施建成,施海楓

(1.南寧師范大學(xué) 化學(xué)與材料學(xué)院,廣西 南寧 530100;2.浙江省縉云中學(xué),浙江 縉云 321400)

0 引 言

中樞神經(jīng)細(xì)胞死亡與大腦局部缺血有關(guān)[1-3]。目前沒(méi)有特效的藥物可以阻止該病癥的發(fā)生,缺血性中風(fēng)是該病癥的的典型例子,全世界每年約有500萬(wàn)人死于中風(fēng),估計(jì)到2020年這個(gè)數(shù)量可能會(huì)翻一倍[4]。近年來(lái),研究結(jié)果表明非瑟酮衍生物可顯著抑制腦缺血性神經(jīng)元的損傷[5-7]。該類化合物具有神經(jīng)保護(hù)活性的原因是其不僅具有直接的抗氧化活性,還能增加細(xì)胞內(nèi)GSA(谷胱甘肽,細(xì)胞內(nèi)主要的抗氧劑)的量,并且還能維持線粒體的功能。另外,該類化合物還對(duì)一些免疫細(xì)胞具有抗炎活性,并且能抑制5-脂肪氧合酶的作用,從而減少脂質(zhì)過(guò)氧化物和促炎副產(chǎn)品的產(chǎn)生[3,8]。

黃酮類化合物雖具有神經(jīng)保護(hù)活性,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、作用位點(diǎn)多、溶解性差,其生理活性的利用率不高,限制了它們的廣泛應(yīng)用[9]。至今國(guó)內(nèi)外對(duì)黃酮類化合物神經(jīng)保護(hù)活性的研究主要以實(shí)驗(yàn)研究為主[3,5-7],如Chandramouli[3]和Dong[7]研究了該類化合物對(duì)中樞神經(jīng)疾病的抑制活性。但與之相關(guān)的理論研究卻很少,特別是關(guān)于該類化合物神經(jīng)保護(hù)活性的定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)的研究還未見(jiàn)報(bào)道。因此建立黃酮類化合物神經(jīng)保護(hù)活性的定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)模型,為中樞神經(jīng)疾病新抑制劑的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)的研究就顯得很有意義。

選取文獻(xiàn)[3]的25種黃酮類化合物,建立定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)方程,從分子水平上推測(cè)該類化合物與靶標(biāo)作用的可能方式,從而揭示神經(jīng)保護(hù)活性的作用機(jī)理,為黃酮類化合物有利于神經(jīng)保護(hù)活性的設(shè)計(jì)與合成提供理論的參考。研究的化合物的結(jié)構(gòu)和原子編號(hào)如圖1所示,神經(jīng)保護(hù)活性的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值,見(jiàn)表1。

表1 黃酮類化合物的實(shí)驗(yàn)和預(yù)測(cè)活性數(shù)據(jù)

圖1 黃酮化合物的結(jié)構(gòu)(a),黃酮類化合物的基本結(jié)構(gòu)(b 和 c)

1 材料與計(jì)算方法

來(lái)自于文獻(xiàn)[3]的25種黃酮類化合物的神經(jīng)保護(hù)活性用EC50值來(lái)衡量。在QSAR研究中,將25種衍生物的EC50值單位標(biāo)準(zhǔn)化為mol/L,并以lg(1/EC50)表示衍生物的神經(jīng)活性,各衍生物的lg(1/EC50)值見(jiàn)表1。

1.1 計(jì)算方法

本研究選取25種衍生物進(jìn)行幾何構(gòu)型全優(yōu)化并作頻率分析,以確定其穩(wěn)定構(gòu)型。由此計(jì)算獲得了各衍生物的電子結(jié)構(gòu)參數(shù)[10]。選取參數(shù)中影響神經(jīng)保護(hù)經(jīng)活性強(qiáng)的參數(shù)為自變量,lg(1/EC50)為因變量進(jìn)行相關(guān)分析,以獲得各參數(shù)與lg(1/EC50)的相關(guān)系數(shù),最終的構(gòu)效關(guān)系分析用SPSS 19.0軟件來(lái)完成。

1.2 參數(shù)的選取

分子的總能量(ε)、最高占據(jù)軌道(HOMO)能量(εH)、最低空軌道(LUMO)能量(εL)、LUMO和HOMO的能量差 (ΔεL-H)、分子的偶極矩(μ)、平均極化率(α)、分子體積(V)、分子的相對(duì)質(zhì)量(MW)、分子中取代位碳原子上的凈電荷分布(Q3-Q6’)、原子的最大負(fù)電荷 (Qmax-)、A環(huán)和B環(huán)上碳原子的凈電荷之和(∑QA、∑QB);電負(fù)性(χ)、化學(xué)式(μ)、硬度(η)、軟度(S)、親電指數(shù)(ω);文獻(xiàn)[3]得到的參數(shù):拓?fù)涿娣e參數(shù)(tPSA)、親脂性參數(shù)(ClogP)等總計(jì)約36個(gè)參數(shù).QSAR建模用到的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 黃酮類化合物在QSAR研究中的參數(shù)描述

2 定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)方程的構(gòu)建

為構(gòu)建黃酮類化合物的定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)方程,從表1中抽取1～20號(hào)化合物為訓(xùn)練集樣本,21～25號(hào)為測(cè)試集樣本,以表1中前1～20號(hào)化合物(化合物19、20為兩個(gè)奇異點(diǎn)舍去)的實(shí)驗(yàn)生物活性數(shù)據(jù)lg(1/EC50)為因變量,以計(jì)算得到的各衍生物電子結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量,用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)分析,獲得生物活性與各參數(shù)的活性相關(guān)系數(shù)(見(jiàn)表3),然后從中篩選出活性相關(guān)系數(shù)較高的參數(shù)進(jìn)行逐步多元線性回歸分析,建立了(1)和(2)兩個(gè)定量構(gòu)效關(guān)系方程及其交叉驗(yàn)證的結(jié)果。

表3 模型構(gòu)建所用到的相關(guān)系數(shù)

Lg(1/EC50)=4.959+4.648Q8+1.494S+0.551ω

(1)

N=18,R=0.897,R2=0.804,Rcv2=0.629,SE=0.294,P=0,RSD=0.267,AIC=0.136,FIT=1.568;

Lg(1/EC50)= 5.304+4.735Q8+3.011S+0.654ω-0.005α

(2)

N=18,R=0.944,R2=0.892,Rcv2=0.782,SE=0.227,P=0,RSD=0.198,AIC=0.075,FIT=3.158,

其中N是分子訓(xùn)練集個(gè)數(shù),R是相關(guān)系數(shù),R2是相關(guān)系數(shù)的平方,Rcv2是交叉驗(yàn)證系數(shù),SE是標(biāo)準(zhǔn)偏差,P是顯著水平,RSD為殘差的標(biāo)準(zhǔn)偏差,AIC是Akaike信息判據(jù)系數(shù),FIT是Kubinyi函數(shù)。對(duì)比(1)和(2)兩個(gè)QSAR方程:方程(2)的相關(guān)系數(shù)R比方程(1)的大,而標(biāo)準(zhǔn)偏差SE和殘差的標(biāo)準(zhǔn)誤差RSD卻小于方程(1),說(shuō)明方程(2)比方程(1)具有更高的相關(guān)性。另外,交叉驗(yàn)證系數(shù)Rcv2和FIT值越大,AIC值越小,所建的模型越穩(wěn)定,預(yù)測(cè)能力越高[11]。本研究中,方程(2)的AIC值比方程(1)小,但Rcv2和FIT值卻比方程(1)大,說(shuō)明方程(2)的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力優(yōu)于方程(1)。一般認(rèn)為,當(dāng)Rcv2大于0.5時(shí),表明模型具有可信的預(yù)測(cè)能力[12]。(2)式的Rcv2值為0.782(大于0.5),表明方程(2)具有可信的預(yù)測(cè)能力。

3 結(jié)果與討論

3.1 化合物的幾何構(gòu)型

考察所選衍生物結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到的相關(guān)電子結(jié)構(gòu)參數(shù),發(fā)現(xiàn)分子中B環(huán)與C環(huán)間形成的二面角DBC與化合物的神經(jīng)保護(hù)活性具有一定的相關(guān)性(見(jiàn)表4和表5)。由表4可知,化合物1、2、3、4、20、21的DBC均在179～180°之間,接近于共面(即分子的A、B、C三個(gè)環(huán)基本處于同一平面),相應(yīng)地,各化合物的lg(1/EC50)值都在7.3以上。表5中化合物15、16、17、18、25的DBC均在130～170°之間,各相應(yīng)化合物的lg(1/EC50)值卻都在6.3以下。該結(jié)果說(shuō)明黃酮類化合物分子的A、B和C三環(huán)趨于共面有利于衍生物活性的提高。Lerman[13]曾指出,平面型藥物分子能插入至DNA的堿基對(duì)之間,它們彼此間存在著π-π分子間的堆積作用,使得這種共面結(jié)構(gòu)的化合物分子更容易與受體分子結(jié)合,因而化合物的活性相應(yīng)得到提高,與本研究的結(jié)論相吻合。

表4 lg(1/EC50) >7.3化合物的二面角(DBC)

表5 lg(1/EC50) <6.3化合物的二面角(DBC)

3.2 電荷分布

分子中局域電荷或電子密度直接影響著化合物的物理化學(xué)性質(zhì)[15]。表2給出了所選化合物A環(huán)C8上的Mulliken電荷分布Q8(由于其它碳原子的電荷分布與lg(1/EC50)值不具有太大的相關(guān)性,故本文只討論A環(huán)C8上的電荷分布情況)。由表3的數(shù)據(jù)可知,Q8與lg(1/EC50)的活性相關(guān)系數(shù)是最大的(值為0.382),說(shuō)明A環(huán)C8位最能影響黃酮類化合物的神經(jīng)保護(hù)活性,是結(jié)構(gòu)修飾的重點(diǎn)部位。

從表1和表2各衍生物的結(jié)構(gòu)特征分析,當(dāng)A環(huán)上的7,8位碳原子上連有7-(CH2)4-8取代基時(shí),Q8值比沒(méi)有連該取代基的大,活性也更強(qiáng)。這是因?yàn)榄h(huán)狀的7-(CH2)4-8基團(tuán)能參與整個(gè)分子的共軛,擴(kuò)大了整個(gè)分子的共軛面,使A環(huán)上C8的負(fù)電荷分散降低(即化合物的Q8值增大),由于QSAR方程②中Q8與lg(1/EC50)是正相關(guān)的關(guān)系,因此衍生物的神經(jīng)保護(hù)活性得到了增強(qiáng)。另外,由于連有7-(CH2)4-8取代基的衍生物分子能提供更多的作用點(diǎn),使分子與DNA堿基對(duì)之間的π-π堆積作用更強(qiáng),也導(dǎo)致衍生物的神經(jīng)保護(hù)活性得到增強(qiáng)[17]。由以上的討論可得出結(jié)論:為使黃酮類化合物的神經(jīng)保護(hù)活性得以提高,A環(huán)C8位上應(yīng)該引入環(huán)狀取代基。

3.3 前線軌道分析

福井謙一的前線分子軌道理論認(rèn)為:分子在反應(yīng)過(guò)程中優(yōu)先起作用的是前線分子軌道(最高占有軌道HOMO,最低空軌道LUMO),前線分子軌道對(duì)于分子的反應(yīng)活性有著決定性的作用,而HOMO與LUMO之間的能量差△ε(△ε=εLUMO-εHOMO)則是電子從最高占有軌道躍遷到最低空軌道時(shí)所要克服的能量,該值越小,分子越不穩(wěn)定,越易參與反應(yīng),活性也越高。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)可知,化合物5、7和8的△ε值較大(均大于3.85ev),化合物的神經(jīng)保護(hù)活性理應(yīng)較差,但表1的活性數(shù)據(jù)顯示它們的lg(1/EC50)值都大于7.0,活性都較好。這是因?yàn)榛衔?和8分子中A環(huán)的7、8位都連有7-(CH2)4-8基團(tuán),分子的共軛面增大,A環(huán)上C8位的負(fù)電荷分別都得以分散降低(即化合物5和8的Q8值都分別增大),根據(jù)Q8與lg(1/EC50)成正相關(guān)的結(jié)論,得到了5和8化合物的活性都較好的結(jié)論。至于化合物7具有好活性的原因,是因?yàn)樵摲肿拥腂和C環(huán)二面角DBC為171.32°,分子結(jié)構(gòu)接近共面,擴(kuò)大了共軛面,從而提供了更多的作用點(diǎn)與生物受體發(fā)生作用,進(jìn)而導(dǎo)致活性較好。

另外,由表2的數(shù)據(jù)可看出,25個(gè)化合物的εLUMO都為負(fù)值,表明電子進(jìn)入這些分子的LUMO后,體系的能量將降低.這意味著非瑟酮衍生物與生物受體之間的作用不應(yīng)是親電反應(yīng),而是與受體活性中心發(fā)生了親核反應(yīng)[18]。這是因?yàn)閺纳锝嵌确治?組成酶、蛋白質(zhì)等生物大分子的重要功能團(tuán)中的巰基、羥基、氨基等化學(xué)性質(zhì)活潑,其中的硫原子、氧原子和氮原子帶有孤對(duì)電子,表現(xiàn)出親核性[19]。當(dāng)非瑟酮衍生物分子與含硫原子、氧原子和氮原子的蛋白質(zhì)、酶或簡(jiǎn)單分子發(fā)生親核反應(yīng)時(shí),黃酮類化合物分子的LUMO與親核試劑分子的HOMO軌道相互作用形成過(guò)渡態(tài)[20- 21],親核試劑分子上硫原子、氧原子和氮原子的孤對(duì)電子轉(zhuǎn)移至黃酮類化合物分子的LUMO軌道上。

3.4 其他參與構(gòu)建QSAR方程的參數(shù)分析

由QSAR方程②可知,文中所選化合物的平均極化率(α),軟度(S)和親電性(ω)的系數(shù)分別為-0.005,5.778和0.697,表明α與lg(1/EC50)呈負(fù)相關(guān),而S和ω與lg(1/EC50)呈正相關(guān),即α越小,S和ω越大,越有利于化合物神經(jīng)保護(hù)活性的增強(qiáng)。這是因?yàn)榉肿拥能浂萐越大,變形性越高,穩(wěn)定性越差,分子參與反應(yīng)的可能性就越大,活性也就越好。同理親電性ω大的化合物穩(wěn)定性低,活性也就高。對(duì)于平均極化率α,因其與分子的固有體積成正比[22],如果α越大,分子的體積就越大,分子進(jìn)入生物體內(nèi)的空間位阻也越大,導(dǎo)致其與生物受體結(jié)合的幾率減小,化合物的活性自然就差。

另外,從圖1可看出,b系列化合物的C3位上比a系列化合物多了一個(gè)羥基(-OH)。從結(jié)構(gòu)的角度分析,C環(huán)羰基的π電子不僅可與A環(huán)(苯環(huán))上的π電子一起形成離域π鍵,還可通過(guò)C環(huán)上C2和C3之間雙鍵的π電子與B環(huán)(苯環(huán))上的π電子一起形成離域π鍵。同時(shí),C環(huán)上O1原子的孤對(duì)電子還可與鄰近的π電子一起形成離域π鍵。由于非瑟酮衍生物分子中存在著較明顯的離域效應(yīng),因此C環(huán)C3位的取代基對(duì)神經(jīng)保護(hù)活性有直接的影響作用[18]。為說(shuō)明C3位上-OH的影響,我們選取除C3位外,其余結(jié)構(gòu)相同的a、b系列化合物兩兩放在一起進(jìn)行對(duì)比研究(見(jiàn)表6)。從表6發(fā)現(xiàn),b系列化合物的親電性ω都比a系列的大,因ω與lg(1/EC50)成正相關(guān),因此b系列化合物的活性都大于a系列的活性。這是因?yàn)镃3位的羥基(-OH)具有較強(qiáng)的供電子能力,羥基中的電子比較容易通過(guò)離域效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)提供給其鄰位羰基的氧原子,導(dǎo)致氧原子周?chē)碾娮釉泼芏让黠@增大,從而使羰基中的氧原子與受體活化中心的結(jié)合能力明顯增強(qiáng)。同時(shí)該羥基還能改善分子的平面性,進(jìn)而提高整個(gè)分子的共軛程度,因此使化合物的神經(jīng)保護(hù)活性得到顯著地提高[18]。基于以上分析,為增強(qiáng)黃酮類化合物的神經(jīng)保護(hù)活性,C3位上應(yīng)引入-OH,-OCH3,-CH2OH,-NH2,-NHCH3,-N(CH3)2,-SH等供電子基團(tuán)。

表6 a和b系列化合物的活性比較

根據(jù)以上分析,黃酮類化合物抑制中樞神經(jīng)疾病的作用機(jī)理可能是:分子中C環(huán)的羰基與組成酶、蛋白質(zhì)等生物大分子重要功能團(tuán)的巰基、羥基、氨基等化學(xué)性質(zhì)活潑的硫、氧、氮原子發(fā)生親核反應(yīng);分子中A環(huán)(或B環(huán))上的取代基不僅與受體存在著包括氫鍵在內(nèi)的分子間相互作用力,同時(shí)還通過(guò)A環(huán)(或B環(huán))的離域效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)對(duì)C環(huán)上羰基的氧原子與受體中化學(xué)性質(zhì)活潑的硫、氧、氮原子所發(fā)生的親核反應(yīng)產(chǎn)生影響[18]。

4 分子設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的結(jié)果,設(shè)計(jì)5個(gè)新分子(見(jiàn)表7),并用所建立的模型方程(2)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果是lg(1/EC50)均大于7.0,理論活性都較為理想,其中化合物1*的活性達(dá)到了8.07313,理論上具有優(yōu)良的神經(jīng)保護(hù)活性(需實(shí)驗(yàn)確認(rèn)),為新型高活性分子的合成提供了理論依據(jù)。

表7 設(shè)計(jì)出的分子結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

對(duì)25種新合成的黃酮類化合物進(jìn)行定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)研究,篩選出影響神經(jīng)保護(hù)活性的主要因數(shù)并建立了定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)方程。結(jié)果表明:黃酮類化合物分子A環(huán)C8位的電荷分布(Q8),化合物分子的平均極化率(α)、親電指數(shù)(ω)及軟度(S)都直接影響所研究化合物的神經(jīng)保護(hù)活性?；赒SAR的研究結(jié)果推測(cè)黃酮類化合物抑制中樞神經(jīng)疾病的可能機(jī)理:分子中C環(huán)的羰基與組成酶、蛋白質(zhì)等生物大分子重要功能團(tuán)的巰基、羥基、氨基等化學(xué)性質(zhì)活潑的硫、氧、氮原子發(fā)生親核反應(yīng);分子中A環(huán)(或B環(huán))上的取代基不僅與受體之間存在著包括氫鍵在內(nèi)的分子間相互作用力,還通過(guò)A環(huán)(或B環(huán))的離域效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)對(duì)C環(huán)上羰基的氧原子與受體中化學(xué)性質(zhì)活潑的硫、氧、氮原子所發(fā)生的親核反應(yīng)產(chǎn)生影響。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),黃酮類化合物A環(huán)的C8位和C環(huán)的C3位分別引入環(huán)狀基團(tuán)和供電子基團(tuán)后,黃酮類化合物的神經(jīng)保護(hù)活性能得到明顯地改善,并由此新設(shè)計(jì)出了5個(gè)活性較高的黃酮類化合物。所得結(jié)果能為進(jìn)一步設(shè)計(jì)具有較高神經(jīng)保護(hù)活性的新穎化合物提供理論指導(dǎo)。