卡那霉素A與腺嘌呤間氫鍵作用位點(diǎn)的研究

黃翠英, 姜笑楠, 王 萌

(遼寧師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,遼寧 大連 116029)

氨基糖苷類(lèi)抗生素(aminoglycoside antibiotics)是與RNA特異性結(jié)合的代表性藥物小分子[1-2], 是廣譜殺菌抗生素, 具有非常高的臨床應(yīng)用價(jià)值. 卡那霉素A是2-脫氧鏈霉胺類(lèi)氨基糖苷類(lèi)抗生素中4-6取代的代表性抗生素, 在臨床上使用較多. 伴隨著多重耐藥性傳染病的日益增加, 合成新的抗菌藥物成為首要目標(biāo)[3-4]. 為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo), 深入理解氨基糖苷類(lèi)抗生素與RNA的結(jié)合方式和結(jié)合強(qiáng)度十分必要. Fran?ois等[5]通過(guò)對(duì)卡那霉素A、新霉素和新霉素B等藥物分子與核苷酸配合物晶體結(jié)構(gòu)的研究, 揭示了它們之間主要是氫鍵作用.

基于RNA與氨基糖苷類(lèi)抗生素的特異性結(jié)合的諸多實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果, 本文選取卡那霉素A為氨基糖苷類(lèi)抗生素的代表, 研究其與腺嘌呤間的氫鍵相互作用, 探討卡那霉素A與腺嘌呤間氫鍵作用的最佳位點(diǎn).

1 研究對(duì)象與研究方法

1.1 研究對(duì)象

圖1列出了卡那霉素A(KaA)和腺嘌呤(A)的結(jié)構(gòu)、可能的相互作用位點(diǎn)和位點(diǎn)編號(hào).本文利用“氨糖苷分子名稱+作用位點(diǎn)編號(hào)-堿基名稱+作用位點(diǎn)編號(hào)”的形式對(duì)氫鍵復(fù)合物進(jìn)行系統(tǒng)命名. 如卡那霉素A(KaA)的1號(hào)位點(diǎn)與腺嘌呤(A)的1號(hào)位點(diǎn)形成氫鍵復(fù)合物命名為KaA1-A1.

圖1 腺嘌呤(A)、卡那霉素A(KaA)和卡那霉素A核心部分(KA)的結(jié)構(gòu)與可能的氫鍵作用位點(diǎn)Fig.1 Structures and hydrogen bonding sites of adenine (A), Kanamycin A (KaA), and the core part of Kanamycin A (KA)

通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn), 氨基糖苷類(lèi)抗生素主要通過(guò)卡那霉素A核心部分(圖1中的KA)與RNA堿基形成較強(qiáng)的分子間相互作用, 在分子的特異性識(shí)別和抗菌作用中具有重要地位[6-10]. 表1列出了KaA-A和KA-A體系的結(jié)構(gòu)參數(shù)、在M06-2X-D3/aug-cc-pVDZ 方法下得到的氣相相互作用能和計(jì)算所需的CPU時(shí)間. 如表1中鍵長(zhǎng)和鍵角參數(shù)所示, 去掉附加環(huán)Ⅲ后對(duì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)影響不大. 在相互作用能上, 絕對(duì)誤差最大的一組復(fù)合物為KaA1-A2與KA1-A2, 它們的相互作用能分別為-36.66和-38.12 kJ·mol-1, 絕對(duì)誤差為-1.46 kJ·mol-1, 相對(duì)誤差δ為3.99%, 相互作用能計(jì)算結(jié)果相差不大. 在計(jì)算效率上, KaA-A與KA-A體系的CPU耗時(shí)差值最小為27 h, 最大差值可達(dá)到103 h左右. 由以上比較可知, 去掉環(huán)Ⅲ(附加環(huán))對(duì)體系的結(jié)構(gòu)和相互作用能影響不大, 但CPU耗時(shí)明顯減少. 因此, 本文使用卡那霉素A核心部分(KA)代替卡那霉素A(KaA)研究它與腺嘌呤間的氫鍵作用.

表1 KaA和KA的1號(hào)、2號(hào)位點(diǎn)與腺嘌呤A的3個(gè)位點(diǎn)形成的氫鍵復(fù)合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)、使用M06-2X-D3/aug-cc-pVDZ方法計(jì)算得到的氣相相互作用能和計(jì)算所需CPU時(shí)間

1.2 研究方法

在B3LYP/6-31+G(d,p)[11-12]水平下獲得了卡那霉素A(KaA)、卡那霉素A核心部分(KA)與腺嘌呤形成氫鍵復(fù)合物的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和紅外光譜數(shù)據(jù). 在M06-2X-D3/aug-cc-pVDZ[13]水平下計(jì)算了卡那霉素A核心部分(KA)與腺嘌呤形成的9個(gè)氫鍵復(fù)合物的氣相、蛋白相(ε0=5.6)和水相(ε0=78.3)的相互作用能(IEgas、IEprotein和IEwater), 進(jìn)行了自然鍵軌道(NBO)分析和分子中原子(AIM)理論計(jì)算, 獲得了復(fù)合物的氫鍵臨界點(diǎn)電子密度和二階作用穩(wěn)定化能. 此外, 采用MP2/aug-cc-pVTZ方法獲得了卡那霉素A核心部分(KA)與腺嘌呤分子在298 K時(shí)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化反應(yīng)焓變. 復(fù)合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、頻率計(jì)算、能量計(jì)算、NBO計(jì)算等采用Gaussian 09程序包[14]完成. AIM理論計(jì)算采用Multiwfn程序[15]完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 KA與腺嘌呤的氫鍵作用位點(diǎn)

圖2是KA與腺嘌呤(A)形成的9個(gè)氫鍵復(fù)合物的穩(wěn)定結(jié)構(gòu). 表2列出了9個(gè)氫鍵復(fù)合物中各氫鍵的類(lèi)型、鍵長(zhǎng)(r)、臨界點(diǎn)電子密度(ρc)、總臨界點(diǎn)電子密度(Σρc)、二階穩(wěn)定化能(Eij)、總二階穩(wěn)定化能(ΣEij), 以及各氫鍵復(fù)合物的氣相、蛋白相和水相下的相互作用能(IEgas,IEprotein,IEwater).

圖2 KA與腺嘌呤形成的9個(gè)氫鍵復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和氫鍵鍵長(zhǎng)(nm)Fig.2 The optimized structures and the lengths of hydrogen bonds (nm) of 9 hydrogen-bonded complexes formed by the KA bonding with the adenine

表2 9個(gè)氫鍵復(fù)合物中各氫鍵的類(lèi)型、鍵長(zhǎng)、臨界點(diǎn)電子密度、總臨界點(diǎn)電子密度、二階穩(wěn)定化能、總二階穩(wěn)定化能, 以及各氫鍵復(fù)合物的氣相、蛋白相和水相的相互作用能

如圖2和表2所示,KA與腺嘌呤(A)形成的9個(gè)氫鍵復(fù)合物包含N—H…N、O—H…N和O…H—N三種類(lèi)型的氫鍵.其中,KA1-A1、KA1-A2和KA1-A3三個(gè)復(fù)合物中均含有N—H…N和O…H—N類(lèi)型的氫鍵,KA2-A1、KA2-A2、KA2-A3、KA3-A1、KA3-A2、和KA3-A3六個(gè)復(fù)合物中均含有O—H…N和O…H—N類(lèi)型的氫鍵.由氫鍵鍵長(zhǎng)可知,在3種不同類(lèi)型的氫鍵中,O—H…N氫鍵鍵長(zhǎng)最短,O…H—N次之,N—H…N最長(zhǎng);同種類(lèi)型氫鍵鍵長(zhǎng)越短,氫鍵強(qiáng)度越強(qiáng),復(fù)合物越穩(wěn)定.

由表2數(shù)據(jù)可知,KA的3個(gè)位點(diǎn)與腺嘌呤A1位點(diǎn)形成的復(fù)合物KA1-A1、KA2-A1和KA3-A1的氣相相互作用能分別是-40.04、-64.33和-72.15 kJ·mol-1.由相互作用能的強(qiáng)弱可知:與腺嘌呤A1位點(diǎn)作用時(shí), KA3與之形成的氫鍵復(fù)合物最穩(wěn)定, KA2次之, KA1最不穩(wěn)定. 在KA與腺嘌呤A3位點(diǎn)形成的3個(gè)氫鍵復(fù)合物中, 復(fù)合物的穩(wěn)定性順序?yàn)镵A3-A3>KA2-A3>KA1-A3. 由此可得: 與腺嘌呤A3位點(diǎn)作用時(shí), KA3與之作用形成的氫鍵復(fù)合物最穩(wěn)定, KA2次之, KA1最不穩(wěn)定. 同理, 比較卡那霉素KA的3個(gè)位點(diǎn)與腺嘌呤A2位點(diǎn)作用時(shí), KA3位點(diǎn)與其形成的氫鍵復(fù)合物最穩(wěn)定, KA2次之, KA1最不穩(wěn)定. 由此可知, 與腺嘌呤同一位點(diǎn)相互作用時(shí), KA3位點(diǎn)與腺嘌呤形成的氫鍵復(fù)合物的相互作用最強(qiáng). 這與通過(guò)氫鍵鍵長(zhǎng)推得的結(jié)果一致.

腺嘌呤的3個(gè)位點(diǎn)與KA1形成的KA1-A1、KA1-A2和KA1-A3氫鍵復(fù)合物, 均包含1條O…H—N型氫鍵和1條N—H…N型氫鍵. KA1-A1、KA1-A2和KA1-A3中O…H—N型氫鍵的鍵長(zhǎng)分別為0.203、0.208和0.195 nm, N—H…N型氫鍵對(duì)應(yīng)的氫鍵鍵長(zhǎng)分別是0.223、0.224和0.217 nm. 同種類(lèi)型氫鍵鍵長(zhǎng)越短, 形成的復(fù)合物越穩(wěn)定. 因此, 由氫鍵鍵長(zhǎng)可得: 與KA1位點(diǎn)作用時(shí), 腺嘌呤位點(diǎn)穩(wěn)定性次序?yàn)锳3>A1>A2.復(fù)合物KA1-A1、KA1-A2和KA1-A3的氣相相互作用能分別是-40.04、-38.12 和-54.38 kJ·mol-1.由此可知, 與KA1位點(diǎn)作用時(shí), 腺嘌呤A3位點(diǎn)與之作用最強(qiáng), A1次之, A2最弱. 這與氫鍵鍵長(zhǎng)所推得的穩(wěn)定性次序一致. 分析KA2和KA3兩個(gè)位點(diǎn)與腺嘌呤不同位點(diǎn)形成復(fù)合物的氫鍵鍵長(zhǎng)和氣相相互作用能, 可以得到相同結(jié)論:與KA同一位點(diǎn)作用時(shí), 腺嘌呤A3位點(diǎn)形成的氫鍵復(fù)合物最穩(wěn)定, A1次之, A2最不穩(wěn)定.

2.2 AIM和NBO

由AIM和NBO分析得到的9個(gè)氫鍵復(fù)合物體系各氫鍵的臨界點(diǎn)電子密度(ρc)、總臨界點(diǎn)電子密度(Σρc)、二階穩(wěn)定化能(Eij)和總二階穩(wěn)定化能(ΣEij)的數(shù)據(jù)列在表2的第4～7列. 由表2中的數(shù)據(jù)可知, 對(duì)于N—H…N、O—H…N和O…H—N三種類(lèi)型的氫鍵, O—H…N型氫鍵的臨界點(diǎn)電子密度最高、二階穩(wěn)定化能最大, O…H—N型氫鍵次之, N—H…N型氫鍵的臨界點(diǎn)電子密度最低、二階穩(wěn)定化能最小; 臨界點(diǎn)電子密度越高, 二階穩(wěn)定化能越大, 復(fù)合物越穩(wěn)定.

表2中, 腺嘌呤不同位點(diǎn)與KA1位點(diǎn)形成的氫鍵復(fù)合物KA1-A1、KA1-A2和KA1-A3的總臨界點(diǎn)電子密度分別為0.036 2、0.033 6和0.041 2 a.u., 總二階穩(wěn)定化能分別為55.30、48.99和71.06 kJ·mol-1, 由此可知三者的穩(wěn)定次序?yàn)镵A1-A3>KA1-A1>KA1-A2. 同理, 由腺嘌呤的3個(gè)不同位點(diǎn)與KA同一位點(diǎn)形成的復(fù)合物的氫鍵總臨界點(diǎn)電子密度和總二階穩(wěn)定化能可知, 腺嘌呤A3位點(diǎn)為最強(qiáng)作用位點(diǎn), A1次之, A2最弱. 復(fù)合物穩(wěn)定性的相對(duì)順序與由氣相相互作用能所得順序一致.

KA不同位點(diǎn)與腺嘌呤A3位點(diǎn)作用時(shí), 復(fù)合物KA3-A3的氫鍵總臨界點(diǎn)電子密度和總二階穩(wěn)定化能分別為0.070 0 a.u.和177.91 kJ·mol-1; 復(fù)合物KA2-A3的氫鍵總臨界點(diǎn)電子密度和總二階穩(wěn)定化能分別為0.062 2 a.u.和144.17 kJ·mol-1; 復(fù)合物KA1-A3的氫鍵總臨界點(diǎn)電子密度和總二階穩(wěn)定化能分別為0.041 2 a.u.和71.06 kJ·mol-1. 由此可得: 在KA1-A3、KA2-A3和KA3-A3三個(gè)氫鍵復(fù)合物中, KA3-A3復(fù)合物的氫鍵總臨界點(diǎn)電子密度最高, 總二階穩(wěn)定化能最大, 形成的氫鍵復(fù)合物最穩(wěn)定. 同理, 比較KA不同位點(diǎn)與腺嘌呤A1、A2位點(diǎn)作用形成的復(fù)合物的氫鍵總臨界點(diǎn)電子密度和總二階穩(wěn)定化能可得, 與腺嘌呤同一位點(diǎn)作用, KA3位點(diǎn)與之形成的復(fù)合物的氫鍵總臨界點(diǎn)電子密度最高, 總二階穩(wěn)定化能最大, 形成的氫鍵復(fù)合物最穩(wěn)定. 復(fù)合物穩(wěn)定性的相對(duì)順序與由氣相相互作用能所得順序一致.

2.3 溶劑的影響

堿基核苷存在于生物體內(nèi)的細(xì)胞液中, 藥物小分子進(jìn)入生物體內(nèi)與堿基相互作用, 因此,研究溶劑環(huán)境下復(fù)合物體系相互作用強(qiáng)弱的變化，對(duì)進(jìn)一步理解氨基糖苷類(lèi)抗生素與堿基間的相互作用有重要意義.

從表2中氣相、蛋白相和水相3種環(huán)境下的相互作用能可知, 在不同環(huán)境中KA和腺嘌呤各個(gè)位點(diǎn)的強(qiáng)弱順序仍保持一致. 例如， 腺嘌呤A1位點(diǎn)與KA的3個(gè)成氫鍵復(fù)合物KA1-A1、KA2-A1和KA3-A1的氣相相互作用能分別為-40.04、-64.33和-72.15 kJ·mol-1, 蛋白環(huán)境中的相互作用能分別為-32.69、-52.38和-59.02 kJ·mol-1, 水環(huán)境中的相互作用能分別為-31.27、-48.57和-55.51 kJ·mol-1.無(wú)論是在氣相、蛋白相還是水環(huán)境, 都可推得KA3位點(diǎn)與腺嘌呤形成的氫鍵復(fù)合物最穩(wěn)定, KA2次之, KA1最不穩(wěn)定.

由表2數(shù)據(jù)還可知, 隨著介電常數(shù)的增大相互作用能減弱, 即復(fù)合物在氣相中的相互作用能強(qiáng)于在蛋白環(huán)境下的相互作用能, 強(qiáng)于在水環(huán)境下的相互作用能. 例如, 復(fù)合物KA2-A2在氣相、蛋白和水環(huán)境下的相互作用能分別為-62.16、-51.21和-47.36 kJ·mol-1, 相互作用能的強(qiáng)弱順序?yàn)镮Egas>IEprotein>IEwater.

2.4 質(zhì)子化(去質(zhì)子化)反應(yīng)焓變

劉暢等[16]在研究核酸堿基與甘氨酸二肽間氫鍵作用的最佳位點(diǎn)時(shí), 使用MP2/aug-cc-pVTZ//MP2/aug-cc-pVDZ方法計(jì)算了核酸堿基各個(gè)位點(diǎn)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化反應(yīng)焓變?chǔ), 并利用其相對(duì)大小推測(cè)氫鍵復(fù)合物的穩(wěn)定性. 堿基某位點(diǎn)的質(zhì)子化反應(yīng)焓變?cè)截?fù), 通過(guò)該位點(diǎn)形成的氫鍵復(fù)合物越穩(wěn)定, 堿基某位點(diǎn)的去質(zhì)子化反應(yīng)焓變?cè)叫? 通過(guò)該位點(diǎn)形成的氫鍵復(fù)合物越穩(wěn)定.

為了提高計(jì)算效率,嘗試采用MP2/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-31+G(d,p)方法計(jì)算各位點(diǎn)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化反應(yīng)焓變, 計(jì)算結(jié)果如圖3所示. 從計(jì)算結(jié)果可知, 本文方法(圖3圓括號(hào)外數(shù)值)與劉暢等人[16]使用的方法(圖3圓括號(hào)里數(shù)值)得到的質(zhì)子化和去質(zhì)子化反應(yīng)焓變的數(shù)值相差不大, 因此本文使用的MP2/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-31+G(d,p)方法計(jì)算質(zhì)子化和去質(zhì)子化反應(yīng)焓變是較為合理的.

圖4為使用MP2/aug-cc-pVTZ//B3LYP/6-31+G(d,p)計(jì)算所得的KA的質(zhì)子化和去質(zhì)子化反應(yīng)焓變. KA1(-198和388 kcal·mol-1)和KA2(-200和341 kcal·mol-1)相比, KA2的質(zhì)子化焓變更負(fù),KA2與KA3去質(zhì)子化焓變更小, KA更傾向通過(guò)KA2位點(diǎn)與腺嘌呤形成氫鍵復(fù)合物. KA2與KA3位點(diǎn)的質(zhì)子化反應(yīng)焓變分別為-200和-203 kcal·mol-1, KA3位點(diǎn)的質(zhì)子化反應(yīng)焓變更負(fù); KA2與KA3去質(zhì)子化反應(yīng)焓變分別為341和338 kcal·mol-1, KA3位點(diǎn)的去質(zhì)子化反應(yīng)焓變更小. 因此與KA2位點(diǎn)相比, KA3與腺嘌呤形成的氫鍵復(fù)合物更穩(wěn)定. 因此, 由質(zhì)子化反應(yīng)和去質(zhì)子化反應(yīng)焓變的相對(duì)大小亦可推斷, KA與腺嘌呤形成氫鍵復(fù)合物時(shí), 最傾向使用KA3位點(diǎn), 其次是KA2位點(diǎn), 最不傾向使用KA1位點(diǎn). 由此得到的卡那霉素A位點(diǎn)強(qiáng)弱性順序與由相互作用能所得結(jié)論相一致.

圖3 腺嘌呤各氫鍵作用位點(diǎn)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化反應(yīng)焓變(單位:kcal·mol-1)Fig.3 The enthalpy values of the protonation and deprotonation reactions on the hydrogen bonding sites of the adenine

圖4 卡那霉素 A 氫鍵作用位點(diǎn)的質(zhì)子化與去質(zhì)子化反應(yīng)焓變(單位:kcal·mol-1)Fig.4 The enthalpy values of the protonation and deprotonation reactions on the hydrogen bonding sites of the Kanamycin A

3 結(jié) 論

通過(guò)研究可知，卡那霉素A更傾向于使用3號(hào)位點(diǎn)與腺嘌呤形成更穩(wěn)定的氫鍵復(fù)合物, 腺嘌呤則傾向使用3號(hào)位點(diǎn)與卡那霉素A形成更穩(wěn)定的氫鍵復(fù)合物. 由氫鍵復(fù)合物相互作用能計(jì)算得到的氫鍵復(fù)合物的穩(wěn)定次序與卡那霉素A各位點(diǎn)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化反應(yīng)焓變推測(cè)得到的穩(wěn)定次序一致. 希望本文研究結(jié)果能夠?qū)斫釸NA堿基與卡那霉素A配體分子的相互作用提供理論幫助.