的微生物培养或化学合成很难做到，不过利

用现代生物技术就可以比较容易完成。例如：丁酸具有体外抑制肿瘤生长和诱导

肿瘤细胞分化的作用，但是其在哺乳动物系统中半衰期很短，人们通过悬浮培养

的灰叶烟草Nicotianaplumbaginiofia细胞糖基化得到其糖昔，半衰期大大增加，

可以开发为抗癌新药。

2.4氧化和环氧化反应中药化学成分在自然条件或人为条件下，经常

会发生氧化或环氧化反应，这些反应有一些具有利用价值，通常被利用的如醇类

成分被氧化成醛或酮，继而被氧化成酸；含有酚羟基成分的物质，被氧化缩合；

环氧化反应可以用于具有细胞毒性的倍半菇烯的结构修饰。现代生物技术的

应用，可以人为地调节和控制以上的反应。例如：利用细胞培养，可以将醇转

化成对应的醛和酮；莪术Curcumazedoaria细胞悬浮培养物可以完成大根香叶

酮(germacrone)的环氧化反应;Pras等［9］研究发现,在MucunaprllFICIIS

的细胞培养物中由酚氧化酶催化可以生成一个非常重要的药用化合物7,8二羟

基一N二n丙基2氨基四氢化祭(7,8dihydroxyNdinpropyl2aminotetralin)。

3现代生物技术在中药化学成分合成和生产中的应用

中药所含有的化学成分，通常含量都不高，而且含有大量的非药用部分

和杂质成分，给中药化学成分的提取和分离带来很大的难度，有的中药生长时期

很长，产量很低。随着人类需求的急剧增加，单靠传统的从野生或种植的中药材

中提取，远远不能满足需要，因此需要对中药化学成分进行人工合成，或者通过

人工技术提高其纯度和产量。中药活性成分一般结构复杂，常有多个不对称碳原

子，利用化学合成来进行结构修饰存在着得出率低、反应专一性差、副产物多等

缺点，既费事费力又效果不佳。近年来，以微生物为反应器进行中药活性成分的

生物转化和生物合成，有望为这类中药活性成分的获得提供新的途径。中国药

科大学研究人员利用微生物转化技术成功地在吗啡类似物蒂巴因的14位碳原子

上定向引入了羟基，使其镇痛活性提高了100倍以上［10｝有些中药化学成分

在植物体内的含量非常少，化学合成和半合成也不太理想，可以通过现代生物技

术的控制，生产这类有效物质。现在已经研究成功的有利用细胞悬浮技术培养具

有抗癌活性但生长期漫长且含量极低的红豆杉的活性成分紫杉醇、紫草的有效成

分紫草宁色素、三白草的活性成分金丝桃昔、具有抗肿瘤作用的长春花的活性成

分长春碱和长春新碱等，利用固定化细胞培养技术培养一些有效成分如黄酮、慈

酯、各种色素和生物碱等［11］,利用毛状根培养长春花、烟草、紫草、人参、

曼陀罗、颠茄、丹参、黄芭、甘草和青蒿等40多种植物的有效成分［121综

上所述，现代生物技术在中药化学研究过程中比传统研究方法更具有优势，为

中药化学研究开辟了一条崭新的途径。在中药化学研究中应当充分吸收和利用现

代生物技术。

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