婁永鋒，肖 蓉，向明禮，楊明理

(1.四川大學(xué) a.華西醫(yī)院生物治療國家重點實驗室;b.華西醫(yī)院納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)與膜生物學(xué)研究所，成都 610041;2.四川大學(xué) 化工學(xué)院，成都 610065)

環(huán)芳是一類含有芳香環(huán)的環(huán)狀有機化合物［1］。環(huán)芳由于可能存在某種隙間共振效應(yīng)(interstitial resonance effect)引起的芳香性改變以及在不同環(huán)中分別引入吸、供電子基團后將形成分子內(nèi)配合物［2］等誘人特性而備受關(guān)注。自從1949年被首次發(fā)現(xiàn)［3］以來，環(huán)芳被廣泛應(yīng)用于手性識別［4－6］、超分子［7］、分子催化［8］、抗菌［9］等領(lǐng)域。咪唑環(huán)芳更為特殊:1)咪唑既能作為質(zhì)子受體又能作為質(zhì)子供體，具有特殊親核、親電性［6］，是生物體系的重要基團［10］;2)含咪唑環(huán)的一些化合物具有抗炎活性［11］，并對細胞色素P450酶有抑制活性;3)咪唑衍生物的合成頗具挑戰(zhàn)性。由于上述諸多因素［12］，使得咪唑環(huán)芳的研究更為矚目。環(huán)芳的研究工作主要集中在合成品種不同、功能各異的環(huán)芳以及發(fā)展新的合成方法［6，13］方面，對于環(huán)芳識別氨基酸甲酯的分子作用機制的認識［6］，還有待深入。本文采用分子動力學(xué)與密度泛函理論相結(jié)合的研究方法，對筆者最新合成的一個多苯并咪唑環(huán)芳受體(A)［6］與一系列氨基酸甲酯配體(L)間的相互作用進行了探討。采用以密度泛函理論計算結(jié)果為核心參數(shù)的組合策略，來表達該多苯并咪唑環(huán)芳對一系列氨基酸甲酯的識別，獲得了與實驗數(shù)據(jù)一致的研究結(jié)果。

圖1 多苯并咪唑環(huán)芳結(jié)構(gòu)

1 計算方法

如圖1所示，該多苯并咪唑環(huán)芳(MBICP)受體由2條醚鏈橋接2 個2，2’-二苯并咪唑構(gòu)成。

MBICP所識別的5個氨基酸甲酯(AAME)配體分別為甘氨酸甲酯(LG)、丙氨酸甲酯(LA)、脯氨酸甲酯(LP)、亮氨酸甲酯(LL)和纈氨酸甲酯(LV)。因尚無該MBICP受體及其與AAME形成的復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，故而對于該受體和這幾個配體的單體三維結(jié)構(gòu)，筆者采用ChemBio3D構(gòu)建并用Gaussian 03［14］在B3LYP/6-31G(d)理論水平上進行優(yōu)化得到。

在選擇性的分子絡(luò)合中，受、配體結(jié)合位點間的互補性和復(fù)合物中配體的空間位阻是影響選擇性絡(luò)合的關(guān)鍵因素，而靜電作用、范德法力、氫鍵等也是形成分子復(fù)合物的推動力［15］。因此，在沒有晶體結(jié)構(gòu)的情況下，如何獲得考慮了上述因素的復(fù)合物構(gòu)象，對于用量子化學(xué)研究MBICP受體與AAME配體間的作用和識別機制，是很關(guān)鍵的。

本文采用基于模擬退火的分子動力學(xué)程序CDOCKER［16］，將AAME配體與MBICP受體對接。對接時，選用CHARMM力場，把受體的幾何中心默認為結(jié)合位點，球半徑參數(shù)設(shè)置為5 A。。每個AAME配體與受體對接，都產(chǎn)生1 000個隨機構(gòu)象。對所產(chǎn)生的隨機構(gòu)象進行逐漸升溫和模擬退火動力學(xué)模擬。對接和動力學(xué)模擬過程中的其余參數(shù)采用默認值。

要成功預(yù)測弱相互作用體系的結(jié)構(gòu)、能量性質(zhì)需要精確的計算。鑒于此，筆者把動力學(xué)模擬后得到的每種復(fù)合物的1 000構(gòu)象，按能量高低順序排序，僅從中選出10個能量值為負值的最低能量構(gòu)象。利用Turbomole［17］程序在BLYP/def-TZVP［18］水平進行優(yōu)化。再將優(yōu)化收斂后得到的最低能量構(gòu)象在相同理論和基組下作NBO分析。對于之前結(jié)構(gòu)優(yōu)化后得到的MBICP受體和AAME配體，也在該條件下進行單點能計算，以便獲得受體與配體間的相互作用能。

2 結(jié)果與討論

2.1 多苯并咪唑環(huán)芳對氨基酸甲酯識別的復(fù)雜性

分子識別過程中所形成的復(fù)合物的最高占據(jù)軌道能級EHOMO、最低空軌道能級EHOMO、形成復(fù)合物過程中受、配體間所轉(zhuǎn)移的電荷量CT都是衡量復(fù)合物穩(wěn)定性的重要指標。研究表明，結(jié)構(gòu)相似的分子，最高占有軌道與最低空軌道的能量差越大，則分子越穩(wěn)定;受體與配體間電荷轉(zhuǎn)移量越大，則配合物越穩(wěn)定。

相互作用能ΔEint則更是衡量復(fù)合物穩(wěn)定性的重要參數(shù)。ΔEint是指把單個受體(A)和單個配體(L)結(jié)合在一起，形成復(fù)合物的能量［19］，其定義如下:

MBICP-AAME復(fù)合物結(jié)合常數(shù)的實驗測定值［6］和相關(guān)參數(shù)計算值如表1所示，各項指標EHOMO、ELUMO、CT和ΔEint與實驗測定的復(fù)合物結(jié)合常數(shù)之間沒有簡單的對應(yīng)關(guān)系。甚至在EHOMO、ELUMO、CT與ΔEint之間，也沒觀察到任何關(guān)聯(lián)。這清楚地表明，多苯并咪唑環(huán)芳對氨基酸甲酯的識別情況比較復(fù)雜，用單一的量子化學(xué)計算參數(shù)，很難表達和認識其間的作用機制。

2.2 組合策略及其對結(jié)合常數(shù)的計算

量子化學(xué)精確計算是深入理解主客體識別形成復(fù)合物作用機制的重要途徑。但不能忽視的是:實驗數(shù)據(jù)［6］是在氯仿溶劑環(huán)境下獲得的。另外，預(yù)組織、疏水相互作用以及形成復(fù)合物的單體間的空間位阻和結(jié)合位點間的互補置放等，都是影響分子識別的重要因素［15］。目前量子化學(xué)尚未能對溶劑效應(yīng)、疏水相互作用等進行精確的計算。為此，筆者提出了以密度泛函理論計算的相互作用能ΔEint(見表1)為核心參數(shù)的組合策略，以期能對實驗測定的結(jié)合常數(shù)進行準確計算。

表1 MBICP-AAME復(fù)合物結(jié)合常數(shù)K［6］的實驗值、計算值及其相關(guān)參數(shù)

顯然，MBICP受體與5個AAME配體所形成的復(fù)合物的穩(wěn)定性的差異源于各配體之間的差異。因為預(yù)組織和疏水相互作用等因素對分子間選擇性識別有重要貢獻，所以，如何體現(xiàn)各配體對預(yù)組織和疏水相互作用貢獻的差異就顯得很關(guān)鍵。為此，用ChemBio3D計算了優(yōu)化后的AAME配體的脂水分配系數(shù)P和溶劑可及表面積SASA(計算數(shù)據(jù)見表1)。P可以作為表達各配體對疏水相互作用貢獻的描述符。由預(yù)組織原理［15］可知，在形成復(fù)合物前，受體和配體間組織得愈好，溶劑化程度愈低，則復(fù)合物愈穩(wěn)定。而根據(jù)非靜電相互作用的連續(xù)模型，溶劑化自由能與SASA間有很好的線性關(guān)系。因此，SASA可以用來表達AAME配體的溶劑化作用。

由于影響MBICP受體與AAME配體間的相互識別的因素很多，個別描述符難以恰當(dāng)?shù)乇硎鲞@種受、配體間的相互作用并與實驗測定的結(jié)合常數(shù)定量關(guān)聯(lián)，但也不能為了建立定量關(guān)系模型而無限制地加入描述符。數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析表明，AAME配體的SASA與復(fù)合物的結(jié)合常數(shù)K間的相關(guān)度較高，而其P與結(jié)合常數(shù)間的相關(guān)性則差一些。這說明，對該MBICP受體而言，復(fù)合物的穩(wěn)定性，更多地來自于AAME配體對預(yù)組織的貢獻。

因此，選定ΔEint作為核心參數(shù)，組合AAME配體的SASA，構(gòu)建了MBICP識別AAME形成復(fù)合物結(jié)合常數(shù)的定量計算模型為:

其中，α、β和γ為待定參數(shù)。用表1中的數(shù)據(jù)，對(2)式進行多項式回歸最小二乘擬合求解。則得:－lgKcalc=－2.464 ×10－3× ΔEint+2.356 ×10－3×SASA– 3.664 ，計算值(見表1)與實驗值［6］之間有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達0.961。

2.3 識別機制的認識

2.3.1 預(yù)組織效應(yīng)等因素的貢獻

從表1可知，配體LG的SASA最小。根據(jù)非靜電相互作用的連續(xù)模型和預(yù)組織原理［15］，該配體的溶劑化自由能最小，溶劑化程度最低，對復(fù)合物的穩(wěn)定性貢獻最大。而配體LP和LL的SASA較大，溶劑化自由能較大，溶劑化程度較高，因而復(fù)合物的穩(wěn)定性較差。這與實驗結(jié)果是一致的。

用Turbomole在BLYP/def-TZVP水平計算的各MBICP-AAME復(fù)合物的最低能量構(gòu)象，如圖2所示。各配體與MBICP受體間的相互作用模式不盡相同。配體LV、LP、LL、LA，其氮端上的H與受體醚鏈上的O形成了氫鍵相互作用。在5個配體中，LG的體積最小。也只有LG在與MBICP形成復(fù)合物時，配體骨架與受體的苯并咪唑環(huán)平面平行，配體的酯甲基、羰基部分伸向溶液，而將α-氨基和α-碳嵌入苯并咪唑環(huán)平面之間。這是一種很恰當(dāng)?shù)目臻g互補作用模式。配體受體間有最大的范德法作用接觸面，而與溶劑作用的接觸面最小，溶劑化作用最小，因而A-LG復(fù)合物最穩(wěn)定。

圖2 多苯并咪唑環(huán)芳受體(A)與氨基酸甲酯配體(L)間相互作用的作用模式

2.3.2 電荷轉(zhuǎn)移的影響

電荷轉(zhuǎn)移的情況比較復(fù)雜。為使問題簡化，僅選取5個復(fù)合物的最低能量構(gòu)象進行討論。通常，電荷轉(zhuǎn)移是有利于分子識別的，而且電荷轉(zhuǎn)移量與復(fù)合物的穩(wěn)定性是正相關(guān)的。但表1的電荷轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)顯示，在形成復(fù)合物的過程中有少量電子從受體MBICP向配體LV、LP、LL轉(zhuǎn)移;而對于配體LA和LG，則是少量電子向受體MBICP轉(zhuǎn)移。

仔細探究各配體在形成復(fù)合物前后分子內(nèi)部的電荷變化情況時，發(fā)現(xiàn)了一個更加趣的現(xiàn)象。在LG形成復(fù)合物的過程中，其氮端氨基上帶負電的氮原子，負電荷增加了 0.017 2，電荷更負;帶正電的氫原子，正電荷也增加了0.008 3，電荷更正(見表2)。而在碳端，帶負電的羰基氧和帶負電的甲基碳，都在形成復(fù)合物后減少了負電荷。從BLYP/def-TZVP水平優(yōu)化收斂得到的最低能量構(gòu)象看(圖2 A-LG)，氨基是與受體最為靠近的基團。在這個基團上，電荷分離加強，極化增大，有利于配體與受體間的靜電相互作用，從而對體系的穩(wěn)定做出貢獻。同時，在伸向溶劑的碳端，電荷分離被弱化，極性減小，改善了疏水性，更有利于復(fù)合物的穩(wěn)定性。因此，A-LG復(fù)合物在5個復(fù)合物中最為穩(wěn)定。

表2 不同配體分子中特定原子上NBO電荷的變化a

同樣，在LA中也觀察到氮端氨基的電荷分離加強的現(xiàn)象。帶負電的氨基上的氮原子，負電荷增加了0.015 3，電荷更負;氨基上帶正電的氫原子，正電荷也增加了0.029 1，電荷更正。配體與受體間的氫鍵作用得到加強，有利于復(fù)合物的穩(wěn)定。伸向溶液的碳端羰基氧和甲基碳上的負電荷略有增加，碳端極性增加，疏水效應(yīng)減弱。但因碳端電荷轉(zhuǎn)移的量較之于氮端小了一個數(shù)量級，因而在總體上表現(xiàn)為電荷轉(zhuǎn)移有利于復(fù)合物的穩(wěn)定性。A-LA的電荷轉(zhuǎn)移量小于A-LG，因而穩(wěn)定性不如A-LG。這與實驗結(jié)果是一致的。

總體而言，在其他3個配體中電荷從MBICP受體向配體轉(zhuǎn)移，使得這3個配體中伸向溶液的碳端上帶負電的羰基氧和帶負電的甲基碳，負電荷顯著增加。其結(jié)果是碳端極性顯著增大，導(dǎo)致疏水作用減弱，從而對復(fù)合物的穩(wěn)定性產(chǎn)生負貢獻。雖然氮端氨基上的氮原子所帶負電荷和氫原子所帶正電荷也有增加的趨勢，但增加的量遠不如在LA和LG中那樣(見表2)。故而它們對復(fù)合物穩(wěn)定性的貢獻相對較小。因此，這3個配體與MBICP受體形成的復(fù)合物穩(wěn)定性都要差一些。這也同樣與實驗相符。

就個別而言，在這3個配體中，配體LV的氮端電荷增加最多，且碳端極化最小。所以，A-LV也是這3個相關(guān)復(fù)合物中最穩(wěn)定的。

3 結(jié)語

為研究新型多苯并咪唑環(huán)芳(MBICP)受體對一系列氨基酸甲酯 (AAME)配體的識別作用，用ChemBio3D構(gòu)建了受體和配體分子單體，并用Gaussian 03在B3LYP/6-31G(d)水平上優(yōu)化結(jié)構(gòu)，得到了受體和各配體的三維結(jié)構(gòu)。用基于模擬退火的分子動力學(xué)程序CDOCKER，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的AAME配體與MBICP受體對接。對于每一個復(fù)合物，從隨機產(chǎn)生的并經(jīng)過升溫和退火動力學(xué)模擬的1 000個構(gòu)象中，篩選出10個能量最低的復(fù)合物構(gòu)象，作為復(fù)合物的初始構(gòu)象。用Turbomole在BLYP/def-TZVP水平對每個復(fù)合物的10個合理初始構(gòu)象進行優(yōu)化。將收斂后得到的最低能量構(gòu)象作為復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，并在相同理論和基組下作NBO分析。對此前得到的MBICP受體和AAME配體的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在該條件下進行單點能計算，獲得了受體與配體間的相互作用能。

常用于表達和解釋分子識別能力的量子化學(xué)計算參量如相互作用能、受體與配體間的電荷轉(zhuǎn)移等，在本體系中都與實驗測定的MBICP-AAME復(fù)合物的結(jié)合常數(shù)間沒有簡單關(guān)聯(lián)。各量子化學(xué)計算參數(shù)間也沒有關(guān)聯(lián)性。這表明MBICP和AAME間的相互識別與作用機制是相當(dāng)復(fù)雜的。

采用組合策略，以密度泛函理論計算所獲得的受、配體間相互作用能ΔEint作為核心參數(shù)，引入能表達預(yù)組織效應(yīng)的SASA參數(shù)，建立了表達MBICP-AAME復(fù)合物結(jié)合常數(shù)的定量關(guān)系模型?；谠撃Ｐ陀嬎愕膹?fù)合物結(jié)合常數(shù)，能較好地與實驗測定值吻合。表明了預(yù)組織效應(yīng)對該MBICP受體與AAME配體間的相互作用，具有重要貢獻。

受體、配體間的電荷轉(zhuǎn)移，似乎無法解釋MBICP對AAME的識別能力。但用Turbomole程序在BLYP/def-TZVP水平分析形成復(fù)合物前后AAME氮端原子和碳端原子的NBO電荷變化，發(fā)現(xiàn)形成復(fù)合物前后有電荷分離現(xiàn)象。利用該分析結(jié)果，能為MBICP對AAME的識別能力的強弱，提供合理的解釋。MBICP受體與AAME配體間的作用模式分析表明，配體體積的大小也是影響復(fù)合物穩(wěn)定性的重要因素。

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