苦參堿類化合物的密度泛函計算與抗乙型肝炎病毒活性分析

王春露，龍偉，劉培勛

(中國醫學科學院北京協和醫學院放射醫學研究所、天津市分子核醫學重點實驗室，天津 300192)

苦參堿型生物堿［1］是以苦參堿為代表的化學結構相似的一類生物堿，廣泛存在于豆科植物苦參(S．flavescens Ait)、苦豆子(S．alpecuroides L.)及廣豆根(S．subprostrata Chun et T.Chen)中，是這幾種常用中草藥的主要有效成分。苦參堿是苦參堿型生物堿的代表，屬于四環的喹喏里西定(quinolizidine)生物堿，分子骨架可以看作是兩個喹嗪啶環的雜體，一般含有3或4個手性中心，結構非常相似(圖1和表1)。在這些生物堿中，有的區別僅僅在于環結合部位碳原子的手 性［2-3］(如 allomatrine［4］， 5;sophoridine， 和darvasamine);另外一些則含有一到多個分子內雙鍵(如 lehmannine［5］，4)或者羥基(sophoranol或者 5αhydroxymatrine，3)［6］。

近年來，隨著對其藥理作用研究的深入和擴展，人們發現苦參堿具有解熱、鎮痛、抗驚厥、穩定神經等中樞神經作用;防止動脈粥樣硬化、減輕心肌損傷等心血管系統作用;抗肝損傷、抗纖維化、升高白細胞等消化系統作用;還具有抗腫瘤、抗乙型肝炎病毒(hepatitis B virus，HBV)、免疫調節等作用［1］。因此，對苦參堿的研究已日益受到人們的關注［6-7］。

筆者用密度泛函方法(density functional theory，DFT)［8］，計算了表1中10種苦參堿類化合物的三維結構，得到了它們的結構信息。在此基礎上，利用啟發式算法(heuristicmethod，HM)對這些化合物抗HBV的活性與其量子化學參數之間進行定量構效關系(quantitative structure-activity relationship，QSAR)研究，得到了苦參堿類化合物的結構-活性模型。

1 理論研究方法

首先用半經驗量子化學方法(AM1)對10種苦參堿類化合物的分子結構進初步的三維結構優化，找出低能量的構象，然后用密度泛函B3LYP/6-311+G(d，p)方法對上述結構再次進行優化，并進行自然軌道布局分析。同時，進行頻率分析，由所得結構不出現虛頻，確定其幾何構型為穩定構型，從而得到化合物分子穩定結構的幾何參數。計算使用Gaussian 03程序(Frisch M J，Trucks GW，Schlegel H B，et al.Gaussian 03.Revision A.01.Pittsburgh，PA:Gaussian Inc.，2003)。利 用CODESSA(Comprehensive Descriptors for Structural and Statistical Analysis，Reference Manual，Version 2.7.10.)程序，將量子化學方法得到的能量和結構參數進行計算，得到5類描述符:構成描述符、拓撲描述符、幾何描述符、靜電描述符和量子化學描述符。CODESSA程序中的HM可對大量的分子描述符進行完全搜索，建立最佳的線性回歸方程。

筆者采用的活性數據參考了文獻［6］，在濃度為0.2μmol·mL-1時體外HBsAg分泌抑制率。

2 計算結果與分析

2.1 密度泛函計算結果分析 計算所得到的部分結構幾何參數、能級和原子電荷列于表2中。為了進行比較，半經驗方法AM1計算所得到的相應參數也列于表2中。

比較密度泛函方法以及半經驗方法計算所得結果發現，二者在結構參數方面差別不大，但是當涉及到分子軌道能級以及原子電荷的計算時，二者有較大的差別。例如在氧化苦參堿原子電荷的計算中，N1位氧化后半經驗方法計算所得結果為正，而用密度泛函方法所得結果為負。由于DFT方法考慮了電子相關效應，其計算精度相對較高;并且在QSAR研究中分子軌道能級和原子電荷兩類參數用得最多，因此只能以較為精確、近似程度較少的密度泛函方法為準［9-10］。

活性結果文獻中給出了部分該類化合物構效關系的歸納概括，通過結合密度泛函計算結果對其解釋如下:當苦參堿結構中D環存在有雙鍵(12-13位或者13-14位)時活性增強，C14位羥基的引入則削弱該種作用。經分析得知，D環引入雙鍵之后，由于雙鍵π電子的作用13位C原子上的凈電荷由-0.211(1)降低為-0.087(3)、-0.097(4)、-0.087(8)、-0.093(9)、-0.087(10);對于化合物6，存在雙鍵α位羥基的吸電子作用，13位C原子電負性進一步降低(-0.027)。可以認為，13位C原子上的凈電荷與苦參堿類化合物的抗HBV活性密切相關，當C13上的凈電荷范圍為-0.087至-0.097時，化合物顯示出了較強的抗HBV活性，偏離這個范圍則會影響到此類化合物的活性。

對槐果堿(3)引入N-O鍵(8)或者羥基(6和10)均會降低其活性。對于槐果堿結構，在N1、C9或者C12位引入氧原子后，分子的分子表面積發生了變化(表3)，并且與實驗結果顯示出了較好的負線性相關(r2=0.836)。此類化合物分子的分子表面積對活性影響較大，提示其作用靶點的結合腔可能較小或者為剛性結構。關于這一點在HM結果分析中會做進一步的討論。

對于苦參母核的結構(D環飽和，如1)，引入N-O鍵(2)或者羥基(7)會增強其活性。化合物1，2，7計算結果中的偶極矩(Dipole)分別為4.021 9，5.635 5，4.397 7，與其抗HBV活性展現出了良好的線性相關?？鄥⒛负藶樗沫h喹喏里西定結構，分子中有4個六元環，分子疏水性較強。在B環N原子或9位C原子上引入氧原子后，雖未對分子的最低能量構象產生較大的影響，但是分子的偶極矩發生了變化，同時其空間立體作用和電性作用得到了增強，這與實驗結果相吻合。

表3 幾種化合物的分子表面積與其抗HBV活性的關系Tab．3 Relationship of molecular surface area of several compounds and their anti-HBV activity

對比化合物7與10發現，在羥基苦參堿結構中引入13-14位雙鍵對活性不利。通過對于化合物7與10計算結果的比較發現，在13-14位引入與雙鍵，可以與酰胺鍵產生共軛效應。受該體系的影響，LUMO軌道范圍擴大到整個D環，同時由于這種電子效應的存在，價電子變得分散，作為苦參堿結構中特征基團之一的內酰胺鍵趨于穩定，不易斷裂;酰胺鍵電子離域效應增加，影響了分子的構型和構象(C14-C15單鍵縮短、C13-C14雙鍵增長、原子保持共平面等)、分子的電性等，這就解釋了在羥基苦參堿結構中引入13-14位雙鍵對活性不利。

2.2 HM計算結果分析 CODESSA軟件中的啟發式方法可對大量的分子描述符進行完全搜索，從而建立最佳的線性回歸方程。該方法首先對分子描述符進行共線性控制，如任意兩個相關系數＞0.8的描述符不會同時包含在同一個模型中，并采用啟發式算法對參數進行快速篩選建立最佳的模型，而不是考察所有可能的參數組合。啟發式方法采用預處理的方式，根據以下4條規則排除掉一些描述符，①不是每個化合物都共有的參數;②對所有化合物來說，數值變化較小的描述符;③在一個參數相關方程中，F檢驗值＜1.0的參數;④t檢驗值小于某一定義值的描述符。啟發式回歸方法將分子描述符按一個參數模型的相關系數降序排列，每次引入剩余描述符中與所研究性質相關系數最大的描述符，依次下去。模型的好壞由相關系數(R2)、F檢驗值(F)以及標準偏差(s)等來檢驗。模型的穩定性用留一法(leave-one-out，LOO)交互檢驗的相關系數2Rcv來檢驗。簡單來說，首先去除數據集中的一個樣本，用相同的參數重新建立模型預測去除的樣本，依次下去，直到數據集中每一個樣本都被去除和預測一次，求出預測值和試驗值的相關系數即得到2Rcv。一般地，啟發式回歸方法速度快而且所建立的模型質量也較高［11-12］，這種優點使得啟發式回歸成為實際應用中的首要選擇。

每個分子用CODESSA可以計算出500～600個描述符，計算出分子的組成、拓撲、幾何、電子和量子化參數。組成參數反映了分子的組成信息，主要包括分子中原子、鍵、環等的數目以及分子量等;拓撲參數描述了分子中原子的連接信息，主要包括Wiener指數、Randic指數以及Kier-Hall形狀指數等;幾何參數描述了分子的大小和形狀，主要包括慣性矩、分子體積和表面積等;靜電參數描述了分子中電荷的分布信息，主要包括最大和最小偏電荷、極性以及電荷加權的分子表面積參數(CPSA)等;量化參數主要反映了分子中的電荷分布以及分子軌道能量等信息，對分子的反應和分子之間的靜電相互作用以及分子軌道之間的相互作用都有重要的影響，量化參數主要包括反應指數、偶極矩、HOMO以及LUMO能量等。

密度泛函計算之后，將結果導入CODESSA軟件中，共計算了165個描述符，并使用啟發式算法對165個描述符進行挑選，發現其中兩個描述符:分子表面面積(MSA)，XY軸面投影(Sxy)與HBsAg分泌抑制率密切相關，利用多元線性回歸方法，對這兩個描述符與抑制率進行回歸，得到方程:IR=-0.155-0.023 MSA+0.078 Sxy(r=0.82，q=0.72)。

從方程中可以看出，苦參堿類化合物抑制HBV的活性與分子的立體構型密切相關。其中，抑制活性與分子表面面積呈現負相關，這說明苦參堿類化合物分子構型應盡量避免扭曲程度過大，扭曲增大將導致分子表面擴張，而使其抗HBV的活性減弱。XY軸面投影是一個幾何描述指數，指的是分子在立體空間中投影在XY軸面的陰影面積，這個指數反映的是分子的形體大小和松散度。從方程中可以看出，苦參堿類化合物的HBV抑制活性與這個指數是正性相關，也就是說分子的松散度越高，其抑制活性越高。

3 討論

采用DFT對10種苦參堿類化合物的結構進行了計算，并對其抗HBV活性進行了分析。結果表明，分子的偶極矩、分子表面積、酰胺鍵的穩定性以及13位C原子上的凈電荷是影響該類化合物抗HBV活性的重要因素。

苦參堿類化合物是一類具有良好開發前景的天然產物。為了更好地開發和利用中藥，對其主要活性成分進行全面系統的研究十分必要。筆者利用密度泛函(DFT)方法，對10種化合物的電子結構、分子軌道能級以及原子電荷進行了較為準確的分析，對于實體實驗得到的結論進行了解釋，計算結果與實驗數據得到了較好的吻合。

(志謝:感謝天津藥物研究院徐為人教授在化學計算方面的指導，感謝中國醫學科學院高性能計算中心的支持!)

［1］ 張靜濤，王偉，段振華.苦參堿類生物堿的應用進展［J］.現代生物醫學進展，2007，7(3):451-454.

［2］ BOITEAU L，BOIVIN J，LIARD A，et al.A short synthesis of(±)-matrine［J］.Angew Chem Int Ed，1998，37(8):1128-1131.

［3］ IBRAGIMOV B T，TISHCHENKO G N，KUSHMURADOV Y K，et al.Stereoisomerism of the Matrine Alkaloids［J］.Khim Prir Soedin，1982，6(1):71-75.

［4］ IBRAGIMOV B T，TISHCHENKO G N，KUSHMURADOV Y K，et al.X-ray structural investigation of allomatrine and its noxide［J］.Khim Prir Soedin，1979，3(3):416-417.

［5］ KUSHMURADOV Y K，ASLANOV K A，KUCHKAROV S.The structure of lehmannine［J］.Khim Prir Soedin，1975，3(3):377-380.

［6］ DING P L，LIAO Z X，HUANG H，et al.(+)-12α-Hydroxysophocarpine，a new quinolizidine alkaloid and related anti-HBV alkaloids from Sophora flavescens［J］.Bioorg Chem Lett，2006，16(10):1231-1235.

［7］ 趙寶中，榮大奇，王秀軍，等.苦參堿和氧化苦參堿電子結構與藥性的關系［J］.分子科學學報，2000，16(2):88-93.

［8］ PARR R G，YANGW.Density-functional theory of atoms and molecular［M］.London:Oxford University Press，1989:47-69.

［9］ WRIGHT J S，CARPENTER D J，MCKAY D J.Development and use of quantum mechanical molecular models.76.AM1:a new general purpose quantum mechanical molecularmodel［J］.J Am Chem Soc，1985，107(12):3902-3909.

［10］ 孫欽超，馮大誠.頭孢類抗生素定量結構-活性關系的密度泛函研究［J］.高等學?；瘜W學報，2007，28(4):696-699.

［11］ 李吉來，杭燁超，耿彩云，等.磺酰脲類化合物除草活性的QSAR研究［J］.高等學校化學學報，2007，28(3):539-542.

［12］ KATRITZKY A R，PETRUKHIN R，JAIN R，et al.QSAR analysis of flash points［J］.Chem Inf Comput Sci，2001，41(11):1521-1530.s