〔蘇慶華談三萜〕多樣的化學構型,造就靈芝三萜類豐富的生理活性

靈芝三萜類的種類非常繁多,是靈芝之有多種功能的主要關鍵,而三萜類豐富的生理活性,又與其多樣的化學構型密切相關。靈芝三萜類其實包括了「三萜」和「類三萜」,它們的化學結構各有什麼特色?如何生成?為何如此多變?以及為何存在?已知有哪些功能?以下文章將有詳細解說。

文.圖/蘇慶華

◎本文原載於2010年7月《健康靈芝》第47期 6~11頁

 

什麼是「三萜」?

三萜屬於脂質(Lipid)的一種,是指某些生物合成的化學物質以30個碳的碳氫原子組成之「三萜(triterpenes)」,或是含有氧原子的「類三萜(triterpenoids)」。

這些物質為什麼叫「三萜」?主要是從「萜」(terpene)這個字元而來。自然界原本就有許多化合物是以單萜(monoterpene,10碳)、單半萜(sesquiterpene,15碳)、雙萜(diterpene,20碳)和三萜(Triterpene,30碳)存在,亦即「單萜」是10個碳的化合物,「雙萜」是由2個單萜合成,而「三萜」則是由3個單萜合成。

 

「三萜」是怎麼來的?

至於三萜的「萜(terpene)」這個字又有什麼意思呢?terpene也翻譯成「松烯」,是源由terpentine(松脂)而來,因為化學家早期研究針葉樹的精油(Essential oil)發現,松脂揮發的香氣,其主要化合物即由萜類所構成。

至於「萜」又是從哪裡來的呢?無論單萜、單半萜、雙萜或三萜,都是由一個單元分子所產生的,這個分子叫做「甲羥戊酸(mevalonolic acid)」。在高等真核生物和很多病毒中,都具備這種生物合成的途徑,也就是所謂的「甲羥戊酸途徑(mevanolate pathway)」。這個途徑也叫「異戊二烯焦磷酸途徑 (isoprenoid pathway)」,是以「乙醯輔酶A」為原料,合成「異戊二烯焦磷酸」和「二甲烯丙基焦磷酸」的一條代謝途徑。

10個碳的單萜類,在生物體中是由兩個5碳的「異戊二烯焦磷酸」連結而成,而「甲羥戊酸」則經由此一途徑,以2碳之「乙醯輔酶(Acetyl-CoA)」合成。因此,三萜的合成過程可由以下方式表示:

 

乙醯輔酶(2碳)× 3 = HMG-CoA(6碳)

HMG-CoA(6碳)-1碳=甲羥戊酸(5碳)→異戊二烯焦磷酸(5碳)

2個異戊二烯焦磷酸(5碳 × 2)=單萜(10碳)

3個單萜(10碳 × 3)=三萜(30碳)

 

生物體內在完成30碳的合成工作後,仍是一種直鏈狀的構造,叫做「蛟鯊烯(squalene)」,蛟鯊烯在鯊魚肝臟中大量存在,最近也被拿來當作為抗老化的保健食品。

蛟鯊烯是一種三萜,在正常途徑下會繼續代謝並加以環化,也就是將原來具有分支的碳鏈,組成六角和五角的環狀構造成為「羊毛脂固醇」(lanosterol,實際上就是一種三萜),如圖一。羊毛脂固醇是一種具代表性的產物,也是所有環化三萜和固醇的來源。

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圖一 蛟鯊烯(squalene,左)與羊毛脂固醇(lanosterol,右)的化學結構

 

以上敘述了三萜的定義與合成經過,但是大家可能會被這些化學名詞搞得「霧煞煞」,所以我們再用卡通圖來說明。

最開始3個由呼吸作用大量產生的「乙醯輔酶」(2碳)用手、腳、頭作為比喻,形成一個6個碳的HMG-CoA,再去掉一個碳成為三萜的基石,也就是5個碳的「甲羥戊酸」。甲羥戊酸會經過兩次磷酸化成為「異戊二烯焦磷酸」,異戊二烯焦磷酸成為具有兩隻手的分子,手與手前後相連就可以接成單、單半、雙或三萜。

圖二例舉的三萜類即是蛟鯊烯。蛟鯊烯將經歷一次革命性的重大變革,在環化酵素作用下完全改變了這個分子的特性,也因此,筆者把羊毛脂固醇轉換成一隻有眼睛、身體、四肢、尾巴的寵物,表示賦予三萜多彩多姿的性質(圖三)。

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圖二 「蛟鯊烯」形成過程的卡通假想圖

 

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圖三 「羊毛脂固醇」形成過程的卡通假想圖

 

類三萜,還是三萜類?

本文一開始就提到,帶有氧原子的三萜叫做「類三萜(triterpenoids)」,這個過程叫做「加氧(oxygenation)」。三萜基本上只由「碳」與「氫」兩種原子所構成,三萜經過加氧酵素而修飾成「類三萜」。也就是說,從羊毛脂固醇開始,「三萜」就胎換骨成為「類三萜」了,但傳統上還是將只有一個氧原子的「類三萜」歸於「三萜」。

然而「加氧」到底有什麼意義? 很簡單,就是在改變分子的親水性,形成官能基,進而改變類三萜的功能。因此,加一個氧、兩個氧、三個氧、四個氧⋯⋯,都會造成不同的分子性質,而且加氧的位置也會改變類三萜的構型,類三萜於是在一個基本架構下衍生出多元性,進而從羊毛脂固醇,轉化成各式各樣的類三萜。

我們再以卡通圖呈現假想的構型(圖四),圖中各種類三萜看起來似乎差不多,但彼此的性質已經迥異。由於加氧的關係,這些官能基可以是醇基(-OH)、酮基(=O)或酸基(-COOH)等。圖4僅舉一些類三萜的構型,已知的類三萜可能有數千種之多。

至於我們常提到的「三萜類」,化學名詞中似乎沒有這樣的稱謂,但在觀念上,或許可以想成就是「三萜」及「類三萜」的總稱吧!

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圖四 各種「類三萜」的卡通假想圖

 

三萜類與固醇的關係

三萜又與另一種我們熟知的物質構造極為類似,那就是「固醇(sterols)」和含氧原子之「類固脂(steroids)」。實際上,固脂或固醇就是由三萜衍生而來,例如27個碳的膽固醇(choleterol)、谷固醇(β-sitosterol)、麥角固醇 (ergosterol),分別廣泛存在於動物、植物和真菌界。

許多性賀爾蒙、維生素D和心臟毒素,也都是從三萜衍生而來的。我們將三萜做為一個基礎物質,去除一些側鏈再加上一些官能基,就會有很多物質形成(如圖五)。也就是三萜去掉紅色的三個甲基後,即成為麥角固醇了。

在靈芝中,三萜類不一定保持30個碳,會因為修飾持續進行而切除部分尾鏈,最後形成27個碳或24個碳的分子。在人體內,膽固醇會去除部分側鏈,再進行氧化,就成為雌性荷爾蒙(也稱雌激素)estrone(圖六左)和estradiol(圖六右);類似的反應也會生成雄性荷爾蒙(也稱雄性激素),如androsterone(圖七左)和testosterone(圖七右)。

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圖五 三萜去掉紅色的三個甲基後,即成為「麥角固醇」

 

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圖六 雌性荷爾蒙estrone(雌酮,左)與estradiol(雌二醇,右)的化學結構

 

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圖七 雄性荷爾蒙antrosterone(雄酮,左)和testosterone(睪固酮,右)的化學結構

 

以上說明生物體會利用簡單較小之分子,合成大而複雜之構造,並加以修飾成為具有功能性的成分,進而在體內進行生理反應。至於為什麼要討論固醇及類固醇,是因為三萜及類三萜在構型上都有四個環,在人體內很可能互相競爭或取代,進而改變生理功能,而且靈芝子實體中也有許多種固醇。同樣的,我們也嘗試以卡通圖來顯示固醇的構型(圖八)。

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圖八 固醇(sterols)的卡通假想圖

 

各位讀者可以發現,固醇及類固醇都比三萜少了牙齒以及中下鰭,體型也比較小,同時在尾巴、眼睛及頭飾都有差別,這顯示出這類物質具有豐富的多樣性。

而其中副腎皮脂素(4號)具有降低免疫反應、抗發炎、抑制蛋白質合成等活性,是過敏和氣喘常用的藥物;而雄性激素(7號)則為同化性類固醇,是運動員的禁藥,會造成月亮臉、犀牛肩等副作用。這也說明了,微小的構造改變就會造成完全不同的功能,不過靈芝三萜和固醇並不包含此類作用。

 

靈芝三萜類

靈芝中,尤其是子實體,主要是由羊毛脂固醇發展出許許多多不同三萜,例如圖九所表示的化學結構,也就是具有四環且在第26碳上有一個酸基(-COOH),這是靈芝類三萜最常見的形式。

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圖九 純化的「靈芝三萜」化學結構圖

 

靈芝是一種十分特殊的真菌,尤其在子實體中完成三萜之初步架構後,不像其他真菌會完全將三萜轉化成麥角固醇,而是將三萜大量累積,同時進行氧化、還原、甲基化、乙基化、轉移不飽和鍵結位置等修飾工作,進而形成極多樣性之構型。截至目前為止,已經發表由靈芝屬中分離鑑定的三萜和類三萜成分,將近有200種之多。

靈芝三萜類目前已知的生理活性包括:肝臟保護、抗腫瘤、降血脂、抗過敏、抑制蛋白水解脢、抑制5-α還原酶(5alpha-reductase)等活性,顯示靈芝三萜類具有多樣性之角色。實際上也因為靈芝三萜類之多樣性,這些構型眾多的分子,很可能與酵素或受體結合而改變生理反應。這種假說應該由靈芝在自然界中產生三萜類的可能原因說起,亦即靈芝為什麼要產生並且累積三萜類?很可能這些三萜類本身就是植物的毒素,可以用來對抗周遭的雜草。

多年以前,台大園藝系鄭正勇教授做了一個實驗,檢驗靈芝是否可當作天然殺草劑使用。他將靈芝酒精萃取物(主要含有三萜類)加一點到正在發芽的蔬菜種籽中,結果發現種子都不發芽了。這顯示,三萜類很可能抑制了發芽所需的酵素,而導致發芽失敗。換句話說,三萜類對一些分解性的酵素具有抑制功能,這個說法也在我們的一些實驗裡獲得印證,

同時日本學者也發現,靈芝三萜類亦可抑制愛滋病毒HIV所產稱的蛋白水解酶。另一種可能的功能是,三萜類與我們體內的膽固醇構造有類似之處,因此可能與之競爭,進而降低血脂及其他相關之生理反應;同時,三萜類與膽固醇之類似性也可能嵌入細胞膜中,進而改變腫瘤細胞之性質。這些假想也都需要進一步證實。

至於三萜類進入人體後會不會成為性荷爾蒙的前驅物,使荷爾蒙增高?目前尚無此類報告,只有日本學者發現兩種靈芝三萜會抑制「5-α還原酶(5-alpha-reductase)」等活性,非常可能是靈芝三萜與5-α還原酶有很高的親合性,此一酵素催化「睪固酮(testosterone)」轉化成「去氫睪固酮(dehydrotestosterone)」,過量的去氫睪固酮是前列腺癌之主因,能抑制此酵素可增加前列腺癌治療的機會。

綜合已知的功能和最近的研究顯示,靈芝三萜類將可能成為癌症補助治療的有效成分。例如:靈芝酸DM是一種α-還原酶之抑制劑,對前列腺癌統合療法將有實質的助益;以TPA在Raji cells引起的癌症反應,多種靈芝酸及靈芝固醇均有抗癌症反應;靈芝酸Me可誘發NK細胞產生IL-2和IFN-γ,進而發揮抗癌功效。

此外,本研究室最近也比較靈芝酸和靈芝醇對骨癌細胞的毒性,結果顯示,靈芝醇在100mg/ml即可毒殺骨癌細胞,若同時與amphotericin B(具有制菌或殺菌作用的抗黴菌劑)共用,則毒殺作用更為明顯。

總之,靈芝三萜類的種類非常繁多,想要知道每一種三萜類的功能需要很長的時間和人力物力的投入,所幸近年來科學界對靈芝三萜類逐漸重視,我們也期待有更多學者投入此一複雜且有趣的研究。

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三萜類的分析方法

三萜類分析除了HPLC外,以TLC(薄層色層分析)是最快速之分析方法,

可以由顏色指紋來判斷靈芝的種類,以及各種不同靈芝酒精萃取物的結果。

 

延伸閱讀

1. 〔蘇慶華談三萜〕從化學結構看靈芝三萜類的生理活性

2. 〔蘇慶華談三萜〕靈芝菌絲體是否含有三萜類?

3.〔蘇慶華談三萜〕靈芝酸B及C2在各種靈芝中之含量