昆蟲章魚胺受體激動劑亞氨基雜環(huán)類化合物的構(gòu)效關(guān)系與藥效團研究

林義峰，黃 成，萬幽蘭，巨修練，劉根炎

(武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院 綠色化工過程教育部重點實驗室新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430205)

章魚胺(octopamine,OA)是一類生物胺，廣泛分布在無脊椎動物體內(nèi)，其生理功能類似于脊椎動物體內(nèi)的甲腎上腺素和腎上腺素[1-2]。章魚胺受體(OA receptors,OAR)屬于G蛋白偶聯(lián)受體的一種[3-6]，在脊椎動物體內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)OAR[7]，因此OAR被認(rèn)為是一種較理想的、安全的殺蟲劑作用靶標(biāo)。目前針對此靶標(biāo)已上市的殺蟲劑只有甲脒類化合物[8]，因此系統(tǒng)研究OAR相關(guān)配體化合物的構(gòu)效關(guān)系和作用機制可為設(shè)計和開發(fā)新型高效安全殺蟲劑提供重要的理論依據(jù)和有效信息。

作者運用分子模擬的方法，基于一系列已報道的OAR激動劑2-芳基亞氨基雜環(huán)類化合物的分子結(jié)構(gòu)和生物活性，構(gòu)建此類化合物的三維定量構(gòu)效關(guān)系(three-dimensional quantitative structure-activity relationships，3D-QSAR)和藥效團模型，系統(tǒng)分析OAR激動劑的關(guān)鍵藥效結(jié)構(gòu)及構(gòu)效關(guān)系，旨在為開發(fā)靶向昆蟲OAR的新型苗頭化合物提供依據(jù)。

1 實驗

本實驗所有化合物數(shù)據(jù)來源于已報道的美洲蟑螂(Periplanetaamericana)OAR激動劑2-芳基亞氨基雜環(huán)類化合物，其結(jié)構(gòu)及活性值(Ka值)如表1所示[9]。所有化合物的結(jié)構(gòu)通過SYBYL X-2.1軟件(Tripos Inc.,St.Louis,MO,USA)的Sketch模塊構(gòu)建，而后在Compute模塊下，通過Tripos力場和Gasteiger Hückel電荷對所有化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量優(yōu)化，采用共軛梯度法優(yōu)化能量梯度至0.005 kcal·mol-1·?-1，最大迭代步數(shù)至1 000，以得到最佳分子構(gòu)象。

表1 用于構(gòu)建模型的OAR激動劑的結(jié)構(gòu)和活性值Tab.1 Structures and Ka values of OAR agonists used for

1.1 3D-QSAR模型的構(gòu)建和驗證

采用比較分子力場分析(comparative molecular field analysis,CoMFA)法構(gòu)建3D-QSAR模型，CoMFA法主要通過計算化合物與立體場(steric field,S)、靜電場(electrostatic field,E)相互作用的分子立場數(shù)據(jù)來體現(xiàn)化合物三維結(jié)構(gòu)與活性之間的相關(guān)性。將表1中的化合物隨機分為訓(xùn)練集和測試集，選擇20個化合物作為訓(xùn)練集，7個化合物作為測試集。以活性最高的化合物14作為模板分子，苯環(huán)-N作為公共骨架，將訓(xùn)練集化合物進(jìn)行疊合，如圖1所示。

圖1 化合物14的分子結(jié)構(gòu)(a)及構(gòu)建3D-QSAR模型的訓(xùn)練集化合物疊合示意圖(b)Fig.1 Molecular structure of compound 14(a) and alignment of training set compounds used for 3D-QSAR model construction

1.2 藥效團模型的構(gòu)建

選擇表1中活性較高、結(jié)構(gòu)差異性較大的10個化合物，利用SYBYL X-2.1軟件的Genetic Algorithm with Linear Assignment of Hypermolecular Alignment of Database(GALAHAD)模塊進(jìn)行藥效團模型的構(gòu)建，參數(shù)設(shè)置列于表2。GALAHAD中默認(rèn)有6種典型特征，空間特征(steric features,S)、正電中心(positive nitrogen,PN)、疏水中心(hydrophobic centers,HY)、氫鍵供體原子(hydrogen bond donor atoms,DA)、氫鍵受體原子(hydrogen bond acceptor atoms,AA)、負(fù)電中心(negative centers,NC)[14]。

表2 藥效團模型的設(shè)定參數(shù)Tab.2 Parameters for pharmacophore model

2 結(jié)果與討論

2.1 3D-QSAR模型

2.1.1 3D-QSAR模型的驗證

3D-QSAR模型訓(xùn)練集和測試集化合物的實測值和預(yù)測值見表3，其線性關(guān)系如圖2所示。

圖2 3D-QSAR模型訓(xùn)練集和測試集化合物的實測值和預(yù)測值的線性關(guān)系Fig.2 Relationship of actual pKa and predicted pKa for compounds in training set and testing set of 3D-QSAR model

表3 訓(xùn)練集和測試集化合物的實測值、預(yù)測值及殘差Tab.3 Actual pKa,predicted pKa,and residual values of compounds in training set and testing set

2.1.2 3D-QSAR模型等勢圖分析

為了直觀了解小分子化合物的重要結(jié)構(gòu)特征，對3D-QSAR模型的等勢圖進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 3D-QSAR模型的立體場(a)和靜電場(b)等勢圖Fig.3 Contour maps of steric fields(a) and electrostatic fields(b) of 3D-QSAR model

圖3a中的綠色色塊表示取代基團體積越大分子活性越高，黃色色塊表示取代基團體積越小分子活性越高。可以看到，在苯環(huán)的2位有一個綠色色塊，這說明當(dāng)在苯環(huán)的2位引入大體積基團時可能會提高化合物的活性，表1中化合物的Ka值也驗證了這一結(jié)論，如化合物4<化合物8、化合物16<化合物19；在苯環(huán)4位上的黃色色塊與綠色色塊大小相近，這說明在苯環(huán)的4位引入取代基的體積大小對該類化合物的活性影響不是很明顯，在苯環(huán)4位引入大體積基團時可較小程度提高該類化合物的活性，此結(jié)論也可由表1中化合物的Ka值驗證，如化合物4<化合物1、化合物27<化合物24,但兩組化合物活性均未見數(shù)量級(10倍以上)差異。

圖3b中的紅色色塊表示增加負(fù)電子基團有利于提高化合物的活性，藍(lán)色色塊表示增加正電子基團有利于提高化合物的活性。可以看到，苯環(huán)的4位(環(huán)取代的對位)有一個紅色色塊，這說明當(dāng)在苯環(huán)的環(huán)取代對位引入負(fù)電子基團時有利于提高化合物的活性，表1中化合物的Ka值也驗證了這一結(jié)論，如：化合物2<化合物5、化合物3<化合物7；在苯環(huán)的2位和6位(環(huán)取代的鄰位)一共存在4個藍(lán)色色塊，說明當(dāng)在苯環(huán)的環(huán)取代鄰位引入正電子基團時有利于提高化合物的活性，此結(jié)論也可由表1中化合物的Ka值驗證，如化合物3<化合物1、化合物4<化合物8、化合物5<化合物7、化合物16<化合物19、化合物26<化合物23。

根據(jù)3D-QSAR模型等勢圖的分析，可以得出以下結(jié)論：在對2-芳基亞氨基雜環(huán)類化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾時，在苯環(huán)的環(huán)取代鄰位引入體積大的正電子基團和在環(huán)取代對位引入負(fù)電子基團都有提高化合物殺蟲活性的可能。

2.2 藥效團模型

基于10個活性較高且結(jié)構(gòu)差異較大的分子，運用GALAHAD模塊構(gòu)建20個藥效團模型，具體參數(shù)見表4。

表4 20個藥效團模型的相關(guān)參數(shù)Tab.4 Related parameters of 20 pharmacophore models

一般來說，specificity、N_hits、sterics、HBOND和MOL_QUERY值較大，構(gòu)建的藥效團模型就越佳。模型10具有全部命中的N_hits值、較優(yōu)的specificity值以及低的energy值，因此被選擇作為最佳模型(圖4)用于進(jìn)一步的分析和研究。可以看到，該模型有2個疏水中心HY1和HY2，分別位于該類化合物的苯環(huán)和雜環(huán)中心，這表明，2-芳基亞氨基雜環(huán)類化合物可能會與OAR結(jié)合口袋的疏水氨基酸形成疏水作用；2個正電中心PN1和PN2，位于該類化合物的氮原子附近，說明該類化合物中2個氮原子可能對活性具有較為重要的作用。

圖4 10個化合物與藥效團模型10的疊合圖Fig.4 Alignment of 10 compounds with pharmacophore model 10

3 結(jié)論

針對美洲蟑螂OAR的激動劑2-芳基亞氨基雜環(huán)類化合物構(gòu)建了3D-QSAR模型，內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)均驗證了3D-QSAR模型的可靠性和良好的預(yù)測能力；通過對3D-QSAR模型等勢圖分析發(fā)現(xiàn)，對該類化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾時，在苯環(huán)的環(huán)取代鄰位引入體積較大的正電子基團和在苯環(huán)的環(huán)取代對位引入負(fù)電子基團都有可能提高化合物的活性。通過對藥效團模型分析發(fā)現(xiàn)，所構(gòu)建的最佳藥效團模型是合理的，包含2個疏水中心和2個正電中心；這表明在三維空間中，該類化合物的苯環(huán)和雜環(huán)作為2個疏水中心、2個氮原子作為2個正電中心可能與化合物對OAR產(chǎn)生活性具有重要作用。該研究結(jié)果為OAR殺蟲劑的設(shè)計和研究提供了重要理論依據(jù)。