超分子化學在生物化學及醫藥學中的應用*

陳　琦

(寶雞文理學院化學化工學院，陜西寶雞 721013)

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超分子化學在生物化學及醫藥學中的應用*

陳琦

(寶雞文理學院化學化工學院，陜西寶雞 721013)

摘要：簡要介紹了超分子化學的概念、產生、發展及應用。詳細介紹了：(1)生物超分子配體稀有人參皂素苷的制取及應用；(2)大三環冠醚配體與π-延展的雙吡啶鹽超分子配合物的合成性質及應用；(3)超分子配體有機多孔材料對氣體分子的選擇性吸附及分離。并對超分子化學的發展進行了展望。

關鍵詞：超分子化學，配體，應用

超分子化學是化學與生物學、物理學、配位化學、生命科學、生物化學、生物物理、材料科學、信息科學、環境科學和能源科學等多門學科相互滲透、交叉融合而形成的一門新興熱門邊緣學科，又稱主-客體化學。超分子化學的產生和發展促進了上述相關學科的形成和發展，彼此相互促進，相得益彰。為了表彰C.J.Pedersen(佩德森)、J.M.Lehn(萊恩)、D.J.Cram(克拉姆)三化學家對超分子化學概念的提出、形成、發展所完成的開創性工作，這三位科學家共享1987年諾貝爾化學獎。超分子化學起源于1967年佩德森首次合成和發現冠醚，超分子化學的概念源于被稱為“超分子化學之父”的萊恩1987年在獲諾貝爾化學獎的演講中提出了的。萊恩說：“超分子化學是研究由二種或二種以上化學物質通過非共價鍵的分子間作用力締合而成的具有特定結構和特殊功能的超越分子體系的科學”。因而超分子化學是共價鍵分子化學發展過程的一次升華，即被稱之為“超越分子概念的化學”。后來克拉姆又稱之為“主-客體化學”。超分子化學的形成淡化了四大基礎化學、生物化學、材料化學之間的界線，著重強調了具有特定結構和功能的超分子體系，將四大基礎化學有機的融為一體，從而為21世紀的熱點學科如分子器件、分子自組裝、新興材料科學、生命科學、信息科學、環境科學、能源科學、生物化學、醫藥學、納米科學、大環化學等的形成和發展開辟了一條嶄新的通道，被譽為21世紀新思想、新概念、新技術的重要源頭之一，是朝陽科學，并為21世紀化學學科的發展提供了一個重要而嶄新的研究方向。不僅如此，超分子化學在工業、農業、國防、醫藥學等領域及四個現代化建設中也彰顯出廣闊的應用前景。

1生物超分子配體稀有人參皂苷的制取及應用

1.1桔梗內生菌轉化人參主皂苷為稀有皂苷F2和C-K及應用

植物內生菌是指一類存活于健康植物組織內部、不引起宿主植物表現出明顯感染癥狀的微生物，藥用植物內生菌具有合成與宿主植物相同或相似活性成分的功能，在生物防治、醫藥衛生等領域有著廣闊的前景[1]。稀有人參皂苷 F2、C-K 和 Rh1 有著極強的藥理學功效，如有抗腫瘤、抗癌、抑制細胞凋亡等效能，但由于在自然界中含量極少或不存在，導致其使用和臨床應用受到限制。因此，將人參主皂苷轉化為人參稀有皂苷的研究顯得非常重要。為此，延邊大學的崔磊等人利用桔梗內生菌，篩選出人參皂苷生物轉化高效菌株，并對人參皂苷的轉化路徑進行探討。即他們將新采集的桔梗進行表面消毒，用組織分離法分離、用劃線法純化，共獲得 33 種內生菌，其中菌株 J9、J10、J23 對人參二醇型主皂苷 Rb1、Rb2、Rc、Rd 和人參二醇型主皂苷 Rg1 均具有較強轉化能力，并使人參二醇型皂苷轉化為稀有皂苷 F2 和 C-K、人參三醇型皂苷轉化為稀有皂苷 Rh1。且對單體皂苷的轉化路徑進行了探討[2]。其中菌株 J23 對 Rb1 的轉化過程中，F2 的最大產率達到 98.71%；菌株 J9對 Rb1 的轉化過程中，C-K 的最大產率達到 57.59%。該研究將在生物防治、生物學研究、生化研究、醫藥衛生研究及生命科學研究等領域有著廣闊的應用前景。

1.2組織培養人參的微生物轉化研究及應用

被稱為“百草之王”的人參是東北三寶之一，也是珍貴的藥材和保健品，具有抗腫瘤、抗癌、抗衰老、改善記憶、抗炎及保肝臟、提高免疫功能等作用[3]。人參栽培周期長，管理成本較高，病害嚴重且對環境破壞大[4]，而組織培養人參周期短，見效快，因此得到廣泛應用。但組織培養人參中人參皂苷含量和種類較少，故如何提高人參皂苷的含量成為研究的熱點。為此，延邊大學的宋曉琳等人為了提高組織培養人參中的皂苷含量，對組織培養的人參進行了微生物轉化。即他們從人參土壤中分離得到 243 種菌株，從中篩選出 12 種人參皂苷生物轉化菌株。他們的實驗結果表明，組織培養的人參中人參皂苷的含量較低，主要含有人參皂苷 Rd。他們利用人參皂苷生物轉化高效菌株 K17 對組織培養人參進行發酵轉化，其結果使人參皂苷的含量明顯增加，并在發酵 13 d后組織培養人參中的 Rd 全部轉化為有藥理效能的稀有人參皂苷 F2 和 C-K[5]。該研究將在生命科學、醫藥學、生物科學、生物防治及生物化學的研究中得到應用。

1.3人參內生菌轉化人參皂苷Rb1為稀有皂苷C-K的研究及應用

植物內生菌是一類存在于植物組織中而不引起侵染癥狀的重要微生物資源。研究表明，內生菌分泌物與內生菌的宿主植物一樣，可增強免疫力，提高抗疲勞能力，有顯著的益生功效，并具有很高的醫用價值[6]。人參為五加科人參屬多年生草本植物，是我國傳統名貴中藥材植物。研究表明，人參皂苷 Compound K(簡稱 C-K)是人參二醇型皂苷在人腸道內的代謝產物，并在人體內外均具有良好的抗腫瘤作用，是一種具有良好開發前景的抗癌新藥[7]。為此，延邊大學的崔勇虎等人利用人參內生菌將人參主皂苷 Rb1 轉化為抗腫瘤稀有皂苷 C-K，并探討了其轉化機理。他們的研究是從5年、6年、8年園參和17年移山參中分離得到192 種菌株，篩選出 25 種產β-葡萄糖苷酶的菌株，其中從17年移山參中分離得到的菌株 GS17-18 能夠將人參皂苷 Rb1 轉化為抗腫瘤稀有皂苷 C-K。其轉化過程為人參皂苷 Rb1→Rd→F2→C-K。這是首次報道的人參內生真菌轉化人參皂苷Rb1 為稀有人參皂苷 C-K 的研究，這對抗腫瘤稀有皂苷的制備奠定了堅實的基礎[8]。

1.4轉化人參總皂苷為稀有皂苷Rg3的研究及應用

人參皂苷是人參的主要有效成分，目前已從人參中分離出 40 多種人參皂苷成分。人參皂苷具有較好的抗衰老、抗氧化、抗腫瘤等藥理功效[9]，其中稀有人參皂苷 Rg3 具有抗癌、抗癌轉移、神經保護、擴張血管等療效[10]。但 Rg3 在人參中的含量很低，而且提取制備工藝極其復雜，因此通過人參皂苷側鏈糖基的選擇性水解得到療效更好的稀有人參皂苷 Rg3 具有重要意義。為此，延邊大學的崔磊等人從種植人參的土壤采集分離得到 256 種菌株，其中有β-葡萄糖苷酶的菌株102 種，再從中篩選出 14 種人參皂苷生物轉化菌株，編號為 YS1～YS14。分析結果表明，人參莖葉總皂苷中主要含有 Rb1、Rb2、Rc、Rd等人參皂苷，人參提取物中主要含有 Rb1、Rb2、Rd 等人參皂苷，兩者均不含有藥理和生理活性的稀有人參皂苷 Rg3 和 Rh2。他們利用 14 種人參皂苷轉化菌株進行了人參皂苷轉化實驗，結果表明菌株 YS2、YS12、YS13 和 YS14 能將人參莖葉總皂苷轉化為稀有皂苷 Rg3，其中 YS2 轉化率最高。菌株 YS2 和 YS7 能將人參提取物中的人參皂苷轉化為稀有人參皂苷 Rg3。經發酵后的人參提取物對 colon26-M3.1 癌細胞有較強的抑制作用[11]。該研究將在生命科學、生物學、生物化學及醫藥學研究中得到應用。

1.5食品微生物轉化人參總皂苷為稀有皂苷F2和C-K的研究及應用

人參皂苷是人參的主要生理和藥理活性成分。其中稀有人參皂苷具有極高的藥用價值和臨床應用前景。稀有人參皂苷F2是一種稀有的次級人參皂苷，對癌細胞具有一定的抑制作用。人參皂苷C-K是人參二醇系皂苷在人腸道內的代謝產物，是人參在體內發揮活性的實體。C-K在抗腫瘤、抗突變等方面都表現出了良好的生物活性，具有顯著的藥用價值。為此，延邊大學的陳賀等人利用食品中分離得到的乳酸菌(L1)和酵母菌(Y11、Y13)將人參總皂苷轉化為藥用價值更高的稀有人參皂苷C-K和F2。即他們利用從利用食品中分離得到的乳酸菌和酵母菌對人參根總皂苷進行轉化，其中酸奶乳酸菌 L1 能夠將人參總皂苷中的 Rb1 轉化為稀有皂苷 F2；葡萄酵母菌 Y11 和 Y13 均能將人參總皂苷中的 Rb1 轉化為較高轉化率的稀有皂苷 F2 和C-K，并且 Y13 能將 C-K 進一步轉化為原人參二醇(PPD)。該研究對于稀有人參皂苷 F2 和 C-K 的工業化生產奠定了堅實的基礎[12]，并在生命科學、生物學、生物化學、生物醫學及醫藥學方面得到應用。

1.6長白山不同海拔濕地微生物多樣性分析及應用

微生物多樣性分析在超分子化學、環境科學、生物化學、生物物理學、生物學及生命科學的研究中尤為重要。因為長白山是一座天然的“自然博物館”和巨大的“生物基因庫”，是我國最重要的自然保護區之一。區內有許多天然濕地，受其地形、氣候等因素的影響，呈現出不同的微生物多樣性，而微生物在調節氣候、降解污染物、維持生物多樣性等方面具有不可替代的重要作用。為此，延邊大學的楊艷晶等人從12 個濕地土壤樣品中分離得到 130 種菌株，其中 54 種菌株為可培養微生物。他們利用 PCR-DGGE 技術分析了長白山不同海拔濕地的微生物多樣性，結果表明，長白山濕地土壤中可培養優勢菌株為地衣芽孢桿菌、芽孢桿菌、泛酸枝芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌、藤黃微球菌、類芽孢桿菌。采用超分子配體DNA 提取試劑盒提取濕地土壤的總 DNA，并將優勢菌株的 DNA 序列在 NCBI 數據庫中進行對比[13]。該研究將在環境科學、生命科學、生物科學、生物化學等領域的研究中得到應用。

2大三環冠醚配體與π-延展的雙吡啶鹽超分子配合物的合成性質及應用

在主-客體化學中，發展新型的大環主體已經成為一個永恒的又具有挑戰性的課題。為此，中國科學院化學研究所的韓瑩等人合成了三蝶烯圓柱形大三環冠醚超分子配體化合物(A)，并研究了A與聯吡啶鹽絡合形成超分子配合物及絡合作用，且構筑了多種結構與功能獨特的組裝體。A與聯吡啶相比，π-延展的雙吡啶鹽有著更加豐富的化學性質和功能，通過研究A對π-延展的雙吡啶鹽類客體分子的絡合性質，為人們構筑新型的組裝體打下了良好的基礎。研究結果表明，這些π-延展的吡啶鹽在溶液中與固態下可以與主體 A 形成 1∶1、1∶2 的絡合物以及超分子聚合物，同時發現，在這些π-延展的雙吡啶鹽中，linker 的種類與長短的微小變化，都會導致絡合物的絡合模式發生非常大的變化，這為人們今后設計并構筑新型的具有特殊結構和功能的組裝體打下了良好的基礎[14]。該研究將在材料科學、信息科學、環境科學等領域的研究中得到應用。

3超分子配體有機多孔材料對氣體分子的選擇性吸附及分離

隨著科學技術的迅猛發展，有機多孔材料在分析分離科學、環境科學、材料科學、醫藥科學及信息科學等領域越來越彰顯出廣闊的應用前景。為此，國家納米科學中心的韓寶航等人以具有特定構型而且含雜原子的有機化合物為單體，利用不同的聚合反應，制備了一系列含有氧、氮、 硫等雜原子的有機微孔超分子聚合物，這些聚合物的 BET 比表面積介于 700m2·g-1～2500m2·g-1之間。某些含氮聚合物多孔材料的氫氣吸附能力在1bar和77K的條件下達到了 2.80%(質量分數)，是目前所報道的多孔材料中在相同條件下最高的儲氫值。同時其對二氧化碳的吸附性能名列其它吸附材料前茅。另外，此類微孔聚合物對甲烷和氮氣的吸附量很小，因此可用于氣體的選擇性吸附或分離。通過對微孔的調節和材料的優化，達到對特定氣體的吸附存儲，從而使其逐漸發展成為一種極具潛力的新型氣體存儲器和分離材料[15]。

4結語

超分子化學作為一門植根深遠的新興熱門邊緣學科，其誕生和成長以來生機勃勃，充滿活力，無處不用，無處不有。我們堅信，隨著世界科學家對超分子化學理論和方法研究的不斷深入，它將不斷促進各門自然科學日新月異的迅猛發展。隨著人們對其應用研究的不斷深入，枝繁葉茂的超分子化學必將在為人類社會的可持續發展及物質文明做出更大的貢獻。

參考文獻

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[15] 韓寶航.有機多孔材料對氣體分子的選擇性吸附與分離研究[C]∥全國第十七屆大環化學暨第九屆超分子化學學術討論會論文集.吉林延邊：延邊大學，2014：47-48.

*基金項目：陜西省重點實驗室科研計劃項目(2010JS067)；陜西省教育廳自然科學基金資助課題(04JK147)；寶雞文理學院自然科學基金資助課題(zk12014)

中圖分類號：TQ 61

Applications of Supramolecular Chemistry to Biochemistry and Medicine

CHEN Qi

(Chemistry & Chemical Engineering Department，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721013，Shaanxi，China)

Abstract：The concept，generation，development and application of supramolecular chemistry were introduced briefly in this paper. Emphases were put on from three parts：① preparation and applications of the biological supramolecular rare ginseng saponin glycosides；② synthesis properties and applications of macrotricyclic crown ether ligand with π-extended pyridinium salt；③ selective adsorption and separation of supramolecular organic porous materials on gas molecules. Future developments of supramolecular chemistry were prospected in the end.

Key words：supramolecular chemistry，ligand，application