應用量子化學計算方法研究大黃素與金屬離子的配位作用＊

韓冬月，宋玲玲，關 君

（北京中醫藥大學中藥學院 北京 102488）

阿爾茨海默癥（Alzheimer's disease，AD）是一種進行性神經退行性疾病，其臨床主要表現為進行性認知功能障礙及記憶力減退，其病理主要特征是細胞外以β-淀粉樣蛋白（β-Amyloid protein，Aβ）為核心的老年斑（senile plague，SP）和細胞內由過度磷酸化Tau蛋白形成的神經原纖維纏繞（neurofibrillary tangle，NFT）[1]。AD發病機制復雜，Aβ沉積、氧化應激、自由基損傷細胞、線粒體功能障礙、Tau蛋白異常磷酸化、乙酰膽堿含量降低等因素，都發揮著重要作用。通過查閱相關文獻并深度分析AD的發病機制，本研究發現AD的發病機制多與金屬離子的異常代謝有關，尤其與Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+等金屬離子的異常代謝密切相關[2-19]，如表1所示。有研究表明，姜黃素與銅、鐵離子作用可能是其在AD動物模型中發揮作用的機制[20]。由此可以推出，調節體內金屬離子的代謝平衡可能是治療AD的重要策略之一。鑒于中藥配體是天然優良的金屬螯合劑，可以通過配位作用來調節體內金屬離子的代謝平衡，因此，中藥配體有可能成為治療AD的潛在藥物。

大黃素是一種含有α-酚羥基的蒽醌類化合物，強配位氧原子與合適的空間構型，使其可作為金屬離子的良好配體。現代藥理及臨床研究表明，大黃素易透過血腦屏障、單用或聯用均有一定緩解AD的效果[21-23]。這些研究在理論上支持了大黃素可以入腦，并以中藥配體的形式結合腦內異常金屬離子來調節金屬離子代謝平衡，從而起到緩解AD的作用。有研究表明，大黃素與Ca2+、Mg2+、Cu2+、Fe3+等金屬離子可以形成1∶1和2∶1兩種配比的配合物[24-28]。但是，由于形成配合物的金屬離子與多個配體之間需要經過分步逐級配位反應，而且配位過程受溫度、酸度、濃度等因素影響較大，所以大黃素金屬配合物的空間構型和熱力學穩定性的研究亟待深入開展。

表1 金屬離子致AD機制

基于：①AD病機與Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+等金屬離子密切相關；②臨床應用大黃素治療AD的效果顯著；③大黃蒽醌類化合物能有效配位Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+等金屬離子；④配合物的結構鑒定與性質表征受限于現有實驗條件和技術水平。本研究應用量子化學計算方法研究大黃素與Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+四種金屬離子的配位作用，并試圖從配位化學角度探討大黃素治療AD的作用機理。

1 量子化學計算方法

所有的理論計算都是使用Gaussian09程序包完成的[29]。計算中運用了Hartree-Fock（HF）從頭算方法和B3LYP密度泛函方法，并采用了3-21G和6-31G*基組。幾何的優化和振動頻率的分析是在HF/3-21G水平下完成的，所使用的關鍵詞分別為OPT和FREQ=NORAMAN。振動頻率的結果，可以用來表征勢能面上駐點的性質：無虛頻（頻率都為正值）表明駐點為穩定點，駐點所對應的分子具有熱力學穩定性；有虛頻（頻率有1個或多個負值）表明駐點為鞍點，駐點所對應的分子為過渡態。除此之外，振動頻率還可以給出零點振動能，用零點振動能數值可以對體系的總能量進行校正。基于HF/3-21G水平優化所得的配合物分子構型，自然鍵軌道（Natural-Bond-Orbital，NBO）分析[30]在B3LYP/6-31G*水平下完成。NBO分析結果顯示分子中各個化學鍵的鍵級。在本研究中，鍵級采用自然原子軌道鍵級（Natural Atomic Orbital Bond Index，NAOBI）和Wiberg鍵級（Wiberg-Bond-Index，WBI）[31]兩個標準，分子的鍵長采用國際原子單位?，熱力學能量采用國際原子單位hartree，零點振動能單位采用kcal·mol-1。

圖1 大黃素分子構型圖（深灰色球為C原子，淺灰色球為H原子，紅色球為O原子）

2 計算結果

2.1 大黃素分子結構與性質

本研究首先應用量子化學計算方法，在HF/3-21G水平下對大黃素分子進行結構優化和振動頻率分析。計算結果顯示，大黃素的所有振動頻率均為正值，這表明大黃素分子具有熱力學穩定性。結構優化所得到的大黃素分子構型見圖1，其構型特點為：①大黃素的骨架原子（所有的C原子和O原子）均共面，且所有的碳碳鍵的鍵長均處于C—C單鍵鍵長（1.54?）和C=C雙鍵鍵長（1.34?）之間，這意味著大黃素分子具有完整的大π鍵共軛體系，可作為良好的供電子體系。②具有2個分子內氫鍵，分別是O21—H30---O20和O22—H23---O20，這兩個氫鍵都是由高電負性的O20分別對鄰近的羥基氫原子H23和羥基氫原子H30的吸引所形成的。③羰基氧原子O20、羥基氧原子O21和羥基氧原子O22都含有孤對電子，這三個O原子可以同時作為配位原子，從而使大黃素分子具有螯合配位的能力，可以與多種金屬離子如Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+形成配合物。

2.2 大黃素與金屬離子配合物的結構及熱力學穩定性分析

根據上述大黃素分子的結構與性質分析，本研究應用GaussianView軟件包設計大黃素與Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+四種金屬離子可能形成的配合物結構，并應用Gaussian09軟件包對所設計的配合物結構進行優化。根據振動頻率分析結果，得到了10個熱力學上穩定的配合物分子（配合物所有振動頻率均為正值）。配合物的結構如圖1所示，配合物的主要構型參數、熱力學能量以及零點振動能見表2。

如表2所示，大黃素與金屬離子以不同配位比發生配位作用時，配合物能量大小順序為：1∶1配比配合物＞2∶1配比配合物＞3∶1配比配合物，這基本上符合分子量越大、分子的熱力學能量越低的一般性規律，也顯示了3∶1配比的配合物可能具有較高的熱力學穩定性。在所得到的10個配合物分子中，所有的碳碳鍵的鍵長均處于C—C單鍵鍵長（1.54?）和C=C雙鍵鍵長（1.34?）之間，這意味著在配合物中依然存在著完整的大π鍵共軛體系，從而確保配合物具有較高的熱力學穩定性。

如表2所示，配位鍵鍵長大小的順序為：1∶1配比配合物＜2∶1配比配合物＜3∶1配比配合物，體現了配體個數增加、配位鍵鍵長增長的規律。而且，O-Al配位鍵的鍵長小于O2-和Al3+的半徑和（1.935?）、O-Fe（Ⅲ）配位鍵的鍵長小于O2-和Fe3+的半徑和（2.045?）、O-Fe（Ⅱ）配位鍵的鍵長小于O2-和Fe2+的半徑和（2.13?）、O-Cu配位鍵的鍵長小于O2-和Cu2+的半徑和（2.18?），這顯示了各配合物中的配位鍵均為離子鍵，且具有較高穩定性。

2.3 大黃素與金屬離子配合物的分子內氫鍵分析

大黃素分子本身具有2個分子內氫鍵：O21—H30---O20和O22—H23---O20（如圖1所示）。當大黃素與金屬離子以1：1螯合配位后，大黃素分子本身的2個分子內氫鍵O21—H30---O20和O22—H23---O20均消失（如圖2.1-2.4所示）。其中，原大黃素分子的O21—H30---O20分子內氫鍵消失是由于羥基氧原子O21與金屬離子M30（M代表Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+四種金屬離子）發生了配位作用，導致羥基氫原子H30被金屬離子取代，進而導致O21—H30---O20分子內氫鍵的消失。原大黃素分子O22—H23---O20分子內氫鍵消失是由于羰基氧原子O20與金屬離子M30（M代表Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+四種金屬離子）發生了配位作用，導致了羰基氧原子O20的電負性驟然降低、從而失去了對鄰近羥基氫原子H23的吸引。當大黃素與金屬離子分別以2∶1和3∶1配位時，分子內氫鍵又重新形成：O27—H28---O19、O52—H56---O47（如 圖2.5-2.8所 示），O21—H22---O19、O67—H69---O66、O42—H44---O41（如圖2.9-2.10所示），這是由于大黃素與金屬離子以2∶1和3∶1配位后，相較于1∶1配位而言，配體的個數增加了、電子的離域效應增強，使得配位氧原子的電負性相較于1∶1配位時有所增強，所以氫鍵復現。分子內氫鍵的分析將為紅外光譜和核磁共振光譜方法研究大黃素與金屬螯合配位提供參考。

表2 配合物的熱力學能量（含零點振動能）、配位鍵鍵長（Emodin代表大黃素）

圖2 (圖2.1-2.10)大黃素與Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+所形成的配合物的構型

2.4 金屬離子與大黃素分子的配位能力分析

一般來說，金屬離子的配位能力與其電荷密度密切相關。電荷密度公式為：ne/4πr3，其中n是金屬離子所帶的電荷數，e是1個電子所帶的電量值（1.60*10-19C），r是金屬離子半徑。由表3可知，Al3+、Fe3+、Cu2+、Fe2+的電荷密度分別為：364、232、116、98 C·m-3。根據電荷密度，可以推測出金屬離子與大黃素配位時，配位能力由大到小依次是：Al3+＞Fe3+＞Cu2+＞Fe2+。需要指出的是，在大黃素與金屬離子以2∶1配比所形成的配合物中，只有大黃素鐵（Fe2+）的配位數是2，其余三種配合物的配位數均為4（如圖2.5-2.8所示），推測這與Fe2+電荷密度較低有關。

金屬離子與配體的配位能力還可以通過配位鍵的鍵級來衡量。配位鍵的鍵級越大，配位鍵越穩定，金屬離子與配體的配位能力越強，所形成的配合物越穩定。從WBI鍵級和NAOBI鍵級來看（如表4所示），在Al3+、Fe3+與所形成的3∶1配比的配合物中，配位鍵具有較高的鍵級，預示著3∶1配合物具有較高的穩定性。基于上述分析，理論上大黃素會優先與Al3+、Fe3+形成3：1配合物，這為動物實驗和臨床用藥提供了啟示，可以通過調節大黃素的濃度/劑量來除去過量的Al3+、Fe3+，同時避免大黃素過度結合Fe2+而導致缺鐵性貧血。

3 總結與討論

本研究應用量子化學計算，研究了大黃素分子和大黃素金屬配合物的結構和熱力學穩定性。計算結果表明，大黃素分子具有3個含有孤對電子的氧原子以及完整的大π共軛體系，可作為中藥配體與金屬離子形成配合物。大黃素可與Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+四種金屬離子形成1∶1、2∶1和3∶1配比的配合物（如圖2.1-2.10所示），且3：1配比的配合物具有較高的穩定性；四種金屬離子與大黃素配位時，配位能力由大到小依次是：Al3+＞Fe3+＞Cu2+＞Fe2+。

AD屬中醫“老年呆病”“絡病”范疇，對本癥描述散見于“善忘”“神呆”“呆 病”“郁證”“癡呆”等病中。對于癡呆的病因病機，王永炎[32]院士提出了“毒損腦絡”的病機假說，認為“內生毒邪”是臟腑功能和氣血運行失常使體內的生理或病理產物因不能及時排出蘊積體內過多而生成。隨著“毒損腦絡”病機學說的發展以及人們對于AD的認識，AD的主要病理產物——Aβ被認為屬于“內生毒邪”范疇[33]。基于對AD病機及“內生毒邪”的認識，本研究將過量的自由基、異常磷酸化的Tau蛋白和Aβ一起，均歸為“內生毒邪”范疇。基于前期文獻調研，本研究認為，異常代謝的Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+等金屬離子是誘導AD“內生毒邪”產生的“外邪”，因此，選擇合適的中藥配體消除患者體內過量的Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+等“金屬離子外邪”從而消除“內生毒邪”，是治療AD的重要思路之一。

表3 金屬離子的電荷密度

大黃為蓼科植物掌葉大黃（Rheum palmatum L.）、唐古特大黃（Rheumtanguticum Maxim.ex Balf.）或藥用大黃（Rheum officinale Baill.）的根莖[34]，具有活血化瘀的功效，能消痰濁瘀血通絡，能通腑降濁，解火熱毒邪，對應中醫“腦消髓減、痰瘀阻絡、毒損腦絡”的癡呆病機。現代藥理及臨床研究表明，大黃及其制劑具有一定的益智抗衰作用[35-40]，如符為明[39]教授創制的“腦絡通”沖劑以大黃為君藥，佐以化痰祛瘀、補益肝腎藥物治療老年性血管性癡呆；田金洲等[35]通過對比復方大黃制劑通降口服液與無大黃的氣陰口服液對老年人記憶影響，發現復方大黃制劑無論是在縮短大便間隔時間、排便時間還是改善老年人記憶功能上均明顯優于氣陰口服液，表明大黃具有改善老年人腸胃的通降功能，促進糟粕等毒濁的排泄和記憶力恢復的效果等。現代藥理及臨床研究表明，大黃治療AD的物質基礎主要為蒽醌類化合物，大黃素為其中之一，大黃素單用或聯用均有一定緩解AD的效果[21-23]，但其作用機制尚未明確。本研究的計算結果表明，大黃素具有配位Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+等金屬離子的能力。結合前期的文獻調研，本研究推測大黃素通過配位患者體內的Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+等“金屬離子外邪”來除去AD“毒損腦絡”之“內生毒邪”的產生，從而起到治療AD的作用。

表4 配合物中配位鍵的鍵級（無量綱）（Emodin代表大黃素）

值得一提的是，大黃素單體具有抗氧化、清除氧自由基的功效，有研究對大黃素金屬配合物與大黃素單體的抗氧化活性進行了比較，結果表明大黃素金屬配合物的抗氧化活性高于大黃素單體本身[27,41-42]。由此可以推測：應用大黃素治療AD，不但可以通過大黃素配位“金屬離子外邪”來消除AD“內生毒邪”，而且大黃素與“金屬離子外邪”通過配位作用所形成的大黃素金屬配合物也可以除去自由基這種“內生毒邪”。這一研究結果驗證了中藥有機活性成分和金屬元素之間存在協同作用，補充和發展了中藥配位化學學說。