51種中草藥化學(xué)成分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析

馮唐鍇，曾文濤

（景德鎮(zhèn)學(xué)院生物與環(huán)境工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn) 333000）

中藥在我國(guó)有著悠久的歷史和廣泛的應(yīng)用，按功能可分為19類(lèi)。其中清熱藥在抗病毒、治療感冒和炎癥等方面應(yīng)用廣泛。此類(lèi)藥物通常又可分為治濕熱病藥（板藍(lán)根、金銀花、連翹等）、治熱毒瘡瘍藥（蒲公英、魚(yú)腥草等）、治熱毒瀉痢藥（馬齒莧等）、治咽喉腫痛藥（穿心蓮等）4種類(lèi)型。這些清熱藥中，金銀花、板藍(lán)根、連翹、馬齒莧、穿心蓮等為景德鎮(zhèn)學(xué)院教學(xué)和科研常用中草藥，為了了解這些中草藥的化學(xué)成分的特點(diǎn)，本研究查找統(tǒng)計(jì)了一大批相關(guān)化學(xué)成分的分子式，并對(duì)其結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

1 工具與方法

1.1 使用工具

本研究所使用到的工具有：美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心（NCBI）化合物數(shù)據(jù)庫(kù)[1]、化學(xué)結(jié)構(gòu)式編輯軟件King Draw和WPS表格處理軟件（表1）。King Draw是一款國(guó)產(chǎn)化學(xué)編輯器軟件，具有分子結(jié)構(gòu)繪制與圖像輸出、3D可視化模型建構(gòu)、化合物數(shù)據(jù)信息檢索等功能[2]。并可以進(jìn)行手勢(shì)繪制、結(jié)構(gòu)式命名、IUPAC名稱(chēng)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)式、查看化學(xué)屬性、3D分子模型轉(zhuǎn)換等多種操作。本研究主要運(yùn)用NCBI中的Pub Chem搜索工具對(duì)部分化合物的結(jié)構(gòu)式進(jìn)行搜索驗(yàn)證，使用King Draw來(lái)查找大量化合物的分子結(jié)構(gòu)，借助WPS表格處理軟件輔助統(tǒng)計(jì)分析并作圖。

表1 網(wǎng)站及軟件相關(guān)信息

1.2 數(shù)據(jù)收集

通過(guò)閱讀文獻(xiàn)，確定金銀花、板藍(lán)根、連翹、馬齒莧、穿心蓮中含有的主要化合物成分。利用文獻(xiàn)和百度搜索引擎，聯(lián)合查詢(xún)相關(guān)化合物的CAS號(hào)和英文名。King Draw軟件可以利用化合物的CAS號(hào)、英文名以及分子式等多種方法來(lái)查找化合物分子結(jié)構(gòu)。因此，進(jìn)入KingDraw軟件，點(diǎn)擊工作站并選擇化合物百科，在搜索框中輸入上述英文名和CAS號(hào)查找所需化合物結(jié)構(gòu)式，并以king格式進(jìn)行保存。同時(shí)，輸入NCBI網(wǎng)址進(jìn)入NCBI首頁(yè)，在首頁(yè)頂部搜索欄左側(cè)選擇Pub-Chem化合物，在右邊輸入化合物Pub Chem CID、化合物英文名進(jìn)行搜索，將查找的結(jié)果與king Draw查找的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)結(jié)構(gòu)式的正確性。

1.3 數(shù)據(jù)的比較及分析

利用下載到的中草藥所含有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。主要分析2個(gè)指標(biāo)：一是分子含有環(huán)的種類(lèi)和數(shù)量；二是含有活性基團(tuán)的種類(lèi)和數(shù)量。環(huán)結(jié)構(gòu)又分為苯環(huán)和五元雜環(huán)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；基團(tuán)則分為羧基、羥基、氨基、甲氧基和酯基進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。使用WPS表格軟件對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果制表作圖。

2 結(jié)果

2.1 本研究涉及的中草藥所含主要化學(xué)成分

金銀花（Lonicerae Japonica Thunb.）為忍冬科忍冬屬植物，具有清熱解毒、疏散風(fēng)熱之效，常用于治療溫病發(fā)熱和風(fēng)熱感冒等癥狀，化學(xué)成分構(gòu)成如表2所示[3-4]。

表2 金銀花主要化學(xué)成分分類(lèi)

板藍(lán)根（Radix Isatidis）屬十字花科植物，用于瘟疫時(shí)毒、發(fā)熱咽痛、溫毒發(fā)斑等病癥。化學(xué)成分復(fù)雜，活性指標(biāo)成分不明，主要成分如表3所示[5]。

表3 板藍(lán)根主要化學(xué)成分分類(lèi)

連翹（Forsythia Suspensa）為木犀科植物，具有明確的抗炎、鎮(zhèn)痛、抗病毒、抗菌功效，主要的化學(xué)成分如表4所示[6]。

馬齒莧（Portulaca oleracea L.）為石竹目馬齒莧科馬齒莧屬一年生肉質(zhì)草本植物，其化學(xué)成分有抗氧化、抗菌、神經(jīng)保護(hù)等生物活性，主要化學(xué)成分如表5所示[7-9]。穿心蓮（Andrographispaniculata）為爵床科穿心蓮屬一年生草本植物，可用于治療感冒發(fā)熱、治療痢疾，具有消腫、清熱解毒的效果[10]，主要的化合物如表6所示。

表5 馬齒莧主要化學(xué)成分分類(lèi)

表6 穿心蓮主要化學(xué)成分分類(lèi)

2.2 數(shù)據(jù)收集結(jié)果

針對(duì)5種清熱解毒中草藥的上述化學(xué)成分，在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索查找，確定了51種化合物的結(jié)構(gòu)式。利用所含環(huán)的數(shù)量對(duì)51種化合物結(jié)構(gòu)式進(jìn)行分類(lèi)，可分為1～5個(gè)環(huán)5種類(lèi)別（表7）。其中，含1個(gè)環(huán)的化合物13個(gè)，占25%；含2個(gè)環(huán)的化合物6個(gè)，占12%；含3個(gè)環(huán)的化合物13個(gè)，占25%；含4個(gè)環(huán)的化合物9個(gè)，占18%；含5個(gè)環(huán)的化合物10個(gè)，占20%（圖1）。

圖1 51種化合物所含環(huán)數(shù)量的比例圖

表7 51種化合物結(jié)構(gòu)式分別具有不同數(shù)量的環(huán)

2.3 化合物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)這五類(lèi)化合物的環(huán)的種類(lèi)和數(shù)量以及所含基團(tuán)的種類(lèi)和數(shù)量進(jìn)一步進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，相關(guān)信息見(jiàn)表8～12。

2.3.1 含1個(gè)環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析。針對(duì)本研究的5種中草藥，在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜集了13個(gè)含1個(gè)環(huán)的化合物結(jié)構(gòu)式（表8），它們分別為有機(jī)酸類(lèi)、酚酸類(lèi)、生物堿類(lèi)及含硫類(lèi)成分。其中環(huán)型為苯環(huán)的化合物12個(gè)，為五元雜環(huán)的化合物僅1個(gè)（表告依春）。在基團(tuán)情況方面，這些分子中分別含有羧基、羥基、氨基、甲氧基和酯基。上述含1個(gè)環(huán)的化合物多為有機(jī)酸類(lèi)。因此，在結(jié)構(gòu)上有8個(gè)分子含有1個(gè)羧基。除鄰氨基苯甲酸和表告依春外，所有分子都含有羥基，咖啡酸、原兒茶酸、沒(méi)食子酸、多巴胺及去甲腎上腺素等化合物中羥基數(shù)量較多。丁香酸和反阿魏酸中含有甲氧基。多巴胺、去甲腎上腺素等生物堿類(lèi)中含有氨基。2種酯類(lèi)含有酯基。這些單環(huán)化合物分子結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，分子中含有羥基、羧基較多，堿性基團(tuán)和其他基團(tuán)較少（圖2）。

圖2 含1個(gè)環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)特征

表8 含1個(gè)環(huán)的化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

2.3.2 含2個(gè)環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析。在數(shù)據(jù)庫(kù)中共搜集了5種中草藥的6個(gè)含2個(gè)環(huán)的化合物結(jié)構(gòu)式（表9），類(lèi)別分別為有機(jī)酸類(lèi)、黃酮類(lèi)、生物堿類(lèi)（吲哚生物堿）及香豆素類(lèi)。這6個(gè)含2個(gè)環(huán)的化合物都含有苯環(huán)，其中異甘草素含有2個(gè)苯環(huán)，其他環(huán)型分別還有六元環(huán)、五元雜環(huán)、六元雜環(huán)等。在基團(tuán)方面，除靛紅外其他5種分子都含有羥基，綠原酸、異甘草素及6,7-二羥基香豆素所含羥基更多一些；6,7-二羥基香豆素、傘形花內(nèi)酯及東莨菪亭這3種香豆素類(lèi)化合物當(dāng)中，則含有獨(dú)特的六元雜環(huán)及酯基。靛紅主要結(jié)構(gòu)含吲哚基，且有酰胺基團(tuán)；東莨菪亭另含有甲氧基。

表9 含2個(gè)環(huán)的化合物的結(jié)構(gòu)特征分析

2.3.3 含3個(gè)環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析。在數(shù)據(jù)庫(kù)中共搜集了5種中草藥的13個(gè)含3個(gè)環(huán)的化合物結(jié)構(gòu)式（表10），主要為有機(jī)酸類(lèi)、黃酮類(lèi)、木脂素類(lèi)及香豆素類(lèi)。其環(huán)型分別有苯環(huán)、六元環(huán)、五元雜環(huán)、六元雜環(huán)等，除穿心蓮內(nèi)酯外，都含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，數(shù)量1～2個(gè)不等，但以2個(gè)苯環(huán)的化合物居多；除異綠原酸B、穿心蓮內(nèi)酯及落葉松脂醇外，其余10個(gè)化合物都含有六元雜環(huán)；而穿心蓮內(nèi)酯與異綠原酸B含有1～2個(gè)六元環(huán)；穿心蓮內(nèi)酯、落葉松脂醇、佛手內(nèi)酯、異茴香內(nèi)酯中各含有1個(gè)五元雜環(huán)?；鶊F(tuán)方面，除佛手內(nèi)酯和異茴香內(nèi)酯外，都含有羥基，且整體數(shù)量較多，其中，又以異綠原酸B和楊梅素最多，各有6個(gè)羥基；此外有8個(gè)化合物當(dāng)中存在1個(gè)羰基（圖4）。

圖3 含2個(gè)環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)特征

圖4 含3個(gè)環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)特征

表10 含3個(gè)環(huán)的化合物的結(jié)構(gòu)特征分析

2.3.4 含4個(gè)環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析。在數(shù)據(jù)庫(kù)中共搜集了5種中草藥的9個(gè)含4個(gè)環(huán)的化合物結(jié)構(gòu)式（表11），它們主要為黃酮類(lèi)、生物堿類(lèi)（吲哚生物堿和喹啉生物堿）、連翹酯苷類(lèi)、木脂素類(lèi)及二萜內(nèi)酯類(lèi)成分。環(huán)的結(jié)構(gòu)方面，這9個(gè)化合物含有的環(huán)型有苯環(huán)、六元環(huán)、五元雜環(huán)、六元雜環(huán)等。除穿心蓮內(nèi)酯苷外，其余化合物都含有苯環(huán)，且數(shù)量均為2個(gè)；除木犀草苷及連翹酯苷A外，其他7個(gè)化合物都有五元雜環(huán)；穿心蓮內(nèi)酯苷則含有2個(gè)六元環(huán)。基團(tuán)方面，除色胺酮外其他8個(gè)化合物都含有羥基，連翹酯苷A最多，有9個(gè)羥基，木犀草苷含7個(gè)羥基，穿心蓮內(nèi)酯苷含6個(gè)羥基；羰基則主要存在于生物堿類(lèi)化合物中；板藍(lán)根甲素有2個(gè)酰胺基；松脂素和連翹脂素中含有甲氧基；木犀草苷、連翹酯苷以及穿心蓮內(nèi)酯苷含有醚鍵（圖5）。

圖5 含4個(gè)環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)特征

表11 含4個(gè)環(huán)的化合物的結(jié)構(gòu)特征分析

2.3.5 含5個(gè)環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析。在數(shù)據(jù)庫(kù)中共搜集了5種中草藥的10個(gè)含5個(gè)環(huán)的化合物結(jié)構(gòu)式（表12），它們主要為黃酮類(lèi)、萜類(lèi)皂苷化合物、連翹酯苷類(lèi)、木脂素類(lèi)、三萜類(lèi)與萜類(lèi)及甾醇類(lèi)。環(huán)的情況方面，其所含環(huán)型有苯環(huán)、五元環(huán)、六元環(huán)、五元雜環(huán)、六元雜環(huán)等。除蘆丁、連翹苷及連翹酯苷B外，其他化合物均含六元環(huán)，數(shù)量3～5個(gè)。基團(tuán)方面，除木栓酮外，這組化合物均含有羥基，其中連翹酯苷B有11個(gè)羥基、蘆丁有10個(gè)羥基；除連翹苷外，這組化合物也均含有甲基，且數(shù)量較多，最多的木栓酮含有8個(gè)甲基。另外，蘆丁和木栓酮各有1個(gè)酮基；連翹苷含有甲氧基（圖6）。

圖6 含5個(gè)環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)特征

表12 含5個(gè)環(huán)的化合物的結(jié)構(gòu)特征分析

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

被分析的5種中草藥的51個(gè)活性化合物屬類(lèi)眾多、各具特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上的規(guī)律并不明顯，但是依然可以總結(jié)出一些共性特征。

首先，環(huán)狀結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)在了這些化合物中，盡管在數(shù)量上會(huì)有不同，在種類(lèi)上也有苯環(huán)、五元環(huán)、六元環(huán)、五元雜環(huán)、六元雜環(huán)等差異，雜環(huán)中還含有N、O、S等不同原子。無(wú)論如何，環(huán)狀結(jié)構(gòu)在所有被分析的51種主要活性化合物中都是存在的。這可能表明，這些分子在執(zhí)行生物功能的時(shí)候，環(huán)型結(jié)構(gòu)在適應(yīng)其功能的時(shí)候是必不可少的?？赡茏鳛槭荏w、酶、糖蛋白等生化大分子識(shí)別這些分子的特征性結(jié)構(gòu)。

其次，羥基在上述分子中廣泛存在，明顯多于其他各類(lèi)基團(tuán)。環(huán)的數(shù)量越多能容納的羥基數(shù)量也越多。羥基是最簡(jiǎn)單的一種基團(tuán)，也是一種十分重要的極性基團(tuán)，能夠形成氫鍵、酯鍵，也是羧基、酚等結(jié)構(gòu)的重要組成部分。在上述中草藥中，活性功能較為常用的幾種化合物如金銀花中的綠原酸、木犀草苷、蘆丁、槲皮素，連翹中的連翹酯苷，穿心蓮中的穿心蓮內(nèi)酯苷，馬齒莧中的楊梅素等，都含有較多的羥基。這可能表明其活性功能與羥基有著較為重要的聯(lián)系。但是根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)，也發(fā)現(xiàn)板藍(lán)根中的一些主要作用成分如：生物堿類(lèi)化合物靛玉紅、色胺酮、靛紅、靛藍(lán)等化合物中含有的羥基不多。這可能表明板藍(lán)根活性成分的主要作用方式和其他化合物有一定的區(qū)別。

另外,本研究中的51種化合物中，也發(fā)現(xiàn)了一些其他規(guī)律。例如：當(dāng)環(huán)的數(shù)量較少，如1～3個(gè)環(huán)時(shí)，則分子中苯環(huán)出現(xiàn)的頻率和數(shù)量均較多。但隨著環(huán)數(shù)量的增加，苯環(huán)的重要性似乎逐步減弱，其他類(lèi)別的環(huán)出現(xiàn)的頻率和數(shù)量隨之增加。而在5個(gè)環(huán)的分子中，六元環(huán)已經(jīng)顯著成為分子中主要的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。另外，在5個(gè)環(huán)的分子中，甲基數(shù)量也突然大量增加。而且六元環(huán)和甲基數(shù)量的增加呈現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢(shì)。

3.2 討論

對(duì)本實(shí)驗(yàn)室常用的5種實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中草藥的51種化合物分子進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的比較和統(tǒng)計(jì)分析，得出了一些結(jié)論。但是分析中也存在一些不足之處。首先，本研究選取的植物種類(lèi)和化合物樣本數(shù)量還不夠多，得出結(jié)果的代表性有待于進(jìn)一步完善。中草藥的藥理特點(diǎn)多使用中醫(yī)中藥學(xué)原理方法進(jìn)行解釋?zhuān)⑶矣捎谄涑煞謴?fù)雜，難以對(duì)起到關(guān)鍵作用的化合物進(jìn)行確認(rèn)?？汞懠驳那噍锼氐挠行褂茫侵兴幓钚苑肿娱_(kāi)發(fā)利用的里程碑，希望有更多的中藥活性分子像青蒿素那樣被更好地利用。了解常用中草藥中主要活性分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用的先決條件。今后，還應(yīng)進(jìn)一步加大對(duì)此類(lèi)活性分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析研究力度，尋找某一類(lèi)相同功效分子的共性特征。其次，分子結(jié)構(gòu)的分析未與功能相結(jié)合。本研究的最終目的，還是要進(jìn)一步了解分子結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系。但是本研究著重分析統(tǒng)計(jì)了51種化合物的結(jié)構(gòu)特征，未與其功能進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這是后續(xù)研究應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。另外，還可以進(jìn)一步探討這些化合物分子的空間結(jié)構(gòu)。本研究主要統(tǒng)計(jì)了這些分子中環(huán)和基團(tuán)的種類(lèi)和數(shù)目，但是這些分子要起作用，還需要有一個(gè)適宜的空間結(jié)構(gòu)。因此，在后續(xù)研究中，還可以結(jié)合分子功能和受體，去了解這些分子的空間結(jié)構(gòu)及基團(tuán)位置對(duì)功能的影響。