Luteolin與Galactose之間氫鍵相互作用的理論研究

羅冬梅，張 賀，李可心，李明漢，高 天，王俊麗

（1.赤峰學院 化學化工學院；2.內蒙古自治區光電功能材料重點實驗室，內蒙古 赤峰 024000）

1 選題背景和意義

木犀草素（luteolin）存在于大多數植物中，這些植物以全葉青蘭、辣椒、野菊花、紫蘇含量較高，是一種天然的黃酮類化合物[1-2].可作為藥品，如消炎，抗過敏，抗菌，抗病毒；此外它還可以化痰，降低血脂，對降低血糖治療糖尿病有很大幫[3].近年來研究發現鬼針草可用于治療感冒、甲狀腺腫、前列腺炎、慢性氣管炎、肺氣腫、冠心病、慢性胃潰瘍、慢性盆腔炎、附件炎、子宮脫垂、神經衰弱等,對原發性高血壓亦有較好療效[4-7]研究表明，鑒于鬼針草大多單味使用,使用方法較為方便,且其藥源廣、價廉、療效高、見效快、無毒副作用,因此其在醫用方面亦值得深度挖掘、推廣[4].而半乳糖（Galactose）(CH2OH(CHOH)4CHO)是一種單糖類物質，可在奶類和甜菜中找到；在β-乳糖酶的催化作用下，半乳糖可從乳糖的水解作用中得到.因為半乳糖是葡萄糖的同分異構體，因此作為中藥有效化學成分降糖作用機理研究工作的一部分，本文研究半乳糖與中藥分子的氫鍵相互作用.

2 計算細節

選取半乳糖進行其與中藥有效成分的相互作用研究.量子化計算對基組的選擇很重要，要考慮到計算量小并且結果可靠[11].電荷對機組的依靠性很大，但不隨基組的增大而收斂.基組自然是大一點好，基組越大對軌道的描述就越準確，所求的解也就越準確，但計算量也會增大[8].較大的金屬原子常用的基組是LANL2DZ基組及其贗勢，而稀土元素則應根據計算需要分別設定基組，本實驗只涉及有機物分子，包含碳、氫、氧三種元素，因而采用統一的基組6-311++g(d,p)[9].采用功能強大的量子化學從頭計算工具，高斯09程序包，在B3LYP/6-311++g(d,p)水平上進行試驗研究.得到Luteolin（木犀草素）、Galactose（半乳糖）、和 Luteolin與 Galactose的氫鍵絡合體系相應優化好的幾何結構參數、偶極矩、原子電荷，以及能量數據，由于半乳糖為立體環狀分子，兩者以氫鍵方式相接近時，空間位阻較大，優化過程中耗時較長.

3 結果與討論

幾何構型討論：分子的幾何構型是影響化合物的基本因素，是對化合物一切靜態和動態性質進行理論研究的出發點.Luteolin（木犀草素）、Galactose（半乳糖）和 Luteolin與Galactose的氫鍵絡合體系優化后的結果沒有虛頻，說明得到的結構都是穩定的勢能面上的最低點數據結果準確可用于結果分析[10].數據整理如下：

圖1 優化后的Luteolin和galactose分子結構圖

3.1 電荷的變化（The chang in charge)

從表3-1-1的原子數據比較可得：Luteolin與galactose作用前后原子電荷的變化：（1）Luteolin與作用后的原子電荷比較，由 O28—O47由 -0.299e-—0.375e-增加了 0.674e-，H30—H48由0.284e-—0.477e-增加了0.192e-，由30號 H 和28號O組成的酚羥基（-OH）電荷變化為O48與H47電荷之和0.482e-（0.674e--0.192e-）；O27—O45由 -0.229e-—-0.245e-增加了 0.016e-，H29—H46由 0.285e-—0.288e- 增加了 0.002e-，27號O和29號H組成的酚羥基（-OH）電荷變化為45號O和46號H電荷之和0.153e-，C25—C39的電荷從0.085e-—-0.625e-降低了0.709e-，變化幅度較大.（2）galactose與Luteolin作用前后原子電荷比較，O11由-0.009e-—-0.833e-增加了 0.824e-，O13由 0.050e-—-0.300e-增加了 0.35e-；H12由0.001—0.346e-增加 0.345e-，H14 由 -0.001e-—0.307e-增加了0.308e-；變化幅度也較大.O27和H29結合的羥基與O11和H12作用后，H29原子與電負性較大的O27原子以共價鍵結合，由于O27—H29具有強極性，這是H29相對帶上正電荷，而O27相對帶上負電荷.當H29以唯一的一個電子與O27成鍵后，就變成半徑極小的核，其正電場強度很大，以至于非但很少受到電子之間的排斥，反而相互吸引，即形成氫鍵.

表3-1-1 luteolin與galactose作用前后電荷對比

圖3 優化后的Galactose和Luteolin氫鍵絡合體系

3.2 鍵長的變化（The change in bond length）

從表3-2-1中鍵長數據變化可知，luteolin分子中H-O鍵拉長，其中R(27,29)即為氫鍵絡合體系中的R(47,48)，其鍵長由0.966?由于氫鍵的形成而被拉長到0.971?，而galactose分子中的H-O鍵R(11,12)則由0.965?被稍微拉長到0.699?，相互作用后galactose H-O鍵變化不大，而luteolin H-O鍵變化較大.Luteolin分子的48號H原子與galactose分子中的11號O原子相互作用，形成氫鍵，其鍵長為1.939?，從鍵長看，屬于較弱的氫鍵，因此可以推斷，Luteolin對半乳糖分子結構的影響不大.

表3-2-1 Luteolin與galactose作用前后鍵長對比

3.3 鍵角的變化（The change in bond angle）

由表3-3-1可以得出，luteolin分子中的A(25,21,26)由119.805變為 Luteolin-galactose分子中的 A(38,37,43)為119.732，基本上可以認為沒有變化.luteolin分子中的A(25,28,30)由 110.921 變為 Luteolin-galactose A(38.47,48)為111.808，其變化值接近一度.galactose分子中的A(3,13,14)由108.959變為Luteolin-galactose的A(1,11,12)為108.41，變化值也較小.但是Galactous分子中的A(4,3,13)由1117,745變為Luteolin-galactose分子中的A(2,1,11)為119.898，此處變化值較大，而且galactose分子中的A(2,3,4,)由118.482變為Luteolin-galactose分子中的A(2,1,5)為120.696，說明弱氫鍵的形成對galactose的鍵角影響較為明顯.這是因為苯環是平面較為穩定的結構，鍵角不易改變，而galactose是立體的環狀結構，鍵角較易受環境影響而發生一定的改變，而這些改變的來源就是體系中形成了弱氫鍵.luteolin分子中的C-O-H即 A(25,28,30)由110.921變為Luteolin-galactose分子中的C-O-H即A(38,47,48)為111.808，galactose分子中C-O-H即A(3,13,14)由108.959變為Luteolin-galactose分子中的C-O-HA(1,11,12)為108.41，此處鍵角變化不是很明顯.luteolin分子中的C-C-O即A(21,25,28）由124.583變為Luteolin-galactose分子中的 C-C-O即 A (38,37,47)為124.896，galactose分子中的C-C-O即A(2,3,1)由123.351變為 Luteolin-galactose分子中的 C-C-O即 A (2,1,11)為108.41，鍵角顯著變大，說明在由于氫鍵的形成，此處galactose分子的結構發生了扭轉.

表3-3-1 Luteolin與galactose作用前后鍵角對比

3.4 偶極矩的變化及其分子的相互作用能

由表 3-4-1可以得出，Galactousn與Luteolin的X、Y、Z、TOTAL均變大了，說明Galactousn與Luteolin形成弱的氫鍵體系后，整體的對稱性降低了，但是總偶極矩小于兩者之和，說明二者之間有一定的結合，這與氫鍵的長度等幾何參數是一致的.

表3-4-1 Luteolin和galactose的偶極矩D（德拜）

表3-4-2 Luteolin的能量及其與Galactous分子的相互作用能a.u

完成幾何優化后，在b3lyp/6-311++g(d,p)水平上，計算出 Galactous的能量為 -644.9916(Hartree/Particle)，Luteolin的能量為-1029.265(Hartree/Particle).用UB3LYP計算方法計算Luteolin-Galactous能量為-1712.316(Hartree/Particle).其中換算系數為1Hartree=4.3597482×10-18J，1mol=6.02×1023Particle.比較Galactous分子與Luteolin不同的相互作用狀態時的能量狀態，用體系的總能量減去Galactous和Luteolin的能量之和，得到氫鍵絡合體系的相互作用能量，從能量的數據可以分析體系的相對穩定程度[12].

計算公式如下：

從而計算出Luteolin和galactose分子相互作用的能量為-99896.323kJ，相互作用能數值偏高，一方面說明該氫鍵體系不穩定，另一方面，應在后續工作中查找原因，并在下一步的研究中改進.

通過電荷變化、鍵長和鍵角的產生和變化，以及Leteilin分子和galactose分子的相互作用能偏高，說明鬼針草中的Luteolin分子不易與galactose作用，不易形成穩定的氫鍵體系，這與前面的分析相一致，同時說明Leteilin對半乳糖分子的結構影響不大，只是局部發生一定的扭轉.

4 結論

通過研究鬼針草[13,14]中的Luteolin降糖中藥分子有效化學成分與半乳糖分子間的相互作用，尤其是氫鍵作用，探討其對半乳糖和Luteolin分子幾何結構和性質的影響，作為分子中降糖機理研究工作的的一部分，本文所研究的是Luteolin分子在與半乳糖分子間作用后以氫鍵的方式結合，而且與Luteolin分子形成氫鍵的羥基的H-O鍵均有所拉伸，原子電荷變大，鍵角也變大.它們作用后氫鍵絡合體系的分子對稱性降低，極性變強，說明針草中的Luteolin降糖中藥分子[5]和半乳糖分子有一定的相互作用，但是氫鍵的鍵長為1.939?，屬于較弱的氫鍵，而且體系的能量偏高，說明不是穩定的氫鍵體系.通過以上分析可以得出，galactose分子與Luteolin分子相互作用形成的氫鍵鍵長較長，并且它們之間的相互作用能也較大，說明Luteolin對galactose分子結構的影響不是很顯著，后續的研究將探索能使其結構發生明顯改變以及發生強相互作用的中藥分子.