刀豆氨酸

非蛋白质氨基酸

刀豆氨酸，从刀豆（Canavalia ensiformis）中分离的氨基酸，按照消旋性，分为 L-刀豆氨酸(L-canavanine)和 D-刀豆氨酸（D-canavanine）。自然界常见的是 L-刀豆氨酸。

氨酸简介

canavanine

在精氨酸酶作用下可分解为副刀豆氨酸〔canaline，NH2OCH2CH2CH（NH2）COOH〕和尿素，另外在转脒基酶的作用下则生成高丝氨酸〔CH2（OH）CH2CH（NH2）COOH〕和羟基胍〔NH2C（=NH）NHOH〕。

刀豆氨酸的结构与精氨酸相似，动物摄入会导致刀豆氨酸代替精氨酸合成蛋白质，由于刀豆氨酸与精氨酸结构的不同，所形成蛋白质的功能也会出现异常，最终导致动物死亡。

发现

刀豆氨酸最早是在1939年由日本科学家Kitagawa 和Tomiyamo 在研究哺乳动物肝中尿酸的形成过程中发现的并将其命名为canavanine。随后Gulland和Morris以及Kitagawa[提出用化学方法制取刀豆氨酸，后来经完善，成功地利用化学方法制取出刀豆氨酸。到了六十年代初期刀豆氨酸的消旋性也被发现，即 L-刀豆氨酸(L-canavanine)和 D-刀豆氨酸（D-canavanine）。

制备

随着刀豆氨酸消旋性的发现，Damadara 等于1939 年成功地从脱油脂的豆科植物种子中提取出刀豆氨酸。直到1971 年Hunt 和Thompson通过离子交换色谱法提取出了纯度高的、具有消旋性的 L-刀豆氨酸，由于这些提取方法有太多不足比如提取率低下或纯度也不高。1977 年，Rosenthal 等利用植物提取法直接从刀豆中提取出了较高纯度的 L-刀豆氨酸。后来，人们大都采用此方法提取刀豆氨酸，还有学者将此方法进行了改良；另外自刀豆氨酸发现以来就有不少研究者进行了化学合成研究，

现将利用化学合成方法提取刀豆氨酸的研究叙述如下：

（1）Rosenthal 等于1985年以 L-蛋氨酸为原料合成 L-副刀豆氨酸，后来又进一步合成刀豆氨酸，且于 1995年对其合成方法进行了改进完善。该方法以 L-蛋氨酸为原料，经过环化合成重要中间体 L-2-[(苄氧羰基)氨]-4-丁内酯，这一过程是以氯甲酸苄酯为保护氨基试剂，再经过开环、羟基保护、脱保护剂等过程合成 L-刀豆氨酸。这一方法优点是原料廉价且易得，其收率高为 67%，缺点是过程复杂，对仪器设备要求较高，反应条件难控制，对环境有污染。

（2）Frankal.M 等于1963 年运用 γ-丁内酯合成 DL-刀豆氨酸法：该方法只有一步反应生成中间体 DL-α-苯氨基-γ-丁内酯，这一方法优点是反应步骤比较简单，缺点是反应收率低，只有 28.5%，而且最终产物只得到 DL-刀豆氨酸，还需进一步进行手性拆分，如果能找到合适的拆分剂也将是非常好的方法。

（3）由L-高丝氨酸制备 L-刀豆氨酸法。这一方法主要是以 L-高丝氨酸为原料，氨基保护试剂为碳酸二叔丁酯，合成过程与方法1 相类似，合成 L-刀豆氨酸。该方法的优点是合成中间体的产率较高，氨基保护剂毒性小，反应收率为 51%。缺点是 L-高丝氨酸价格昂贵，作为原料成本高，进一步工业化不适宜。

分布

刀豆氨酸并不是在数量和质量上、时间和空间上会均匀的分布于整个植株，在不同的生长发育时期，其分布也在发生变化，其浓度也在不断的变化。1978年，Bell报道了L-刀豆氨酸普遍存在于豆科的240属，1200种植物中。在一些豆科植物种子中L-刀豆氨酸含量极高[26~28]。In Doo Hwang等报道指出利用光电特异反应法分析了在完整的刀豆植物(C.lineata)中发现了刀豆氨酸，其叶片中刀豆氨酸含量为7.89μmol/ g FW，根中刀豆氨酸含量为4.50μmol/g FW。据报道刀豆氨酸在刀豆(C.ensiformis)种子中占干重的4%，并且刀豆氨酸和可溶性氮的运输和储存是一致的。还有报道指出刀豆种子中刀豆氨酸含量占总干重的10%和总氮含量的55%以上。

功能

刀豆氨酸对昆虫的作用

一些昆虫取食含有不同量的刀豆氨酸的食物，表现出不同的反应。据报道根据昆虫对刀豆氨酸的反应程度可以将它们分为三种类型，分别是：能够利用刀豆氨酸的昆虫，如一种象鼻虫（Caryedes brasiliensis），它不仅能降解刀豆氨酸的毒性，还能将刀豆氨酸转化成氮源加以利用；抗刀豆氨酸的昆虫，如美洲菸夜蛾（Helithis virescens），在一定的剂量范围内，这类昆虫具有降解刀豆氨酸毒性的能力；敏感性昆虫，如烟草天娥（Manduca sexta），这类昆虫研究的最多还包括有斜纹夜蛾（Spodoptera litura）。Koul研究发现L-刀豆氨酸不仅能直接杀死菜蛾幼虫，还能减轻幼虫的体重延缓幼虫的生长发育以致造成蛹及成虫的畸形试验过程中他们发现，当以烟草天蛾（M.sexta）幼虫为试虫饲喂含有L-刀豆氨酸的人工饲料时，试虫的发育速率有所降低，甚至部分幼虫直接死亡，而且残存幼虫体重减轻，不能正常化蛹和羽化。所以L-刀豆氨酸对菜蛾幼虫有一定的拒食作用甚至是毒杀作用。同时其对玉米螟（O strinia furnacalis）生殖力也有明显的抑制作用。而且具有克服菜蛾对拟除虫菊酯抗药性的作用。特别是目前菜蛾对拟除虫菊酯普遍产生抗药性的情况下。

此外，刀豆氨酸还影响一些昆虫的取食行为，比如对大菜青虫（Pieris brassicae）表现有忌避和拒食作用。刀豆氨酸的作用与克百威相比其药效是较低的、缓慢的，尽管刀豆氨酸的毒力相对较低，作用缓慢，用量较高，但也不能忽视L一刀豆氨酸作为杀虫剂的潜在可能性，主要是由于其实验所用的L-刀豆氨酸是从刀豆种子中直接提取出来的，没有合适的剂型化或增效化。刀豆氨酸的某些特性阻碍了它的发展的步伐，主要表现在它的作用缓慢、用药量较高等方面。然而在看到其缺点同时也要看到它的优点，其优点表现在毒性低，易降解为无污染的物质有利于保护自然，从它的作用机制出发判断出它不损害害虫的寄生性天敌，因而有利于保护害虫天敌昆虫。目前存在的问题是如何使其剂型化或者说增效化，也许可以利用遗传工程，使植株自身产生刀豆氨酸来抵御害虫侵袭，这也许是抗害虫的另外一个途径。所以利用植物次生性代谢产物刀豆氨酸制成植物源杀虫剂或许可以减少化学农药对环境的污染和降低化学农药投入量，在病虫害防治方面体现出可持续发展，同时也有利于促进植物次生代谢物质类特别是植物保护剂的开发和利用。

刀豆氨酸的抗代谢作用及其机制

据报道在病毒、细菌、真菌以及较低和较高的植物和动物中都发现了L-刀豆氨酸具有较强的抗代谢性，其抗代谢性体现在L-刀豆氨酸是L-精氨酸的类似物，二者分子结构极其相似，所以它可替代精氨酸参与蛋白质的合成反应，因为在蛋白质合成的过程中精氨酸-t RNA合成酶错误地将刀豆氨酸当成是精氨酸进行识别，从而将刀豆氨酸合成到初期多肽链中，含有刀豆氨酸的多肽链进一步折叠成蛋白质，且最终打乱了DNA和RNA的正常代谢过程，进而影响含精氨酸的蛋白质的正常代谢过程，合成具有生理功能不全的蛋白质，因而具有良好的抗肿瘤性，特别是对于胰腺癌具有较好的治疗效果。胰腺癌是一种非常严重的消化道系统的恶性肿瘤，在美国，胰腺癌位于恶性肿瘤死亡原因的第4位，居于消化道肿瘤死亡原因的第2位。随着癌症越来越危害着人类身体健康的时候，目前在植物次生代谢产物中寻找新的毒性低且疗效高的抗癌活性成分，是寻找抗肿瘤药物最为活跃的研究领域之一。所以在植物中探索抗癌新药，具有广阔的前景。因此，L-刀豆氨酸作为一种抗癌特别是抗胰腺癌物质具有广阔的研究价值。

刀豆氨酸作为潜在杀虫剂的优点

植物源农药作为生物合理性农药的一个重要组成部分，目前越来越受到人们的广泛重视，研究开发和利用植物资源应用于害虫防治方面具有广阔的前景。植物源农药由于其毒性低，残留少，对环境无污染等优点而被广泛地应用。它可替代一些化学合成的农药来防治菜蛾等害虫，但是L-刀豆氨酸的某些特性阻碍了这方面发展的步伐，主要表现在其作用缓慢，用药量比较高，如郝赤(1996)在室内通过叶片饲喂法测得了L-刀豆氨酸对菜峨敏感与抗性品系4龄幼虫的LC50剂量分别为2610.99mg/L和3026.77mg/L。L-刀豆氨酸表现出较缓慢的毒杀作用，可能与其作用机制有关，另一个原因可能是实验用的L-刀豆氨酸只是从豆科种子中的直接提取出来的，并没有合适的剂量化。另外，L-刀豆氨酸在创伤性休克中具有重要作用，可以减轻肠道内内毒素、细菌的移位，而且还能改善线粒体功能和有氧代谢活动，对休克的治疗具有非常重要的意义[57]。因此，植物次生代谢产物在保护植物避免遭受昆虫、病原菌的侵害中发挥了很重要作用。研究植物次生代谢产物的合成途径、调控机制等以及阐明植物与其他生物间的关系，有利于保护农业、果蔬产品，同时对农业改进生态环境和农业可持续发展都具有重要的理论指导和实践意义。

测定方法

Fearon等于1955年发现Pentacyanoammonioferrate(PCAF)能与刀豆氨酸发生特异性显色反应，生成比较稳定的品红色。后来这就成了鉴定刀豆氨酸特异反应的一种方法。根据已报道的测定刀豆氨酸的方法，主要是运用PCAF与L-刀豆氨酸的特异反应[59]的光电比色法和HPLC法以及氨基酸自动分析仪法对刀豆氨酸进行定量测定。但由于比色法灵敏度比较差，经过改进后用胍类化合物与菲醌形成荧光环体系，但是由于精氨酸的干扰，这一方法不适宜用于刀豆氨酸的定量分析。同时试剂PCAF Sigma公司早已停止生产，HPLC所采用的衍生剂有邻苯二甲醛(OPA)，丹酰氯(Dansyl - Cl)等，这些都是很复杂的测定刀豆氨酸的方法，对仪器要求也比较高，同时都存在不足之处。所以需要寻找一种新的、简单快速测定的方法。

合成代谢途径

1982年Rosenthal[64]利用同位素标记法发现在Jack Bean，Canavalia ensiformis(L.)植物中L-刀豆氨酸（L-canavanine）的合成是由L-副刀豆氨酸（L-canaline）进过中间物尿素型高丝氨酸（O-ureido-L-homoserine）形成的。这个反应途径同尿素循环（Krebs-Henseleit ornithie-urea cycle）非常相似，刀豆氨酸在精氨酸酶的作用下分解为副刀豆氨酸和尿素。

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