青蒿素及其衍生物抗瘧活性的密度泛函理論研究

劉靖麗,郭 勇

(1.陜西中醫(yī)藥大學 藥學院,陜西 咸陽 712046; 2.四川大學 化學學院,四川 成都 610064)

青蒿素及其衍生物抗瘧活性的密度泛函理論研究

劉靖麗1*,郭 勇2

(1.陜西中醫(yī)藥大學 藥學院,陜西 咸陽 712046; 2.四川大學 化學學院,四川 成都 610064)

為了深入研究青蒿素及其衍生物的抗瘧活性和分子結構之間的關系，運用密度泛函理論B3LYP方法，以6-31G*為基組對青蒿素及其衍生物二氫青蒿素、蒿甲醚和青蒿琥酯進行了優(yōu)化計算.從分子的幾何構型、NBO電荷及前線軌道能等方面分析了青蒿素及其衍生物的抗瘧活性與結構之間的關系.青蒿素及其衍生物結構中的過氧橋鍵是其抗瘧作用的活性位，O17和O20帶負電荷越多、ΔE(LUMO-HOMO)越低、EHOMO能級越高，分子的抗瘧活性越強.結果表明，4種化合物的抗瘧活性順序為：青蒿素<二氫青蒿素<蒿甲醚<青蒿琥酯，與臨床實驗結果相吻合.

青蒿素；抗瘧活性；密度泛函理論

青蒿為菊科艾屬一年生草本植物黃花蒿，性寒，味苦、辛，歸肝、膽經(jīng)，具有清熱解暑、除蒸、截瘧之功效,青蒿自古以來就被用于發(fā)熱和瘧疾的治療[1].上世紀70年代，屠呦呦等從青蒿中分離出一種具有抗瘧活性的倍半萜內酯化合物，命名為青蒿素(artemisinin).通過化學反應、光譜數(shù)據(jù)和X射線單晶衍射方法證明青蒿素結構中含有獨特的過氧橋鍵[2-3].后來人們對青蒿素化學結構進行了改造，以青蒿素母體為基礎，在青蒿素的碳氧雙鍵上加上不同基團，合成了二氫青蒿素(dihydroartemisinin)、蒿甲醚(artemether)和青蒿琥酯(artesunate)等衍生物[4-6].

實驗表明[4]，二氫青蒿素的活性比青蒿素高1倍，但不穩(wěn)定，易分解.脂溶性的蒿甲醚也具有抗瘧活性，其活性高于青蒿素，現(xiàn)已應用于臨床.青蒿琥酯是目前唯一有效的青蒿素水溶性衍生物，是經(jīng)我國衛(wèi)生部批準上市用于抗瘧的一類新藥[6].近年來的相關研究表明[7-9]，青蒿素除具有抗瘧疾作用外，在心血管疾病、抗腫瘤、免疫調節(jié)等多方面具重要的藥理作用和潛在的應用價值.但是有關其結構和活性關系的理論研究甚少，本文中我們利用密度泛函(DFT)方法對上述4個目標化合物進行研究，試圖從微觀層次上闡明其結構與活性之間的關系，為設計和合成抗瘧活性更強的青蒿素類藥物分子提供有用的理論信息.

1 計算方法

運用DFT(B3LYP)方法，以6-31G*為基組對4個目標化合物青蒿素(1)、二氫青蒿素(2)、蒿甲醚(3)和青蒿琥酯(4)的幾何構型進行全優(yōu)化，得到4個目標化合物的最優(yōu)幾何結構，并在此基礎上進行頻率計算.結果顯示，優(yōu)化得到的結構均無虛頻，說明我們得到的是能量極小結構.最后進行NBO(Natural Bond Orbital)電荷和分子前線軌道分析，所有的計算均由Gaussian 03程序完成[10].

2 結果與討論

2.1 分子的幾何平衡構型

采用B3LYP/6-31G*方法對4個目標化合物的結構進行了幾何全優(yōu)化，獲得了各個化合物的幾何平衡構型，如圖1所示.由此結構計算所得到的頻率中沒有虛頻，說明理論計算幾何結構為穩(wěn)定結構，表1列出了計算所得的部分幾何結構參數(shù)，并與青蒿素的晶體結構數(shù)據(jù)[3]進行了對比.

圖1 青蒿素及其衍生物的結構和原子編號Fig.1 The geometry and atom numbering of artemisinin and its derivatives

SpeciesExp[3]1234SpeciesExp[3]1234C4-O30.1390.1380.1430.1430.142O20-C5-C6106.2106.4105.6105.6105.5C2-O30.1440.1440.1430.1430.143O20-C5-C8104.4104.7103.3103.4103.4C2-O170.1400.1410.1420.1420.142O20-C5-C4111.0110.1112.2112.0112.2O17-O200.1480.1460.1460.1460.146C2-O17-O20-C547.446.143.243.244.0C5-O200.1460.1460.1460.1460.146C(5-4-14-12)-24.534.935.836.1C14-O150.1200.1210.1400.1390.143C(1-7-6-5)--35.6-39.7-39.4-38.9C14-O130.1340.1360.1440.1440.142C(5-8-10-11)--0.051.11.11.2O13-C40.1450.1440.1400.1400.141C(6-11-10-9)--53.0-53.8-53.7-53.9C10-C2-O17112.3111.8111.4111.4111.4C(6-5-8-9)-52.7951.351.351.4C2-O17-O20107.5108.8108.8108.9108.9O13-C14-C8-C5--31.3-52.0-51.8-53.1O17-O20-C5111.1111.9113.2113.1112.9C4-O13-C14-C12-14.465.064.966.7

從表1中可以看出，采用B3LYP/6-31G*方法計算所得4個目標化合物的結構參數(shù)與其母體化合物青蒿素的實驗值[3]非常接近.由分子價鍵理論可知，鍵長越長，鍵能越小，鍵越容易斷裂，反應活性越高.可見分子的鍵強度與鍵長有密切關系，所以我們可以通過判斷鍵長來推斷反應活性.正常的過氧鍵長為0.13 nm左右[11].4個目標化合物的過氧鍵長均大于0.13 nm，說明4個化合物中的過氧鍵比較容易斷裂，從一定程度上反映出青蒿素及其衍生物的抗瘧活性與過氧鍵有密切的關系.另外從二面角的數(shù)值可以看出，包括過氧鍵的七元環(huán)存在不同程度的扭曲，這種扭曲顯然是由環(huán)與環(huán)之間不同程度的排斥所導致的.環(huán)己烷是一個椅式的穩(wěn)定構象，六元環(huán)內酯是一個扭曲的椅式構象，理論計算結果與其母體青蒿素的晶體結構相吻合[3].

2.2 NBO電荷布局數(shù)

在藥理學中，當藥物分子與受體相互作用時，必須通過兩者之間電子的相互作用來進行.因此，藥物分子的電荷分布對藥物活性有重要的影響.分析藥物分子內電荷分布可以揭示其與受體的作用位點.表2列出了4個目標化合物中起主要作用的C和O原子的NBO電荷.

表2 C原子和O原子的NBO電荷Table 2 NBO charge on the carbon atoms and oxygen atoms

從表2中可以看出，4個目標化合物的電荷分布規(guī)律極為相似，除了青蒿琥酯.負電荷集中分布在5個O原子上，而正電荷則主要分布在與O原子相連的C上，由此分析O原子主要與受體的正電性區(qū)域相作用，而C14、C2、C4及C5則與受體的負電性區(qū)域相作用.對青蒿素分子結構與其抗瘧活性的構效關系研究表明過氧鍵是分子中的關鍵活性部位[12]，有活性的青蒿素類似物，如果把過氧基-O-O-變成-O-、-O-C-O-都將失去活性[13].隨后進一步研究證實，青蒿素與瘧原蟲體內的血紅素作用時，中心原子Fe2+的空軌道可結合富電子的原子和基團[14].SHUKLA等[15]利用分子模擬方法將青蒿素與血紅素進行對接研究，結果提示青蒿素的分子內過氧橋結構緊靠于血紅素的中心鐵原子上.因此，青蒿素在發(fā)揮抗瘧活性時，主要以供電子為主，過氧橋鍵是此類分子的主要供電子區(qū)，過氧橋鍵的給電子能力直接影響化合物的抗瘧活性.這一結論與程永浩等[16]通過半經(jīng)驗的MNDO方法研究青蒿素的電子結構與生物活性關系的計算結果一致.由此可見，過氧原子O17和O20所帶的負電荷越多，青蒿素與血紅素的相互作用越強，分子的抗瘧活性越強.根據(jù)表2中的電荷分布推測4個目標化合物的抗瘧活性順序可能為：青蒿素<二氫青蒿素≤蒿甲醚<青蒿琥酯.電荷分布分析不夠充分，還需要考慮分子的前線軌道.

2.3 前線分子軌道及軌道能

根據(jù)前線分子軌道理論，最高的電子占據(jù)軌道(HOMO)和最低的電子未占軌道(LUMO)在化學反應中起著主要作用，前線軌道往往與分子的生物活性有著直接的聯(lián)系.因此，研究前線軌道的性質可以為確定活性部分以及探討作用機制等提供重要信息.HOMO具有優(yōu)先提供電子的重要作用，HOMO能級越高，該物質越易失去電子參與反應；LUMO具有優(yōu)先接受電子的重要作用，LUMO能級越低，該物質越易得到電子參與反應[17-19].圖2給出了4個目標化合物的HOMO軌道和LUMO軌道圖，由圖2可以看出4個化合物的HOMO成份主要集中在過氧橋鍵O17和O20原子上，另外C5、C2、C4、O15、O13原子也有貢獻.進一步說明，青蒿素及其衍生物二氫青蒿素、蒿甲醚和青蒿琥酯在發(fā)揮抗瘧活性時，均以供電子為主，過氧橋鍵是決定其抗瘧活性的關鍵幾何結構.

表3分別列出了4個目標化合物的前線軌道能級數(shù)據(jù)，表中ΔE(LUMO-HOMO)為最高占據(jù)軌道能量EHOMO與最低未占據(jù)軌道能量ELUMO的能級差.ΔE(LUMO-HOMO)的大小反映了電子從最高占據(jù)軌道向最低空軌道躍遷需要的能量大小，能級差越小，電子越容易被激發(fā)，與電子得失相關的反應活性越強.對于4個目標化合物來說，ΔE(LUMO-HOMO)越小，過氧橋鍵的氧原子越容易給出電子，抗瘧活性越強.由表3ΔE的大小可以得出4個化合物的抗瘧活性順序為：青蒿素<二氫青蒿素<蒿甲醚<青蒿琥酯，與前面電荷分布的分析結果一致.同時EHOMO能級越高，活性越高，由此得出的活性順序為：青蒿素<二氫青蒿素<蒿甲醚<青蒿琥酯，與前面得到的活性順序符合.無論是ΔE還是EHOMO，都表明4個目標化合物中，青蒿琥酯的活性是最強的，而二氫青蒿素與蒿甲醚的活性均高于青蒿素的抗瘧活性.

圖2 4個化合物的HOMO(a)與LUMO(b)軌道圖Fig.2 HOMO (a) and LUMO (b) orbitals of four compounds

表3 4個化合物的最高占據(jù)軌道能和最低空軌道能以及兩者之差(單位:eV)Table 3 Energies of HOMO and LUMO and the energy gap between HOMO and LUMO of four compounds (in eV)

3 結論

采用密度泛函理論B3LYP方法對青蒿素及其衍生物(二氫青蒿素、蒿甲醚和青蒿琥酯)分子進行了優(yōu)化計算，得到了4個化合物的理論平衡幾何結構，與其母體青蒿素的晶體結構吻合的較好.青蒿素及其衍生物的抗瘧活性與其結構中的過氧鍵密切相關，從分子的幾何結構、NBO電荷和前線軌道等方面分析了4個化合物的抗瘧活性與結構的關系，結果表明，過氧橋鍵是其發(fā)揮抗瘧活性的關鍵幾何結構.從電子結構的角度對青蒿素及其衍生物抗瘧活性的差異作出了合理的解釋，為青蒿素及其衍生物的結構改造提供了理論指導.

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[責任編輯：吳文鵬]

Density functional theory studies on antimalarial activity of artemisinin and its derivatives

LIU Jingli1*,GUO Yong2

(1.CollegeofPharmacy,ShaanxiUnivserityofChineseMedicine,Xianyang712046,Shaanxi,China; 2.CollegeofChemistry,SichuanUniversity,Chengdu,610064,Sichuan,China)

In order to study the relationship between the structure and antimalarial activity of artemisinin and its derivatives,the density functional theory (DFT) B3LYP method with 6-31G*as a basis set was used to optimize the structure of artemisinin,dihydroartemisinin,artemether and artesunate.The properties of the artemisinin and its derivatives have been discussed in detail based on their molecular structures,NBO charges and the energies of the frontier molecular orbitals.The results showed that the endoperoxy bridge is likely the most active site and essential for antimalarial activity of artemisinin and its derivatives.The more negative charge of O17 and O20,the lower enengy of ΔE(LUMO-HOMO)and the higher energy ofEHOMOresulted in the stronger antimalarial activity of the compounds.It was revealed that the antimalarial activity of the compounds goes along with the order:artemisinin

artemisinin; antimalarial activity; density functional theory (DFT)

2016-09-08.

陜西中醫(yī)藥大學重點培育項目(2015PY11).

劉靖麗(1984-),女,講師,研究方向為量子化學.*

,E-mail:sculiujl@126.com.

O641

A

1008-1011(2017)01-0087-05