天然產物多糖的超分子機制分析

易延逵，潘東梅*，張璐，蔡維珊，潘東蓮，禹嬋

南方醫科大學中醫藥學院（廣州 510515）

超分子通常是指由2種或2種以上分子依靠分子間相互作用結合在一起，組成復雜、有組織的聚集體，并保持一定完整性，使其具有明確的微觀結構和宏觀特性。超分子常見的結構有環狀配體組成的主客體體系，或者是有序的分子聚集體，或者是2個或2個以上基團用柔性鏈或剛性鏈連接而成的超分子化合物等。超分子之間主要通過靜電作用、氫鍵和范德華力等非共價鍵的分子間作用力。目前研究較多的超分子大環主體有冠醚、環糊精、杯芳烴、杯吡咯、杯咔唑、瓜環葫蘆脲、柱芳烴等。超分子普遍存在于自然界和生物體內，如體內的各種復合體、酶及其底物、激素及其受體，冠醚與某些金屬的包合物都是超分子[1-2]。

多糖是指由10個以上單糖通過糖苷鍵聚合形成的一種天然生物分子，其相對分子質量由幾百至幾百萬，是繼蛋白質、核酸研究之后一類重要生物信息分子，對維持生命活動起到至關重要的作用。多糖廣泛存在于動物、植物和微生物中[3]。天然產物多糖是指從動植物體內和微生物中分離的活性多糖成分的總稱，有近百種得到分離提取鑒定，具有廣泛藥理作用，包括增強機體免疫力、抗疲勞、抗炎、降血糖、降血脂、抗腫瘤、抗病毒、調節腸道菌群等藥理作用，天然產物多糖具有毒副作用小、不易造成殘留等優點[4-6]。

生物分子化合物通常在一定條件下容易形成超分子。天然產物的蛋白質、多糖、核酸等都是生物活性分子化合物，在體內或者體外的一定條件下，容易形成超分子化合物，很多生理活動都可能跟形成超分子化合物有關。因此，就天然產物多糖可能形成超分子情況進行分析，分析天然產物多糖的可能超分子機制。

1 天然產物化合物形成超分子的研究現狀

天然產物化合物或是生物體內的一些生物分子物質，如核酸、肽類、蛋白質等分子物質在體內體外一定條件下都有可能形成超分子。

作為生物體遺傳物質的脫氧核糖核酸（DNA），分子結構復雜，其在一定條件下可以形成超分子物質。DNA超分子水凝膠在生物、醫學領域具有廣闊的應用前景，近年來成為國際前沿研究方向。基于DNA自組裝技術，構建一系列分子器件和材料[7]。

生物體內的肽類物質同樣在一定條件下可以形成超分子。如制備的胸腺五肽超分子水凝膠[8]，通過對其納米形貌及力學性能進行表征，研究其體外增強細胞攝取及免疫調節的性能。結果顯示合成的自組裝胸腺五肽能夠在加熱、冷卻下形成宏觀可見的超分子水凝膠，該水凝膠由交聯的長纖維構成并且具有良好的力學延展性。通過合理結構修飾后，形成納米藥物的胸腺五肽的細胞攝取性能和免疫調節活性顯著增強。

基于非共價鍵力的超分子化學發展非常迅猛，在化學、物理、材料科學、信息科學及醫藥等領域顯示出廣泛的應用前景和巨大的開發價值。唑類化合物如咪唑、噻唑、噁唑、吡唑、三唑、四唑和咔唑等具有特殊的含氮芳雜環結構，可通過非共價鍵力與無機物和/或有機物形成絡合物超分子，表現出廣泛的生物活性[9]。

中藥中的活性物質在一定條件下同樣可以自組裝成超分子化合物。基于中藥復方的黃連素自組裝納米結構及其抗菌調節作用進行研究[10]，結果揭示超分子可能是中藥復方的重要物質基礎之一，從中藥復方水煎煮過程中的自沉淀現象得到啟發，發現水煎煮過程中不同有效成分在弱鍵誘導下自組裝形成各類超分子結構。研究發現黃連解毒湯中黃酮苷類有效成分可與小檗堿在水溶液中自組裝形成球形和線形超分子，自組裝后與前體原料小檗堿相比，其對于金黃色葡萄球菌的抑制作用和生物膜清除能力明顯改變，表明超分子結構的形成會顯著影響單體活性。試驗結果從新的視角揭示超分子是中藥復方的重要物質基礎之一，詮釋中藥配伍理論的科學內涵。

有研究指出中藥和人體均是巨復超分子體，其成分是反映原生物體“印跡模板”特征聚集客體，具有遺傳多態性。中藥質量屬性、炮制、制劑制備與質量屬性評價都受到超分子化學的影響，最終反映到“印跡模板”的制備及其質量屬性的傳遞規律上，從而可運用超分子“印跡模板”理論研究中藥生物遺傳多態性，以及藥材炮制、制劑制備與質量屬性評價，提高研發成功的可獲得率。隨著生物超分子化學不斷與中醫藥基礎理論結合，提出毒與效的整合模式也是基于中藥超分子“印跡模板”，中藥和人體其所產生毒與效的整合效果是建立在單味中藥成分基礎上，按中醫藥基礎理論據證依法遣藥組方治病的整合結果，亦是各單味中藥有效成分群按“印跡模板”綜合作用的結果，其是通過對各成分群超分子“印跡模板”特征、作用規律及其網絡藥（毒）理譜學進行的定性定量研究[11-12]。

超分子手性普遍存在于自然界和生命體內，可通過分子在非共價鍵作用下有序排列形成，對生命科學、藥物化學及材料科學的發展起到重要作用。天然產物來源廣泛，具有獨特的立體結構和多手性中心，由于其分子手性可以在組裝過程中隨著分子的有序堆積得到傳遞和放大，形成超分子手性結構，因此是一類優良的超分子手性構筑基元。甾體、三萜、氨基酸、糖等天然產物小分子化合物都可以進行超分子手性自組裝[13]。很多天然產物如海藻酸鈉、殼聚糖、膠原蛋白、瓊脂糖等天然水凝膠及其衍生產物，以及人工合成的聚乙二醇、聚多肽等化合物，在一定條件下均可形成超分子類水凝膠。可以制備生物打印的水凝膠應用于材料、醫療等領域[14]。

2 多糖類成分形成超分子的研究現狀

對于多糖類成分形成超分子的研究較多，其中研究較多的是葡聚糖，葡聚糖是指以葡萄糖為單糖組成的同型多糖，葡萄糖單元之間以糖苷鍵連接。其中根據糖苷鍵的類型又可分為α-葡聚糖和β-葡聚糖，而其中研究最多的是環糊精，另有殼聚糖、瓜爾膠等多糖膠類、脂多糖等。

2.1 環糊精超分子的研究

環糊精（CD）是通常含有6～12個D-吡喃葡萄糖單元。其中研究得較多是含有6，7和8個葡萄糖單元的分子α-、β-和γ-CD，均以1, 4-糖苷鍵結合成環。CD存在于生物體內，如蘆薈的凝膠，其中含有環糊精復合物，有消炎、消腫、止痛、止癢及抑制細菌生長的效用；另有從土豆淀粉里分離出了環糊精。應用較多的是合成的，由直鏈淀粉在由芽孢桿菌產生的環糊精葡萄糖基轉移酶作用下生成一系列環狀低聚糖，即為CD。CD因為其特殊的結構特性，可以在一定條件下形成超分子，研究主要體現在多個方面。

（1）CD因為結構上的特殊性可自身組裝超分子，或跟其他特殊結構的分子組裝超分子。CD是具有良好生物相容性和易功能化的葡聚糖基本材料，作為第二代超分子大環主體化合物取得發展，可以自組裝為膠束形成超分子，或作為藥物載體跟很多藥物進行自組裝成超分子[15]。CD可通過主客體識別作用與客體分子如二茂鐵、偶氮苯、金剛烷、苯環等形成包合，以此構筑的超分子組裝體展現出豐富的自組裝-解組裝特性、刺激響應性、較低的細胞毒性和較好的生物相容性，有望在藥物/基因載體領域得到應用[16]。

（2）CD因其環狀包合作用可包合其他分子，包合物可組裝超分子。采用β-CD對藥物進行包合是目前很多針對油脂性藥物處理的一種方法，該方法最初是為改善油脂性藥物的水溶性和劑型適應性，現有研究發現，包合過程中可以形成超分子結構。如采用β-CD聚合物制備姜黃素超分子包合物并對其抗氧化活性進行測定[17]，成功獲得具有一定抗氧化活性的姜黃素超分子包合物，為姜黃素的劑型改善及其應用提供新技術手段和理論參考數據。

（3）可對CD進行適當的結構修飾以更能適應一些藥物或材料并改變其性能。采用雙（2-氨基丙基醚）聚丙二醇（PPG-NH2）鏈穿線帶有正電荷的6-乙二胺修飾β-環糊精構成準輪烷，進而與鋰皂石作用構筑超分子水凝膠，通過流變、Zeta電勢和掃描電鏡等手段對凝膠性質進行表征，為水基超分子發光軟材料提供一種新的構筑方法[18]。分別合成聚β-環糊精作為主體分子及側鏈含有金剛烷胺和阿侖膦酸的聚合物作為客體分子，對其化學結構與相對分子質量進行了核磁共振氫譜表征。通過環糊精和金剛烷胺的主客體的分子相互作用得到一種物理交聯的超分子水凝膠。該體系中的阿侖膦酸基團能為水凝膠和骨創傷界面提供強的黏合作用，可用于制備可注射水凝膠應用于骨修復領域[19]。有研究利用靜電相互作用[20]，將帶負電的7-[6-脫氧-6-（2-乙磺酸）]-β-環糊精（磺化環糊精，SCD）與氨基粘土非共價結合，構筑一種新型雜化水凝膠，并進行結構表征，結果形成超分子水凝膠。環糊精超分子凝膠融合環糊精和凝膠的優勢，在軟材料領域研究中有著特殊的重要意義[21]。

2.2 葡聚糖超分子的研究

除環糊精外，其他的葡聚糖同樣在一定條件下可形成超分子結構，改善一些藥物和材料的性能。

葡聚糖是多糖家族中最重要的成員之一，其中β-1, 3-葡聚糖的生物活性已被廣泛認可。研究發現在剛果紅/β-葡聚糖絡合物體系中，當陰離子濃度超過第一臨界濃度時，剛果紅膠束開始形成并結合在β-葡聚糖上形成絡合物，當陰離子濃度超過第二臨界濃度時，剛果紅/β-葡聚糖絡合物進一步通過剛果紅膠束之間的聚集形成超分子結構，說明剛果紅/β-葡聚糖絡合物主要通過剛果紅膠束之間的疏水相互作用聚集成超分子結構[22]。以葡聚糖為模板，采用仿生的方法控制合成具有獨特形貌并含有少量葡聚糖的碳酸鈣復合材料。結果獲得的CaCO3為文石晶型，外貌類似菜葉，進一步的研究發現，在CaCO3結晶過程中葡聚糖與CaCO3之間存在超分子相互作用[23]。

2.3 其他類多糖超分子的研究

對其他類多糖如麥芽糊精、殼聚糖、瓜爾膠等都開展相應研究，發現它們在一定條件下可形成超分子結構。研究主要集中在普通材料方面，但隨著其研究深入，有更多多糖類超分子將用于包括醫用材料的醫藥方面。

研究通過線性麥芽糊精和均苯四甲酸二酐交聯合成一種新型線性麥芽糊精超分子聚合物，利用傅里葉紅外光譜、熱重和光學顯微鏡對其進行結構和形貌的表征，并考察其對孔雀石綠的吸附性能研究[24]。

殼聚糖側鏈改性合成N-（4-二甲氨基苯甲基）殼聚糖（MBCS），通過葫蘆[8]脲（Q[8]）與MBCS側鏈之間的主客體作用制得Q[8]/MBCS超分子凝膠，Q[8]/MBCS體系在酸性條件下，可組裝形成超分子凝膠，該凝膠體系具有溫敏性和pH敏感性。掃描電鏡（SEM）圖顯示凝膠具有網狀交聯結構，1H NMR譜顯示，在酸性條件下，Q[8]與MBCS含氮側鏈基團間發生主客體包合作用是超分子凝膠形成的主要原因[25]。

有研究從山藥淀粉中提取出直鏈淀粉，并利用通過機械法將直鏈淀粉纏繞在埃洛石納米管上組裝成直鏈淀粉-埃洛石（amylose-HNTs）超分子復合物，發現埃洛石納米管對山藥可塑性淀粉膜有增強作用[26]。

2.4 多糖生物分子復合物形成超分子的研究

在生物體內多糖或者糖類和其他生物分子形成的復合物，比如肝素鈉、糖蛋白、脂多糖等，在一定條件下可形成超分子化合物，參與各種生命活動，這可能跟很多生命活動的機制有關。

糖蛋白是一種含有寡糖鏈的蛋白質，兩者之間以共價鍵相連。一種或多種糖連接到肽鏈上的蛋白質，分布在細胞膜、溶酶體、細胞外液。糖蛋白普遍存在于動物、植物及微生物中，種類繁多，功能廣泛。糖蛋白參與的生理功能包括凝血、免疫、分泌、內吞、物質轉運、信息傳遞、神經傳導、生長及分化的調節、細胞遷移、細胞歸巢、創傷修復及再生等。糖蛋白的糖鏈還參與維持其肽鏈處于有生物活性的天然構象及穩定肽鏈結構，并賦予整個糖蛋白分子以特定的理化性質（如潤滑性、黏彈性、抗熱失活、抗蛋白酶水解及抗凍性等）[27]。

蛋白聚糖是一類特殊的糖蛋白，由一條或多條糖胺聚糖和一個核心蛋白共價鏈接而成。蛋白聚糖不僅分布于細胞外基質，也存在于細胞表面以及細胞內的分泌顆粒中，分布于軟骨、結締組織、角膜基質、關節滑液、黏液、眼玻璃體等組織。氨基聚糖及蛋白聚糖是細胞外基質的重要成分之一，可與細胞外基質中的膠原、纖黏連蛋白、層黏連蛋白及彈性蛋白結合，構成具有組織特性的細胞外基質。細胞外基質中的各種成分（包括氨基聚糖及蛋白聚糖）彼此交聯，形成孔徑不同或電荷密度不同的凝膠，不但使細胞外基質連成一體，而且可以作為控制分子及細胞通過的篩網。軟骨及長骨的骨骺含較多硫酸軟骨素蛋白聚糖。角膜中的蛋白聚糖主要含硫酸角質素及硫酸皮膚素。皮膚中的氨基聚糖幾乎全部由透明質酸及硫酸軟骨素組成。肝素也是一種蛋白聚糖。

糖脂是指含有糖基配體的脂類化合物，它是一類兩親性分子，在生物體內廣泛存在。亦是某些細菌，尤其是革蘭氏陽性細菌菌膜的常見組成成分，如脂多糖[28]等。

3 天然產物多糖的超分子機制分析

從天然產物生物分子研究來看，天然產物生物分子都有可能在適當條件下形成超分子，很多生命活動也跟形成超分子機制有關。天然產物多糖類成分是很多天然產物的主要活性成分，在生物體生命活動中起到舉足輕重的作用。從多糖形成超分子研究來看，天然產物多糖形成超分子主要體現在：天然產物多糖在提取處理過程、與其他成分相互作用過程、參與自身生物體生命活動過程、進入動物體發揮功效過程等，這些過程都有可能跟超分子機制有關。用圖示表示，具體見圖1。

圖1 天然產物多糖超分子機制圖

3.1 天然產物多糖的提取處理過程及與其他成分相互作用過程中超分子機制分析

對于天然產物的功效成分獲得多半是采用溶劑提取的方法，多糖的提取多半采用水提取的方法，在提取過程中多糖可能跟其他成分或自身形成超分子結構，形成有別于單分子多糖的超分子結構成分，通常觀察到很多天然產物尤其是含有多糖較多的天然產物在提取后，溶液產生多沉淀現象，同樣對于多糖粗提物的處理多采用水提醇沉或沉淀助劑方法進行純化處理，使多糖快速沉淀，其各種沉淀過程可能跟超分子形成有關。其形成機制可能是成分通過自組裝形成超分子。天然產物多糖參與形成的超分子過程，可能也是多方面的機制：一是可能多糖自身的自組裝，如部分多糖通過純化富集后會形成凝膠現象；二是多糖可能跟其他成分先形成新化合物，自身或者跟其他成分形成超分子，如天然產物含有最多的苷類成分就是糖類跟苷元結合存在，這些苷類成分也可能自組裝形成超分子；三是多糖可能跟其他成分自組裝形成超分子結構。文獻也證明這些機制的可能。

正是利用一些多糖形成超分子的原理，設計控制在一定條件下實現多糖類成分組裝成超分子，從而開拓在化工、材料、醫藥等領域的超分子研究應用。

3.2 天然產物多糖參與自身生物體生命活動過程超分子機制分析

有觀點指出生物體本身就是一個超分子體，生物體各組織很多是超分子形成的，生物體的各組織是一些生物分子包括多糖類、脂類、蛋白類等相互結合或排列組裝成超分子體，從而形成各組織和器官，因此多糖類和生物體其他化合物通過形成新的生物分子如脂多糖類、蛋白多糖類、氨基多糖類等，進一步形成超分子體，參與各種生物體生命活動過程[29]。

3.3 天然產物多糖發揮功效過程的超分子機制分析

研究表明天然產物多糖在免疫調節、降血糖、抗氧化、抗腫瘤、抗病毒、通便、調節胃腸功能等諸多方面具有廣泛功效作用，天然產物多糖的體內過程和發揮這些功效的作用機制尚不清晰，部分正在研究過程中，但現有研究表明天然產物多糖作用廣泛，其作用機制比較復雜，可能與多種作用機制有關。

天然產物多糖的體內過程可能形成超分子，其發揮功效的作用機制同樣可能跟形成超分子機制有關。一方面多糖類成分服用吸收后可能自身組裝成超分子，或者跟體內其他生物分子作用組裝成超分子而發揮功效作用，如多種多糖功效作用跟吞噬、包裹等機制有關。另一方面不同種類天然產物多糖組裝成超分子；或者跟其他類成分組裝成超分子；或者跟其他類成分反應后形成新化合物，再組裝成超分子。尤其是天然產物復方，各種不同多糖類成分可能形成超分子后發揮協同作用；或跟其他成分形成超分子后產生協同作用；或有更為復雜的超分子機制。這些可能性機制也為天然產物及復方作用機理研究提供研究思路。

4 結語

包括多糖成分在內的天然產物中的生物分子在一定條件下都有可能形成超分子，這些天然產物中的生物分子通過形成超分子機制，一方面參與天然產物自身的生命活動，另一方面通過服用進入動物體內形成超分子后發揮功效。提示天然產物活性成分作用機理研究的重要方向。

天然產物多糖的超分子機制涉及多糖提取過程、參與生命活動過程及發揮功效過程。對于天然產物多糖的機制研究，其超分子機制將是其研究的重要方面。因為天然產物成分復雜，研究其機理本身就比較復雜，而多糖結構復雜性，其超分子機制研究面臨很多困難，尤其是其超分子機制可能同時形成多種超分子，不同條件可能形成不同超分子結構，而有不同超分子機制。隨著各種技術手段不斷進步，有助于逐步揭示天然產物多糖各種可能的超分子機制。

因為天然產物多糖廣泛的藥效作用，對天然產物多糖的機制研究成為天然產物研究的熱點之一。通過對天然產物多糖的超分子機制研究，有助于推動天然產物多糖的機制研究，提高天然產物多糖研究水平。