天然药物化学成分结构修饰研究进展

雍妍，王茹静，黄青，张海，尹子晴，刘宇，伏航漪，陈宝华，谭玉柱，董小萍

·综述进展·

天然药物化学成分结构修饰研究进展

雍妍，王茹静，黄青，张海，尹子晴，刘宇，伏航漪，陈宝华，谭玉柱，董小萍

对近年来的天然药物化学成分结构修饰相关文献进行归纳、分析和整理，主要从多糖、黄酮类、香豆素类、生物碱类等化合物结构修饰方面进行了总结。结果发现天然药物化学成分结构修饰或许可以为天然药物的进一步合理应用以及相关新药的开发开辟出一条新的重要途径。天然药物具有广泛的生物活性，潜在开发应用价值巨大。

天然药物；化学成分；结构修饰

药理活性和成药性是新药创制的两大要素，成药性是由分子的物理化学性质、生物化学性质、药代动力学性质和安全性所支撑。以天然药物化学成分为先导物的新药研究是药物研究的重要途径。天然药物具有多样性和复杂性结构。天然活性物质是良好的先导物，但未必能满足成药性要求，需要进行结构修饰和优化。本文主要综述现代研究较成熟的多糖、黄酮类、香豆素类、生物碱类等化合物构效关系研究进展。

1　多糖类

1.1抗肿瘤活性的构效关系

抗肿瘤活性主要与硫酸基数量、位置；糖苷键；支链分支度；聚合度；金属离子络合等关系密切；同时也与其黏度、立体结构等有关。

1.1.1多糖抗肿瘤活性与硫酸基数量、位置相关 抗肿瘤活性的多糖一般含有硫酸基，天然多糖经过硫酸酯化结构修饰后，其抗肿瘤活性增加［1］。Satoru Kayanagi等［2］研究发现经硫酸化修饰后的岩藻依聚糖比天然的岩藻依聚糖抑制肿瘤细胞血管生成的作用更强。史宝军等［3］从灰树花发酵菌丝体得到的多糖 GAP，经氯磺酸-吡啶法硫酸化修饰后制得的（S-GAP），在体外对人胃癌细胞 SGC-7901 有直接杀伤作用，而且随着多糖浓度及作用时间的增加而增强，S-GAP 浓度过高时对肿瘤细胞有直接细胞毒作用。

Kolender等发现生物活性与硫酸化的位置密切相关［4］。如天然的岩藻依聚糖仅在 C3 或 C4 位有-SO4，但经过硫酸化修饰了的岩藻依聚糖 C3 和 C4位均有 -SO4。因此，VEGF165 阴离子与过硫酸化修饰的岩藻依聚糖有更多的结合位点，从而增强了他们的相互结合能力，由此可见抗肿瘤活性也受多糖硫酸根位置的影响。

Albana Cumashi等［5］发现了来源于C.okamuranus海藻中的岩藻依聚糖的抗新生血管生成作用比来源于L.saccharina的弱，推测其原因可能是是前者的硫酸根含量少，或是由于前者含有 2-O-α-D- 葡萄糖醛酸的支链。以上实验表明多糖硫酸根与其抑制肿瘤新生血管生成发挥抗肿瘤作用密切相关，且增加硫酸化程度能增强其活性，抑制肿瘤细胞的迁移侵袭。

1.1.2多糖的抗肿瘤活性与糖苷键有关 多糖糖苷键一般分为α、β两种构型，一般来说β构型多糖其活性比α构型要高。研究发现β-l，3- 葡聚糖的活性比α-l，3-葡聚糖的活性高，如从菌体中提取的抗肿瘤活性多糖一般由葡萄糖残基组成，而且葡萄糖链上的β-1，3糖苷键和支链上的β-1，6 糖苷键是抗肿瘤活性所必需的。又如临床上常用的香菇多糖，结构以β-1，3-葡萄糖残基为主链，侧链是1，6 葡萄糖残基的葡聚糖，香菇多糖与呋喃氟脲嘧啶等化疗药物联合用药时能迅速恢复肿瘤病人减少的白细胞数量，明显延长患者的存活时间［6］。具有调节巨噬细胞功能的灰树花多糖由 -1，6- 葡聚糖组成，分支则为 -1，3 构型［7］。但是也有例外，如当归多糖由α-1，4-D-Glcp 链组成，支链是α-1，6-D-Glcp 亦有抗肿瘤活性［8］。

1.1.3多糖的抗肿瘤活性与支链分支度有关 支链对多糖的活性也是十分重要，主要体现在支链的分支度（DB）和支链结构，其分支度不同，则有不同的抗肿瘤效果。Kazoo Ryoyama等［9］合成了不同分支度的α-1，6- 吡喃型葡聚糖，发现其分支度为 8.1%，支链为α-1，4- 葡聚糖时可增加巨噬细胞的吞噬能力，并可以延长荷 Meth A 肿瘤小鼠的存活时间。但当把分支度减少到5.1%时，活性依然存在，但是当完全去掉α-1，4- 葡聚糖支链时，则丧失了增强免疫细胞功能的作用，抗肿瘤的功效就丧失了。

1.1.4多糖的抗肿瘤活性与聚合度相关 多糖聚合度不同免疫调节活性不同，进一步影响其抗肿瘤活性［10］。Andrew Walker 等［11］通过研究发现肝素和硫酸乙酰肝素（HS）等硫酸多糖，在与生长因子等相互作用时，需要一定聚合度的糖苷元，才能包涵糖配体上与蛋白结合的结构位点，发挥抗肿瘤活性作用。

1.1.5多糖的抗肿瘤活性与金属离子络合有关 糖与金属元素或微量元素络合也影响其活性。张亚菲等［12］人利用合成的硒化黄芪多糖，给荷 S180 肉瘤雄性昆明小鼠腹腔注射后观察黄芪多糖和硒化黄芪多糖的抑瘤效果和抗氧化作用。结果表明黄芪多糖的抑瘤率为 23.6%，硒化黄芪多糖的抑瘤率达 51.1%，黄芪多糖硒化之后对 S180 肉瘤有更强的抑制作用。朱建伟等［13］研究发现灵芝诸多糖可抑制小鼠 S180 肉瘤的生长，能增强荷瘤小鼠腹腔巨噬细胞的活性。糖络合了无机元素可增加其抗肿瘤活性，但是具体机制不详。

1.2抗病毒活性的构效关系

现代研究表明，多糖对疱疹病毒、艾滋病病毒和流感病毒等都具有良好的抑制作用，而且具有活性的大部分是硫酸多糖。人工分子修饰中也以增加硫酸根修饰为主，从而使原来不含有硫酸根或硫酸根含量低的多糖表现出较强的抗病毒活性［14］。近几年研究表明，在多糖硫酸化基础上进行乙酰化等，可提高硫酸多糖亲脂性，从而有利于药物透过多层生物膜屏障发挥作用，提高了硫酸多糖的抗病毒活性［15］。

1.2.1多糖抗 HIV 活性与聚合度、分子量和分子链有关 糖类化合物发挥生物活性主要是因为其长链分子内有活性单元的存在，在与病毒膜蛋白相互作用时，通常存在一个结构特异的最小活性单位，对不同的蛋白因子，糖的最小活性序列的结构和长度是不同的，它反映了靶分子上主要作用靶点对配体的结构性要。硫酸葡聚糖的抗病毒活性随分子量增加到一定程度会呈下降趋势，有一个最佳的分子量［16］。

硫酸多糖抗 HIV-1 活性与分子中的主链结构有关。一般来说，β（-1，3）-D- 葡聚糖和主链（1，3）键占优势的β-D- 葡聚糖都具有活性，而以（-1，6）-D-葡聚糖活性低。从菌体中提到的活性多糖一般为葡聚糖组成，而且葡聚糖主链上的 -1，3 糖苷键和支链上的 -1，6 糖苷键为基本结构。

硫酸化的同多糖比硫酸化杂多糖有更高的抗HIV-1 活性。Yoshida 等认为，硫酸多糖具有高活性除了上述原因外还与构成主链的单糖环的类型有关，例如着由呋喃单糖组成的硫酸多糖的抗 HIV-1活性高，而且随脱氧糖含量的降低而加强［17］。因此多糖的主链结构，即糖单元类型、单糖环、糖苷键等，都影响多糖的抗 HIV 的活性。

1.2.2 多糖硫酸根数量和取代位置与抗疱疹病毒、抗流感病毒活性的关系 具有抗疱疹病毒、抗流感病毒活性的多糖一般为硫酸多糖［18］。硫酸根的含量高低影响其活性的大小，肝素在每个糖残基含1.5-2.0 个硫酸根时活性最佳。当硫酸多糖中每个己糖单位含 1个硫酸基时，对单纯疱疹病毒的抑制作用最强［19］。除了硫酸根含量的影响，硫酸根的取代位置也影响κ-卡拉胶多糖抗流感病毒活性［20］。可见，影响多糖抗疱疹病毒、流感病毒活性的结构主要是硫酸根含量、取代位置和其他基团如改变多糖极性的乙酰基等。

1.3抗凝活性的构效关系

1.3.1多糖抗凝活性与分子量的关系 以肝素为代表的硫酸多糖是一类重要的抗凝血药物。目前对多糖抗凝机制研究最多的是肝素，肝素含有独特的五糖结构与抗凝血酶（AT-Ⅲ）结合，催化灭活凝血因子Ⅱa，Ⅹa，Ⅸa，Ⅺa和Ⅻa，发挥抗凝血作用。根据实验制成了低分子量肝素，低分子量肝素相对分子质量范围在 1000～10000，平均 4500 左右，大部分在5400 以下，具有较强的抗Xa作用和较弱的抗Ⅱa 作用，因而抗栓作用大，抗凝作用小，临床使用低分子量肝素抗血栓及抗脑缺血，减少了完整肝素带来的出血及血小板减少等副作用［21］。

1.3.2多糖抗凝活性与硫酸根的取代位置和含量的关系 Mulloy用 NMR 技术鉴定了硫酸多糖的结构，发现其抗凝活性还取决于硫酸根的取代位置。硫酸软骨素 B 中硫酸取代位置的微小变化，把 4-O取代变为 6-O 取代，引起抗凝活性的完全丧失［22］。

由此可见，硫酸多糖抗凝活性与分子量和硫酸根含量密切相关。但硫酸多糖在发挥其他作用如抗肿瘤、抗病毒等时，抗凝成为其副作用，所以要严格将硫酸多糖分子量和硫酸根含量控制在一定范围内从而为硫酸多糖药物生产质量控制的指标。

2　黄酮类

黄酮类化合物的许多药理活性已被实验证明，如抗氧化、抗炎、抗癌等作用［23］。这是因为其在不同的碳位上发生羟基或者甲氧基取代时，就成为各种类黄酮色素，从而具有不同的理化性质。因此，了解黄酮类化合物的构效关系对于了解这种化合物并创制新药具有很高的价值［24］。

2.1抗氧化作用的构效关系

黄酮类化合物最普遍最重要的生物生理活性是抗氧化作用。这是因为黄酮类化合物作为超氧阴离子和羟基自由基离子的清除剂，其C环的C2与C3间的双键、B环4-OH是清除超氧自由基的关键，黄酮存在的邻而羟基也是清除羟基自由基的关键。现代研究发现，正是由于存在着上述抗氧化自由基，黄酮类化合物具有抗炎、心血管等生物活性［25］。

2.2抗癌作用的构效关系

黄酮类化合物的抗癌作用近来也受到人民的普遍关注，其在抗突变、抗增殖、抑制癌细胞入侵等方面具有很好的效果。这是因为黄酮类化合物的抗肿瘤活性与其抗自由基离子作用从而抑制酶活性并降低癌细胞得耐药性。此外，黄酮类化合物的抗肿瘤活性与抗自由及作用还具有诱导肿瘤细胞凋亡、诱导细胞周期阻滞的作用，这些都证明黄酮类化合物在防治肿瘤方面具有很高的价值［26］。

2.3抗炎作用的构效关系

黄酮类化合物主要通过影响细胞的分泌过程、有丝分裂以及细胞间的相互作用起到抗炎免疫的作用。这是因为黄酮A环的5和7位同时有甲氧基时，其抗炎活性表现得作为强烈。黄酮苷类化合物可以抑制白细胞胰肽酶E和白明胶酶，这与其含有的其羟基和半酰基是分不开的［27］。

3　香豆素类

3.1抗肿瘤活性的构效关系

近年来，不同来源香豆素的抗肿瘤作用已经通过多种细胞模型研究逐步深入到分子机制上，氧自由与肿瘤发生发展的关系密切［28］。研究抗氧化机制发现，香豆素母环上的羰基结合于XO的Arg880，而酯基O与Thr100形成氢键结合。6，7-二羟基香豆素主要是由于6位上的羟基结合于XO上的E802而具有非常高的亲和力［29］。如果6位羟基被甲氧基所取代形成东莨菪亭，将失去高亲和力特性［29］。

构效关系研究表明，香豆素具有5位、7位甲氧基及6位短链（1～5个碳）烃基能够很好的抑制NO的生成，抑制促炎因子iNOS和COX-2的mRNA表达。而6位的取代对抑制肿瘤坏死因子A（TNF-A）的影响很大，但并未发现有明显的取代基电子效应规律［30］。如6位被卤素取代后，活性比未被取代提高20～30倍，而供电基团甲氧基取代后，活性也能提高3倍［30］。

3.2抗微生物活性构效关系

新生霉素、氯新生霉素及香豆霉素均属于香豆素类化合物抗生素，是Ò型DNA拓扑酶、DNA旋转酶抑制药。一般糖单元可增加化合物的水溶性，而糖单元本身没有活性。研究表明，3-氨基-4，7-二羟基香豆素（ADHC）部分及其7位上诺维糖基均为此类抗生素的抗菌活性所必需，且这两部分上的取代基不同将显著影响其抗菌活性。刘洋等［31］研究表明，3-O-氨基甲酰基诺维糖有一定活性，与3-乙酰氨基-7-羟基香豆素成苷后得到的衍生物活性比成苷前提高几十倍。氯新生霉素的构效关系研究表明，3-二甲基烯丙基-4-羟基苯甲酰基的结构修饰将不同程度的减弱其生物活性，且3位的疏水性烷基也是活性发挥所必需［32］。

另外，香豆素母环7位游离羟基的存在对其抗细菌活性发挥具有重要意义，而6位游离羟基则是抗真菌活性所必需。但也有研究显示，6位游离羟基也是抗细菌活性所必需［33］。母环上7位有一个甲氧基，6位和（或）8位存在游离羟基就使得香豆素具有广谱抗菌活性。具有游离羟基香豆素的抗菌活性可能与其酚羟基结构的清除自由基、抗氧化功能有关。

蛇床子素具有抗丙肝病毒活性，以100 mg·kg-1剂量腹腔注射可抑制刀豆素A（Con-A）诱导的血浆丙氨酸氨基转移酶（ALT）的提高，抑制率为85%。Osthenol（蛇床子素7位甲氧基取代为羟基的产物）则显示出抑制率为32%，而7-羟基香豆素抑制率为9%。由此表明，7位上的甲氧基和8位上3-甲基-2-丁烯基是蛇床子素发挥活性所必需。许多合成化合物具有蛇床子素结构类似的均具有抗丙肝病毒活性［34］。OKAMOTO等［32］合成28个蛇床子素衍生物，筛选出3个化合物具有显著抑制Con-A诱导的血浆ALT的提高。而一些与蛇床子素结构相似的7-丙基氧衍生物也体现出了抑制丙肝病毒及丙肝相关病毒的生物活性［35］。

4　生物碱类

4.1吲哚衍生物类生物碱

毒扁豆碱为叫吲哚衍生物类生物碱。构效关系研究发现毒扁豆碱C环对毒扁豆碱的结构改造主要在以下3个方面：保留三环骨架的结构修饰；保留A、B两环即二氢吲哚环的结构修饰；仅保留A环即苯环的结构修饰。研究发现在结构改造时若想保持较高抑酶活力、较小毒性和较长抑制时间，保留二氢吲哚环的结构是十分必要的。在实验中我们还发现当将毒扁豆碱侧链氮上甲基改造成适当长度的烷基，并将三环骨架变为二氢吲哚骨架，在1位和3位以适当的小烷基取代，可在保证抑酶活性的同时延长抑酶时间并降低毒性，从中有望得到优于庚烷毒扁豆碱的治疗老年性痴呆症药物［36］。

4.2吗啡类生物碱

吗啡类生物碱的构效关系表明：吗啡及其衍生物的基本化学结构由4部分组成：（l）保留4个双键的氢化菲核（环A、B、C）；（2）与菲核环B稠合的N-甲基哌啶环；3）连接环A与环C的氧桥；（4）环A上的一个酚羟基与环C上的醇羟基。环A的3-位和环C的6-位分别有一个羟基，都具有重要的药理作用。吗啡的环A上是一个酚羟基，环C上是一个醇羟基。研究发现3-位或6-位羟基的醚化、酞化、氮原子取代基的改变，6-位羟基的氧化等以及引人新的基团都会影响吗啡的活性。但是在不改变基本结构的情况下，除了氮上取代基的改变外，镇痛活性的改变往往与成瘾性平行。如当3-位羟基被甲氧基取代，就成为可待因，镇痛作用明显减弱。3-位和6-位羟基均被甲氧基取代，则成为蒂巴因，药物的效能改变。9阿片受体激动剂为了增强镇痛作用，将吗啡6-位羟基氧化成酮基，7，8-位双键被还原，得到双氢吗啡酮，镇痛作用较吗啡大3-5倍，但成瘾性较吗啡高，应用受到限制。环A和环C之间有氧桥相连，如果氧桥被破坏，就变成了去水吗啡，将失去其镇痛效能作用反而产生催吐作用等［37］。

4.3二萜类生物碱

二萜生物碱主要分布在毛茛科的乌头属和翠雀属植物中，其中大多是C19二萜生物碱，其活性报道也主要集中于C19二萜生物碱。滇乌碱（Tl）、滇西嘟拉碱甲（T2）、3-乙酰滇乌碱（T3）是三个二萜类生物碱。三者在化学结构上仅3位取代基不同，T2为镇痛抗炎新药，其构效关系表明：镇痛作用T1＞T2＞T3，毒性T1＞T2，T1＞T3，镇痛治疗指数T3＞T2＞T1。所以认为滇乌头碱类生物碱3位上取代基与镇痛效应及毒性关系密切，我们还发现羟基乙酰化能提高此类生物碱的镇痛指数，并提示改变3位上的基团有可能把药理活性与毒性分开。镇痛作用强度为吗啡的15.3-65.5倍，但是有无耐药性、成隐性等，还有待进一步研究得到新的镇痛药［38］。

4.4其他类

西贝素是土耳其的王贝母（百合科）植物鳞茎中甾类生物碱，有抗胆碱活性作用，通过构效关系实验表明西贝素6位的酮基对抗胆碱能活性起至关重要作用［39］。通过对石蒜碱内铵醋酸盐对动物肿瘤的疗效与毒性构效关系研究发现分子内部保留季铵基和酚羟基与抗肿瘤活性有一定关系［40］。

5　结语

天然药物由于结构多样，而活性较强。近年来很多以天然药物化学成分为先导物开发出来的药物已应用于临床。基于不同活性，针对不同的天然药物化学成分进行结构改造和结构优化，能提高其针对性、高效性和合理性。本文综述了研究成熟的常见天然药物化学成分的构效关系研究进展，为研究者从事天然药物化学成分结构修饰提供参考。

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（责任编辑：何瑶）

The research progress of chemical constituents structural modifi cations of natural medicine

YONG Yan, WANG Rujing, HUANG Qing, ZHANG Hai, YIN Zi-qin, LIU Yu, FU Hang-yi, CHEN Bao-hua, TAN Yu-zhu, DONG Xiao-ping
(School of Pharmacy, Chengdu University of Traditional Chinese Medicine; Key Laboratory of Standardization for Chinese Herbal Medicine, Ministry of Education; National Key Laboratory Breeding Base of Systematic Research, Development and Utilization of Chinese Medicine Resources, Chengdu 611137,Sichuan)

［Abstract］The literatures of the structure of natural medicine chemistry modification were collected and analyzed. The polysaccharide，fl avonoids，coumarins，alkaloids and other compounds structure modifi cation were summarized. It was found that the chemical composition of natural medicines structural modifi cations might be a new and important way for further applications and development of new drugs of natural medicine. Natural medicines have wide physiologic function and have great potential of development and application. The current review would provide some useful information for further study on natural medicine.

Natural medicine；chemical composition；structure modifi cation

R 283.6

A

1674-926X（2015）06-019-06

国家基础科学培养基金项目-灾后药材恢复重建与综合开发利用研究及示范（J13100340-11）；四川省教育厅重点项目-蜘蛛香缬草素“合和”关键组分表征及HPA轴的调侃机制研究（15ZA0093）；成都中医药大学科技发展基金-蜘蛛香缬草素“合和”关键组分表征及HPA轴的调侃机制研究（ZRQN1440）

成都中医药大学药学院 中药材标准化教育部重点实验室 四川省中药资源系统研究与开发利用重点实验室省部共建国家重点实验室培育基地，四川 成都 611137

雍妍，女，（1989-），硕士研究生，从事中药有效成分及质量标准研究

Tel:15982204137Email:758077411@qq.com

1.董小萍，女，（1955年生-），教授，博士生导师，从事中药有效成分及质量标准研究

Email:dongxiaoping11@126.com

2.谭玉柱，男，（1985年生），实验师，从事中药有效成分及质量标准研究

Email:tanyuzhu@cdutcm.edu.cn

2014-11-04