理论探究咖啡因N3和N7位水解去甲基代谢机理

康 媛，陶 婧，陈 秋，王永婷，张 燕，薛志宇，陈泽琴

(西华师范大学 a．化学化工学院;b．四川省化学合成与污染控制重点实验室，四川 南充 637009)

1 引 言

咖啡因，又称为1，3，7 -三甲基黄嘌呤，是一种天然黄嘌呤生物碱． 它主要存在于某些植物的种子、叶子和果实中，如咖啡豆［1］． 咖啡因是一种中枢神经兴奋剂，是世界上使用最普遍的精神活性物质和情绪转换药［2］． 在所有的腺苷受体中，咖啡因是一种受体拮抗剂，它像其他黄嘌呤一样扮演着磷酸二酯酶抑制剂的角色［3］． 因而在药物方面常被用作强心剂、止痛剂． 最近的研究表明咖啡因还有助于巩固人类长期的记忆［4］．适量的摄入咖啡因可以降低患心血管疾病、子宫内膜癌以及二型糖尿病的风险［5，6］． 但过量的咖啡因会增加患膀胱癌的风险［7］．

咖啡因在体内的主要代谢路径是通过N 位去甲基反应． 通过N1、N3和N7位去甲基，咖啡因可降解形成可可碱(3，7 -二甲基黄嘌呤)、副黄嘌呤(1，7 -二甲基黄嘌呤)和茶碱(1，3 -二甲基黄嘌呤)．这三种初级代谢产物与咖啡因有相似的医用价值． 可可碱通常被用作血管扩张剂和利尿剂． 茶碱作为支气管扩张剂治疗慢性阻塞性肺气肿和哮喘［8］． 副黄嘌呤能加速脂解，并具有精神兴奋药理性质［9］，因此，研究咖啡因的生物降解过程具有十分重要的意义． 在前面，我们已经研究了咖啡因N1位水解去甲基的反应机理，探讨了N1位水解的两条反应路径［10］． 在此基础上，本文以咖啡因分子和水分子为研究模型，利用量子化学方法探讨了咖啡因N3和N7位水解代谢机理，通过优化反应过程中各稳定点的构型，了解反应的热力学和动力学性质，为咖啡因的水解代谢机理提供更完整的信息．

2 计算方法

本文所有的计算都是通过高斯09 程序包完成的［11］． 在气相中，势能面上各反应物(RC)，过渡态(TS)，中间体(IM)和产物(PC)的结构都采用密度泛函BH＆HLYP/6 -311 + +G(d，p)方法进行优化［12］． 并对优化结构进行谐振频率分析，确保势能面上所有的极小点没有虚频，过渡态有且仅有一个虚频． 同时利用内禀反应坐标IRC 分析(Intrinsic Reaction Coordinate)确定过渡态连接的反应物和产物．

3 结果与讨论

作者考察了咖啡因N3和N7位水解去甲基反应的两条代谢机理，形成相应的副黄嘌呤和茶碱． 反应过程的Gibbs 自由能(ΔG)和能量(ΔE)变化如表1 所示．

表1 BH＆HLYP/6 -311 + +G(d，p)水平下，咖啡因N3 和N7 位水解代谢机理的Gibbs 自由能(ΔG)和能量(ΔE)变化(单位:kJ·mol-1)．Tab．1 Changes of Gibbs Free Energies (ΔG)and Electronic Energies (ΔE)for the hydrolysis metabolic mechanisms of caffeine at N3 and N7 sites at the BH＆HLYP/6 -311 + +G(d，p)theory of level (in kJ·mol-1)

3．1 咖啡因N3 位水解代谢机理

咖啡因N3位水解代谢过程有两条可能的反应路径:路径A 和B．路径A 为分步反应机理，首先，水分子对N3位甲基碳原子进行亲核进攻，同时水分子中的一个质子向O2原子转移，形成副黄嘌呤的烯醇式异构体，并释放出甲醇;然后，在甲醇分子的协助下，通过质子转移实现副黄嘌呤烯醇式和酮式的互变，从而形成副黄嘌呤稳定的酮式构型． 路径B 为协同反应机理，水分子在对N3位甲基碳原子进行亲核进攻的同时伴随质子向N3原子的转移，直接形成酮式构型的副黄嘌呤．

3．1．1 路径A

路径A 势能面上反应物、中间体、过渡态和产物的优化构型如图1 所示． 在第一步亲核反应中，过渡态1 -TSA1的振动虚频为603 i cm-1，其主要振动模式对应于水分子中氧原子Ow对N3位甲基碳原子C3的亲核进攻，与此同时，水分子中的一个质子H 转移到O2原子，形成一个稳定的六元环． 在过渡态1 -TSA1中，C3-N3距离为2．26Å，远大于反应物1 -RCA的键长(1．46Å)，说明在过渡态1 -TSA1中C3-N3键在很大程度上已被削弱． 随着反应的进行，生成副黄嘌呤的烯醇式异构体1 -IMA． 在1 -IMA中，C3-N3键已完全断裂，反应生成的甲醇与副黄嘌呤的烯醇式异构体通过氢键Ow-H…N3和O2-H…Ow相互作用． 在气相中，该反应所需的活化自由能为358．8 kJ·mol-1;反应为吸热反应，反应能量为67．5 kJ·mol-1．

第二步为副黄嘌呤的烯醇式与酮式的互变异构． 在甲醇的协助下，反应过渡态1 -TSA2为六元环过渡态，环的张力较小，其振动虚频为1 156 i cm-1，反应所需的活化能较低，在气相中为43．1 kJ·mol-1． 反应为放热反应，反应能量为41．0 kJ·mol-1，说明可可碱的酮式构型比烯醇式更稳定．

图1 在BH&HLYP/6-311++G(d,p)水平下咖啡因N3 位水解路径A 的稳定点构型Fig．1 Optimization structures of stationary points for the path A of the hydrolysis of caffeine at N3 site at the BH&HLYP/6-311++ G(d,p) level

3．1．2 路径B

路径B 中各稳定点的优化结构如图2 所示． 过渡态1 -TSB1的振动虚频为550 i cm-1，其振动模式对应于水分子中氧原子Ow对C3原子的亲核进攻，随后，水分子中的一个质子转移到N3原子，直接形成酮式构型的副黄嘌呤． 过渡态1 -TSB1为四元环结构，其结构中C3-N3、C3-Ow、Ow-Hw和Hw-N3长度分别为2．31、2．14、0．98 和1．71Å． 由于四元环较大的环张力，过渡态1 -TSB1的活化自由能为362．3 kJ·mol-1，比路径A 高3．5 kJ·mol-1． 路径B 为吸热反应，反应能量为24．5 kJ·mol-1． 由此可见，对于咖啡因N3位水解去甲基过程，路径A 优于路径B．

3．2 咖啡因N7 位水解代谢机理

咖啡因N7位水解代谢过程也有两条可能的反应路径．路径A 由两步完成，首先，水分子对N7位甲基碳原子C7进行亲核进攻，该过程伴随水分子的一个质子向O6原子转移，形成茶碱的烯醇式异构体和甲醇;然后，在甲醇分子的桥梁作用下，茶碱的烯醇式通过质子转移形成酮式构型． 路径B 由一步反应完成，水分子在对C7原子进行亲核进攻的同时伴随质子直接向N7原子的转移，形成酮式构型的茶碱．

3．2．1 路径A

咖啡因N7位水解代谢路径A 中各稳定点的优化构型如图3 所示． 在第一步的亲核进攻过程中，过渡态2 -TSA1是一个七元环结构，它的振动虚频为584 i cm-1，它的主要贡献是促进水分子中的Ow-H 键和咖啡因分子中的N7-C7键断裂，从而形成甲醇和茶碱的烯醇式异构体(2 -IMA)． 在过渡态2 -TSA1中，N7-C7、C7-Ow和Hw-O6键的长度分别为2．26Å、2．12Å 和1．67Å，这表明过渡态2 -TSA1中N7-C7键的削弱和C7-Ow和Hw-O6键的增强． 过渡态2 -TSA1的活化自由能为363．1 kJ·mol-1，反应为吸热反应，所需的能量为77．6 kJ·mol-1． 在第二步的互变异构中，在甲醇分子的协助下，过渡态2 -TSA2为七元环结构，其振动虚频为839 i cm-1． 该互变异构所需的活化自由能仅为8．7 kJ·mol-1，反应为强放热过程，反应能量为60．4 kJ·mol-1． 因而，茶碱的烯醇式异构体极不稳定，很容易转化为其酮式构型，该互变异构过程在热力学和动力学上都是有利的．

图2 在BH&HLYP/6-311++G(d,p)水平下咖啡因N3 位水解路径B 的稳定点构型Fig．2 Optimization structures of stationary points for the path B of the hydrolysis of caffeine at N3 site at the BH&HLYP/6-311++ G(d,p) level

图3 在BH&HLYP/6-311++G(d,p)水平下咖啡因N7 位水解路径A 的稳定点构型Fig．3 Optimization structures of stationary points for the path A of the hydrolysis of caffeine at N7 site at the BH&HLYP/6-311++ G(d,p) level

3．2．2 路径B

咖啡因N7位水解路径B 各稳定点的优化构型如图4 所示． 路径B 与路径A 的差别在于当水分子中的Ow原子对C7进行亲核进攻时，水分子中的质子是直接转移到N7原子，形成酮式构型的茶碱． 如图4 所示，过渡态2 -TSB1为环张力较大的四元环结构，其振动虚频为542 i cm-1，振动模式主要应对于N3-C3键的伸缩振动． 在过渡态2 -TSB1中，N7-C7和C7-Ow键长分别为2．40Å 和2．24Å，标志着N7-C7键的削弱和C7-Ow增强．过渡态2 -TSB1的活化自由能为370．7 kJ·mol-1，比2 -TSA1高7．6 kJ·mol-1． 路径B 也是吸热反应，反应能量为20．4 kJ·mol-1． 由此可见，对于咖啡因N7位水解去甲基过程，路径A 比路径B 更有利．

图4 在BH&HLYP/6-311++G(d,p)水平下咖啡因N7 位水解路径B 的稳定点构型Fig．4 Optimization structures of stationary points for the path B of the hydrolysis of caffeine at N7 site at the BH&HLYP/6-311++ G(d,p) level

综上所述，结合N1位水解代谢机理的研究［10］，比较N1、N3和N7位的最优水解路径可以看出:N1位水解所需的活化自由能最低，然后依次是N3和N7位． 因而可可碱为咖啡因水解代谢的优势产物，然后是副黄嘌呤，最后是茶碱．但所有N 位水解代谢路径所需的活化能均较高，因而咖啡因通过直接水解代谢是不可行的．

4 结 论

咖啡因和它的代谢产物都具有十分重要药理学效应，它在人体内的代谢与人类健康密切相关． 作者采用BH＆HLYP/6 -311 + +G(d，p)方法研究了咖啡因N3和N7位水解代谢形成副黄嘌呤和茶碱的反应机理． 研究表明:对于N3或N7位水解代谢，路径A 比路径B 更有利，N3位水解代谢优于N7位．但所有N 位水解代谢均需要较高的活化能，咖啡因代谢必须要在酶的作用下才能进行．

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