河鲀：我們不生產(chǎn)毒素，我們只是毒素的“搬運(yùn)工”

老餮們提起河鲀想必是又愛又恨。美味是真美味，但是其毒性也是真令人生畏。它比氰化鉀毒性還要強(qiáng)上1000多倍，且起效極快，幾分鐘至幾小時(shí)內(nèi)即可置人于死地。

海洋中的河鲀

（圖片來源：veer圖庫）

對河鲀的這種又愛又恨的心思，不獨(dú)老餮們才有，化學(xué)家也深有同感。愛的是，河鲀毒素對神經(jīng)興奮具有特異性抑制作用，可以作為一種絕佳的神經(jīng)阻斷劑，在鎮(zhèn)痛、麻醉等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域堪當(dāng)大任；恨的是，這玩意合成起來也太難了！1972年，當(dāng)河鲀毒素分子第一次在實(shí)驗(yàn)室里被合成出來的時(shí)候，用了足足67個(gè)化學(xué)反應(yīng)步驟，好不容易達(dá)到了區(qū)區(qū)1%的收率。如此煩冗的步驟和如此低下的產(chǎn)出，使這條合成路線幾乎不具備實(shí)際的可用性。

那么，化學(xué)家就沒轍了嗎？當(dāng)然不會。他們一直在努力減少步驟和提高收率，今年7月，一項(xiàng)發(fā)表在《Science》上的研究將河鲀毒素分子的全合成步驟縮短到了22步，且收率達(dá)到了11%。這意味著河鲀毒素的合成可以在工業(yè)中得到應(yīng)用，基于河鲀毒素的新型藥物開發(fā)也將成為可能。

甲之砒霜，乙之蜜糖

河鲀?yōu)槭裁磿y帶如此劇毒呢？河鲀毒素雖見于河鲀體內(nèi)，真正來源卻不是河鲀。河鲀的毒素主要來自它們食用的微生物（也來自共生、感染的細(xì)菌）。換句話說，河鲀的毒有不少也是吃進(jìn)去的。河鲀毒素也出現(xiàn)在同樣以這些微生物為食的其他動(dòng)物——如海星、海螺、蟾蜍等——身上。只不過，這些動(dòng)物體內(nèi)有一套完善的“防毒”機(jī)制，所以同樣是毒從口入，它們吃了就啥事兒沒有。

劇毒的河鲀

（圖片來源：veer圖庫）

如果是人類食用河鲀毒素，就沒這么幸運(yùn)了。這種毒素進(jìn)入人體之后，會迅速作用于神經(jīng)末梢和神經(jīng)中樞，阻斷神經(jīng)細(xì)胞膜上的鈉離子通道，阻礙神經(jīng)傳導(dǎo)，從而引起神經(jīng)麻痹致人死亡。

毒性如此之烈，倒顯得它神秘了起來，人們不禁好奇：具有如此劇毒的分子，到底長什么樣啊？

在河鲀毒性為人所知的初期，受限于分析手段的不夠完善，河鲀毒素的分子結(jié)構(gòu)一直是個(gè)謎。早在1909年，就有日本學(xué)者對河鲀魚卵的毒性成分進(jìn)行了描述，并以河鲀的拉丁學(xué)名Tetraodontidae為其命名為河鲀毒素（Tetrodotoxin，簡稱TTX）。1938年，科學(xué)家首次從河鲀體內(nèi)提取出了較純的毒性成分。之后的幾十年里，人們對河鲀毒素一直只知其名不知其結(jié)構(gòu)。直到上世紀(jì)50年代，河鲀毒素的單體結(jié)晶才被分離出來，又過了十幾年，到了1964年，在京都的一次國際會議上，日本東京大學(xué)的Tsuda Kyosuke、名古屋大學(xué)的Hirata Yoshimasa和美國哈佛大學(xué)的Woodward三個(gè)研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)報(bào)告了河鲀毒素的正確結(jié)構(gòu)，河鲀毒素的真面目才終于浮出水面。

河鲀毒素分子的化學(xué)式為C11H17O8N3，分子量為319.27，并不算是一個(gè)很大的分子。這下，化學(xué)家和生物學(xué)家更感興趣了：這個(gè)小東西，個(gè)頭不大，能耐不小??！是值得好好研究研究嘛！

所謂“甲之砒霜，乙之蜜糖”，河鲀毒素這種東西，表面上看是一種奪命毒藥，用對了地方卻能產(chǎn)生“以毒攻毒”的奇效。

由于河鲀毒素能選擇性地與神經(jīng)細(xì)胞膜表面的鈉離子通道受體結(jié)合，從而阻滯動(dòng)作電位，抑制神經(jīng)興奮的傳導(dǎo)，因此，人們可以利用它合成一系列控制神經(jīng)細(xì)胞膜作用機(jī)制的藥物，調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的“沉默”和“興奮”，起到鎮(zhèn)痛、麻醉、鎮(zhèn)靜等作用。不僅如此，河鲀毒素還可以作為戒毒良藥，1998年，加拿大一家公司就利用河鲀毒素成功研制出一種名為tetrodin的戒毒新藥，可謂“以毒攻毒”的一大創(chuàng)舉。

化學(xué)家頭大的時(shí)候，沒有一個(gè)官能團(tuán)是無辜的

我們常常在生物界尋找一些能替代合成化學(xué)品的天然物質(zhì)，因?yàn)樗鼈兂３＞哂忻钍痔斐傻木山Y(jié)構(gòu)和特定功能，我們就可以利用這些特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)討巧的目的。例如，生物酶可以作為一種巧妙的催化劑，它精準(zhǔn)、高效，催化活性和選擇性都碾壓實(shí)驗(yàn)室里費(fèi)盡心思合成出來的一大波催化劑產(chǎn)品；又如，mRNA技術(shù)可以利用RNA對蛋白質(zhì)的調(diào)控機(jī)制去制造想要的蛋白質(zhì)分子，省去車間里一步步生產(chǎn)的麻煩事。這些工作的思路都是用“天然的東西”替代“人工合成的東西”，而TTX的合成跟這種常規(guī)思路其實(shí)有點(diǎn)“反著來”的意思——它是要用“人工的”方法，復(fù)刻TTX這種“天然的”神經(jīng)毒素。更何況，TTX的合成難度著實(shí)不小。

TXX分子結(jié)構(gòu)圖

TTX是一個(gè)看起來頗有些眼花繚亂的分子。其實(shí)，分子的碳骨架并不復(fù)雜，只是一個(gè)環(huán)己烷外加C1、C2側(cè)鏈，但與之形成鮮明對比的，是上面密密麻麻的官能團(tuán)。

首先，上圖中最右邊帶有氮原子的部分，叫作胍基。胍基是TTX具有劇毒的“元兇”，因?yàn)樗谏韕H值下會帶上正電，并與鈉離子通道受體蛋白上帶有負(fù)電的基團(tuán)相互作用；

順著胍基往中心處捋，你會看到一個(gè)籠子似的結(jié)構(gòu)（也就是由兩個(gè)六元環(huán)交錯(cuò)而成的部分），這是一個(gè)二氧雜環(huán)金剛烷，也是TTX的核心結(jié)構(gòu)；

這個(gè)“籠子”里里外外還有好多個(gè)羥基，也給分子增添了許多復(fù)雜性，其中胍基附近的那幾個(gè)羥基也不是什么好東西，它們會以氫鍵形式與鈉離子通道的受體結(jié)合，可以說是產(chǎn)生劇毒的“幫兇”。統(tǒng)統(tǒng)算下來，整個(gè)分子具有4個(gè)環(huán)和9個(gè)相鄰的立體中心。

化學(xué)家頭大的時(shí)候，沒有一個(gè)官能團(tuán)是無辜的。官能團(tuán)的密集程度再加上高度的立體特異性，使得TTX的合成十分不易，也因此，TTX在合成化學(xué)領(lǐng)域的江湖地位很高，一直被化學(xué)家視作極富有挑戰(zhàn)性的研究目標(biāo)。

第一個(gè)挑戰(zhàn)成功的，是日本名古屋大學(xué)的Kishi和Fukuyama，他們在1972年首次報(bào)道了河鲀毒素消旋體的全合成，這是有機(jī)合成的里程碑式成就，之后30余年都無人超越。經(jīng)歷了30多年的停滯之后，從2003年開始，TTX的全合成迎來了快速發(fā)展，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提供了多種多樣的合成路線，也將合成策略不斷優(yōu)化。但是，TTX全合成的效率、收率和選擇性一直不盡如人意。

盤一盤這條簡潔高效的新路線

直到今年7月，一支由德國、美國、日本科學(xué)家組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《Science》上發(fā)表了這條全新的TTX全合成路線，他們以一種葡萄糖衍生物為起始原料，只需要22步就可以得到TTX——首先在簡潔性上就贏了。簡潔性的另一面就是實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，這意味著我們所想的那些河鲀毒素的妙用，像是拿它來做麻醉劑、做戒毒“神藥”等等，都將有可能成為現(xiàn)實(shí)。

如同眾多經(jīng)典的全合成設(shè)計(jì)一樣，這條路線也有驚艷的巧思與充滿設(shè)計(jì)感的轉(zhuǎn)化。當(dāng)然，盡管說反應(yīng)步驟被“大幅”縮減到了“只”需22步，在門外漢看來，仍然有些云里霧里。好在，研究團(tuán)隊(duì)在論文中把這22步歸納成了4個(gè)大步驟，并且按照結(jié)果導(dǎo)向、逆向推演的方式闡述了他們的合成策略。

如果我們把這條TTX合成路線比作工廠里一條生產(chǎn)線上的4個(gè)車間，那么，最后一個(gè)車間的產(chǎn)物就應(yīng)該是TTX。倒推過來，進(jìn)入第4個(gè)車間的反應(yīng)物是炔基異惡唑烷（用1表示），它在第4車間進(jìn)行的是氧化反應(yīng)——當(dāng)然，1作為第4車間的反應(yīng)物，同時(shí)也是第3車間的產(chǎn)物了。

下面倒推到第3車間。要想在第3車間的尾端得到1，可以讓雙環(huán)異惡唑啉（用2表示）作為反應(yīng)物進(jìn)入該車間，進(jìn)行炔基親核加成反應(yīng)。

接下來就是怎么在第2車間得到2的問題。在第2車間，硝基甲烷是一個(gè)關(guān)鍵角色，我們可以理解為它早早就待在第3車間里，只等3一進(jìn)來，就可以與之發(fā)生分子內(nèi)1,3環(huán)加成反應(yīng)，進(jìn)而得到2。所以說，第2車間的反應(yīng)物和產(chǎn)物就分別是3和2。

雖然3看上去已經(jīng)可以作為一條完整的合成路線的起點(diǎn)了，但是，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)比3更合適的起始原料——一種葡萄糖衍生物（用4表示）。以4為起始原料完成這條路線的話，所有的碳和兩個(gè)立體中心將全程保留，這樣后續(xù)幾個(gè)車間的工作量會稍微小一點(diǎn)，難度也低一些。那么，在第1車間，發(fā)生的就是從4到3的轉(zhuǎn)化了。

至此，這條全新的TTX全合成路線就算是盤完了，它以22步反應(yīng)、11%的收率創(chuàng)下了史上路線最短、效率最高的紀(jì)錄。那么，它能派上什么用場呢？

首先，它的高效性使其有了在工業(yè)上投入應(yīng)用的價(jià)值，可以為基于河鲀毒素的新型藥物的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。另外，河鲀毒素其實(shí)還有一系列類似物，把這條路線稍加改動(dòng)，也可以用于合成其他難以獲得的河鲀毒素類似物。再說了，河鲀毒素在生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、毒理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等諸多領(lǐng)域還有很多值得深挖的東西，這項(xiàng)工作沒準(zhǔn)兒又能為其他領(lǐng)域的研究提供靈感呢！

出品：科普中國

作者：顧淼飛（科學(xué)畫報(bào)）

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