51种中草药化学成分结构特点的统计分析

冯唐锴，曾文涛

（景德镇学院生物与环境工程学院，江西景德镇 333000）

中药在我国有着悠久的历史和广泛的应用，按功能可分为19类。其中清热药在抗病毒、治疗感冒和炎症等方面应用广泛。此类药物通常又可分为治湿热病药（板蓝根、金银花、连翘等）、治热毒疮疡药（蒲公英、鱼腥草等）、治热毒泻痢药（马齿苋等）、治咽喉肿痛药（穿心莲等）4种类型。这些清热药中，金银花、板蓝根、连翘、马齿苋、穿心莲等为景德镇学院教学和科研常用中草药，为了了解这些中草药的化学成分的特点，本研究查找统计了一大批相关化学成分的分子式，并对其结构特征进行了统计分析。

1 工具与方法

1.1 使用工具

本研究所使用到的工具有：美国国家生物技术信息中心（NCBI）化合物数据库[1]、化学结构式编辑软件King Draw和WPS表格处理软件（表1）。King Draw是一款国产化学编辑器软件，具有分子结构绘制与图像输出、3D可视化模型建构、化合物数据信息检索等功能[2]。并可以进行手势绘制、结构式命名、IUPAC名称转结构式、查看化学属性、3D分子模型转换等多种操作。本研究主要运用NCBI中的Pub Chem搜索工具对部分化合物的结构式进行搜索验证，使用King Draw来查找大量化合物的分子结构，借助WPS表格处理软件辅助统计分析并作图。

表1 网站及软件相关信息

1.2 数据收集

通过阅读文献，确定金银花、板蓝根、连翘、马齿苋、穿心莲中含有的主要化合物成分。利用文献和百度搜索引擎，联合查询相关化合物的CAS号和英文名。King Draw软件可以利用化合物的CAS号、英文名以及分子式等多种方法来查找化合物分子结构。因此，进入KingDraw软件，点击工作站并选择化合物百科，在搜索框中输入上述英文名和CAS号查找所需化合物结构式，并以king格式进行保存。同时，输入NCBI网址进入NCBI首页，在首页顶部搜索栏左侧选择Pub-Chem化合物，在右边输入化合物Pub Chem CID、化合物英文名进行搜索，将查找的结果与king Draw查找的结果进行对比，确认结构式的正确性。

1.3 数据的比较及分析

利用下载到的中草药所含有机化合物的分子结构式进行统计分析。主要分析2个指标：一是分子含有环的种类和数量；二是含有活性基团的种类和数量。环结构又分为苯环和五元杂环进行统计分析；基团则分为羧基、羟基、氨基、甲氧基和酯基进行统计分析。使用WPS表格软件对统计结果制表作图。

2 结果

2.1 本研究涉及的中草药所含主要化学成分

金银花（Lonicerae Japonica Thunb.）为忍冬科忍冬属植物，具有清热解毒、疏散风热之效，常用于治疗温病发热和风热感冒等症状，化学成分构成如表2所示[3-4]。

表2 金银花主要化学成分分类

板蓝根（Radix Isatidis）属十字花科植物，用于瘟疫时毒、发热咽痛、温毒发斑等病症。化学成分复杂，活性指标成分不明，主要成分如表3所示[5]。

表3 板蓝根主要化学成分分类

连翘（Forsythia Suspensa）为木犀科植物，具有明确的抗炎、镇痛、抗病毒、抗菌功效，主要的化学成分如表4所示[6]。

马齿苋（Portulaca oleracea L.）为石竹目马齿苋科马齿苋属一年生肉质草本植物，其化学成分有抗氧化、抗菌、神经保护等生物活性，主要化学成分如表5所示[7-9]。穿心莲（Andrographispaniculata）为爵床科穿心莲属一年生草本植物，可用于治疗感冒发热、治疗痢疾，具有消肿、清热解毒的效果[10]，主要的化合物如表6所示。

表5 马齿苋主要化学成分分类

表6 穿心莲主要化学成分分类

2.2 数据收集结果

针对5种清热解毒中草药的上述化学成分，在数据库中搜索查找，确定了51种化合物的结构式。利用所含环的数量对51种化合物结构式进行分类，可分为1～5个环5种类别（表7）。其中，含1个环的化合物13个，占25%；含2个环的化合物6个，占12%；含3个环的化合物13个，占25%；含4个环的化合物9个，占18%；含5个环的化合物10个，占20%（图1）。

图1 51种化合物所含环数量的比例图

表7 51种化合物结构式分别具有不同数量的环

2.3 化合物结构特点统计结果

对这五类化合物的环的种类和数量以及所含基团的种类和数量进一步进行统计分析，相关信息见表8～12。

2.3.1 含1个环化合物的结构特点统计分析。针对本研究的5种中草药，在数据库中搜集了13个含1个环的化合物结构式（表8），它们分别为有机酸类、酚酸类、生物碱类及含硫类成分。其中环型为苯环的化合物12个，为五元杂环的化合物仅1个（表告依春）。在基团情况方面，这些分子中分别含有羧基、羟基、氨基、甲氧基和酯基。上述含1个环的化合物多为有机酸类。因此，在结构上有8个分子含有1个羧基。除邻氨基苯甲酸和表告依春外，所有分子都含有羟基，咖啡酸、原儿茶酸、没食子酸、多巴胺及去甲肾上腺素等化合物中羟基数量较多。丁香酸和反阿魏酸中含有甲氧基。多巴胺、去甲肾上腺素等生物碱类中含有氨基。2种酯类含有酯基。这些单环化合物分子结构相对简单，分子中含有羟基、羧基较多，碱性基团和其他基团较少（图2）。

图2 含1个环化合物的结构特征

表8 含1个环的化合物的结构特点分析

2.3.2 含2个环化合物的结构特点统计分析。在数据库中共搜集了5种中草药的6个含2个环的化合物结构式（表9），类别分别为有机酸类、黄酮类、生物碱类（吲哚生物碱）及香豆素类。这6个含2个环的化合物都含有苯环，其中异甘草素含有2个苯环，其他环型分别还有六元环、五元杂环、六元杂环等。在基团方面，除靛红外其他5种分子都含有羟基，绿原酸、异甘草素及6,7-二羟基香豆素所含羟基更多一些；6,7-二羟基香豆素、伞形花内酯及东莨菪亭这3种香豆素类化合物当中，则含有独特的六元杂环及酯基。靛红主要结构含吲哚基，且有酰胺基团；东莨菪亭另含有甲氧基。

表9 含2个环的化合物的结构特征分析

2.3.3 含3个环化合物的结构特点统计分析。在数据库中共搜集了5种中草药的13个含3个环的化合物结构式（表10），主要为有机酸类、黄酮类、木脂素类及香豆素类。其环型分别有苯环、六元环、五元杂环、六元杂环等，除穿心莲内酯外，都含有苯环结构，数量1～2个不等，但以2个苯环的化合物居多；除异绿原酸B、穿心莲内酯及落叶松脂醇外，其余10个化合物都含有六元杂环；而穿心莲内酯与异绿原酸B含有1～2个六元环；穿心莲内酯、落叶松脂醇、佛手内酯、异茴香内酯中各含有1个五元杂环。基团方面，除佛手内酯和异茴香内酯外，都含有羟基，且整体数量较多，其中，又以异绿原酸B和杨梅素最多，各有6个羟基；此外有8个化合物当中存在1个羰基（图4）。

图3 含2个环化合物的结构特征

图4 含3个环化合物的结构特征

表10 含3个环的化合物的结构特征分析

2.3.4 含4个环化合物的结构特点统计分析。在数据库中共搜集了5种中草药的9个含4个环的化合物结构式（表11），它们主要为黄酮类、生物碱类（吲哚生物碱和喹啉生物碱）、连翘酯苷类、木脂素类及二萜内酯类成分。环的结构方面，这9个化合物含有的环型有苯环、六元环、五元杂环、六元杂环等。除穿心莲内酯苷外，其余化合物都含有苯环，且数量均为2个；除木犀草苷及连翘酯苷A外，其他7个化合物都有五元杂环；穿心莲内酯苷则含有2个六元环。基团方面，除色胺酮外其他8个化合物都含有羟基，连翘酯苷A最多，有9个羟基，木犀草苷含7个羟基，穿心莲内酯苷含6个羟基；羰基则主要存在于生物碱类化合物中；板蓝根甲素有2个酰胺基；松脂素和连翘脂素中含有甲氧基；木犀草苷、连翘酯苷以及穿心莲内酯苷含有醚键（图5）。

图5 含4个环化合物的结构特征

表11 含4个环的化合物的结构特征分析

2.3.5 含5个环化合物的结构特点统计分析。在数据库中共搜集了5种中草药的10个含5个环的化合物结构式（表12），它们主要为黄酮类、萜类皂苷化合物、连翘酯苷类、木脂素类、三萜类与萜类及甾醇类。环的情况方面，其所含环型有苯环、五元环、六元环、五元杂环、六元杂环等。除芦丁、连翘苷及连翘酯苷B外，其他化合物均含六元环，数量3～5个。基团方面，除木栓酮外，这组化合物均含有羟基，其中连翘酯苷B有11个羟基、芦丁有10个羟基；除连翘苷外，这组化合物也均含有甲基，且数量较多，最多的木栓酮含有8个甲基。另外，芦丁和木栓酮各有1个酮基；连翘苷含有甲氧基（图6）。

图6 含5个环化合物的结构特征

表12 含5个环的化合物的结构特征分析

3 结论与讨论

3.1 结论

被分析的5种中草药的51个活性化合物属类众多、各具特点，结构上的规律并不明显，但是依然可以总结出一些共性特征。

首先，环状结构都出现在了这些化合物中，尽管在数量上会有不同，在种类上也有苯环、五元环、六元环、五元杂环、六元杂环等差异，杂环中还含有N、O、S等不同原子。无论如何，环状结构在所有被分析的51种主要活性化合物中都是存在的。这可能表明，这些分子在执行生物功能的时候，环型结构在适应其功能的时候是必不可少的。可能作为受体、酶、糖蛋白等生化大分子识别这些分子的特征性结构。

其次，羟基在上述分子中广泛存在，明显多于其他各类基团。环的数量越多能容纳的羟基数量也越多。羟基是最简单的一种基团，也是一种十分重要的极性基团，能够形成氢键、酯键，也是羧基、酚等结构的重要组成部分。在上述中草药中，活性功能较为常用的几种化合物如金银花中的绿原酸、木犀草苷、芦丁、槲皮素，连翘中的连翘酯苷，穿心莲中的穿心莲内酯苷，马齿苋中的杨梅素等，都含有较多的羟基。这可能表明其活性功能与羟基有着较为重要的联系。但是根据上述统计，也发现板蓝根中的一些主要作用成分如：生物碱类化合物靛玉红、色胺酮、靛红、靛蓝等化合物中含有的羟基不多。这可能表明板蓝根活性成分的主要作用方式和其他化合物有一定的区别。

另外,本研究中的51种化合物中，也发现了一些其他规律。例如：当环的数量较少，如1～3个环时，则分子中苯环出现的频率和数量均较多。但随着环数量的增加，苯环的重要性似乎逐步减弱，其他类别的环出现的频率和数量随之增加。而在5个环的分子中，六元环已经显著成为分子中主要的环状结构。另外，在5个环的分子中，甲基数量也突然大量增加。而且六元环和甲基数量的增加呈现出正相关的趋势。

3.2 讨论

对本实验室常用的5种实验实训中草药的51种化合物分子进行了结构上的比较和统计分析，得出了一些结论。但是分析中也存在一些不足之处。首先，本研究选取的植物种类和化合物样本数量还不够多，得出结果的代表性有待于进一步完善。中草药的药理特点多使用中医中药学原理方法进行解释，并且由于其成分复杂，难以对起到关键作用的化合物进行确认。抗疟疾的青蒿素的有效使用，是中药活性分子开发利用的里程碑，希望有更多的中药活性分子像青蒿素那样被更好地利用。了解常用中草药中主要活性分子结构特点，是对其进行开发利用的先决条件。今后，还应进一步加大对此类活性分子结构特点的分析研究力度，寻找某一类相同功效分子的共性特征。其次，分子结构的分析未与功能相结合。本研究的最终目的，还是要进一步了解分子结构和功能之间的关系。但是本研究着重分析统计了51种化合物的结构特征，未与其功能进行关联，这是后续研究应该重点关注的内容。另外，还可以进一步探讨这些化合物分子的空间结构。本研究主要统计了这些分子中环和基团的种类和数目，但是这些分子要起作用，还需要有一个适宜的空间结构。因此，在后续研究中，还可以结合分子功能和受体，去了解这些分子的空间结构及基团位置对功能的影响。