曾 嶸, 司紅燕, 陳尚钘, 宋 杰, 王宗德, 廖圣良*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,國家林業(yè)和草原局木本香料(華東)工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 330045；2.密歇根大學(xué)-弗林特 化學(xué)與生物化學(xué)系,美國 弗林特 48502)

油茶是具有很高綜合利用價值的木本油料樹種[1],在我國南方諸省都有廣泛的種植,油茶產(chǎn)業(yè)是許多縣市地方經(jīng)濟的重要組成部分[2-4]。油茶在生長的過程中容易受到各種病菌入侵,油茶炭疽病是油茶的主要病蟲害之一[5],它會導(dǎo)致油茶樹大量落果乃至樹體死亡,嚴(yán)重影響油茶的產(chǎn)量和質(zhì)量[6]。因而,油茶炭疽病的防治對于保障油茶的安全種植,穩(wěn)定油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。目前對油茶炭疽病的防治方法主要是使用化學(xué)殺菌劑,但是長期使用現(xiàn)有殺菌劑會導(dǎo)致植物抗菌性增強、污染環(huán)境以及對人畜的健康造成威脅[7-8]。以天然產(chǎn)物為原料合成的抗菌劑在人畜安全與環(huán)境友好方面具有較大的優(yōu)勢。前人研究發(fā)現(xiàn)山蒼子精油中的天然檸檬醛具有廣譜的抗菌作用[9]。同時,天然檸檬醛具有芳香低毒、對環(huán)境友好以及容易改性的特點[10-12],因此以天然檸檬醛為原料開發(fā)防治油茶炭疽病的新型抗菌劑具有良好的開發(fā)應(yīng)用前景。目前,已有研究報道了一些檸檬醛衍生物的合成及其對油茶炭疽病菌的抑制活性[13-14]。但是大部分衍生物并未體現(xiàn)出理想的抗菌活性,其根本原因在于檸檬醛衍生物的分子結(jié)構(gòu)與抗油茶炭疽病菌活性之間的構(gòu)效關(guān)系尚不明確,導(dǎo)致在設(shè)計衍生物的分子結(jié)構(gòu)時,目標(biāo)性差,分子結(jié)構(gòu)設(shè)計過于簡單。定量構(gòu)效關(guān)系對于分析藥物的結(jié)構(gòu)和活性關(guān)系、藥物前體的開發(fā)和優(yōu)化有著不可估量的價值。目前,定量構(gòu)效關(guān)系研究在藥物領(lǐng)域[15]、農(nóng)藥領(lǐng)域[16-17]、化合物和材料的理化性質(zhì)研究[18]等方面已有廣泛應(yīng)用?；诖?作者開展了檸檬醛基抗油茶炭疽病菌衍生物的定量構(gòu)效關(guān)系研究,旨在為新型檸檬醛基抗油茶炭疽病菌衍生物的設(shè)計提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)集的來源

從王喜男[19]和黃晶[20]的研究中獲得了檸檬醛及其衍生物共計26個化合物的結(jié)構(gòu)信息和對油茶炭疽病菌(Colletotrichumgloeosporioides)的抗菌活性數(shù)據(jù)：半數(shù)抑制濃度(IC50)，具體見表1。1～21號化合物將用于QSAR模型的構(gòu)建,22～26號化合物將作為外部檢驗集用于模型預(yù)測能力的檢驗。用對數(shù)函數(shù)來處理抗菌活性數(shù)據(jù)IC50,取lg(IC50)值作為本研究中構(gòu)建模型時的因變量。

表1 化合物的信息[19-20]Table 1 Information of the compounds[19-20]

續(xù)表1

1.2 檸檬醛基衍生物的結(jié)構(gòu)構(gòu)建、優(yōu)化及參數(shù)計算

在Gauss View 05軟件中構(gòu)建檸檬醛基衍生物的立體構(gòu)象,利用Gaussian 09和Ampac軟件完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)計算。結(jié)構(gòu)優(yōu)化使用密度泛函理論(DFT)的B3LYP方法,基組為6-31G*,獲得衍生物分子的最低能量構(gòu)型。

1.3 描述符的生成與篩選

將Ampac軟件處理后的三維分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Codessa軟件中,通過結(jié)構(gòu)參數(shù)化過程,將每個檸檬醛衍生物的分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成一系列具有具體數(shù)值的結(jié)構(gòu)描述符。每個化合物至少含有400個描述符,具體的描述符類型包括6類：結(jié)構(gòu)組成描述符、拓?fù)涿枋龇?、幾何描述符、靜電描述符、量子化學(xué)描述符和熱力學(xué)描述符。獲得的描述符通過啟發(fā)式回歸方法,剔除與活性不相關(guān)的描述符,篩選出來的描述符將用于下一步QSAR模型的構(gòu)建。

1.4 QSAR模型的構(gòu)建

利用啟發(fā)式回歸方法,在篩選出來的描述符中選取與活性顯著相關(guān)的描述符構(gòu)建一系列含有不同描述符個數(shù)的QSAR模型。最優(yōu)模型描述符個數(shù)的確定遵循以下規(guī)則：n≥3(k+1)(其中，n為衍生物個數(shù),k為最終模型中的描述符個數(shù))；當(dāng)相關(guān)系數(shù)隨參數(shù)個數(shù)的增加并無顯著增大時(0.02<△R2<0.04),回歸終止,此時獲得的模型為最優(yōu)模型。

1.5 QSAR模型的檢驗

2 結(jié)果與討論

2.1 模型的構(gòu)建

表2 不同描述符個數(shù)對應(yīng)的R2和Table 2 R2 and values of the models with different number of descriptors

表3 含4個描述符的QSAR模型Table 3 QSAR model with four-descriptor

2.2 模型的檢驗

表4 最佳模型內(nèi)部檢驗Table 4 Validation of the best model

表5 外部檢驗的化合物lg(IC50)值的實驗值與預(yù)測值Table 5 Experimental and predicted values of lg(IC50) values for externally tested compounds

用最佳QSAR模型對21個化合物對進行活性預(yù)測可以獲得21個化合物lg(IC50)預(yù)測值，將其與相應(yīng)的實驗值進行相關(guān)性分析，可以獲得構(gòu)建最佳QSAR模型的21個化合物lg(IC50)實驗值和lg(IC50)預(yù)測值的線性擬合曲線(圖2)。由圖2可知，21個化合物lg(IC50)實驗值和lg(IC50)預(yù)測值之間相關(guān)性高，R2達0.926 5，數(shù)據(jù)分布合理。

圖1 外部檢驗集化合物lg(IC50)值的實驗值和預(yù)測值的線性回歸關(guān)系Fig.1 The linear regression relationship between the experimental lg (IC50) value and the predicted lg (IC50) value of the compounds from external validation set

圖2 最佳QSAR模型的21個化合lg(IC50)實驗值和lg(IC50)預(yù)測值的線性擬合曲線Fig.2 Linear fitting curve of the experimental lg(IC50) values and predicted lg(IC50) values of twenty-one compoundsfrom the best QSAR model

2.3 影響抗菌活性的描述符分析

根據(jù)Codessa的參考手冊[21]和相關(guān)文獻[22],對最佳QSAR模型的4個描述符進行解析,結(jié)果如下：

第二個描述符是分子中帶正電荷加權(quán)部分表面積比例，其計算公式為FPSA3=PPSA3/TMSA,其中，PPSA3為原子正電荷加權(quán)部分表面積；TMSA為分子總表面積。由以上公式可說明抗菌活性跟分子表面正電荷的分布有關(guān)。

第三個描述符是氫原子的數(shù)量。第四個描述符是分子表面正電荷分布以及分子總表面積,該描述符與第二個描述符含義類似,同樣是提示衍生物抗菌活性與分子表面正電荷分布以及分子總表面積有關(guān)。

結(jié)合2.1節(jié)最優(yōu)模型式子分析可知,隨著氫原子之間相互斥力的增加,以及化合物分子表面正電荷分布、分子總面積的增加,化合物對油茶炭疽病菌的IC50值變大,從而降低化合物對油茶炭疽病菌的抗菌活性；隨著化合物分子中帶正電荷加權(quán)部分表面積比例的增加,以及化合物中氫原子個數(shù)的增加,化合物對油茶炭疽病菌的IC50值變小,從而增強化合物對油茶炭疽病菌的抗菌活性。

由抗菌化合物相關(guān)的作用機理可知,一些有機小分子類抗菌化合物發(fā)揮抗菌作用時,通常會與靶標(biāo)蛋白進行結(jié)合,抗菌化合物與靶標(biāo)蛋白內(nèi)的特定氨基酸通過氫鍵相互作用、疏水作用和π-π堆積作用等方式相互作用[23-25],其中氫鍵作用是最主要的結(jié)合方式。在形成穩(wěn)定的結(jié)合體后,可以使靶標(biāo)蛋白失去功能,菌體生長停滯或者死亡,從而達到抗菌效果。氫原子個數(shù)、分布和比例可以影響衍生物與靶標(biāo)蛋白之間的與氫鍵相互作用,衍生物分子表面電荷的分布情況可以影響氫鍵作用位點和強度。

綜上，檸檬醛基衍生物分子結(jié)構(gòu)中與氫鍵供體相關(guān)的描述符，包括：氫原子之間的相互斥力、分子中帶正電荷加權(quán)部分表面積比例、氫原子的數(shù)量、分子表面正電荷分布以及分子總表面積，對抗菌活性具有顯著影響。

3 結(jié) 論

本研究開展了檸檬醛基抗油茶炭疽病菌衍生物的定量構(gòu)效關(guān)系分析。構(gòu)建了1個含有4個描述符的QSAR模型，相關(guān)系數(shù)R2為0.926 5,具有良好穩(wěn)定性和預(yù)測能力。分析該模型可知,檸檬醛基衍生物分子結(jié)構(gòu)中與氫鍵供體相關(guān)的描述符,均對抗菌活性具有顯著影響。未來在設(shè)計新型檸檬醛基抗油茶炭疽病菌衍生物時,可在其分子骨架上適當(dāng)增加氫原子,同時通過引入取代基增加衍生物分子表面的正電荷比例,以影響衍生物與靶標(biāo)蛋白之間的相互作用,從而提高化合物的生物活性。本研究可為設(shè)計具有更好抗油茶炭疽病菌活性的檸檬醛衍生物提供理論指導(dǎo),對于山蒼子精油創(chuàng)新深加工利用以及新型抗菌劑的開發(fā)具有積極的意義。