部分含氯芳烴結構與孔雀魚半數致死濃度(-logLC50)定量活性相關研究

李建鳳，黃茜，雷光東

內江師范學院 化學化工學院，內江 641100

部分含氯芳烴結構與孔雀魚半數致死濃度(-logLC50)定量活性相關研究

李建鳳，黃茜，雷光東*

內江師范學院 化學化工學院，內江 641100

構建了不同類型的分子頂點之間的電性關系作為結構描述符，對部分含氯芳烴化合物結構進行了參數化表征，共得到7個與化合物結構密切相關的結構描述符。逐步回歸(SMR)篩選變量后，分別運用多元線性回歸(MLR)和偏最小二乘回歸(PLS)建立了化合物結構與孔雀魚半數致死濃度(-logLC50)之間的關系模型，兩模型建模相關系數(r2)分別為0.871、0.862；“留一法”交互檢驗的相關系數(Q2)分別為0.808、0.589。結果表明分子結構描述符能恰當地表征化合物結構特征，所建模型具有良好的穩定性和預測能力。

含氯芳烴化合物；結構描述符；半數致死濃度；結構與性質的關系

Received14 November 2016accepted7 February 2017

Abstract: The electrical relationship between the different types of molecular vertices was constructed as structural descriptors. Then, structures of some chlorinated aromatic compounds were characterized. Seven structural descriptors, which were closely related to the structure of the compounds, were obtained. Two models of the relationship between the structure and half lethal concentration (-logLC50) to guppy were established through multiple linear regression (MLR) and partial least squares regression (PLS) methods. The correlation coefficients (r2) of the two models were 0.871 and 0.862. The cross-validation correlation coefficients (Q2) of "leave one out method" were 0.808 and 0.589, respectively. The results showed that the molecular structural descriptors could properly characterize the structural characteristics of the compounds. The models had good stability and prediction ability.

Keywords: chlorinated aromatic compounds; structural descriptors; half lethal concentration; structure-property relationship

含氯芳烴化合物在化工、醫藥等行業被廣泛用作原料或溶劑，使用過程中易泄漏進入環境而成為重要的污染物。含氯芳烴化合物進入環境后危害動植物的生長、繁殖，通過食物鏈的傳遞最終對人體健康造成威脅。含氯芳烴化合物進入人體后，損害人體肝臟和腎臟，甚至產生致癌的潛在風險。研究含氯芳烴化合物的環境毒性，對于規范其生產、應用和排放具有重要意義。測定每一個化合物的環境參數，工作量大，而且還有源源不斷產生的新的化合物。利用構效關系估算化合物各種參數成為環境化學中一個重要的分支，例如在有機污染物的毒性[1-2]、分配性[3-5]、溶解性[6-7]、降解性[8-9]、富集特性[10-11]等方面都取得了較好的成果。本研究選取了部分含氯芳烴化合物為研究樣本，通過構建的分子頂點電性關系描述符對化合物結構進行表征，運用多元線性回歸(multiple linear regression, MLR)和偏最小二乘回歸(partial least squares regression)的方法建立化合物結構與毒性的關系模型，為芳烴類化合物的QSAR研究提供參考。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 實驗材料

選取37個含氯芳烴化合物為研究樣本，化合物急性毒性以其對孔雀魚半數致死濃度負對數(-logLC50)表示，化合物及其對孔雀魚急性毒性值(-logLC50)取自文獻[12]，列于表1。

1.2 實驗方法1.2.1 化合物分子結構參數化表達

在有機化合物的骨架圖中，每一個非氫原子可視為分子頂點，認為分子頂點之間的電性關系對化合物外在性質產生影響。處于不同連接狀態的分子頂點對化合物外在性質產生的影響可能不同，因而需要對化合物中的非氫原子(即分子頂點)進行分類。分子中的氫原子對化合物的外在性質的影響可以忽略，氫原子僅僅影響與其直接相連的分子頂點的分類。參照文獻[13-14]，化合物中的不同分子頂點按照式(1)分為4類。

k = 4 - hi(hi=1,2,3)

(1)

其中，k為非氫原子i所屬分子頂點類型，hi為與非氫原子i直接相連的氫原子數。當hi分別為3、2、1、0時， 非氫原子i分別屬于第1、2、3、4類分子頂點。

分子頂點之間的關系以分子頂點之間的電性相關性表示，一般認為2個分子頂點之間的相關程度隨著兩者的電負性增減呈正向變化、隨著兩者的距離的增減呈反向變化。只要滿足上述條件的函數關系式均可用于構建分子頂點之間的電性關系，文獻[13-14]中是以倒數形距離關系函數計算分子頂點之間的電性關系，這里采用Gaussian形距離關系函數式(2)進行計算。

(2)

qi、qj為分子頂點i、j的相對電負性(該原子的電負性與碳原子電負性之比值)；dij為關系中的分子頂點i到分子頂點j的相對距離(兩者間最短路徑所經化學鍵鍵長之和/碳碳單鍵鍵長，如有多條路徑，則以最短的為準)；n和l為分子頂點所屬類型。化合物中4類分子頂點可以組合出10種關系項：m11,m12,…,m44，簡寫為x1,x2,…,x10，如m13(即x3)表示第1類分子頂點跟第3類分子頂點之間的關系，依此類推，這樣對于有機化合物最多將產生10個結構描述符值來描述其結構。

1.2.2 QSAR建模與檢驗

首先采用逐步回歸(stepwise regression, SMR)依據變量顯著性篩選出變量組合，然后分別采用多元線性回歸(multiple linear regression, MLR)和偏最小二乘回歸(partial least squares regression)的方法建立模型，運用“留一法”對模型穩定性及預測能力進行檢驗。一個理想的模型一般需要滿足建模相關系數(r2)≥0.64、標準偏差(SD)與數值范圍的比例小于10%、交互檢驗相關系數(Q2)≥0.50[15]。多元線性回歸模型要求樣本數(N)/變量數(n) ≥5；變量之間的共線性采用方差膨脹因子VIF進行評價，變量中最大VIF小于5，表明變量間沒有明顯共線性，方程可以接受。

2 結果(Results)

經結構表征得到化合物結構描述符值，x1、x2、x5為全“0”項，其余結構描述符值列于表1。采用逐步回歸(SMR)篩選變量，以偏F檢驗值對應的顯著水平值P為依據，當候選變量中最大偏F檢驗值的P≤0.05，則引入相應變量，在已進入方程的變量中，若其最小偏F檢驗值的P≥0.1，則剔除相應變量，變量有進有出，最終逐步回歸共進行了7步運算，逐步回歸結果見表2。

表1 化合物及其急性毒性值(-logLC50)Table 1 The compounds and their acute toxicity values (-logLC50)

注：x3為第1類分子頂點與第3類分子頂點之間的關系；x4為第1類分子頂點與第4類分子頂點之間的關系；x6為第2類分子頂點與第3類分子頂點之間的關系；x7為第2類分子頂點與第4類分子頂點之間的關系；x8為第3類分子頂點與第3類分子頂點之間的關系；x9為第3類分子頂點與第4類分子頂點之間的關系；x10為第4類分子頂點與第4類分子頂點之間的關系；-logLC50為急性毒性值；EXP.、MLR.、PLS.分別表示急性毒性的實驗值、MLR模型預測值、PLS模型預測值。

Note: x3is the relationship between the 1st type of molecular vertices and the 3rd type of molecular vertices; x4is the relationship between the 1st type of molecular vertices and the 4th type of molecular vertices; x6is the relationship between the 2nd type of molecular vertices and the 3rd type of molecular vertices; x7is the relationship between the 2nd type of molecular vertices and the 4th type of molecular vertices; x8is the relationship between the 3rd type of molecular vertices; x9is the relationship between the 3rd type of molecular vertices and the 4th type of molecular vertices; x10is the relationship between the 4th type of molecular vertices; -logLC50is the acute toxicity value; EXP, MLR and PLS are the experimental value, MLR model predicted value and PLS model predicted value, respectively.

由表2可以看出，當逐步回歸到第6步時(此時共篩選出6個變量)，建模相關系數(r2)達到最大值。當逐步回歸到第7步時(此時共篩選出5個變量)，建模相關系數(r2)與第6步相比有所降低，但變量數減少，模型復雜程度降低了，調整相關系數(r2)達到最大值，交互檢驗的相關系數(Q2)達到最大值，標準偏差(SD)達到最小值，而此時變量中的最大VIF僅為2.408。綜合各方面考慮，應該選擇第7步所篩選出來的變量組合進行建模，多元線性回歸(MLR)模型如式(3)。

-logLC50= -0.980+1.743×x3+1.577×x6+0.710×x8+0.262×x9+0.088×x10

(3)

N=37，r2=0.871，SD=0.185，F=41.798；Q2=0.808，FCV=26.035

N為建模樣本數，n為變量數，r2為建模相關系數，SD為標準偏差，F為顯著性檢驗值；Q2為交互檢驗的相關系數，FCV為交互檢驗的顯著性檢驗值。上述模型符合樣本數(N)/變量數(n)≥5的經驗規則，建模相關系數(r2)達0.871，大于等于0.64，說明模型擬合效果好；交互檢驗的相關系數(Q2)達0.808，大于等于0.50，說明模型具有良好的穩健性和預測能力；標準偏差(SD)為0.185，而樣本急性毒性值(-logLC50)的數值范圍為2.12(最大值2.31-最小值0.19)，0.185/2.12=8.73%，小于10%的標準，說明模型預測準確性良好。由于模型中的變量x3和x6對于大部分樣本都為“0”，這樣可能導致模型結果存在一定的偶然性，下面用偏最小二乘回歸(PLS)建模，進一步挖掘結構描述符與化合物毒性之間的關系。

以逐步回歸到第7步時篩選出5個結構描述符為自變量X，化合物對孔雀魚急性毒性值(-logLC50)為因變量Y，建立偏最小二乘回歸(PLS)模型。建模相關系數(r2)及交互檢驗相關系數(Q2)與建模主成分數(A)的關系如圖1，由圖1可知應該選擇3個主成分進行建模，此時化合物及其對孔雀魚急性毒性值(-logLC50)與原始自變量回歸方程式為：-logLC50= -0.932+1.329×x3+1.257×x6+0.698×x8+0.265×x9+0.086×x10。此時建模相關系數(r2)為0.862，接近最大值，并且大于等于0.64的標準；交互檢驗的相關系數(Q2)達0.589，大于等于0.50的標準；標準偏差(SD)為0.198，0.198/2.12=9.34%，小于10%的標準，以上結果說明PLS模型同樣具有良好的穩定性和預測能力。

圖1 r2/Q2隨主成分數(A)變化情況Fig. 1 r2/Q2 changes with the principal components (A)

表2 逐步回歸結果Table 2 Results of the stepwise regression

圖2 樣本在前2個主成分得分分布Fig. 2 Compounds’ score distribution in the front two principal components

圖3 偏最小二乘X空間規格化模型距離Fig. 3 Normalized distance to PLS model in X space

圖2為37個樣本在PLS前2個主成分得分空間散點分布圖，所有的樣本點都落在95%置信度Hotelling T2橢圓置信圈內，沒有異常點，說明結構描述符能夠恰當表現含氯芳烴化合物分子結構特征，并在統計模型中得到正確反映。為了考察樣本在X空間的擬合情況，對樣本在X空間的規格化模型距離作了分析(圖3)，同樣可以發現，所有樣本規格化模型距離都在95%的置信區間內，小于臨界值2.135，同樣沒有出現異常點，說明模型質量良好。

圖4為PLS中變量重要性(VIP)投影圖，通常認為VIP大于1的變量與Y之間具有較大的相關性。圖4中可以發現x8、x10的VIP值大于1，說明這2個變量對含氯芳烴化合物的急性毒性值(-logLC50)影響較大，而變量x8對應于第3類分子頂點之間的關系，變量x10對應于第4類分子頂點之間的關系，因而第3類原子(與1個H相連)、第4類原子(與0個H相連)對含氯芳烴化合物的急性毒性值(-logLC50)影響顯著，以上說明取代基種類、數量及分布情況對化合物的急性毒性值(-logLC50)有重要影響。取代基數量及分布情況與分子體積有關，取代基數量越多，并且集中分布在分子的某一區域，可能會造成分子體積或局部體積大，分子難以通過脂質膜而產生毒性，表現出毒性較小。例如1號化合物2,3,4,5-四氯苯胺與4號化合物2,3,4-三氯苯胺相比，取代基更多，分子體積更大，因而1號化合物更難通過脂質膜而產生毒性，表現出1號化合物毒性比4號化合物毒性更小。

圖4 變量重要性投影Fig. 4 Importance of variables

兩模型對樣本的急性毒性值(-logLC50)進行了預測，預測值分別列于表1的MLR.列和PLS.列。圖5為模型預測值與實驗值之間的相關圖，圖6為預測誤差分布圖(Err.1、Err.2分別對應于MLR.、PLS.模型)。從圖5可以看出，絕大部分樣本點都分布在45°平分線附近，說明總體預測效果好；圖5中還可以發現PLS.預測的樣本點較PLR.預測的樣本點略顯分散，同時圖6中也容易發現由Err.1組成的曲線略顯靠內，Err.2組成的曲線略顯靠外，說明MLR模型比PLS模型更為優良。同樣對比兩模型的相關系數(r2/Q2)，發現MLR模型相關系數(r2/Q2)比PLS模型大；對比兩模型的標準偏差(SD)，發現MLR模型標準偏差(SD)比PLS模型小，這些也表明了MLR模型的預測準確性優于PLS模型。考慮到化合物的急性毒性值(-logLC50)本身具有一定的誤差，因而兩模型預測結果都是可以接受的。

圖5 計算值與實驗值相關圖Fig. 5 Correlation between calculated and experimental values

圖6 計算誤差分布Fig. 6 Distribution of calculated errors

3 討論(Discussion)

將化合物分子隱氫圖中的分子頂點按照其所連的氫原子數進行了分類，進而通過函數關系式構建了不同類型的分子頂點之間的電性關系作為結構描述符。結構描述符簡單、易懂、計算方便，但是結構描述符是基于分子二維平面結構進行計算得到的2D分子結構描述符，不能反映有機化合物真實的三維立體結構特征，無法區分順反異構體、光學異構體，因而有待改進為基于分子三維立體結構計算的3D分子結構描述符。對部分含氯芳烴化合物結構進行了參數化表征，逐步回歸(SMR)篩選變量后分別運用多元線性回歸(MLR)和偏最小二乘回歸(PLS)建立了化合物結構-急性毒性關系模型，經檢驗模型具有良好的穩定性和預測能力，相對而言多元線性回歸(MLR)模型較偏最小二乘回歸(PLS)模型更為優良。模型在一定程度上揭示了影響化合物急性毒性的結構因素，對于有機污染物的QSAR研究具有一定的參考價值。

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◆

StudyontheCorrelationbetweenStructureandQuantitativeActivityofHalfLethalConcentration(-logLC50)toGuppyforSomeChlorinatedAromaticCompounds

Li Jianfeng, Huang Xi, Lei Guangdong*

College of Chemistry and Chemical Engineering, Neijiang Normal University, Neijiang 641100, China

10.7524/AJE.1673-5897.20161114002

2016-11-14錄用日期2017-02-07

1673-5897(2017)3-732-07

X171.5

A

雷光東(1959-)，男，教授，主要從事有機物分子結構與性質的關系、分子設計及合成等方面研究，以第一作者或通訊作者在國內外發表學術論文50余篇。

四川省教育廳基金項目(14ZB0259)；四川省科技廳應用基礎項目(2015JY0077)

李建鳳(1982-)，女，碩士，實驗師，研究方向為分子結構與性能，E-mail: afeng523@126.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: leigdnjtc@126.com

李建鳳, 黃茜, 雷光東. 部分含氯芳烴結構與孔雀魚半數致死濃度(-logLC50)定量活性相關研究[J]. 生態毒理學報，2017, 12(3): 732-738

Li J F, Huang X, Lei G D. Study on the correlation between structure and quantitative activity of half lethal concentration (-logLC50) to guppy for some chlorinated aromatic compounds [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2017, 12(3): 732-738 (in Chinese)