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Review about structure-function relationships of anthraquinone derivatives
from Radix et Rhizoma Rhei

大黄中蒽醌衍生物的构效关系



全 文 :·综述·
大黄中蒽醌衍生物的构效关系
宗金锐1,巢志茂2,刘振丽3,王 金1
(1.中国中医科学院 中药研究所,北京 100700;
2.中国中医科学院 医学实验中心,北京 100700;3.中国中医科学院 中医基础理论研究所,北京 100700)
[摘要] 从构效关系角度对大黄中存在的天然蒽醌衍生物进行综述。该类蒽醌衍生物具有相同的母核,因此
体现出一些相同的药理活性,但因取代基的不同而表现出活性强度的不同。这些蒽醌衍生物在抗氧化,抗菌,抗
癌,对免疫功能的影响等方面存在明显的构效关系,表现为活性的强度与取代基的氧化程度。
[关键词] 大黄;蒽醌衍生物;构效关系
[中图分类号]R284.1 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2008)20242405
[收稿日期] 20071211
[基金项目] 国家中医药管理局留学回国人员科技项目(国中
医药研2006LHR06号)
[通讯作者] 巢志茂,Tel/Fax:(010)64017866,Email:cha
ozhimao@yahoo.com.cn
  大黄是常用中药,2005年版《中国药典》规定为蓼科植
物掌叶大黄 RheumpalmatumL.,唐古特大黄 R.tanguticum
Maxim.exBalf或药用大黄R.oficinaleBail.的干燥根及根
茎。《神农本草经》中记述:大黄,味苦寒,归胃肝大肠经,主
下瘀血,血闭寒热,破症,积聚,留饮宿食,荡涤肠胃,推陈致
新,通利水谷,调中化食,安合五脏。蒽醌类化合物通常被认
为是大黄中抗菌及抗氧化的有效成分,分为游离型和结合型
2类。游离型主要是大黄酸(rhein)、大黄酚(chrysophanol)、
大黄素(emodin)、芦荟大黄素(aloeemodin)和大黄素甲醚
(rheochrysidin)(图1)[1]。徐锦优等[2]指出,大黄酚的甲氧
基在体内被氧化,转化为羟甲基的芦荟大黄素,或者继续氧
化,经过醛基的短暂过渡,氧化成羧基的大黄酸。印度学者
AgarwalSantoshK等[3]曾从藏边大黄 R.emodi中提取出大
黄醛(rheinal)。王金等[4]按照天然化合物氧化还原的规律
及生源关系,根据蒽醌类化合物的结构规律,认为中药大黄
中也应该存在大黄醛。从结构上看大黄酚、芦荟大黄素、大
黄醛、大黄酸依次为具有甲基、羟甲基、醛基、羧基取代的具
有相同母核的蒽醌化合物,呈现出氧化程度逐渐增强的规
律。但是,这种结构上的规律,是否与药理活性方面存在一
定的规律,尚未见报道。作者通过文献整理,对此进行了分
析和综述,认为大黄中含有的蒽醌衍生物在抗氧化作用,对
淋病双球菌抑制作用,对小鼠腹水肝癌细胞、人肝癌细胞抑
制作用等方面存在明显的构效规律。
1 大黄蒽醌衍生物抗氧化活性构效关系
图1 大黄中蒽醌类化合物
  沈传勇等[5]采用黄嘌呤黄嘌呤氧化酶初速度法对大黄
中5种蒽醌化合物抗氧化活性的研究结果认为:随浓度增
高,各化合物对氧自由基(O-·2)的消除率均增大。大黄酸与
芦荟大黄素抑制作用较强,IC50分别是 47×10
-6,50×
10-6mmol·L-1。而在此相当浓度时大黄素甲醚、大黄素、
大黄酚的抑制率分别30%,25%,20%左右。可见大黄酚的
抑制活性最差。HuangShiangsuo等[6]报道大黄素等对小鼠
心脏线粒体脂过氧化的抑制效果比同浓度 α生育酚佳,对
亚油酸过氧化抑制率885%。YenGuochin等[78]报道决明
子中蒽醌化合物对200mg过亚油酸抗氧化活性由大至小
为:BHA(抑制率96%,以下同)>大黄酸(78%)>大黄素
(36%)>蒽醌(8%)>大黄酚(-23%,加速氧化反应的作
用)。从实验结果得到的构效关系为:在蒽醌结构中,酚羟基
的间位有个取代基可增加抗氧化的活性,且该基团吸电子能
力越强,作用越强,即 COOH>CH2OH>OCH3>OH>CH3,
由此推测O-·2 与化合物反应发生在酚羟基邻位或对位。
2 大黄蒽醌衍生物抑菌活性构效关系
2.1 抗菌活性 陈琼华等[9]研究得到,大黄酸,芦荟大黄
素,大黄素抗菌效果好,对敏感的金黄色葡萄球菌抗菌效价
(g·L-1)分别是250,625,125。而大黄酚和大黄素甲醚
作用较差,同样对金黄色葡萄球菌的抗菌效价是200。基本
结构为1,8二羟基蒽醌,当7位为羟基后3位羧基或羟甲基
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等酸性基团时抗菌作用较强。若1,3,7,9缺酸性基团,则抗
菌作用削弱。笔者从实验结果还可以看出对金黄色葡萄球
菌的抗菌效果:芦荟大黄素>大黄酸>大黄酚。得到构效关
系为:在具有蒽醌基本母核结构中,3位取代基不同,对敏感
金黄色葡萄球菌和幽门螺旋杆菌的抗菌效果影响
CH2OH>COOH>CH3。苟奎斌等
[10]发现蒽醌类化合物对
幽门螺旋杆菌的最低抑菌质量浓度(mg·L-1)及抑菌环
(mm)是:大黄酸(06,28),大黄酚(078,24)芦荟大黄素
(085,23)。可见抗菌效果是:大黄酸 >大黄酚 >芦荟大黄
素。得到构效关系为 COOH>CH3>CH2OH。可见此活性
与结构的氧化还原规律不尽相同且不尽一致。
2.2 对淋病双球菌抑制作用 陈知本等[11]研究发现大黄
酸,大黄素,芦荟大黄素对138号,319号,322号淋病双球菌
的MIC(mg·L-1)是32~64>128>128。得到构效关系为:
在具有蒽醌基本母核结构中,就大黄酸和芦荟大黄素的活性
来看,3位取代基吸电子能力越强,对淋病双球菌抑制作用
越强。
3 大黄蒽醌衍生物抗癌作用构效关系
3.1 抗癌活性构效关系 肖军军等[12]研究发现大黄素,大
黄酸,芦荟大黄素对小鼠腹水肝癌细胞,人肝癌细胞24h的
抑制率分别是 276%,461%;347%,292%;226%,
269% 。48h的抑制率分别是 548%,517%;491%,
378%,458%,300% 。可见蒽醌衍生物可以抑制小鼠腹
水肝癌细胞和人肝癌细胞生长,并随作用时间的延长其抑制
作用增强。大黄酸的抑制作用最强,芦荟大黄素的抑制作用
最弱。并发现大黄酸对上述2种癌细胞线粒体有影响,改变
线粒体结构,减少含量。与肝癌细胞作用后,细胞内肌动蛋
白微丝减少。大黄酸还能抑制癌细胞能量代谢,使信息传导
受阻,癌细胞运动和生长受到影响。在具有蒽醌基本母核结
构中,就大黄酸和芦荟大黄素的活性来看,3位取代基吸电
子能力越强,对小鼠腹水肝癌细胞,人肝癌细胞抑制作用越
强COOH>CH2OH。孔亮等
[13]结合大黄酚的体外代谢反
应,解释了大黄代谢物对肿瘤细胞活性的抑制率的提高是由
大黄酚的代谢产物芦荟大黄素浓度的增加引起的。
陈琼华[14]等发现大黄素和大黄酸对黑色素肿瘤疗效较
好,抑制率分别是76%,73%。大黄素对乳腺癌也有一定抑
制作用,抑制率40%。二者都对肉瘤180,艾氏癌皮下型抑
制不显著。
3.2 与环苷酸磷酸二脂酶钙调素相互作用 陈少林[15]等
研究发现,大黄蒽醌衍生物与钙调素(CaM)依赖的磷酸二脂
酶的相互作用表明它们可以作用于钙调素,其中,大黄酸结
合CaM,并抑制其依赖的 CaMPDE。而大黄素,大黄酚,芦
荟大黄素既刺激 CaMPDE活力,又刺激 PDE的基础活力。
与CaM作用TFP(阳性对照)>大黄酸>大黄素甲醚>大黄
素>大黄酚>芦荟大黄素。3位为COOH与CaM作用最强,
3位为CH2OH最弱,6位氧原子引入可以增强对CaM作用,
3位为甲基时,6位引入羟基或甲氧基可使这种作用增加约
1倍。得到构效关系为:在具有蒽醌基本母核结构中,3位取
代基不同,与环苷酸磷酸二脂酶钙调素相互作用影响
COOH>CH3>CH2OH。可见此活性与结构的氧化还原规律
不尽相同。
3.3 对DNA的影响 王淑如等[16]发现大黄蒽醌衍生物对
无细胞系统DNA生物抑制作用。大黄素,大黄酸,大黄素甲
醚+大黄酚,芦荟大黄素,大黄酚的抑制率分别是 50%,
39%,19%,12%,9%。且大黄素能和 DNA结合成复合物。
蒽醌类化合物的立体结构能使之插入DNA中产生影响。得
到构效关系为:在具有蒽醌基本母核结构中,3位取代基吸
电子能力越强,对无细胞系统 DNA生物有抑制作用越强
COOH>CH2OH>CH3。
4 大黄蒽醌衍生物对免疫功能影响的构效关系
路铭等[17]研究大黄酸,大黄素,芦荟大黄素(70mg·
kg-1·d-1×7,ip)对免疫功能影响。大黄素能明显减轻胸
腺和脾脏质量,脾指数和胸腺指数分别比空白对照降低
354%,878%;大黄素对胸腺作用比阳性对照组的环磷酰
胺作用强;大黄酸和芦荟大黄素明显减轻胸腺质量,指数分
别比对照组降低638%,366%,对脾脏影响作用不明显。
大黄酸、大黄素、芦荟大黄素3种化合物均能减少小鼠
的Hc50(半数溶血值),分别比对照组降低573%,658%,
334%。大黄酸作用同阳性对照的环磷酰胺相当。
大黄酸、大黄素、芦荟大黄素吞噬百分比和吞噬指数分
别比 空 白 降 低 385%,529%;25%,471%;115%,
376%。对小鼠碳粒廓清功能影响大黄素作用最强(与环磷
酰胺相当),其次为大黄酸,芦荟大黄素作用不明显。大黄
酸,大黄素对淋巴细胞转化过程中DNA,RNA生物合成抑制
率分别是78%,64%;57%,52%。对DNCB所致小鼠迟发型
超敏反应影响,大黄素,大黄酸,芦荟大黄素的抑制率为(小
鼠耳后增重)321%,45%,431%。
在具有蒽醌基本母核结构中,就大黄酸和芦荟大黄素的
活性来看,3位取代基吸电子能力越强,对免疫功能影响越
强COOH>CH2OH。
5 大黄蒽醌衍生物对小鼠P388白血病的抑制构效关系
路铭[18]等研究发现大黄酸,大黄素,芦荟大黄素(40mg
·kg-1·d-1×7,ip)延长 P388白血病小鼠存活期分别是
61%,47%,36%。腹水量和癌细胞数也相应减少。[3H]
Tdr,[3H]Urd及[3H]Lec参入实验表明,大黄素,大黄酸,芦
荟大黄素明显抑制P388癌细胞的DNA,RNA蛋白质的生物
合成,呈剂量依从性。抑制[3H]Tdr的IC50分别是65,55,79
mg·L-1,对[3H]Urd的IC50分别为46,50,80mg·L
-1,对[3
H]Lec的IC50分别为58,75,88mg·L
-1。表明大黄素的抑
制作用较强。在具有蒽醌基本母核结构中,就大黄酸和芦荟
大黄素的活性来看,3位取代基吸电子能力越强,对小鼠
P388白血病的抑制作用越强COOH>CH2OH。
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6 大黄蒽醌衍生物对线粒体呼吸链抑制作用
陈春麟等[19]发现大黄素对线粒体呼吸链抑制作用最强
(抑制复合体Ⅰ琥珀酸脱氢酶和复合体ⅡNADHFMN),大
黄酸作用次之(抑制复合体Ⅰ),芦荟大黄素较弱(抑制复合
体Ⅰ弱)。而大黄素甲醚与大黄酚对呼吸链电子传递复合体
Ⅰ和复合体Ⅱ均无明显抑制作用。但后两者可在体内转化
为活性较强的前三者发挥作用。可见在具有蒽醌基本母核
结构中,3位取代基吸电子能力越强,对线粒体呼吸链抑制
作用越强COOH>CH2OH>CH3。
7 大黄蒽醌衍生物对肾髓质Na+K+ATP酶活性的抑制和
利尿作用构效关系
周晓明等[20]报道大黄酸和大黄素对兔肾髓质Na+K+
ATP酶有较强的抑制作用。而 Na+K+ATP酶是一种调节
酶,肾小管Na+的重吸收示通过Na+K+ATP酶的主动转运
过程。抑制则使Na+重吸收减少,尿中排Na+增多。另外还
使排K+量增加,可能由于 H+Na+交换减弱,使 Na+K+交
换增加,因此在排尿中排Na+,K+都增加。还对呼吸链电子
传递有明显抑制作用,从而使ATP生产量减少,影响了肾小
管上皮细胞对Na+重吸收所需能量。大黄素,大黄酸,芦荟
大黄素对Na+K+ATP酶活性抑制50%抑制率质量浓度为
(98±14),(110±19),(193±28)mg·L-1,大黄酚
作用不明显。得到构效关系为:在具有蒽醌基本母核结构
中,3位取代基吸电子能力越强,对肾髓质 Na+K+ATP酶
活性的抑制和利尿作用越强COOH>CH2OH>CH3。
8 大黄蒽醌衍生物保肝作用构效关系
孙阳等[21]研究报道,小鼠连续7d分别ip大黄素,大黄
酸,芦荟大黄素42,47,44mg·kg-1后使肝微粒体细胞色素
P450含量分别下降417%,519%,663%。使戊巴比妥钠
诱导的小鼠睡眠时间比对照组延长187%,818%,643%。
5种蒽醌化合物都结合氧化态细胞色素P450,差示光谱呈Ⅱ
型光谱。郭美姿[2223]等和罗霄山[24]分别报道用CCl4损伤的
肝,大黄酸和芦荟大黄素具有保肝作用和抑制其纤维化作
用,其作用机制可能与其抗炎,抗氧化作用及抑制 TGFβ1,
抑制HSC活化作用有关,但由于方法不同其作用强度无法
比较。
9 大黄蒽醌衍生物其他活性的构效关系
9.1 与钙形成螯合物 FridemannCA等[25]报道蒽醌衍生
物可与钙形成衍生物,其中大黄酸是一种能形成可溶性钙螯
合物的蒽醌,在pH中性时,不仅在试管中可阻滞草酸钙沉
淀,且可以在体外溶解小的肾结石。人服用大黄酸后,尿质
量浓度达20~50μg·L-1,不会引起结合表面有红色钙螯合
物沉积,输尿管中直径约 6mm的结石在 3个月内溶解
25%。大黄酸钠溶解肾结石的速度比EDTA快3倍,因此形
成可溶性钙螯合物蒽醌类化合物有可能成为钙基肾结石的
抑制剂。
9.2 酪氨酸酶的抑制作用构效关系 陈琼华等[14]发现大
黄素对酪氨酸酶有显著的竞争性抑制作用,50%抑制的药物
质量浓度为366mg·L-1;大黄酸的抑制作用较弱,芦荟大
黄素几乎无此作用。
9.3 大黄蒽醌衍生物对胰腺功能的影响的构效关系 蔡亚
农等[26]报道大黄的有效成分大黄素对胰腺激肤释放酶、胰
蛋白酶、胰脂肪酶均有很强的抑制作用,IC50分别为 315,
405,465mg·L-1。牛血清白蛋白和烟酰胺嘌呤二核苷酸
对大黄素抑制胰蛋白酶有拮抗作用。动力学表明,大黄素对
胰蛋白酶的抑制是非竞争性的,Ki值为145×10
-4mol。芦
荟大黄素对胰腺激肤释放酶、胰弹性蛋白酶有较强的抑制作
用,IC50分别为385,670mg·L
-1。大黄酸对胰腺激肤释
放酶抑制作用很强,IC50为265mg·L
-1。大黄酚和大黄素
甲醚对上述4种酶抑制功能均不明显。
9.4 体内代谢转化 KrumbiegelG等[27]发现大黄酸和芦荟
大黄素作为轻泻药,志愿者分别定量服用后,定时取血浆样
本用高效液相法检测。两样本血浆中分别在3~5h在和
10~11h大黄酸出现最大值,而没有在任何血浆样本中发现
芦荟大黄素。可见芦荟大黄素经过一段时间在体内转化成
了大黄酸,可能是大黄酸在起致泻作用。
总之,从构效关系理论出发,可得到如下结论。第一,在
抗氧化作用,对淋病双球菌抑制作用,对小鼠腹水肝癌细胞、
人肝癌细胞抑制作用等方面,蒽醌衍生物有明显的构效关
系,即在蒽醌基本母核基础上,3位取代基吸电子能力越大,
上述作用越强COOH>CH2OH>CH3,活性与结构的氧化还
原规律相同。由于吸电子能力COOH>CHO>CH2OH,可以
推断大黄醛也应该具有此类活性,且强度应该在大黄酸和芦
荟大黄素之间。另外大黄醛结构上醛基的独特性,是否也应
该具有某些独特活性,也有待进一步研究。第二,蒽醌衍生
物因为拥有相同的母核具有很多共同的生理活性,有些活性
与大黄的传统功效相关,如抗肿瘤,抗病毒,抗氧化等属于传
统功效祛瘀和解毒的范畴,这可以从一定程度上说明中药功
效和有效成分群的结构间有一定的构效关系。第三,大黄蒽
醌衍生物中有些活性为一部分或某一个化合物所特有,其中
以大黄酸和大黄素的活性最强,这与化合物极性有关,还可
能因为某些化合物有特殊的立体结构。而经过体内转化,活
性弱的化合物能转化成活性强的化合物。决明子,何首乌等
中药中也含有这一系列的化合物,其构效关系同传统功效的
关系值得进一步探讨。而这一系列化合物的苷类的研究数
据非常少,需要进一步深入研究。
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Reviewaboutstructurefunctionrelationshipsofanthraquinonederivatives
fromRadixetRhizomaRhei
ZONGJinrui1,CHAOZhimao2,LIUZhenli3,WANGJin1
(1.InstituteofChineseMateriaMedica,ChinaAcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100700,China;
2.ExperimentalResearchCentre,ChinaAcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100700,China;
3.InstituteofChineseMedicineBasicTheory,ChinaAcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100700,China)
[Abstract] ItreviewthestructurefunctionrelationshipofnaturalanthraquinonederivativesfromRadixetRhizomaRhei.The
anthraquinonederivativeshadmanyidenticalactivitiesbecausetheyhavetheidenticalmothernucleus;butthestrengthoftheiractivi
tieswerediferent,becausetheyhavediferentsubstitutiongroups.Theanthraquinonederivativesshowntheobviousstructurefunction
relationshipinmanyrespects,suchasantioxygenation,antibiosis,anticancer,theinfluenceofimmunityandsoon.
[Keywords] RadixetRhizomaRhei;anthraquinonederivative;structurefunctionrelationship
[责任编辑 王亚君]
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