卡那霉素A與腺嘌呤間氫鍵作用位點的研究

黃翠英, 姜笑楠, 王 萌

(遼寧師范大學 化學化工學院,遼寧 大連 116029)

氨基糖苷類抗生素(aminoglycoside antibiotics)是與RNA特異性結合的代表性藥物小分子[1-2], 是廣譜殺菌抗生素, 具有非常高的臨床應用價值. 卡那霉素A是2-脫氧鏈霉胺類氨基糖苷類抗生素中4-6取代的代表性抗生素, 在臨床上使用較多. 伴隨著多重耐藥性傳染病的日益增加, 合成新的抗菌藥物成為首要目標[3-4]. 為了實現這一目標, 深入理解氨基糖苷類抗生素與RNA的結合方式和結合強度十分必要. Fran?ois等[5]通過對卡那霉素A、新霉素和新霉素B等藥物分子與核苷酸配合物晶體結構的研究, 揭示了它們之間主要是氫鍵作用.

基于RNA與氨基糖苷類抗生素的特異性結合的諸多實驗研究結果, 本文選取卡那霉素A為氨基糖苷類抗生素的代表, 研究其與腺嘌呤間的氫鍵相互作用, 探討卡那霉素A與腺嘌呤間氫鍵作用的最佳位點.

1 研究對象與研究方法

1.1 研究對象

圖1列出了卡那霉素A(KaA)和腺嘌呤(A)的結構、可能的相互作用位點和位點編號.本文利用“氨糖苷分子名稱+作用位點編號-堿基名稱+作用位點編號”的形式對氫鍵復合物進行系統命名. 如卡那霉素A(KaA)的1號位點與腺嘌呤(A)的1號位點形成氫鍵復合物命名為KaA1-A1.

圖1 腺嘌呤(A)、卡那霉素A(KaA)和卡那霉素A核心部分(KA)的結構與可能的氫鍵作用位點Fig.1 Structures and hydrogen bonding sites of adenine (A), Kanamycin A (KaA), and the core part of Kanamycin A (KA)

通過分子動力學研究發現, 氨基糖苷類抗生素主要通過卡那霉素A核心部分(圖1中的KA)與RNA堿基形成較強的分子間相互作用, 在分子的特異性識別和抗菌作用中具有重要地位[6-10]. 表1列出了KaA-A和KA-A體系的結構參數、在M06-2X-D3/aug-cc-pVDZ 方法下得到的氣相相互作用能和計算所需的CPU時間. 如表1中鍵長和鍵角參數所示, 去掉附加環Ⅲ后對復合物的結構影響不大. 在相互作用能上, 絕對誤差最大的一組復合物為KaA1-A2與KA1-A2, 它們的相互作用能分別為-36.66和-38.12 kJ·mol-1, 絕對誤差為-1.46 kJ·mol-1, 相對誤差δ為3.99%, 相互作用能計算結果相差不大. 在計算效率上, KaA-A與KA-A體系的CPU耗時差值最小為27 h, 最大差值可達到103 h左右. 由以上比較可知, 去掉環Ⅲ(附加環)對體系的結構和相互作用能影響不大, 但CPU耗時明顯減少. 因此, 本文使用卡那霉素A核心部分(KA)代替卡那霉素A(KaA)研究它與腺嘌呤間的氫鍵作用.

表1 KaA和KA的1號、2號位點與腺嘌呤A的3個位點形成的氫鍵復合物的結構參數、使用M06-2X-D3/aug-cc-pVDZ方法計算得到的氣相相互作用能和計算所需CPU時間

1.2 研究方法

在B3LYP/6-31+G(d,p)[11-12]水平下獲得了卡那霉素A(KaA)、卡那霉素A核心部分(KA)與腺嘌呤形成氫鍵復合物的穩定結構和紅外光譜數據. 在M06-2X-D3/aug-cc-pVDZ[13]水平下計算了卡那霉素A核心部分(KA)與腺嘌呤形成的9個氫鍵復合物的氣相、蛋白相(ε0=5.6)和水相(ε0=78.3)的相互作用能(IEgas、IEprotein和IEwater), 進行了自然鍵軌道(NBO)分析和分子中原子(AIM)理論計算, 獲得了復合物的氫鍵臨界點電子密度和二階作用穩定化能. 此外, 采用MP2/aug-cc-pVTZ方法獲得了卡那霉素A核心部分(KA)與腺嘌呤分子在298 K時的質子化和去質子化反應焓變. 復合物的結構優化、頻率計算、能量計算、NBO計算等采用Gaussian 09程序包[14]完成. AIM理論計算采用Multiwfn程序[15]完成.

2 結果與討論

2.1 KA與腺嘌呤的氫鍵作用位點

圖2是KA與腺嘌呤(A)形成的9個氫鍵復合物的穩定結構. 表2列出了9個氫鍵復合物中各氫鍵的類型、鍵長(r)、臨界點電子密度(ρc)、總臨界點電子密度(Σρc)、二階穩定化能(Eij)、總二階穩定化能(ΣEij), 以及各氫鍵復合物的氣相、蛋白相和水相下的相互作用能(IEgas,IEprotein,IEwater).

圖2 KA與腺嘌呤形成的9個氫鍵復合物的結構和氫鍵鍵長(nm)Fig.2 The optimized structures and the lengths of hydrogen bonds (nm) of 9 hydrogen-bonded complexes formed by the KA bonding with the adenine

表2 9個氫鍵復合物中各氫鍵的類型、鍵長、臨界點電子密度、總臨界點電子密度、二階穩定化能、總二階穩定化能, 以及各氫鍵復合物的氣相、蛋白相和水相的相互作用能

如圖2和表2所示,KA與腺嘌呤(A)形成的9個氫鍵復合物包含N—H…N、O—H…N和O…H—N三種類型的氫鍵.其中,KA1-A1、KA1-A2和KA1-A3三個復合物中均含有N—H…N和O…H—N類型的氫鍵,KA2-A1、KA2-A2、KA2-A3、KA3-A1、KA3-A2、和KA3-A3六個復合物中均含有O—H…N和O…H—N類型的氫鍵.由氫鍵鍵長可知,在3種不同類型的氫鍵中,O—H…N氫鍵鍵長最短,O…H—N次之,N—H…N最長;同種類型氫鍵鍵長越短,氫鍵強度越強,復合物越穩定.

由表2數據可知,KA的3個位點與腺嘌呤A1位點形成的復合物KA1-A1、KA2-A1和KA3-A1的氣相相互作用能分別是-40.04、-64.33和-72.15 kJ·mol-1.由相互作用能的強弱可知:與腺嘌呤A1位點作用時, KA3與之形成的氫鍵復合物最穩定, KA2次之, KA1最不穩定. 在KA與腺嘌呤A3位點形成的3個氫鍵復合物中, 復合物的穩定性順序為KA3-A3>KA2-A3>KA1-A3. 由此可得: 與腺嘌呤A3位點作用時, KA3與之作用形成的氫鍵復合物最穩定, KA2次之, KA1最不穩定. 同理, 比較卡那霉素KA的3個位點與腺嘌呤A2位點作用時, KA3位點與其形成的氫鍵復合物最穩定, KA2次之, KA1最不穩定. 由此可知, 與腺嘌呤同一位點相互作用時, KA3位點與腺嘌呤形成的氫鍵復合物的相互作用最強. 這與通過氫鍵鍵長推得的結果一致.

腺嘌呤的3個位點與KA1形成的KA1-A1、KA1-A2和KA1-A3氫鍵復合物, 均包含1條O…H—N型氫鍵和1條N—H…N型氫鍵. KA1-A1、KA1-A2和KA1-A3中O…H—N型氫鍵的鍵長分別為0.203、0.208和0.195 nm, N—H…N型氫鍵對應的氫鍵鍵長分別是0.223、0.224和0.217 nm. 同種類型氫鍵鍵長越短, 形成的復合物越穩定. 因此, 由氫鍵鍵長可得: 與KA1位點作用時, 腺嘌呤位點穩定性次序為A3>A1>A2.復合物KA1-A1、KA1-A2和KA1-A3的氣相相互作用能分別是-40.04、-38.12 和-54.38 kJ·mol-1.由此可知, 與KA1位點作用時, 腺嘌呤A3位點與之作用最強, A1次之, A2最弱. 這與氫鍵鍵長所推得的穩定性次序一致. 分析KA2和KA3兩個位點與腺嘌呤不同位點形成復合物的氫鍵鍵長和氣相相互作用能, 可以得到相同結論:與KA同一位點作用時, 腺嘌呤A3位點形成的氫鍵復合物最穩定, A1次之, A2最不穩定.

2.2 AIM和NBO

由AIM和NBO分析得到的9個氫鍵復合物體系各氫鍵的臨界點電子密度(ρc)、總臨界點電子密度(Σρc)、二階穩定化能(Eij)和總二階穩定化能(ΣEij)的數據列在表2的第4～7列. 由表2中的數據可知, 對于N—H…N、O—H…N和O…H—N三種類型的氫鍵, O—H…N型氫鍵的臨界點電子密度最高、二階穩定化能最大, O…H—N型氫鍵次之, N—H…N型氫鍵的臨界點電子密度最低、二階穩定化能最小; 臨界點電子密度越高, 二階穩定化能越大, 復合物越穩定.

表2中, 腺嘌呤不同位點與KA1位點形成的氫鍵復合物KA1-A1、KA1-A2和KA1-A3的總臨界點電子密度分別為0.036 2、0.033 6和0.041 2 a.u., 總二階穩定化能分別為55.30、48.99和71.06 kJ·mol-1, 由此可知三者的穩定次序為KA1-A3>KA1-A1>KA1-A2. 同理, 由腺嘌呤的3個不同位點與KA同一位點形成的復合物的氫鍵總臨界點電子密度和總二階穩定化能可知, 腺嘌呤A3位點為最強作用位點, A1次之, A2最弱. 復合物穩定性的相對順序與由氣相相互作用能所得順序一致.

KA不同位點與腺嘌呤A3位點作用時, 復合物KA3-A3的氫鍵總臨界點電子密度和總二階穩定化能分別為0.070 0 a.u.和177.91 kJ·mol-1; 復合物KA2-A3的氫鍵總臨界點電子密度和總二階穩定化能分別為0.062 2 a.u.和144.17 kJ·mol-1; 復合物KA1-A3的氫鍵總臨界點電子密度和總二階穩定化能分別為0.041 2 a.u.和71.06 kJ·mol-1. 由此可得: 在KA1-A3、KA2-A3和KA3-A3三個氫鍵復合物中, KA3-A3復合物的氫鍵總臨界點電子密度最高, 總二階穩定化能最大, 形成的氫鍵復合物最穩定. 同理, 比較KA不同位點與腺嘌呤A1、A2位點作用形成的復合物的氫鍵總臨界點電子密度和總二階穩定化能可得, 與腺嘌呤同一位點作用, KA3位點與之形成的復合物的氫鍵總臨界點電子密度最高, 總二階穩定化能最大, 形成的氫鍵復合物最穩定. 復合物穩定性的相對順序與由氣相相互作用能所得順序一致.

2.3 溶劑的影響

堿基核苷存在于生物體內的細胞液中, 藥物小分子進入生物體內與堿基相互作用, 因此,研究溶劑環境下復合物體系相互作用強弱的變化，對進一步理解氨基糖苷類抗生素與堿基間的相互作用有重要意義.

從表2中氣相、蛋白相和水相3種環境下的相互作用能可知, 在不同環境中KA和腺嘌呤各個位點的強弱順序仍保持一致. 例如， 腺嘌呤A1位點與KA的3個成氫鍵復合物KA1-A1、KA2-A1和KA3-A1的氣相相互作用能分別為-40.04、-64.33和-72.15 kJ·mol-1, 蛋白環境中的相互作用能分別為-32.69、-52.38和-59.02 kJ·mol-1, 水環境中的相互作用能分別為-31.27、-48.57和-55.51 kJ·mol-1.無論是在氣相、蛋白相還是水環境, 都可推得KA3位點與腺嘌呤形成的氫鍵復合物最穩定, KA2次之, KA1最不穩定.

由表2數據還可知, 隨著介電常數的增大相互作用能減弱, 即復合物在氣相中的相互作用能強于在蛋白環境下的相互作用能, 強于在水環境下的相互作用能. 例如, 復合物KA2-A2在氣相、蛋白和水環境下的相互作用能分別為-62.16、-51.21和-47.36 kJ·mol-1, 相互作用能的強弱順序為IEgas>IEprotein>IEwater.

2.4 質子化(去質子化)反應焓變

劉暢等[16]在研究核酸堿基與甘氨酸二肽間氫鍵作用的最佳位點時, 使用MP2/aug-cc-pVTZ//MP2/aug-cc-pVDZ方法計算了核酸堿基各個位點的質子化和去質子化反應焓變ΔH, 并利用其相對大小推測氫鍵復合物的穩定性. 堿基某位點的質子化反應焓變越負, 通過該位點形成的氫鍵復合物越穩定, 堿基某位點的去質子化反應焓變越小, 通過該位點形成的氫鍵復合物越穩定.

為了提高計算效率,嘗試采用MP2/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-31+G(d,p)方法計算各位點的質子化和去質子化反應焓變, 計算結果如圖3所示. 從計算結果可知, 本文方法(圖3圓括號外數值)與劉暢等人[16]使用的方法(圖3圓括號里數值)得到的質子化和去質子化反應焓變的數值相差不大, 因此本文使用的MP2/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-31+G(d,p)方法計算質子化和去質子化反應焓變是較為合理的.

圖4為使用MP2/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-31+G(d,p)計算所得的KA的質子化和去質子化反應焓變. KA1(-198和388 kcal·mol-1)和KA2(-200和341 kcal·mol-1)相比, KA2的質子化焓變更負,KA2與KA3去質子化焓變更小, KA更傾向通過KA2位點與腺嘌呤形成氫鍵復合物. KA2與KA3位點的質子化反應焓變分別為-200和-203 kcal·mol-1, KA3位點的質子化反應焓變更負; KA2與KA3去質子化反應焓變分別為341和338 kcal·mol-1, KA3位點的去質子化反應焓變更小. 因此與KA2位點相比, KA3與腺嘌呤形成的氫鍵復合物更穩定. 因此, 由質子化反應和去質子化反應焓變的相對大小亦可推斷, KA與腺嘌呤形成氫鍵復合物時, 最傾向使用KA3位點, 其次是KA2位點, 最不傾向使用KA1位點. 由此得到的卡那霉素A位點強弱性順序與由相互作用能所得結論相一致.

圖3 腺嘌呤各氫鍵作用位點的質子化和去質子化反應焓變(單位:kcal·mol-1)Fig.3 The enthalpy values of the protonation and deprotonation reactions on the hydrogen bonding sites of the adenine

圖4 卡那霉素 A 氫鍵作用位點的質子化與去質子化反應焓變(單位:kcal·mol-1)Fig.4 The enthalpy values of the protonation and deprotonation reactions on the hydrogen bonding sites of the Kanamycin A

3 結 論

通過研究可知，卡那霉素A更傾向于使用3號位點與腺嘌呤形成更穩定的氫鍵復合物, 腺嘌呤則傾向使用3號位點與卡那霉素A形成更穩定的氫鍵復合物. 由氫鍵復合物相互作用能計算得到的氫鍵復合物的穩定次序與卡那霉素A各位點的質子化和去質子化反應焓變推測得到的穩定次序一致. 希望本文研究結果能夠對理解RNA堿基與卡那霉素A配體分子的相互作用提供理論幫助.