天然黄酮类化合物及其衍生物的构效关系研究进展

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药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2011, 46 (6): 622?630

天然黄酮类化合物及其衍生物的构效关系研究进展
钟建青 1, 李 波 2, 贾 琦 1, 李医明 1, 朱维良 2*, 陈凯先 1, 2*
2. 中国科学院上海药物研究所药物发

现与设计中心 , 上海 201203)

(1. 上海中医药大学中药学院, 上海 201203;

摘要 : 天然黄酮类化合物是广泛分布于自然界的一大类化合物 , 已有文献报道其具有抗癌、抗氧化、抗炎、 保肝、抗血栓形成、舒张血管、抗病毒、抗菌和抗过敏等多种药理活性。但该类化合物因溶解度差、生物利用度 不高等自身缺点而限制了临床上的广泛应用。目前国内外许多课题组选择以天然黄酮为研究对象 , 通过结构改 造研究其针对不同生理活性的构效关系 , 力求克服其自身缺点 , 开发出一批具有新颖结构的黄酮类药物的先导 化合物。本文总结分析了近几年该类化合物构效关系的研究进展 , 期望为黄酮类衍生物的设计合成提供参考。 关键词: 黄酮类化合物; 衍生物 ; 构效关系 中图分类号 : R916 文献标识码: A 文章编号: 0513-4870 (2011) 06-0622-09

Advances in the structure-activity relationship study of natural flavonoids and its derivatives
ZHONG Jian-qing1, LI Bo2, JIA Qi1, LI Yi-ming1, ZHU Wei-liang2*, 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, China)

Abstract: Flavonoids are a large class of 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 research 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 for 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 relationship

黄酮类化合物 (flavonoids, 图 1) 是一类多酚类 抗氧化剂, 是葛根、补骨脂、黄芩、银杏、沙棘、槐 米等临床常用中药材的主要活性成分。 该类化合物不 仅数量众多, 而且结构复杂, 具有许多重要的生理活 性, 如抗氧化、抗癌、抗炎、抗菌、抗病毒、抗过敏、 抗糖尿病并发症等 , 特别是异黄酮类化合物作为天 然雌激素 , 在治疗妇女更年期综合征方面已经得到
收稿日期 : 2010-11-05. 基金项目 : 国家 “重大新药创制” 科技重大专项资助项目 (2009ZX09311). *通讯作者 Tel: 86-21-50806600-1205, E-mail: wlzhu@mail.shcnc.ac.cn

了较好的应用[1]。

图1

黄酮类化合物基本骨架结构

天然黄酮类化合物虽然生理活性丰富并且广泛 存在于自然界 (图 2), 但因其溶解性差、生物利用度 不高等缺点而限制了它们的临床应用[2, 3]。因此对自

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然界含量较高的天然黄酮进行半合成的结构修饰 , 使之达到成药要求 , 是合理开发利用该类化合物的 一条重要途径, 并且该方法具有原料来源丰富、化学 合成步骤少、生产成本相对较低等优势。因此, 国内 外许多课题组都选择以天然黄酮为研究对象 , 通过 结构改造和优化研究其针对不同生理活性的构效关 系 , 以求开发出一批具有新颖结构的黄酮类药物的 先导化合物。

文献报道也较多, 涉及肿瘤细胞的生长、凋亡等各个 过程, 与许多肿瘤细胞相关信号分子有关。 Plochmann 等[4]测定了 23 种不同的黄酮类化合 物在人白血球细胞系 Jurkat E6-1 的细胞毒性。实验 推测出以下结论: ① C 环 4 位羰基和 2 位、3 位间的 双键是诱导肿瘤细胞毒性的活性结构 ; ② A 环上各 位点的甲氧基取代或者葡萄苷酸化可使所测化合物 的肿瘤细胞毒性显著提高。该实验所测 23 种黄酮化 合物中, 黄腐酚 (xanthohumol) (图 3) 的肿瘤细胞毒 性最强, 其在 A 环 6 位上接有异戊二烯取代基, 该取 代基提高了化合物的亲脂性 , 使其更易跨过生物膜 , 从而具有更高的细胞毒性。

图3

肿瘤细胞毒性最强的化合物黄腐酚

Cárdenas 等[5]测定了 8 种天然黄酮类化合物、桂 皮酸及其 3 个衍生物和 20 个人工合成的黄酮类化合 物对人 HeLa、KB、MCF-7、SKMEL-28 和鼠 F3II、 LM3、LP07、 B16-F0 细胞的体外抗增殖活性, 发现 咖啡酸丁酯 (caffeic acid butyl ester) 、咖啡酸乙酯 (caffeic acid ethyl ester)、 2'-硝基黄酮 (2'-nitroflavone)、 2', 6- 二 硝 基 黄 酮 (2', 6-dinitroflavone) 、 芹 菜 黄素 (apigenin) ( 图 4) 具有较强的抗肿瘤细胞增殖活性 ,
图2 黄酮类化合物 7 种主要结构母核

并且这一系列黄酮类化合物均具有选择性作用在肿 瘤细胞上的特点 , 对于正常细胞株不表现抗增殖活 性。进一步分析这一系列化合物的构效关系发现: ① 对于天然黄酮类化合物, B 环 4' 位羟基是活性必需基 团, A 环 5 位和 7 位甲氧基取代会降低其活性; ② 对 于人工合成的黄酮类化合物, A 环 6 位的 Cl 或 Br 原 子取代的化合物具有中等强度活性 , 在此基础上 B 环 2' 位引入 F 原子可以使其活性增强并且改变其在 不同细胞系间的选择性; ③ B 环 2' 位的硝基取代可以 大大提高活性, 其次为 4' 位硝基取代。 López-Posadas 等[6]采用休眠的和伴刀豆球蛋白 A (concanavalin A) 激活的鼠脾细胞作为模型, 研究 了 9 种不同结构的黄酮类化合物和 5 种多酚类黄酮 化 合 物对 白细 胞 的生 存、 增 殖以 及对 环 氧化 酶 2 (cycloxygenaseⅡ)、诱生型一氧化氮合酶 (inducible nitric oxide synthase, iNOS)、促炎细胞因子 (TNF-a,

据文献报道 , 目前黄酮类化合物的结构修饰主 要集中在 C 环 2、3 位, A 环 5、6、7、8 位, B 环 2'、 烷 (氧) 基、 3'、 4' 位, 各种不同类型的取代基如卤素、 芳基、吡啶基、氨基、羧基、磺酸基、磷酸基等及其 他各种官能团均被引入 , 以此来丰富其种类和改善 其化学性质。本文依据不同的药理活性分类, 如抗肿 瘤 (anticarcinogenic)、抗氧化 (antioxidant)、抗炎症 (anti-inflammatory)、 抗血栓形成 (antithrombotic)、 舒 张 血 管 (vasodilating) 、 抗 病 毒 (antiviral) 、 抗 菌 (antisepsis) 等 , 总结分析近几年黄酮类化合物构效 关系的研究进展 , 期望为黄酮类衍生物的设计合成 提供参考。 1 抗肿瘤 (anticarcinogenic) 黄酮类化合物抗肿瘤活性最为引人注目。 国内外

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其可以选择性抑制 hCNT3, 抑制活性是 CNT 标准抑 制剂根皮苷 (phloridzin, IC50 25 ± 3.5 ?mol·L?1) 的 40 多倍; ② 查耳酮类化合物可以中等强度选择性抑 制 hCNT3 。 通 过 三 维 定 量 构 效 关 系 研 究 方 法 (3D-QSAR) 分析推出: ① 黄酮和异黄酮类化合物苯 并吡喃酮母核 A 环 7、8 位的羟基是抑制 hCNTs 的
图4 抗肿瘤细胞增值活性较强的化合物

活性基团; ② 静电作用、 疏水性、 氢键供体性质对黄 酮类化合物与 hCNTs 间的相互作用影响较大 ; ③ 3D-QSAR 研究结果表明在黄酮和核苷这两类化合物 与受体 hCNT 结合位点处氢键相互作用具有相似性, 提示今后黄酮类化合物可作为最有潜力的非核苷类 CNT 选择性抑制剂深入研究。 乳腺癌耐药蛋白 (breast cancer resistance protein, BCRP) 是新近发现的一种肿瘤耐药相关蛋白。 Zhang 等[8]研究了 5 个系列的 25 种黄酮化合物与 BCRP 相 互作用的构效关系并建立了定量构效关系方程 , 结 果发现 C 环上的 2, 3 位双键、B 环连接在 2 位、5 位 羟基、3 位无羟基以及在 6, 7, 8 位或 4' 位引入疏水取 代基都能促进黄酮化合物与 BCRP 的相互作用。 PIM-1 蛋白是 pim-1 肿瘤基因的产物, 属于丝氨 酸 /苏氨酸激酶。 PIM-1 蛋白失调与人恶性肿瘤淋巴 瘤、白血球过多症、前列腺癌等发病过程密切相关。 Holder 等[9]用 15 种黄酮化合物作为 PIM-1 蛋白抑制 剂, 采用 3D-QSAR 研究方法建立了一个比较分子场

IFN-g, IL-2) 表达的影响。结果显示所测黄酮类化合 物都具有较强的抗白细胞增殖作用, 实验测得槲皮素 (quercetin)、木犀草素 (luteolin) 和芹菜素 (apigenin) (图 5) 能显著抑制细胞因子分泌。 通过对黄酮类化合 物的构效关系分析发现: ① C 环 2, 3 位间双键、B 环 C 环 3 位和 A 环 5 位的羟基可以增强活性; ② 3', 4' 位、 B 环取代位置变化 (2 或 3 位) 对活性影响不大; ③ C 环 3 位糖基化使活性几乎完全丧失。

图5

抑制细胞因子分泌活性较强的化合物

分析 (CoMFA) 模型 , 预测黄酮类化合物与 PIM-1 蛋白结合时的立体和静电化学性质。实验结果表明 : ① 由于 PIM-1 蛋白结合位点处存在空间阻碍作用, 平面型分子更容易与 PIM-1 蛋白结合; ② A 环 8 位正 电性取代基和 B 环 4' 位负电性取代基可以促进黄酮 化合物与 PIM-1 蛋白活性位点的结合。 血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor, VEGF) 与肿瘤细胞血管生成有关。Anso 等[10] 研究了 20 种黄酮类化合物在 NCI-H157 细胞上对于 组织缺氧诱导的 VEGF 生成的影响。结果发现在较 低的微摩尔级浓度下, 芹菜黄素、木犀草素、漆树黄 酮 (fisetin) (图 6) 和槲皮素即可以抑制组织缺氧诱 导的 VEGF 表达。构效关系研究表明: ① A 环 5、7 位和 B 环 4' 位羟基是活性必需基团; ② B 环 3' 位羟基 取代不能抑制 VEGF 表达, 但能增加肿瘤细胞毒性; ③ 黄酮与黄酮醇较黄烷酮活性高出很多 , 这说明 C 环 2, 3 位间的双键对于活性非常重要。 醛酮变位酶 I (glyoxalase I, GLO I) 是甲基乙二 醛 (methylglyoxal, MG) 解毒作用的限速酶, 作为糖 酵解的副产物可以诱导细胞凋亡。 该酶通常在大多数

生理核苷和许多核苷类药物是亲水性分子 , 需 要依靠特异性的跨膜蛋白即核苷转运子 (nucleoside transporter, NT) 完成其跨膜转运。NT 具有调节机体 内信号核苷局部浓度的重要功能 , 此外其对于核苷 类药物吸收也起着关键作用。 NT 包括两个主要家族: ENT (equilibrative nucleoside transporters) 家族和 CNT (concentrative nucleoside transporters) 家族。其 中 CNT 家族的 hCNTs (human concentrative nucleoside transporters) 在慢性淋巴细胞白血病 (chronic lymphocytic leukemia, CLL) 细胞中病理性的过度表 达多发生于癌症患者体内并且影响抗代谢物质的化 学疗法, 目前仍然没有针对 hCNTs 的非核苷类特异 性抑制剂上市。 Wang 等[7]建立了稳定表达人 hCNT1、 hCNT2 和 hCNT3 的 PK15NTD (nucleoside transporter deficient) 细胞模型并测定了 100 个苯并吡喃酮衍生 物对人 hCNTs 的抑制作用。该实验发现: ① 黄酮类 化合物是高效的 hCNT2 和 hCNT3 抑制剂, 其中 6-羟 基-7-甲氧基黄酮活性最强 (IC50 0.57 ± 0.20 ?mol·L ),
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PTKs), 已经证实其在上皮细胞起源的许多肿瘤以及 表皮细胞增殖紊乱引起的疾病 ( 如银屑病 ) 中高水 平表达。Huang 等[12]半合成了 15 个新型槲皮素衍生 物——槲皮素-3-O-氨基酸酯 (图 8)。 该实验比较了槲 皮素及其新型衍生物对于 Src 和 EGFR 的选择性抑制 作用, 发现这一系列新型衍生物对于 Src 的抑制作用
图6 抑制 VEGF 表达的活性化合物

较槲皮素有所增强 (IC50 3.3～9.9 ?mol·L?1), 而其对 于 EGFR 的抑制作用较槲皮素有所减弱。 该实验采用 LIGPLOT 程序统计分析这些化合物与受体之间疏水 和氢键相互作用发现, 新型槲皮素衍生物与 Src 之间 平均有 14 个疏水作用、 3.5 个氢键作用; 与 EGFR 平 均有 9 个疏水作用、2.5 个氢键作用。结合生物实验 测定结果分析得出以下结论 : 疏水作用和氢键作用 对于不同激酶抑制活性强弱有重要影响 ; 疏水作用 和氢键作用数目越多, 对于激酶的抑制作用越强。

的肿瘤细胞里高表达, 但在正常细胞中含量较低。针 对 GLO I 这一特点, 可将 GLO I 特异性抑制剂设计成 有效的抗癌药物。Takasawa 等[11]测定了一系列同时 具有顺式 4 位羰基和 5 位羟基的平面型分子构型的天 然黄酮类化合物 (这一特殊结构与 GLO I 作用底物 MG/GSH (methylglyoxal/glutathione) 的过渡态具有 结构相似性) (图 7) 对 hGLO I (人醛酮变位酶 I) 的抑 制活性, 构效关系研究表明: ① B 环上的羟基取代可 以增强活性; ② C 环 3 位、A 环 7 位糖基取代降低活 性; ③ A 环 6 位羟基取代较甲氧基等其他基团取代活 性更高; ④ C 环 2, 3 位间的双键对活性贡献不大。研 究者还得出结论: 黄酮类化合物较已知的 hGLO I 有 效抑制剂 BBG (S-p-bromobenzylglutathione) 体外抑 制活性更高 , 但是对于 HL-60 白血病细胞抗增殖活 性却弱于 BBG, 这是由于该系列黄酮类天然产物的 生物膜透过率较低 , 非平面型分子的溶解度优于平 面型分子, 但平面型分子更加有利于与 GLO I 结合 位点结合, 这一矛盾使得 hGLO I 药物抑制剂设计产 生了一定的难度。

图8

Src 抑制活性较强的槲皮素-3-O-氨基酸酯

细胞色素 P450 (cytochromo P450, CYP450) 是肝 脏中参与药物代谢的最重要的一种多功能氧化还原 酶系。其中, CYP1A2 亚家族含量占 CYP450 总量的 13%, 参与代谢 5% ～ 10% 的临床常规药物 , 是近年 来药物代谢研究领域备受关注的热点之一。CYP1A2 参与代谢多种前致癌剂, 包括黄曲酶毒素、芳香化合 物、芳香胺和杂环胺等氨基化合物, 将其激活后生成 各种致癌性物质。因此深入研究 CYP1A2 抑制剂具 有重要的意义。Li 等[13]通过体外人肝微粒体法检测黄 酮类化合物对 CYP1A2 的抑制活性, 采用 3D-QSAR 研究方法研究不同类型的黄酮类化合物分子结构参 数与 CYP1A2 抑制活性之间的三维定量关系, 建立相 应的构效关系模型 , 分析了其抑制机制 , 结果表明 : ① 黄酮类化合物和受体蛋白 CYP1A2 的静电相互作 用对化合物的抑制活性起支配作用 ; ② 羟基取代基 的数目和位置对黄酮类化合物的活性有显著的影响 , 适当位置上两个羟基取代可以大大增强其抑制活性 , 而单羟基取代则使得化合物的抑制活性降低; ③ C 环 上 2 位和 3 位之间的碳碳双键变成单键, 破坏了黄酮 的共轭体系, 大大降低了其抑制活性; ④ 异黄酮 (B

图7

A: 黄酮类化合物 4 位羰基和 5 位羟基的平面构型; B:

MG/GSH 的过渡态

Src 是一个抗癌药物热门靶标, 属于非受体酪氨 酸激酶, 参与癌症早期上游信号转导, 可在乳房、 肺、 胃、结肠、食管、皮肤等几种人肿瘤中被激活。表皮 生长因子受体 (epidermal growth factor receptor, EGFR) 属于蛋白酪氨酸激酶家族 (protein tyrosine kinases,

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环接在 3 位) 对于 CYP1A2 的抑制能力远小于黄酮 (B 环接在 2 位); ⑤ 相对于黄酮, α-萘黄酮 (图 9) 的 π-π 共轭体系更有利于提高化合物的抑制活性, 在 α萘黄酮基础上, 6 位、3' 位、4' 位引入带正电基团或疏 水基团, 同时 5 位引入带负电基团, 能有效改善化合 物的 CYP1A2 抑制活性。

化合物清除自由基 DPPH 模型, 并采用软件 Gaussian 98W 和 Chem3D?计算了自由基生成热 ?Hf 和自旋密 度 , 实验推测 : ① 黄酮化合物基本骨架上羟基取代 基是清除自由基的活性基团 , 羟基的取代位置和取 代形式较取代基数目更能影响其活性。例如, 黄酮母 核 A 环和 B 环相邻位点两个或 3 个羟基取代较单羟 基取代和间位羟基取代活性大大提高 ; ② 对于黄酮 苷类化合物 , 黄酮苷元是活性基团 , 糖基无活性 ; ③ 羟基取代基清除自由基机制主要是通过电离出氢原 子中和氧自由基并且与已经电离的黄酮化合物结合 成二聚体, 防止逆向结合从而稳定的清除自由基。 Amaral 等[16]提取分离了两种临床常用治疗癌症 和炎症的药用植物 Geranium robertianum L.和 Uncaria tomentosa (Willd.) DC. 的 黄 酮 类 活 性 成 分 , 采 用 ABTS/HRP 和 DPPH ? 方法研究了黄酮类化合物抗氧 化活性与清除自由基功能的相关性 , 构效关系研究 发现这一系列天然黄酮化合物抗氧化活性的结构特 征 (图 11) 为: ① B 环 3', 4' 邻位二羟基取代; ② B 环 与 C 环 4 位羰基通过 2, 3 位双键产生共轭作用; ③ 3 位和 5 位羟基取代基和 4 位羰基之间的共轭作用。

图9

α-Naphthoflavone 的基本骨架结构

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抗氧化 (antioxidant) Cai 等 [14] 采用改进的 ABTS·+ 和 DPPH (2, 2-di-

phenyl- 1-picrylhydrazyl) 方法测定了 91 种天然黄酮 类化合物及其多种衍生物的清除氧自由基活性 , 这 些化合物均提取自具有抗癌相关活性的中草药。 该实 验发现这一系列天然黄酮类化合物清除氧自由基活 性差别较大 , 某些具有较强活性 , 某些似乎并无活 性。 对较强活性化合物 (图 10) 进行构效关系研究发 现 : ① 黄酮类化合物清除氧自由基活性的关键在于 其基本骨架上羟基取代基的数目和位置, 相邻位点的 羟基取代基数目越多活性越强 , 无羟基取代基则无 活性; ② A 环、B 环上的邻苯二羟基和 C 环 3 位的 -OH、-galloyl 取代基是重要活性基团; ③ 苯基色原 酮 (C6-C3-C6) 是基本活性骨架 , 骨架中心的吡喃环 氧化状态影响活性, C 环上的 2 位和 3 位间的双键和 4 位羰基共轭, 可以起到电子离域作用, 有利于骨架 结构稳定 ; ④ 羟基取代基的糖基化降低了黄酮类化 合物清除氧自由基活性 , 甲氧基取代也会降低黄酮 类化合物的活性; ⑤ 不同数目、 不同布局的取代基对 活性影响程度也不相同。 Seyoum 等[15]构建了 52 种天然和半合成的黄酮类

图 11

清除氧自由基活性相关 3 个结构特征

过氧化亚硝酸盐 (ONOO?) 是一种高毒性的氧 化和硝化基团 , 通过超氧化物和一氧化氮的相互作 用在机体内产生。 其在体内可以氧化或者亚硝基化生 物活性分子, 这种性质与一些疾病具有相关性。 Heijnen 等[17]通过清除过氧化亚硝酸盐自由基实 验得出结论 : ① 多酚类化合物清除自由基的活性受 苯环上给电子取代基影响显著; ② B 环 3', 4' 位羟基 取代并且 A、 C 环上同时具有 3, 5, 7 位 3 个羟基取代 基的黄酮醇类化合物具有最高的清除自由基活性; ③ C 环上的 3 位羟基基团是活性中心, A 环 5, 7 位给电 子取代基团可以促进其清除自由基活性。 Sadeghipour 等[18]研究了 11 种天然黄酮化合物抑 制过氧化亚硝酸盐诱导的酪氨酸硝化作用的构效关 系。实验测得一组最有效的天然黄酮类化合物: 儿茶 素、黄衫素、木犀草素、槲皮素和杨梅素, 这些化合

图 10

清除氧自由基活性最强化合物

物的共有结构是 B 环上的 3', 4' 位邻二羟基; 第二组

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较有效的天然黄酮类化合物是: 柚皮素、山柰酚和桑 黄素, 这些化合物的共有结构是 B 环上的 4' 位的羟基 取代基。比较以上两组化合物的抑制活性发现, 第二 组较第一组减弱了 50%, 由此推测这两组化合物可能 具有相同的活性必需基团, 即 B 环上的羟基取代。B 环上 3', 4' 位邻二羟基以及 4' 位单羟基取代是抗氧化 活性的重要活性基团, 但当 B 环 3' 位单羟基取代则使 活性较弱或者消失。 C 环上 2, 3 位双键和 4 位羰基则 较少影响活性。 Modak 等[19]从 Heliotropium sinuatum 树脂状渗 出液提取了黄酮类化合物 , 通过测定其抗氧化活性 并进行理论计算得出结论 : ① 黄酮类化合物分子骨 架上羟基取代基的数目和位置与抗氧化活性密切相 关, B 环上 3', 4' 位羟基取代的黄酮化合物活性最高, 这类化合物脱氢作用的 ?H 值最低; ② 根据自旋密 度图分析, C 环 2, 3 位双键有利于已形成自由基的共 振稳定性。 3 抗炎 (anti-inflammatory) 脂氧化酶 (lipoxygenase, LO) 抑制剂能保护血 脂免受因自由基引起的超氧化作用的破坏 , 从而具 有抗炎作用。 已经证实某些天然黄酮类化合物具有有 效的脂氧化酶抑制活性 , 但仅限于对天然存在的一 些黄酮化合物的实验 , 这些实验中的天然黄酮类化 合物缺乏足够的结构差异性 , 无法进一步分析黄酮 类化合物抑制 LO 的构效关系。 Vasquez-Martinez 等
[20]

图 12

hLO 抑制活性较强的化合物

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保护心血管 (cadiovascular protection) 黄酮类化合物因其保护心血管作用受到广泛关

以色原酮骨架作为模板 ,

注。 有文献报道黄酮类化合物可能是通过抗血栓形成 和舒张血管等机制起到保护心血管的作用。 到目前为 止 , 黄酮类化合物保护心血管的作用机制和构效关 系仍然没有完全被阐明。 流行病学研究和实验数据表 明日常饮食中摄入丰富的黄酮类化合物可以降低患 心血管疾病的风险。 4.1 抗血栓形成 (antithrombotic) Jiang 等[21]挑选 了多种蔬菜和中草药中具有代表性的 12 种天然黄酮 类 化 合 物 , 通 过 实 验 研 究 其 对 凝 血 激 酶 组 织 因子 (thrombocinase tissue factor, TF) 的抑制作用以及在 脂多糖 (lipopolysaccharide, LPS) 诱导的人单核细胞 里的抑制凝血活性, 分析了这 12 种天然化合物抑制 TF 活性的构效关系。结果发现: ① B 环 3' 位和 A 环 7 位的甲氧基取代可大大提高 TF 的抑制活性, 不同 取代基的促活性顺序为: -OCH3 > -OH > -H; 甲氧基取 代之所以显著提高 TF 抑制活性, 原因可能是引入甲 氧基后, 黄酮化合物的亲脂性增加了, 从而增加了生 物膜透过率; ② 实验测得黄烷醇、 儿茶素、 表儿茶素 都具有抑制 TF 活性但不具有 C 环 2, 3 位双键和 4 位

在 C 环 2, 3 位引入不同的烷基或芳香基, 在其他不同 的位点引入羟基合成了 41 种异黄酮类衍生物 (图 12), 并进行了体外抑制人脂氧化酶 (human lipoxygenase, hLO) 同工酶 12-hLO、 15-hLO-1 和 15-hLO-2 的抑制 活性测试。测定结果与已知具有 hLO 抑制活性的槲 皮素、黄芩素、漆树黄酮等天然黄酮化合物作比较 , 构效关系分析得出如下结论 : ① 黄酮类衍生物基本 骨架的芳香性和氧化状态对于抑制活性和选择性非 常重要, 修饰和改造黄酮基本骨架, 就可以使之成为 12-hLO、 15-hLO-1 的选择性抑制剂; ② A 环、 B 环上 的邻苯二酚结构是活性必需基团 ; ③ 异黄酮和异黄 烷酮更倾向于抑制 12-hLO, 异黄烷更倾向于抑制 15-hLO-1, 较少以 15-hLO-2 为靶标; ④ 各种化合物 与受体蛋白的结合方式不同, 当 B 环引入取代基后, 由于异黄烷 C 环柔性较高 , 与受体蛋白结合方式发 生很大变化, 导致其衍生物的抑制活性消失, 而异黄 酮、 异黄烷酮 C 环刚性较强, 其 B 环取代衍生物抑制 活性得以保留。

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羰基这两个典型结构特征 , 该结构特征可能并不是 TF 抑制活性所必须的活性基团; ③ A、 B 环上邻位羟 基取代明显提高 TF 抑制活性 ; ④ 糖基取代降低了 TF 抑制活性 , 根据现有的研究推测 , 不管糖基取代 的位置和结构如何, 都极少提高黄酮苷元的活性。 4.2 舒张血管 (vasodilating) Dong 等
[22]

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抗病毒 (antiviral) 神经氨酸酶 (neuraminidase, NA) 属于一个糖基

水 解 酶 家 族 , 可 以 释 放 末 端 N- 乙 酰 神 经 氨 酸 (N-acetylneuraminic acid, 糖蛋白类、 糖脂类和多糖类 的残基)。病毒性 NA 是预防流行性感冒病毒传播的 最受关注的有效靶标之一 , 被广泛用做识别流感病 毒表面上的抗原决定簇, 延伸为 HxNx 标记法。现在 急需研究出价廉易得的 NA 抑制剂来预防流感病毒 传播。 Liu 等[24]研究了 25 种黄酮类化合物抑制 3 种流 感病毒 NAs 的构效关系 (图 14), 3 种 NAs 分别是: A/ PR/8/34 (H1N1)、 A/Jinan/15/90 (H3N2) 和 B/Jiangshu/ 10/2003。 推测出黄酮类化合物抑制 NAs 潜能排序为: 橙酮 > 黄酮 / 黄酮醇 > 异黄酮 > 二氢黄酮 / 二氢黄酮 醇、黄烷/黄烷醇。构效关系分析得出如下结论: ① A 环 7 位羟基、B 环 4' 位羟基、C 环 4 位羰基和 2, 3 位 双键是活性必需基团 ; ② 糖基取代基团极大的降低 了 NAs 抑制活性。实验随后采用致细胞病变效应法 (cytopathic effect, CPE) 测试 8 种黄酮类化合物的体 外抗病毒活性, 结果与所推测构效关系一致。

设计并合

成了一系列黄酮衍生物 ( 图 13), 通过动物实验和 3D-QSAR 预测了其促进血管舒张活性与结构的关系, 发现黄酮类化合物的某些结构特征可能与促血管舒 张活性相关: ① C 环 4 位羰基和 2, 3 位双键促进血管 舒张; ② A、B 环同时具有羟基取代基可以显著提高 生物活性 ; ③ 糖基化基团取代大大降低了扩血管活 性 ; ④ 具有较高生物活性的衍生物常常具有靠近色 原酮骨架的亚甲基、烯丙基或者亚甲二氧基取代。

图 13

血管舒张活性较强的化合物

Xu 等[23]采用猪冠状动脉研究了 17 种天然黄酮 类化合物的血管舒张效应的构效关系 , 并采用密度 泛函理论方法计算了这些化合物的化学参数。 实验所 得的黄酮类化合物血管舒张效应潜能排序如下 : 黄 酮 (芹菜苷配基和木犀草素) > 黄酮醇 (山柰酚和槲 皮素) > 异黄酮 (染料木黄酮和大豆黄酮) > 二氢黄 酮[醇] (柚皮素) > 查耳酮 (根皮素) > 花色素 (花葵 素) > 黄烷[醇] ((+)-儿茶素和 (?)-表儿茶素)。 构效关 系研究显示: A 环 5, 7 位羟基、B 环 4' 位羟基、C 环 2, 3 位双键和 4 位羰基是活性必需基团。通过比较芦 丁与槲皮素、染料木苷与染料木黄酮、葛根黄素和大 豆黄酮的活性得出: 糖基取代使活性大大降低。分子 体积和总能量也可以用于预测黄酮类化合物的血管 舒张活性。 研究发现血管舒张活性最强的黄酮类化合 物芹菜苷配基、木犀草素、山柰酚与染料木黄酮的结 构特征与实验所推测的构效关系一致。 Ryu 等[25]从中草药 Cudrania tricuspidata 的根部 提取了 6 种天然黄酮类活性化合物 , 测定了其抑制 NAs 活性的 IC50 值, 结合计算机虚拟分子对接方法进 行构效关系分析发现: 这 6 种黄酮类化合物与 NAs 相互作用的活性基团是 B 环上的间苯二酚取代和 A 环上的极性取代基团。极性取代基团可与 NAs 受体 在活性位点处形成氢键作用 , 从而提高相应的抑制 活性。 严重急性呼吸综合征 (severe acute respiratory syndromes, SARS) 是一种因感染 SARS 相关冠状病 毒而导致的一种新型、传染性强、病情进展快速的呼 吸道传染病。SARS 相关冠状病毒 (SARS-associated
图 14 NAs 抑制活性较强的化合物

钟建青等 : 天然黄酮类化合物及其衍生物的构效关系研究进展

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coronavirus, SARS-CoV) 的 “3C” 状 蛋 白 水 解 酶 (3CL ), 因其在冠状病毒生命周期的关键作用 , 是 目前研发治疗 SARS 特效药物最有希望的靶标。 Chen 等
[26] pro

某些特定药理活性作用机制中属于活性必需基团; ④ 绝大多数黄酮苷的活性不如黄酮苷元 ; ⑤ 根据文献 报道 , 激酶活性较强的黄酮化合物其细胞活性不一 定强; 极性取代基团是激酶活性的保障基团, 但是极 性取代基团能够降低生物膜透过率 , 而细胞活性与 其生物膜透过率息息相关。因此, 建议设计新型黄酮 衍生物时, 兼顾极性和生物膜透过率, 两者必须平衡 才能使其具备成药性。 天然黄酮类化合物及其半合成衍生物的构效关 系因其分子结构和药理作用机制的多样性而变得相 当复杂。这些化合物具有抗癌、抗氧化、抗炎、抗血 栓、舒张血管、抗病毒、抗菌等不同药理活性和多靶 标协同作用的特点。针对这些特点, 笔者认为借助网 络药理学的方法深入分析和探讨黄酮类化合物的体 内作用机制与构效关系将会大有可为。

以槲皮素 -3-β- 半乳糖苷为母核 , 合成了一系列
pro

新型黄酮苷衍生物, 结合其抑制 SARS-CoV 3CL

的

生物活性测定结果推测: ① 槲皮素 A 环上 7 位羟基 取代是活性必需基团, 7 位无羟基取代的衍生物抑制 活性降低 ; 另外 , 7 位引入一个较大的糖取代基 , 衍 生物仍具有抑制活性 ; ② 糖取代基被乙酰化后抑制 活性降低 ; ③ 不同种类糖取代基替换半乳糖苷取代 基对抑制活性无影响。 6 抗菌 (antisepsis) 黑色素可以保护真菌使其对抗自由基、毒素、紫 外线、 X 射线、 γ 射线、极端温度和水解酶等环境 压力 , 因此黑色素是人体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) 由此成为杀菌剂和选择 性抗真菌剂的热门靶标。 Brunskole 等
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测定了 27

种不同结构母核的黄酮类化合物在大肠杆菌模型中 抑制重组 3HNR 的活性。发现鸡豆黄素 A (biochanin A) 是活性最强的化合物 (IC50 = 12 ?mol·L )。构效 关系研究表明: ① 黄酮母核上 A 环 5 位和 7 位的羟 基是重要的抑制活性基团; ② C 环 3 位、A 环 6 位和 B 环 3' 位羟基取代能降低抑制活性。 该实验还发现黄 酮类化合物不仅可以在体内抑制 3HNR, 还可在体外 抑制真菌生长, 具体机制有待进一步研究。 7 结语 综上所述 , 目前国内外对于天然黄酮类化合物 及其衍生物分别从动物实验、细胞实验、激酶实验、 化学实验、 计算机辅助药物设计等多方面进行了构效 关系研究。 研究发现黄酮类化合物生理活性与其化学 结构密切相关, 母核、取代基、取代位置分布对其药 理活性都可能会产生影响 : ① 天然黄酮类化合物往 往具有较高的清除氧自由基活性 ; 天然黄酮化合物 母核上的羟基取代基数目越多 , 其清除氧自由基活 性越强 , 特别是邻位羟基取代可以大大提高其活性 ; 苯环上的邻苯二酚结构是其重要的活性基团 ; ② 对 于新型黄酮衍生物来说, A 环、B 环上的极性基团取 代对于多种激酶活性具有促进作用 ; 极性取代基团 可与激酶受体在活性位点处形成氢键相互作用 , 从 而提高相应的活性 ; 不同激酶具有不同的“口袋” 结构, 需要不同结构的配合物, 实验组要针对药物作 用靶标设计不同结构的黄酮衍生物; ③ C 环上 C4 位 羰基与 C2、C3 位双键为选择性活性必需基团, 即在
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  本文关键词：天然黄酮类化合物及其衍生物的构效关系研究进展，，由笔耕文化传播整理发布。