儿茶素与碱基对相互作用的理论研究

郑 妍， 陈 晓， 刘柳斜， 李来才

(四川师范大学化学与材料科学学院，四川成都610066)

儿茶素属黄烷醇类化合物，是一类多酚类物质，约占茶叶多酚总量的60%～80%，是茶叶中的重要功能性成分［1］．儿茶素中主要包括:表没食子儿茶素(EGCG)、表儿茶素没食子酸酯(ECG)和表儿茶素(EC)［2］．儿茶素中存在电子离域结构，具有很强的抗氧化作用，不仅能与超氧自由基发生反应，还能与金属离子螯合起到抗氧化作用，防止多种物质自动氧化［3］．儿茶素在生理水相环境中极不稳定，易异构化或聚合，其结构中的酚羟基与水分子之间也易形成氢键，形成巨大的水合外层，从而导致儿茶素脂溶性差，降低了儿茶素的吸收，影响其在人体内的生物利用［4］．儿茶素作为一种具有药用价值的小分子化合物，具有很强的清除自由基和抗氧化的作用．该作用也是儿茶素其他药理作用的重要基础［5］．绿茶儿茶素可以抑制癌细胞增殖，诱导其凋亡，儿茶素单体间作用效果存在差异，ECG和EC抗胰腺导管癌细胞增殖作用明显，作用均强于EGCG［5］．儿茶素可增加细菌细胞膜的通透性，使胞内蛋白质和糖类物质渗漏，造成细菌代谢发生紊乱，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的最小抑菌质量浓度(MIC)分别为 0．32 g/L 和 1．25 g/L．当前大多数人们的研究主要致力于儿茶素及其衍生物的实验合成、儿茶素分子在气相中的几何结构、能量、分子静电势的理论研究，对儿茶素与碱基对的特异性识别、作用位点和相互作用的机制研究较少．儿茶素具有生物活性显著、药理作用广泛的特点［6］．DNA大分子内含有4种不同类型的碱基，分别为胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)及胸腺嘧啶(T)，这些不同的碱基对于遗传信息在各种生物体内的转录、复制、遗传扮演着极其重要的作用，在碱基对的组成过程中，嘌呤只能与嘧啶配对，腺嘌呤(A)一定与胸腺嘧啶(T)配对，鸟嘌呤(G)一定与胞嘧啶(C)配对［7－8］．本文主要研究胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)配对的碱基对与儿茶素的相互作用．采用密度泛函理论对儿茶素与碱基对形成的多种复合物进行研究，对于了解这些活性小分子与生物分子的作用规律，进而阐明其生物学效应的机制有重要意义，为儿茶素类药物的设计、修饰、合成和筛选提供有价值的信息．

1 计算方法

采用密度泛函理论(DFT)M05 方法［9－13］在6－311++G(d，p)基组水平下对儿茶素、碱基对、儿茶素和碱基对分子复合物进行结构优化，在优化的基础上进行频率计算，所得结构均是势能面上的稳定点．运用 Bader［14］建立的分子中的原子理论(AIM)对复合物的成键临界点电荷密度进行分析，揭示分子间所成键的性质;还应用Weinhold等［15］建立的自然键轨道(NBO)理论，对优化后的结构进行NBO分析，揭示分子间氢键作用强度对复合物构型稳定性的影响．在计算复合物相互作用能时，考虑了零点能(ZPE)和基组重叠误差(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的计算公式为

其中，EAB是复合物AB的能量，EA(B)是复合物中所有B原子核设为携带虚轨道的傀儡原子时计算获得的单体A的能量，EB(A)是复合物中所有A原子核设为携带虚轨道的傀儡原子时计算得到的单体B的能量．所有计算均运用Gaussian 09程序［17］完成．

2 结果与讨论

由于儿茶素分子结构式里面含有多个羟基，不同的羟基取向会使得儿茶素分子构型具有多样性．选择能量最低最稳定的Catechin构型作为研究对象，采用6－311++(d，p)基组对儿茶素－碱基对复合物的构型进行全优化，得到稳定的儿茶素－碱基对复合物19个，并在相同水平上进行单体频率、复合物频率计算．优化的儿茶素－碱基对复合物构型如图1所示，相应的能量列于表1．分析计算结果表明:氢键的种类和氢键的个数对儿茶素－碱基对复合物的稳定性起着极其重要的作用．

图 1 (续)

表1 儿茶素－碱基对复合物的总能量E、相对能量△E、BSSE校正后△E'、溶剂化的相互作用能△E″Tab．1 Total energies(E)，relative energies(△E)，with the BSSE correction(△E')and the solvation effect(△E″)for all the complexes

在研究儿茶素－碱基对复合物成键情况的过程中，应用AIM2000程序计算了复合物中成键临界点的电荷密度，以及成键临界点的拉普拉斯值(▽2ρ)．氢键临界点处的电荷密度(ρ)在 0．002～0．040 a．u．，相应的成键临界点电荷密度的拉普拉斯值范围在0．024～0．139 a．u．［18－19］．我们计算的儿茶素－碱基氢键复合物中X(N，O)…H的临界点电荷密度均在0．005～0．039 a．u．，而相应临界点处的拉普拉斯值在 0．023～0．133 a．u．，符合氢键的定义．当 2 个不同分子间存在相互作用，形成一个氢键时，通过相互作用能的大小可以反映出氢键的强弱以及复合物的稳定性［20－21］．但是，当所形成的复合物中存在2个及以上氢键的时候，该复合物的稳定性以及氢键强弱的判断会变得很复杂．根据图1可知，儿茶素－碱基对复合物中共有 O—H…O、C—H…O、O—H…N、N—H…O、C—H…N等5种不同类型的氢键，复合物A06、A07存在 1个分子间氢键，复合物 A02、A03、A05、A09、A12、A13、A14、A19 存在 2 个分子间氢键，复合物 A01、A08、A10、A11、A15、A16、A18 存在3个分子间氢键，复合物A04存在4个分子间氢键．儿茶素－碱基对复合物经BSSE校正后的能量顺序:A16＞A10＞A15＞A13＞A12＞A14＞A17＞A19＞A18＞A11＞A02＞A03＞A06＞A05＞A04＞A09＞A08＞A01＞A07．通过这个顺序发现:一般情况下，氢键的数目越多，复合物相互作用能越高，稳定性好，表明氢键强弱具有简单的加和性，但是并不是氢键数目越多，形成的复合物能量就越低，分子就越稳定，分子的稳定性还和氢键的平均键长及电荷密度等因素有关．

由表1中数据可以看出，儿茶素－碱基对复合物经BSSE校正后的相互作用能最高的是化合物A16，是所有复合物中最稳定的，该分子中存在3个氢键，分别是:O(2)—H(2)…N(8)、C(1)—H(1)…O(8)、C(7)—H(21)…O(8);键长分别是:0．182、0．238 和 0．269 nm，平均键长为 0．230 nm，对应的临界点电荷密度分别为:0．037、0．011 和0．006 a．u．;对应的临界点电荷密度的拉普拉斯值分别为:0．102、0．034 和 0．018 a．u．;键级分别为:0．065、0．007、0．003．该复合物比其他此类复合物形成的氢键键长小，电荷密度大，所以是最稳定的．在复合物A04中，存在4个分子间氢键，分别是:N(5)—H(14)…O(5)、O(5)—H(5)…O(7)、C(2)—H(17)…O(7)、C(5)—H(6)…O(4);键长依次为:0．280、0．204、0．280 和 0．245 nm，平均键长为0．252 nm．化合物 A16之所以比化合物A04稳定，可能是化合物A16中不含有N—H…O氢键．N—H…O氢键的键长比较长，临界点电荷密度比较小导致该类型氢键弱，使得其形成的复合物分子相互作用能低而不稳定．对于分子间形成多个氢键复合物，其稳定性与局部氢键强度相关．

在形成三氢键的复合物 A01、A08、A10、A11、A15、A16、A18中，A01的 3个氢键是:C(4)—H(8)…O(2)、O(3)—H(3)…O(7)、N(5)—H(14)…O(3);键长分别为:0．270、0．197 和 0．264 nm．A10 的3个氢键是:N(3)—H(11)…O(4)、C(1)—H(1)…O(8)、O(2)—H(2)…N(8);键长分别为:0．225、0．269和0．184 nm．A11的 3个氢键是:N(3)—H(2)…O(5)、O(5)—H(5)…O(8)、C(2)—H(20)…N(8);键长分别为:0．282、0．183 和0．253 nm．复合物A15的3个氢键是:O(2)—H(2)…O(8)、O(3)—H(3)…N(8)、N(3)—H(11)…O(1);键长分别为:0．175、0．227、0．237 nm．A18 的 3 个氢键是:N(3)—H(11)…O(4)、C(2)—H(20)…O(8)、O(5)—H(5)…N(8);键长分别为:0．273、0．220 和 0．192 nm．因为化合物A01、A10、A11、A15和A18中含有N—H…O型氢键，故它们的稳定性不如A16．而在复合物A08中3个氢键分别是:C(4)—H(8)…O(4)、C(2)—H(19)…O(7)、O(5)—H(5)…N(2);键长分别为:0．256、0．273和 0．215 nm，平均键长是:0．248 nm．A08与A16含有的氢键数目和类型都相同，但是A08中氢键的平均键长大于A16，即A08中的氢键强度弱于A16，所以A08的稳定性低于A16．而对于含有同样氢键数目和氢键类型的化合物A10和A18，A10的平均键长是0．226 nm，A18的平均键长是0．228 nm，A10中氢键的平均键长小于A18，A10中的氢键强度比A18大，而化合物A10的稳定性比A18强．因此，对于形成氢键数目和氢键类型都相同的复合物而言，氢键的平均键长与所对应复合物稳定性的顺序是一致的，即键长越短，复合物相互作用能越高，稳定性越好．

在形成二氢键的复合物 A02、A03、A05、A09、A12、A13、A14、A19中，复合物 A13 的 2 个氢键为:O(2)—H(2)…O(8)、C(1)—H(1)…N(8);键长分别为:0．177 和 0．239 nm;键级分别为:0．045、0.012;对应的临界点电荷密度分别为:0．034和0．012 a．u．;对应的临界点电荷密度的拉普拉斯值分别为:0．096和 0．027 a．u．，其中 O(2)—H(2)…O(8)键长是这类复合物形成氢键中最短的，电荷密度是最大的，形成的氢键最强，所以在相同个数的氢键中复合物最稳定．

通过以上分析可知，在2个分子相互作用的时候，复合物会尽可能多的形成氢键，降低体系能量，增强体系的稳定性;但是当复合物中存在2个或更多氢键时，复合物的稳定性由形成的氢键类型以及强度共同决定．

3 结论

本文采用密度泛函理论，在6－311+G(d，p)基组水平上研究了儿茶素与碱基对之间的相互作用机制，得到稳定的儿茶素－碱基对复合物19个，经BSSE校正后的相互作用能顺序为:A16＞A10＞A15＞A13＞A12＞A14＞A17＞A19＞A18＞A11＞A02＞A03＞A06＞A05＞A04＞A09＞A08＞A01＞A07．优化后的构型和相互作用能分析表明儿茶素－碱基对复合物中共有5种不同类型的氢键，而氢键对于儿茶素－碱基对复合物分子的稳定性有着极其重要的作用．当儿茶素分子与碱基对分子之间发生相互作用时，儿茶素－碱基对复合物会形成氢键相互作用，这种几何构型不仅可以有效地降低分子体系的总能量，还能够增强整个体系稳定性．每个儿茶素－碱基对复合物中存在1～4个不等的氢键，而复合物的稳定性则由氢键的类型、个数以及氢键的强度3种因素共同决定．