全 文 ：中国农业科学　 2000, 33( 3): 88～ 93
Scientia Ag ricultura Sinica
鼠尾草二萜醌及其衍生物的
抗菌构效关系研究⒇
薛　明 1 ,史彦斌 1 ,周宗田 1 ,崔　颖 1 ,汪汉卿 2 ,
张　彬 1 ,罗永江1 ,夏文江 1 ,赵荣材 1
( 1中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所 ,农业部新兽药工程重点开放实验室 ,兰州　 730050;
　 2中国科学院兰州化学物理研究所 )
摘要: 从甘西鼠尾草根中分离、人工制备及由动物体内外代谢后得到的 23个二萜醌类化合
物对金黄色葡萄球菌进行抑菌活性研究 ,采用多重回归方法 ,建立了以结构片段为指示变量的
Free-Wilson方程式 ,研究了该类化合物的抗菌构效关系。 结果表明: 醌式基团是抑菌作用的必
须基团 ,邻醌的抑菌强度大于对醌 ;分子中 D环 C15与 C16之间为单键时 ,可增加抑菌作用 ;分子
A环为脂肪环时 ,可增强抑菌活性 ;分子 D环 C15位含氮取代基时可增强抑菌活性 ; A环的羟基
化或环内脱氢均导致抑菌活性下降。此结论为鼠尾草二萜醌类化合物的抗菌新药研制提供了理
论依据。
关键词: 鼠尾草 ;二萜醌 ;抗菌 ;构效关系
中图分类号: S859. 1　文献标识码: A　文章编号: 0578-1752( 2000) 03-0088-06
80年代以来 ,国内外对来源于药用鼠尾草根中的丹参二萜醌的抑菌作用进行过一些研
究 ,但都是就几个化合物进行相对活性研究〔 1, 2, 9〕。 应用定量构效关系模型 ,尤其是应用
Free-Wilson方法系统地研究鼠尾草二萜醌对常见病原菌金黄色葡萄球菌的抑菌构效关系
尚未见报道。 由试验发现 ,来源于甘西鼠尾草根中的以邻醌为代表 ,具有相似结构特征的二
萜醌类化合物对革兰氏阳性细菌具有不同程度的抑制作用。据此 ,我们以二萜醌的基本结构
为母核 ,保存分子菲环基本骨架 ,在从甘西鼠尾草的根中分离得到的 12个二萜醌类化合物
的基础上 ,经过分析设计制备了 9个衍生物 ,加之由抗菌活性主成分隐丹参酮在猪体内代谢
后分离得到的 5个代谢物 ,合并相同结构化合物 ,共选择了 23个化合物。在测试其对金黄色
葡萄球菌抑菌活性的基础上 ,根据 Free-Wilson构效关系方法 ,通过分析选择了 11个结构
片段参数 ,运用多元回归方法分析其构效关系 ,以期发现具有高效抗金黄色葡萄球菌等 G+
细菌作用的新药 ,并为进一步结构优化提供理论依据 ,同时为探讨二萜醌类化合物的抗菌作
用机制提供重要信息。
1　材料与方法
1. 1　抑菌活性测试
1. 1. 1　菌种与培养基　金黄色葡萄球菌 26003, 购自中国兽药监察所 ,试验用菌液稀释度
收稿日期: 1999-08-30
基金项目:国家“九五”科技攻关项目子专题 ( 96-005-02-04-05) 暨中国农业科学院科技基金项目 ( 9629-20)
作者简介:薛明 ( 1962-) ,男 ,江苏南京人 ,博士 ,副研究员 ,主要从事药物代谢和新药研究工作。
为 10- 4～ 10- 5。培养基采用普通肉汤琼脂培养基。
1. 1. 2　样品　按序号编为: 1.丹参酮Ⅱ A; 2.隐丹参酮 ; 3.丹参酮Ⅱ B; 4.丹参酮Ⅰ ; 5.二氢
丹参酮Ⅰ ; 6.羟基丹参酮Ⅱ A; 7.丹参酸甲酯 ; 8.紫丹参乙素 ; 9.去甲丹参醌 ; 10.丹参醛 ; 11.
丹参新醌甲 ; 12.丹参新醌乙 ;以上化合物均从甘西鼠尾草的根中分离纯化制得。 13.丹参酮
Ⅱ A磺酸钠 ; 14.丹参酮Ⅱ B乙酸酯 ; 15.隐丹参新醌 ; 16.化合物Ⅴ ; 17.化合物Ⅵ ; 18.化合物
Ⅶ ; 19.化合物Ⅷ ; 20.化合物Ⅸ ; 21.化合物Ⅹ ;样品 13～ 21由合成制得〔7〕。 22. 代谢物 M7;
23.代谢物 M5;由隐丹参酮在猪体内代谢后分离纯化制得〔3〕。 化合物 1～ 23经熔点 ,薄层层
析值及光谱数据表明为纯品〔4, 8〕。
1. 1. 3　实验方法　按管碟法〔 5〕进行。用丙酮将 23个化合物分别配成 250μg /ml的样品溶液
备用。 在普通琼脂培养基平皿内加入稀释浓度为 10- 4～ 10- 5的金黄色葡萄球菌 0. 2m l后 ,
用 L棒轻轻抹匀 ,将灭菌不锈钢小管 (内径 6 mm)置于载菌平皿上 ,每个平皿加 4个小管 ,
每个小管内用吸量管精确加入各样品 0. 3ml, 每个样品重复 5次。空白丙酮对照 , 37℃培养
24h,测量抑菌圈直径 D( mm) ,并将 D的平均值 DD经对数处理为 log AS,结果见表 1。由表
1可见大多数受试化合物在 250μg /m l浓度时均表现出不同程度的抗金黄色葡萄球菌活性。
其中以化合物 2, 20, 21及 5的抗菌活性较强。
表 1　鼠尾草二萜醌抗金黄色葡萄球菌活性 ( lo gAS) 1)
Table 1　 Th e antibacteria l activ ity o f diterpene quinones fr om Salv ia prz ewalskii Max im ( lo gAS)
化合物 Compd. 直径 DD log AS 化合物 Compd. 直径 DD log AS
1 18. 00 1. 255 13 20. 00 1. 314
2 24. 50 1. 389 14 13. 25 1. 122
3 18. 25 1. 261 15 13. 75 1. 138
4 12. 75 1. 106 16 6. 00 0. 778
5 21. 50 1. 332 17 9. 00 0. 954
6 15. 50 1. 190 18 10. 50 1. 020
7 13. 50 1. 130 19 8. 50 0. 929
8 16. 00 1. 204 20 23. 50 1. 371
9 13. 00 1. 114 21 23. 00 1. 362
10 13. 50 1. 130 22 14. 50 1. 161
11 9. 50 0. 978 23 14. 00 1. 146
12 11. 75 1. 070 对照 CK 6. 0( 0)
　 1) DD: The diameter of the inhibi tory bacteria rings. log AS: The logari thmic v alue of DD
1. 2　定量构效关系分析
1. 2. 1　 Free-Wilson(denovo)计算法描述　 Free-Wilson的计算是根据下列假设进行的 ,分
子中任一位置上所存在的某个取代基始终以等量改变相对活性的对数值。该假设可用下列
数学式表达:
lo g ( 1 /C) = A + ∑∑ Gij Xij
其中: A为基准化合物的理论活性对数值 ;
Gij是第 j取代位置上取代基 i的基团活性贡献 ;
Xij是指示变量 (或称虚潜参数 ) ,用以表示分子片段或基团 i在第 j位置上的有无 ,若
有 i则 Xij取 1,无 i则 Xij取 0;
i , j分别是取代基与被取代基位置的标志。
用最小二乘多重回归法将数据拟合成上述方程式 , 计算总方程式的 F值并经过统计学
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检验 ,如果统计学显著 ,则加合性假设有理由成立。 s值必须小 ,以便作有用的预测。
根据结构片段或基团活性贡献的符号与大小可确定哪些位置上含有最佳组合的取代
基 ,可用此性质来制备类似物 ,这些类似物可能活性很高 ,合成它们将为研制具有药用价值
的试验目标物提供可能。
1. 2. 2　体系与参数的选择　从植物的种属来源上看 ,鼠尾草二萜醌起源于羟甲戊酸所形成
的三环二萜松香烷型化合物 ,其中的邻萘醌部分与呋喃环骈合后形成丹参酮型二萜醌。目前
从鼠尾草根中分离到的不同化合物间的差别 ,主要表现在 A环的不同氧化程度、脱氢或羟
基化程度 ,或表现为 D环的取代、开环等结构改变。可将二萜醌结构变化因素归纳为: ( 1) A
环为脂肪环 ( x1 ) ; ( 2) A环为芳香环 ( x2 ) ; ( 3) C环上连有邻醌 ( x3 ) ; ( 4) C环上联有对醌
( x4 ) ; ( 5) C环上不含醌式结构 ( x5 ) ; ( 6) D环 C15与 C16之间为单键 ( x6 ) ; ( 7) D环 C15与 C16
之间连有双键 (x7 ) ; ( 8) D环 C17位含羟基 ( x8 ) ; ( 9) A环 C4位上有取代基 CH2OH, CHO,
CH3 CO2 CH3或 CH2OOCH3 ( x9 ) ; ( 10) A环含羟基 ( x10 ) ; ( 11) D环 C15位上含取代基 ,含 N
或 S取代基 ( x11 )。上述结构因素分别被引入结构虚潜参数 x1～ x11。
1. 2. 3　方法的选择　从分子结构角度出发 ,该类化合物抗菌活性的变化可能取决于上述结
构因素的变化。因此我们采用以结构片段 (取代基 )为参数的 Free-Wilson法进行活性的拟
加合性假设 ,运用多元回归方法分析软件〔6〕 ,在 TRUAIT PP/M T166型微机上建立总回归
方程 ,并用复相关系数 R和剩余标准差 s表征方程的可靠性 ,同时进行 F值的显著性检验。
2　结果与分析
2. 1　样本结构与活性回归方程式的建立
以样本的结构片段或取代基为特征建立 x1～ x11作为 ( 0. 1)型标度的虚潜参数 ,构成了
样本的 Free-Wilson分析输入矩阵 (见表 2) ,将此样本矩阵按 log AS的大小作多元回归分
析 ,将结构数量化 ,可获得样本结构与活性的回归方程式。
鼠尾草二萜醌类化合物抗金黄色葡萄球菌活性自回归程序 SRAPXD1输出结果 ,这类
化合物的 Free-Wilson方程式表征如下:
Y= 0. 7433+ 0. 09459x1+ 0. 4073x3+ 0. 2833x4+ 0. 1558x6+ 0. 00879x7+ 0. 00581x8
- 0. 1026x9- 0. 06398x10+ 0. 09502x11
其中:剩余平方和 Q= 0. 04099, n= 23;
标准差 s= 0. 06105,复相关系数 R= 0. 9599,表明加性模型是合意的。
F= 11. 7437> F0. 01( 11, 11)= 4. 54
经 F检验 P < 0. 01,表明上述表征的回归方程的回归效果高度显著 ,鼠尾草二萜醌类
Free-Wilson方程式的方差分析结果见表 3。
2. 2　二萜醌类结构因素对抑菌活性的影响
回归方程系数是结构片段或基团的活性贡献 ,即所选各种参数 x1～ x11的系数表示那个
特定结构片段或取代基对抑菌作用的定量影响。由回归方程可以表示 ,对抑菌作用贡献大小
的结构因素依次是 x3即 C环含邻醌 , x4即 C环含对醌 , x6即 D环的 C5与 C6之间为单键 ,
x11即 C15位含氮取代基 , x1即 A环为脂肪环 ;此外 , x7的 D环 C15与 C16的双键及 x8的 C7位
上的羟基也有一定的影响。 x2与 x5被删除 ,表明 A环芳香化与菲醌化合物对抑菌作用贡献
不大。同时说明 x10的 A环的羟基化与 x9的 A环 C4位上的 CH2OH、 CHO等氧化取代而引
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起化合物极性增大 ,抑菌活性却下降。
表 2　鼠尾草二萜醌化合物的 Free-Wilson分析输入矩阵
Table 2　 The input mat rix of Fr ee-Wilson o f dite rpene quinone compounds from Salvia prz ewalskii
Max im
化合物 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 log AS
Com pounds
1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1. 255
2 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1. 389
3 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1. 261
4 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1. 106
5 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1. 332
6 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1. 190
7 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1. 130
8 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1. 204
9 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1. 114
10 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1. 130
11 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0. 978
12 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1. 070
13 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1. 314
14 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1. 122
15 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1. 138
16 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0. 778
17 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0. 954
18 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1. 020
19 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0. 929
20 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1. 371
21 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1. 362
22 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1. 161
23 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1. 146
表 3　鼠尾草二萜醌类化合物 Free-Wilson方程式的方差分析
Table 3　 Th e variance ana ly sis o f the Free-Wilson fo rmula of diterpene quinones
变差来源
Variable
s ource
平方和
Sum of
squares
自由度
Degree
of f reedom
方差
Variance
方差比
Rat io of
variance
概率水平
Probabi lit y
level
R2
回归 U= 0. 4813 m= 11 U /m= 0. 04376 F= 11. 7437 0. 01 0. 9215
Reg res sion
剩余 Q= 0. 04099 n- m- 1= 11 Q /m= 0. 00373
Surplus
总计 Syy= 0. 5223 n- 1= 22
Sum
计算对应于各自变量 x的贡献值 Vi: V1= 0. 0317, V3= 0. 4817, V4= 0. 1108, V6=
0. 0438, V 7= 0. 0002, V8= 0. 0001, V9= 0. 0277, V10= 0. 0051, V 11= 0. 0201。 Vi值越
大 ,说明结构片段 xi在回归方程中越重要 ,对活性 log AS的作用和影响越大。比较 Vi值可
以得出结论: V3、 V4最重要 ,又 V3较 V4更重要 ; V6 , V1 , V9 , V11次重要 ; V 10 , V 8 , V7不重
要 ,即可说明 , ( 1) C环上的二醌基团对抑菌作用影响最大 ,而且含有邻醌的化合物抑菌作
用强于对醌类化合物。而醌式结构不存在时 ,几乎没有抑菌活性。( 2) D环的 C15与 C16之间为
单键时 ,对抑菌作用有相当的增强作用。 ( 3) A环为脂肪环时 ,对抑菌作用有一定的增强作
用。 ( 4) A环 C4位上连有取代基 CH2OH、 CHO等 ,对抑菌作用有一定影响 ,而 D环 C15位上
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连有氮取代基时对抑菌活性有一定的增强作用。 ( 5) A环的羟基化 , D环 C17位羟基化及 D
环 C15与 C16之间的双键等结构因素对抑菌作用影响不大。另外 , D环中的α-H在鼠尾草二萜
醌结构中是一个十分活泼的部分 ,易引起各类亲电取代反应 ,不同取代可明显影响抑菌活
性。
表 4列出了抑菌活性 lo gAS的观测值与预测值 ,并列出了预测值的差值。由表 4可以看
出 ,活性观测值与预测值的符合程度比较好 , 残差值小于 9%。说明应用该方程式预测化合
物的准确率比较高。
表 4　鼠尾草二萜醌抗菌活性观测值与预测值
Table 4　 The observ ed values and the caculated values of the antibacterial acti v ities to diterpene quinones
化合物
Com pound
活性观测值 Y
Observation
预测值 Y1
Caculation
残差值
Residual
Er ro r
(% )
1 1. 255 1. 2540 0. 0010 0. 0816
2 1. 389 1. 4010 - 0. 0120 - 0. 9581
3 1. 261 1. 1514 0. 1096 8. 7331
4 1. 106 1. 1594 - 0. 0534 - 4. 2535
5 1. 332 1. 3064 0. 0256 2. 0376
6 1. 190 1. 1900 0. 0000 0. 0000
7 1. 130 1. 1514 - 0. 0214 - 1. 7052
8 1. 204 1. 1652 0. 0388 3. 0924
9 1. 114 1. 1514 - 0. 0374 - 2. 9801
10 1. 130 1. 1514 - 0. 0214 - 1. 7052
11 0. 978 1. 0324 - 0. 0544 - 4. 3350
12 1. 070 1. 0266 0. 0434 3. 4586
13 1. 314 1. 3490 - 0. 0350 - 2. 7888
14 0. 778 0. 8467 - 0. 0687 - 5. 4762
15 0. 954 0. 9938 - 0. 0398 - 3. 1692
16 1. 020 0. 9938 0. 0262 2. 0898
17 0. 929 0. 8467 0. 0823 6. 5557
18 1. 371 1. 3490 0. 0220 1. 7530
19 1. 362 1. 3490 0. 0130 1. 0359
20 1. 122 1. 1514 - 0. 0294 - 2. 3426
21 1. 138 1. 1270 0. 0110 0. 8765
22 1. 161 1. 1564 0. 0046 0. 3662
23 1. 146 1. 1506 - 0. 0046 - 0. 3661
3　讨论
由鼠尾草二萜醌类化合物拟合成统计学显著的 Free-Wilson模型的结果表明 ,特定结
构片段对金黄色葡萄球菌的抑菌活性的影响是恒定的。因此 , Free-Wilson方法的一个启发
性用途就是对先导化合物的类似物进行系列设计 ,有关结构优化的工作另文报道。另外 , 结
构 10变化因素的化合物显得比较少 , 但由于获取此类化合物较困难 ,因此有待于进一步完
善。
Free-Wilson模型方法比较直观地反映了药物生物活性与结构片段特征参数间的关系 ,
有助于我们从化合物整体分子上去认识该类化合物结构特征参数与生物活性在统计学意义
上的关系 ,以其数学模型处理化合 物的构效数据可为筛选或设计新药提供有价值的信息 ,
同时可以初步推测此类化合物的抑菌机理。可以说 , Free-Wilson法对先导化合物的类似物
的系列设计和的初步 QSAR运算是很有用途的 ,它可为超热力学方法预选参数 ,如果将两
者及其它方法结合起来考虑 ,将会更好地拟合 QSAR方程式 ,对预测化合物活性也将更加
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准确更加合理。
当然 ,药物进入生物体发挥特定的生物活性作用的过程受着多因素的影响 ,比较复杂 ,
包含有许多尚未探明的细节。因此 ,构效关系的研究难免有其局限性 ,如果进一步将这类研
究方法与药物对生物体的作用机理研究 ,甚至与动物药理学、与毒理学等研究相结合 ,可望
得到更为可靠的结果。
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Studies on Antibacterial QSAR of Diterpene Quinones
from Salvia przewalskii Maxim
Xue Ming1 , Shi Yanbin1 , Zhou Zong tian1 , Cui Ying1 ,
W ang Hanqing2 , Zhang Bin1 , Luo Yong jiang1 , Xia Wenjiang1 , Zhao Rongcai1
(1Lanzhou Institute of Animal and Veterinary Pharmaceuticals,
CA AS , Lanzhou , 730050; 2Lanz hou Insititute of Chemical
Phy sics,Chinese Academy of Sciences)
Abstract: The antibacterial ( staphy loccocus aureus) activi ties of 23 di terpene quinones
f rom the Salvia przewalskii Max im, the artificial synthesis and the metabolism in pig s
w ere examined in an effo rt to study the quantitative st ructure activi ty relationship wi th the
Free-Wilson methods. With the application of the multiply reg ression, the Free-Wilson
pat tern w as established by the dummy ( indica to r) v ariable o f the st ructura l f ragments or
substi tuents. The results show ed: ( 1) The diketone moiety was the fundamental ro le in
the activi ties, o rtho-quinones w as higher active than para-quinones. ( 2) The sing le bond
existed betw een the C15 and C16 a t D-ring led to higher activ ity. ( 3) The sa turation at the
A-ring led to higher activ ity. ( 4) The components adjacent to ni t rogen substi tuents at C15
led to higher activ ity. ( 5) The hydroxyla tion o r dehydro gena tion a t A-ring led to less
activi ty.
Key Words: Salvia przewalskii Maxim; Di terpene quinone; Antibacteria; Q SAR
933期 薛　明等: 鼠尾草二萜醌及其衍生物的抗菌构效关系研究