鄭 妍， 陳 曉， 劉柳斜， 李來才

(四川師范大學化學與材料科學學院，四川成都610066)

兒茶素屬黃烷醇類化合物，是一類多酚類物質，約占茶葉多酚總量的60%～80%，是茶葉中的重要功能性成分［1］．兒茶素中主要包括:表沒食子兒茶素(EGCG)、表兒茶素沒食子酸酯(ECG)和表兒茶素(EC)［2］．兒茶素中存在電子離域結構，具有很強的抗氧化作用，不僅能與超氧自由基發(fā)生反應，還能與金屬離子螯合起到抗氧化作用，防止多種物質自動氧化［3］．兒茶素在生理水相環(huán)境中極不穩(wěn)定，易異構化或聚合，其結構中的酚羥基與水分子之間也易形成氫鍵，形成巨大的水合外層，從而導致兒茶素脂溶性差，降低了兒茶素的吸收，影響其在人體內的生物利用［4］．兒茶素作為一種具有藥用價值的小分子化合物，具有很強的清除自由基和抗氧化的作用．該作用也是兒茶素其他藥理作用的重要基礎［5］．綠茶兒茶素可以抑制癌細胞增殖，誘導其凋亡，兒茶素單體間作用效果存在差異，ECG和EC抗胰腺導管癌細胞增殖作用明顯，作用均強于EGCG［5］．兒茶素可增加細菌細胞膜的通透性，使胞內蛋白質和糖類物質滲漏，造成細菌代謝發(fā)生紊亂，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的最小抑菌質量濃度(MIC)分別為 0．32 g/L 和 1．25 g/L．當前大多數(shù)人們的研究主要致力于兒茶素及其衍生物的實驗合成、兒茶素分子在氣相中的幾何結構、能量、分子靜電勢的理論研究，對兒茶素與堿基對的特異性識別、作用位點和相互作用的機制研究較少．兒茶素具有生物活性顯著、藥理作用廣泛的特點［6］．DNA大分子內含有4種不同類型的堿基，分別為胞嘧啶(C)、鳥嘌呤(G)、腺嘌呤(A)及胸腺嘧啶(T)，這些不同的堿基對于遺傳信息在各種生物體內的轉錄、復制、遺傳扮演著極其重要的作用，在堿基對的組成過程中，嘌呤只能與嘧啶配對，腺嘌呤(A)一定與胸腺嘧啶(T)配對，鳥嘌呤(G)一定與胞嘧啶(C)配對［7－8］．本文主要研究胞嘧啶(C)、鳥嘌呤(G)配對的堿基對與兒茶素的相互作用．采用密度泛函理論對兒茶素與堿基對形成的多種復合物進行研究，對于了解這些活性小分子與生物分子的作用規(guī)律，進而闡明其生物學效應的機制有重要意義，為兒茶素類藥物的設計、修飾、合成和篩選提供有價值的信息．

1 計算方法

采用密度泛函理論(DFT)M05 方法［9－13］在6－311++G(d，p)基組水平下對兒茶素、堿基對、兒茶素和堿基對分子復合物進行結構優(yōu)化，在優(yōu)化的基礎上進行頻率計算，所得結構均是勢能面上的穩(wěn)定點．運用 Bader［14］建立的分子中的原子理論(AIM)對復合物的成鍵臨界點電荷密度進行分析，揭示分子間所成鍵的性質;還應用Weinhold等［15］建立的自然鍵軌道(NBO)理論，對優(yōu)化后的結構進行NBO分析，揭示分子間氫鍵作用強度對復合物構型穩(wěn)定性的影響．在計算復合物相互作用能時，考慮了零點能(ZPE)和基組重疊誤差(BSSE)校正，BSSE 校正采用 Boys和 Bernadi［16］提出的 Counterpoise方法(CP)，校正后的相互作用能ΔE的計算公式為

其中，EAB是復合物AB的能量，EA(B)是復合物中所有B原子核設為攜帶虛軌道的傀儡原子時計算獲得的單體A的能量，EB(A)是復合物中所有A原子核設為攜帶虛軌道的傀儡原子時計算得到的單體B的能量．所有計算均運用Gaussian 09程序［17］完成．

2 結果與討論

由于兒茶素分子結構式里面含有多個羥基，不同的羥基取向會使得兒茶素分子構型具有多樣性．選擇能量最低最穩(wěn)定的Catechin構型作為研究對象，采用6－311++(d，p)基組對兒茶素－堿基對復合物的構型進行全優(yōu)化，得到穩(wěn)定的兒茶素－堿基對復合物19個，并在相同水平上進行單體頻率、復合物頻率計算．優(yōu)化的兒茶素－堿基對復合物構型如圖1所示，相應的能量列于表1．分析計算結果表明:氫鍵的種類和氫鍵的個數(shù)對兒茶素－堿基對復合物的穩(wěn)定性起著極其重要的作用．

圖 1 (續(xù))

表1 兒茶素－堿基對復合物的總能量E、相對能量△E、BSSE校正后△E'、溶劑化的相互作用能△E″Tab．1 Total energies(E)，relative energies(△E)，with the BSSE correction(△E')and the solvation effect(△E″)for all the complexes

在研究兒茶素－堿基對復合物成鍵情況的過程中，應用AIM2000程序計算了復合物中成鍵臨界點的電荷密度，以及成鍵臨界點的拉普拉斯值(▽2ρ)．氫鍵臨界點處的電荷密度(ρ)在 0．002～0．040 a．u．，相應的成鍵臨界點電荷密度的拉普拉斯值范圍在0．024～0．139 a．u．［18－19］．我們計算的兒茶素－堿基氫鍵復合物中X(N，O)…H的臨界點電荷密度均在0．005～0．039 a．u．，而相應臨界點處的拉普拉斯值在 0．023～0．133 a．u．，符合氫鍵的定義．當 2 個不同分子間存在相互作用，形成一個氫鍵時，通過相互作用能的大小可以反映出氫鍵的強弱以及復合物的穩(wěn)定性［20－21］．但是，當所形成的復合物中存在2個及以上氫鍵的時候，該復合物的穩(wěn)定性以及氫鍵強弱的判斷會變得很復雜．根據(jù)圖1可知，兒茶素－堿基對復合物中共有 O—H…O、C—H…O、O—H…N、N—H…O、C—H…N等5種不同類型的氫鍵，復合物A06、A07存在 1個分子間氫鍵，復合物 A02、A03、A05、A09、A12、A13、A14、A19 存在 2 個分子間氫鍵，復合物 A01、A08、A10、A11、A15、A16、A18 存在3個分子間氫鍵，復合物A04存在4個分子間氫鍵．兒茶素－堿基對復合物經BSSE校正后的能量順序:A16＞A10＞A15＞A13＞A12＞A14＞A17＞A19＞A18＞A11＞A02＞A03＞A06＞A05＞A04＞A09＞A08＞A01＞A07．通過這個順序發(fā)現(xiàn):一般情況下，氫鍵的數(shù)目越多，復合物相互作用能越高，穩(wěn)定性好，表明氫鍵強弱具有簡單的加和性，但是并不是氫鍵數(shù)目越多，形成的復合物能量就越低，分子就越穩(wěn)定，分子的穩(wěn)定性還和氫鍵的平均鍵長及電荷密度等因素有關．

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，兒茶素－堿基對復合物經BSSE校正后的相互作用能最高的是化合物A16，是所有復合物中最穩(wěn)定的，該分子中存在3個氫鍵，分別是:O(2)—H(2)…N(8)、C(1)—H(1)…O(8)、C(7)—H(21)…O(8);鍵長分別是:0．182、0．238 和 0．269 nm，平均鍵長為 0．230 nm，對應的臨界點電荷密度分別為:0．037、0．011 和0．006 a．u．;對應的臨界點電荷密度的拉普拉斯值分別為:0．102、0．034 和 0．018 a．u．;鍵級分別為:0．065、0．007、0．003．該復合物比其他此類復合物形成的氫鍵鍵長小，電荷密度大，所以是最穩(wěn)定的．在復合物A04中，存在4個分子間氫鍵，分別是:N(5)—H(14)…O(5)、O(5)—H(5)…O(7)、C(2)—H(17)…O(7)、C(5)—H(6)…O(4);鍵長依次為:0．280、0．204、0．280 和 0．245 nm，平均鍵長為0．252 nm．化合物 A16之所以比化合物A04穩(wěn)定，可能是化合物A16中不含有N—H…O氫鍵．N—H…O氫鍵的鍵長比較長，臨界點電荷密度比較小導致該類型氫鍵弱，使得其形成的復合物分子相互作用能低而不穩(wěn)定．對于分子間形成多個氫鍵復合物，其穩(wěn)定性與局部氫鍵強度相關．

在形成三氫鍵的復合物 A01、A08、A10、A11、A15、A16、A18中，A01的 3個氫鍵是:C(4)—H(8)…O(2)、O(3)—H(3)…O(7)、N(5)—H(14)…O(3);鍵長分別為:0．270、0．197 和 0．264 nm．A10 的3個氫鍵是:N(3)—H(11)…O(4)、C(1)—H(1)…O(8)、O(2)—H(2)…N(8);鍵長分別為:0．225、0．269和0．184 nm．A11的 3個氫鍵是:N(3)—H(2)…O(5)、O(5)—H(5)…O(8)、C(2)—H(20)…N(8);鍵長分別為:0．282、0．183 和0．253 nm．復合物A15的3個氫鍵是:O(2)—H(2)…O(8)、O(3)—H(3)…N(8)、N(3)—H(11)…O(1);鍵長分別為:0．175、0．227、0．237 nm．A18 的 3 個氫鍵是:N(3)—H(11)…O(4)、C(2)—H(20)…O(8)、O(5)—H(5)…N(8);鍵長分別為:0．273、0．220 和 0．192 nm．因為化合物A01、A10、A11、A15和A18中含有N—H…O型氫鍵，故它們的穩(wěn)定性不如A16．而在復合物A08中3個氫鍵分別是:C(4)—H(8)…O(4)、C(2)—H(19)…O(7)、O(5)—H(5)…N(2);鍵長分別為:0．256、0．273和 0．215 nm，平均鍵長是:0．248 nm．A08與A16含有的氫鍵數(shù)目和類型都相同，但是A08中氫鍵的平均鍵長大于A16，即A08中的氫鍵強度弱于A16，所以A08的穩(wěn)定性低于A16．而對于含有同樣氫鍵數(shù)目和氫鍵類型的化合物A10和A18，A10的平均鍵長是0．226 nm，A18的平均鍵長是0．228 nm，A10中氫鍵的平均鍵長小于A18，A10中的氫鍵強度比A18大，而化合物A10的穩(wěn)定性比A18強．因此，對于形成氫鍵數(shù)目和氫鍵類型都相同的復合物而言，氫鍵的平均鍵長與所對應復合物穩(wěn)定性的順序是一致的，即鍵長越短，復合物相互作用能越高，穩(wěn)定性越好．

在形成二氫鍵的復合物 A02、A03、A05、A09、A12、A13、A14、A19中，復合物 A13 的 2 個氫鍵為:O(2)—H(2)…O(8)、C(1)—H(1)…N(8);鍵長分別為:0．177 和 0．239 nm;鍵級分別為:0．045、0.012;對應的臨界點電荷密度分別為:0．034和0．012 a．u．;對應的臨界點電荷密度的拉普拉斯值分別為:0．096和 0．027 a．u．，其中 O(2)—H(2)…O(8)鍵長是這類復合物形成氫鍵中最短的，電荷密度是最大的，形成的氫鍵最強，所以在相同個數(shù)的氫鍵中復合物最穩(wěn)定．

通過以上分析可知，在2個分子相互作用的時候，復合物會盡可能多的形成氫鍵，降低體系能量，增強體系的穩(wěn)定性;但是當復合物中存在2個或更多氫鍵時，復合物的穩(wěn)定性由形成的氫鍵類型以及強度共同決定．

3 結論

本文采用密度泛函理論，在6－311+G(d，p)基組水平上研究了兒茶素與堿基對之間的相互作用機制，得到穩(wěn)定的兒茶素－堿基對復合物19個，經BSSE校正后的相互作用能順序為:A16＞A10＞A15＞A13＞A12＞A14＞A17＞A19＞A18＞A11＞A02＞A03＞A06＞A05＞A04＞A09＞A08＞A01＞A07．優(yōu)化后的構型和相互作用能分析表明兒茶素－堿基對復合物中共有5種不同類型的氫鍵，而氫鍵對于兒茶素－堿基對復合物分子的穩(wěn)定性有著極其重要的作用．當兒茶素分子與堿基對分子之間發(fā)生相互作用時，兒茶素－堿基對復合物會形成氫鍵相互作用，這種幾何構型不僅可以有效地降低分子體系的總能量，還能夠增強整個體系穩(wěn)定性．每個兒茶素－堿基對復合物中存在1～4個不等的氫鍵，而復合物的穩(wěn)定性則由氫鍵的類型、個數(shù)以及氫鍵的強度3種因素共同決定．