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Advances in studies on biological activity and structure-activity relationships of isoquinoline alkaloids

异喹啉类生物碱的生物活性和构效关系研究进展



全 文 :·1900· 中草菊 ChineseTraditionalandHerbalDrugs第37卷第12期2006年12月
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异喹啉类生物碱的生物活性和构效关系研究进展
程轩轩L2,王冬梅1,杨得坡卜
(1.中山大学药学院,广东广州 510080;2.中山大学生命科学学院,广东广州510275)
摘要:异喹啉类生物碱在自然界中分布广泛。由于其结构多样因此具有广泛的生理活性,包括抗菌、抗肿瘤、镇
痛、抗心律失常、抗血小板聚集、降压、调节免疫等功能。此类生物碱的药理活性以及构效关系研究一直广为科研人
员所关注。主要综述了近10年来异喹啉类生物碱在抗菌、抗氧化、抗疟、抗肿瘤、抗HIV方面的生理活性以及构效
关系等研究的新进展,旨在发掘新的特征性基团或结构,为寻找活性先导化合物、合理设计药物分子提供依据。
关键词:异喹啉类生物碱;抗菌;抗氧化;抗肿瘤;抗HIV;构效关系
中图分类号:R282.710.5文献标识码:A 文章编号:0253—2670(2006)12—1900—05
Advancesinstudiesonbiologicalactivityandstructure—actiVityrelat onships
ofisoquinolinealkaloids
CHENGXuan—xuanl“,WANGDong—meil,YANGDe—p01
收稿日期:2006—05—08
作者简介:程轩轩(1978),女,辽宁省抚顺市人,在读博士研究生,研究方向为药用植物有效成分分离与分析。
Tel:(020)87333159E—mail:chengxuanxuan78@163.com
*通讯作者杨得坡E—mail:lsswdm@mail.sysu.edu.cn
万方数据
中草菊 ChineseTraditionalandHerbalDrugs第37卷第12期2006年12月·1901·
(1.SchoolofPharmaceuticalSciences,SunYat—senU iversity,Guangzhou510080,China;
2.SchoolfLifeSciences,SunYat—senU iversity,Guangzhou510275,China)
Keywords:isoquinolinealkaloids;antibioticactivity;antioxidation;antitumor;anti—HIV;structure
activityrelationship
异喹啉类生物碱在植物界分布广泛,主要分布在防己
科、毛莨科、小檗科、罂粟科等数10种植物类群中。异喹啉类
生物碱从结构上可分为简单异喹啉类、苄基异喹啉类、苯并
菲啶类、萘基异喹啉类、阿朴菲类、原小檗碱类、普托品类、吗
啡类等20余种,总数已达千余种。异喹啉类生物碱由于其结
构多样性,具有较广泛的生理活性.,包括抗菌、抗肿瘤、镇痛、
抗心律失常、抗血小板聚集、降压、调节免疫等功能,多年来,
人们对此类化合物的生理活性研究一直比较活跃。本文对近
10年来异喹啉类生物碱在抗菌、抗氧化、抗肿瘤、抗HIV方
面的生理活性与构效关系研究进行简要综述。
1抗菌作用
在从植物中寻找具有抗真菌活性的次生代谢产物过程
中发现,有些含生物碱的植物可以免受致病性真菌、昆虫的
攻击口’2]。Ma等[31对罂粟科紫堇属植物刻叶紫堇Corydalis
incisaPers.和延胡索C.ambiguaChainetSchlecht进行生
物活性的初步筛选时,发现二者的甲醇提取物具有抗植物致
病性真菌——草本支孢霉Cladost,oriumherbarum的作用,
经进一步的分离纯化得到两个抗真菌活性很强的苯并菲啶
类生物碱:紫堇醇灵碱(corynoline,I)和乙酰紫堇醇灵碱
(acetylcorynoline,Ⅱ)。此外,coryincine(Ⅲ)虽然与紫堇醇灵
碱、乙酰紫堇醇灵碱具备类似的母核结构,却无抗真菌活性,
主要系因氮原子的存在状态不同所致(结构式见图1)。
觯R 妒
I R20H
liT
II R=OOCCH,

Ⅳ V
图1化合物I~V的结构式
Fig.1StructuresofcompoundsI——V
Tiwari等[41合成一系列新的1一芳基四氢异喹啉衍生物,
通过体外抗菌试验确定1一芳基一6,7-二甲氧基一1,2,3,4一四氢
异喹啉(图1一Ⅳ)是抗菌的活性结构(MIC3.5~20btg/mL)。
该母核中游离一NH基团具有显著的生理活性,N原子上的
H被亲核基团取代会使活性降低。
1wasa等[51对数10个简单型异喹啉碱、苄基异喹啉碱的
抗菌活性构效关系进行分析,多数化合物的抑菌作用较微弱
(MIC>500pg/mL)。在简单型异喹啉、双氢异喹啉的季铵
碱结构中:N原子的烷基化(季铵化),Cs、C,位烷氧基是增
加活性的重要因素(烷氧基对活性的贡献:苄氧基>丙氧
基);c,位连接的烷烃链的延长也可起到增效作用。经过筛
选,O,N—tribenzyl一1一propyl一3,4-dihydroisoquinoline(图1一
V)的抗菌活性最强(MIC3.9~15.6/lg/mL),较之对照
物——硫酸卡那霉素(kanamyciasulf te)(MIC3.9~62.5
tLg/mL)更具优势,可作为开发抗菌药物的先导化合物。苄基
异喹啉的活性普遍偏低,N原子烷基化和Ce、C,、C。’、C。7位
烷基化会使活性增加。
2抗疟作用
双钩叶科(Dioncophyllaceae)和钩枝藤科(Ancistrocla—
daceae)为热带藤蔓植物,两科植物的特征性次生代谢产物
萘基异喹啉类化合物[6](图2一VI~x),大多是轴向的手性双
芳基化合物。DioncopeltineA(Ⅵ)、dioncophyllineB(Ⅶ)、
dioncophyllineC(Ⅷ)在体内外试验中均有良好的抗疟原虫
作用。HabropetalineA(IX)和dioncophyllineE(x)是从植
物Dioncoph3,llumtho loniiBaill.和三叶木Triphyophyllum
peltatum(Hutch.&Dalz.)AiryShaw.中得到的新化合物,
它们对于氯喹敏感菌株PlasmodiumfalciparumNF54和耐
氯喹菌株P.falciparumK1均有良好的抑制效果,提示这
类具有萘基异喹啉骨架结构的化合物有望成为新型的抗疟
先导化合物[7’8]。
ⅥR=H:ⅨR=Me ⅦRimH:XR22Me
HOOMe
Me
OHMe

图2化合物Ⅵ~x的结构式
Fig.2StucturesofcompoundsⅥ一X
3抗氧化作用
已有报道,原小檗碱类生物碱可有效抑制叶绿素激活的
亚油酸光氧化过程,并且在大鼠肝微粒体中也显出抗过氧化
活性‘⋯。Rackova等‘”3从亮叶十大功劳Mahoniaaquifolium
(Pursh.)Nutt.中分离得到小檗碱、药根碱和木兰碱(图3一
XI~xm),并从化合物的结构,尤其是羟基的存在位置、孤对
电子的离域程度和空间条件、亲脂性和水合能参数等方面对
3个生物碱的抗氧化作用进行了评价。抗自由基活性是通过
万方数据
·1902· 中草菊 ChineseTraditionalandHerbalDrugs第37卷第12期2006年12月
4 5
Ⅺ Ⅻ
图3化合物Ⅺ~Ⅻ的结构式
Fig.1StructuresofcompoundsXI~ⅪⅡ
与稳定的游离自由基DPPH(a,a,-diphenyl—p-picrylhydrazyl
radical)的反应来评价。抗氧化活性的考察选择偶氮启动因
子AAPH(2,2,_azobis(2-amidinopropane)hydrochloride)诱
导、过氧化损伤的DOPC(dioleoylphosphatidylcholine)脂质
体的非均质膜系统中进行。药根碱和木兰碱在两个反应系统
中均表现出良好的活性。与抗氧化剂Stobadine和Trolox相
比,木兰碱对自由基的清除能力与Stobadine接近,比药根碱
更有效,而小檗碱只是显示出边缘效应。在抗脂质过氧化方
面,木兰碱的活性显著高于Trolox,与Stobadine强度相当,
而小檗碱活性最弱。
Martinez[11,1a]采用化学诱导剂(Fe”一半胱氨酸)诱导微
粒体的脂质过氧化模型,研究考察了阿朴菲类生物碱的抗氧
化活性。在若干阿朴菲碱(表1)中,波尔丁(boldine)的活性
(半数抑菌浓度IC。。20}tmol/L)几乎是异波尔丁
(isoboldine)的2倍,这说明c。一OH对活性影响至关重要。球
二者的IC5。分别为12.5、27ttmol/L,说明C。l—OH可明显增加
抗氧化活性。二羟基取代的阿朴吗蹦}(apomorphine)活性最强
(IC;。3.3/-mOl/L),提示C。。,C-。一双羟基的邻苯二酚是活性结
构,因其可以形成邻位半醌阴离子。Cassels等[12,1a]用脑组织匀
浆自氧化实验模型也得到了与上述一致的结果。Fe”一EDTA—
H20:诱导的脱氧核糖降解模型中,海罂粟碱(glaucine)的活性
稍弱于波尔丁,而在Fe”一H:Oz一抗坏血酸诱导的肝微粒体脂质
过氧化模型和AAPH诱导的溶菌酶活性缺失模型中,海罂粟
碱的活性仅为波尔丁的一半[14’1“。波尔丁的c。位发生卤代反
应(溴代、碘代)并不影响其对溶菌酶的保护,但在肝微粒体脂
质过氧化模型中其抗氧化活性加倍[1“。在非酚性阿朴菲碱中,
苄基c。。一H键是自由基攻击的初始位点,而且邻近氮原子的孤
对电子也通过扩展电子离域而稳定中间体自由基。与海罂粟碱
相比,其季铵盐N—methylglaucinium完全不具备抗氧化活
性[1“”3;同样,N—methylboldinium的活性也仅为波尔丁的一
半。由此说来无论在酚性、非酚性阿朴菲碱中,氮原子的孤对电
子都是清除自由基的主要活性部位。
在苄基异喹啉碱的抗氧化活性构效分析中n“,牛心果
碱(reticuline)和Ⅳ一甲四氢罂粟碱(1audanosine)(表2)虽然
与异波尔丁和海罂粟碱的结构相似,但它们抗氧化活性很
低。Laudanosoline具备两个邻苯二酚结构,其活性最强
(IC。。6.8ttmol/L)。因此,无论是阿朴菲碱还是苄基异喹啉
碱,邻苯二酚结构对抗氧化活性都有重要贡献。值得指出的
是,laudanosoline尽管有2个邻苯二酚结构,但其活性也仅
为阿朴吗啡的一半,推断阿朴菲碱的联苯结构增加了苯氧自
由基的自旋离域,从而使抗氧化活性增强[1“。苄基自由基在
阿朴菲碱结构中比苄基异喹啉碱更稳定,也是由于联苯结构
紫堇碱(bulbocapnine)和番荔枝碱(anonaine)结构相似,但使共轭体系延长所致m3。
表1阿朴菲碱结构式
Table1 Structuresofaporphines
4抗肿瘤作用
拓扑异构酶(topoisomerase,TOP)是重要的核酶,它可以
解决DNA复制、转录、重组、修复、染色质组配和染色体分离过
程中的拓扑问题‘”]。DNA拓扑异构酶通过断裂和重组磷酸二
万方数据
中草药 ChineseTraditionalandHerbalDrugs第37卷第12期2006年12月·1903·
酯键来影响其拓扑构型。哺乳动物的TOPI通过断裂DNA的
单链改变构型,而TOP1I可引起DNA双链的断裂。目前寻找
拓扑异构酶的抑制剂已经成为癌症化学治疗的新途径。
Coralyne(则)是一个抗白血病的生物碱,具有与两面针
碱(nitidine)相似的结构,而后者是TOPI、I的抑制剂。
Makhey等u7。以coralyne为先导化合物合成了系列化合物,
并进行抗ToP活性的研究。这些化合物的药理活性与母核结
构和取代基密切相关。普遍规律:coralyne母核中芳环的刚性
结构是产生药理活性的关键。c;、C。不饱和键与c。烷基取代
会维护或增强化合物的平面刚性口6““,因此与抗肿瘤活性密
切相关。C。、C。的甲氧基,C。、C。的甲氧基,Cs、C。的亚甲二氧
基取代物中,以C。、C。的亚甲二氧基取代物具有普遍的抗
TOP活性,它不仅保留了与coralyne相当的抗TOPI活性,
还有显著的抗TOPⅡ的活性。然而合成产物5,6-dihydro一3,
4-methlenedioxy一10,11-dimethoxyquinoliziumchloride(XV)
却是一个特例,虽然其Cs位无取代基,Cs、ce之间是C—C饱
和键,却是良好的TOPI抑制剂,原因尚待进一步探讨[1“。
花椒定(fagaridine,XTI)是天然的酚性苯并菲啶类生物
碱,临床疗效确切,其相关衍生物的合成与生物活性评价一直
吸引人们注意。在合成苯并菲啶碱的研究过程中,发现了一个
强抗癌剂一7,8-dimethoxy一2一methyl一3一(4,5-methylene—
dioxy一2-vinylphenyl)一isoquinoline一1(2H)一one(煳)(IC500.2
nmol/L),可以认为是苯并菲啶结构中芳香C环的C—C键断
裂而得的衍生物。化合物XIV~XVll的结构式见图4。化合物
xv又是3一芳基异喹啉的前体化合物。Cho等n盯对系列3一芳
基异喹啉碱(结构见表3)的抗肿瘤活性进行评价。对于
SKOV一3肿瘤细胞株,未取代酰胺(a)的抑瘤活性是C环取代
基酰胺(e)的活性又是未取代酰胺(a)的4倍。由此说明,A环
上的甲基取代可显著影响活性水平。此外,C。上有取代基将使
活性降低,C。位甲基取代可以增加活性口⋯。但是A环上二甲
氨基取代物(i—1)则无抗癌活性。当系列3一芳基异喹啉碱中的
羰基被硫酮取代,则使活性显著降低。哌嗪衍生物中,无论取
代基在A环或B环上,对大多数肿瘤细胞株均有抑制作用。
综上所述,3一芳基异喹啉碱衍生物抗肿瘤活性虽弱于前体化
合物)矾,但与花椒定相当,有望开发为新型抗癌剂[1“。
始>
妒OH>删扣妒≥
O
XⅧ
0
XⅨ
图4化合物ⅪV~凇的结构式
酰胺(b~d)的5~35倍;对于A549细胞株,A环取代的6一甲Fig.4StructuresofcompoundsXIV~3]X
表3 3一芳基异喹啉碱结构
Table3 Structuresof3一arylisOquinoIines
茚并异喹啉生物碱(图4)具有中度的抗肿瘤作用。它的
作用机制与喜树碱抑制TOPI相似。尽管作用温和,但是其
裂解产物具有化学稳定性和持久性,因此作为TOPI的新型
抑制剂,值得深入探讨。已经发现一些茚并异喹啉类生物碱
对于耐喜树碱的TOP变异肿瘤株有活性,提示它可以用于
耐喜树碱的肿瘤治疗中。Xiao等[163用先导化合物)Ⅷ合成系
列茚并异喹啉类生物碱,相比之下后者的活性均高于前者。
在系列单胺化合物(图4一妞)中,C。。侧链长度减少(3碳一2
碳)仅使细胞毒性稍微减弱,而碳链的延长(从3碳一4碳)则
使细胞毒性降低了15倍。在侧链长度从2碳一4碳的变化
中,对TOP的抑制作用没有显著影响。然而,碳链继续延长
至5碳或6碳,将会使细胞毒性和抗TOP活性同时降低。C。。
侧链的末端无游离氨基,其抗TOP活性降低,但细胞毒性仍
然高于化合物ⅪⅢ。C。。侧链末端为甲氨基的衍生物,其细胞
毒性和抗TOP作用均降低。这种趋势在二胺类衍生物中同
样得到证实。综上所述,茚并异喹啉生物碱母核结构中,伯胺
链长度适宜是保证细胞毒性和抗TOP活性的必要因素。在
甲氨基取代物中,由于位阻存在会降低对TOP的抑制作用。
由前述细胞毒性和抗TOP活性的差异可看出,TOPI并不
是茚并异喹啉生物碱抗肿瘤作用的唯一靶点。
Cui等[z03对简单型异喹啉、1一苄基异喹啉、原小檗碱类天
然生物碱及合成物进行了抗癌(抑制TPA诱导的EBV—EA
活性)构效关系研究。简单异喹啉碱中,1,2-烷基一6,7-烷氧基
衍生物与对照物口一胡萝卜素(化学抗癌剂)的活性相当;Ct取
万方数据
·1904· 中草菊 ChineseTraditionalandHerbalDrugs第37卷第12期2006年12月
代烷基长度的增加会导致活性下降,C。、C,上的羟基被二甲
氧基取代后也会影响其活性。1一苄基异喹啉碱中,C。7、C。7、
C。、C,位为烷氧基的衍生物的活性均高于对照物p胡萝b
素,某些化合物的活性甚至优于人参皂苷Rg。(强抗促癌剂)。
从构效关系来看,芳香环上羟基数目的增加以及N的季铵化
对活性的增强均有显著的贡献。原小檗型生物碱中(图3),
C。。、C。取代基碳链的延长可引起活性下降。A、D芳香环上的
甲氧基或羟基如果被亚甲二氧基取代,活性也会降低。因此,
C。。、C。取代基的大小,A、D环上含氧取代基的类型和位置均
会影响化合物的活性。
5抗HIV作用
|wassa等[5]考察了10余种简单异喹啉碱、苄基异喹啉
碱在H9淋巴细胞中抗HIV一1复制的作用。简单型异喹啉
中,四氢异喹啉和6,7-二羟基异喹啉季铵碱有抗HIV活性,
salsolinol、6,7-dihydroxy—N—methyl-isoquinolinium、6,7一
dimethoxy一3,4-dihydroisoquinolinium(图5一)()(~XXI)是活
性最强的化合物。在6,7-二羟基四氢异喹啉碱中,随着C,位
上烷基链的延长活性降低(1一甲基衍生物具活性,而1一戊基
衍生物不具活性)。异喹啉、双氢异喹啉季铵化有增强活性的
作用。C。、C,位羟基如果苄基化可增加活性,然而丙基化只能
略增加活性。苄基异喹啉碱抗HIV活性普遍很弱。
HoHO母∞HO辨怖IN;-№
Me0
Me0
图5化合物XX~XXII的结构式
Fig.5Structuresofcompounds)。(一XXa
6结语
在简单异喹啉碱、苄基异喹啉碱结构中,Ⅳ季铵化(烷基
化)和C。、C,取代基的变化对活性的影响甚为显著。在其他
类型的生物碱(苯并菲啶类、芳基异喹啉碱类、阿朴菲碱等)
中,氮原子的存在方式和烷基化程度,芳香环上取代基数目
与位置的变化同样对活性有着举足轻重的作用。值得指出的
是,萘基异喹啉类化合物作为热带藤蔓植物的特征性次生代
谢产物,有望成为新型的抗疟先导化合物。茚并异喹啉生物
碱抗肿瘤作用机制与喜树碱抑制TOPI相似,因此作为
TOPI的新型抑制剂,值得深入探讨。此外,一些茚并异喹
啉生物碱对于耐喜树碱的TOP变异肿瘤株有良好的抑制活
性,提示它可以用于耐喜树碱的肿瘤治疗中。
异喹啉类生物碱的生理活性与其结构有着密切的关系。
通过对其抗菌、抗氧化、抗肿瘤、抗HIV的构效关系研究,为
确定先导化合物、合理进行药物分子设计,合成新化合物提
供了有力的依据,并可以结合现代药理、生化方法进行活性
筛选,以发现特色新药,使我国新药研发由仿制为主发展到
以活性为基础、创新为目标的新方向上来。
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万方数据
异喹啉类生物碱的生物活性和构效关系研究进展
作者: 程轩轩, 王冬梅, 杨得坡, CHENG Xuan-xuan, WANG Dong-mei, YANG De-po
作者单位: 程轩轩,CHENG Xuan-xuan(中山大学药学院,广东,广州,510080;中山大学生命科学学院,广东
,广州,510275), 王冬梅,杨得坡,WANG Dong-mei,YANG De-po(中山大学药学院,广东,广州
,510080)
刊名: 中草药
英文刊名: CHINESE TRADITIONAL AND HERBAL DRUGS
年,卷(期): 2006,37(12)
被引用次数: 6次

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