苦参碱类化合物的密度泛函计算与抗乙型肝炎病毒活性分析

王春露，龙伟，刘培勋

(中国医学科学院北京协和医学院放射医学研究所、天津市分子核医学重点实验室，天津 300192)

苦参碱型生物碱［1］是以苦参碱为代表的化学结构相似的一类生物碱，广泛存在于豆科植物苦参(S．flavescens Ait)、苦豆子(S．alpecuroides L.)及广豆根(S．subprostrata Chun et T.Chen)中，是这几种常用中草药的主要有效成分。苦参碱是苦参碱型生物碱的代表，属于四环的喹喏里西定(quinolizidine)生物碱，分子骨架可以看作是两个喹嗪啶环的杂体，一般含有3或4个手性中心，结构非常相似(图1和表1)。在这些生物碱中，有的区别仅仅在于环结合部位碳原子的手 性［2-3］(如 allomatrine［4］， 5;sophoridine， 和darvasamine);另外一些则含有一到多个分子内双键(如 lehmannine［5］，4)或者羟基(sophoranol或者 5αhydroxymatrine，3)［6］。

近年来，随着对其药理作用研究的深入和扩展，人们发现苦参碱具有解热、镇痛、抗惊厥、稳定神经等中枢神经作用;防止动脉粥样硬化、减轻心肌损伤等心血管系统作用;抗肝损伤、抗纤维化、升高白细胞等消化系统作用;还具有抗肿瘤、抗乙型肝炎病毒(hepatitis B virus，HBV)、免疫调节等作用［1］。因此，对苦参碱的研究已日益受到人们的关注［6-7］。

笔者用密度泛函方法(density functional theory，DFT)［8］，计算了表1中10种苦参碱类化合物的三维结构，得到了它们的结构信息。在此基础上，利用启发式算法(heuristicmethod，HM)对这些化合物抗HBV的活性与其量子化学参数之间进行定量构效关系(quantitative structure-activity relationship，QSAR)研究，得到了苦参碱类化合物的结构-活性模型。

1 理论研究方法

首先用半经验量子化学方法(AM1)对10种苦参碱类化合物的分子结构进初步的三维结构优化，找出低能量的构象，然后用密度泛函B3LYP/6-311+G(d，p)方法对上述结构再次进行优化，并进行自然轨道布局分析。同时，进行频率分析，由所得结构不出现虚频，确定其几何构型为稳定构型，从而得到化合物分子稳定结构的几何参数。计算使用Gaussian 03程序(Frisch M J，Trucks GW，Schlegel H B，et al.Gaussian 03.Revision A.01.Pittsburgh，PA:Gaussian Inc.，2003)。利 用CODESSA(Comprehensive Descriptors for Structural and Statistical Analysis，Reference Manual，Version 2.7.10.)程序，将量子化学方法得到的能量和结构参数进行计算，得到5类描述符:构成描述符、拓扑描述符、几何描述符、静电描述符和量子化学描述符。CODESSA程序中的HM可对大量的分子描述符进行完全搜索，建立最佳的线性回归方程。

笔者采用的活性数据参考了文献［6］，在浓度为0.2μmol·mL-1时体外HBsAg分泌抑制率。

2 计算结果与分析

2.1 密度泛函计算结果分析 计算所得到的部分结构几何参数、能级和原子电荷列于表2中。为了进行比较，半经验方法AM1计算所得到的相应参数也列于表2中。

比较密度泛函方法以及半经验方法计算所得结果发现，二者在结构参数方面差别不大，但是当涉及到分子轨道能级以及原子电荷的计算时，二者有较大的差别。例如在氧化苦参碱原子电荷的计算中，N1位氧化后半经验方法计算所得结果为正，而用密度泛函方法所得结果为负。由于DFT方法考虑了电子相关效应，其计算精度相对较高;并且在QSAR研究中分子轨道能级和原子电荷两类参数用得最多，因此只能以较为精确、近似程度较少的密度泛函方法为准［9-10］。

活性结果文献中给出了部分该类化合物构效关系的归纳概括，通过结合密度泛函计算结果对其解释如下:当苦参碱结构中D环存在有双键(12-13位或者13-14位)时活性增强，C14位羟基的引入则削弱该种作用。经分析得知，D环引入双键之后，由于双键π电子的作用13位C原子上的净电荷由-0.211(1)降低为-0.087(3)、-0.097(4)、-0.087(8)、-0.093(9)、-0.087(10);对于化合物6，存在双键α位羟基的吸电子作用，13位C原子电负性进一步降低(-0.027)。可以认为，13位C原子上的净电荷与苦参碱类化合物的抗HBV活性密切相关，当C13上的净电荷范围为-0.087至-0.097时，化合物显示出了较强的抗HBV活性，偏离这个范围则会影响到此类化合物的活性。

对槐果碱(3)引入N-O键(8)或者羟基(6和10)均会降低其活性。对于槐果碱结构，在N1、C9或者C12位引入氧原子后，分子的分子表面积发生了变化(表3)，并且与实验结果显示出了较好的负线性相关(r2=0.836)。此类化合物分子的分子表面积对活性影响较大，提示其作用靶点的结合腔可能较小或者为刚性结构。关于这一点在HM结果分析中会做进一步的讨论。

对于苦参母核的结构(D环饱和，如1)，引入N-O键(2)或者羟基(7)会增强其活性。化合物1，2，7计算结果中的偶极矩(Dipole)分别为4.021 9，5.635 5，4.397 7，与其抗HBV活性展现出了良好的线性相关。苦参母核为四环喹喏里西定结构，分子中有4个六元环，分子疏水性较强。在B环N原子或9位C原子上引入氧原子后，虽未对分子的最低能量构象产生较大的影响，但是分子的偶极矩发生了变化，同时其空间立体作用和电性作用得到了增强，这与实验结果相吻合。

表3 几种化合物的分子表面积与其抗HBV活性的关系Tab．3 Relationship of molecular surface area of several compounds and their anti-HBV activity

对比化合物7与10发现，在羟基苦参碱结构中引入13-14位双键对活性不利。通过对于化合物7与10计算结果的比较发现，在13-14位引入与双键，可以与酰胺键产生共轭效应。受该体系的影响，LUMO轨道范围扩大到整个D环，同时由于这种电子效应的存在，价电子变得分散，作为苦参碱结构中特征基团之一的内酰胺键趋于稳定，不易断裂;酰胺键电子离域效应增加，影响了分子的构型和构象(C14-C15单键缩短、C13-C14双键增长、原子保持共平面等)、分子的电性等，这就解释了在羟基苦参碱结构中引入13-14位双键对活性不利。

2.2 HM计算结果分析 CODESSA软件中的启发式方法可对大量的分子描述符进行完全搜索，从而建立最佳的线性回归方程。该方法首先对分子描述符进行共线性控制，如任意两个相关系数＞0.8的描述符不会同时包含在同一个模型中，并采用启发式算法对参数进行快速筛选建立最佳的模型，而不是考察所有可能的参数组合。启发式方法采用预处理的方式，根据以下4条规则排除掉一些描述符，①不是每个化合物都共有的参数;②对所有化合物来说，数值变化较小的描述符;③在一个参数相关方程中，F检验值＜1.0的参数;④t检验值小于某一定义值的描述符。启发式回归方法将分子描述符按一个参数模型的相关系数降序排列，每次引入剩余描述符中与所研究性质相关系数最大的描述符，依次下去。模型的好坏由相关系数(R2)、F检验值(F)以及标准偏差(s)等来检验。模型的稳定性用留一法(leave-one-out，LOO)交互检验的相关系数2Rcv来检验。简单来说，首先去除数据集中的一个样本，用相同的参数重新建立模型预测去除的样本，依次下去，直到数据集中每一个样本都被去除和预测一次，求出预测值和试验值的相关系数即得到2Rcv。一般地，启发式回归方法速度快而且所建立的模型质量也较高［11-12］，这种优点使得启发式回归成为实际应用中的首要选择。

每个分子用CODESSA可以计算出500～600个描述符，计算出分子的组成、拓扑、几何、电子和量子化参数。组成参数反映了分子的组成信息，主要包括分子中原子、键、环等的数目以及分子量等;拓扑参数描述了分子中原子的连接信息，主要包括Wiener指数、Randic指数以及Kier-Hall形状指数等;几何参数描述了分子的大小和形状，主要包括惯性矩、分子体积和表面积等;静电参数描述了分子中电荷的分布信息，主要包括最大和最小偏电荷、极性以及电荷加权的分子表面积参数(CPSA)等;量化参数主要反映了分子中的电荷分布以及分子轨道能量等信息，对分子的反应和分子之间的静电相互作用以及分子轨道之间的相互作用都有重要的影响，量化参数主要包括反应指数、偶极矩、HOMO以及LUMO能量等。

密度泛函计算之后，将结果导入CODESSA软件中，共计算了165个描述符，并使用启发式算法对165个描述符进行挑选，发现其中两个描述符:分子表面面积(MSA)，XY轴面投影(Sxy)与HBsAg分泌抑制率密切相关，利用多元线性回归方法，对这两个描述符与抑制率进行回归，得到方程:IR=-0.155-0.023 MSA+0.078 Sxy(r=0.82，q=0.72)。

从方程中可以看出，苦参碱类化合物抑制HBV的活性与分子的立体构型密切相关。其中，抑制活性与分子表面面积呈现负相关，这说明苦参碱类化合物分子构型应尽量避免扭曲程度过大，扭曲增大将导致分子表面扩张，而使其抗HBV的活性减弱。XY轴面投影是一个几何描述指数，指的是分子在立体空间中投影在XY轴面的阴影面积，这个指数反映的是分子的形体大小和松散度。从方程中可以看出，苦参碱类化合物的HBV抑制活性与这个指数是正性相关，也就是说分子的松散度越高，其抑制活性越高。

3 讨论

采用DFT对10种苦参碱类化合物的结构进行了计算，并对其抗HBV活性进行了分析。结果表明，分子的偶极矩、分子表面积、酰胺键的稳定性以及13位C原子上的净电荷是影响该类化合物抗HBV活性的重要因素。

苦参碱类化合物是一类具有良好开发前景的天然产物。为了更好地开发和利用中药，对其主要活性成分进行全面系统的研究十分必要。笔者利用密度泛函(DFT)方法，对10种化合物的电子结构、分子轨道能级以及原子电荷进行了较为准确的分析，对于实体实验得到的结论进行了解释，计算结果与实验数据得到了较好的吻合。

(志谢:感谢天津药物研究院徐为人教授在化学计算方面的指导，感谢中国医学科学院高性能计算中心的支持!)

［1］ 张静涛，王伟，段振华.苦参碱类生物碱的应用进展［J］.现代生物医学进展，2007，7(3):451-454.

［2］ BOITEAU L，BOIVIN J，LIARD A，et al.A short synthesis of(±)-matrine［J］.Angew Chem Int Ed，1998，37(8):1128-1131.

［3］ IBRAGIMOV B T，TISHCHENKO G N，KUSHMURADOV Y K，et al.Stereoisomerism of the Matrine Alkaloids［J］.Khim Prir Soedin，1982，6(1):71-75.

［4］ IBRAGIMOV B T，TISHCHENKO G N，KUSHMURADOV Y K，et al.X-ray structural investigation of allomatrine and its noxide［J］.Khim Prir Soedin，1979，3(3):416-417.

［5］ KUSHMURADOV Y K，ASLANOV K A，KUCHKAROV S.The structure of lehmannine［J］.Khim Prir Soedin，1975，3(3):377-380.

［6］ DING P L，LIAO Z X，HUANG H，et al.(+)-12α-Hydroxysophocarpine，a new quinolizidine alkaloid and related anti-HBV alkaloids from Sophora flavescens［J］.Bioorg Chem Lett，2006，16(10):1231-1235.

［7］ 赵宝中，荣大奇，王秀军，等.苦参碱和氧化苦参碱电子结构与药性的关系［J］.分子科学学报，2000，16(2):88-93.

［8］ PARR R G，YANGW.Density-functional theory of atoms and molecular［M］.London:Oxford University Press，1989:47-69.

［9］ WRIGHT J S，CARPENTER D J，MCKAY D J.Development and use of quantum mechanical molecular models.76.AM1:a new general purpose quantum mechanical molecularmodel［J］.J Am Chem Soc，1985，107(12):3902-3909.

［10］ 孙钦超，冯大诚.头孢类抗生素定量结构-活性关系的密度泛函研究［J］.高等学校化学学报，2007，28(4):696-699.

［11］ 李吉来，杭烨超，耿彩云，等.磺酰脲类化合物除草活性的QSAR研究［J］.高等学校化学学报，2007，28(3):539-542.

［12］ KATRITZKY A R，PETRUKHIN R，JAIN R，et al.QSAR analysis of flash points［J］.Chem Inf Comput Sci，2001，41(11):1521-1530.s