超分子化学在生物化学及医药学中的应用*

陈　琦

(宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡 721013)



超分子化学在生物化学及医药学中的应用*

陈琦

(宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡 721013)

摘要：简要介绍了超分子化学的概念、产生、发展及应用。详细介绍了：(1)生物超分子配体稀有人参皂素苷的制取及应用；(2)大三环冠醚配体与π-延展的双吡啶盐超分子配合物的合成性质及应用；(3)超分子配体有机多孔材料对气体分子的选择性吸附及分离。并对超分子化学的发展进行了展望。

关键词：超分子化学，配体，应用

超分子化学是化学与生物学、物理学、配位化学、生命科学、生物化学、生物物理、材料科学、信息科学、环境科学和能源科学等多门学科相互渗透、交叉融合而形成的一门新兴热门边缘学科，又称主-客体化学。超分子化学的产生和发展促进了上述相关学科的形成和发展，彼此相互促进，相得益彰。为了表彰C.J.Pedersen(佩德森)、J.M.Lehn(莱恩)、D.J.Cram(克拉姆)三化学家对超分子化学概念的提出、形成、发展所完成的开创性工作，这三位科学家共享1987年诺贝尔化学奖。超分子化学起源于1967年佩德森首次合成和发现冠醚，超分子化学的概念源于被称为“超分子化学之父”的莱恩1987年在获诺贝尔化学奖的演讲中提出了的。莱恩说：“超分子化学是研究由二种或二种以上化学物质通过非共价键的分子间作用力缔合而成的具有特定结构和特殊功能的超越分子体系的科学”。因而超分子化学是共价键分子化学发展过程的一次升华，即被称之为“超越分子概念的化学”。后来克拉姆又称之为“主-客体化学”。超分子化学的形成淡化了四大基础化学、生物化学、材料化学之间的界线，着重强调了具有特定结构和功能的超分子体系，将四大基础化学有机的融为一体，从而为21世纪的热点学科如分子器件、分子自组装、新兴材料科学、生命科学、信息科学、环境科学、能源科学、生物化学、医药学、纳米科学、大环化学等的形成和发展开辟了一条崭新的通道，被誉为21世纪新思想、新概念、新技术的重要源头之一，是朝阳科学，并为21世纪化学学科的发展提供了一个重要而崭新的研究方向。不仅如此，超分子化学在工业、农业、国防、医药学等领域及四个现代化建设中也彰显出广阔的应用前景。

1生物超分子配体稀有人参皂苷的制取及应用

1.1桔梗内生菌转化人参主皂苷为稀有皂苷F2和C-K及应用

植物内生菌是指一类存活于健康植物组织内部、不引起宿主植物表现出明显感染症状的微生物，药用植物内生菌具有合成与宿主植物相同或相似活性成分的功能，在生物防治、医药卫生等领域有着广阔的前景[1]。稀有人参皂苷 F2、C-K 和 Rh1 有着极强的药理学功效，如有抗肿瘤、抗癌、抑制细胞凋亡等效能，但由于在自然界中含量极少或不存在，导致其使用和临床应用受到限制。因此，将人参主皂苷转化为人参稀有皂苷的研究显得非常重要。为此，延边大学的崔磊等人利用桔梗内生菌，筛选出人参皂苷生物转化高效菌株，并对人参皂苷的转化路径进行探讨。即他们将新采集的桔梗进行表面消毒，用组织分离法分离、用划线法纯化，共获得 33 种内生菌，其中菌株 J9、J10、J23 对人参二醇型主皂苷 Rb1、Rb2、Rc、Rd 和人参二醇型主皂苷 Rg1 均具有较强转化能力，并使人参二醇型皂苷转化为稀有皂苷 F2 和 C-K、人参三醇型皂苷转化为稀有皂苷 Rh1。且对单体皂苷的转化路径进行了探讨[2]。其中菌株 J23 对 Rb1 的转化过程中，F2 的最大产率达到 98.71%；菌株 J9对 Rb1 的转化过程中，C-K 的最大产率达到 57.59%。该研究将在生物防治、生物学研究、生化研究、医药卫生研究及生命科学研究等领域有着广阔的应用前景。

1.2组织培养人参的微生物转化研究及应用

被称为“百草之王”的人参是东北三宝之一，也是珍贵的药材和保健品，具有抗肿瘤、抗癌、抗衰老、改善记忆、抗炎及保肝脏、提高免疫功能等作用[3]。人参栽培周期长，管理成本较高，病害严重且对环境破坏大[4]，而组织培养人参周期短，见效快，因此得到广泛应用。但组织培养人参中人参皂苷含量和种类较少，故如何提高人参皂苷的含量成为研究的热点。为此，延边大学的宋晓琳等人为了提高组织培养人参中的皂苷含量，对组织培养的人参进行了微生物转化。即他们从人参土壤中分离得到 243 种菌株，从中筛选出 12 种人参皂苷生物转化菌株。他们的实验结果表明，组织培养的人参中人参皂苷的含量较低，主要含有人参皂苷 Rd。他们利用人参皂苷生物转化高效菌株 K17 对组织培养人参进行发酵转化，其结果使人参皂苷的含量明显增加，并在发酵 13 d后组织培养人参中的 Rd 全部转化为有药理效能的稀有人参皂苷 F2 和 C-K[5]。该研究将在生命科学、医药学、生物科学、生物防治及生物化学的研究中得到应用。

1.3人参内生菌转化人参皂苷Rb1为稀有皂苷C-K的研究及应用

植物内生菌是一类存在于植物组织中而不引起侵染症状的重要微生物资源。研究表明，内生菌分泌物与内生菌的宿主植物一样，可增强免疫力，提高抗疲劳能力，有显著的益生功效，并具有很高的医用价值[6]。人参为五加科人参属多年生草本植物，是我国传统名贵中药材植物。研究表明，人参皂苷 Compound K(简称 C-K)是人参二醇型皂苷在人肠道内的代谢产物，并在人体内外均具有良好的抗肿瘤作用，是一种具有良好开发前景的抗癌新药[7]。为此，延边大学的崔勇虎等人利用人参内生菌将人参主皂苷 Rb1 转化为抗肿瘤稀有皂苷 C-K，并探讨了其转化机理。他们的研究是从5年、6年、8年园参和17年移山参中分离得到192 种菌株，筛选出 25 种产β-葡萄糖苷酶的菌株，其中从17年移山参中分离得到的菌株 GS17-18 能够将人参皂苷 Rb1 转化为抗肿瘤稀有皂苷 C-K。其转化过程为人参皂苷 Rb1→Rd→F2→C-K。这是首次报道的人参内生真菌转化人参皂苷Rb1 为稀有人参皂苷 C-K 的研究，这对抗肿瘤稀有皂苷的制备奠定了坚实的基础[8]。

1.4转化人参总皂苷为稀有皂苷Rg3的研究及应用

人参皂苷是人参的主要有效成分，目前已从人参中分离出 40 多种人参皂苷成分。人参皂苷具有较好的抗衰老、抗氧化、抗肿瘤等药理功效[9]，其中稀有人参皂苷 Rg3 具有抗癌、抗癌转移、神经保护、扩张血管等疗效[10]。但 Rg3 在人参中的含量很低，而且提取制备工艺极其复杂，因此通过人参皂苷侧链糖基的选择性水解得到疗效更好的稀有人参皂苷 Rg3 具有重要意义。为此，延边大学的崔磊等人从种植人参的土壤采集分离得到 256 种菌株，其中有β-葡萄糖苷酶的菌株102 种，再从中筛选出 14 种人参皂苷生物转化菌株，编号为 YS1～YS14。分析结果表明，人参茎叶总皂苷中主要含有 Rb1、Rb2、Rc、Rd等人参皂苷，人参提取物中主要含有 Rb1、Rb2、Rd 等人参皂苷，两者均不含有药理和生理活性的稀有人参皂苷 Rg3 和 Rh2。他们利用 14 种人参皂苷转化菌株进行了人参皂苷转化实验，结果表明菌株 YS2、YS12、YS13 和 YS14 能将人参茎叶总皂苷转化为稀有皂苷 Rg3，其中 YS2 转化率最高。菌株 YS2 和 YS7 能将人参提取物中的人参皂苷转化为稀有人参皂苷 Rg3。经发酵后的人参提取物对 colon26-M3.1 癌细胞有较强的抑制作用[11]。该研究将在生命科学、生物学、生物化学及医药学研究中得到应用。

1.5食品微生物转化人参总皂苷为稀有皂苷F2和C-K的研究及应用

人参皂苷是人参的主要生理和药理活性成分。其中稀有人参皂苷具有极高的药用价值和临床应用前景。稀有人参皂苷F2是一种稀有的次级人参皂苷，对癌细胞具有一定的抑制作用。人参皂苷C-K是人参二醇系皂苷在人肠道内的代谢产物，是人参在体内发挥活性的实体。C-K在抗肿瘤、抗突变等方面都表现出了良好的生物活性，具有显著的药用价值。为此，延边大学的陈贺等人利用食品中分离得到的乳酸菌(L1)和酵母菌(Y11、Y13)将人参总皂苷转化为药用价值更高的稀有人参皂苷C-K和F2。即他们利用从利用食品中分离得到的乳酸菌和酵母菌对人参根总皂苷进行转化，其中酸奶乳酸菌 L1 能够将人参总皂苷中的 Rb1 转化为稀有皂苷 F2；葡萄酵母菌 Y11 和 Y13 均能将人参总皂苷中的 Rb1 转化为较高转化率的稀有皂苷 F2 和C-K，并且 Y13 能将 C-K 进一步转化为原人参二醇(PPD)。该研究对于稀有人参皂苷 F2 和 C-K 的工业化生产奠定了坚实的基础[12]，并在生命科学、生物学、生物化学、生物医学及医药学方面得到应用。

1.6长白山不同海拔湿地微生物多样性分析及应用

微生物多样性分析在超分子化学、环境科学、生物化学、生物物理学、生物学及生命科学的研究中尤为重要。因为长白山是一座天然的“自然博物馆”和巨大的“生物基因库”，是我国最重要的自然保护区之一。区内有许多天然湿地，受其地形、气候等因素的影响，呈现出不同的微生物多样性，而微生物在调节气候、降解污染物、维持生物多样性等方面具有不可替代的重要作用。为此，延边大学的杨艳晶等人从12 个湿地土壤样品中分离得到 130 种菌株，其中 54 种菌株为可培养微生物。他们利用 PCR-DGGE 技术分析了长白山不同海拔湿地的微生物多样性，结果表明，长白山湿地土壤中可培养优势菌株为地衣芽孢杆菌、芽孢杆菌、泛酸枝芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、藤黄微球菌、类芽孢杆菌。采用超分子配体DNA 提取试剂盒提取湿地土壤的总 DNA，并将优势菌株的 DNA 序列在 NCBI 数据库中进行对比[13]。该研究将在环境科学、生命科学、生物科学、生物化学等领域的研究中得到应用。

2大三环冠醚配体与π-延展的双吡啶盐超分子配合物的合成性质及应用

在主-客体化学中，发展新型的大环主体已经成为一个永恒的又具有挑战性的课题。为此，中国科学院化学研究所的韩莹等人合成了三蝶烯圆柱形大三环冠醚超分子配体化合物(A)，并研究了A与联吡啶盐络合形成超分子配合物及络合作用，且构筑了多种结构与功能独特的组装体。A与联吡啶相比，π-延展的双吡啶盐有着更加丰富的化学性质和功能，通过研究A对π-延展的双吡啶盐类客体分子的络合性质，为人们构筑新型的组装体打下了良好的基础。研究结果表明，这些π-延展的吡啶盐在溶液中与固态下可以与主体 A 形成 1∶1、1∶2 的络合物以及超分子聚合物，同时发现，在这些π-延展的双吡啶盐中，linker 的种类与长短的微小变化，都会导致络合物的络合模式发生非常大的变化，这为人们今后设计并构筑新型的具有特殊结构和功能的组装体打下了良好的基础[14]。该研究将在材料科学、信息科学、环境科学等领域的研究中得到应用。

3超分子配体有机多孔材料对气体分子的选择性吸附及分离

随着科学技术的迅猛发展，有机多孔材料在分析分离科学、环境科学、材料科学、医药科学及信息科学等领域越来越彰显出广阔的应用前景。为此，国家纳米科学中心的韩宝航等人以具有特定构型而且含杂原子的有机化合物为单体，利用不同的聚合反应，制备了一系列含有氧、氮、 硫等杂原子的有机微孔超分子聚合物，这些聚合物的 BET 比表面积介于 700m2·g-1～2500m2·g-1之间。某些含氮聚合物多孔材料的氢气吸附能力在1bar和77K的条件下达到了 2.80%(质量分数)，是目前所报道的多孔材料中在相同条件下最高的储氢值。同时其对二氧化碳的吸附性能名列其它吸附材料前茅。另外，此类微孔聚合物对甲烷和氮气的吸附量很小，因此可用于气体的选择性吸附或分离。通过对微孔的调节和材料的优化，达到对特定气体的吸附存储，从而使其逐渐发展成为一种极具潜力的新型气体存储器和分离材料[15]。

4结语

超分子化学作为一门植根深远的新兴热门边缘学科，其诞生和成长以来生机勃勃，充满活力，无处不用，无处不有。我们坚信，随着世界科学家对超分子化学理论和方法研究的不断深入，它将不断促进各门自然科学日新月异的迅猛发展。随着人们对其应用研究的不断深入，枝繁叶茂的超分子化学必将在为人类社会的可持续发展及物质文明做出更大的贡献。

参考文献

[1] Liu C，Jin Y，Yu H，et al. Biotransformation pathway and kinetics of the hydrolysis of the 3-O-and 20-O-multi-glucosides of PPD-type ginsenosides by ginsenosidase type I[J]. Process Biochemistry，2014，49(5)：813-820.

[2] 崔磊，尹成日. 桔梗内生菌转化人参主皂苷为稀有皂苷F2和C-K[C]∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延边：延边大学，2014：333-334.

[3] Souza L R D，Jenkins A L，Sievenpiper J L，et al. Korean red ginseng (Panax ginseng C.A. Meyer) root fractions：Differential effects on postprandial glycemia in healthy individuals[J]. Journal of Ethnopharmacology，2011，137(1)：245-250.

[4] Wu J，Zhong J J. Production of ginseng and its bioactive components in plant cell culture：Current technological and applied aspects[J]. Journal of Biotechnology，1999，68(2-3)：89-99.

[5] 宋晓琳，吴昊. 组织培养人参的微生物转化研究[C]∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延边：延边大学，2014：277-278.

[6] Xiong Z Q，Yang Y Y，Zhao N，et al. Diversity of endophytic fungi and screening of fungal paclitaxel producer from Anglojap yew，Taxus x media[J]. BMC Microbiology，2013，13：71-80.

[7] Park S，Lee H J，Jeong SJ，et al. Inhibition of JAK1/STAT3 signaling mediates compound K-induced apoptosis in human multiple myeloma U266 cells[J]. Food Chem Toxicol，2011，49(6)：1367-1372.

[8] 崔勇虎，尹成日. 人参内生菌转化人参皂苷Rb1为稀有皂苷C-K的研究[C]∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延边：延边大学，2014：184-185.

[9] Wei X，Su F，Su X，et al. Stereospecific antioxidant effects of ginsenoside Rg3 on oxidative stress induced by cyclophosphamide in mice[J]. Fitoterapia，2012，83(4)：636-642.

[10] Qi L W，Wang C Z，Yuan C S. Ginsenosides from American ginseng：Chemical and pharmacological diversity[J]. Phytochemistry，2011，72(8)：689-699.

[11] 崔磊，尹成日. 转化人参总皂苷为稀有皂苷Rg3的研究[C]∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延边：延边大学，2014：178-179.

[12] 陈贺，崔勇虎，尹成日.食品微生物转化人参总皂苷为稀有皂苷F2和C-K的研究[C]∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延边：延边大学，2014：176-177.

[13] 杨艳晶，韩春峰，尹成日.长白山不同海拔湿地微生物多样性分析[C]∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延边：延边大学，2014：314-315.

[14] 韩莹，陈传峰.基于三蝶烯圆柱形大三环主体与π-延展的双吡啶盐的络合性质研究[C]∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延边：延边大学，2014：168-169.

[15] 韩宝航.有机多孔材料对气体分子的选择性吸附与分离研究[C]∥全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延边：延边大学，2014：47-48.

*基金项目：陕西省重点实验室科研计划项目(2010JS067)；陕西省教育厅自然科学基金资助课题(04JK147)；宝鸡文理学院自然科学基金资助课题(zk12014)

中图分类号：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