生活中的分子

水杨酸(salicylic acid)

水杨酸(salicylic acid)的结构为苯环的邻位上带有羟基和羧基的苯环取代产物。 因从柳树中的水杨醇糖苷(Salicyl alcohol glycoside)中被发现所以用Salicin为其英文名。水杨苷分解后通过体内代谢生成水杨酸。水杨酸衍生物例如可抑制副作用的乙酰水杨酸(acetylsalicylic acid,即阿司匹林)等,作为医药品被长期使用至今。

 

水杨酸的化学合成

 

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水杨酸的化学合成法是由苯酚在高温高压环境下与二氧化碳和氢氧化钠反应后用酸进行中和,这也是众人所知的科尔贝-施密特反应(Kolbe-Schmitt reaction)。此化学反应作为水杨酸工业制法多被写入(日本)高中化学教科书中。

 

作为医药品使用的水杨酸衍生物

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柳树的提取物自古以来作为消炎和镇痛类药物。其有效成分被认为是柳树中含有的化合物在体内分解生成水杨酸所致。为了抑制副作用如今多使用水杨酸衍生物。水杨酸甲酯(又名冬青油)可用作湿敷等贴剂,乙酰水杨酸作为口服类镇痛药被广泛使用。在水杨酸衍生物中,有能对前列腺素的生合成媒介——环氧合酶COX2的酶活性有阻碍作用。发挥此机制的只限使用乙酰水杨酸,替他水杨酸衍生物并不适用。目前虽不明确,但水杨酸衍生物一般来讲对环氧合酶COX2的基因表现的转录水平具有抑制作用[1]。

 

 

作为植物荷尔蒙的水杨酸

  • 水杨酸是一种能激活植物抗病反应的信号分子

植物也有免疫的能力,体内某部位被病害菌感染后,会传达至全身,通过积累抗菌物质作为对抗反应。这种现象也被称为全身获得性抵抗。

1990年在烟草培养细胞[5]、也是同年在黄瓜株中[6]发现:感染病原菌后培养体内水杨酸的浓度急剧上升。因已明确,通过水杨酸的投入可以提高植物对病害菌的免疫能力,于是提出了水杨酸是植物体内内生的一种信号分子的说法。

1993年将烟草植物[7]、1994年将拟南芥(植物界的果蝇)[8]培养出不可积累水杨酸的植物。因为和水杨酸有关的植物基因大部分还并不为人所知,故将水杨酸分解酶编码的细菌基因置入植物体内。再给这些接受转基因后的植物体内接种病害菌,发现不能诱导其产生全身获得性抵抗。此实验证明,与全身获得性抵抗相关联的植物免疫中,水杨酸是不可或缺的存在。

 

  • 水杨酸的生物合成

变异后的拟南芥即使感染病原菌,体内也不会积累水杨酸,通过对其基因的研究于2001年发现水杨酸的生合成中将分支酸(chorismic acid)转化为异分支酸(isochorismic acid)的酶(isochorismic acid synthase; ICS)被识别出。在使用此变异体进行的实验中更明确地证明了水杨酸的机能。这种能将分支酸转化为异分支酸的酶分布于叶绿体中。由异分支酸到水杨酸的转化过程直到2013年止尚未明确。根据植物种类的不同可能是迂回式转化过程。

不仅是柳树,水杨酸作为植物荷尔蒙以非活性水杨酸苷的形式储存于体内。将水杨酸转变为水杨酸苷的酶已经全部发现,也得到了拟南芥变异体,除此以外,2012年有研究报告称开发出一种可以提高植物免疫的配糖体话阻碍剂物质[11]。

 

  • 水杨酸的输送

2013年有研究表明,在叶绿体内合成的水杨酸想细胞质液内输送的物质是EDS5蛋白质[15]。此外,能隔开细胞膜内外搬运水杨酸的物质至今还未明确。在植物体内,不仅仅是感染处,通过信号传导是植物全身储备起水杨酸的机理尚不明确。

 

  • 水杨酸的识别

2013年人们通过研究了解到,植物将水杨酸作为信号分子进行识别的机制。通过自然科学杂志上发表的论文[12]和相关论文[13],受容体是NPR3蛋白质以及NPR4蛋白质。稍晚一步发表在其姊妹杂志Cell上的论文[14]提出,蛋白质NPR1可能也是受容体。想要彻底弄清此问题的话,必须要增加更加详细的生活实验,获取水杨酸及受容体蛋白质的共结晶体,再通过结晶构造分析,明确识别其构造根基吧。

  • 水杨酸的生理活性

水杨酸在提高植物免疫应答的同时,也因使植物承载压力致使其成长速度发生了变化。例如,通过投入水杨酸,观察到香蕉的成熟变慢[9]、浮萍长日种(Lemna gibba)开花早、 短日种(Lemna paucicostata, Lemna aoukikusa )开花延迟等现象[2]。其他,如观察随花开温度上升的天南星科发热植物斑龙芋(Sauromatum guttatum, Typhonium venosum ) [4],发现花的发热现象与水杨酸浓度上升有关,此外,也明确了由外部投入水杨酸可诱导其发热[3]。

 

参考文献

[1]”Suppression of inducible cyclooxygenase 2 gene transcription by aspirin and sodium salicylate.” Xu XM et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1999 DOI: 10.1073/pnas.96.9.5292

[2] “Effect of Day length on the Ability of Salicylic Acid to Induce Flowering in the Long-day Plant Lemna gibba G3 and the Short day Plant Lemna paucicostata 6746” Cleland CF et al. Plant Physiol 1979 DOI: ?10.?1104/?pp.?64.?3.?421

[3] “Salicylic acid: A natural inducer of heat production in Arum lilies.” Raskin I et al. Science 1987 DOI: 10.1126/science.237.4822.1601

[4] “Regulation of heat production in the inflorescences of an Arum lily by endogenous salicylic acid.” Raskin I et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1989

[5] “Salicylic Acid: A Likely Endogenous Signal in the Resistance Response of Tobacco to Viral Infection.” Malamy J et al. Science 1990 DOI: 10.1126/science.250.4983.1002

[6] “Increase in salicylic acid at the onset of systemic acquired resistance in Cucumber.” Metraux JP et al. Science 1990 DOI: 10.1126/science.250.4983.1004

[7] “Requirement of Salicylic Acid for the Induction of Systemic Acquired Resistance.” Science 1993 DOI: 10.1126/science.261.5122.754

[8] “A central role of salicylic acid in plant disease resistance.” Delaney et al. Science 1994 DOI: 10.1126/science.266.5188.1247

[9] “Delayed ripening of banana fruit by salicylic acid.” Srivastava MK et al. Plant Sci. 2000 DOI: 10.1016/S0168-9452(00)00304-6

[10] “Isochorismate synthase is required to synthesize salicylic acid for plant defence.” Wildermuth MC et al. Nature 2002 DOI: 10.1038/35107108

[11] “Novel plant immune-priming compounds identified via high-throughput chemical screening target salicylic acid glucosyltransferases in Arabidopsis.” Yoshiteru noutoshi et al. Plant Cell 2012 DOI: ?10.?1105/?tpc.?112.?098343

[12] “NPR3 and NPR4 are receptors for the immune signal salicylic acid in plants.” Fu ZQ et al. Nature 2012 DOI: 10.1038/nature11162

[13] “The salicylic acid receptor NPR3 is a negative regulator of the transcriptional defense response during early flower development in Arabidopsis.” Shi Z et al. Mol. Plant 2013 DOI: 10.1093/mp/sss091

[14] “The Arabidopsis NPR1 protein is a receptor for the plant defense hormone salicylic acid.” Wu Y et al. Cell Rep. 2012 DOI: 10.1016/j.celrep.2012.05.008

[15] “Export of salicylic acid from the chloroplast requires the multidrug and toxin extrusion-like transporter EDS5.” Serrano M et al. Plant Physiol. 2013 DOI: 10.?1104/?pp.?113.?218156

 

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