基于 DFT 方法研究钩藤碱和异钩藤碱的降压活性

刘靖丽，常 星，王钰莹，徐学学，赵雯雯，王若冰

(陕西中医药大学药学院，陕西 咸阳 712046)

钩藤是我国常用的一味降压中药，具有清热平肝、息风定惊、扩张血管等药理活性，以其平肝熄风之效达降压之效[1]。临床上常用于高血压、高血脂、脑血管硬化等心脑血管疾病的治疗[2-4]。最新研究[5-6]表明，钩藤对阿尔兹海默病有一定的疗效。钩藤中主要的药效活性成分是生物碱，其中钩藤碱(rhynchophylline,RIN)和异钩藤碱(isorhynchophylline,IRN)为四环吲哚类生物碱，是钩藤发挥降压作用的主要有效活性成分[7-9]，其分子结构如图 1所示。从分子结构上来说，钩藤碱和异钩藤碱是一对旋光异构体，唯一的差别在 C7 原子上，钩藤碱的C7是R构型，异钩藤碱的 C7 是S构型。2003年，Laus 等[10]解析了钩藤碱的晶体结构，结果表明，钩藤碱的 C 环是信封式构象，D 环是一个椅式构象，分子之间存在氢键相互作用。Wu 等[11]通过动力学实验表明，这一对旋光异构体之间可以进行相互转化。宋纯清等[12]通过动物实验表明，钩藤生物碱具有显著的降压作用，其中异钩藤碱的降压作用强于钩藤碱。目前，有关钩藤碱和异钩藤碱的结构与降压活性方面的理论研究甚少。作者所在课题组一直致力于研究中药有效成分的活性与结构之间的关系[13-14]。因此，作者采用密度泛函理论(density function theory,DFT)方法，研究钩藤碱及异钩藤碱的降压活性与分子结构之间的关系，拟为后续深入研究钩藤碱及异钩藤碱的药效关系提供理论基础。

图1 钩藤碱和异钩藤碱的分子结构及原子编号Fig.1 Molecular structures and atomic numbers of rhynchophylline(RIN) and isorhynchophylline(IRN)

1 计算方法

为了揭示钩藤碱和异钩藤碱的降压活性与分子结构之间的关系，采用密度泛函理论B3LYP 方法，以 6-311++G**为基组对钩藤碱和异钩藤碱进行量子化学计算，对钩藤碱和异钩藤碱分子进行结构优化、频率计算、NBO电荷分析和前线分子轨道计算，基于这些量子化学参数，分析钩藤中钩藤碱与异钩藤碱的降压活性与分子结构之间的关系及其规律。所有计算均由 Gaussian 09[15]软件包完成。

2 结果与讨论

2.1 分子几何结构优化

采用密度泛函理论 B3LYP 方法，以 6-311++G**为基组对钩藤碱和异钩藤碱的分子结构进行全优化，由此结构计算所得到的频率中没有虚频，说明相应的理论计算几何结构为稳定结构。钩藤碱和异钩藤碱在气相中优化得到的部分几何结构参数见表 1。

由表 1可知，钩藤碱与异钩藤碱以手性原子 C7 为中心，二面角C2-C7-C8-C6、C2-C7-C8-C3、C3-C7-C6-C2 和 C3-C7-C6-C8 的值大小相近，方向相反。计算表明，A环和B环在同一个平面上，C 环是一个信封式构象，D 环是一个椅式构象，整个分子是一个非平面构象，与钩藤碱的晶体结构十分吻合[10]。

表 1 钩藤碱和异钩藤碱在气相中优化得到的部分几何结构参数

2.2 NBO 电荷分析

药物分子的活性不仅与组成有关，也与分子的构型及构象有关。研究药物分子的结构特征，对了解药物活性的机理、结构与药性之间的关系以及进一步开发新型高效药物具有重要意义。药物分子与受体之间通过静电相互作用进行结合，因此药物分子的电荷对药物活性非常重要。计算所得钩藤碱和异钩藤碱的部分主要原子的 NBO 电荷分布见表 2。

由表 2可知，N1、O28、N4、C14、O25、O26及O23等原子具有较大的负电荷， 说明这些原子易与受体蛋白的正电荷区域结合而发挥作用。与钩藤碱相比，异钩藤碱原子上所带的负电荷稍多，更易与受体蛋白的正电荷区域作用。从电荷分析可以预测，异钩藤碱与受体蛋白的作用强于钩藤碱，即异钩藤碱具有较强的药理活性。因此，通过电荷分析可以较好地解释两种生物碱的实验药理活性差异。

表2 钩藤碱和异钩藤碱的 NBO 电荷分布

2.3 前线分子轨道及轨道能级分析

根据前线分子轨道理论[16]，药物分子的最高占据轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)对药物的活性影响巨大。HOMO能级决定了分子给出电子的能力，HOMO能级越高，轨道上的电子越容易被激发，药物分子的活性越强；LUMO能级越低，越容易接受电子，药物分子的活性也越强。因此， LUMO和HOMO的能级差值(ΔE(LUMO-HOMO))越小，药物分子越容易发生反应，可以更好地发挥药效。对钩藤碱与异钩藤碱的前线轨道进行详细计算，其前线轨道电子云分布如图 2所示。

图2 钩藤碱与异钩藤碱的前线分子轨道Fig.2 Frontier molecular orbitals of rhynchophylline and isorhynchophylline

由图2可知，钩藤碱与异钩藤碱的前线分子轨道基本相近。HOMO 轨道基本上都分布在A、B、C、D 等4个环上，说明这4个环是亲核反应中心，易与受体蛋白的正电荷区域作用。而 LUMO轨道则基本分布在侧链的酯基上，说明亲电反应中心主要在侧链上，易与受体蛋白的负电荷区域作用。

钩藤碱与异钩藤碱的前线分子轨道能级见表3，ΔE(LUMO-HOMO)的大小能反映出电子从最高轨道向最低轨道跃迁的能力，ΔE(LUMO-HOMO)越小则电子越容易跃迁，化合物的稳定性越弱，而其活性则越强。

表3 钩藤碱与异钩藤碱的前线分子轨道能级/kcal

由表3可知，钩藤碱比异钩藤碱的ΔE(HOMO -LUMO)高约 2 kcal，说明异钩藤碱的降压活性优于钩藤碱，与电荷分析结果一致。

3 结论

运用密度泛函理论B3LYP 方法，以 6-311++G**为基组对钩藤碱和异钩藤碱分子进行量子化学计算，从分子的几何构型、NBO电荷、前线分子轨道及轨道能级等方面分析钩藤碱和异钩藤碱的降压活性与分子结构之间的关系。前线分子轨道对其降压活性影响显著，ΔE(LUMO-HOMO)越小，化合物的降压活性越强。由ΔE(LUMO-HOMO)值可以预测，异钩藤碱的降压活性强于钩藤碱，理论计算与实验结果一致。该研究对钩藤碱及异钩藤碱降压活性强弱进行了理论解释，以期对钩藤碱及异钩藤碱构效关系的深入研究提供理论基础。