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蜀黍氰苷

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蜀黍氰苷
IUPAC名
(S)-(β-D-Glucopyranosyloxy)(4-hydroxyphenyl)acetonitrile
系統名
(S)-(4-Hydroxyphenyl){[(2R,3R,4S,5S,6R)-3,4,5-trihydroxy-6-(hydroxymethyl)oxan-2-yl]oxy}acetonitrile
別名 蜀黍苷，對羥基苯甲醛氰醇葡萄糖苷
識別
CAS號 499-20-7  checkY
PubChem 161355
ChemSpider 141737
SMILES
 
  • C1=CC(=CC=C1[C@@H](C#N)O[C@H]2[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O2)CO)O)O)O)O
InChI
 
  • 1/C14H17NO7/c15-5-9(7-1-3-8(17)4-2-7)21-14-13(20)12(19)11(18)10(6-16)22-14/h1-4,9-14,16-20H,6H2/t9-,10-,11-,12+,13-,14-/m1/s1
InChIKey NVLTYOJHPBMILU-YOVYLDAJBT
性質
化學式 C14H17NO7
摩爾質量 311.29 g·mol⁻¹
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

蜀黍氰苷（英語：Dhurrin），簡稱蜀黍苷，學名對羥基苯甲醛氰醇葡萄糖苷，是一種存在於許多植物，特別是高粱（別名蜀黍）中的生氰糖苷，可在動物體內分解出有毒的氫氰酸（HCN）引起人畜氫氰酸中毒[1][2][3]。1906年曾發生過大規模牛氫氰酸中毒事件，並導致人們在許多高粱品種中發現了這一物質[4]。因其常見於高粱植株中，世界各地都有牲畜因誤食高粱植株引起的中毒報告[5][6]。

生物合成與分布

高粱中的產生途徑以及分布

在高粱中，蜀黍氰苷由酪氨酸轉化得到，其產生受轉錄水平、生長年齡以及含有的營養物質影響。酪氨酸到蜀黍氰苷的轉化過程涉及三種酶，CYP79A1酶和CYP71E1酶兩種細胞色素P450酶，以及一個UDP-糖基轉移酶UGT85B1。CYP79A1酶首先將酪氨酸進行兩步連續的N-羥基化，隨後脫水和脫羧得到對羥基苯基乙醛肟。對羥基苯基乙醛肟通過CYP71E1酶轉化成對羥基扁桃腈，最後在水溶性的UDP-糖基轉移酶作用下糖基化形成蜀黍氰苷[7][1]。

A picture showing the enzymatic roles in Dhurrin Synthesis.
酪氨酸在三種酶作用下形成蜀黍氰苷[7]

由於前兩種酶為膜錨定的細胞P450酶，因此酪氨酸到對羥基扁桃腈過程發生在內質網的胞質表面。由於苯環上的酚羥基在鹼性條件下不穩定，因此合成的蜀黍氰苷儲存在酸性液泡中[1]。

蜀黍氰苷的合成很大程度上受CYP79A1和CYP71E1兩種酶表達的影響。兩種酶基因的轉錄和翻譯在生長初期幾日內最活躍，並在一周後大幅下降，並於5周後在葉片中低於測出水平[7]，因此蜀黍苷在高粱不同部位中濃度不同，在種子中很低甚至沒有，且在發芽前後幾乎不受影響。在發芽後，地上部分、根部以及整株幼苗蜀黍苷含量明顯增加。總體上，蜀黍氰苷在地上部分比地下部分高；葉片比莖高，尤其幼苗的第一片葉子最高[1]。

轉基因合成

研究表明，將CYP79A1和CYP71E1植入到擬南芥和煙草基因組中可使得兩種植物產生蜀黍氰苷[8]。 這兩種酶對於蜀黍氰苷的產生都是充分且必要的，因為從高粱基因組中敲去CYP79A1基因後，高粱不再產生蜀黍氰苷。發生乾旱時，高粱往往是唯一可用的穀物，因此在理論上敲除這種基因的高粱可以作為乾旱條件下更安全的飼料。在體外實驗中，人們已經在從高粱幼苗中提取的微粒體和膠束中實現了的蜀黍氰苷的體外合成[9]。

毒性

哺乳動物毒性

參見：氰化物中毒

蜀黍氰苷本身無毒性，但攝入哺乳動物體內後受腸道中的β-葡萄糖苷酶（英語：β-Glucosidase）作用水解糖苷鍵形成葡萄糖和苷元對羥基扁桃腈，對羥基扁桃腈受α-羥腈酶作用迅速降解形成氫氰酸和對羥基苯甲醛[3]，氫氰酸與細胞色素C氧化酶中Fe3+離子結合阻斷呼吸鏈，引起細胞中毒性缺氧，產生相應的中毒症狀[1]。理論上蜀黍氰苷對人和其他哺乳動物的致死量很高，因為一分子蜀黍氰苷只產生一個氫氰酸，而高粱植株中蜀黍氰苷含量較低，比如一般釀酒用的高粱品種含量為4.52-19.28 mg/kg[2]，因此人類需食用大量的生高粱才會出現不良反應[10]。

由於發生乾旱時高粱是最佳的可用的穀物或飼料，加之高粱在乾旱和酷熱下容易產生蜀黍氰苷[11]，因此乾旱期間往往是牲畜蜀黍氰苷中毒高發期[10]。比如2022年夏季乾旱期間，意大利皮埃蒙特多個農場發生牛食用高粱導致的中毒事件，共造成50頭牛死亡[6][12]。據記錄，牛誤食高粱植株後中毒症狀會出現倒地不起、口吐白沫、呼吸困難、肌肉震顫等症狀，嚴重的可引起死亡[5][6]。

昆蟲毒性

蜀黍氰苷和其他生氰糖苷一樣，是植物的防禦物質。當不同高粱品種的莖受到外部損傷時，在損傷部位釋放出蜀黍氰苷。這種反應已被證明可以驅趕昆蟲，因為與野生型品種相比，經轉基因改造不能產生蜀黍氰苷的高粱更容易受食草昆蟲青睞[13]。

高粱釀酒中有害物質

在白酒釀造過程中，蜀黍氰苷可經β-葡萄糖苷酶等酶分解產生氫氰酸，亦或者受熱分解產生氰醇，氰醇進一步分解形成氫氰酸。氫氰酸經Cu2+的催化下生成氰酸鹽，氰酸鹽沸點較低，極容易在蒸酒過程中蒸發出來進入酒體，最終與酒精反應生成具有遺傳毒性和致癌性的氨基甲酸乙酯[14][3][2]。

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 吳榮，牛江帥，岩溫香，等. 高粱蜀黍苷的研究进展. 中國糧油學報. 2021, 36 (12): 172–178. doi:10.3969/j.issn.1003-0174.2021.12.026. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 周韓玲，安明哲，趙東，等. 不同产地及品种高粱中蜀黍氰苷含量的差异化分析. 中國釀造. 2023, 42 (7): 209–213. doi:10.11882/j.issn.0254-5071.2023.07.034. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 周韓玲，安明哲，趙東，等. 高粱中蜀黍氰苷与浓香型白酒中氰化物及氨基甲酸乙酯关系的研究. 中國釀造. 2022, 41 (10): 25–29. doi:10.11882/j.issn.0254-5071.2022.10.005. 
  4. ^ Blyth, Alexander Wynter. Poisons: Their Effects and Detection A Manual for the Use of Analytical Chemists and Experts. USA: Charles Griffin and Company. May 13, 2013: 204. 
  5. ^ 5.0 5.1 黃純武. 高粱嫩苗导致水牛氢氰酸中毒的病例报告. 廣西畜牧獸醫. 2007, 23 (4): 182-183. doi:10.3969/j.issn.1002-5235.2007.04.022. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Stefano Giantin，Alberico Franzin，Giovanni Topi，; et al. Outbreaks of lethal cyanogenic glycosides poisonings of cattle after ingestion of Sorghum ssp. grown under drought conditions in August 2022 in Piedmont (North-Western Italy). Large Animal Reviews. 2023, 29 (4). 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 Busk, Peter Kamp. Dhurrin Synthesis in Sorghum Is Regulated at the Transcriptional Level and Induced by Nitrogen Fertilization in Older Plants. Plant Physiology. July 2002, 129 (3): 1222–1231. PMC 166516 可免費查閱. PMID 12114576. doi:10.1104/pp.000687. 
  8. ^ Bak, Soren. Transgenic Tobacco and Arabidopsis Plants Expressing the Two Multifunctional Sorghum Cytochrome P450 Enzymes, CYP79A1 and CYP71E1, Are Cyanogenic and Accumulate Metabolites Derived from Intermediates in Dhurrin Biosynthesis. Plant Physiology. August 2000, 123 (4): 1437–1448. PMC 59100 可免費查閱. PMID 10938360. doi:10.1104/pp.123.4.1437. 
  9. ^ Kahn, R A. Isolation and reconstitution of cytochrome P450ox and in vitro reconstitution of the entire biosynthetic pathway of the cyanogenic glucoside dhurrin from sorghum.. Plant Physiology. December 1997, 115 (4): 1661–1670. PMC 158632 可免費查閱. PMID 9414567. doi:10.1104/pp.115.4.1661. 
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  12. ^ Redazione ANSA. 50 grazing cows fatally poisoned by sorghum. 
  13. ^ Krothapalli, Kartikeya. Forward Genetics by Genome Sequencing Reveals That Rapid Cyanide Release Deters Insect Herbivory of Sorghum Bicolor (PDF). Genetics. October 2013, 195 (2): 309–318. PMC 3781961 可免費查閱. PMID 23893483. doi:10.1534/genetics.113.149567. 
  14. ^ Michele Aresta，Maurício BoscoloDouglas，Wagner Franco. Copper(II) Catalysis in Cyanide Conversion into Ethyl Carbamate in Spirits and Relevant Reactions. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2001, 49 (6): 2819–2824. doi:10.1021/jf001346w. 
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