化学与生活

影响心血管健康的甾体化合物——胆固醇 (cholesterol)

引言

心血管疾病是指心脏与血管的疾病,常见的病症包括冠心病、风湿性心脏病、脑血管病等,严重危害人类的生命健康。世界卫生组织统计数据表明[1],心血管疾病是全球的头号死因,每年死于心血管疾病的人数多于其它死因。其中,冠心病是最常见的心血管疾病之一,全称为冠状动脉粥样硬化性心脏病,是冠状动脉血管发生动脉粥样硬化病变而引起血管腔狭窄或阻塞,造成心肌缺血、缺氧或坏死而导致的心脏病[2]。它与吸烟、酗酒、肥胖、缺乏运动以及不健康的饮食等存在密切联系,此外,血液中的胆固醇含量过高同样会增加罹患疾病风险。

图1 动脉粥样硬化示意图(图片来源于维基百科)

胆固醇与心血管疾病

胆固醇对于构成生命不可或缺,它广泛存在于动物体的细胞膜,同时也是人体合成类固醇激素,例如醛固酮 (aldosterone)、皮质醇 (cortisol)、性激素 (sexhormone)与维生素D以及胆酸 (cholic acid, 胆汁的重要成分)的前体物质。早在1784年,胆固醇就由法国医生从胆结石中发现,其英文名cholesterol 源自希腊文的chole (胆汁)加上 stereos (固体),并且由于其化学结构中含有羟基,因而以 -ol 后缀结尾,故称为胆固醇。自1910年德国化学家A. Windaus发现冠心病患者动脉壁粥样斑块内含有大量胆固醇,并提出胆固醇的升高与疾病存在内在关联以来,诸多科学家开启胆固醇与冠心病之间联系的循证之路,最终确定血液中的高胆固醇含量会增加罹患动脉粥样硬化的风险。1928年,凭借在甾体固醇领域的先驱性研究成果,Windaus获得Nobel化学奖。随后,科学家围绕胆固醇的结构解析、生物合成、化学合成以及分子调节机制等热点领域又开展了大量原创性研究,相关成果更是多次斩获Nobel奖桂冠[3]

图2. A. Windaus与胆固醇的化学结构

胆固醇的结构解析

前文已经提到,尽管胆固醇已经发现多年,然而,其化学式C27H46O却直到1888年才由奥地利化学家F. Reinitzer正式确定。20世纪初,化学家们只能确定胆固醇的分子结构中存在一个羟基与双键。显然,这距离胆固醇准确的化学结构相差甚远,真正的突破则来自德国化学家H. Wieland对于胆汁酸 (bile acid)及相关物质的结构研究。1912年,Wieland成功从胆汁中分离到了三种具有相似结构的胆汁酸成分,并发现这类化合物在结构上与胆固醇具有相似性,后来Wieland凭借对胆汁酸及相关物质的研究获得1927年Nobel化学奖。在Wieland的研究基础上,1919年Windaus通过对胆固醇进行化学降解、脱水、氢化等处理,成功将其转化为胆烷酸 (cholanic acid ),由此正式确定胆汁酸与胆固醇具有相同的碳骨架[4]

图3 胆固醇与胆烷酸的结构相似性

虽然Wieland与Windaus等人通过不懈努力初步确定了胆汁酸及胆固醇的化学结构,然而,后来随着X-射线晶体学的发展,1932年英国著名化学家D. Hodgkin与其导师J. D. Bernal,(著名晶体学家)共同对甾体化合物原有的结构进行修正;Wieland则据此修正了早期公布的胆汁酸结构并成为后来全世界公认的胆汁酸结构式。自1934年起,D. Hodgkin等人采用X-射线衍射技术,对数百种甾体化合物的结构进行研究,并于1937年确定了胆固醇的结构,后来该小组相继完成涉及青霉素 (1945年)、维生素B12 (1954年)以及胰岛素 (1969年)等在内的诸多复杂生化物质的三维结构解析,因其在“利用X-射线技术解析重要生化物质结构”领域的杰出贡献,D. Hodgkin被授予1964年度Nobel化学奖,成为继M. Curie母女之后第三位获得Nobel化学奖桂冠的女性科学家。

图4 H. Wieland与D. Hodgkin

胆固醇的生物合成

胆固醇是真核生物细胞膜的重要组分,同样是形成多种生物活性物质的前体,因此,其生物合成与代谢转变以及转运一直是生物学家关注的焦点之一。20世纪中期,德裔美国生物化学家K. E. Bloch长期致力于胆固醇的生物合成研究,经过长期的努力,K. E. Bloch成功阐明生物体以乙酰辅酶A (acetyl-CoA)作为原料合成胆固醇的机制。到20世纪50年代末,科学家已经明确胆固醇合成通常经历三个阶段,即乙酰辅酶A→甲羟戊酸 (mevalonic acid, MVA)→鲨烯 (squalene)→胆固醇。首先,乙酰辅酶A经历自身缩合与还原,形成甲羟戊酸,之后,甲羟戊酸进一步转化为活化的异戊二烯中间体,通过该中间体,形成鲨烯砌块,鲨烯经鲨烯单氧化酶 (squalene monooxygenase)作用,选择性地氧化为2,3-环氧鲨烯 (2,3-epoxysqualene),并在环合酶 (cyclase)的作用下,发生分子内环化过程,获得羊毛甾醇分子,该分子在动物与真菌合成类固醇化合物的过程中起重要作用,最后,经历复杂的氧化、还原以及去甲基化等过程,最终获得胆固醇[5]。需要说明的是,在K. E. Bloch研究的同时,另一位德国生物化学家F. Lynen确定了乙酰辅酶A的结构及其与脂肪酸的关系。1964年,Nobel奖委员会将生理学或医学奖授予K. E. Bloch与F. Lynen,以表彰其在发现胆固醇与脂肪酸的代谢机理研究调控作用领域的贡献;1985年,美国两位科学家M. Brown与J. L. Goldstein再次凭借在胆固醇代谢的调控方面的发现分享了当年的Nobel生理学或医学奖。

图5 胆固醇的生物合成路径示意图

胆固醇的化学合成

20世纪40年代末,因甾体类化合物 (例如cortisone)具有良好的消炎以及免疫抑制等药理作用,带给药企巨大的商业利益,因此,许多科学家获得相关药企的资助,从事甾体化合物的合成研究。使胆固醇的化学合成受到全世界众多科学家的关注,他们“八仙过海,各显神通”先后通过不同策略与路线设计,实现胆固醇的全合成,充分展示出合成化学的魅力。受限于篇幅,本文仅介绍“有机合成大师”R. B. Woodward团队的胆固醇全合成路线设计[6]

1951-1952年,R. B. Woodward等人以简单的1,4-取代苯醌1作为起始原料,通过近40步的反应,最终合成胆固醇。首先,采用Diels-Alder反应,立体专一性地获得顺式环加成产物2,再通过烯醇负离子中间体质子化的方式,将产物2构型进行部分转化,形成反式中间体3,将中间体3的羰基还原,并通过酸性条件下的水解过程,将烯醇甲醚转化为羰基,并进一步消除水分子,获得α,β-不饱和酮5。在羟基转化为乙酸酯后,通过金属锌的作用,顺利去除乙酰氧基,获得中间体6,再通过Claisen缩合反应,将醛基引入6中,形成砌块7,接下来,R. B. Woodward小组通过Michael加成反应,进一步在砌块7中引入支链结构,并借助Robinson环化反应,构建起新的六元环结构,同时,伴随醛基的消除,获得关键砌块9

图6 R. B. Woodward全合成胆固醇路线-1

随后,R. B. Woodward等人选择OsO4作为氧化剂,选择性将双键氧化为邻二醇后,再引入缩酮基团,并通过催化加氢过程,产生中间体11。接下来,该小组再次通过Claisen缩合,将醛基引入中间体11,并进一步与甲基苯胺缩合,形成具有烯胺结构的化合物12,进而通过烯胺单元,占据羰基的其中一个α-反应位点。为进一步构建新的环系结构,R. B. Woodward小组巧妙地去除羰基γ-位的质子,并通过共振过程,在其α-位置采用Michael加成策略,引入具有末端氰基的支链结构,并进一步水解,将氰基转化为羧基。与此同时,伴随烯胺结构的水解与消除过程,形成砌块13。并进一步通过乙酸钠促进的环化过程,形成砌块14。之后,化合物14的在甲基溴化镁作用下,通过开环过程,转化为二酮15。并进一步通过碱性条件下的羟醛缩合,将二酮15进行关环,转化为α,β-不饱和酮1616在高碘酸作用下,去除缩酮保护基,并将邻二醇结构进一步氧化,形成二醛中间体17。通过二醛17的分子内缩合与脱水过程,形成中间体18,并将醛基氧化为羧基后,再与重氮甲烷作用,进而将羧基转化为甲氧羰基,接下来,采用选择性氢化步骤,将中间体18的不饱和结构还原,获得化合物19,将19中酯基水解后,继而转化为酰氯,并通过酰氯进一步转化为乙酰基,形成中间体20。最后,通过Grignard试剂亲核加成以及酸性条件下的羟基消除与双键的还原过程,引入脂肪族长链结构,获得化合物21。在去除乙酰基保护之后,形成砌块22,接下来,再通过多步反应过程,成功构建六元环内双键,最终完成胆固醇的全合成。

图6 R. B. Woodward全合成胆固醇路线-2

除R. B. Woodward等人设计的合成路线外,同时期英国另一位著名有机化学家R. Robinson,(因对植物生物碱的研究获得1947年Nobel化学奖) 采用与R. B. Woodward完全不同的起始原料与策略,同样顺利完成胆固醇分子的全合成[7]。虽然珠玉在前,攀登胆固醇合成高峰的步伐却从未停止,后来Bauer (1966年)、Rychnovsky (1992年)与Covey (2002年)等人继续设计出不同的全合成方案,进而顺利实现胆固醇的外消旋体及其对映体的全合成[8]

结束语

适量的胆固醇对维持人体正常的生理功能具有重要意义,然而,过多的胆固醇则会对人体健康带来诸多不利影响,特别是增加心血管疾病的患病风险。自从1784年胆固醇首次被发现以来,围绕它的研究跨越几个世纪并且成果斐然,同时,涉及胆固醇的研究以及多次斩获Nobel奖,特别是胆固醇的生物合成研究成果为他汀类降血脂药物 (statins)的研发奠定了基础。尽管如此,胆固醇似乎仍有许多未知的科学秘密有待研究,未来是否有更多关于胆固醇的研究成果我们拭目以待。

参考资料

[1] 世界卫生组织网页资料:心血管疾病.

[2] 网页资料:冠心病知多少.

[3] 任衍钢, 宋玉奇. 胆固醇的发现与认识历程. 生物学通报, 2012, 47, 59.

[4] 网页资料:Heinrich Wieland, 1877-1957.

[5] N. M. F. S. A. Cerqueira, E. F. Oliveira, D. S. Gesto, D. Santos-Martins, C. Moreira, H. N. Moorthy, M. J. Ramos, P. A. Fernandes, Biochemistry, 2016, 55, 5483. doi: 10.1021/acs.biochem.6b00342.

[6] (a) R. B. Woodward, F. Sondheimer, D. Taub, K. Heusler, W. M. Mc Lamore, J. Am. Chem. Soc. 1951, 73, 2403. doi: 10.1021/ja01149a562.

(b) R. B. Woodward, F. Sondheimer, D. Taub, J. Am. Chem. Soc. 1951, 73, 3547. doi: 10.1021/ja01151a555.

(c) R. B. Woodward, F. Sondheimer, D. Taub, J. Am. Chem. Soc. 1951, 73, 3548. doi: 10.1021/ja01151a556.

(d) R. B. Woodward, F. Sondheimer, D. Taub, K. Heusler, W. M. Mc Lamore, J. Am. Chem. Soc. 1952, 74, 4223. doi: 10.1021/ja01137a001.

[7] G. Mulheirn, Robinson, Endeavour, 2000, 24, 107. doi: 10.1016/S0160-9327(00)01310-7.

[8] (a) W. S. Johnson, J. A. Marshall, J. F. W. Keana, et al. Tetrahedron, 1966, 22, 541. doi: 10.1016/S0040-4020(01)90961-5.

(b) S. D. Rychnovsky, D. E. Mickus, J. Org. Chem. 1992, 57, 2732. doi: 10.1021/jo00035a036.

(c) X. Jiang, D. F. Covey, J. Org. Chem. 2002, 67, 4893. doi: 10.1021/jo025535k.

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