摘要:將續隨子醇L713,283二萜類化合物放入甲醇和氯仿兩種不同極性的溶液中,分別進行長時間的分子動力學模擬。結果表明,續隨子醇L713,283二萜類化合物在氯仿溶液中更穩定,構象波動幅度更小;續隨子醇L713,283二萜類化合物五元環和十一元環側鏈上的O71及O15與甲醇羥基所形成的較穩定氫鍵是其易溶于含氧有機溶劑的重要驅動力。基于續隨子醇L713,283二萜類化合物在氯仿溶液中的3個代表性構象,用密度泛函理論優化獲得它們的穩定構象、靜電勢電荷及鍵參數。模擬結果與試驗吻合較好,為基于配體結構的藥物分子設計提供了理論基礎。
關鍵詞:續隨子醇;構象;藥物設計;分子動力學模擬;密度泛函理論
中圖分類號:Q949.753.5;O629.6+1;O621.14+2 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2012)16-3545-05
Molecular Modeling of the Solution Conformation of Euphorbia lathyris Alcohol
L713, 283 Diterpenoid Compound
HU Jian-ping1,LIU Wei2,TANG Dian-yong1,CHENG Ying1,CHEN Feng-zheng1,CHANG Shan3
(1. Molecular Design Center,College of Life and Chemistry, Leshan Normal University, Leshan 614004, Sichuan, China;
2. Key Laboratory of Medicinal and Edible Plants Resources Development, Faculty of Biotechnology Industry, Chengdu University, Chengdu 610106, China; 3. College of Informatics, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)
Abstract: Two long-time molecular dynamics simulations were carried out for Euphorbia (Euphorbia lathyris L.) alcohol L713, 283 diterpenoid compound in methanol and chloroform solvents, respectively. The results showed that Euphorbia alcohol L713, 283 diterpenoid compound was more stable in chloroform solvent; and its conformation fluctuation amplitude was smaller. The main driving force for Euphorbia alcohol L713, 283 diterpenoid compound being easily-soluble in oxygen-containing organic solvent was that the O71 and O15 on the side-chains of the five-cycle and eleven-cycle formed stable hydrogen-bonds with the hydroxyl of methanol. Based on the three respective conformations of Euphorbia alcohol L713, 283 diterpenoid compound in chloroform solvent, the stable conformations, electrostatic potential (ESP) charges and bond parameters were obtained through density functional theory. The simulation result was accordant with the experimental data, which provided the theoretical basis for the drug design based on the structure of ligand.
Key words: Euphorbia alcohol; conformation; drug design; molecular dynamics simulation; density functional theory
分子模擬作為理論化學的一個重要領域,已經成為繼試驗、理論之后的第三種研究手段。常用的計算方法有分子動力學(Molecular dynamics,MD)模擬以及密度泛函理論(Density functional theory, DFT)等。前者不但能給出體系在原子水平上的運動細節,而且還可提供位置漲落和構象變化等詳細信息;DFT則可以解決原子、分子中的許多問題,如單點能的計算、振動光譜的研究、催化活性部位的預測以及分子結構優化等。綜合使用MD模擬和DFT來研究藥物分子的優勢構象及電荷分布等技術一直是國際上藥物化學理論研究的主流[1,2]。續隨子(Euphorbia lathyris L.)為大戟科(Euphcrbiaceae)大戟屬(Euphorbia L.)二年生草本植物,廣泛分布于中國各地。續隨子的種子又名千金子,形狀橢圓,含有二萜類、三萜類、香豆素和揮發油等成分,在中醫臨床上主要用于治療水腫、痰飲、積聚脹滿、血瘀經閉等癥,還可用于治療血吸蟲、肝硬變、腎性水腫等疾病[3,4]。細胞學研究表明,續隨子二萜類化合物有刺激皮膚和抑制腫瘤生長的作用,在體外表現出明顯的抗腫瘤和抗HIV的生物活性[5]。李忌等[6]以長春堿(Vincaleukoblastine sulfate)為陽性對照,從大戟屬植物中分離得到了5個對肝癌SMMC-7221、肺腺癌以及胃腺癌MC80-3細胞的生長均具有較強抑制活性的天然二萜類化合物。Duarte等[7]和Corea等[8]的體外化療試驗表明,續隨子醇二萜類化合物的抗癌活性強度與其化學結構密切相關,在分子五元環和十一元環均有影響抗癌活性的關鍵碳原子及官能團存在。細胞膜P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)表達增加是癌癥治療產生多藥抗藥性(Multidrug resistance,MDR)的主要原因,而續隨子二萜類化合物可有效調節P-gp的表達,進而可能避免MDR的發生[9-11]。另外,續隨子擁有獨特的千金二萜烷型結構,進而可通過環合作用而產生復雜的多環結構,這是生物體中合成多種二萜類化合物的前體物[12]。最近,Jiao等[13]用包括二維NMR在內的系列光譜方法確定了2個續隨子二萜類化合物的結構,并用X-ray方法給出了它們的結構及立體構象。
盡管之前有較多對續隨子二萜類化合物結構以及藥理學方面的研究,但是結構-功能關系、活性官能團、構象變化和極性條件對分子構象的影響等一系列重要問題尚未見報道。試驗以目前結構研究最為徹底的續隨子二萜類化合物續隨子醇 L713,283(劍橋晶體數據庫Nos. CCDC713283)[13]為例,首先將其置于甲醇和氯仿溶液中進行MD模擬,研究其構象變化;接著對代表性構象進行DFT優化,獲得了續隨子醇L713,283二萜類化合物的收斂精細構象及其結構參數,并對體系穩定性、極性對構象的影響以及分子結構參數進行了較為詳細的研究。圖1給出了續隨子醇L713,283二萜類化合物的分子結構,為了后續對其電荷及氫鍵進行分析,所有原子序號均給出。從圖1可以看出,續隨子醇L713,283二萜類化合物的骨架是由五元環與十一元環駢合形成的,同時在其C26和C37位順式駢合了一個環丙烷。
1 計算方法
綜合使用MD模擬和DFT對續隨子醇L713,283二萜類化合物的溶液構象進行較為詳細的研究。將續隨子醇 L713,283二萜類化合物的劍橋晶體數據庫結構[13]作為MD模擬的初始構象。MD模擬采用AMBER 9程序和GAFF力場[14,15],具體操作是首先在溶質外圍分別加上甲醇和氯仿1.0 nm的去頭八面體溶劑盒,總共加了407個甲醇和186個氯仿分子,體系總原子分別為2 518和1 012個;在MD模擬之前,對體系進行2次能量優化,先約束溶質(約束力常數為 2.09×105 kJ/(mol·nm2),用最陡下降法優化5 000步,再用共軛梯度法優化5 000步,然后去約束后再進行5 000步最陡下降法優化和5 000步共軛梯度法優化,收斂條件為能量梯度小于4.18×10-4 kJ/(mol·nm2)。MD模擬分為兩步,第一步進行了2 ns約束溶質的MD模擬,約束力常數為4.18×103 kJ/(mol·nm2),期間溫度從0 K逐步升高到300 K,第二步進行10 ns的無約束恒溫MD模擬。在模擬中,用VMD圖像顯示軟件實時跟蹤體系構象。采用SHAKE算法[16]約束鍵長,MD模擬的積分步長設為2 fs,非鍵相互作用截斷半徑設為1.2 nm,每隔1 ps采集1次構象,共采集了10 200個構象。基于MD模擬方法獲得了續隨子醇L713,283二萜類化合物的3個代表性構象(CL3_Sn,n=1~3),再使用Gaussian 03程序包中的B3LYP/6-311G(d,p)計算方法[2,17]對這些構象進行幾何構型優化和振動頻率計算,得到它們的能量和精細構型,并計算了靜電勢(Electrostatic potential,ESP)電荷信息。頻率計算表明,CL3_Sn(n=1~3)的所有優化構型均為穩定結構(無虛頻)。
2 結果與分析
2.1 MD模擬
續隨子醇L713,283二萜類化合物在甲醇及氯仿溶液中勢能和方均根偏差(Root mean square deviation,RMSD,反映了模擬體系中原子的空間位置與其初始位置的偏移程度)隨時間的動態變化情況見圖2。從圖2a可知,在2 ns之后,體系能量基本穩定,甲醇溶液中體系勢能是(-260±39.97) kcal/mol,氯仿溶液中則為(-967.94±27.72) kcal/mol,波動率分別為15.40%和2.86%。從圖2b可以看出,體系在6 ns前基本穩定,之后有一定的波動。這可能是因為隨著MD模擬時間的延長,模擬采樣更加充分,會在不同的采樣空間收集到構象。續隨子醇L713,283二萜類化合物在甲醇和氯仿溶液中的整體RMSD分別為(0.107±0.021) nm和(0.093±0.019) nm,體系在非極性氯仿溶液中的構象與初始晶體結構的差別以及構象漲落幅度均小于在極性甲醇溶液中的。勢能和RMSD分析結果均表明,非極性環境有利于續隨子醇L713,283二萜類化合物的穩定,這可能與續隨子醇L713,283二萜類化合物是非極性的化合物相關。
隨后分析了續隨子醇L713,283二萜類化合物與甲醇溶液所形成的氫鍵,氫鍵采用幾何方法判定[18],即氫供體-氫原子-氫受體角度大于135°,氫供體-氫受體間距離小于0.35 nm,此處氫供體是甲醇羥基上的氧原子,氫受體為續隨子醇L713,283二萜類化合物上的9個氧原子(圖1)。計算結果表明,除了O13、O49和O69外,其他氧原子(包括O7)都能與甲醇形成中等強度的氫鍵,不過參與形成氫鍵的甲醇分子呈動態變化,可見續隨子醇L713,283二萜類化合物分子在甲醇溶液中整體運動較為劇烈。通過計算氫鍵占有率(即氫鍵構象在整個模擬軌跡中所出現的幾率)發現,續隨子醇五元環和十一元環上的O71和O15與甲醇羥基所形成的氫鍵占有率最高,均超過了25%,推測這2個氧原子所形成的氫鍵是續隨子二萜類化合物易溶于甲醇等含氧有機溶液[7,19-21]的驅動力之一。鑒于續隨子醇L713,283二萜類化合物與甲醇無法形成很穩定的氫鍵,不難理解續隨子醇L713,283二萜類化合物在非極性溶液氯仿中依賴很強的非極性相互作用,其溶解性和穩定性均比在極性溶液甲醇中的大。
2.2 結構疊落
從圖2b可知,甲醇溶液中的續隨子醇L713,283二萜類化合物在6.0~6.3 ns、7.2~7.5 ns以及9.4~10.0 ns段的RMSD分別處于較高的平臺,將占大部分時間以及處于這3個時間段的平均結構分別定義為MOH_S1、MOH_S2、MOH_S3和MOH_S4;而將氯仿溶液中續隨子醇L713,283二萜類化合物的3個代表構象(即大部區域,7.2~7.5、8.6~8.9 ns段)分別命名為CL3_S1,CL3_S2和CL3_S3。為了分析它們的構象差別,圖3給出了續隨子醇L713,283二萜類化合物在2種溶液中的代表性構象的疊落結果,圖中用灰色Stick表示分子骨架,而體系中的氧原子用CPK模型表示。從圖3可以看出,體系在2種溶液中的代表性構象骨架位置和3個環方向變化較小,而漲落較大區域主要是較長的C67和C11側鏈,尤以C11側鏈明顯,側鏈圍繞C8-C11單鍵發生了一定的轉動。考慮到單鍵旋轉導致的能差不大以及分子在2種溶液中的分子骨架位置接近,所有后面分析僅采用了氯仿溶液中的3個代表性構象作為初始結構,用DFT優化獲得它們的收斂構象,進而獲得體系的力場參數。
2.3 DFT計算
表1給出了續隨子醇L713,283二萜類化合物在氯仿溶液中3個代表性構象優化后的相關參數,從表1可以看出,體系電子總能量、焓及吉布斯自由能排序為CL3_S2>CL3_S3>CL3_S1,能差都小于3 kcal/mol,這屬于單鍵旋轉所導致的能差數量級范圍以內。HOMO軌道表示已占有電子能級最高的軌道,是主要的電子給予體,而LUMO軌道表示未占有電子能級最低的軌道,是主要的電子接受體。這2個前線軌道的能差(ELUMO-HOMO)反映了體系的穩定性,能差越大,電子轉移反應概率越低。前線軌道能差分析顯示,3個最優體系的反應活性排序為CL3_S3>CL3_S1>CL3_S2。從表1還可以看出,分子體積排序為CL3_S2>CL3_S3>CL3_S1,大部分時間段所出現的CL3_S1優化構象發生了一定收縮,代表著有利于進入靶點蛋白結合位點的構象。偶極矩計算結果大小順序為CL3_S2>CL3_S3>CL3_S1,絕對值差別在10%左右,方向均為C65指向O15和O49連線的中點。另外,3個DFT最終優化構象疊落結果與MD模擬后的代表性構象疊落結果(圖3)類似,只是骨架疊落(包括C67上的苯甲酰氧基和C8-C11鍵)更好,惟一例外的是C8-O7單鍵所連的乙酰氧基(含O1和O7)發生了明顯的旋轉,這可能也是導致構象間有低于3 kcal/mol能差的主要原因。綜上所述,除了偶極矩稍有變化外,其他參數變化較小。試驗將CL3_S1的收斂構象確定為續隨子醇L713,283二萜類化合物的穩定結構,后面將分析最終穩定結構的ESP電荷及分子構象模型,這將為后續精細MD模擬以及抗癌靶點確定的分子對接研究提供有價值的參考。
表2給出了DFT優化后3個構象的ESP電荷分布。從表2可知,除C11、C12和C65等幾個原子的靜電勢電荷差別較大外,其他原子的類似。觀察之前的MD模擬軌跡發現,C11、C12和C65原子的構象波動較明顯。柔性和電荷分布分析均表明這3個碳原子有可能參與了分子的化學反應,該結果與試驗預測[13,22]一致。基于表2構象1的ESP電荷數據,正電性由強到弱的原子排序是C2、C14、C46、C50、C70、C12、C57、C27,其中C2、C14、C46、C50、C70都是羰基碳原子,C46還是續隨子醇L713,283二萜類化合物主體結構(非側鏈)中所固有的羰基,不容易發生酯化水解,可能是一個較為重要的活性位點。C12,C57和C27也是易受到親核進攻的位點,尤以C12明顯。在構象2中,C12的正電性最高;前面氫鍵分析曾指出,C12所連酯鍵上的O15是體系中最容易與周圍環境形成氫鍵的氫受體。因此在續隨子醇L713,283二萜類化合物活性改造時,可考慮加強C12的正電性,比如用羧酸根替代C12上的H20。
圖4給出了構象1分別與構象2及構象3的所有非氫原子的電荷相關性。從圖4可以看出,構象1與構象2及構象3的ESP電荷相關性分別達到了0.944和0.967,可見續隨子醇L713,283二萜類化合物的電荷計算結果可信。基于CL3_S1的最終穩定構象的原子坐標,可獲得體系鍵長、鍵角、二面角以及非正常二面角的信息,這些均為續隨子醇L713,283二萜類化合物的精細MD模擬及改造提供了力場支持。
3 小結
用MD模擬和DFT相結合的方法研究了續隨子醇L713,283二萜類化合物的溶液構象。將續隨子醇L713,283二萜類化合物放在甲醇和氯仿2個不同極性的溶液中進行了10 ns的MD模擬,結果顯示,非極性環境有利于體系穩定。隨后用DFT優化了MD模擬所獲得的氯仿溶液中的3個代表性構象,進而給出續隨子醇L713,283二萜類化合物最終穩定構象的電荷參數及鍵參數,這個試驗結果對后續的續隨子醇L713,283二萜類化合物的精細MD模擬、分子對接及基于配體結構的抗癌藥物分子設計具有一定的指導意義。
參考文獻:
[1] SMITH L J, DOBSON C M, VAN GUNSTEREN W F. Side chain conformational disorder in a molten globule: Molecular dynamics simulations of human alpha-lactalbumin[J]. J Mol Biol,1999,286(5):1567-1580.
[2] HEHRE W J, RADOM L, SCHLEYER P V R, et al. Ab Initio Molecular Orbital Theory[M]. John New York: Wiley & Sons,1986.
[3] JASSBI A R. Chemistry and biological activity of secondary metabolites in Euphorbia from Iran[J]. Phytochemistry,2006,
67(18):1977-1984.
[4] SINGLA A K, KAMLA P. Phytoconstituents of Euphorbia species[J]. Fitoterapia,1990,41(6):483-516.
[5] HASLER C M, ACS G, BLUMBERG P M. Specific binding to protein-kinase-C by ingenol and its induction of biological responses[J]. Cancer Res,1992,52(1):202-208.
[6] 李 忌,鄭 耘,鄭榮梁,等.天然二萜類化合物的抗腫瘤活性[J]. 腫瘤防治研究,1995,22(5):271-272.
[7] DUARTE N,VARGA A,CHEREPNEV G,et al. Apoptosis induction and modulation of P-glycoprotein mediated multidrug resistance by new macrocyclic lathyrane-type diterpenoids [J]. Bioorg Med Chem,2007,15(1):546-554.
[8] COREA G, FATTORUSSO E, LANZOTTI V, et al. Jatrophane diterpenes as modulators of multidrug resistance. Advances of structure-activity relationships and discovery of the potent lead pepluanin A[J]. J Med Chem,2004,47(4):988-992.
[9] HOHMANN J, MOLNAR J, REDEI D, et al. Discovery and biological evaluation of a new family of potent modulators of multidrug resistance: Reversal of multidrug resistance of mouse lymphoma cells by new natural jatrophane diterpenoids isolated from Euphorbia species[J]. J Med Chem,2002,45(12):2425-2431.
[10] BARILE E, COREA G, LANZOTTI V. Diterpenes from Euphorbia as potential leads for drug design[J]. Nat Prod Commun,2008,3(6):1003-1020.
[11] PUSZTAI R,FERREIRA M J U,DUARTE N,et al. Macrocyclic lathyrane diterpenes as antitumor promoters[J]. Anticancer Res,2007,27(1A):201-205.
[12] JURY S L,REYNOLDS T,CUTLER D F,et al. The Euphorbiales:Chemistry,Taxonomy and Economic Botany[M]. London:Academic Press,1987.
[13] JIAO W, DONG W W, LI Z F, et al. Lathyrane diterpenes from Euphorbia lathyris as modulators of multidrug resistance and their crystal structures[J]. Bioorg Med Chem,2009,17:4786-4792.
[14] WANG J M, CIEPLAK P, KOLLMAN P A. How well does a restrained electrostatic potential (RESP) model perform in calculating conformational energies of organic and biological molecules[J]. J Comput Chem,2000,21(12):1049-1074.
[15] WANG J M,WOLF R M,CALDWELL J W,et al. Development and testing of a general amber force field[J]. J Comput Chem,2004,25(9):1157-1174.
[16] RYCKAERT J P, CICCOTTI G, BERENDSEN H J C. Numerical integration of the artesian equations of dynamics of nalkanes[J]. J Comput Phys,1977,23(3):327-341.
[17] BECKE A D. Density-functional exchange-energy approximation with correct asymptotic-behavior[J]. Phys Rev A,1988, 38(6):3098-3100.
[18] HU J P, GONG X Q, SU J G, et al. Study on the molecular mechanism of inhibiting HIV-1 integrase by EBR28 peptide via molecular modeling approach[J]. Biophys Chem,2008,132(2/3):69-80.
[19] LU Z Q, GUAN S H, LI X N, et al. Cytotoxic diterpenoids from Euphorbia helioscopia[J]. J Nat Prod,2008,71(5):873-876.
[20] DUATRE N, MARIA U F. Lagaspholones A and B: Two new jatropholane-type diterpenes from Euphorbia lagascae[J]. Org Lett,2007,9(3):489-492.
[21] 焦 威,魯 璐,鄧美彩,等.千金子化學成分的研究[J].中草藥,2010,41(2):181-187.
[22] ALYELAAGBE O O, ADESOGAN K, EKUNDAYO O, et al. Antibacterial diterpenoids from Jatropha podagrica Hook [J]. Phytochemistry,2007,68(9):2420-2425.