河毒素藥理活性和熱性質密度泛函研究

秦文杰，鐘愛國

（浙江省臺州學院醫藥化工學院， 浙江 臺州 316000）

1970 年Tamura 等報道了TTX-氫溴酸鹽的晶體結構[1,2]，潘心富等于1979 年首次由河豚卵巢中分離提取出 TTX[3]。在理論計算方面, 陳常英等[4]利用DPCILO 程序，采用半經驗方法(INDO)優化了 TTX及其 5 個衍生物的結構及分子軌道, 并與化學結構不同但藥理作用相同的石房蛤毒素(STX)進行了比較；趙永明等[5]探討了TTX 及其23 種類似物的紅外光譜和核磁共振圖譜。TTX 是迄今為止人類在自然界中發現的最為奇特的小分子天然產物之一，不僅結構新穎而且性質獨特，即使長時間高溫加熱亦不會破壞其化學結構或降低其毒性，但遇堿不穩定，易被破壞。TTX 的分子結構和原子編號如圖1 所示。由于原料來源稀有，純品昂貴，限制了它的實驗研究。本文選用密度泛函方法在優化結構的基礎上,得到其熱力學函數并利用Fukui 指數和前線軌道理論，對其易發生的反應部位進行了理論預測，取得了有意義的結果。

1 計算方法

本文對河豚毒素分子采用 DFT 理論的 B3LYP方法在 6-311+G(d,p)基組水平上進行了優化計算。在優化得到的穩定構型基礎上，采用Freq 方法進行了頻率分析，結果表明所有簡諧振動頻率全部為正值，表明其計算結果是可信的。本項目的全部計算工作通過Gaussian03 程序在PC 機上完成。

圖 1 河豚毒素(C11H17O8N3)分子結構和原子編號Fig.1 Tetrodotoxin (C11H17O8N3) molecular structure and atomic number

2 結果與討論

2.1 幾何結構分析

用Gaussian 03程序在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上進行優化計算得到了河豚毒素分子的鍵長, 鍵角等與晶體實驗值的比較示于表1[1,2]。

表1 優化后鍵長、鍵角的比較（鍵長:nm; 鍵角: °）Table 1 The bond lengths, bond angels, optimized (nm, °)

正常的C=N 雙鍵的鍵長(0.134～0.138 nm), C-N單鍵(0.147～0.152 nm)，C-C 單鍵(0.154～0.162 nm),C-O 單鍵(0.120～0.143 nm), C=O 雙鍵(0.121～0.123 nm), O-H(0.094～1.500 nm)。表1 中列出了優化后分子的部分鍵長數據表明：除C10-O18的鍵長稍微大一點外，其他鍵長均屬于正常范圍。結合分子結構圖1 分析，對應的 C5-N12鍵(0.144 nm)和 C12-N15鍵(0.146 nm)的鍵長稍長于正常的C=N 雙鍵(0.134～0.138 nm)，而與之相鄰的 C10=N12雙鍵的鍵長(0.126 nm)稍小于正常的 C-N 單鍵(0.147～0.152 nm)，符合胍基離域結構穩定的要求。表2 中列出的重要鍵角數據表明，由 C1-C2-C6-C13-C8-C3原子組成的六元環的夾角數據均在 109.0° 附近，而 C1-C2-C7-N15-C12-N5,C1-C2-C6-O14-C10-C5，C1-C4-C10-O17- C8-C3和 C6-O14-C10-O17-C8-C13雜環，夾角均在 107～118.0° 附近, 除C 原子受連接的O 和N 雜原子大的電負性作用使角度變型外，其余角度沒有發生明顯的扭曲變形。表1 的二面角數據表明：5 個六元環幾乎處在椅式結構，這就有利于TTX 分子穩定，使得總能量降低。分子中的支鏈與環有明顯的扭轉而沒有處在同一平面，這樣的結構受位阻效應小有利于發揮官能團優勢作用。

2.2 NBO 電荷

優化后TTX 分子中各原子的NBO 電荷分布見表2。

表2 TTX 分子的NBO 凈電荷布居值Table 2 NBO net charge population value of TTX e

由于N 和O 原子的電負性比C 和H 原子大。因此, 在 TTX 分子中，3 個 N 原子(- 0.626 ～ -0.781e)和8 個O 原子(- 0.557 ～ -0.705 e)均帶有凈的負電荷。而且主環上N 和O 原子比氨基上的N 和羥基上的O 原子帶有較多的負電荷, 這是因為它們較強烈地吸引相連的C 原子或H 原子上的電荷, 使其自身帶上較大負電荷。除 C2原子外，其余C 和H 原子均帶有正電荷, 且H 原子帶有較大正電荷。 因主環上C 和N 原子正負電荷均不相等, 致使五個六元環主體帶有少量的負電荷(0.04～0.05 e), 具有一定的親水性。在由電荷控制的反應中, 原子的負電荷越多,其受親電試劑進攻的可能性越大; 反之, 原子的正電荷越多, 則受親核試劑進攻的可能性也越大. 因此推測胍基上的N19, N5，和N15原子很可能是親電反應的作用點。

紅外吸收光譜對研究分子的結構、化學鍵、表征和鑒別物質等有十分重要的作用。在結構優化的基礎上, 在相同的計算水平上計算了TTX 的振動紅外光譜。TTX 屬于 C1點群, 有 39 個原子, 對應有94 個振動模式。理論計算所得到的部分特征振動頻率(0～4 000 cm-1)及其紅外強度列于圖2。

圖2 理論模擬TTX 的IR 譜Fig.2 IR spectrum of TTX2.3 IR 和 1HNMR 譜

在圖2 譜圖中，出現了TTX 的特征峰值: 3 502 cm-1(O-H，伸縮); 3 385 cm-1(N-H，伸縮); 1 766 cm-1(C=O 伸縮)；1 070～1 000 cm-1(伯醇，C-O 伸縮)；(1 120～1 030 cm-1仲醇C-O，伸縮); 1 170～1 100 cm-1(叔醇 C-O，伸縮)；1 275～1 020 cm-1（脂肪醚O-C-O，反對稱伸縮）；1 098 cm-1(六元單氧環，伸縮); 1 640 cm-1(N-H，彎曲振動)和1 600 cm-1(一級酰胺的特征吸收峰); 1 550～1 530 cm-1(N-H，彎曲振動吸收)。在低頻率范圍內（<400 cm-1）還出現較多吸收峰，這主要由于六元環的 H 原子的特征指紋區[6-7]。理論模擬并指認TTX 核磁共振譜（見圖3 所示）的峰特點較好地與其實驗值吻合起來，也進一步驗證了計算的準確性[8]。

圖3 1HNMR 圖譜指認Fig. 3 1HNMR spectrum of TXX

2.4 熱力學穩定性

式(1)～(5) 顯示了 TTX 的熱力學函數計算結果與溫度在25～1000 K 范圍的對應關系。在298.15 K，熵(Sm)、熱容(Cp,m)、焓(Hm)和自由能(Gm)的計算結果分別為 361.27, 142.19 J·mol-1·K-1和 343.31, 316.92 kJ·mol-1; 隨溫度升高, 熵(Sm)、熱容(Cp,m)、焓(Hm) 等熱力學函數均增大, 而自由能(Gm) 減小, 直到溫度接近500 K 出現負值。通過對TTX 的計算熱力學函數與溫度的關系擬合, 我們得到了TTX 熱力學函數與溫度的關系式如下：

在整個溫度范圍內(25～1 200 K), T2的系數都很小, 因此其 4 個熱力學函數與溫度的倒數(1/T)近似呈正的線性關系。現假設TTX 脫水反應的焓變(Δ H)和熵變(ΔS)與溫度關系不大為常數，則計算得到分解反應的吉布斯自由能變(ΔG)與溫度成線性關系，意味著該脫水反應在高溫下(520 K)能自發進行(ΔG<0)，為熵變驅動型反應(ΔS>0)。這與熱重分析結果基本吻合。

2.5 極性和疏水參數

偶極矩和在正辛醇-水體系的分配系數(P)是用來表示藥物親脂性或疏水性的重要物理參數。我們使用 Gaussian03 程序計算獲得 TTX 分子的偶極矩(3.368D)，為弱極性。這可能是由于TTX 的6 個醇羥基的存在，增大了TTX 的親水性的緣故; 脂水分配系數(logP=996.16) 很大，表明其為一親脂性的分子。另外，使用ACD/Lab 6.0 軟件預測的TTX 在pH=7時的水溶解度 S=1.40×10-3mol·L-1，在pH=13 時突然增大。

2.6 反應活性

TTX 的親電與親核反應的Fukui 指數值列于圖4。從圖4 中數據可以看出, 最可能的親電反應中心(f-)主要集中在3 個N 原子以及與之相連的H35，H32,H26以及 H28原子上, 主環整體不顯電性, 尤其胍基N 原子上還含有孤對電子, 可與強酸如鹽酸、硫酸、硝酸等都能形成鹽; 親核反應中心(f+)也主要在 N原子以及相連的H 原子上。因此, 遇到強酸或強堿溶液則分子會水解, 逐步被羥基取代, 最后生成開環結構。分子能隙ΔE(ELUMO-EHOMO) 的大小, 反映電子從最高占據軌道向最低空軌道發生電子躍遷的能力, 一定程度上可以代表其參加化學反應的活性。其差值越大, 分子穩定性越強; 反之分子越不穩定,越易參與化學反應。 TTX 的計算結果為EHOMO=-571.233 kJ·mol-1, ELUMO=13.797 kJ·mol-1, Δ E=585.03 kJ·mol-1。比較計算結果可知, 得到電子的能力較弱(ELUMO>0) , 因而生成河豚酸等衍生物的過程中, 胺基被羥基逐步取代; 失去電子的能力相對較弱(因為 EHOMO 很低), 因其胍基(C=NH)上的孤電子對, 能吸引 H+形成穩定的 C=NH2+, 所以它是一種弱堿(pKb=8.3)。能隙較大, 所以參加化學反應活性很弱。

圖4 TTX 的Fukui 指數圖Fig. 4 The atomic Fukui index of TXX

3 結 論

(1) 幾何優化表明, 河豚素的 6 個六元環互成椅式構象，具有穩定的分子構型和良好的疏水參數，在堿性溶液中溶解能力強，紅外光譜表征與官能團吻合較準確，核磁共振與其實驗值基本符合；

(2) 在25～1 200 K 范圍內，相應的熱力學函數與溫度的倒數呈正的線性關系，溫度增加致520 K，脫水分解反應趨勢增加，是受熵變驅動型反應；

(3) 通過 NBO 電荷分布, Fukui 指數和前線軌道分析, 我們推測分子活性最強的部位在胍基，胍基 N 原子孤對電子吸引酸的 H+顯弱堿性的親電反應; 與 N 相連接的 H 原子被堿性 OH-逐步取代生成開環衍生物的親核反應。TTX 將主要通過這2 種方式來發揮其毒理和藥理作用。

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［2］Tamura C.，Amakasu O.; Sasada Y.，Tsuda K. The crystal structures of derivatives of tetrodotoxin. II. Diaeetylanhydrotetrodotoxin Hydroiodide[J]. Acta Cryst, 1966, 21:226-236 .

［3］潘心富, 黃致強. 河豚毒素研究[J]. 中國海洋藥物，1980, 17: 77-91.

［4］陳常英，丁曉琴，潘心富，李玉林. 河豚毒素(TTX)及其衍生物的電子結構和構效關系及與石房蛤毒素(STX)的比較研究[J]. 化學學報, 1998, 56:109-116.

［5］趙永明，蘇曉會，史清文，顧玉誠. 河豚毒素及其類似物的研究概況[J]. 河北醫科大學學報,2007, 28(6):474-480.

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