第十章海洋天然产物 教学目的 1.了解海洋天然产物化学的发展情况. 2.掌握海洋天然产物主要的结构类型、特点，了解其生物活性。 3.了解研究海洋天然产物化学的意义. 视离海洋天然产物研究先驱-Dr.PaulJ.Scheuer Dr.Paul J.Scheuer(1915-2003)被尊称为世界海洋天然产物研究之父。1950 年在哈佛大学诺贝尔奖获得者R.B.Woodward的指导下获博士学位，60年代 初在夏威夷大学开始了海洋天然产物研究，发表论文500余篇，1973年编著 第一本《海洋天然产物化学》专著。培养了来自超过25个国家的110名博士 后和研究学者以及33名博士，很多人成为世界著名的海洋天然产物专家，使 默默无闻的夏威夷大学成了世界海洋天然产物研究中心之一。 案例10-1 一些漂亮的裸鳃软体动物为什么能够在弱肉强食的海洋生物世界安然无恙地生 Sinularia crassa 存下米？这些裸鳃软体动物最初是靠坚硬的外壳来保护自己，在 进化过程中逐渐失去笨重的外壳，依靠先进的生物武器保护自己。 问题：这些生物武器是什么？都真正是它们自己制造出来的吗？ 海洋生物的代谢产物与陆生植物的代谢产物相比有什么特点？为 什么海洋天然产物越来越受到重视？临床上应用的哪些药物来源 于海洋天然产物？还有哪些海洋天然产物进入了临床研究阶段？主要用于哪些疾病？ 前面的十章主要介绍了以陆地植物((terrestrial plants)为主体来源的天然产物。 上世纪后半叶海洋天然产物(marine natural products)越来越受到重视，21世纪被称 为海洋的世纪，本章重点介绍来源于海洋生物的主要天然产物。通过本章的学习 了解世界海洋天然产物的研究情况，重点介绍大环内酯类、聚醚类、肽类、前列 腺素类、C5乙酸原类和一些重要的其它类型的海洋天然产物，如海洋生物碱类、 甾醇类化合物和萜类化合物以及它们的生物活性，了解海洋天然产物的结构多样 性以及它们在新药开发中越来越重要的作用
第十章 海洋天然产物 教学目的 1. 了解海洋天然产物化学的发展情况。 2. 掌握海洋天然产物主要的结构类型、特点，了解其生物活性。 3. 了解研究海洋天然产物化学的意义。 视 窗 海洋天然产物研究先驱- Dr. Paul J. Scheuer Dr. Paul J. Scheuer (1915-2003) 被尊称为世界海洋天然产物研究之父。1950 年在哈佛大学诺贝尔奖获得者 R. B. Woodward 的指导下获博士学位，60 年代 初在夏威夷大学开始了海洋天然产物研究，发表论文 500 余篇，1973 年编著 第一本《海洋天然产物化学》专著。培养了来自超过 25 个国家的 110 名博士 后和研究学者以及 33 名博士，很多人成为世界著名的海洋天然产物专家，使 默默无闻的夏威夷大学成了世界海洋天然产物研究中心之一。 案 例 10-1 一些漂亮的裸鳃软体动物为什么能够在弱肉强食的海洋生物世界安然无恙地生 存下来？这些裸鳃软体动物最初是靠坚硬的外壳来保护自己，在 进化过程中逐渐失去笨重的外壳，依靠先进的生物武器保护自己。 问题：这些生物武器是什么？都真正是它们自己制造出来的吗？ 海洋生物的代谢产物与陆生植物的代谢产物相比有什么特点？为 什么海洋天然产物越来越受到重视？临床上应用的哪些药物来源 于海洋天然产物？还有哪些海洋天然产物进入了临床研究阶段？主要用于哪些疾病？ 前面的十章主要介绍了以陆地植物(terrestrial plants)为主体来源的天然产物。 上世纪后半叶海洋天然产物(marine natural products)越来越受到重视，21 世纪被称 为海洋的世纪，本章重点介绍来源于海洋生物的主要天然产物。通过本章的学习 了解世界海洋天然产物的研究情况，重点介绍大环内酯类、聚醚类、肽类、前列 腺素类、C15 乙酸原类和一些重要的其它类型的海洋天然产物，如海洋生物碱类、 甾醇类化合物和萜类化合物以及它们的生物活性，了解海洋天然产物的结构多样 性以及它们在新药开发中越来越重要的作用
第一节概述 案例10-22008年诺贝尔化学奖授子发现绿色董光蛋白(GFP)的美籍日 本科学家下村脩(Osamu Shimomura),绿色萤光蛋白来自哪里？1962年下村 脩从水母Aequorea victoria身上分离出神奇的绿色荧光蛋白，这种蛋白质己 成为了当代生物化学研究的最为重要的工具之一，被称为现代生物的GPS 用来跟踪器官内不可见的一些生理现象，为人类解决医学难题提供了宝贵的信息。 近10年来药物开发越来越困难，耐药性的产生致使每年新药上市的速度几乎 等于老药被淘汰的速度。人类迫切需要结构新颖、生物活性和作用机制独特的新 的天然产物作为新药开发的先导化合物，于是把目光投向了海洋。生命起源于海 洋，从海洋中出现最原始的生命开始到现在已有40多亿年的历史。从最初的单细 胞生物开始，在几十亿年的生命演化过程中创造出了丰富多彩的海洋生物世界， 使海洋生物成为资源最丰富、保存最完整、最具有新药开发潜力的新领域， 海洋约占地球表面积的71.2%，达3.6亿平方千米，占生物圈(biosphere)体积的 95%,是迄今所知最大的生命栖息地。生物总种类占地球36门中的35门，其中13 个是海洋生物所特有的。海洋中存在的海洋生物估计超过1000万种，海洋生物总 量占地球总生物量(biomass)的87%，与对陆生植物的研究相比，人们对海洋生物 的认识还相当有限。上世纪是对自然环境破坏最严重的一个世纪，人口的快速增 长，自然资源的过度开发，导致环境恶化加快，生态平衡遭到严重破毁，特别是 近三十年来由于全球气候的变化和环境污染的日益加重，导致许多海洋生物在人 类还未来得及跟它们见面或起名就悄悄地灭绝了，因此加强对海洋生物的保护与 研究已是迫在眉睫。 海洋天然产物的研究可以追溯到上世纪20~30年代，1922年日本学者从生活 在浅海泥沙中的异足索沙蚕(Lumbriconeris heteropoda)体内分离到具有杀虫作用 的物质，命名为沙蚕毒素(nereistoxin)。1934年明确了它的化学结构，结构异常的 简单毒性却极大。以沙蚕毒素为先导化合物，开发成功一系列拟沙蚕毒素杀虫剂。 到40年代己经有少数科学家如Emerson和Bergman等注意到了海洋天然产物的潜 力，1945年，意大利科学家Giuseppe Brotzu从撒丁岛海洋污泥中分离到一株海洋真
第一节 概 述 案 例 10-2 2008 年诺贝尔化学奖授予发现绿色萤光蛋白(GFP)的美籍日 本科学家下村脩(Osamu Shimomura)，绿色萤光蛋白来自哪里？1962 年下村 脩从水母 Aequorea victoria 身上分离出神奇的绿色荧光蛋白，这种蛋白质已 成为了当代生物化学研究的最为重要的工具之一,被称为现代生物的 GPS, 用来跟踪器官内不可见的一些生理现象，为人类解决医学难题提供了宝贵的信息。 近10年来药物开发越来越困难，耐药性的产生致使每年新药上市的速度几乎 等于老药被淘汰的速度。人类迫切需要结构新颖、生物活性和作用机制独特的新 的天然产物作为新药开发的先导化合物，于是把目光投向了海洋。生命起源于海 洋，从海洋中出现最原始的生命开始到现在已有40多亿年的历史。从最初的单细 胞生物开始，在几十亿年的生命演化过程中创造出了丰富多彩的海洋生物世界， 使海洋生物成为资源最丰富、保存最完整、最具有新药开发潜力的新领域。 海洋约占地球表面积的71.2%，达3.6亿平方千米，占生物圈(biosphere)体积的 95%，是迄今所知最大的生命栖息地。生物总种类占地球36门中的35门，其中13 个是海洋生物所特有的。海洋中存在的海洋生物估计超过1000万种，海洋生物总 量占地球总生物量(biomass)的87%，与对陆生植物的研究相比，人们对海洋生物 的认识还相当有限。上世纪是对自然环境破坏最严重的一个世纪，人口的快速增 长，自然资源的过度开发，导致环境恶化加快，生态平衡遭到严重破毁，特别是 近三十年来由于全球气候的变化和环境污染的日益加重，导致许多海洋生物在人 类还未来得及跟它们见面或起名就悄悄地灭绝了，因此加强对海洋生物的保护与 研究已是迫在眉睫。 海洋天然产物的研究可以追溯到上世纪20～30年代，1922年日本学者从生活 在浅海泥沙中的异足索沙蚕(Lumbriconeris heteropoda)体内分离到具有杀虫作用 的物质，命名为沙蚕毒素(nereistoxin)。1934年明确了它的化学结构，结构异常的 简单毒性却极大。以沙蚕毒素为先导化合物，开发成功一系列拟沙蚕毒素杀虫剂。 到40年代已经有少数科学家如Emerson和Bergman等注意到了海洋天然产物的潜 力，1945年，意大利科学家Giuseppe Brotzu从撒丁岛海洋污泥中分离到一株海洋真
菌(J顶头孢霉菌Cephalosporium acremonium),他发现这些顶头孢分泌出的一些物 质可以有效抵抗引起伤寒的伤寒杆菌。牛津大学的Edward Abraham/从中分离获得 若干头孢菌素类化合物，其代表物是头孢菌素C(cephalosporin C)。此后，经水解 获得的头孢烯母核成为一系列头孢菌素类抗生素的合成材料，头孢菌素钠为海洋 微生物中发现并开发成功的第一个“海洋新抗”，开创了开发海洋新抗生素药的先 例。但是由于当时正值合成药物和抗生素的黄金时代，海洋天然药物的研究开发 的巨大潜力一直没有引起科学界的重视。随着60年代初河豚毒素(tetrodotoxin,TTX) 结构鉴定的完成和合成药物暴露出来的问题，特别是“反应停事件”的出现，加之 S0年代Werner Bergmann/从加勒比海隐南瓜海绵(Cryptotethia crypta)中分离到 两种罕见的核苷海绵阿糖胸苷(songothymidine)和海绵阿糖尿苷(spongouridine), 最终这2个化合物的化学衍生物阿糖胞苷Ara-C和阿糖腺苷Ara-A作为疗效显著的 抗癌药和抗病毒药物被美国FDA分别于1969和1976批准应用于临床。1969年美国 科学家Weinheimer和Spraggins从加勒比海柳珊瑚Plexaura homomalla中分离得到 了含量高达14-1.8%的前列腺素15R-PGA2,这是一个具有重大意义的发现。前列 腺素是具有强烈生理活性和广谱药理效应的一类物质，但它们在自然界中存在极 微，全合成也非常困难，限制了对其深入研究。从柳珊瑚发现了丰富的前列腺素， 改变了这种被动的局面，这一成果不但促进了前列腺素的研究，也使上世纪60年 代末至70年代初海洋天然药物研究的出现了一个小高潮。“向海洋要药物”的概念 开始逐渐被人们接受.l973美国夏威夷大学Paul Scheuer编著了第一本海洋药物专 著Chemistry of Marine Natural Produts”,书中收录的单萜不足40个，二萜只有4个。 70年代以后从海藻中分离出众多天然的含卤化合物，目前已有5000多种，如从上 世纪60年代到2012年从松节藻科(Rhodomelaceae)中分离的1058个海洋天然产物中 808(76%)含有卤原子，其中760含溴原子，262个含氯原子，218同时含有溴原子和氯 原子，4个含碘原子，特别是这个科的红藻中发现了697个含有卤原子的化合物，主要 是萜类化合物，特别是倍半萜，这些化合物的发现彻底改变了对卤代有机化合物 的片面认识，特别是进入上世纪80年代深海采集技术、样品的快速冷藏转移、以 及分离技术的进步和二维核磁技术、软离子质谱技术的应用，大大地加快了海洋 天然产物的研究进程，一些结构比较复杂的海洋天然产物如brevetoxin(I981)、 okadaic acid(191)bryostatin-1(1982)palytoxin(1982)halichondrin B(1985)
菌(顶头孢霉菌 Cephalosporium acremonium), 他发现这些顶头孢分泌出的一些物 质可以有效抵抗引起伤寒的伤寒杆菌。牛津大学的Edward Abraham从中分离获得 若干头孢菌素类化合物，其代表物是头孢菌素C (cephalosporin C)。此后，经水解 获得的头孢烯母核成为一系列头孢菌素类抗生素的合成材料，头孢菌素钠为海洋 微生物中发现并开发成功的第一个“海洋新抗”，开创了开发海洋新抗生素药的先 例。但是由于当时正值合成药物和抗生素的黄金时代，海洋天然药物的研究开发 的巨大潜力一直没有引起科学界的重视。随着60年代初河豚毒素(tetrodotoxin, TTX) 结构鉴定的完成和合成药物暴露出来的问题，特别是“反应停事件”的出现，加之 50年代 Werner Bergmann从加勒比海隐南瓜海绵（Cryptotethia crypta）中分离到 两种罕见的核苷海绵阿糖胸苷(songothymidine)和海绵阿糖尿苷(spongouridine)， 最终这2个化合物的化学衍生物阿糖胞苷Ara-C和阿糖腺苷Ara-A作为疗效显著的 抗癌药和抗病毒药物被美国FDA分别于1969和1976批准应用于临床。1969年美国 科学家Weinheimer和Spraggins从加勒比海柳珊瑚Plexaura homomalla中分离得到 了含量高达1.4-1.8%的前列腺素15R-PGA2，这是一个具有重大意义的发现。前列 腺素是具有强烈生理活性和广谱药理效应的一类物质，但它们在自然界中存在极 微，全合成也非常困难，限制了对其深入研究。从柳珊瑚发现了丰富的前列腺素， 改变了这种被动的局面，这一成果不但促进了前列腺素的研究，也使上世纪60年 代末至70年代初海洋天然药物研究的出现了一个小高潮。 “向海洋要药物”的概念 开始逐渐被人们接受。1973 美国夏威夷大学Paul Scheuer编著了第一本海洋药物专 著“Chemistry of Marine Natural Produts”, 书中收录的单萜不足40个，二萜只有4个。 70年代以后从海藻中分离出众多天然的含卤化合物，目前已有5000多种，如从上 世纪60年代到2012年从松节藻科(Rhodomelaceae)中分离的1058个海洋天然产物中 808 (76%)含有卤原子，其中760含溴原子,262个含氯原子, 218同时含有溴原子和氯 原子,4个含碘原子,特别是这个科的红藻中发现了697个含有卤原子的化合物，主要 是萜类化合物，特别是倍半萜，这些化合物的发现彻底改变了对卤代有机化合物 的片面认识，特别是进入上世纪80年代深海采集技术、样品的快速冷藏转移、以 及分离技术的进步和二维核磁技术、软离子质谱技术的应用，大大地加快了海洋 天然产物的研究进程，一些结构比较复杂的海洋天然产物如brevetoxin (1981)、 okadaic acid (1981)、bryostatin-1 (1982)、palytoxin (1982)、halichondrin B (1985)
norhalichondrin A(198S)和cephalostatin 1(1988)等相继被分离并完成结构鉴定。进 入90年代，代表着现代鉴定技术特别是各种2D-NMR和各种MS在天然产物化学结 构研究最高应用水平的Maitotoxin(1992)完成了结构鉴定。海洋天然产物的发展大 致可分为四个阶段：1960年以前这段时期可以称之为孕育期：1960-1970年为形成 期：1980年进入快速发展期：1990年代以后为成熟期。 海洋作为一个巨大的“立体水球”，是一个有巨大时空尺度的开放复杂的生物 体系。海洋中存在着丰富多样的生物物种，其品种是陆地上的两倍以上，无论大 小、软硬、抑或速度快慢，都能安然无恙地生存下来，这说明它们有天然自卫、 抵抗疾病的能力。特别是那些身上充满生物活性分子、利用化学方式保护自己的 海洋物种，很可能蕴含丰富的药物资源，开发价值不可估量。在40亿年的生命演 化过程创造出了丰富多彩的海洋生物世界，使海洋生物成为资源最丰富、保存最 完整、最具有新药开发潜力的新领域。 海洋生物的生存环境与陆生生物迥然不同，如高压、高盐度、寡营养、低温 但相对恒温（火山口附近有高温、极地地区还有超低温）、有限的光照和有限的含氧 量。生存环境的巨大差异决定了海洋生物在新陈代谢、生存方式、信息传递、适 应机制等方面具有显著的特点，造成海洋生物次级代谢的途径和酶反应机制与陆 地对应生物几乎完全不同，最重要的区别是结构和元素组成的多样性。由于海水 富含卤素，海水中的氯离子浓度达2%，溴氯离子浓度达0.0067%，因而导致海洋 生物含有很多共价结合的含卤有机物，主要是溴和氯，少数含有碘。含有多卤素 的天然产物是海洋天然产物中所特有的，特别是碘化物迄今尚未见于陆源生物中。 另外，海洋生物次生代谢产物结构的多样性和复杂性远远超出了人们的想象，如 分子量超过2000mu的超级碳连化合物(“super--carbon--chain compounds,SCC)聚醚 类和大环内酯类化合物：有的海洋生物次生代谢产物含有一些特殊的取代基团， 如二氯代碳酰亚胺基(C=NC2)、异氰基、胍基、丙二烯和环硫醚等。这些结构独 特的海洋生物次生代谢产物也常常具有很强的生物活性和独特的作用机制，它们 不仅可以作为开发新药的先导化合物，还可作为生命科学和基础药物学研究的工 具或分子探针，如TTX已广泛应用在Na通道药理学研究：OA对蛋白磷酸酯酶 有高度的选择性抑制作用，用于探测细胞磷酸化过程：而从海绵中分得的大环内 酯类化合物manoalide是第一个选择性抑制磷酸酯酶A,活性的化合物。海洋特殊
norhalichondrin A (1985)和cephalostatin 1 (1988)等相继被分离并完成结构鉴定。进 入90年代，代表着现代鉴定技术特别是各种2D-NMR和各种MS在天然产物化学结 构研究最高应用水平的Maitotoxin (1992)完成了结构鉴定。海洋天然产物的发展大 致可分为四个阶段：1960年以前这段时期可以称之为孕育期；1960-1970年为形成 期；1980年进入快速发展期；1990年代以后为成熟期。 海洋作为一个巨大的“立体水球”，是一个有巨大时空尺度的开放复杂的生物 体系。海洋中存在着丰富多样的生物物种，其品种是陆地上的两倍以上，无论大 小、软硬、抑或速度快慢，都能安然无恙地生存下来，这说明它们有天然自卫、 抵抗疾病的能力。特别是那些身上充满生物活性分子、利用化学方式保护自己的 海洋物种，很可能蕴含丰富的药物资源，开发价值不可估量。在 40 亿年的生命演 化过程创造出了丰富多彩的海洋生物世界，使海洋生物成为资源最丰富、保存最 完整、最具有新药开发潜力的新领域。 海洋生物的生存环境与陆生生物迥然不同，如高压、高盐度、寡营养、低温 但相对恒温(火山口附近有高温、极地地区还有超低温)、有限的光照和有限的含氧 量。生存环境的巨大差异决定了海洋生物在新陈代谢、生存方式、信息传递、适 应机制等方面具有显著的特点，造成海洋生物次级代谢的途径和酶反应机制与陆 地对应生物几乎完全不同，最重要的区别是结构和元素组成的多样性。由于海水 富含卤素，海水中的氯离子浓度达 2%，溴氯离子浓度达 0.0067%，因而导致海洋 生物含有很多共价结合的含卤有机物，主要是溴和氯，少数含有碘。含有多卤素 的天然产物是海洋天然产物中所特有的，特别是碘化物迄今尚未见于陆源生物中。 另外，海洋生物次生代谢产物结构的多样性和复杂性远远超出了人们的想象，如 分子量超过 2000 mu 的超级碳连化合物(“super-carbon-chain compounds，SCC)聚醚 类和大环内酯类化合物；有的海洋生物次生代谢产物含有一些特殊的取代基团， 如二氯代碳酰亚胺基(C=NCl2)、异氰基、胍基、丙二烯和环硫醚等。这些结构独 特的海洋生物次生代谢产物也常常具有很强的生物活性和独特的作用机制，它们 不仅可以作为开发新药的先导化合物，还可作为生命科学和基础药物学研究的工 具或分子探针，如 TTX 已广泛应用在 Na+ 通道药理学研究；OA 对蛋白磷酸酯酶 有高度的选择性抑制作用，用于探测细胞磷酸化过程；而从海绵中分得的大环内 酯类化合物 manoalide 是第一个选择性抑制磷酸酯酶 A2 活性的化合物。海洋特殊
生态环境中的生物资源己成为拓展天然药用资源的新空间。海洋生物主要包括海 洋水生植物（主要有藻类和具有“海滩森林”之称的红树林mangrove)、海洋动 物和海洋微生物三大类。海洋天然产物的来源比较广泛，目前研究较多的主要有 I)藻类(algae,.seaweeds):藻类是生长于海洋中的低等隐花植物，是海洋世界的肥 沃草原”，海洋中的初级生产者和海洋动物的“天然牧场”，承担着食物链的基础环 节，海洋动物的许多活性物质都直接或间接地来源于藻类，一般归属于低等植物 的“叶状体植物群”。藻类资源丰富，全世界藻类约有30000余种，根据其光合 色素的类型分为绿藻、褐藻和红藻。海藻的代谢产物相对其它海洋生物相对简单， 以萜类为主，最大特点为富含卤素。2)海绵(sponges):海绵属于多孔动物门，是一 种原始而奇特的最简单的多细胞生物，7~8亿多年前就已经生活在海洋中。海绵 种类繁多，资源极为丰富，主要有三个纲，六放海绵纲Hexactinellida)、钙质海绵 纲(Calcarea)和寻常海绵纲(Demospongia),已知的已有15000多种，约占海洋生物总 量的115，分布极为广泛，从热带海洋到南极冰海都有分布，99%分布于浅海。 与海藻、珊瑚及其它无脊椎动物相比，海绵蕴藏着结构新颖的次生代谢产物，是 发现新化合物的主要原料，其中萜类化合物约占37%，含氨类化合物约占41%。 海绵与微生物在长期进化过程中形成了密切的共生关系(symbiosis),海绵中的微生 物可占海绵本体干重的30-70%，因此，许多从海绵中获得的天然产物可能是与其 共生的微生物，如共生菌(symbiotic bacteria)的次生代谢产物。3)腔肠动物 (coelenterata):包括海葵(sea anemone)、珊瑚(coral)和水母海蜇，jellyfish,jellies) 等，研究较多的是珊瑚。珊瑚是海洋低等无脊椎动物，全球约有70个属9000多 种，有“海洋中的热带雨林”之称。其代谢产物主要有脂类、萜类、甾体和前列腺 素类化合物，其中萜类化合物主要是倍半萜和二萜，约占85%，其次是甾体化合 物，很多具有抗癌活性。4)软体动物(molluscs):研究较多的是海兔((sea hares)),它 以海藻为食并可以储藏海藻中的化学成分。5)被囊海鞘类动物(tunicates, ascidians)):被囊动物在进化地位上十分特殊，位于脊椎动物和无脊椎动物之间， 约有2150种，分为3个纲，海鞘纲，海樽纲和尾海鞘纲。其中海鞘类占绝大多数， 从中发现了许多功能独特的新结构化合物，特别是含氮化合物约占89%，如从加 勒比海被囊动物分离出来的抗癌药物ecteinascidin743(Et-743)。6)棘皮动物 (echinoderms):是具有特殊水管系统的一大类无脊椎动物，约6000余种，常见的
生态环境中的生物资源已成为拓展天然药用资源的新空间。海洋生物主要包括海 洋水生植物（主要有藻类和具有“海滩森林”之称的红树林 mangrove）、海洋动 物和海洋微生物三大类。海洋天然产物的来源比较广泛，目前研究较多的主要有 1)藻类(algae, seaweeds)：藻类是生长于海洋中的低等隐花植物, 是海洋世界的“肥 沃草原”，海洋中的初级生产者和海洋动物的“天然牧场”，承担着食物链的基础环 节，海洋动物的许多活性物质都直接或间接地来源于藻类，一般归属于低等植物 的“叶状体植物群”。藻类资源丰富，全世界藻类约有 30000 余种，根据其光合 色素的类型分为绿藻、褐藻和红藻。海藻的代谢产物相对其它海洋生物相对简单， 以萜类为主，最大特点为富含卤素。2)海绵(sponges)：海绵属于多孔动物门，是一 种原始而奇特的最简单的多细胞生物，7~8 亿多年前就已经生活在海洋中。海绵 种类繁多，资源极为丰富，主要有三个纲，六放海绵纲(Hexactinellida)、钙质海绵 纲(Calcarea)和寻常海绵纲(Demospongia),已知的已有 15000 多种，约占海洋生物总 量的 1/15，分布极为广泛，从热带海洋到南极冰海都有分布，99%分布于浅海。 与海藻、珊瑚及其它无脊椎动物相比，海绵蕴藏着结构新颖的次生代谢产物，是 发现新化合物的主要原料，其中萜类化合物约占 37%，含氮类化合物约占 41%。 海绵与微生物在长期进化过程中形成了密切的共生关系(symbiosis)，海绵中的微生 物可占海绵本体干重的 30-70%，因此，许多从海绵中获得的天然产物可能是与其 共生的微生物,如共生菌(symbiotic bacteria)的次生代谢产物。3)腔肠动物 (coelenterata)：包括海葵(sea anemone)、珊瑚(coral)和水母(海蜇，jellyfish, jellies) 等，研究较多的是珊瑚。珊瑚是海洋低等无脊椎动物，全球约有 70 个属 9000 多 种，有“海洋中的热带雨林”之称。其代谢产物主要有脂类、萜类、甾体和前列腺 素类化合物，其中萜类化合物主要是倍半萜和二萜, 约占 85%，其次是甾体化合 物，很多具有抗癌活性。4)软体动物(molluscs)：研究较多的是海兔(sea hares)，它 以海藻为食并可以储藏海藻中的化学成分。5)被囊海 鞘 类动物(tunicates, ascidians)：被囊动物在进化地位上十分特殊，位于脊椎动物和无脊椎动物之间， 约有 2150 种，分为 3 个纲，海鞘纲，海樽纲和尾海鞘纲。其中海鞘类占绝大多数， 从中发现了许多功能独特的新结构化合物，特别是含氮化合物约占 89%，如从加 勒比海被囊动物分离出来的抗癌药物 ecteinascidin 743 (Et-743)。6)棘皮动物 (echinoderms)：是具有特殊水管系统的一大类无脊椎动物，约 6000 余种，常见的
有海参(sea cucumbers)约500种、海星(sea stars)约1500种、海胆(sea urchin)约 900余种、海百合(crinoid)约700种。棘皮动物产生的甾体皂苷是它们体内的常见 毒素。7)苔藓虫类(bryozoans):海洋苔藓动物俗称苔藓虫，约4000多种。从总合 草苔虫中分得的bryostanis类大环内酯类化合物有抗癌活性。8)海洋微生物(marine microorganisms):包括病毒、细菌、真菌、放线菌、微藻等等，也包括极端微生 物(extra--microorganisms)、真细菌(eubacteria)和大细菌(archaea)。陆地微生物约有 10万种，而海洋微生物有数百万种，但大多数都是在常规的实验室条件下无法培 养，因此极大地限制了从海洋微生物中发现有生物活性的代谢产物的研究。目前 采用分子生物学的方法，如宏基因组学(metagenomics)的方法获取海洋不可培养微 生物的基因资源己成为一大研究领域。海洋微生物产生结构特殊的大环内酯类、 肽类、聚醚类和生物碱类等。海洋中独特丰富的微生物近年来被认为是人类最可 能开发利用海洋药物资源的一大明星，是海洋生物活性物质的研究热点之一。从 海洋生物中发现的海洋天然产物超过40000种，每年大概还有700-1100个新的海 洋天然产物被发现，结构千差万别，按照化学结构分类主要有：烃类、萜类（包括 含卤素的非挥发性单萜、倍半萜、二萜、二倍半萜、三萜和四萜)、C5乙酸原类、 生物碱类、留体类、肽类、聚醚类、大环内酯类、前列腺素类、多糖类等。目前 已有9个海洋天然产物进入临床应用（图10-1）和超过45个海洋天然产物进入临床 试验（图10-2），如源于竿螺Conus magus的肽类毒素镇痛药Ziconotide(Prialt分 别于2004年和2005年获得了美国FDA和European Medicines Agency(EMEA)i证 书，从被囊动物红树海鞘Ecteinascidia turbinata中得到的大环内酯生物碱 Yondelis(trabectedin)首次于2007年获得欧盟批准用于治疗软组织肉瘤，目前有 80个国家在销售该药物。Ar阳-C至今还广泛用于急性髓细胞样白血病和复发侵袭 性淋巴癌的治疗。葛兰素史克药厂研发，目前被FDA唯一批准为饮食辅助药物以 降低成年患者的甘油三酸脂水平的lovaza制剂。进入Ⅱ期临床研究的海洋来源的 天然产物及其衍生物包括soblidotin(auristatin PE;,TZT-1027),PM00104(亿alypsis) DMXBA (GTS-21),elisidepsin (irvalec,PM02734),plitidepsin (aplidin),plinabulin (NPI-2358)和LX-651(tasidotin or synthadotin)等。另有一些海洋天然产物因具有独 特的生物活性和作用机制而成为探索生命科学的工具药，如河豚毒素成为研究钠 通道的工具药，大田软海绵酸(okadaic acid)是一种肿瘤促进剂，能抑制由钙激活
有海参(sea cucumbers）约 500 种、海星(sea stars) 约 1500 种、海胆(sea urchin) 约 900 余种、海百合(crinoid) 约 700 种。棘皮动物产生的甾体皂苷是它们体内的常见 毒素。7)苔藓虫类(bryozoans)：海洋苔藓动物俗称苔藓虫，约 4000 多种。从总合 草苔虫中分得的 bryostanis 类大环内酯类化合物有抗癌活性。8)海洋微生物(marine microorganisms)：包括病毒、细菌、真菌、放线菌、微藻等等，也包括极端微生 物(extra-microorganisms)、真细菌(eubacteria)和大细菌(archaea)。陆地微生物约有 10 万种，而海洋微生物有数百万种，但大多数都是在常规的实验室条件下无法培 养，因此极大地限制了从海洋微生物中发现有生物活性的代谢产物的研究。目前 采用分子生物学的方法，如宏基因组学(metagenomics)的方法获取海洋不可培养微 生物的基因资源已成为一大研究领域。海洋微生物产生结构特殊的大环内酯类、 肽类、聚醚类和生物碱类等。海洋中独特丰富的微生物近年来被认为是人类最可 能开发利用海洋药物资源的一大明星，是海洋生物活性物质的研究热点之一。从 海洋生物中发现的海洋天然产物超过 40000 种，每年大概还有 700-1100 个新的海 洋天然产物被发现，结构千差万别，按照化学结构分类主要有：烃类、萜类(包括 含卤素的非挥发性单萜、倍半萜、二萜、二倍半萜、三萜和四萜)、C15 乙酸原类、 生物碱类、甾体类、肽类、聚醚类、大环内酯类、前列腺素类、多糖类等。目前 已有 9 个海洋天然产物进入临床应用(图 10-1)和超过 45 个海洋天然产物进入临床 试验(图 10-2)，如源于竽螺 Conus magus 的肽类毒素镇痛药 Ziconotide (Prialt®)分 别于 2004 年和 2005 年获得了美国 FDA 和 European Medicines Agency (EMEA)证 书，从被囊动物红树海鞘 Ecteinascidia turbinata 中得到的大环内酯生物碱 Yondelis® (trabectedin)首次于 2007 年获得欧盟批准用于治疗软组织肉瘤，目前有 80 个国家在销售该药物。Ara-C 至今还广泛用于急性髓细胞样白血病和复发侵袭 性淋巴瘤的治疗。葛兰素史克药厂研发，目前被 FDA 唯一批准为饮食辅助药物以 降低成年患者的甘油三酸脂水平的 lovaza®制剂。进入 II 期临床研究的海洋来源的 天然产物及其衍生物包括 soblidotin (auristatin PE; TZT-1027)，PM00104 (Zalypsis®), DMXBA (GTS-21), elisidepsin (irvalec, PM02734), plitidepsin (aplidin®), plinabulin (NPI-2358)和 ILX-651 (tasidotin or synthadotin)等。另有一些海洋天然产物因具有独 特的生物活性和作用机制而成为探索生命科学的工具药，如河豚毒素成为研究钠 通道的工具药，大田软海绵酸(okadaic acid) 是一种肿瘤促进剂，能抑制由钙激活
的磷脂依赖的蛋白激酶，是一种特殊的蛋白质磷酸酯酶1、2A和2B的抑制剂， 还可作为研究细胞调控的工具药，1980年从海绵(Luffariella variabilis)中分离得到 的线型二倍半萜类化合物manoalide是第一个具有选择性作用于磷酯酶A2 (PLA2),现已成为研究阻断PLA2的常规工具药。西加毒索(ciguatoxin,CTX是电 压依赖性N通道激动剂，己作为研究兴奋细胞膜结构与功能以及局麻药作用机 理的分子探针。刺尾鱼毒索(maitotoxin,MTX)属于典型的钙通道激动剂，可增加细 胞膜对C2+的通透性，是研究钙通道药理作用特异性工具药。绿色荧光蛋白己经 成为现代生物科学研究领域最重要的工具之一，在它的帮助下，研究人员能够看 到前所未有的新的微观世界，如：大脑神经细胞的发育过程，癌细胞的扩散方式 等，促进了生命科学的发展。开展海洋天然产物的研究不仅具有重要的理论意义 和实际应用价值，同时还可以也极大地促进了有机合成化学的发展，如聚醚梯类 海洋毒索(BTXA,B和CTX)和线状聚醚岩沙海葵毒素的全合成、保罗碱 (~-palau'amine)和河豚毒素的全合成、前列腺素类化合物的全合成、Et-743的全 合成以及大田软海绵素B的全合成等。通过研究海洋生物的次生代谢产物，了解 海洋生态环境中活性化学物质在生物间的信息传递方式、化学防御机制、生物间 的相互关系以及食物链关系等，从生态的宏观角度探讨生物活性物质的作用机制， 为海洋化学生态学研究奠定基础。图10-3和图10-4.大致概括了海洋天然产物的 分布和海洋天然产物的生物活性情况。 海洋生物由于其自身的特点，在样品采集、前处理、提取与分离等方面都有 别于陆生植物，一般用甲醇或乙醇提取，然后用有机溶剂萃取分成水溶性和水不 溶性部位，在活性跟踪下进行分离。由于海洋次生代谢产物结构差异非常大，故 分离和纯化方法各异。对于脂溶性成分可用一般分离方法分离，对于一些极性较 大的水溶性化学成分需要脱盐处理，然后用不同的凝胶色谱、离子交换色谱、反 相硅胶柱色谱以及特殊填料的RP-HPLC和MPLC等进行分离。在结构鉴定方面， 由于海洋天然产物结构复杂，往往涉及各种二维甚至三维NMR技术、 FAB/MSMS、制备衍生物、化学降解甚至部分合成和全合成等手段完成立体结构 的确定。本章对结构独特、生物活性显著的几大类海洋天然产物加以介绍，有关 提取、分离和结构研究由于其共性不强或超出了本教材的范围，读者可参考相关 (Alterative and efficient extraction methods for marine-derived compounds.Mar.Drugs
的磷脂依赖的蛋白激酶，是一种特殊的蛋白质磷酸酯酶 1、2A 和 2B 的抑制剂， 还可作为研究细胞调控的工具药，1980 年从海绵(Luffariella variabilis)中分离得到 的线型二倍半萜类化合物 manoalide 是第一个具有选择性作用于磷酯酶 A2 (PLA2)，现已成为研究阻断 PLA2 的常规工具药。西加毒素(ciguatoxin, CTX)是电 压依赖性 Na+ 通道激动剂，已作为研究兴奋细胞膜结构与功能以及局麻药作用机 理的分子探针。刺尾鱼毒素(maitotoxin, MTX)属于典型的钙通道激动剂，可增加细 胞膜对 Ca2+的通透性，是研究钙通道药理作用特异性工具药。绿色荧光蛋白已经 成为现代生物科学研究领域最重要的工具之一，在它的帮助下，研究人员能够看 到前所未有的新的微观世界，如：大脑神经细胞的发育过程，癌细胞的扩散方式 等，促进了生命科学的发展。开展海洋天然产物的研究不仅具有重要的理论意义 和实际应用价值，同时还可以也极大地促进了有机合成化学的发展，如聚醚梯类 海洋毒素(BTX-A, B 和 CTX)和线状聚醚岩沙海葵毒素的全合成、保罗碱 ((-)-palau’amine)和河豚毒素的全合成、前列腺素类化合物的全合成、Et-743 的全 合成以及大田软海绵素 B 的全合成等。通过研究海洋生物的次生代谢产物，了解 海洋生态环境中活性化学物质在生物间的信息传递方式、化学防御机制、生物间 的相互关系以及食物链关系等，从生态的宏观角度探讨生物活性物质的作用机制， 为海洋化学生态学研究奠定基础。图 10-3 和图 10-4. 大致概括了海洋天然产物的 分布和海洋天然产物的生物活性情况。 海洋生物由于其自身的特点，在样品采集、前处理、提取与分离等方面都有 别于陆生植物，一般用甲醇或乙醇提取，然后用有机溶剂萃取分成水溶性和水不 溶性部位，在活性跟踪下进行分离。由于海洋次生代谢产物结构差异非常大，故 分离和纯化方法各异。对于脂溶性成分可用一般分离方法分离，对于一些极性较 大的水溶性化学成分需要脱盐处理，然后用不同的凝胶色谱、离子交换色谱、反 相硅胶柱色谱以及特殊填料的 RP-HPLC 和 MPLC 等进行分离。在结构鉴定方面， 由于海洋天然产物结构复杂，往往涉及各种二维甚至三维 NMR 技术、 FAB/MS/MS、制备衍生物、化学降解甚至部分合成和全合成等手段完成立体结构 的确定。本章对结构独特、生物活性显著的几大类海洋天然产物加以介绍，有关 提取、分离和结构研究由于其共性不强或超出了本教材的范围，读者可参考相关 文献(Alternative and efficient extraction methods for marine-derived compounds. Mar. Drugs
2015,13,3182-3230)详细介绍。 weo28P otin)FDA 2011 Cance 0m S6aBso8cie V-V--V DA20 a068 òe0. 图1O-L.FDA或EMEA批准的米源于海洋的药物及应用 Pltdepsin(Aplidin 0104(ayps olid(Aurstatin PE) ILX-651 (tasidotin or synthadotin) 图10-2.进入期临床研究的海洋天然产物
2015, 13, 3182~3230)详细介绍。 O H N N S O HO O HO NH2 O O O N NH O NH2 Ara-C Cancer FDA 1969 Ara-A Antiviral FDA 1976 N N NH2 N N Cephalosporin C FDA 1961 Antibiotics N NH N S O O H3C O O H3C H H OH HO CH3 O O O HO O H3C H3C CH3 H Et-743 (Trabectedin) UE 2007 Yondelis, Cancer H O O O O O O O H H H H O H H H H O MeO H2N OH Halaven (Eribulin) FDA 2010 Cancer O N O H N O N O O O N O H N O OH N H H MAB-Val-Cit Adcetris (Brentuximab vedotin) FDA 2011 Cancer EtO O EtO O EPA:DHA:esterified fish oils = 47:38:17 FDA 2004 Lovaza, Hypertriglyceridemia CKGKGAKCSRLMYDCCTGSCRSGKC-CONH2 Ziconotide (w-conotoxin) FDA 2004 Prialt, Pain O OH HO OH H H H H O OH HO OH H H H H O O O O OH OH OSO3 - OSO3 - - O3SO O Carragelose OTC Antiviral 图 10-1. FDA 或 EMEA 批准的来源于海洋的药物及应用 N H N N O O O N O O O H N H Soblidotin (Auristatin PE) N N O O DMBX (GTS-21) N H H N O O N NH Plinabulin (NPI-2358) H O N O N H HO H N O N H O N O HN O H2N H N O HN O O NH N H O O HN HN O NH O OO Elisidepsin (Irvalec) N O N H N N O O O N O HN ILX-651 (tasidotin or synthadotin) O O NH O NH N O O O OH N CH3 O O O NH O N N O O O O Plitidepsin (Aplidin) N N HN O O O H H OH HO O O O CH3 H F3C PM00104 (Zalypsis) 图 10-2. 进入 II 期临床研究的海洋天然产物
图103.海洋二级代谢天然产物的分布 Meantee Antimfaunmatory 图10-4.海洋天然代谢产物的生物活性
图 10-3. 海洋二级代谢天然产物的分布 图 10-4. 海洋天然代谢产物的生物活性
第二节大环内酯类化合物 视窗George Robert(Bob)Pettit1929年生于美国新泽西州，曾任亚利桑那州立大学癌症研究 所所长，一生致力于天然来源特别是海洋生物来源抗癌药物的发现，对16000多种动植物和 微生物进行了筛选，发现了许多有抗癌活性的海洋天然产物，如大环内酯类bryostatins1-20 和20多个肽类化合物dolastatins(其中三个衍生物TZT-1027、LU-103793、LX651进入临床 研究)，以及现在临床研究的cephalostatin1和spongiastatin。Pettit已发表专著14本、论文7O 多篇，拥有58个专利。 rge Robert (Bob)Pettt 案例10-3从总合草苔虫(Bugula neritina)提取的抗癌活性成分草台虫素(bryostatins)类大环 内酯是从海洋生物中开发抗癌药物最典型的例子，代表若海洋药物研究的发展 趋势。斯坦福大学的科学家合成了一系列草台虫素的衍生物，有的结构比草台 虫素简单但活性增加2~3倍。加利福尼亚大学的San Diego和她的同事已经克 隆出了与草台虫素合成相关的基因，迈出了利用生物技术生产草台虫素的关键 一步。大环内酯类化合物作为最具开发前景的海洋天然产物之一，现正在开发 治疗C型尼曼匹克症的药物(Nicmann-Pick disease type C),它们的主要生物活性是什么？ 大环内酯类化合物(macrolides)是海洋生物特别是海洋微生物中常见的一大 类化合物，它们是由长链脂肪酸形成的含有一个或多个内酯环的化合物，从八元 环至六十二元环，大小差别较大。自第一代大环内酯类抗生素红霉素上市以米，由 于它的抗菌活性高，而毒副作用比氨基糖苷类、四环素类等抗生素低，因此在临 床上得到广泛的应用。海洋来源的大环内酯类化合物通常有抗肿瘤活性。根据结 构类型不同通常可分为以下几类： 一、简单大环内酯类化合物 这类化合物尽管环的大小不同，但环上只有羟基或烷基取代，且多数只有一 个内酯环，为长链脂肪酸形成的内酯。如从海绵Spongia sp.中分得的简单大环内 酯dictyostatin(dictyostatin-l,1)为含有22元环的多不饱和脂肪酸内酯，对大鼠淋巴 白血病P388细胞EDso为0.7nM。Dictyostatin具有与紫杉醇相同的作用机制，对耐
第二节 大环内酯类化合物 视 窗 George Robert (Bob) Pettit:1929 年生于美国新泽西州，曾任亚利桑那州立大学癌症研究 所所长，一生致力于天然来源特别是海洋生物来源抗癌药物的发现，对 16000 多种动植物和 微生物进行了筛选，发现了许多有抗癌活性的海洋天然产物，如大环内酯类 bryostatins 1-20 和 20 多个肽类化合物 dolastatins (其中三个衍生物 TZT-1027、LU-103793、ILX651 进入临床 研究)，以及现在临床研究的 cephalostatin 1 和 spongiastatin。Pettit 已发表专著 14 本、论文 700 多篇，拥有 58 个专利。 O O O O O H3CO O OH H OH HO O O OCH3 O OH O O H H H H George Robert (Bob) Pettit 案 例 10-3 从总合草苔虫(Bugula neritina)提取的抗癌活性成分草台虫素(bryostatins)类大环 内酯是从海洋生物中开发抗癌药物最典型的例子，代表着海洋药物研究的发展 趋势。斯坦福大学的科学家合成了一系列草台虫素的衍生物，有的结构比草台 虫素简单但活性增加 2～3 倍。加利福尼亚大学的 San Diego 和她的同事已经克 隆出了与草台虫素合成相关的基因，迈出了利用生物技术生产草台虫素的关键 一步。大环内酯类化合物作为最具开发前景的海洋天然产物之一，现正在开发 治疗 C 型尼曼匹克症的药物(Niemann-Pick disease type C)，它们的主要生物活性是什么？ 大环内酯类化合物 (macrolides)是海洋生物特别是海洋微生物中常见的一大 类化合物，它们是由长链脂肪酸形成的含有一个或多个内酯环的化合物，从八元 环至六十二元环，大小差别较大。自第一代大环内酯类抗生素红霉素上市以来,由 于它的抗菌活性高，而毒副作用比氨基糖苷类、四环素类等抗生素低, 因此在临 床上得到广泛的应用。海洋来源的大环内酯类化合物通常有抗肿瘤活性。根据结 构类型不同通常可分为以下几类： 一、简单大环内酯类化合物 这类化合物尽管环的大小不同，但环上只有羟基或烷基取代，且多数只有一 个内酯环，为长链脂肪酸形成的内酯。如从海绵Spongia sp. 中分得的简单大环内 酯dictyostatin (dictyostatin-1, 1) 为含有22元环的多不饱和脂肪酸内酯，对大鼠淋巴 白血病P388细胞ED50为0.7 nM。Dictyostatin具有与紫杉醇相同的作用机制，对耐