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摘要：近年來天然藥物有效成分治療糖尿病因具有療效好、毒副作用小并且應用前景佳的特點而備受關注。本研究將對4種常見具有治療糖尿病作用的天然成分多糖類、黃酮類、生物堿類和皂苷類的構效關系進行歸納總結,為尋找新型藥物或相關構效研究提供參考。

關鍵詞：多糖;黃酮;生物堿;皂苷;構效關系

糖尿病在中醫范疇內又被稱為“消渴癥”,是因胰島素分泌的絕對或相對不足引起的代謝性疾病,嚴重影響人類健康和生存質量。長期服用傳統治療糖尿病的西藥會造成肝腎損傷、胰島素抵抗等后果,給患者帶來困擾,因此近年來國內外大量的研究目光轉向于尋找天然藥物中含有的具有治療糖尿病及其并發癥的有效成分,其中以多糖類、黃酮類、生物堿類、皂苷類等報道最多。天然藥物有效成分治療糖尿病的作用機制廣泛,主要途徑為抑制小腸中各種α-葡萄糖苷酶、降血糖、降血脂、改善胰島素抵抗、提高細胞抗氧化能力、改善糖耐量等〔1〕,本研究就這4種天然成分治療糖尿病的構效關系的有關文獻報道進行歸納綜述。

1多糖類成分

多糖由10個以上單糖彼此之間脫水、縮合,以α或β構型的糖苷鍵連接而成,根據其組成可分為同多糖和雜多糖,目前研究較多的中藥知母、香菇、薏苡仁、桑葉、茶葉等降血糖植物多糖的基本上都是雜多糖。

1.1一級結構

多糖的分支度、糖苷鍵類型和糖基組成成分、取代基團的差異都會對多糖的活性產生影響。

1.1.1多糖的分支度的影響:活性多糖的分支度對多糖的活性發揮存在一定程度的影響,具有活性的(1,3)-β-D-葡聚糖支鏈的分支程度在0.015~0.750之間,但集中分布在0.20~0.33區間范圍的多糖生物活性相對更強一些〔2〕。多糖的分支度或可在一定程度上影響其生物活性發揮的途徑。比如人參多聚糖panaxanA和B,二者結構非常相似,而且都具有降血糖的作用。但由于它們分子量和分支度相差較大,它們的降血糖機制因此產生差異〔3〕。對糖單元支鏈的修飾可能是改變了多糖的溶解度,又或是取代基引入產生的氫鍵作用力影響了高級構象而引起活性的變化。

1.1.2糖苷鍵類型和糖基組成成分的影響:糖苷鍵的類型和多糖組分的差異會影響多糖的生物活性。人們普遍認為,大部分活性多糖都是以1→3鍵型糖苷鍵連接,比如上文提到的具有降血糖作用的人參多聚糖panaxanA的糖苷鍵類型就是1→3連接。此外部分以1→6、1→2糖苷鍵連接的多糖也常表現出活躍的生物學活性,而以1→4鍵型連接的多糖則很少有活性,以沒有生物學活性的淀粉為例,其主鏈即以1→4鍵型糖苷鍵連接葡聚糖。此外,還有學者通過研究發現具有β立體構型的多糖比α型多糖更能表現生物活性。Lo等〔4〕采用MultipRegression法對香菇多糖糖基組成成分及摩爾比這兩個因素對其生物活性發揮的影響進行了研究。發現組成的單糖Arabinose(樹膠醛糖)、Xylose(木糖)、Mannose(甘露糖)和Galactose(半乳糖)組分摩爾比與其生物活性的發揮有著緊密聯系,而其中的葡萄糖對此影響甚微。

1.1.3取代基團的影響:朱振元等〔5〕對從古尼蟲草菌絲粉中提取的多糖進行結構修飾,硫酸酯化后分別用鄰苯三酚法、Feton法對其進行抗氧化能力測定,發現修飾后的多糖對O2-•、DPPH•、•OH的清除能力大大提高,提示了硫酸根基團對抗氧化能力的關鍵作用。王元鳳等〔6〕在對茶多糖降血糖作用的研究中發現中性茶多糖NTPS、酸性茶多糖ATPS都具有顯著的降血糖作用;NTPS經硫酸酯化后,降血糖活性顯著提高,表明降血糖活性可能與硫酸酯基有關;ATPS與不同的金屬離子絡合后,降血糖活性發生不同的改變,推測可能與活性位點被金屬離子占據,空間結構發生改變有關。另外有學者發現黏性多糖中CH3-CO-的存在會抑制秋葵黏質F和車前子黏質A的降血糖活性,經過脫乙酰化處理之后二者活性都有所增加〔7〕。

1.2高級結構

多糖的結構可分為一到四級,學術界普遍認為多糖的高級結構比一級結構更能影響活性。但由于目前技術的限制,缺乏表征多糖高級結構的手段〔8〕。杜柯等〔9〕用季銨鹽分級沉淀法和凝膠柱層析法從柴胡的粗多糖中分離出兩種雜多糖,分子量分別為320kD、330kD,二者均不具備3股螺旋立體結構,但仍然表現出了較強的還原性以及清除O2-•、抗脂質過氧化的能力。從金線蓮中提取的多糖有較長的側鏈和分支,亦不具備3股螺旋立體結構,同樣表現出較強的抗氧化活性和α-葡糖苷酶抑制活性,并可改善糖尿病小鼠血清中的脂質代謝、降低動脈硬化指數并可保護造模時產生的胰腺、腎臟等處病理損傷癥狀〔10〕。相反的例子是具有β-3股繩狀螺旋立體結構的香菇多糖,用二甲基亞砜處理之后變成了單柔性鏈,空間構象被破壞令其生物活性大幅度下降〔11〕。

1.3理化性質

1.3.1溶解度:多糖的溶解度與其生物利用度密切相關,許多水不溶性的多糖經過結構修飾后得到了更加廣泛的應用。王建國〔12〕對從靈芝的子實體中分離出的不溶于水的多糖用硫酸酯化、羧甲基化法引入分支,得到水溶性靈芝多糖S-GL和CM-GL,用FRAP法測定其體外抗氧化活性,發現抗氧化能力維生素C相當。目前增強多糖溶解度的方法原理主要是減弱分子間氫鍵作用力或降低其分子質量,例如硫酸化法、磺酞化法、羧甲基化法、水解法、酶解法以及超聲波降解法等,Sandula等〔13〕利用羧甲基化法、超聲波降解技術對從啤酒酵母和黑曲霉中分離提取出的β-1,3-D-葡聚糖進行處理后得到小分子量的多糖衍生物,因其水溶性明顯升高而得到了更廣泛的臨床應用。有學者認為以β-1,6連接的支鏈可以使由葡萄糖組成的多糖具有活性,是因為該支鏈與多糖具有水溶性有關。

1.3.2分子量:多糖要保證其生物活性必須要有適合的分子大小,這也許與保證了其高級結構構象有關。多糖分子過大過小都不利于其活性的發揮。分子量越大的多糖體積越大,其跨膜阻力也將隨之增大,分子量太小將無法形成具有活性的高分子結構。趙雪等〔14〕從海帶中提取制備出不同分子量的海帶多糖,發現分子量為6000<M<15000的低硫組分清除O2-•、•OH的能力高于大分子量的高硫組分。多糖的最佳活性發揮有賴于最適分子量,如相對分子質量為9000左右的Dextranum呈現出生物活性,一旦增大或減小其分子量,則活性消失。因而可知,適當的相對分子質量是多糖具有生物活性的保證。

2黃酮類成分

黃酮類化合物是指結構母核為2-苯基色原酮的一系列化合物,即帶有酚羥基的苯環A、B環通過C環的3個碳原子連接,存在于絕大多數植物體內。目前黃酮類化合物治療糖尿病及其并發癥的主要機制有清除氧自由基、抑制醛糖還原酶活性、抑制α-葡萄糖苷酶、降血糖、調節物質代謝等。

2.1清除氧自由基的構效關系

2.1.1A環:天然黃酮類化合物A環的羥基取代在黃酮抗氧化、清除自由基的過程中起了一定的作用,取代通常發生在C-5位和C-7位,且鄰苯二羥基活性往往大于間位羥基取代或單取代。高中洪等〔15〕用電子自旋共振法對黃芩素、黃芩苷等4種黃酮的抗氧化作用能力進行研究,發現A環含有鄰二酚結構的黃芩素和黃芩苷比結構中A環只有5位羥基單取代的漢黃芩素和漢黃芩苷具有更強的自由基清除活性。Ameha等〔16〕對多種天然及半合成的黃酮類化合物的抗氧化活性進行測定,發現當黃酮A環和B環上有2-3個鄰位羥基取代時比單取代或間位取代時抗氧化活性強得多。Rice-Evans等〔17〕在對芹菜素、柚苷配基和山柰酚抗氧化性的研究中發現,假如B環上只有一個酚羥基,且C環的結構差異不影響黃酮的抗氧化活性,則主要依賴A環上的C-5、C-7位羥基。趙靜等〔19〕在對槲皮素、楊梅素、葛根素等6種黃酮化合物的研究中亦發現,只在C-7位上連有羥基的葛根素,其抗氧化活性弱于槲皮素和楊梅素,它們的差別在于后二者結構中除了有C-7位羥基取代,C-5位上也連有羥基。清除過氧化亞硝酸鹽自由基實驗也表明了A環上C-5、C-7位給電子取代基團可以提高黃酮其清除自由基的活性〔19〕。另外,有實驗表明A環上的碳糖苷會降低黃酮的抗氧化能力,可能是因為空間位阻的關系屏蔽了B環上羥基的抗氧化作用〔20〕。

2.1.2B環:許多研究表明,B環上的羥基對黃酮清除自由基能力起了關鍵作用,尤其是當B環具有3',4'-鄰苯二酚結構時,其活性大于間位羥基取代或單羥基取代。王俏等〔20〕對茶多酚、蘆丁、柚皮苷、黃芩苷4種單體物質的抗氧化測定,發現茶多酚與蘆丁都有鄰二羥基,柚皮苷有一個羥基,黃芩苷沒有羥基,四者清除O2-•的能力為茶多酚和蘆丁最強。說明可能是黃酮類單體物質結構的B環上的羥基數目和B環上有鄰二羥基結構使其抗氧化活性增強。趙靜等〔18〕的實驗結果也表明,槲皮素和楊梅素在6種黃酮化合物中表現出的清除O2-•的能力較強,而它們的共同點是都具有3',4'-鄰苯二酚結構。

2.1.3C環:黃酮C環在抗氧化活性的構效研究中最被關注的是C-2,3位雙鍵、C3羥基取代和毗鄰的C4位羥基取代,但至今沒有其絕對相關性的統一說法。4',5,7-三羥基黃酮C-2,3雙鍵在發生氫化反應后其抗氧化活性顯著降低,證明C-2,3雙鍵對抗氧化活性有一定的影響〔21〕。理論上C環2,3位雙鍵與毗鄰的C-4位羥基共軛,電子得以分散利于骨架的共振穩定性。王俏等〔20〕的實驗表明4個多酚單體中只有茶多酚的C環帶有C-3位羥基,而茶多酚則在實驗中表現出了最強的清除自由基活性,因此認為C環上的活性中心是C-3位羥基。在不同的反應體系中C環C-3位羥基糖苷化后會使黃酮類化合物的水溶性增強,抗氧化能力也增強。理論上C-3位上的羥基與C-2,3位雙鍵可形成二酮結構,產生-CH-活潑基團從而具備活性,不飽和碳環延伸了A、B環的共軛體系,電子離域作用更強,苯氧自由基(phenoxyradical)更加穩定,使其抗氧化活性更為顯著而活性骨架中心的吡喃環不同環境下的氧化狀態對黃酮生物活性有影響〔22〕。

2.2抑制醛糖還原酶活性的構效關系

大量的研究發現甲基羽扇豆異黃酮、脫氫粗毛甘草素、甘草黃酮等黃酮化合物對醛糖還原酶活性都有抑制作用,它們的共同點是具有吡喃環異戊烯基結構,提示具備此結構的黃酮可能對醛糖還原酶有抑制作用。Haraguchi等〔25〕發現Isorhamnetin3,7-二硫酸鹽具有較強的抑制醛糖還原酶活性,除去C-7位硫酸鹽后抑制活性降低,除去C-3,C-7位硫酸鹽則抑制活性進一步降低,提示硫酸根基團對黃酮類化合物抑制醛糖還原酶作用的重要性。2.3降血糖活性的構效關系Hong等〔24〕發現2,3,4-三羥基苯甲酞結構對黃酮類化合物降血糖活性具有重要作用,實驗表明6-氨基-5,7-二羥基黃酮對α-Glucosidase活性具有一定的抑制作用,證明2-氨基間苯二酚結構對黃酮降血糖活性為有利結構。除此之外,有數據表明,超過80%的黃酮類小分子與受體之間可以形成氫鍵,而其中又有60%的可能發生在分子結構中殘基與C-3,C-4,C-7位羥基之間,因此有學者猜測殘基和羥基也許也是參與黃酮類化合物降血糖活性的活性基團〔25〕。

3生物堿類成分

生物堿是一種來源于動植物的含氮有機化合物,它們大多具有復雜的環狀結構,特點是有N原子環合。多呈堿性且許多生物堿都表現出明顯的生理活性而被廣泛運用到臨床上。由于生物堿的結構分類眾多,因此很難對所有生物堿的結構特點進行歸納總結,目前研究相對較多的對糖尿病及糖尿病后遺癥具有治療作用的生物堿主要是異喹啉類生物堿中的小檗堿(Berberine)。從中藥黃連里分離提取出的小檗堿是一種異喹啉類生物堿,其在治療糖尿病方面的研究取得的進展相當顯著。有大量實驗表明,小檗堿治療糖尿病的主要機制為改善胰島素受體表達、提高胰島素敏感性、促胰島素釋放、促進糖代謝等。目前對小檗堿降糖活性的構效關系研究主要集中在以下幾點:

3.1A環上C2和C3位間形成的亞甲二氧基

Bi-an等〔26〕在研究小檗堿衍生物與其降糖作用的構效關系時發現,小檗堿A環C2、C3位上的亞甲二氧基在小檗堿與胰島β細胞膜結合時發揮重要作用,結果表明,當亞甲二氧基環被氧化后,小檗堿將失去與β細胞膜結合的能力。另外Victor等〔27〕認為小檗堿中C2、C3位上的亞甲二氧基團較活潑,容易發生氧化還原反應,因此是小檗堿化生物活性發揮的關鍵基團。

3.2D環上的甲氧基取代

Turner等〔28〕發現當小檗堿D環C9、C10被甲氧基取代或無取代時,降糖活性升高,當C9、C10、C11引入單一甲氧基或者芐氧基時,降糖活性降低。用過氧亞硝酸根(ONOO-•)誘導了小鼠腎小管上皮細胞的損傷,并用六種異喹啉類生物堿進行治療,可發現D環中C-9、C-10上含亞甲二氧基的Coptisine和magnoflorine對細胞損傷表現出抑制作用〔31〕。馬航等〔30〕對從黃連中提取的5種生物堿進行了降血糖的活性測定,發現同樣在A環上有兩個亞甲氧基取代的小檗堿和黃連堿表現出不同的降血糖能力,原因在于黃連堿D環中C-9、C-10上為亞甲二氧基,而小檗堿為甲氧基。

3.3N-7位引入取代基

分別在N-7位上引入烷基和苯基形成N-烷基和N-苯基季銨鹽,二者對胰腺β-細胞膜表現出的親和性相差很大,當取代基為-CH3或-CH2-時并不變現出親和性,這可能是N-7原子的靜電效應被烷基鏈屏蔽掉的緣故;取代基為苯基時生物堿表現出較高細胞膜親和性,或與化合物的疏水性有聯系〔31〕。

3.4具有正電荷的季銨氮原子

Bian等〔26〕用KBH4將季銨結構芳環碳原子還原為叔胺結構小檗堿衍生物,其與β-胰腺細胞膜的親和性隨之消失，提示具有正電荷的季銨氮原子對兩者的結合關系密切。除此之外,劉巧珍〔32〕合成了桑葉中一種哌啶生物堿Fagomine的同分異構體,并進行了體外α-葡萄糖苷酶抑制活性測定,認為N原子上的取代是影響活性的關鍵,當以H原子取代時表現出最強的抑制性。有大量的文獻報道從多種中草藥植物中發現的非異喹啉類生物堿比如葫蘆巴堿、益母草堿、7-脫氧-6-表栗樹精胺等生物堿均有降血糖而治療糖尿病的作用,由于生物堿的結構分類眾多而缺乏共同性,本研究對其他結構類型生物堿治療糖尿病構效關系的研究不做總結。

4皂苷類成分

皂苷是一類由糖基與三萜類或甾體類苷元連接的糖苷類化合物,廣泛分布于大自然,在高等植物如人參、知母以及如海參、海星等海洋棘皮動物中更為常見。按照結構分類,皂苷又可分為三萜皂苷和甾體皂苷,其中三萜皂苷常含羧基多呈酸性,比甾體皂苷更為常見,許多關于皂苷治療糖尿病的現代研究也更多地集中在三萜皂苷上。競爭性抑制腸道中的α-葡萄糖苷酶,可以在不刺激胰島β細胞分泌胰島素的情況下減緩淀粉轉化為葡萄糖的速度和吸收。另外,許多糖尿病的并發癥如白內障等都是由于醛糖還原酶在人體內對葡萄糖催化導致多器官內山梨醇含量的異常升高導致。而三萜皂苷類成分可以通過抑制α-葡萄糖苷酶、醛糖還原酶來改善葡萄糖耐量和胰島素抵抗等機制達到治療和預防糖尿病及其后遺癥的目的,目前相關的構效關系研究成果主要集中在三萜皂苷C-3位和C-28位的糖基取代上。洪良健〔33〕從楤木和太白楤木中分離出15個皂苷單體并以抑制α-葡萄糖苷酶、α-淀粉酶的活性和抗氧化、糖基化的活性為指標進行了抗糖尿病活性體外篩選。發現只有當皂苷苷元C-3位連接6'-COOH游離的葡萄糖醛酸時皂苷表現出α-葡萄糖苷酶抑制性,并推斷其為活性必需基團,另外,當C-28位上葡萄糖基的丟失或苷元上存在雙鍵時都不利于皂苷抑制α-葡萄糖苷酶、α-淀粉酶活性的發揮。孫婧〔34〕采用匯聚式合成法合成了5個齊墩果烷型的三萜皂苷,發現齊墩果酸C-3位-OH連接雙糖或乳糖構象時相對連接單糖或纖維二糖時表現出更強的體外抑制α-葡萄糖苷酶活性,另外,當C-28位-OH只連接一個葡萄糖比連接雙糖更利于提高其抑制活性。然而,簡偉杰〔35〕采用分子對接的方式,對51個皂苷化合物進行了與醛糖還原酶結合能力及方式的探究,認為齊墩果烷型皂苷母核C-28的單糖取代并不利于皂苷化合物與醛糖還原酶的結合,同時他發現三萜皂苷環黃芪醇母核C-3位、C-6位上是單糖取代時比雙糖取代時皂苷與醛糖還原酶的結合能力更強;Ocotillol構型的三萜皂苷也是當C-6位上是單糖取代時活性更強,但原人參三醇型皂苷相反。皂苷與醛糖還原酶的結合方式為疏水作用、氫鍵作用、p-π共軛、靜電作用。結合能力于皂苷的取代基位點、類型、數目有關,當取代基超過3個時,大部分皂苷將失去和與醛糖還原酶結合的能力。此外,Yao等〔36〕首次從圓錐石頭花Gypsophi-lapaniculata的根中分離出兩個新型三萜皂苷caryopyllacosidesA和B,并對其進行了體外α-葡萄糖苷酶抑制活性的測定,發現二者比acarbose表現出的抑制活性更強,從結構分析中推斷糖鏈中的對甲基-桂皮酰基methoxycinnamoylgroup或為抑制活性的關鍵基團。

5結語與展望

化合物的結構與其生物活性有直接關系,因此通過對其結構進行研究改造是尋找其活性發揮關鍵的重要手段。糖尿病及其并發癥的發病機制十分廣泛,研究各種化合物的結構與活性之間的關系,有助于尋找一種新的糖尿病治療藥物,從天然藥物中發現的有治療糖尿病作用的有效成分非常之多,且因療效高且毒副作用小而備受關注,目前國內外在這一方面對提取工藝以及藥理研究方面取得很多進展,但是構效關系這方面仍等待進一步深入研究。

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作者：麥嘉妮；徐暉；梁潔；黃春燕；金青青 單位：廣西中醫藥大學藥學院