超分子化學(xué)在生物化學(xué)及醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用*

陳　琦

(寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞 721013)

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超分子化學(xué)在生物化學(xué)及醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用*

陳琦

(寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞 721013)

摘要：簡要介紹了超分子化學(xué)的概念、產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用。詳細(xì)介紹了：(1)生物超分子配體稀有人參皂素苷的制取及應(yīng)用；(2)大三環(huán)冠醚配體與π-延展的雙吡啶鹽超分子配合物的合成性質(zhì)及應(yīng)用；(3)超分子配體有機(jī)多孔材料對(duì)氣體分子的選擇性吸附及分離。并對(duì)超分子化學(xué)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：超分子化學(xué)，配體，應(yīng)用

超分子化學(xué)是化學(xué)與生物學(xué)、物理學(xué)、配位化學(xué)、生命科學(xué)、生物化學(xué)、生物物理、材料科學(xué)、信息科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和能源科學(xué)等多門學(xué)科相互滲透、交叉融合而形成的一門新興熱門邊緣學(xué)科，又稱主-客體化學(xué)。超分子化學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展促進(jìn)了上述相關(guān)學(xué)科的形成和發(fā)展，彼此相互促進(jìn)，相得益彰。為了表彰C.J.Pedersen(佩德森)、J.M.Lehn(萊恩)、D.J.Cram(克拉姆)三化學(xué)家對(duì)超分子化學(xué)概念的提出、形成、發(fā)展所完成的開創(chuàng)性工作，這三位科學(xué)家共享1987年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。超分子化學(xué)起源于1967年佩德森首次合成和發(fā)現(xiàn)冠醚，超分子化學(xué)的概念源于被稱為“超分子化學(xué)之父”的萊恩1987年在獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的演講中提出了的。萊恩說：“超分子化學(xué)是研究由二種或二種以上化學(xué)物質(zhì)通過非共價(jià)鍵的分子間作用力締合而成的具有特定結(jié)構(gòu)和特殊功能的超越分子體系的科學(xué)”。因而超分子化學(xué)是共價(jià)鍵分子化學(xué)發(fā)展過程的一次升華，即被稱之為“超越分子概念的化學(xué)”。后來克拉姆又稱之為“主-客體化學(xué)”。超分子化學(xué)的形成淡化了四大基礎(chǔ)化學(xué)、生物化學(xué)、材料化學(xué)之間的界線，著重強(qiáng)調(diào)了具有特定結(jié)構(gòu)和功能的超分子體系，將四大基礎(chǔ)化學(xué)有機(jī)的融為一體，從而為21世紀(jì)的熱點(diǎn)學(xué)科如分子器件、分子自組裝、新興材料科學(xué)、生命科學(xué)、信息科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、納米科學(xué)、大環(huán)化學(xué)等的形成和發(fā)展開辟了一條嶄新的通道，被譽(yù)為21世紀(jì)新思想、新概念、新技術(shù)的重要源頭之一，是朝陽科學(xué)，并為21世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展提供了一個(gè)重要而嶄新的研究方向。不僅如此，超分子化學(xué)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域及四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)中也彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。

1生物超分子配體稀有人參皂苷的制取及應(yīng)用

1.1桔梗內(nèi)生菌轉(zhuǎn)化人參主皂苷為稀有皂苷F2和C-K及應(yīng)用

植物內(nèi)生菌是指一類存活于健康植物組織內(nèi)部、不引起宿主植物表現(xiàn)出明顯感染癥狀的微生物，藥用植物內(nèi)生菌具有合成與宿主植物相同或相似活性成分的功能，在生物防治、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域有著廣闊的前景[1]。稀有人參皂苷 F2、C-K 和 Rh1 有著極強(qiáng)的藥理學(xué)功效，如有抗腫瘤、抗癌、抑制細(xì)胞凋亡等效能，但由于在自然界中含量極少或不存在，導(dǎo)致其使用和臨床應(yīng)用受到限制。因此，將人參主皂苷轉(zhuǎn)化為人參稀有皂苷的研究顯得非常重要。為此，延邊大學(xué)的崔磊等人利用桔梗內(nèi)生菌，篩選出人參皂苷生物轉(zhuǎn)化高效菌株，并對(duì)人參皂苷的轉(zhuǎn)化路徑進(jìn)行探討。即他們將新采集的桔梗進(jìn)行表面消毒，用組織分離法分離、用劃線法純化，共獲得 33 種內(nèi)生菌，其中菌株 J9、J10、J23 對(duì)人參二醇型主皂苷 Rb1、Rb2、Rc、Rd 和人參二醇型主皂苷 Rg1 均具有較強(qiáng)轉(zhuǎn)化能力，并使人參二醇型皂苷轉(zhuǎn)化為稀有皂苷 F2 和 C-K、人參三醇型皂苷轉(zhuǎn)化為稀有皂苷 Rh1。且對(duì)單體皂苷的轉(zhuǎn)化路徑進(jìn)行了探討[2]。其中菌株 J23 對(duì) Rb1 的轉(zhuǎn)化過程中，F(xiàn)2 的最大產(chǎn)率達(dá)到 98.71%；菌株 J9對(duì) Rb1 的轉(zhuǎn)化過程中，C-K 的最大產(chǎn)率達(dá)到 57.59%。該研究將在生物防治、生物學(xué)研究、生化研究、醫(yī)藥衛(wèi)生研究及生命科學(xué)研究等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1.2組織培養(yǎng)人參的微生物轉(zhuǎn)化研究及應(yīng)用

被稱為“百草之王”的人參是東北三寶之一，也是珍貴的藥材和保健品，具有抗腫瘤、抗癌、抗衰老、改善記憶、抗炎及保肝臟、提高免疫功能等作用[3]。人參栽培周期長，管理成本較高，病害嚴(yán)重且對(duì)環(huán)境破壞大[4]，而組織培養(yǎng)人參周期短，見效快，因此得到廣泛應(yīng)用。但組織培養(yǎng)人參中人參皂苷含量和種類較少，故如何提高人參皂苷的含量成為研究的熱點(diǎn)。為此，延邊大學(xué)的宋曉琳等人為了提高組織培養(yǎng)人參中的皂苷含量，對(duì)組織培養(yǎng)的人參進(jìn)行了微生物轉(zhuǎn)化。即他們從人參土壤中分離得到 243 種菌株，從中篩選出 12 種人參皂苷生物轉(zhuǎn)化菌株。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，組織培養(yǎng)的人參中人參皂苷的含量較低，主要含有人參皂苷 Rd。他們利用人參皂苷生物轉(zhuǎn)化高效菌株 K17 對(duì)組織培養(yǎng)人參進(jìn)行發(fā)酵轉(zhuǎn)化，其結(jié)果使人參皂苷的含量明顯增加，并在發(fā)酵 13 d后組織培養(yǎng)人參中的 Rd 全部轉(zhuǎn)化為有藥理效能的稀有人參皂苷 F2 和 C-K[5]。該研究將在生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、生物科學(xué)、生物防治及生物化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

1.3人參內(nèi)生菌轉(zhuǎn)化人參皂苷Rb1為稀有皂苷C-K的研究及應(yīng)用

植物內(nèi)生菌是一類存在于植物組織中而不引起侵染癥狀的重要微生物資源。研究表明，內(nèi)生菌分泌物與內(nèi)生菌的宿主植物一樣，可增強(qiáng)免疫力，提高抗疲勞能力，有顯著的益生功效，并具有很高的醫(yī)用價(jià)值[6]。人參為五加科人參屬多年生草本植物，是我國傳統(tǒng)名貴中藥材植物。研究表明，人參皂苷 Compound K(簡稱 C-K)是人參二醇型皂苷在人腸道內(nèi)的代謝產(chǎn)物，并在人體內(nèi)外均具有良好的抗腫瘤作用，是一種具有良好開發(fā)前景的抗癌新藥[7]。為此，延邊大學(xué)的崔勇虎等人利用人參內(nèi)生菌將人參主皂苷 Rb1 轉(zhuǎn)化為抗腫瘤稀有皂苷 C-K，并探討了其轉(zhuǎn)化機(jī)理。他們的研究是從5年、6年、8年園參和17年移山參中分離得到192 種菌株，篩選出 25 種產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的菌株，其中從17年移山參中分離得到的菌株 GS17-18 能夠?qū)⑷藚⒃碥?Rb1 轉(zhuǎn)化為抗腫瘤稀有皂苷 C-K。其轉(zhuǎn)化過程為人參皂苷 Rb1→Rd→F2→C-K。這是首次報(bào)道的人參內(nèi)生真菌轉(zhuǎn)化人參皂苷Rb1 為稀有人參皂苷 C-K 的研究，這對(duì)抗腫瘤稀有皂苷的制備奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8]。

1.4轉(zhuǎn)化人參總皂苷為稀有皂苷Rg3的研究及應(yīng)用

人參皂苷是人參的主要有效成分，目前已從人參中分離出 40 多種人參皂苷成分。人參皂苷具有較好的抗衰老、抗氧化、抗腫瘤等藥理功效[9]，其中稀有人參皂苷 Rg3 具有抗癌、抗癌轉(zhuǎn)移、神經(jīng)保護(hù)、擴(kuò)張血管等療效[10]。但 Rg3 在人參中的含量很低，而且提取制備工藝極其復(fù)雜，因此通過人參皂苷側(cè)鏈糖基的選擇性水解得到療效更好的稀有人參皂苷 Rg3 具有重要意義。為此，延邊大學(xué)的崔磊等人從種植人參的土壤采集分離得到 256 種菌株，其中有β-葡萄糖苷酶的菌株102 種，再從中篩選出 14 種人參皂苷生物轉(zhuǎn)化菌株，編號(hào)為 YS1～YS14。分析結(jié)果表明，人參莖葉總皂苷中主要含有 Rb1、Rb2、Rc、Rd等人參皂苷，人參提取物中主要含有 Rb1、Rb2、Rd 等人參皂苷，兩者均不含有藥理和生理活性的稀有人參皂苷 Rg3 和 Rh2。他們利用 14 種人參皂苷轉(zhuǎn)化菌株進(jìn)行了人參皂苷轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明菌株 YS2、YS12、YS13 和 YS14 能將人參莖葉總皂苷轉(zhuǎn)化為稀有皂苷 Rg3，其中 YS2 轉(zhuǎn)化率最高。菌株 YS2 和 YS7 能將人參提取物中的人參皂苷轉(zhuǎn)化為稀有人參皂苷 Rg3。經(jīng)發(fā)酵后的人參提取物對(duì) colon26-M3.1 癌細(xì)胞有較強(qiáng)的抑制作用[11]。該研究將在生命科學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)及醫(yī)藥學(xué)研究中得到應(yīng)用。

1.5食品微生物轉(zhuǎn)化人參總皂苷為稀有皂苷F2和C-K的研究及應(yīng)用

人參皂苷是人參的主要生理和藥理活性成分。其中稀有人參皂苷具有極高的藥用價(jià)值和臨床應(yīng)用前景。稀有人參皂苷F2是一種稀有的次級(jí)人參皂苷，對(duì)癌細(xì)胞具有一定的抑制作用。人參皂苷C-K是人參二醇系皂苷在人腸道內(nèi)的代謝產(chǎn)物，是人參在體內(nèi)發(fā)揮活性的實(shí)體。C-K在抗腫瘤、抗突變等方面都表現(xiàn)出了良好的生物活性，具有顯著的藥用價(jià)值。為此，延邊大學(xué)的陳賀等人利用食品中分離得到的乳酸菌(L1)和酵母菌(Y11、Y13)將人參總皂苷轉(zhuǎn)化為藥用價(jià)值更高的稀有人參皂苷C-K和F2。即他們利用從利用食品中分離得到的乳酸菌和酵母菌對(duì)人參根總皂苷進(jìn)行轉(zhuǎn)化，其中酸奶乳酸菌 L1 能夠?qū)⑷藚⒖傇碥罩械?Rb1 轉(zhuǎn)化為稀有皂苷 F2；葡萄酵母菌 Y11 和 Y13 均能將人參總皂苷中的 Rb1 轉(zhuǎn)化為較高轉(zhuǎn)化率的稀有皂苷 F2 和C-K，并且 Y13 能將 C-K 進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為原人參二醇(PPD)。該研究對(duì)于稀有人參皂苷 F2 和 C-K 的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[12]，并在生命科學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)及醫(yī)藥學(xué)方面得到應(yīng)用。

1.6長白山不同海拔濕地微生物多樣性分析及應(yīng)用

微生物多樣性分析在超分子化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物化學(xué)、生物物理學(xué)、生物學(xué)及生命科學(xué)的研究中尤為重要。因?yàn)殚L白山是一座天然的“自然博物館”和巨大的“生物基因庫”，是我國最重要的自然保護(hù)區(qū)之一。區(qū)內(nèi)有許多天然濕地，受其地形、氣候等因素的影響，呈現(xiàn)出不同的微生物多樣性，而微生物在調(diào)節(jié)氣候、降解污染物、維持生物多樣性等方面具有不可替代的重要作用。為此，延邊大學(xué)的楊艷晶等人從12 個(gè)濕地土壤樣品中分離得到 130 種菌株，其中 54 種菌株為可培養(yǎng)微生物。他們利用 PCR-DGGE 技術(shù)分析了長白山不同海拔濕地的微生物多樣性，結(jié)果表明，長白山濕地土壤中可培養(yǎng)優(yōu)勢菌株為地衣芽孢桿菌、芽孢桿菌、泛酸枝芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌、藤黃微球菌、類芽孢桿菌。采用超分子配體DNA 提取試劑盒提取濕地土壤的總 DNA，并將優(yōu)勢菌株的 DNA 序列在 NCBI 數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行對(duì)比[13]。該研究將在環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、生物科學(xué)、生物化學(xué)等領(lǐng)域的研究中得到應(yīng)用。

2大三環(huán)冠醚配體與π-延展的雙吡啶鹽超分子配合物的合成性質(zhì)及應(yīng)用

在主-客體化學(xué)中，發(fā)展新型的大環(huán)主體已經(jīng)成為一個(gè)永恒的又具有挑戰(zhàn)性的課題。為此，中國科學(xué)院化學(xué)研究所的韓瑩等人合成了三蝶烯圓柱形大三環(huán)冠醚超分子配體化合物(A)，并研究了A與聯(lián)吡啶鹽絡(luò)合形成超分子配合物及絡(luò)合作用，且構(gòu)筑了多種結(jié)構(gòu)與功能獨(dú)特的組裝體。A與聯(lián)吡啶相比，π-延展的雙吡啶鹽有著更加豐富的化學(xué)性質(zhì)和功能，通過研究A對(duì)π-延展的雙吡啶鹽類客體分子的絡(luò)合性質(zhì)，為人們構(gòu)筑新型的組裝體打下了良好的基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明，這些π-延展的吡啶鹽在溶液中與固態(tài)下可以與主體 A 形成 1∶1、1∶2 的絡(luò)合物以及超分子聚合物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在這些π-延展的雙吡啶鹽中，linker 的種類與長短的微小變化，都會(huì)導(dǎo)致絡(luò)合物的絡(luò)合模式發(fā)生非常大的變化，這為人們今后設(shè)計(jì)并構(gòu)筑新型的具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的組裝體打下了良好的基礎(chǔ)[14]。該研究將在材料科學(xué)、信息科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的研究中得到應(yīng)用。

3超分子配體有機(jī)多孔材料對(duì)氣體分子的選擇性吸附及分離

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，有機(jī)多孔材料在分析分離科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)藥科學(xué)及信息科學(xué)等領(lǐng)域越來越彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。為此，國家納米科學(xué)中心的韓寶航等人以具有特定構(gòu)型而且含雜原子的有機(jī)化合物為單體，利用不同的聚合反應(yīng)，制備了一系列含有氧、氮、 硫等雜原子的有機(jī)微孔超分子聚合物，這些聚合物的 BET 比表面積介于 700m2·g-1～2500m2·g-1之間。某些含氮聚合物多孔材料的氫氣吸附能力在1bar和77K的條件下達(dá)到了 2.80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，是目前所報(bào)道的多孔材料中在相同條件下最高的儲(chǔ)氫值。同時(shí)其對(duì)二氧化碳的吸附性能名列其它吸附材料前茅。另外，此類微孔聚合物對(duì)甲烷和氮?dú)獾奈搅亢苄?，因此可用于氣體的選擇性吸附或分離。通過對(duì)微孔的調(diào)節(jié)和材料的優(yōu)化，達(dá)到對(duì)特定氣體的吸附存儲(chǔ)，從而使其逐漸發(fā)展成為一種極具潛力的新型氣體存儲(chǔ)器和分離材料[15]。

4結(jié)語

超分子化學(xué)作為一門植根深遠(yuǎn)的新興熱門邊緣學(xué)科，其誕生和成長以來生機(jī)勃勃，充滿活力，無處不用，無處不有。我們堅(jiān)信，隨著世界科學(xué)家對(duì)超分子化學(xué)理論和方法研究的不斷深入，它將不斷促進(jìn)各門自然科學(xué)日新月異的迅猛發(fā)展。隨著人們對(duì)其應(yīng)用研究的不斷深入，枝繁葉茂的超分子化學(xué)必將在為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展及物質(zhì)文明做出更大的貢獻(xiàn)。

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*基金項(xiàng)目：陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目(2010JS067)；陜西省教育廳自然科學(xué)基金資助課題(04JK147)；寶雞文理學(xué)院自然科學(xué)基金資助課題(zk12014)

中圖分類號(hào)：TQ 61

Applications of Supramolecular Chemistry to Biochemistry and Medicine

CHEN Qi

(Chemistry & Chemical Engineering Department，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721013，Shaanxi，China)

Abstract：The concept，generation，development and application of supramolecular chemistry were introduced briefly in this paper. Emphases were put on from three parts：① preparation and applications of the biological supramolecular rare ginseng saponin glycosides；② synthesis properties and applications of macrotricyclic crown ether ligand with π-extended pyridinium salt；③ selective adsorption and separation of supramolecular organic porous materials on gas molecules. Future developments of supramolecular chemistry were prospected in the end.

Key words：supramolecular chemistry，ligand，application