化学与生活

香烟,你真的了解吗?

导读:“吸烟有害健康”已成为全人类的共识,我国人口基数大,拥有上亿数量的“烟民”,其中又以男性居多。众所周知,烟草中的主要神经活性物质是尼古丁(Nicotine),即俗称的烟碱,它也是导致吸烟成瘾的重要物质。烟草如何产生尼古丁?尼古丁进入人体后又发生了什么?为什么戒烟如此困难?想要知道答案,那就跟随本文一起去了解烟草中的化学。

图1新鲜烟草(左)和戒烟警示图(右)

 

一、烟草的药用价值

烟草原产于美洲大地,印第安人发现其具有可使神经兴奋的物质,他们会在部落会议和祭祀活动中吸食烟草产生的烟雾,因此他们也成了最早的“烟民”。16世纪时,烟草才第一次通过殖民者被引入欧洲,起初只是作为一种装饰性植物。法国外交官Jean Nicot发现了它的药用价值并促进了烟草在欧洲的普及,那时烟草可用于治疗冻疮、蠕虫病、牙痛、偏头痛等,此外它还能被加工成多种多样的形式,例如酊剂、膏剂、咀嚼叶片、泡茶饮用等,这也在很大程度上促进了烟草的流行。

 

二、烟草的化学成分

从化学角度来看,烟草与其他植物类似,都含有氨基酸、糖和脂质。除了这些初级代谢物质,植物往往还会合成一些额外的次级代谢物质,这些物质虽然与植物自身的代谢并无直接关系却也发挥着重要的生态功能。烟草中典型的次级代谢物是尼古丁,除烟草外其他茄科植物甚至与烟草毫无关系的植物都可以合成尼古丁。尼古丁对哺乳动物具有一定毒性,中毒症状包括恶心、腹痛、晕眩和血压上升等,就人类而言其口服致死剂量以体重计算为0.5-1.0 mg/kg。

图2尼古丁的结构和不同种类植物中的尼古丁含量

 

尼古丁在干燥烟草中的含量最高可达9%,与烟草相比人们作为蔬菜食用的植物中尼古丁含量是极其微不足道的。尼古丁含有一种手性异构体,两者在含量上相差极大,我们通常所说的尼古丁是指其(S)-异构体,除此之外烟草中还含有降烟碱(nornicotine)、新烟草碱(anatabine)和假木贼碱(anabasine)等其他类型的生物碱。在烟草干燥和发酵过程中,烟草叶子中的某些生物碱会逐渐分解,进而生成其它多种类型的生物碱(蓝色部分)。

图3烟草中含有的主要生物碱

 

三、烟草是如何合成尼古丁的?

尼古丁在烟草体内的生物合成是科学家们借助同位素标记法研究出来的,烟草借助三种氨基酸(天冬氨酸、鸟氨酸和蛋氨酸)和甘油醛在酶的作用下经过一系列复杂的过程最终合成尼古丁。合成尼古丁的最后步骤是将烟酸(nicotinicacid)和N-甲基吡咯烷正离子(N-methylpyrrolinium cation)“拼接”起来,然而这一过程却困扰了20世纪50年代的诸多化学家。

图4尼古丁的生物合成路线

 

英国著名天然产物化学家 SirRobertRobinson当时认为尼古丁中的吡啶环不应该来自烟酸,主要原因是:其一,吡啶环上的取代反应通常要在极其剧烈苛刻的条件下才能发生;其二,吡啶环上的羧基直接被另一基团取代的反应前所未有。现代有机化学也有许多实例可以说明吡啶环的特殊反应性,例如:吡啶C-3位的溴代反应需要近300 oC的高温、硝化反应则需要发烟浓硫酸和370 oC的严苛条件,经典的Friedel-Crafts反应在吡啶环上也很难发生。

神奇的大自然似乎打破了有机化学的规则,但事实并非如此,烟草也是无法通过亲电取代反应得到尼古丁的,只是形式上如此罢了。科学家利用14C同位素标记羧基的碳原子,最后发现14C出现在CO2中,并未在产物尼古丁中检测到(Eq 1);吡啶环上C-2和C-3用14C标记后发现产物中碳原子保持位置不变,这说明的确是羧基发生了取代反应(Eq 2)。随后科学家又利用氚(Tritium)标记吡啶环上不同的氢原子进行探究,他们发现C-2位和C-6位出现了截然不同的结果,前者反应前后并未发生变化而后者发生了完全的氢交换(Eq 3和Eq4)。根据上述实验现象,科学家们认为反应会经过短暂的去芳构化过程,伴随着CO2的脱去又重新形成稳定的芳香结构,并据此提出了简化的反应历程。

图5同位素标记实验和简化的反应历程图

 

更深入的研究也很好地解释了为何C-6位用氚标记后产物中无法检测到同位素存在的实验现象。生物体内较强的还原剂通常是还原型辅酶NADPH,在很多生化反应中发挥着“递氢体”的作用,它与烟酸作用生成不再具有芳香性的中间体,随后释放CO2得到对应的碳负离子,在最后生成产物时需经过芳构化过程,同位素原子也在这个过程中完全被“消去”。

图6生物体内合成尼古丁最后步骤的大致过程

 

四、尼古丁进入人体后发生了什么?

当吸烟者将烟雾吞进体内时,尼古丁会以颗粒形式聚集在肺部的液体中并覆盖在肺泡表面,随后它穿过肺泡表面的细胞膜进入血管。当它参与血液的肺循环过程后会聚集在心脏并通过体循环过程进入全身的血液,由于中性形式的尼古丁可以无障碍通过人体的血脑屏障,因此它可以在8-10秒内抵达整个中枢和周围神经系统。

人类的神经系统是极其复杂的,神经元(即神经细胞)是其最基本的结构和功能单位,而神经元之间的相互联系离不开一个关键的部位——突触(synapse)。尼古丁在人体内会显著影响突触间的信息传递过程,正常情况下作为神经递质的乙酰胆碱会与突触后膜上的受体结合,当存在尼古丁时,它也能与受体结合从而和乙酰胆碱发生竞争。

图7典型的突触结构(左)和乙酰胆碱、尼古丁与受体结合示意图(右)

 

此外,尽管乙酰胆碱和尼古丁均可以和受体结合,但二者却有很大差异。乙酰胆碱与受体的结合比较“简单”,在乙酰胆碱被释放后的几毫秒内就会被高活性的其他酶分解清除掉,避免了神经元的持续性冲动;尼古丁本身很稳定与受体结合后非常牢固,进而会将受体“封锁”导致相应的中毒症状,例如肌肉抽搐、恶心、呕吐和呼吸困难等。

五、尼古丁为什么会成瘾?

吸烟者往往在“吞云吐雾”后获得一种奇妙的欣喜感,这是尼古丁间接刺激神经元的奖赏系统(rewardsystem)导致的。所谓奖赏系统实际是一组神经结构,旨在维护动机显著性(动机、需求、喜好等)、联想学习和正面情感(尤其是以愉悦感为核心的情感)。多巴胺主要负责大脑的情欲和感觉,传递兴奋和开心的信息,但也与成瘾有着密切关系。由于人类的中脑-边缘系统含有一个多巴胺奖赏回路,当尼古丁与其表面的受体结合后会刺激多巴胺的分泌,从而为吸烟者带来特定的欣喜之感。

图8多巴胺的结构以及大脑-中脑边缘系统通道

 

正是由于这种特殊的奖励机制,从吸食的第一根烟开始尼古丁就“绑架”了吸烟者的神经系统,内在的奖励系统会潜意识地释放积极信号促使更多的尼古丁摄入,甚至给吸烟者带来“吸烟有益”的错觉。尼古丁在体内的半衰期为2-3小时,如果成瘾者停止吸烟,体内尼古丁浓度会迅速降低,就无法继续体验“愉悦”感,并出现戒断症状。事实上,在成瘾之后,尼古丁带来的愉悦感非常有限,吸烟者实际上只是为了避免戒断症状引起的不适才继续吸烟。

六、结束语

吸烟对健康造成的危害无须赘述,如何戒除尼古丁成瘾亦是世界各国一项重要的健康议题。如果仅仅依靠意志力戒烟,成功率极低,往往需要其他手段的辅助。目前根据尼古丁作用机制发明的戒烟药物对戒烟也起到一定帮助作用,例如处方药伐尼克兰,它能与尼古丁竞争结合受体,但又不引起多巴胺的大量释放,此时即使吸烟也没法获得愉悦感。随着科学技术的不断发展,尼古丁的作用机制一定会被更加清楚的阐明,将来也会出现更多的手段和方法帮助戒烟,希望能够早日实现真正的“世界无烟”。

参考资料

[1]Daniels, Christopher B., and Sandra Orgeig. “Pulmonary surfactant: the key to the evolution of air breathing.” Physiology, 2003, 18(4): 151-157.

[2]Leete, E. “Biosynthesis of alkaloids”. Science, 1965, 147, 1000-1006.

[3]Katoh, Akira, and Takashi Hashimoto. “Molecular biology of pyridine nucleotide and nicotine biosynthesis.” Front Biosci, 2004, 9: 1577-1586.

[4]J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, P. Wothers, Organic Chemistry, Oxford UP, Oxford, 2001.

[5]P. M. Dewick, Medical Natural Products, John Wiley & Sons, Chichester, 2002.

 

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Sunny华

大学本科在读,对有机化学尤其热爱,对有机合成方法学以及全合成非常感兴趣,希望以后能在有机化学领域摸爬滚打出属于自己的一片天空。化学是人类进步的关键,我爱化学也希望更多的人能够喜欢化学,感受到化学的奇妙与魅力。

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