基于 DFT 方法研究鉤藤堿和異鉤藤堿的降壓活性

劉靖麗，常 星，王鈺瑩，徐學學，趙雯雯，王若冰

(陜西中醫藥大學藥學院，陜西 咸陽 712046)

鉤藤是我國常用的一味降壓中藥，具有清熱平肝、息風定驚、擴張血管等藥理活性，以其平肝熄風之效達降壓之效[1]。臨床上常用于高血壓、高血脂、腦血管硬化等心腦血管疾病的治療[2-4]。最新研究[5-6]表明，鉤藤對阿爾茲海默病有一定的療效。鉤藤中主要的藥效活性成分是生物堿，其中鉤藤堿(rhynchophylline,RIN)和異鉤藤堿(isorhynchophylline,IRN)為四環吲哚類生物堿，是鉤藤發揮降壓作用的主要有效活性成分[7-9]，其分子結構如圖 1所示。從分子結構上來說，鉤藤堿和異鉤藤堿是一對旋光異構體，唯一的差別在 C7 原子上，鉤藤堿的C7是R構型，異鉤藤堿的 C7 是S構型。2003年，Laus 等[10]解析了鉤藤堿的晶體結構，結果表明，鉤藤堿的 C 環是信封式構象，D 環是一個椅式構象，分子之間存在氫鍵相互作用。Wu 等[11]通過動力學實驗表明，這一對旋光異構體之間可以進行相互轉化。宋純清等[12]通過動物實驗表明，鉤藤生物堿具有顯著的降壓作用，其中異鉤藤堿的降壓作用強于鉤藤堿。目前，有關鉤藤堿和異鉤藤堿的結構與降壓活性方面的理論研究甚少。作者所在課題組一直致力于研究中藥有效成分的活性與結構之間的關系[13-14]。因此，作者采用密度泛函理論(density function theory,DFT)方法，研究鉤藤堿及異鉤藤堿的降壓活性與分子結構之間的關系，擬為后續深入研究鉤藤堿及異鉤藤堿的藥效關系提供理論基礎。

圖1 鉤藤堿和異鉤藤堿的分子結構及原子編號Fig.1 Molecular structures and atomic numbers of rhynchophylline(RIN) and isorhynchophylline(IRN)

1 計算方法

為了揭示鉤藤堿和異鉤藤堿的降壓活性與分子結構之間的關系，采用密度泛函理論B3LYP 方法，以 6-311++G**為基組對鉤藤堿和異鉤藤堿進行量子化學計算，對鉤藤堿和異鉤藤堿分子進行結構優化、頻率計算、NBO電荷分析和前線分子軌道計算，基于這些量子化學參數，分析鉤藤中鉤藤堿與異鉤藤堿的降壓活性與分子結構之間的關系及其規律。所有計算均由 Gaussian 09[15]軟件包完成。

2 結果與討論

2.1 分子幾何結構優化

采用密度泛函理論 B3LYP 方法，以 6-311++G**為基組對鉤藤堿和異鉤藤堿的分子結構進行全優化，由此結構計算所得到的頻率中沒有虛頻，說明相應的理論計算幾何結構為穩定結構。鉤藤堿和異鉤藤堿在氣相中優化得到的部分幾何結構參數見表 1。

由表 1可知，鉤藤堿與異鉤藤堿以手性原子 C7 為中心，二面角C2-C7-C8-C6、C2-C7-C8-C3、C3-C7-C6-C2 和 C3-C7-C6-C8 的值大小相近，方向相反。計算表明，A環和B環在同一個平面上，C 環是一個信封式構象，D 環是一個椅式構象，整個分子是一個非平面構象，與鉤藤堿的晶體結構十分吻合[10]。

表 1 鉤藤堿和異鉤藤堿在氣相中優化得到的部分幾何結構參數

2.2 NBO 電荷分析

藥物分子的活性不僅與組成有關，也與分子的構型及構象有關。研究藥物分子的結構特征，對了解藥物活性的機理、結構與藥性之間的關系以及進一步開發新型高效藥物具有重要意義。藥物分子與受體之間通過靜電相互作用進行結合，因此藥物分子的電荷對藥物活性非常重要。計算所得鉤藤堿和異鉤藤堿的部分主要原子的 NBO 電荷分布見表 2。

由表 2可知，N1、O28、N4、C14、O25、O26及O23等原子具有較大的負電荷， 說明這些原子易與受體蛋白的正電荷區域結合而發揮作用。與鉤藤堿相比，異鉤藤堿原子上所帶的負電荷稍多，更易與受體蛋白的正電荷區域作用。從電荷分析可以預測，異鉤藤堿與受體蛋白的作用強于鉤藤堿，即異鉤藤堿具有較強的藥理活性。因此，通過電荷分析可以較好地解釋兩種生物堿的實驗藥理活性差異。

表2 鉤藤堿和異鉤藤堿的 NBO 電荷分布

2.3 前線分子軌道及軌道能級分析

根據前線分子軌道理論[16]，藥物分子的最高占據軌道(HOMO)和最低空軌道(LUMO)對藥物的活性影響巨大。HOMO能級決定了分子給出電子的能力，HOMO能級越高，軌道上的電子越容易被激發，藥物分子的活性越強；LUMO能級越低，越容易接受電子，藥物分子的活性也越強。因此， LUMO和HOMO的能級差值(ΔE(LUMO-HOMO))越小，藥物分子越容易發生反應，可以更好地發揮藥效。對鉤藤堿與異鉤藤堿的前線軌道進行詳細計算，其前線軌道電子云分布如圖 2所示。

圖2 鉤藤堿與異鉤藤堿的前線分子軌道Fig.2 Frontier molecular orbitals of rhynchophylline and isorhynchophylline

由圖2可知，鉤藤堿與異鉤藤堿的前線分子軌道基本相近。HOMO 軌道基本上都分布在A、B、C、D 等4個環上，說明這4個環是親核反應中心，易與受體蛋白的正電荷區域作用。而 LUMO軌道則基本分布在側鏈的酯基上，說明親電反應中心主要在側鏈上，易與受體蛋白的負電荷區域作用。

鉤藤堿與異鉤藤堿的前線分子軌道能級見表3，ΔE(LUMO-HOMO)的大小能反映出電子從最高軌道向最低軌道躍遷的能力，ΔE(LUMO-HOMO)越小則電子越容易躍遷，化合物的穩定性越弱，而其活性則越強。

表3 鉤藤堿與異鉤藤堿的前線分子軌道能級/kcal

由表3可知，鉤藤堿比異鉤藤堿的ΔE(HOMO -LUMO)高約 2 kcal，說明異鉤藤堿的降壓活性優于鉤藤堿，與電荷分析結果一致。

3 結論

運用密度泛函理論B3LYP 方法，以 6-311++G**為基組對鉤藤堿和異鉤藤堿分子進行量子化學計算，從分子的幾何構型、NBO電荷、前線分子軌道及軌道能級等方面分析鉤藤堿和異鉤藤堿的降壓活性與分子結構之間的關系。前線分子軌道對其降壓活性影響顯著，ΔE(LUMO-HOMO)越小，化合物的降壓活性越強。由ΔE(LUMO-HOMO)值可以預測，異鉤藤堿的降壓活性強于鉤藤堿，理論計算與實驗結果一致。該研究對鉤藤堿及異鉤藤堿降壓活性強弱進行了理論解釋，以期對鉤藤堿及異鉤藤堿構效關系的深入研究提供理論基礎。