五種治療阿爾茨海默病藥物分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的密度泛函計算分析

嚴茜茜，黃羅儀，王朝杰，向錚

（1.溫州醫(yī)科大學 藥學院，浙江 溫州 325035；2.溫州市第七人民醫(yī)院 藥劑科，浙江 溫州 325000）

阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）是一種起病潛隱，病癥呈進程性漸進的神經(jīng)退行性疾病，具有記憶衰退，認知惡化，執(zhí)行能力喪失以及行為改變等特性。在高齡人群中易生成癡呆，占全部癡呆類型的近60%[1]，嚴重降低當代老年人生活質(zhì)量。AD病理復雜并伴多種代謝途徑共同參與[2]，其發(fā)病機制假說眾多，主要有膽堿能神經(jīng)元損傷機制[3]，β-淀粉樣蛋白級聯(lián)機制[4]、τ蛋白過度磷酸化機制。2020年4月，美國南加州大學凱克醫(yī)學院的研究團隊又提出了新的血腦屏障破壞機制[5]。各機制之間相互聯(lián)系，互為影響，錯綜復雜，尚無統(tǒng)一認識。目前臨床用藥品種少，主要有美金剛、多奈哌齊、石杉堿甲、卡巴拉汀、加蘭他敏五種藥物，且療效有限，對治療AD新藥的研制有迫切需求。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，對于已上市藥物的結(jié)構(gòu)研究可以更好地幫助我們了解藥物的本質(zhì)。理論方法是銜接分子結(jié)構(gòu)與實驗結(jié)果的橋梁，理論計算幫助我們從分子水平理解宏觀性質(zhì)。這五種抗AD藥物在油性狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，系統(tǒng)的整體和局部反應性描述未見報道，在模擬大腦環(huán)境下的計算研究將更助于本課題組從分子水平上理解抗AD藥物的作用機制。

1 材料和方法

采用密度泛函理論（density functional theory，DFT）中雜化泛函B3LYP[6]方法，在TZVP基組水平上對五種藥物進行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電子結(jié)構(gòu)計算，在此基礎上獲得分子表面靜電勢（molecular electrostatic potential，MEP）、紫外-可見光譜（UV-Vis）和概念密度泛函系列指數(shù)。考慮到藥物作用大腦環(huán)境，采用環(huán)己烷為溶劑進行模擬，運用導體極化連續(xù)模型（conductor-like polarizable continuum model，CPCM）進行模擬計算，計算工作通過G16[7]程序包完成，圖像借助Gaussian View 6.0和Multiwfn3.6[8]軟件進行分析和繪制。

2 結(jié)果

2.1 幾何結(jié)構(gòu)分析 將五種藥物在B3LYP/TZVP水平下優(yōu)化，得到最穩(wěn)定構(gòu)象及部分鍵長見圖1。五種藥物均具有環(huán)狀疏水結(jié)構(gòu)，如芐基、吡啶、苯環(huán)等，這與抗AD藥物需要通過血腦屏障，具有一定的親油性相吻合，可見抗AD藥物有一定的結(jié)構(gòu)共性，而分子本身結(jié)構(gòu)的差異，又導致了其作用機制的不同。觀察五種藥物分子極性鍵的情況，以美金剛C4-N13為基準，當C原子上連有苯環(huán)時，C-N鍵長稍有縮短，加蘭他敏C14-N15與多奈哌齊C17-N14鍵長均為1.459?。當C原子雙鍵連接O原子時，C-N鍵長縮短更加明顯，石杉堿甲C12-N13為1.400?，而卡巴拉汀C4-N3為1.354?，相較之下鍵長更短，鍵能更高。由于N原子上的孤對電子與苯環(huán)的π電子形成了共軛效應，使得兩個原子結(jié)合得更牢固，這種類似于肽鍵的結(jié)構(gòu)印證了在N3-C4-O16之間存在共軛。朱維良等[9]等運用量子化學計算石杉堿甲單分子狀態(tài)的鍵長數(shù)據(jù)顯示C12-O14為1.217?，C2-N18為1.538?，N13-H29為0.997?，而形成石杉堿甲-乙酰膽堿酯酶（acetylcholine esterase，AChE）復合物后C12-O14為1.256?，C2-N18為1.477?，N13-H29為1.030?。我們在B3LYP/TZVP水平計算得到的數(shù)據(jù)與石杉堿甲單分子狀態(tài)進行比較，最大鍵長差為0.066?，與形成石杉堿甲-AChE復合物后比較，最大鍵長差為0.024?。計算數(shù)據(jù)與形成復合物后的數(shù)據(jù)更相近。陳衛(wèi)民等[10]通過單晶X-射線測定了卡巴拉汀晶體結(jié)構(gòu)，測得N13-C18為1.490?，N13-C12為1.525?，C6-O5為1.405?，C4-O5為1.360?，C4-O16為1.203?，與理論計算值相比，最大鍵長差為0.049?。RAVIKUMAR等[11]測得多奈哌齊晶體結(jié)構(gòu)中C1-O25為1.364?，C2-O26為1.354?，C9-O24為1.220?，C8-C10為1.519?，C7-C8為1.537?，C10-C11為1.538?，C17-C18為1.500?，C17-N14為1.504?，與理論計算值相比，最大鍵長差為0.045?。理論數(shù)據(jù)和實驗晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)相近。

2.2 MEP分析 MEP是量子化學用于研究分子反應性、分子與受體相互作用及其他現(xiàn)象的重要工具。通過MEP能直觀感受到電子云分布狀態(tài)，預測分子親核親電反應活性位點。五種藥物在B3LYP/TZVP水平下的MEP見圖2，美金剛整體含一處負的靜電勢，分布在氮原子周圍，最小極值點亦在N13附近，其他部分呈正的靜電勢。加蘭他敏整體有3處含負的靜電勢，主要分布在氧原子和氮原子周圍。最小極值點在醚氧鍵和羥基附近，最大極值點在羥基附近。石杉堿甲整體有兩處含有負的靜電勢，分別在氧原子和氮原子上，最大極值點在N13附近而最小極值點在O14附近。多奈哌齊整體有三處含有負的靜電勢，為茚酮部分、芐基部分和甲氧基部分。最小極值點在O24附近，最大極值點在C3附近?？ò屠≌w有兩處含有負的靜電勢，分別在氮原子及氨基甲酸酯部分，最大極值點在N3附近，最小極值點在O16附近。擁有不同電性部位導致了五種藥物分子理化性質(zhì)的差異。

圖1 五種抗AD藥物在B3LYP/TZVP水平下的幾何結(jié)構(gòu)及部分鍵長數(shù)據(jù)（?）

有研究表明加蘭他敏的羥基能夠以氫鍵的形式與酶發(fā)生作用[12]，多奈哌齊吡啶環(huán)中的N質(zhì)子化后可以在AChE的通道部分產(chǎn)生陽離子-π作用，同時與水產(chǎn)生氫鍵。石杉堿甲羰基氧與AChE催化活性位點（catalytic active site，CAS）形成氫鍵，氨基上的氮原子在AChE的通道部分形成氫鍵。氫鍵本質(zhì)是強極性鍵上的氫原子與帶有負電荷的原子之間的靜電作用力，對于生物高分子反應有著重要的意義。而對于富含芳香環(huán)氨基酸的AChE來說，這五種藥物也含有豐富的芳香環(huán)，因此發(fā)生在芳環(huán)之間的π-π堆積作用，與氫鍵一樣是重要的非共價鍵形式。研究表明加蘭他敏環(huán)己烯上的雙鍵與AChE的CAS位點形成π-π疊加[13]，多奈哌齊芐基部分可與AChE的CAS位點產(chǎn)生π-π堆積，茚酮部分與AChE外周陰離子位點（peripheral anionic site，PAS）形成π-π堆積[14]。結(jié)合五種藥物的MEP不難發(fā)現(xiàn)電性差異決定了分子間作用力、作用位點的不同，電性極值點往往對應藥物與酶作用的位點，這對改變蛋白質(zhì)構(gòu)象具有關鍵性的作用，是反應核心。石杉堿甲的合成研究也驗證了這一點，天然提取的石杉堿甲構(gòu)型為左旋的單一對映體，唐希燦等[15]將其對映異構(gòu)體、外消旋體對AChE的抑制活性與之進行比較后認為右旋異構(gòu)體活性和選擇性都大為降低是由于構(gòu)型不匹配，環(huán)外亞乙基甲基的氫無法與酶形成有效氫鍵。

圖2 五種抗AD藥物在B3LYP/TZVP水平下的MEP圖

2.3 前線分子軌道分析 前線分子軌道（frontier molecular orbital，F(xiàn)MO）理論將分子周圍排布的電子云根據(jù)能量細分為不同能級的分子軌道，指出其中的最高占據(jù)軌道（highest occupied molecular orbital，HOMO）簡稱H，最低空軌道（lowest unoccupied molecular orbital，LUMO）簡稱L，是決定一個體系發(fā)生反應的關鍵?！鳓牛↙-H）表示HOMO與LUMO的能差，反應了分子形成過渡態(tài)所需的能壘大小，差值越小，則能壘越小，越容易發(fā)生反應，化合物活性也就越高。

五種藥物的HOMO、LUMO及能差見表1，由表1可知，四種抗AChE藥物之間略有差異，但活性明顯高于N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDAR）拮抗劑美金剛。根據(jù)FMO，五種藥物可能的反應性順序為多奈哌齊＞石杉堿甲＞卡巴拉?。炯犹m他敏＞美金剛。

表1 五種抗AD藥物分子的最高占據(jù)軌道和最低空軌道能及其能差

2.4 紫外-可見吸收光譜分析 五種藥物UV-Vis數(shù)據(jù)見表2，美金剛的UV-Vis存在兩個吸收峰，141.0 nm 處吸收強度大，躍遷類型屬于σ→σ*躍遷。美金剛化學結(jié)構(gòu)獨特，分子結(jié)構(gòu)中無共軛雙鍵，一般紫外-可見分光光度計只能提供190～850 nm范圍的單色光，因此在紫外區(qū)實驗無法觀測到，但是我們的理論計算能夠提供UV-Vis數(shù)據(jù)。其余四種抗AChE藥物的最大吸收峰落在179～208 nm之間，躍遷形式均為π→π*躍遷。李霞等[16]測得甲醇溶液中加蘭他敏在289nm處有最大吸收。王曉燕[17]對氫溴酸加蘭他敏標準品進行紫外掃描結(jié)果顯示，在322、254及289 nm處有較強吸收。LIU等[18]測得乙醇溶液中石杉堿甲在231和313 nm處有最大吸收。胡征[19]測得多奈哌齊在甲醇溶液中206.6 nm處有最大吸收，強度為0.921，在0.1 mol/L的HCl溶液中207.4 nm處有最大吸收，強度為1.212。王晗寧[20]測得溶劑為乙酸乙酯時，多奈哌齊在264和315 nm處分別有吸收，其中264 nm處有最強吸收峰。郭淼[21]測得甲醇溶液中卡巴拉汀最大吸收波長210 nm，且在262 nm處有一個特征吸收峰。比較可知隨溶液極性增加化合物吸收強度增大，整體發(fā)生紅移現(xiàn)象。

表2 五種藥物紫外吸收光譜數(shù)據(jù)

2.5 概念密度泛函分析 概念密度泛函理論適用于多電子體系結(jié)構(gòu)的量子力學分析，是DFT的重要的分支，它把與化學相關的概念和原理從密度泛函中抽取出來，通過理論推導獲得計算參數(shù)，賦予了從前已知意義但是相對模糊的化學概念一個相對精確的描述。提出了全局反應性指數(shù)，包括：電離勢（IP）、電子親和勢（EA）、化學勢（μ）、電負性（χ）、整體硬度（η）、整體柔軟度（S）和整體親電指數(shù)（ω）。

五種藥物的全局反應性指數(shù)見表3。μ和η能體現(xiàn)分子的穩(wěn)定狀態(tài)，五種藥物的η相差不大且皆為正值，表明對微干擾下化學體系電子云畸變的抵抗能力較強。多奈哌齊μ最低而加蘭他敏μ最高，表明多奈哌齊更穩(wěn)定。多奈哌齊的χ和ω較大，說明其得電子能力強。S反映了分子周圍電子云分布情況，能體現(xiàn)化合物的反應活性，由S判斷藥物活性順序為多奈哌齊＞石杉堿甲＞加蘭他敏＞卡巴拉?。久澜饎?。鄭清川等[22]運用人類乙酰膽堿酯酶與抑制劑小分子對接后發(fā)現(xiàn)與AChE相互作用的強弱順序為多奈哌齊＞石杉堿甲＞卡巴拉汀，與我們由S判斷的活性順序相一致。在多奈哌齊、卡巴拉汀和加蘭他敏治療AD的安全性和耐受性比較研究中發(fā)現(xiàn)，多奈哌齊相較于其他兩種藥物胃腸道不良反應發(fā)生率更低，三種藥物中樞神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)不良反應均較少發(fā)生，臨床應用多奈哌齊的依從性更好[23]。

在概念密度泛函中引入福井函數(shù)，以衡量當總電子數(shù)或外部化學勢發(fā)生變化時的電子密度差異。為進一步認識藥物分子活性情況對五種藥物進行了福井函數(shù)計算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，美金剛的親核部位具有偏向性，主要在N原子上連接氫原子的一側(cè)以及底部下方的位置，親電部位則不具偏向性，均勻分布在整個分子表面。加蘭他敏的親核部位同樣具有偏向性，主要分布于右下側(cè)苯環(huán)上，親電部位則偏向于右側(cè)苯環(huán)以及上方N原子部位。石杉堿甲的親核部位偏向于左邊的吡啶環(huán)上，親電部位則均勻分布于整體分子。多奈哌齊的親核部位主要位于左側(cè)茚酮結(jié)構(gòu)上，親電部位主要在右邊吡啶環(huán)一側(cè)?？ò屠∮H核部位主要在中間苯環(huán)上，親電部位主要在右邊氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 五種抗AD藥物的福井函數(shù)圖

五種藥物分子親電位置的差異與他們結(jié)構(gòu)中是否帶有富余的電子密切相關。相對親電指數(shù)最大值分別為美金剛H14位4.730，加蘭他敏C5位6.391，石杉堿甲C10位2.923，多奈哌齊C9位23.071，卡巴拉汀C8位25.006。結(jié)合相對親電指數(shù)來看，多奈哌齊和卡巴拉汀親電能力強，美金剛、加蘭他敏和石杉堿甲親電能力較弱。親核位置的差異不僅與分子所帶電荷量相關，而且與分子結(jié)構(gòu)的空間位置阻力也有著密切的聯(lián)系，相對親核指數(shù)最大值分別為美金剛N13位12.514，加蘭他敏N15位203.804，石杉堿甲C8位2.602，多奈哌齊N14位152.297，卡巴拉汀N13位86.031。結(jié)合相對親核指數(shù)來看，加蘭他敏、多奈哌齊、卡巴拉汀的親核能力強，美金剛和石杉堿甲親核能力較弱。

表3 五種抗AD藥物在B3LYP/TZVP水平下的全局反應性指數(shù)

3 討論

本研究在B3LYP/TZVP水平對美金剛、加蘭他敏、石杉堿甲、多奈哌齊和卡巴拉汀的分子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、UV-Vis以及概念密度泛函進行分析，結(jié)構(gòu)分析比較出形成電子共軛效應使得極性鍵鍵長縮短。同時顯示計算數(shù)值與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，表明借助DFT在B3LYP/TZVP水平可較好的研究抗AD藥物。電子結(jié)構(gòu)分析顯示電性差異決定了分子間作用位點不同，特別是電性極值點，往往對應著與蛋白質(zhì)形成非共價鍵的位置，是藥物作用的關鍵，這對今后抗AD藥物作用位點研究可以提供一定的指導作用。前線軌道分析顯示五種藥物中四種抗AChE藥物活性略有差異但明顯高于NMDAR拮抗劑，UV-Vis分析結(jié)果顯示溶劑效應使分子的吸收波長發(fā)生紅移且吸收強度增強。全局反應性指數(shù)表明多奈哌齊為五種抗AD藥物中軟度最大、電負性最大、親電指數(shù)最大、化學勢最低的藥物，藥理作用最強。由福井函數(shù)結(jié)合相對親電指數(shù)與相對親核指數(shù)得出多奈哌齊和卡巴拉汀親電、親核能力都很強，加蘭他敏親核能力強，美金剛和石杉堿甲親電、親核能力均比較弱。本研究結(jié)果為深入探索抗AD藥物作用機制以及藥物活性比較提供一定的計算支持。