兒茶素-腺嘌呤分子間相互作用的密度泛函研究

蔡皖飛, 鄭 妍, 李來才

(四川師范大學 化學與材料學院, 四川 成都 610066)

藥物小分子與DNA之間的相互作用研究在化學、生物、醫(yī)藥等領域具有重要的意義.藥物進入人體后一旦與DNA發(fā)生相互作用,就會影響到DNA的生理和物理化學性質,改變DNA的轉錄和復制[1].在醫(yī)藥研究中,DNA與藥物分子相互作用的研究不僅可以闡述一些抗腫瘤、抗病毒藥物及致癌物的作用機理,而且為新型藥物的設計、修飾、合成和篩選提供有價值的信息,在針對DNA有顯著識別功能的新型抗艾滋病和抗癌藥物的開發(fā)中具有重要的意義[2-3].腺嘌呤(6-氨基嘌呤)既是構成DNA和RNA的堿基之一,也是人體中輔酶維B12的重要組成成分之一,腺嘌呤與磷酸結合物具有刺激白細胞的作用,廣泛用于治療各種白細胞減少癥[4].同時腺嘌呤還用作探針分子,用于臨床檢測.

兒茶素是一種重要的含多個酚羥基的類黃酮化合物,現代醫(yī)學研究表明[5-8]兒茶素具有抗氧化、抗癌、抗腫瘤和抑制DNA氧化損傷等功能,能夠增強人體的免疫功能,抑制腫瘤的生長,對心血管疾病和艾滋病也有預防效果.研究人員通過光譜、電化學和理論計算等方法對其結構、抗氧化活性與結構和性能的關系等進行了研究[9-12].郭金保[1]采用熒光光譜法研究了兒茶素與DNA相互作用機制,發(fā)現當兒茶素與DNA相互作用時,振動頻率向低波數方向發(fā)生了移動,即產生了紅移.由于分子間的非共價相互作用較弱,實驗上對于兒茶素與DNA相互作用的微觀機制還未弄清楚.因此,采用量子化學方法對兒茶素與DNA堿基形成的復合物進行研究,對于了解這些活性小分子與生物分子的作用規(guī)律,進而闡明其生物學效應的機制無疑是有益的.我們研究小組在前期工作中對兒茶素與鳥嘌呤、胞嘧啶分子間相互作用進行了研究[13-14].本文通過對兒茶素-腺嘌呤復合物的研究,從分子水平上了解兒茶素與腺嘌呤分子間相互作用機制,為兒茶素類藥物的設計、修飾、合成和篩選提供有價值的信息.

1 計算方法

采用密度泛函理論(DFT)B3LYP方法,在6-31+G*基組水平上對兒茶素、腺嘌呤及兒茶素-腺嘌呤復合物進行了幾何優(yōu)化,得到16種兒茶素-腺嘌呤復合物.并在相同基組水平上,應用分子中的原子(AIM)理論[15]和自然鍵軌道(NBO)理論[16]對兒茶素與腺嘌呤之間的相互作用特征和本質進行了分析.計算復合物相互作用能時,考慮了基組重疊誤差(BSSE),采用S. F. Boys和F. Bernardi提出的完全均衡校(CP)在6-31+G*基組水平上進行BSSE校正[17].所有計算均采用Gaussian 03程序[18]完成.

2 結果與討論

2.1兒茶素幾何構型分析經過B3LYP/6-31+G*基組優(yōu)化了5種同羥基取向的兒茶素構型,選取能量最低的構型作為研究對象.優(yōu)化后的兒茶素幾何構型如圖1所示,兒茶素的幾何優(yōu)化參數及實驗參數列于表1.由圖1可知,兒茶素分子為非平面構型,在2個苯環(huán)上共有4個酚羥基團,可以參與氫鍵的形成,2個苯環(huán)通過一個含羥基的非芳香環(huán)連結.理論計算的構型參數和實驗測定參數列于表1,表1數據表明計算值與實驗值非常接近,鍵長平均誤差小于5%,說明采用的計算方法是可信的.導致誤差的原因可能在于理論計算的是氣相單分子的結構參數,而本文中所采用的實驗數據是在晶體狀態(tài)下進行測定.

表 1 兒茶素的主要實驗參數和B3LYP/6-31+G* 基組水平上的理論參數Table 1 Caculated and measured bondlengths of catechin and calculations were performed with B3LYP/6-31+G* nm

鍵型B3LYP/6-31+GExp.[19]鍵型B3LYP/6-31+GExp.[19]C1—O10.137 90.137 4C1—C20.140 60.140 1C2—O20.136 50.137 9C2—C30.139 20.142 1C7—O30.142 10.146 1C3—C40.139 90.138 5C10—O40.137 20.137 6C5—C60.151 10.152 8C12—O50.137 10.140 4C7—C80.152 60.155 5

2.2兒茶素-腺嘌呤復合物的幾何構型分析采用B3LYP/6-31+G*基組對兒茶素-腺嘌呤復合物的構型進行全優(yōu)化,得到穩(wěn)定的兒茶素-腺嘌呤復合物16個.并在相同水平上進行了頻率計算,所得構型均無虛頻,證明其均是勢能面上的極小點.優(yōu)化得到的兒茶素-腺嘌呤復合物構型及結構參數如圖2所示,相應的能量列于表2.研究結果表明兒茶素和腺嘌呤分子也會按照盡可能多的形成氫鍵相互作用這種幾何優(yōu)勢來降低兒茶素-腺嘌呤復合物體系的能量,從而使其達到最穩(wěn)定狀態(tài),其中兒茶素和腺嘌呤分子既是氫鍵供體又是氫鍵受體.氫鍵對兒茶素-腺嘌呤復合物的穩(wěn)定性起著重要作用,同時我們還優(yōu)化了π-π作用模式的兒茶素-腺嘌呤復合物,但沒有得到穩(wěn)定的構型.

為了弄清兒茶素-腺嘌呤復合物的成鍵情況,應用AIM2000程序計算復合物中鍵臨界點的拓撲參數.根據Bader的AIM理論,P. L. A. Popelier等[20]提出氫鍵臨界點處的電荷密度(ρ)在0.002 0～0.040 0 a.u.,相應的鍵臨界點電荷密度的拉普拉斯值(▽2ρ)范圍在0.024 0～0.139 0 a.u.,▽2ρ>0與閉殼層體系(離子鍵、氫鍵、Vander Waals)之間的相互作用有關,而▽2ρ<0則表征了在核間區(qū)域電荷密度是集中的共價鍵.從圖2中可知,所研究的兒茶素-腺嘌呤復合物中只存在N—H…O、C—H…N和N—H…O等3種類型的氫鍵,所有形成的氫鍵X…H的臨界點電荷密度均在0.008 0～0.040 0 a.u.之間,并且相應臨界點處的電荷密度的拉普拉斯值在0.026 0～0.101 0 a.u.,符合氫鍵的定義.

作為一個普遍接受的觀點,當分子間復合物只有一個氫鍵形成時,相互作用能的大小反映出氫鍵的強弱以及復合物的穩(wěn)定性[21-22].但是,當復合物中存在2個或更多氫鍵時,對復合物穩(wěn)定性及氫鍵強弱的判斷將更加復雜[23].由圖2可知,兒茶素-腺嘌呤復合物中除了復合物N形成了3個氫鍵外,其它的復合物都是形成了2個氫鍵.通過表2數據可知,復合物N是所有復合物中能量最低的,說明三氫鍵復合物N是最穩(wěn)定的,氫鍵作用對兒茶素-腺嘌呤復合物穩(wěn)定性起著重要作用.經BSSE校正后兒茶素-腺嘌呤復合物的相互作用能順序為:N>B>P>O>A>C>J>E>G>M>K>D>L>F>H>I.由圖2可知,最穩(wěn)定的復合物N中存在N—H…O、C—H…N和O—H…N等3種類型的氫鍵,其鍵長分別為0.197 8、0.277 6、0.203 8 nm,對應的臨界點電荷密度分別為0.027 8、0.008 0、0.020 5 a.u..形成的氫鍵使兒茶素和腺嘌呤分子穩(wěn)定在處于近平面的位置,這表明兒茶素和腺嘌呤分子會按照盡可能多的形成氫鍵相互作用這種幾

何優(yōu)勢來降低兒茶素-腺嘌呤復合物的能量,從而使其達到最穩(wěn)定狀態(tài),所以形成三氫的復合物N相對其它復合物更具有幾何優(yōu)勢.對于形成2個氫鍵的復合物,氫鍵的平均鍵長及電荷密度與復合物穩(wěn)定性的順序基本一致.只有復合物O和P除外,其平均鍵長分別為0.222 0、0.216 9 nm,對應的臨界點電荷密度分別為0.016 8、0.018 4 a.u..而復合物A和C的平均鍵長分別為0.195 7、0.196 1 nm,對應的臨界點電荷密度分別為0.028 5、0.027 5 a.u..可以看出復合物A和C的平均鍵長比復合物O和P的要小,對應的臨界點電荷密度大,形成的氫鍵要強.可是復合物A和C的相互作用能卻比復合物O和P的小,穩(wěn)定性低,分析原因可能是其結構處于近平面的位置,類似與復合物N,雖然只形成了2個氫鍵,但是較其它復合物具有幾何優(yōu)勢.對于形成2個氫鍵的這類復合物,復合物B是最穩(wěn)定的,其形成的氫鍵N3…H2—O2、O1…H16—N2的鍵長分別為0.186 9、0.202 0 nm,對應的臨界點電荷密度分別為0.035 5、0.022 1 a.u.,平均鍵長和電荷密度分別為0.194 4 nm和0.028 8 a.u,比其它此類復合物形成的氫鍵平均鍵長小,電荷密度大.表明復合物B的氫鍵作用更強,相互作用能更大.但是復合物B所形成的2個氫鍵并不是比這類復合物中其它復合物的2個氫鍵都強,這表明復合物的穩(wěn)定性要綜合考慮所有氫鍵的強度.另外,通過圖1可知,除了復合物A、B、C、O、P,所有形成二氫鍵的復合物都含有O/N…H—C型氫鍵,由于O/N…H—C型氫鍵鍵長普遍較大(0.243 9～0.277 6 nm),電荷密度較小(0.008 0～0.011 6 a.u.),形成的氫鍵很弱,所以含有O/N…H—C型氫鍵的復合物穩(wěn)定性較差,而不含O/N…H—C型氫鍵的復合物A、B、C、O、P的相互作用能明顯比含這類氫鍵的復合物要大,穩(wěn)定性要好.綜合以上分析可知,當分子間相互作用時,復合物會盡可能多的形成氫鍵相互作用,這種具有優(yōu)勢的幾何構型可以降低體系能量,增強體系的穩(wěn)定性.當復合物中存在2個或更多氫鍵時,復合物的穩(wěn)定性由所有形成的氫鍵類型以及強度共同決定.

表 2 兒茶素-腺嘌呤復合物的總能量E、EBSSE、 EBSSE校正后相互作用能△E和相對能△E′Table 2 Calculated total energies E, EBSSE, interation energies with the EBSSE correction △E and the relative energies △E′ for all the complexes

2.3自然鍵軌道(NBO)分析為了揭示兒茶素-腺嘌呤復合物中氫鍵相互作用的本質,在相同基組水水平上對體系進行了自然鍵軌道(NBO)分析.表3給出了兒茶素-腺嘌呤復合物各構型中電子供體軌道i、電子受體軌道j及其相互作用的二階穩(wěn)定化能E(2),E(2)越大表明i與j的相互作用越強,即i提供電子給j的傾向越大,氫鍵作用越強.由表3及圖2可知,兒茶素-腺嘌呤復合物中,腺嘌呤分子中N原子的孤對電子與其發(fā)生氫鍵作用的兒茶素分子中O—H反鍵軌道的相互作用較強,二階穩(wěn)定化能E(2)在47.80～94.40 kJ/mol范圍內,形成的氫鍵作用很強;但是兒茶素酚羥基上氧原子上的孤對電子與其相互作用的腺嘌呤分子中N—H反鍵軌道的相互作用相對前者較弱,二階穩(wěn)定化能E(2)的范圍為10.40～62.70 kJ/mol,這說明兒茶素和腺嘌呤分子既是氫鍵供體又是氫鍵受體,腺嘌呤分子中的N原子提供電子給兒茶素中O—H反鍵軌道的傾向要大,是穩(wěn)定的電子供體.另外,通過分析發(fā)現腺嘌呤分子中N原子的孤對電子與兒茶素中相鄰的C—H反鍵軌道的相互作用普遍較小,二階穩(wěn)定化能E(2)的范圍為0.80～17.50 kJ/mol,形成的氫鍵較弱,表明兒茶素分子與DNA發(fā)生相互作用時,兒茶素分子中的羥基扮演著重要的角色.表3中數據表明同類型復合物的二階穩(wěn)定化能之和的順序與相互作用能的順序基本一致,但是復合物復合物O和P除外,分析原因與上述結構分析相同.對于形成三氫鍵的復合物N形成的3個氫鍵N3…H10—O4、N3…H10—C8、O3…H16—N2的二階穩(wěn)定化能分別為62.68、0.80、47.82 kJ/mol,二階穩(wěn)定化能之和為111.30 kJ/mol.對于形成二氫鍵的復合物,最穩(wěn)定的復合物B的N3…H2—O2、O1…H16—N2的二階穩(wěn)定化能分別為90.83、40.58 kJ/mol,二階穩(wěn)定化能之和為130.41 kJ/mol,比其它的二氫鍵的復合物的要大.但是復合物B所形成2個氫鍵并不是比這類復合物中其它的復合物的每個氫鍵都強,這表明復合物的穩(wěn)定性要綜合考慮所有氫鍵的強度.同樣對于形成二氫鍵的這類復合物,由于O/N…H—C型氫鍵二階穩(wěn)定化能普遍較小(0.80～17.50 kJ/mol),形成的氫鍵很弱,所以含有O/N…H—C型氫鍵的復合物穩(wěn)定性較差,而不含O/N…H—C型氫鍵的復合物A、B、C、O、P的二階穩(wěn)定化能明顯比含這類氫鍵的復合物要大,穩(wěn)定性要好,這與前面的結構分析結果相一致.

2.4振動頻率分析在B3LYP/6-31+G*水平計算兒茶素分子中O/C—H以及腺嘌呤分子中N—H伸縮振動頻率,理論計算的兒茶素分子O—H伸縮振動頻率值在3 716～3 770 cm-1,苯環(huán)上C—H伸縮振動頻率值在3 187～3 233 cm-1,接近M. M. Ramos-Tejada等[11]的實驗測定值3 600～3 200 cm-1和3 100～3 000 cm-1.誤差產生的原因可能是因為兒茶素分子非平面的多環(huán)大分子,并且含有多個羥基,分子間易形成氫鍵作用;理論計算的為單個分子在氣相中的參數,從而導致一定的誤差存在,所以在結果對比中O—H伸縮振動頻率的理論值與實驗值相差要大,而苯環(huán)上C—H伸縮振動頻率相差較小.從表4可知,當復合物形成氫鍵后,相應的O/C/N—H鍵均表現出伸長,變化范圍在0.000 1～0.002 2 nm,振動頻率明顯減小,表現出正常的紅移,這與實驗結果相吻合[1].另外，表4數據表明N—H…O和O—H…N型氫鍵鍵長和頻率變化比C—H…N型氫鍵要大.這可能是因為N和O原子上的孤對電子與相鄰的O—H、N—H反鍵軌道相互作用強,這表明紅移增大的程度與復合物相互作用能的變化趨勢基本一致.

表 3 電子供體軌道和電子受體軌道以及相應的二階穩(wěn)定化能E(2)

表 4 B3LYP/6-31+G*水平上形成氫鍵后X—H的 鍵長和相應的伸縮振動的變化Table 4 B3LYP/6-31+G* predicted changes in bond-length and stretching vibration of X—H bonds before and after hydrogen bond formation

表 4(續(xù))NO4—H10…N30.001 73 440.00-324.67C8—H9…N30.000 23 072.52-29.65N2—H16…O30.000 93 496.79-148.50ON5—H18…O30.000 13 708.29-15.45O4—H10…N40.001 53 485.13-279.54PN5—H19…O30.000 13 707.44-16.30O4—H10…N10.001 43 506.53-258.14

3 結語

采用密度泛函理論的B3LYP方法,在6-31+G*基組水平上研究了兒茶素與腺嘌呤的相互作用機制,得到穩(wěn)定的兒茶素-腺嘌呤復合物16個,經BSSE校正后的相互作用能順序為:N>B>P>O>A>C>J>E>G>M>K>D>L>F>H>I,優(yōu)化后的構型和相互作用能分析表明兒茶素-腺嘌呤復合物中只存在N—H…O、C—H…N和O—H…N等3種類型的氫鍵,氫鍵對于兒茶素-腺嘌呤復合物的穩(wěn)定性起著重要的作用.當兒茶素分子與腺嘌呤分子發(fā)生相互作用時,復合物會盡可能多的形成氫鍵相互作用來降低體系能量,增強體系的穩(wěn)定性.通過振動光譜分析可知,兒茶素與腺嘌呤分子在形成氫鍵以后所有相應的O/C/N—H鍵均表現出伸長,振動頻率明顯減小,表現出正常的紅移,且紅移增大的程度與復合物相互作用能的變化趨勢基本一致,這與實驗結果相吻合.

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