蓮心堿定量分子表面分析及反應(yīng)位點(diǎn)預(yù)測

唐海飛，顏 濤，吳梅青

(湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411104)

1 前言

蓮心堿為中藥蓮子心所含生物堿中含量最高、活性最強(qiáng)的有效成分[1]。蓮心堿是一種雙芐基異喹啉類生物堿(結(jié)構(gòu)見圖1)，藥理作用廣泛，具有抗心律不齊、抗氧化、調(diào)血脂和降壓等作用[2]。此外，研究表明[3]蓮心堿還具有較好的抗癌活性，有望被開發(fā)成輔助抗癌藥物，有廣闊應(yīng)用前景。然而，在進(jìn)行藥物構(gòu)效關(guān)系、藥理作用和輔料篩選研究時必須考慮由藥物分子表面性質(zhì)決定的分子相互反應(yīng)的位點(diǎn)及分子之間的結(jié)合模式，但是傳統(tǒng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析并無法得到分子表面性質(zhì)定量分析結(jié)果。近年來，越來越多的量子化學(xué)方法被用來研究分子表面性質(zhì)[4]，因所得結(jié)果定量、準(zhǔn)確和可視化，給藥物研究帶來了極大的方便。定量分子表面性質(zhì)可以采用分子表面靜電勢和平均局部離子化能進(jìn)行衡量[5]。通過分析分子表面靜電勢數(shù)值的分布可以預(yù)測發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的種類以及可能存在的位點(diǎn)，這對于藥物合成及改造方法的預(yù)測及路線的選擇具有重要意義。分子表面平均局部離子化能可以理解為分子表面對電子的束縛能力，可以很好地被應(yīng)用于預(yù)測分子親電反應(yīng)位點(diǎn)。但是由于平均局部離子化能和靜電勢在單獨(dú)預(yù)測分子反應(yīng)位點(diǎn)時各有缺點(diǎn)，通常情況下需要綜合兩者考慮。

圖1 蓮心堿化學(xué)結(jié)構(gòu)

本文對蓮心堿藥物分子表面進(jìn)行定量分析，預(yù)測其反應(yīng)活性位點(diǎn)，為進(jìn)一步理解蓮心堿構(gòu)效關(guān)系和作用機(jī)理，以及藥物結(jié)構(gòu)改造，劑型開發(fā)和改進(jìn)中輔料的合理選擇提供理論依據(jù)。

2 方法

依據(jù)量子化學(xué)密度泛函理論，在B3LYP/6-311++G**方法水平下運(yùn)用Gaussian 03軟件對蓮心堿分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及波函數(shù)文件。利用Multiwfn 3.7軟件將波函數(shù)文件進(jìn)行表面靜電勢和平均局部離子化能分析并生成可視化結(jié)果。

3 結(jié)果

3.1 表面靜電勢分析

通過分子表面靜電勢分析，可以得到蓮心堿藥物分子表面若干極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)(見圖2和表1)。將靜電勢和分子表面積做成條形圖可以看到不同靜電勢區(qū)間內(nèi)的表面積，結(jié)果見圖3。結(jié)合VMD程序可以把分子表面所有靜電勢值利用漸變色表示出來，具體見圖4。

圖4 蓮心堿分子表面靜電勢分布示意圖

依據(jù)表1可知，蓮心堿分子有40個極大值點(diǎn)和22個極小值點(diǎn)。在電負(fù)性強(qiáng)的氧原子及氮原子附近主要分布極小值點(diǎn)，因電負(fù)性越小吸電子能力越強(qiáng)，從而附近呈現(xiàn)極小值點(diǎn)。類似地，電負(fù)性弱氫原子附近主要分布極大值點(diǎn)。結(jié)合圖2可以看出，編號為35的極大值點(diǎn)在H(20)附近，即酚羥基中氫原子的附近。此處的靜電勢數(shù)值遠(yuǎn)大于其他極值點(diǎn)，在整個分子中最大。由于苯環(huán)和氧原子形成的p-π共軛效應(yīng)，使得酚羥基氫原子附近電子較少，從而靜電勢值較大。一般地，復(fù)合物的形成主要由于靜電吸引，且趨向于靜電勢最大值和最小值相互靠近。因此，我們可以預(yù)測蓮心堿在以氫鍵、鹵鍵等形成復(fù)合物時，酚羥基將發(fā)揮主要的作用。特別是在研究蓮心堿分子晶體堆積、蓮心堿與受體結(jié)合等過程時，需要著重考慮酚羥基的影響。而標(biāo)號為16的最小值點(diǎn)在兩苯環(huán)間醚鍵氧原子O(1)附近，且為整個分子最小的極值點(diǎn)。另一方面，O(21)附近的標(biāo)號為17的極小值點(diǎn)數(shù)值也較小。這兩處電子豐富，在發(fā)生靜電吸引時形成復(fù)合物時比較活潑。從富含電子角度上看，這兩處也可能易發(fā)生親電反應(yīng)。但是親電反應(yīng)還要考慮電子的束縛能力，因此還需要結(jié)合平均局部離子化能分析。

表1 蓮心堿分子表面靜電勢極值點(diǎn)大小及編號*

圖3為蓮心堿分子表面不同靜電勢區(qū)間內(nèi)的表面積分布圖。從圖中可以看出，分子表面的靜電勢值主要集中在-20 ～ 20 kcal/mol之間。而決定反應(yīng)位點(diǎn)的大于50 kcal/mol或小于-70 kcal/mol的分布區(qū)域面積雖小，卻比較集中，表明反應(yīng)位點(diǎn)也較為集中。結(jié)合表1分析可知，該面積主要集中在酚羥基和O(1)及O(21)附近，與我們之前的預(yù)測吻合。

圖4為整個分子表面的靜電勢分布示意圖，紅色區(qū)域表明靜電勢數(shù)值越大，藍(lán)色區(qū)域表明靜電勢數(shù)值越小。分析結(jié)果顯示出酚羥基氫原子周圍紅色在整個分子中最為明顯，O(1)及O(21)附近藍(lán)色最為明顯，也印證了我們之前的分析。

綜上，靜電勢分析預(yù)測蓮心堿分子中酚羥基及兩苯環(huán)間醚鍵氧原子為反應(yīng)活性位點(diǎn)，主導(dǎo)著靜電吸引為主的化學(xué)反應(yīng)。

3.2 平均局部離子化能分析

為進(jìn)一步考察蓮心堿分子親電反應(yīng)活性位點(diǎn)，進(jìn)行了平均局部離子化能分析(具體見圖5)。因極小值點(diǎn)在預(yù)測親電反應(yīng)活性位點(diǎn)較為重要，故表2列出了平均局部離子化能極值小點(diǎn)數(shù)值及對應(yīng)編號。

表2 蓮心堿平均局部離子化能極值小點(diǎn)及編號1)

從圖5可知，平均局部離子化能分析也得到了一系列極值點(diǎn)，且比表面靜電勢多，這與以往研究結(jié)果類似[4]。進(jìn)一步分析可知，在所有最小值中N(37)的12號極小值點(diǎn)在整個體系中最小，表明此處最易發(fā)生親電反應(yīng)。此外N(86)附近的49號極小值點(diǎn)也在體系中相對偏小，也值得關(guān)注。根據(jù)圖5可知，兩個氮原子分別為分子中兩個氫化異喹啉環(huán)上氮原子，均為叔胺氮原子，均有電子裸露。從分子的穩(wěn)定構(gòu)型分析可知N(37)空間位阻效應(yīng)比N(86)更小，更易發(fā)生反應(yīng)。

圖5 蓮心堿平均局部離子化能極值點(diǎn)分布示意圖(藍(lán)色點(diǎn)表示極小值，紅色點(diǎn)表示極大值)

4 結(jié)論

蓮心堿酚羥基、兩苯環(huán)間醚鍵氧原子及叔氨基氮原子為反應(yīng)活性位點(diǎn)。酚羥基及兩苯環(huán)間醚鍵氧原子主導(dǎo)著靜電吸引為主的化學(xué)反應(yīng)。發(fā)生親電反應(yīng)時，氫化異喹啉環(huán)上叔氨基氮原子為主要反應(yīng)位點(diǎn)。