1、天然黃酮類化合物及其衍生物的構效關系研究進展鐘建青1, 李波2, 賈琦1, 李醫明1, 朱維良2*, 陳凱先1, 2*(1. 上海中醫藥大學中藥學院, 上海 201203; 2. 中國科學院上海藥物研究所藥物發現與設計中心, 上海 201203摘要: 天然黃酮類化合物是廣泛分布于自然界的一大類化合物, 已有文獻報道其具有抗癌、抗氧化、抗炎、保肝、抗血栓形成、舒張血管、抗病毒、抗菌和抗過敏等多種藥理活性。但該類化合物因溶解度差、生物利用度不高等自身缺點而限制了臨床上的廣泛應用。目前國內外許多課題組選擇以天然黃酮為研究對象, 通過結構改造研究其針對不同生理活性的構效關系, 力求克服其自身缺點, 開

2、發出一批具有新穎結構的黃酮類藥物的先導化合物。本文總結分析了近幾年該類化合物構效關系的研究進展, 期望為黃酮類衍生物的設計合成提供參考。關鍵詞: 黃酮類化合物; 衍生物; 構效關系中圖分類號: R916 文獻標識碼:A 文章編號: 0513-4870 (2011 06-0622-09Advances in the structure-activity relationship study ofnatural flavonoids and its derivativesZHONG Jian-qing1, LI Bo2, JIA Qi1, LI Yi-ming1, ZHU Wei-liang2*,

3、 CHEN Kai-xian1, 2*(1. College of Chinese Materia Medica, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 201203, China;2. Drug Design and Discovery Center, Shanghai Institute of Materia Medica, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, ChinaAbstract: Flavonoids are a large class o

4、f compounds widely distributed in nature. Many pharmacological activities of flavonoids have been reported such as anti-cancer, antioxidant, anti-inflammatory, hepatoprotective, antithrombotic, vasodilator, antiviral, antibacterial, antiallergic, and so on. In recent years, domestic and foreign rese

5、arch groups choose natural flavonoids and optimize their chemical structures in order to develop a number of new derivatives with stronger pharmacological activities. As part of the mechanisms are not clear, we need to strengthen in-depth research in the SAR (structure-activity relationship study fo

6、r targeted and efficient structure optimization. This paper systematically summarize current researches in the SAR studies of flavonoids and their derivatives, which can serve as a reference for synthesizing new flavonoid derivatives.Key words: flavonoids; derivatives; structure-activity relationshi

7、p黃酮類化合物 (flavonoids, 圖1 是一類多酚類抗氧化劑, 是葛根、補骨脂、黃芩、銀杏、沙棘、槐米等臨床常用中藥材的主要活性成分。該類化合物不僅數量眾多, 而且結構復雜, 具有許多重要的生理活性, 如抗氧化、抗癌、抗炎、抗菌、抗病毒、抗過敏、抗糖尿病并發癥等, 特別是異黃酮類化合物作為天然雌激素, 在治療婦女更年期綜合征方面已經得到收稿日期: 2010-11-05.基金項目: 國家“重大新藥創制”科技重大專項資助項目(2009ZX09311. *通訊作者 Tel: 86-21-50806600-1205, 圖1黃酮類化合物基本骨架結構天然黃酮類化合物雖然生理活性豐富并且廣泛存在于自

8、然界(圖2, 但因其溶解性差、生物利用度不高等缺點而限制了它們的臨床應用2, 3。因此對自然界含量較高的天然黃酮進行半合成的結構修飾, 使之達到成藥要求, 是合理開發利用該類化合物的一條重要途徑, 并且該方法具有原料來源豐富、化學合成步驟少、生產成本相對較低等優勢。因此, 國內外許多課題組都選擇以天然黃酮為研究對象, 通過結構改造和優化研究其針對不同生理活性的構效關系, 以求開發出一批具有新穎結構的黃酮類藥物的先導化合物。 圖2 黃酮類化合物7種主要結構母核據文獻報道, 目前黃酮類化合物的結構修飾主要集中在C環2、3位, A環5、6、7、8位, B環2、3、4位, 各種不同類型的取代基如鹵素、

9、烷(氧基、芳基、吡啶基、氨基、羧基、磺酸基、磷酸基等及其他各種官能團均被引入, 以此來豐富其種類和改善其化學性質。本文依據不同的藥理活性分類, 如抗腫瘤 (anticarcinogenic、抗氧化 (antioxidant、抗炎癥(anti-inflammatory、抗血栓形成 (antithrombotic、舒張血管 (vasodilating、抗病毒 (antiviral、抗菌(antisepsis 等, 總結分析近幾年黃酮類化合物構效關系的研究進展, 期望為黃酮類衍生物的設計合成提供參考。1 抗腫瘤 (anticarcinogenic黃酮類化合物抗腫瘤活性最為引人注目。國內外文獻報道也較

10、多, 涉及腫瘤細胞的生長、凋亡等各個過程, 與許多腫瘤細胞相關信號分子有關。Plochmann等4測定了23種不同的黃酮類化合物在人白血球細胞系Jurkat E6-1的細胞毒性。實驗推測出以下結論: C環4位羰基和2位、3位間的雙鍵是誘導腫瘤細胞毒性的活性結構; A環上各位點的甲氧基取代或者葡萄苷酸化可使所測化合物的腫瘤細胞毒性顯著提高。該實驗所測23種黃酮化合物中, 黃腐酚 (xanthohumol (圖3 的腫瘤細胞毒性最強, 其在A環6位上接有異戊二烯取代基, 該取代基提高了化合物的親脂性, 使其更易跨過生物膜, 從而具有更高的細胞毒性。 圖3 腫瘤細胞毒性最強的化合物黃腐酚Crdena

11、s等5測定了8種天然黃酮類化合物、桂皮酸及其3個衍生物和20個人工合成的黃酮類化合物對人HeLa、KB、MCF-7、SKMEL-28和鼠F3II、LM3、LP07、B16-F0細胞的體外抗增殖活性, 發現咖啡酸丁酯 (caffeic acid butyl ester、咖啡酸乙酯(caffeic acid ethyl ester、2-硝基黃酮 (2-nitroflavone、2, 6-二硝基黃酮 (2, 6-dinitroflavone、芹菜黃素(apigenin (圖4 具有較強的抗腫瘤細胞增殖活性, 并且這一系列黃酮類化合物均具有選擇性作用在腫瘤細胞上的特點, 對于正常細胞株不表現抗增殖活性

12、。進一步分析這一系列化合物的構效關系發現: 對于天然黃酮類化合物, B環4位羥基是活性必需基團, A環5位和7位甲氧基取代會降低其活性; 對于人工合成的黃酮類化合物, A環6位的Cl或Br原子取代的化合物具有中等強度活性, 在此基礎上B 環2位引入F原子可以使其活性增強并且改變其在不同細胞系間的選擇性; B環2位的硝基取代可以大大提高活性, 其次為4位硝基取代。Lpez-Posadas等6采用休眠的和伴刀豆球蛋白A (concanavalin A 激活的鼠脾細胞作為模型, 研究了9種不同結構的黃酮類化合物和5種多酚類黃酮化合物對白細胞的生存、增殖以及對環氧化酶 2 (cycloxygenase

13、、誘生型一氧化氮合酶 (inducible nitric oxide synthase, iNOS、促炎細胞因子 (TNF-a, 圖4 抗腫瘤細胞增值活性較強的化合物IFN-g, IL-2 表達的影響。結果顯示所測黃酮類化合物都具有較強的抗白細胞增殖作用, 實驗測得槲皮素(quercetin、木犀草素 (luteolin 和芹菜素 (apigenin (圖5 能顯著抑制細胞因子分泌。通過對黃酮類化合物的構效關系分析發現: C環2, 3位間雙鍵、B環3, 4位、C環3位和A環5位的羥基可以增強活性; B環取代位置變化 (2或3位 對活性影響不大; C 環3位糖基化使活性幾乎完全喪失。 圖5 抑制

14、細胞因子分泌活性較強的化合物生理核苷和許多核苷類藥物是親水性分子, 需要依靠特異性的跨膜蛋白即核苷轉運子 (nucleoside transporter, NT 完成其跨膜轉運。NT具有調節機體內信號核苷局部濃度的重要功能, 此外其對于核苷類藥物吸收也起著關鍵作用。NT包括兩個主要家族: ENT (equilibrative nucleoside transporters 家族和CNT (concentrative nucleoside transporters 家族。其中CNT家族的hCNTs (human concentrative nucleo-side transporters 在慢性

15、淋巴細胞白血病 (chronic lymphocytic leukemia, CLL 細胞中病理性的過度表達多發生于癌癥患者體內并且影響抗代謝物質的化學療法, 目前仍然沒有針對hCNTs的非核苷類特異性抑制劑上市。Wang等7建立了穩定表達人hCNT1、hCNT2和hCNT3的PK15NTD (nucleoside transporter deficient 細胞模型并測定了100個苯并吡喃酮衍生物對人hCNTs的抑制作用。該實驗發現: 黃酮類化合物是高效的hCNT2和hCNT3抑制劑, 其中6-羥基-7-甲氧基黃酮活性最強 (IC50 0.57 0.20 molL1, 其可以選擇性抑制hCN

16、T3, 抑制活性是CNT標準抑制劑根皮苷 (phloridzin, IC50 25 3.5 molL1 的40多倍; 查耳酮類化合物可以中等強度選擇性抑制hCNT3。通過三維定量構效關系研究方法(3D-QSAR 分析推出: 黃酮和異黃酮類化合物苯并吡喃酮母核A環7、8位的羥基是抑制hCNTs的活性基團; 靜電作用、疏水性、氫鍵供體性質對黃酮類化合物與hCNTs間的相互作用影響較大; 3D-QSAR研究結果表明在黃酮和核苷這兩類化合物與受體hCNT結合位點處氫鍵相互作用具有相似性, 提示今后黃酮類化合物可作為最有潛力的非核苷類CNT選擇性抑制劑深入研究。乳腺癌耐藥蛋白 (breast cance

17、r resistance protein, BCRP 是新近發現的一種腫瘤耐藥相關蛋白。Zhang 等8研究了5個系列的25種黃酮化合物與BCRP相互作用的構效關系并建立了定量構效關系方程, 結果發現C環上的2, 3位雙鍵、B環連接在2位、5位羥基、3位無羥基以及在6, 7, 8位或4位引入疏水取代基都能促進黃酮化合物與BCRP的相互作用。PIM-1蛋白是pim-1腫瘤基因的產物, 屬于絲氨酸/蘇氨酸激酶。PIM-1蛋白失調與人惡性腫瘤淋巴瘤、白血球過多癥、前列腺癌等發病過程密切相關。Holder等9用15種黃酮化合物作為PIM-1蛋白抑制劑, 采用3D-QSAR研究方法建立了一個比較分子場分

18、析 (CoMFA 模型, 預測黃酮類化合物與PIM-1蛋白結合時的立體和靜電化學性質。實驗結果表明: 由于PIM-1蛋白結合位點處存在空間阻礙作用, 平面型分子更容易與PIM-1蛋白結合; A環8位正電性取代基和B環4位負電性取代基可以促進黃酮化合物與PIM-1蛋白活性位點的結合。血管內皮生長因子 (vascular endothelial growth factor, VEGF 與腫瘤細胞血管生成有關。Anso等10研究了20種黃酮類化合物在NCI-H157細胞上對于組織缺氧誘導的VEGF生成的影響。結果發現在較低的微摩爾級濃度下, 芹菜黃素、木犀草素、漆樹黃酮 (fisetin (圖6 和

19、槲皮素即可以抑制組織缺氧誘導的VEGF表達。構效關系研究表明: A環5、7位和B環4位羥基是活性必需基團; B環3位羥基取代不能抑制VEGF表達, 但能增加腫瘤細胞毒性;黃酮與黃酮醇較黃烷酮活性高出很多, 這說明C 環2, 3位間的雙鍵對于活性非常重要。醛酮變位酶I (glyoxalase I, GLO I 是甲基乙二醛 (methylglyoxal, MG 解毒作用的限速酶, 作為糖酵解的副產物可以誘導細胞凋亡。該酶通常在大多數 圖6 抑制VEGF表達的活性化合物的腫瘤細胞里高表達, 但在正常細胞中含量較低。針對GLO I這一特點, 可將GLO I特異性抑制劑設計成有效的抗癌藥物。Takas

20、awa等11測定了一系列同時具有順式4位羰基和5位羥基的平面型分子構型的天然黃酮類化合物(這一特殊結構與GLO I作用底物MG/GSH (methylglyoxal/glutathione 的過渡態具有結構相似性 (圖7 對hGLO I (人醛酮變位酶I 的抑制活性, 構效關系研究表明: B環上的羥基取代可以增強活性; C環3位、A環7位糖基取代降低活性; A環6位羥基取代較甲氧基等其他基團取代活性更高; C環2, 3位間的雙鍵對活性貢獻不大。研究者還得出結論: 黃酮類化合物較已知的hGLO I有效抑制劑BBG (S-p-bromobenzylglutathione 體外抑制活性更高, 但是對

21、于HL-60白血病細胞抗增殖活性卻弱于BBG, 這是由于該系列黃酮類天然產物的生物膜透過率較低, 非平面型分子的溶解度優于平面型分子, 但平面型分子更加有利于與GLO I結合位點結合, 這一矛盾使得hGLO I藥物抑制劑設計產生了一定的難度。 圖7 A: 黃酮類化合物4位羰基和5位羥基的平面構型; B: MG/GSH的過渡態Src是一個抗癌藥物熱門靶標, 屬于非受體酪氨酸激酶, 參與癌癥早期上游信號轉導, 可在乳房、肺、胃、結腸、食管、皮膚等幾種人腫瘤中被激活。表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR 屬于蛋白酪氨酸激酶家族 (protei

22、n tyrosine kinases, PTKs, 已經證實其在上皮細胞起源的許多腫瘤以及表皮細胞增殖紊亂引起的疾病(如銀屑病 中高水平表達。Huang等12半合成了15個新型槲皮素衍生物槲皮素-3-O-氨基酸酯(圖8。該實驗比較了槲皮素及其新型衍生物對于Src和EGFR的選擇性抑制作用, 發現這一系列新型衍生物對于Src的抑制作用較槲皮素有所增強 (IC50 3.39.9 molL1, 而其對于EGFR的抑制作用較槲皮素有所減弱。該實驗采用LIGPLOT程序統計分析這些化合物與受體之間疏水和氫鍵相互作用發現, 新型槲皮素衍生物與Src之間平均有14個疏水作用、3.5個氫鍵作用; 與EGFR平

23、均有9個疏水作用、2.5個氫鍵作用。結合生物實驗測定結果分析得出以下結論: 疏水作用和氫鍵作用對于不同激酶抑制活性強弱有重要影響; 疏水作用和氫鍵作用數目越多, 對于激酶的抑制作用越強。 圖8 Src抑制活性較強的槲皮素-3-O-氨基酸酯細胞色素P450 (cytochromo P450, CYP450 是肝臟中參與藥物代謝的最重要的一種多功能氧化還原酶系。其中, CYP1A2亞家族含量占CYP450總量的13%, 參與代謝5%10%的臨床常規藥物, 是近年來藥物代謝研究領域備受關注的熱點之一。CYP1A2參與代謝多種前致癌劑, 包括黃曲酶毒素、芳香化合物、芳香胺和雜環胺等氨基化合物, 將其激

24、活后生成各種致癌性物質。因此深入研究CYP1A2抑制劑具有重要的意義。Li等13通過體外人肝微粒體法檢測黃酮類化合物對CYP1A2的抑制活性, 采用3D-QSAR 研究方法研究不同類型的黃酮類化合物分子結構參數與CYP1A2抑制活性之間的三維定量關系, 建立相應的構效關系模型, 分析了其抑制機制, 結果表明: 黃酮類化合物和受體蛋白CYP1A2的靜電相互作用對化合物的抑制活性起支配作用; 羥基取代基的數目和位置對黃酮類化合物的活性有顯著的影響, 適當位置上兩個羥基取代可以大大增強其抑制活性, 而單羥基取代則使得化合物的抑制活性降低; C環上2位和3位之間的碳碳雙鍵變成單鍵, 破壞了黃酮的共軛體

25、系, 大大降低了其抑制活性; 異黃酮 (B環接在3位 對于CYP1A2的抑制能力遠小于黃酮(B環接在2位; 相對于黃酮, -萘黃酮(圖9 的-共軛體系更有利于提高化合物的抑制活性, 在-萘黃酮基礎上, 6位、3位、4位引入帶正電基團或疏水基團, 同時5位引入帶負電基團, 能有效改善化合物的CYP1A2抑制活性。 圖9 -Naphthoflavone的基本骨架結構2 抗氧化 (antioxidantCai等14采用改進的ABTS+和DPPH(2,2-di-phenyl- 1-picrylhydrazyl 方法測定了91種天然黃酮類化合物及其多種衍生物的清除氧自由基活性, 這些化合物均提取自具有抗

26、癌相關活性的中草藥。該實驗發現這一系列天然黃酮類化合物清除氧自由基活性差別較大, 某些具有較強活性, 某些似乎并無活性。對較強活性化合物(圖10 進行構效關系研究發現: 黃酮類化合物清除氧自由基活性的關鍵在于其基本骨架上羥基取代基的數目和位置, 相鄰位點的羥基取代基數目越多活性越強, 無羥基取代基則無活性; A環、B環上的鄰苯二羥基和C環3位的-OH、-galloyl取代基是重要活性基團; 苯基色原酮 (C6-C3-C6是基本活性骨架, 骨架中心的吡喃環氧化狀態影響活性, C環上的2位和3位間的雙鍵和4位羰基共軛, 可以起到電子離域作用, 有利于骨架結構穩定; 羥基取代基的糖基化降低了黃酮類化

27、合物清除氧自由基活性, 甲氧基取代也會降低黃酮類化合物的活性; 不同數目、不同布局的取代基對活性影響程度也不相同。Seyoum等15構建了52種天然和半合成的黃酮類 圖10 清除氧自由基活性最強化合物化合物清除自由基DPPH模型, 并采用軟件Gaussian 98W和Chem3D計算了自由基生成熱H f和自旋密度, 實驗推測: 黃酮化合物基本骨架上羥基取代基是清除自由基的活性基團, 羥基的取代位置和取代形式較取代基數目更能影響其活性。例如, 黃酮母核A環和B環相鄰位點兩個或3個羥基取代較單羥基取代和間位羥基取代活性大大提高; 對于黃酮苷類化合物, 黃酮苷元是活性基團, 糖基無活性; 羥基取代基

28、清除自由基機制主要是通過電離出氫原子中和氧自由基并且與已經電離的黃酮化合物結合成二聚體, 防止逆向結合從而穩定的清除自由基。Amaral等16提取分離了兩種臨床常用治療癌癥和炎癥的藥用植物Geranium robertianum L.和Uncaria tomentosa (Willd. DC. 的黃酮類活性成分, 采用ABTS/HRP和DPPH 方法研究了黃酮類化合物抗氧化活性與清除自由基功能的相關性, 構效關系研究發現這一系列天然黃酮化合物抗氧化活性的結構特征(圖11 為: B環3, 4鄰位二羥基取代; B環與C環4位羰基通過2, 3位雙鍵產生共軛作用; 3位和5位羥基取代基和4位羰基之間的

29、共軛作用。 圖11 清除氧自由基活性相關3個結構特征過氧化亞硝酸鹽 (ONOO 是一種高毒性的氧化和硝化基團, 通過超氧化物和一氧化氮的相互作用在機體內產生。其在體內可以氧化或者亞硝基化生物活性分子, 這種性質與一些疾病具有相關性。Heijnen等17通過清除過氧化亞硝酸鹽自由基實驗得出結論: 多酚類化合物清除自由基的活性受苯環上給電子取代基影響顯著; B環3, 4位羥基取代并且A、C環上同時具有3, 5, 7位3個羥基取代基的黃酮醇類化合物具有最高的清除自由基活性; C環上的3位羥基基團是活性中心, A環5, 7位給電子取代基團可以促進其清除自由基活性。Sadeghipour等18研究了11

30、種天然黃酮化合物抑制過氧化亞硝酸鹽誘導的酪氨酸硝化作用的構效關系。實驗測得一組最有效的天然黃酮類化合物: 兒茶素、黃衫素、木犀草素、槲皮素和楊梅素, 這些化合物的共有結構是B環上的3, 4位鄰二羥基; 第二組鐘建青等: 天然黃酮類化合物及其衍生物的構效關系研究進展 627 較有效的天然黃酮類化合物是: 柚皮素、山柰酚和桑 黃素, 這些化合物的共有結構是 B 環上的 4 位的羥基 取代基。比較以上兩組化合物的抑制活性發現, 第二 組較第一組減弱了 50%, 由此推測這兩組化合物可能 具有相同的活性必需基團, 即 B 環上的羥基取代。B 環上 3, 4 位鄰二羥基以及 4 位單羥基取代是抗氧化 活

31、性的重要活性基團, 但當 B 環 3 位單羥基取代則使 活性較弱或者消失。 環上 2, 3 位雙鍵和 4 位羰基則 C 較少影響活性。 Modak 等19從 Heliotropium sinuatum 樹脂狀滲 出液提取了黃酮類化合物, 通過測定其抗氧化活性 并進行理論計算得出結論: 黃酮類化合物分子骨 架上羥基取代基的數目和位置與抗氧化活性密切相 關, B 環上 3, 4 位羥基取代的黃酮化合物活性最高, 這類化合物脫氫作用的 H 值最低; 根據自旋密 度圖分析, C 環 2, 3 位雙鍵有利于已形成自由基的共 振穩定性。 3 抗炎 (anti-inflammatory 脂氧化酶 (lipo

32、xygenase, LO 抑制劑能保護血 脂免受因自由基引起的超氧化作用的破壞, 從而具 有抗炎作用。 已經證實某些天然黃酮類化合物具有有 效的脂氧化酶抑制活性, 但僅限于對天然存在的一 些黃酮化合物的實驗, 這些實驗中的天然黃酮類化 合物缺乏足夠的結構差異性, 無法進一步分析黃酮 類化合物抑制 LO 的構效關系。 Vasquez-Martinez 等 20 圖 12 hLO 抑制活性較強的化合物 4 保護心血管 (cadiovascular protection 黃酮類化合物因其保護心血管作用受到廣泛關 以色原酮骨架作為模板, 注。 有文獻報道黃酮類化合物可能是通過抗血栓形成 和舒張血管等機

33、制起到保護心血管的作用。 到目前為 止, 黃酮類化合物保護心血管的作用機制和構效關 系仍然沒有完全被闡明。 流行病學研究和實驗數據表 明日常飲食中攝入豐富的黃酮類化合物可以降低患 心血管疾病的風險。 4.1 抗血栓形成 (antithrombotic Jiang 等21挑選 了多種蔬菜和中草藥中具有代表性的 12 種天然黃酮 類 化 合 物 , 通 過 實 驗 研 究 其 對 凝 血 激 酶 組 織 因子 (thrombocinase tissue factor, TF 的抑制作用以及在 脂多糖 (lipopolysaccharide, LPS 誘導的人單核細胞 里的抑制凝血活性, 分析了這

34、12 種天然化合物抑制 TF 活性的構效關系。結果發現: B 環 3 位和 A 環 7 位的甲氧基取代可大大提高 TF 的抑制活性, 不同 取代基的促活性順序為: -OCH3 -OH -H; 甲氧基取 代之所以顯著提高 TF 抑制活性, 原因可能是引入甲 氧基后, 黃酮化合物的親脂性增加了, 從而增加了生 物膜透過率; 實驗測得黃烷醇、 兒茶素、 表兒茶素 都具有抑制 TF 活性但不具有 C 環 2, 3 位雙鍵和 4 位 在 C 環 2, 3 位引入不同的烷基或芳香基, 在其他不同 的位點引入羥基合成了 41 種異黃酮類衍生物 (圖 12, 并進行了體外抑制人脂氧化酶 (human lipo

35、xygenase, hLO 同工酶 12-hLO、 15-hLO-1 和 15-hLO-2 的抑制 活性測試。測定結果與已知具有 hLO 抑制活性的槲 皮素、黃芩素、漆樹黃酮等天然黃酮化合物作比較, 構效關系分析得出如下結論: 黃酮類衍生物基本 骨架的芳香性和氧化狀態對于抑制活性和選擇性非 常重要, 修飾和改造黃酮基本骨架, 就可以使之成為 12-hLO、 15-hLO-1 的選擇性抑制劑; A 環、 環上 B 的鄰苯二酚結構是活性必需基團; 異黃酮和異黃 烷酮更傾向于抑制 12-hLO, 異黃烷更傾向于抑制 15-hLO-1, 較少以 15-hLO-2 為靶標; 各種化合物 與受體蛋白的結合

36、方式不同, 當 B 環引入取代基后, 由于異黃烷 C 環柔性較高, 與受體蛋白結合方式發 生很大變化, 導致其衍生物的抑制活性消失, 而異黃 酮、 異黃烷酮 C 環剛性較強, 其 B 環取代衍生物抑制 活性得以保留。 628 藥學學報 Acta Pharmaceutica Sinica 2011, 46 (6: 622630 羰基這兩個典型結構特征, 該結構特征可能并不是 TF 抑制活性所必須的活性基團; A、 環上鄰位羥 B 基取代明顯提高 TF 抑制活性; 糖基取代降低了 TF 抑制活性, 根據現有的研究推測, 不管糖基取代 的位置和結構如何, 都極少提高黃酮苷元的活性。 4.2 舒張血管

37、 (vasodilating Dong 等 22 5 抗病毒 (antiviral 神經氨酸酶 (neuraminidase, NA 屬于一個糖基 水 解 酶 家 族 , 可 以 釋 放 末 端 N- 乙 酰 神 經 氨 酸 (N-acetylneuraminic acid, 糖蛋白類、 糖脂類和多糖類 的殘基。病毒性 NA 是預防流行性感冒病毒傳播的 最受關注的有效靶標之一, 被廣泛用做識別流感病 毒表面上的抗原決定簇, 延伸為 HxNx 標記法。現在 急需研究出價廉易得的 NA 抑制劑來預防流感病毒 傳播。 Liu 等24研究了 25 種黃酮類化合物抑制 3 種流 感病毒 NAs 的構效關

38、系 (圖 14, 3 種 NAs 分別是: A/ PR/8/34 (H1N1、 A/Jinan/15/90 (H3N2 和 B/Jiangshu/ 10/2003。 推測出黃酮類化合物抑制 NAs 潛能排序為: 橙酮 黃酮/黃酮醇 異黃酮 二氫黃酮/二氫黃酮 醇、黃烷/黃烷醇。構效關系分析得出如下結論: A 環 7 位羥基、B 環 4 位羥基、C 環 4 位羰基和 2, 3 位 雙鍵是活性必需基團; 糖基取代基團極大的降低 了 NAs 抑制活性。實驗隨后采用致細胞病變效應法 (cytopathic effect, CPE 測試 8 種黃酮類化合物的體 外抗病毒活性, 結果與所推測構效關系一致。

39、 設計并合 成了一系列黃酮衍生物 (圖 13, 通過動物實驗和 3D-QSAR 預測了其促進血管舒張活性與結構的關系, 發現黃酮類化合物的某些結構特征可能與促血管舒 張活性相關: C 環 4 位羰基和 2, 3 位雙鍵促進血管 舒張; A、B 環同時具有羥基取代基可以顯著提高 生物活性; 糖基化基團取代大大降低了擴血管活 性; 具有較高生物活性的衍生物常常具有靠近色 原酮骨架的亞甲基、烯丙基或者亞甲二氧基取代。 圖 13 血管舒張活性較強的化合物 Xu 等23采用豬冠狀動脈研究了 17 種天然黃酮 類化合物的血管舒張效應的構效關系, 并采用密度 泛函理論方法計算了這些化合物的化學參數。 實驗所

40、 得的黃酮類化合物血管舒張效應潛能排序如下: 黃 酮 (芹菜苷配基和木犀草素 黃酮醇 (山柰酚和槲 皮素 異黃酮 (染料木黃酮和大豆黃酮 二氫黃 酮醇 (柚皮素 查耳酮 (根皮素 花色素 (花葵 素 黃烷醇 (+-兒茶素和 (-表兒茶素。 構效關 系研究顯示: A 環 5, 7 位羥基、B 環 4 位羥基、C 環 2, 3 位雙鍵和 4 位羰基是活性必需基團。通過比較蘆 丁與槲皮素、染料木苷與染料木黃酮、葛根黃素和大 豆黃酮的活性得出: 糖基取代使活性大大降低。分子 體積和總能量也可以用于預測黃酮類化合物的血管 舒張活性。 研究發現血管舒張活性最強的黃酮類化合 物芹菜苷配基、木犀草素、山柰酚與

41、染料木黃酮的結 構特征與實驗所推測的構效關系一致。 Ryu 等25從中草藥 Cudrania tricuspidata 的根部 提取了 6 種天然黃酮類活性化合物, 測定了其抑制 NAs 活性的 IC50 值, 結合計算機虛擬分子對接方法進 行構效關系分析發現: 這 6 種黃酮類化合物與 NAs 相互作用的活性基團是 B 環上的間苯二酚取代和 A 環上的極性取代基團。極性取代基團可與 NAs 受體 在活性位點處形成氫鍵作用, 從而提高相應的抑制 活性。 嚴重急性呼吸綜合征 (severe acute respiratory syndromes, SARS 是一種因感染 SARS 相關冠狀病 毒

42、而導致的一種新型、傳染性強、病情進展快速的呼 吸道傳染病。SARS 相關冠狀病毒 (SARS-associated 圖 14 NAs 抑制活性較強的化合物 鐘建青等: 天然黃酮類化合物及其衍生物的構效關系研究進展 629 coronavirus, SARS-CoV 的 “3C” 狀 蛋 白 水 解 酶 (3CL , 因其在冠狀病毒生命周期的關鍵作用, 是 目前研發治療 SARS 特效藥物最有希望的靶標。 Chen 等 26 pro 某些特定藥理活性作用機制中屬于活性必需基團; 絕大多數黃酮苷的活性不如黃酮苷元; 根據文獻 報道, 激酶活性較強的黃酮化合物其細胞活性不一 定強; 極性取代基團是激

43、酶活性的保障基團, 但是極 性取代基團能夠降低生物膜透過率, 而細胞活性與 其生物膜透過率息息相關。因此, 建議設計新型黃酮 衍生物時, 兼顧極性和生物膜透過率, 兩者必須平衡 才能使其具備成藥性。 天然黃酮類化合物及其半合成衍生物的構效關 系因其分子結構和藥理作用機制的多樣性而變得相 當復雜。這些化合物具有抗癌、抗氧化、抗炎、抗血 栓、舒張血管、抗病毒、抗菌等不同藥理活性和多靶 標協同作用的特點。針對這些特點, 筆者認為借助網 絡藥理學的方法深入分析和探討黃酮類化合物的體 內作用機制與構效關系將會大有可為。 以槲皮素-3-半乳糖苷為母核, 合成了一系列 pro 新型黃酮苷衍生物, 結合其抑制

44、 SARS-CoV 3CL 的 生物活性測定結果推測: 槲皮素 A 環上 7 位羥基 取代是活性必需基團, 7 位無羥基取代的衍生物抑制 活性降低; 另外, 7 位引入一個較大的糖取代基, 衍 生物仍具有抑制活性; 糖取代基被乙酰化后抑制 活性降低; 不同種類糖取代基替換半乳糖苷取代 基對抑制活性無影響。 6 抗菌 (antisepsis 黑色素可以保護真菌使其對抗自由基、毒素、紫 外線、X 射線、 射線、極端溫度和水解酶等環境 壓力, 因此黑色素是人體和植物感染致病性真菌的 重要致病因子。黑色素生物合成酶 (trihydroxynaphthalene reductase, 3HNR 由此成為

45、殺菌劑和選擇 性抗真菌劑的熱門靶標。Brunskole 等 27 References 1 Yuan JP, Wang JH, Liu X. Research advance on the biological activities of soybean isoflavones (1 Metabolism and estrogenic behaviors of soybean isoflavones J. J Chin Inst Food Sci 測定了 27 種不同結構母核的黃酮類化合物在大腸桿菌模型中 抑制重組 3HNR 的活性。發現雞豆黃素 A (biochanin A 是活性最強的化合

46、物 (IC50 = 12 molL 。構效 關系研究表明: 黃酮母核上 A 環 5 位和 7 位的羥 基是重要的抑制活性基團; C 環 3 位、A 環 6 位和 B 環 3 位羥基取代能降低抑制活性。 該實驗還發現黃 酮類化合物不僅可以在體內抑制 3HNR, 還可在體外 抑制真菌生長, 具體機制有待進一步研究。 7 結語 綜上所述, 目前國內外對于天然黃酮類化合物 及其衍生物分別從動物實驗、細胞實驗、激酶實驗、 化學實驗、 計算機輔助藥物設計等多方面進行了構效 關系研究。 研究發現黃酮類化合物生理活性與其化學 結構密切相關, 母核、取代基、取代位置分布對其藥 理活性都可能會產生影響: 天然黃酮

47、類化合物往 往具有較高的清除氧自由基活性; 天然黃酮化合物 母核上的羥基取代基數目越多, 其清除氧自由基活 性越強, 特別是鄰位羥基取代可以大大提高其活性; 苯環上的鄰苯二酚結構是其重要的活性基團; 對 于新型黃酮衍生物來說, A 環、B 環上的極性基團取 代對于多種激酶活性具有促進作用; 極性取代基團 可與激酶受體在活性位點處形成氫鍵相互作用, 從 而提高相應的活性; 不同激酶具有不同的“口袋” 結構, 需要不同結構的配合物, 實驗組要針對藥物作 用靶標設計不同結構的黃酮衍生物; C 環上 C4 位 羰基與 C2、C3 位雙鍵為選擇性活性必需基團, 即在 8 7 6 5 4 3 2 1 Te

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