焦 龍, 王 媛, 邰文亮, 劉煥煥, 薛志偉, 王彥昭

(1. 西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 陜西 西安 710065; 2. 核工業(yè)二〇三研究所, 陜西 咸陽(yáng) 712000)

香水百合(Liliumspp)是百合屬(Lilium)的一種,又稱(chēng)卡薩布蘭卡、天上百合,原產(chǎn)地為喜馬拉雅區(qū)、澳洲等地。香氣是衡量花卉的重要指標(biāo)[1,2],花卉的香氣取決于其化學(xué)組成。香水百合中香氣的化學(xué)成分復(fù)雜且多數(shù)化合物含量非常少,色譜是研究這些化學(xué)成分的重要手段[3]。色譜保留指數(shù)(retention index, RI),又稱(chēng)科瓦茨指數(shù)(Kovats index),能夠反映物質(zhì)在色譜固定相上的保留特性,是一種常用的色譜分析參數(shù),也是進(jìn)行香水百合香氣成分色譜分析的重要參數(shù)[4-7]。實(shí)驗(yàn)測(cè)定香水百合香氣成分的色譜保留指數(shù)過(guò)程復(fù)雜,對(duì)設(shè)備要求高,耗費(fèi)人力財(cái)力較多[8-10]。有必要建立其他能夠得到香水百合香氣成分色譜保留指數(shù)值的高效簡(jiǎn)便方法。

定量構(gòu)效關(guān)系(quantitative structure-activity relationship, QSAR)是通過(guò)建立已知化合物分子結(jié)構(gòu)與生物活性之間的數(shù)學(xué)模型,然后對(duì)未知同系列化合物的生物活性進(jìn)行預(yù)測(cè)的一類(lèi)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的總稱(chēng),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于藥物化學(xué)、植物學(xué)、毒理學(xué)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等領(lǐng)域[11-14]。三維定量構(gòu)效關(guān)系(three-dimensional quantitative structure-activity relationship, 3D-QSAR)是一類(lèi)新興的QSAR方法,相比于傳統(tǒng)的2D-QSAR方法,3D-QSAR是通過(guò)分子三維空間構(gòu)型計(jì)算各種場(chǎng)的作用以建立QSAR模型,無(wú)需計(jì)算大量描述符,操作簡(jiǎn)單,一般模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度更高,且更為穩(wěn)定。迄今為止,很少有有關(guān)香水百合香氣成分色譜保留指數(shù)3D-QSAR研究的報(bào)道。因此,本研究采用3D-QSAR中常用的比較分子場(chǎng)分析(comparative molecular field analysis, CoMFA)和比較分子相似性指數(shù)分析(comparative molecular similarity index, CoMSIA)這兩種方法,針對(duì)來(lái)自香水百合的38種香氣成分化合物,建立化合物的分子結(jié)構(gòu)與色譜保留指數(shù)之間的QSAR模型,分析香水百合香氣成分的分子結(jié)構(gòu)對(duì)其RI值的影響。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 數(shù)據(jù)集

38種被研究化合物的氣相色譜保留指數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)自于文獻(xiàn)[2,14]。將這38個(gè)化合物隨機(jī)分為兩組:第Ⅰ組(Group Ⅰ)包含30個(gè)化合物;第Ⅱ組(Group Ⅱ)包含8個(gè)化合物。

用均方根相對(duì)誤差(RMSRE)、交叉驗(yàn)證均方根誤差(RMSECV)、預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)能力,其定義分別見(jiàn)式(1)、(2)、(3)[15]。

(1)

(2)

(3)

1.2 分子構(gòu)建與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在SYBYL-X 2.0軟件(Triposinc., U. S.)中進(jìn)行CoMFA和CoMSIA建模。建立38個(gè)化合物分子的計(jì)算機(jī)模型。采用Tripos標(biāo)準(zhǔn)力場(chǎng)對(duì)化合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,電荷計(jì)算采用Gasteiger-Hückel電荷類(lèi)型,能量梯度收斂值RMS設(shè)為0.005 kcal/(mol·?),最大迭代次數(shù)設(shè)為1 000次,其余均采用默認(rèn)值。

1.3 CoMFA模型

CoMFA方法主要是通過(guò)研究化合物與受體非共價(jià)相互作用時(shí)靜電場(chǎng)(electrostatic, E)和立體場(chǎng)(steric, S)的情況來(lái)預(yù)測(cè)化合物分子的性質(zhì)。其建模步驟包括:(1)選擇化合物分子的活性構(gòu)象,再將全部被研究化合物進(jìn)行疊合; (2)按照分子的笛卡爾坐標(biāo)生成一個(gè)可包容所有分子且與最外圍原子至少保持40 nm距離的區(qū)域,然后按一定的步長(zhǎng)將此空間范圍均勻劃分,生成相應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn); (3)采用sp3雜化的c+離子探針和Tripos力場(chǎng),對(duì)疊合分子周?chē)總€(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上S、E的分布和大小進(jìn)行計(jì)算,S、E作用能分別用Lennard-Jones公式和庫(kù)侖函數(shù)計(jì)算; (4)由于網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目非常多,遠(yuǎn)大于校正集樣本數(shù),為了避免自變量的多重共線(xiàn)性,需要進(jìn)行變量降維。因此將計(jì)算得到的分子場(chǎng)值作為自變量,色譜保留指數(shù)為因變量,用偏最小二乘法建立分子場(chǎng)與被研究化合物性質(zhì)之間的定量關(guān)系。采用留一交叉驗(yàn)證法(leave one out cross validation, LOO)可得到交叉驗(yàn)證系數(shù)(q2)和最佳主成分?jǐn)?shù)(N);在最佳主成分?jǐn)?shù)下進(jìn)行非交叉驗(yàn)證(no-cross validation),得到估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(SEE)、非交叉決定系數(shù)(R2)和Fisher統(tǒng)計(jì)量F,通過(guò)以上得到的參數(shù)可初步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)健性和預(yù)測(cè)能力。最后通過(guò)CoMFA模型獲得的三維等勢(shì)圖可直觀顯示靜電場(chǎng)和立體場(chǎng)對(duì)化合物活性的貢獻(xiàn)[15-17]。

1.4 CoMSIA模型

CoMSIA與CoMFA二者建立模型的原理類(lèi)似,分子疊合部分完全相同。但CoMSIA需要計(jì)算5種分子場(chǎng),CoMSIA的5種分子場(chǎng)分別是立體場(chǎng)、靜電場(chǎng)、疏水場(chǎng)(hydrophobic, H)、氫鍵供體場(chǎng)(donor, D)和氫鍵受體場(chǎng)(acceptor, A),可將5種不同場(chǎng)自由組合,形成31種組合方式的CoMSIA模型,選取最佳的CoMSIA模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)LOO交叉驗(yàn)證和非交叉驗(yàn)證得到的模型參數(shù),對(duì)模型的穩(wěn)健性和預(yù)測(cè)能力進(jìn)行初步檢驗(yàn)。最后還可得到5種不同場(chǎng)的三維等勢(shì)圖[18]。

圖1 (a)模板分子及(b)分子疊合圖Fig. 1 (a)Template compound and (b) molecular superposition diagram

2 結(jié)果與討論

2.1 CoMFA模型結(jié)果分析

分子之間的重疊范圍影響CoMFA模型的構(gòu)建,由于9號(hào)分子的疊合程度最大且疊合效果最好,因此選取9號(hào)分子(1,3,8-對(duì)孟三烯)為模板分子進(jìn)行疊合。運(yùn)用Align Database模塊選取公共骨架(圖1a綠色顯示的原子)對(duì)38個(gè)化合物進(jìn)行分子疊合,疊合結(jié)果見(jiàn)圖1b。

以第Ⅰ組化合物為訓(xùn)練集建立CoMFA模型,該模型的潛變數(shù)為12,R2為0.991,SEE為21.455,F值為162.026。用所建立的模型預(yù)測(cè)第Ⅱ組化合物的色譜保留指數(shù),預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。第Ⅱ組色譜保留指數(shù)的預(yù)測(cè)RMSRE為7.98, RMSEP為94.40,平均相對(duì)誤差為6.67%,預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間的回歸方程為y=0.600 3x+443.01(y表示預(yù)測(cè)值,x表示實(shí)驗(yàn)值),相關(guān)系數(shù)為0.780 5。如表1所示,化合物的色譜保留指數(shù)預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值基本一致。用第Ⅰ組完成留一交叉驗(yàn)證,依次預(yù)測(cè)第Ⅰ組中30個(gè)樣品的色譜保留指數(shù)值。預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示,第Ⅰ組化合物色譜保留指數(shù)的預(yù)測(cè)RMSRE為1.28, RMSECV為16.16,平均相對(duì)誤差為0.40%,預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間的回歸方程為y=0.991 4x+10.45(y表示預(yù)測(cè)值,x表示實(shí)驗(yàn)值),相關(guān)系數(shù)為0.995 6。兩種驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明所建立的CoMFA模型基本合理,具有一定的預(yù)測(cè)能力,但應(yīng)當(dāng)研究能否建立預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度更高的模型。

圖2 CoMFA模型的三維等勢(shì)圖Fig. 2 Contour maps of CoMFA model

圖2為CoMFA模型中模板分子的立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)的三維等勢(shì)圖,從三維等勢(shì)圖可以直觀看出不同基團(tuán)和結(jié)構(gòu)對(duì)化合物RI值的影響。立體場(chǎng)等勢(shì)圖中,綠色區(qū)域表示增大取代基體積RI值增大,黃色區(qū)域表示增大取代基體積RI值減小;靜電場(chǎng)等勢(shì)圖中,紅色區(qū)域表示增加負(fù)電荷RI值增大,藍(lán)色區(qū)域表示增加正電荷RI值增大。從立體場(chǎng)等視圖可見(jiàn),在9號(hào)分子的環(huán)己二烯及側(cè)鏈異丙烯基的位置附近顯示為綠色區(qū)域,表示該兩個(gè)基團(tuán)使RI值增大,例如4號(hào)分子(缺少異丙烯基)與9號(hào)分子結(jié)構(gòu)相似,但4號(hào)分子(RI=1 003)的RI值明顯小于9號(hào)分子(RI=1 057),說(shuō)明引入異丙烯基能夠使得RI值增大。從靜電場(chǎng)等勢(shì)圖可見(jiàn),分子的側(cè)鏈異丙烯基附近為紅色區(qū)域,表示該區(qū)域添加負(fù)電荷能夠增大化合物的RI值,分子側(cè)鏈甲基附近顯示藍(lán)色,表示該區(qū)域添加正電荷能夠增加化合物的RI值。

表 1 38個(gè)化合物色譜保留指數(shù)實(shí)驗(yàn)值及預(yù)測(cè)值

1) Samples of Group Ⅱ. 2) Compounds 5, 21, 26 are from reference [2] and the rest are from reference [14].

2.2 CoMSIA模型的結(jié)果分析

CoMSIA模型也是選取9號(hào)分子為模板分子進(jìn)行疊合,分子疊合過(guò)程與2.1節(jié)中CoMFA建模完全相同。CoMSIA模型中立體場(chǎng)、靜電場(chǎng)、疏水場(chǎng)、氫鍵供體場(chǎng)和氫鍵受體場(chǎng)自由組合形成31種組合方式,經(jīng)計(jì)算最佳分子場(chǎng)組合為“S、E、H、D、A”,即使用全部的分子場(chǎng)進(jìn)行建模。以第Ⅰ組化合物為訓(xùn)練集建立CoMSIA模型,該模型的潛變數(shù)為12,R2為0.991,估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差SEE為20.488,F值為236.744。用所建立模型預(yù)測(cè)第Ⅱ組化合物的色譜保留指數(shù),結(jié)果見(jiàn)表1。第Ⅱ組色譜保留指數(shù)的預(yù)測(cè)RMSRE為4.02, RMSEP為48.74,平均相對(duì)誤差為3.76%,預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間的回歸方程為y=0.858 4x+153.54(y表示預(yù)測(cè)值,x表示實(shí)驗(yàn)值),相關(guān)系數(shù)為0.944 4。如表1所示,化合物的色譜保留指數(shù)預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值基本一致。用第Ⅰ組完成留一交叉驗(yàn)證,依次預(yù)測(cè)第Ⅰ組中30個(gè)化合物的色譜保留指數(shù)值,結(jié)果見(jiàn)表1。第Ⅰ組化合物色譜保留指數(shù)的預(yù)測(cè)RMSRE為1.34, RMSECV為16.85,平均相對(duì)誤差為0.63%,預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間的回歸方程為y=0.990 6x+11.37(y表示預(yù)測(cè)值,x表示實(shí)驗(yàn)值),相關(guān)系數(shù)為0.995 2。兩種驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明所建立的CoMSIA模型合理可靠,具有良好的預(yù)測(cè)能力。

CoMSIA模型中立體場(chǎng)、靜電場(chǎng)的等勢(shì)圖與CoMFA模型基本一致,在此不再分析;疏水場(chǎng)、氫鍵供體場(chǎng)和氫鍵受體場(chǎng)的三維等勢(shì)圖見(jiàn)圖3。在圖3疏水場(chǎng)等勢(shì)圖中,白色代表親水性基團(tuán)能夠使RI值增大,黃色代表疏水性基團(tuán)能夠使RI值增大;在圖3氫鍵供體場(chǎng)等勢(shì)圖中,藍(lán)色區(qū)域代表添加氫鍵供體能夠使RI值增大,紫色區(qū)域代表添加氫鍵供體能夠使RI值減小;在圖3氫鍵受體場(chǎng)等勢(shì)圖中,紫色區(qū)域代表增加氫鍵受體能夠使RI值增大,紅色區(qū)域代表添加氫鍵受體能夠使RI值減小。從圖3疏水場(chǎng)等勢(shì)圖中可看出,分子中環(huán)己二烯和側(cè)鏈異丙烯基附近區(qū)域顯示黃色,表示該位置添加親水性基團(tuán)能夠使RI值增大;分子側(cè)鏈甲基顯示白色,表示該位置添加疏水性基團(tuán)能夠使RI值增大;10號(hào)分子(RI=1 080)、13號(hào)分子(RI=1 097)的RI值明顯高于9號(hào)分子,它們都引入了羥基親水基團(tuán),因此說(shuō)明添加羥基能夠使RI值增大。從圖3氫鍵供體場(chǎng)可看出,在分子側(cè)鏈甲基附近位置顯示藍(lán)色,表示該區(qū)域氫鍵供體能夠使RI值增大。從圖3氫鍵受體場(chǎng)可看出,在分子側(cè)鏈甲基附近位置顯示紫色,表示該區(qū)域氫鍵受體能夠使RI值增大。

圖3 CoMSIA模型的三維等勢(shì)圖Fig. 3 Contour maps of CoMSIA model

3 結(jié)論

應(yīng)用CoMFA和CoMSIA兩種方法,建立了香水百合香氣成分中38種化合物分子結(jié)構(gòu)與色譜保留指數(shù)之間的3D-QSAR模型。研究表明CoMFA模型和CoMSIA模型都具有較好的相關(guān)性和預(yù)測(cè)能力,且能夠合理解釋結(jié)構(gòu)對(duì)色譜保留指數(shù)值的影響,可應(yīng)用于對(duì)香水百合香氣成分的色譜保留指數(shù)值的預(yù)測(cè)。相比于CoMFA模型,CoMSIA模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度更高,在香水百合香氣成分的色譜定量構(gòu)效關(guān)系研究中,顯然有更好的應(yīng)用前景。香水百合香氣成分中38種化合物包含烯烴、酮、酯、醇、多環(huán)芳烴等不同種類(lèi)化合物,因此可證明CoMFA和CoMSIA兩種方法對(duì)不同種類(lèi)化合物的性質(zhì)具備較好的預(yù)測(cè)能力。