基于密度泛函理論的普克魯胺分子反應(yīng)活性位點預(yù)測*

唐海飛

(湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411104)

新冠肺炎(COVID-19)疫情自出現(xiàn)以來，不斷向全球蔓延，給全人類帶來了嚴(yán)重威脅，是目前全球都面臨的嚴(yán)重公共衛(wèi)生事件。尋找抗擊新冠病毒的有效藥物成為全社會共同挑戰(zhàn)。從小分子藥物中發(fā)現(xiàn)抗新冠病毒藥物也是重要的策略之一。普克魯胺(proxalutamide)是我國蘇州開拓藥業(yè)開發(fā)出來的雄激素受體拮抗劑和降解劑(結(jié)構(gòu)見圖1)，主要用于治療前列腺癌[1-2]。因新冠肺炎患者存在有性別年齡差異[3-4]，研究者發(fā)現(xiàn)，普克魯胺用于治療新冠肺炎時能有效降低男性門診患者住院率[5]，加速病毒清除速度[6]，改善患者的肺損傷[7]，對輕、中、重癥新冠患者積極有效，有望成為國產(chǎn)“抗疫”利器。

由于缺少病例，我國學(xué)者對該藥治療新冠肺炎研究較少。國外對于該藥治療新冠肺炎的研究主要集中在其有效性研究方面[5-8]。關(guān)于普克魯胺藥物分子本身反應(yīng)活性位點的相關(guān)研究較少，尚未發(fā)現(xiàn)運用量子化學(xué)手段對其在分子水平進行結(jié)構(gòu)和反應(yīng)位點的研究。通過量子化學(xué)手段在分子水平研究藥物結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，所得結(jié)果定量、準(zhǔn)確，并可實現(xiàn)可視化，所得結(jié)論可為藥物深入研究提供重要的參考價值，具有重要意義。

因此，本文以普克魯胺藥物分子為研究對象，利用量子化學(xué)軟件對其進行計算分析，預(yù)測反應(yīng)活性位點，為進一步理解普克魯胺化學(xué)性質(zhì)、作用機理、構(gòu)效關(guān)系，以及推動普克魯胺的結(jié)構(gòu)改造和進一步開發(fā)利用提供理論參考。

圖1 普克魯胺分子結(jié)構(gòu)Fig.1 The structures of proxalutamide

1 方 法

依據(jù)量子化學(xué)密度泛函理論，在B3LYP/6-311++G**方法水平下運用Gaussian 16程序?qū)ζ湛唆敯贩肿舆M行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及波函數(shù)文件，運用Multiwfn 3.8軟件[9]對分子表面靜電勢[10-11](electrostatic potential，ESP)、平均局部離子化能(average local ionization energy，ALIE)[12-13]、前線分子軌道[14]、原子電荷[15]進行了計算分析。同時，基于概念密度泛函理論，也對簡縮福井函數(shù)[16]等局部描述符和電負(fù)性、化學(xué)勢、化學(xué)硬度、化學(xué)軟度、親電指數(shù)及親核指數(shù)等全局描述符進行了計算分析。

2 結(jié) 果

2.1 Mulliken電荷

通過查閱Gaussian 16的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化文件可以的到除氫原子外的各原子的Mulliken電荷，結(jié)果見表1。通過對比表1的數(shù)據(jù)可知，氮原子及氧原子含有較多的負(fù)電荷，碳原子含有較多正電荷，這主要是它們的電負(fù)性不同所致。氮原子中，咪唑環(huán)中N(14)及N(16)所含負(fù)電荷較多；氧原子中，噁唑環(huán)O(31)、羰基O(32)含負(fù)電荷較多。表明這幾處易發(fā)生親電反應(yīng)。三氟甲基C(9)正電荷在整個分子中最多，原因是其與三個電負(fù)性最強的氟原子相連；另外，羰基C(15)、C(18)正電荷也較多，這也是由于氧原子吸電子能力較強的緣故。表明這三處易發(fā)生親核反應(yīng)。這與趙智等[17]分析布洛芬分子分子波函數(shù)時情況相似。

表1 普克魯胺分子中除氫原子外各個原子的Mulliken電荷Table 1 Mulliken charge of each atom (except hydrogen) in proxalutamide molecule

續(xù)表1

2.2 分子表面靜電勢

普克魯胺分子表面靜電勢極大值點和極小值點見圖2(藍色為極小值，紅色為極大值)，靜電勢極值點編號及數(shù)值見表2。不同靜電勢數(shù)值在分子表面的分布面積見圖3。

表2 普克魯胺分子表面靜電勢極值點大小及編號Table 2 The value and number of the extreme points of the electrostatic potential on the surface of proxalutamide molecule

結(jié)合圖2和表2可知，普克魯胺在分子中O原子及N原子附近主要分布極小值點，這主要是由原子的電負(fù)性決定的，原子電的負(fù)性越強，表明吸電子能力越強，故呈現(xiàn)極小值點。標(biāo)號為1的極小值點為整個分子最小的極值點，在氰基N(8)原子附近。同時，羰基O(32)、O(33)及N(28)附近也存在較小的極值點。表明這四處電子豐富，在發(fā)生靜電吸引形成復(fù)合物時比較活潑，也可能易發(fā)生親電反應(yīng)。相反地，編號為16的極大值點在咪唑環(huán)C(15)附近，此處的靜電勢數(shù)值在整個分子中最大。此外，分子中嘧啶環(huán)H(38)附近編號為19的極大值點數(shù)值也較大。一般情況下，復(fù)合物的形成源于靜電相互吸引，且偏向于靜電勢最大值和最小值相互靠近。綜合考慮空間位阻，可以得出普克魯胺在以氫鍵、鹵鍵等形式形成復(fù)合物時，氰基N(8)、咪唑環(huán)C(15)、嘧啶環(huán)H(38)將發(fā)揮主要作用。這對研究普克魯胺分子晶體堆積、普克魯胺與受體結(jié)合時有重要幫助。這與唐海飛等[18]關(guān)于阿司匹林藥物的相關(guān)研究類似。

圖3 普克魯胺不同靜電勢區(qū)間表面積分布圖Fig.3 Surface area distribution of prokluamide in different electrostatic potential intervals

從圖3可知，普克魯胺分子表面的靜電勢值主要集中在-10～20 kcal/mol之間。而大于30 kcal/mol或小于-30 kcal/mol的分布區(qū)域面積雖小，卻決定反應(yīng)活性位點。結(jié)合表2和圖2可知，該面積主要集中在氰基N(8)、咪唑環(huán)C(15)及嘧啶環(huán)H(38)附近，與我們之前的分析一致。

綜上，靜電勢分析預(yù)測普克魯胺分子中氰基N(8)、咪唑環(huán)C(15)及嘧啶環(huán)H(38)為反應(yīng)活性位點，在以靜電吸引為主的反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

2.3 平均局部離子化能

平均局部離子化能指的是分子失去電子變成離子所需的能量。分子表面局部離子化能越小，表明此處電子平均能量越高，電子容易掙脫束縛，越容易發(fā)生親電和自由基反應(yīng)。平均局部離子化能可以彌補表面靜電勢在分析親電反應(yīng)位點中的不足。圖4為普克魯胺分子表面平均局部離子化能分布圖。

圖4 普克魯胺分子表面平均局部離子化能分布圖Fig.4 The average local ionization energy of proxalutamide

從圖4中可以看出，噁唑環(huán)雙鍵、N(28)周圍及嘧啶環(huán)N(23)藍色區(qū)域尤為明顯，表明這幾處易發(fā)生親電反應(yīng)。

2.4 前線分子軌道

前線分子軌道在反應(yīng)過程發(fā)揮著重要作用。前線軌道包括最高占據(jù)軌道(highest occupied molecular orbital，HOMO)以及最低未占軌道(lowest unoccupied molecular orbital，LUMO)，其中HOMO束縛電子能力較差，具有給電子性質(zhì)[14]。前線軌道能隙差越小，表示電子越容易發(fā)生躍遷，反應(yīng)活性越強。

普克魯胺的前線軌道結(jié)構(gòu)圖見圖5，其中藍色表示波函數(shù)負(fù)相位，綠色表示波函數(shù)正相位。普克魯量胺HOMO軌道能為-7.146 eV，LUMO軌道能量為-2.569 eV，能隙差為4.577 eV。普克魯胺HOMO軌道位于噁唑環(huán)雙鍵、N(28)及O(31)附近，表明此處易受親電試劑攻擊，發(fā)生親電反應(yīng)，與局部離子化能分析結(jié)果一致。而LUMO軌道主要分布苯環(huán)C(1)、C(2)、C(4)上，表明這些位置發(fā)生親核反應(yīng)的可能性稍大。這與常瑞等[19]關(guān)于N-羥乙酰神經(jīng)氨酸分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究結(jié)論類似。

圖5 普克魯胺分子的HOMO和LUMO軌道圖Fig.5 HOMO and LUMO orbital map of proxalutamide

2.5 原子電荷

原子偶極矩校正的Hirshfeld電荷(atomic dipole corrected Hirshfeld atomic charge，ADCH)可表征分子內(nèi)不同原子所帶電荷，帶負(fù)電荷越多則親電活性可能越強[15]。表3列出了普克魯胺分子中較大及較小的ADCH電荷值。從表中可以看出，O(32)、O(33)、N(8)、N(28)具有較小原子電荷值，表明這幾處具有較好的親電活性。同時，C(9)、C(18)、H(38)、C(4)具有較大原子電荷值，表明這兩個地方易發(fā)生親核反應(yīng)。這與前文分析所得結(jié)論類似，也與李怡菲等[20]研究環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)所得結(jié)論類似。

2.6 簡縮福井函數(shù)

簡縮福井函數(shù)可定量分析分子中原子的親電親核反應(yīng)活性，其中f+表示親核活性，f-表示親電活性[16]。由表4可知，普克魯胺分子中，C(29)、C(30)、N(8)原子的f-值均較大，表明這三處易發(fā)生親電反應(yīng)。C(2)、C(5)、C(4)原子對應(yīng)的f+值較大，可能是親核反應(yīng)活性位點。

全局活性參數(shù)也可用于預(yù)測化學(xué)反應(yīng)活性。表5列出了普克魯胺的全局活性參數(shù)，在比較普克魯胺與其他藥物的反應(yīng)活性時可以進行參考。普克魯胺親電指數(shù)小，親核指數(shù)大，表明更多的電子將從分子內(nèi)轉(zhuǎn)移出去，易被親電試劑進攻，發(fā)生親電反應(yīng)。該分子硬度大，軟度小，表明分子反應(yīng)活性并不強。

表5 普克魯胺的全局活性參數(shù)Table 5 Proxalutamide global acitivity paraeters

3 結(jié) 論

平均局部離子化能、前線軌道、簡縮福井函數(shù)表明噁唑環(huán)雙鍵為親電反應(yīng)位點，分子表面靜電勢、原子電荷、簡縮福井函數(shù)表明氰基為親電反應(yīng)位點。前線軌道、原子電荷、簡縮福井函數(shù)表明苯環(huán)C(4)為親核反應(yīng)活性位點。在以靜電吸引為主的反應(yīng)中，氰基N(8)、咪唑環(huán)C(15)、嘧啶環(huán)H(38)將發(fā)揮主要作用。本文全面分析了普克魯胺分子的結(jié)構(gòu)特征和反應(yīng)活性位點，為進一步理解普克魯胺化學(xué)性質(zhì)、作用機理、構(gòu)效關(guān)系，以及推動普克魯胺的結(jié)構(gòu)改造和進一步開發(fā)利用奠定了一定的理論基礎(chǔ)。