51 種中草藥化學成分結構特點的統(tǒng)計分析

馮唐鍇，曾文濤

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

中藥在我國有著悠久的歷史和廣泛的應用，按功能可分為19 類。其中清熱藥在抗病毒、治療感冒和炎癥等方面應用廣泛。此類藥物通常又可分為治濕熱病藥（板藍根、金銀花、連翹等）、治熱毒瘡瘍藥（蒲公英、魚腥草等）、治熱毒瀉痢藥（馬齒莧等）、治咽喉腫痛藥（穿心蓮等）4 種類型。這些清熱藥中，金銀花、板藍根、連翹、馬齒莧、穿心蓮等為景德鎮(zhèn)學院教學和科研常用中草藥，為了了解這些中草藥的化學成分的特點，本研究查找統(tǒng)計了一大批相關化學成分的分子式，并對其結構特征進行了統(tǒng)計分析。

1 工具與方法

1.1 使用工具

本研究所使用到的工具有：美國國家生物技術信息中心（NCBI）化合物數(shù)據(jù)庫[1]、化學結構式編輯軟件KingDraw 和WPS 表格處理軟件（表1）。KingDraw 是一款國產(chǎn)化學編輯器軟件，具有分子結構繪制與圖像輸出、3D 可視化模型建構、化合物數(shù)據(jù)信息檢索等功能[2]。并可以進行手勢繪制、結構式命名、IUPAC 名稱轉結構式、查看化學屬性、3D 分子模型轉換等多種操作。本研究主要運用NCBI 中的PubChem 搜索工具對部分化合物的結構式進行搜索驗證，使用KingDraw 來查找大量化合物的分子結構，借助WPS 表格處理軟件輔助統(tǒng)計分析并作圖。

1.2 數(shù)據(jù)收集

通過閱讀文獻，確定金銀花、板藍根、連翹、馬齒莧、穿心蓮中含有的主要化合物成分。利用文獻和百度搜索引擎，聯(lián)合查詢相關化合物的CAS 號和英文名。KingDraw 軟件可以利用化合物的CAS 號、英文名以及分子式等多種方法來查找化合物分子結構。因此，進入KingDraw 軟件，點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 號查找所需化合物結構式，并以king 格式進行保存。同時，輸入NCBI 網(wǎng)址進入NCBI 首頁，在首頁頂部搜索欄左側選擇Pub-Chem 化合物，在右邊輸入化合物PubChemCID、化合物英文名進行搜索，將查找的結果與kingDraw 查找的結果進行對比，確認結構式的正確性。

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化合物的分子結構式進行統(tǒng)計分析。主要分析2 個指標：一是分子含有環(huán)的種類和數(shù)量；二是含有活性基團的種類和數(shù)量。環(huán)結構又分為苯環(huán)和五元雜環(huán)進行統(tǒng)計分析；基團則分為羧基、羥基、氨基、甲氧基和酯基進行統(tǒng)計分析。使用WPS 表格軟件對統(tǒng)計結果制表作圖。

2 結果

2.1 本研究涉及的中草藥所含主要化學成分

表2 金銀花主要化學成分分類

表3 板藍根主要化學成分分類

表4 連翹主要化學成分分類

表5 馬齒莧主要化學成分分類

表6 穿心蓮主要化學成分分類

2.2 數(shù)據(jù)收集結果

針對5 種清熱解毒中草藥的上述化學成分，在數(shù)據(jù)庫中搜索查找，確定了51 種化合物的結構式。利用所含環(huán)的數(shù)量對51 種化合物結構式進行分類，可分為1～5 個環(huán)5 種類別（表7）。其中，含1 個環(huán)的化合物13 個，占25%；含2 個環(huán)的化合物6 個，占12%；含3 個環(huán)的化合物13 個，占25%；含4 個環(huán)的化合物9 個，占18%；含5 個環(huán)的化合物10 個，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 種化合物結構式分別具有不同數(shù)量的環(huán)

2.3 化合物結構特點統(tǒng)計結果

對這五類化合物的環(huán)的種類和數(shù)量以及所含基團的種類和數(shù)量進一步進行統(tǒng)計分析，相關信息見表8～12。

2.3.1 含1 個環(huán)化合物的結構特點統(tǒng)計分析。針對本研究的5 種中草藥，在數(shù)據(jù)庫中搜集了13 個含1 個環(huán)的化合物結構式（表8），它們分別為有機酸類、酚酸類、生物堿類及含硫類成分。其中環(huán)型為苯環(huán)的化合物12個，為五元雜環(huán)的化合物僅1 個（表告依春）。在基團情況方面，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 個環(huán)的化合物多為有機酸類。因此，在結構上有8 個分子含有1 個羧基。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中含有氨基。2 種酯類含有酯基。這些單環(huán)化合物分子結構相對簡單，分子中含有羥基、羧基較多，堿性基團和其他基團較少（圖2）。

圖2 含1 個環(huán)化合物的結構特征

表8 含1 個環(huán)的化合物的結構特點分析

2.3.2 含2 個環(huán)化合物的結構特點統(tǒng)計分析。在數(shù)據(jù)庫中共搜集了5 種中草藥的6 個含2 個環(huán)的化合物結構式（表9），類別分別為有機酸類、黃酮類、生物堿類（吲哚生物堿）及香豆素類。這6 個含2 個環(huán)的化合物都含有苯環(huán)，其中異甘草素含有2個苯環(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、傘形花內酯及東莨菪亭這3 種香豆素類化合物當中，則含有獨特的六元雜環(huán)及酯基。靛紅主要結構含吲哚基，且有酰胺基團；東莨菪亭另含有甲氧基。

表9 含2 個環(huán)的化合物的結構特征分析

2.3.3 含3 個環(huán)化合物的結構特點統(tǒng)計分析。在數(shù)據(jù)庫中共搜集了5 種中草藥的13 個含3 個環(huán)的化合物結構式（表10），主要為有機酸類、黃酮類、木脂素類及香豆素類。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，除穿心蓮內酯外，都含有苯環(huán)結構，數(shù)量1～2 個不等，但以2 個苯環(huán)的化合物居多；除異綠原酸B、穿心蓮內酯及落葉松脂醇外，其余10 個化合物都含有六元雜環(huán)；而穿心蓮內酯與異綠原酸B 含有1～2 個六元環(huán)；穿心蓮內酯、落葉松脂醇、佛手內酯、異茴香內酯中各含有1 個五元雜環(huán)。基團方面，除佛手內酯和異茴香內酯外，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 個羥基；此外有8 個化合物當中存在1 個羰基（圖4）。

圖3 含2 個環(huán)化合物的結構特征

圖4 含3 個環(huán)化合物的結構特征

表10 含3 個環(huán)的化合物的結構特征分析

2.3.4 含4 個環(huán)化合物的結構特點統(tǒng)計分析。在數(shù)據(jù)庫中共搜集了5 種中草藥的9 個含4 個環(huán)的化合物結構式（表11），它們主要為黃酮類、生物堿類（吲哚生物堿和喹啉生物堿）、連翹酯苷類、木脂素類及二萜內酯類成分。環(huán)的結構方面，這9 個化合物含有的環(huán)型有苯環(huán)、六元環(huán)、五元雜環(huán)、六元雜環(huán)等。除穿心蓮內酯苷外，其余化合物都含有苯環(huán)，且數(shù)量均為2 個；除木犀草苷及連翹酯苷A 外，其他7 個化合物都有五元雜環(huán)；穿心蓮內酯苷則含有2 個六元環(huán)。基團方面，除色胺酮外其他8 個化合物都含有羥基，連翹酯苷A 最多，有9 個羥基，木犀草苷含7 個羥基，穿心蓮內酯苷含6 個羥基；羰基則主要存在于生物堿類化合物中；板藍根甲素有2 個酰胺基；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酯苷含有醚鍵（圖5）。

圖5 含4 個環(huán)化合物的結構特征

表11 含4 個環(huán)的化合物的結構特征分析

2.3.5 含5 個環(huán)化合物的結構特點統(tǒng)計分析。在數(shù)據(jù)庫中共搜集了5 種中草藥的10 個含5 個環(huán)的化合物結構式（表12），它們主要為黃酮類、萜類皂苷化合物、連翹酯苷類、木脂素類、三萜類與萜類及甾醇類。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?；鶊F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 個羥基、蘆丁有10個羥基；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 個甲基。另外，蘆丁和木栓酮各有1 個酮基；連翹苷含有甲氧基（圖6）。

圖6 含5 個環(huán)化合物的結構特征

表12 含5 個環(huán)的化合物的結構特征分析

3 結論與討論

3.1 結論

被分析的5 種中草藥的51 個活性化合物屬類眾多、各具特點，結構上的規(guī)律并不明顯，但是依然可以總結出一些共性特征。

首先，環(huán)狀結構都出現(xiàn)在了這些化合物中，盡管在數(shù)量上會有不同，在種類上也有苯環(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。無論如何，環(huán)狀結構在所有被分析的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)行生物功能的時候，環(huán)型結構在適應其功能的時候是必不可少的?？赡茏鳛槭荏w、酶、糖蛋白等生化大分子識別這些分子的特征性結構。

其次，羥基在上述分子中廣泛存在，明顯多于其他各類基團。環(huán)的數(shù)量越多能容納的羥基數(shù)量也越多。羥基是最簡單的一種基團，也是一種十分重要的極性基團，能夠形成氫鍵、酯鍵，也是羧基、酚等結構的重要組成部分。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，也發(fā)現(xiàn)板藍根中的一些主要作用成分如：生物堿類化合物靛玉紅、色胺酮、靛紅、靛藍等化合物中含有的羥基不多。這可能表明板藍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：當環(huán)的數(shù)量較少，如1～3 個環(huán)時，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，其他類別的環(huán)出現(xiàn)的頻率和數(shù)量隨之增加。而在5 個環(huán)的分子中，六元環(huán)已經(jīng)顯著成為分子中主要的環(huán)狀結構。另外，在5 個環(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)出正相關的趨勢。

3.2 討論

對本實驗室常用的5 種實驗實訓中草藥的51 種化合物分子進行了結構上的比較和統(tǒng)計分析，得出了一些結論。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和化合物樣本數(shù)量還不夠多，得出結果的代表性有待于進一步完善。中草藥的藥理特點多使用中醫(yī)中藥學原理方法進行解釋，并且由于其成分復雜，難以對起到關鍵作用的化合物進行確認?？汞懠驳那噍锼氐挠行褂?，是中藥活性分子開發(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構特點，是對其進行開發(fā)利用的先決條件。今后，還應進一步加大對此類活性分子結構特點的分析研究力度，尋找某一類相同功效分子的共性特征。其次，分子結構的分析未與功能相結合。本研究的最終目的，還是要進一步了解分子結構和功能之間的關系。但是本研究著重分析統(tǒng)計了51 種化合物的結構特征，未與其功能進行關聯(lián)，這是后續(xù)研究應該重點關注的內容。另外，還可以進一步探討這些化合物分子的空間結構。本研究主要統(tǒng)計了這些分子中環(huán)和基團的種類和數(shù)目，但是這些分子要起作用，還需要有一個適宜的空間結構。因此，在后續(xù)研究中，還可以結合分子功能和受體，去了解這些分子的空間結構及基團位置對功能的影響。