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グルコシノレートは、マスタード、キャベツ、ホースラディッシュなど、多くの辛味植物の天然成分です。これらの植物の辛味は、植物が噛まれたり、切られたり、その他の方法で損傷を受けたときにグルコシノレートから生成されるマスタードオイルによるものです。これらの天然化学物質は、害虫や病気に対する植物の防御に寄与し、アブラナ科野菜に特徴的な苦味を与えていると考えられます。[ 1 ]
グルコシノレートは、アブラナ目に属するほぼすべての植物の二次代謝産物として存在します。これには、経済的に重要なアブラナ科のほか、フウチョウソウ科やパパイヤ科も含まれます。アブラナ目以外では、Drypetes属[ 2 ]とPutranjiva属（ Putranjivaceae科）が、グルコシノレートの存在が知られている唯一の例です。グルコシノレートは、キャベツ（白菜、白菜、ブロッコリー）、芽キャベツ、クレソン、ルッコラ、ワサビ、ケッパー、ダイコンなど、さまざまな食用植物に存在し、その分解産物が独特の風味の大部分を占めることがよくあります。グルコシノレートは、これらの植物の種子にも含まれています。[ 1 ] [ 3 ]
グルコシノレートは、硫黄と窒素を含む天然の有機化合物の一種で、グルコースとアミノ酸から誘導されます。これらは水溶性の陰イオンであり、グルコシドに属します。すべてのグルコシノレートは、チオグルコース基の硫黄原子に結合し、窒素原子を介して硫酸基に結合した中心炭素原子を含みます（硫酸化アルドキシムを形成します）。さらに、中心炭素は側鎖に結合しています。異なるグルコシノレートは異なる側鎖を持ち、これらの植物化合物の生物活性の変動は、側鎖の変動によるものです。グルコシノレート化学の本質は、酵素ミロシナーゼによるチオグルコシド結合の加水分解によってイソチオシアネート（「マスタードオイル」）に変換される能力にあります。[ 4 ]
グルコシノレートの半体系的な命名法は、図中の「R」基の化学名の後に「グルコシノレート」をスペースありまたはなしで付けるものです。たとえば、アリルグルコシノレートとアリルグルコシノレートは同じ化合物を指し、どちらの表記も文献に見られます。[ 5 ]イソチオシアネートは慣習的に2つの単語で表記されます。[ 4 ]
以下はグルコシノレートとそのイソチオシアネート生成物の一部です。[ 4 ]
シニグリンは、1839年にカリウム塩として単離された、このクラスで最初の化合物である。[ 6 ] 1930年までにその化学構造が確立され、β- D-グルコピラノース配置のグルコース誘導体であることが示された。当時、C=N結合が、硫黄と酸素の置換基が二重結合の同じ側にあるZ（またはsyn）型なのか、それとも反対側にあるE型なのかは不明であった。この問題は1963年にX線結晶構造解析によって解決された。 [ 7 ] [ 8 ]現在では、すべての天然グルコシノレートはZ型であることが知られているが、両方の型を実験室で合成することができる。[ 5 ]これらの化合物の命名における「ate」という語尾は、生理的pHで陰イオンであることを意味し、このアリルグルコシノレートの初期の名前はミロン酸カリウムであった。[ 6 ]これらの化合物について議論する際には注意が必要である。なぜなら、古い出版物の中には、それが陰イオンのみ、対応する酸、またはカリウム塩のいずれを指しているかが明確でないものがあるからである。[ 5 ]
植物には約132種類のグルコシノレートが自然に存在することが知られています。これらはアミノ酸から生合成されます。いわゆる脂肪族グルコシノレートは主にメチオニンから誘導されますが、アラニン、ロイシン、イソロイシン、またはバリンからも誘導されます。（ほとんどのグルコシノレートは実際にはこれらのアミノ酸の鎖が伸長した同族体から誘導されます。たとえば、グルコラファニンはメチオニンが2回鎖伸長したジホモメチオニンから誘導されます。）芳香族グルコシノレートには、トリプトファンから誘導されるグルコブラシシンなどのインドールグルコシノレートや、フェニルアラニン、その鎖伸長同族体であるホモフェニルアラニン、チロシンから誘導されるシナルビンなどがあります。[ 4 ]
個々のアミノ酸を対応するグルコシノレートに変換する一連の反応の詳細は、シロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）で研究されている。[ 9 ] [ 5 ]
7つの酵素触媒ステップのシーケンスが使用される。硫黄原子はグルタチオン（GSH）から取り込まれ、糖成分は最終的なスルホン化ステップの前にグリコシルトランスフェラーゼによって生成されたチオール誘導体に付加される。[ 10 ]
植物にはミロシナーゼという酵素が含まれており、水が存在するとグルコシノレートからグルコース基を切り離します。[ 11 ]残った分子はすぐにイソチオシアネート、ニトリル、またはチオシアネートに変換されます。これらは植物の防御として機能する活性物質です。グルコシノレートはマスタードオイル配糖体とも呼ばれます。反応の標準生成物はイソチオシアネート（マスタードオイル）です。他の2つの生成物は主に、反応の結果を変える特殊な植物タンパク質の存在下で生成されます。[ 12 ]
上記の化学反応図において、図左側の赤い曲線矢印は、酵素ミロシナーゼの役割が示されていないため、実際よりも簡略化されています。しかしながら、示されている反応機構は、酵素触媒反応の基本的な原理と一致しています。
対照的に、図の右側に赤い曲線矢印で示されている反応は、ロッセン反応に似た原子の再配列によってイソチオシアネートが生成される反応であり、非酵素的であると予想される。
植物自体への損傷を防ぐため、ミロシナーゼとグルコシノレートは細胞内の別々の区画、または組織内の異なる細胞に貯蔵され、物理的な損傷を受けた場合にのみ、または主に物理的な損傷を受けた場合にのみ結合します（ミロシナーゼを参照）。
グルコシノレートを含む作物を動物の主要な食料源として使用すると、グルコシノレートの濃度が当該動物にとって許容範囲を超えると悪影響を及ぼす可能性があります。これは、一部のグルコシノレートが高用量で家畜に毒性作用（主に甲状腺腫誘発物質および抗甲状腺物質として）を示すことが分かっているためです。[ 13 ]ただし、グルコシノレートに対する耐性レベルは、同じ属内でも異なります（例：Acomys cahirinusとAcomys russatus）。[ 14 ]
通常のヨウ素摂取量であれば、食事中のグルコシノレートはヒトにとって毒性はない。[ 15 ]
グルコシノレートの一種であるシニグリンは、調理したカリフラワーや芽キャベツの苦味の原因であることが示されています。[ 1 ] [ 16 ]グルコシノレートは動物の摂食行動を変化させる可能性があります。[ 17 ]
グルコシノレートから生成されるイソチオシアネートは、発がん物質などの異物を代謝する 酵素の発現と活性化を評価するために実験室で研究されている。[ 18 ]観察研究は、アブラナ科野菜の摂取がヒトの癌リスクに影響を与えるかどうかを判断するために実施されているが、2017年のレビューによると、アブラナ科野菜に含まれるイソチオシアネートの摂取が有益であることを示す臨床的証拠は不十分である。[ 18 ]
グルコシノレートとその製品は、忌避作用と毒性の組み合わせにより、多くの昆虫に悪影響を及ぼします。この原理を農業分野に応用する試みとして、グルコシノレート由来の製品の中には、摂食阻害剤、すなわち天然の殺虫剤として利用できるものがあります。[ 19 ]
対照的に、アブラナ科植物の害虫であるコナガは、グルコシノレートの存在を認識し、適切な宿主植物を識別できる可能性がある。[ 20 ]実際、グルコシノレートを含む植物には、モンシロチョウ、コシロチョウ、オレンジチップなどのチョウだけでなく、特定のアブラムシ、ヨトウガなどのガ、ハバチ、ノミハムシなど、特徴的な特殊な昆虫相が見られる。たとえば、モンシロチョウはこれらのグルコシノレートを含む植物に卵を産み付け、幼虫は高濃度のグルコシノレートでも生き残り、グルコシノレートを含む植物材料を食べる。[ 21 ]コシロチョウとオレンジチップはすべて、グルコシノレートの加水分解を反応性イソチオシアネートではなくニトリルに向けるいわゆるニトリル特異性タンパク質を持っている。[ 22 ]対照的に、コナガはグルコシノレートを脱硫酸化する全く異なるタンパク質であるグルコシノレートスルファターゼを持っており、それによってグルコシノレートはミロシナーゼによる毒性物質への分解に適さなくなる。[ 23 ]
他の種類の昆虫（特殊なハバチやアブラムシ）はグルコシノレートを隔離する。[ 24 ]特殊なアブラムシでは、ハバチとは異なり、筋肉組織に特有の動物ミロシナーゼが存在し、アブラムシの組織が破壊されると隔離されたグルコシノレートが分解される。[ 25 ]同じ植物化学物質に対するこの多様な生化学的解決策は、植物と昆虫の関係の進化において重要な役割を果たしている。[ 26 ]
植物は、受けている草食の程度に応じてグルコシノレートを生成します。大気中のCO2濃度に関連したグルコシノレートの生成は複雑です。CO2の増加は、生成の増加、減少、または変化なしをもたらす可能性があり、アブラナ目内では遺伝的変異が存在する可能性があります。[ 27 ] [ 28 ]
しかし、アブラナ科野菜の摂取、あるいはより一般的には喫煙によるチオシアン酸イオンへの曝露増加は、ヨウ素欠乏を伴わない限り、甲状腺機能低下症のリスクを高めるようには見えない。あるヒトを対象とした研究では、1日150g（5オンス）の調理済み芽キャベツを4週間摂取しても、甲状腺機能に悪影響はなかったことがわかった（56）。同様に、アブラナ科野菜の大量摂取は、ヨウ素欠乏地域でのみ甲状腺がんのリスク増加と関連付けられている（57）。