黄曲霉毒素B1分子结构分析及反应活性位点预测*

唐海飞， 吴梅青， 颜 涛

(湘潭医卫职业技术学院，湖南 湘潭 411104)

黄曲霉毒素是由黄曲霉、寄生曲霉等真菌产生的代谢产物，目前已发现其衍生物有二十余种，主要包含B1、B2、G1、G2等种类[1]，其中黄曲霉毒素B1的毒性和致癌性最高，可造成人体内脏出血性坏死[2]及诱发肝癌[3]，是世界公认的危害最大的霉菌毒素，为世卫组织1993年列入的Ⅰ类致癌物[4]。黄曲霉毒素既可以污染玉米、花生、棉花等常见农作物[5]，给粮食安全带来重大隐患，也可在中药材种植、采收、加工、运输等环节污染莲子、大枣、陈皮、桃仁等常见的中草药[6]，既给人民健康带来严重威胁，也严重影响中药的质量与安全。

以往关于黄曲霉毒素B1的研究主要集中在含量测定、毒理作用及减毒方法的实验研究上[7-10]，关于黄曲霉毒素B1分子本身结构及反应活性位点的相关研究较少，尚未发现运用量子化学手段对其在分子水平进行结构和反应位点的研究。随着计算机技术不断发展，量子化学手段越来越多地被用于物质结构和性质的研究中，如李怡菲等[11]基于量子化学密度泛函理论对环木菠萝烯醇阿魏酸酯分子结构性质进行了研究，龙威等[12]利用量子化学手段对莽草酸分子活性及光谱进行了深入探讨。通过量子化学手段在分子水平研究分子结构及性质，所得结果定量、准确及可视化，能解决实验难以研究的微观问题，给物质研究带来了极大的方便，具有重要意义。

因此，本研究以黄曲霉毒素B1分子为对象，利用量子化学软件对其进行计算分析，分析其结构特点，预测其反应活性位点，为进一步理解黄曲霉毒素B1结构特点、化学性质、构效关系、毒理作用以及进一步提升中药材质量与安全性提供理论参考。

1 方法

依据量子化学密度泛函理论，在B3LYP/6-311++G**方法水平下运用Gaussian 16程序对黄曲霉毒素B1分子进行结构优化，得到稳定结构及波函数文件，运用Multiwfn 3.8软件[13]对分子平面性[14]、分子表面静电势(electrostatic potential, ESP)[15]、平均局部离子化能(average local ionization energy, ALIE)[16]、前线分子轨道[17]、原子电荷[18]进行了计算分析。同时，基于概念密度泛函理论，也对简缩福井函数等局部描述符和电负性、化学势、化学硬度、化学软度、亲电指数及亲核指数等全局描述符[19]进行了计算分析。

2 结果

2.1 分子构型 黄曲霉毒素B1基态分子结构见图1。从图中可知，黄曲霉毒素B1分子含有苯并吡喃酮的香豆素基本母核，同时分子中含有两个二氢呋喃环，整个分子由五个环稠合而成。分子中含有碳碳双键、内酯键、羰基和醚键等官能团。黄曲霉毒素B1分子优化后的结构中部分键长、键角、二面角数据见表1。

图1 黄曲霉毒素B1分子结构及原子编号

表1 黄曲霉毒素B1分子中部分键长、键角数据

从键长数据分析可知，由于苯环存在大π键，有共轭效应，没有存在典型的双键。受到取代基的影响，六元环键长并不完全相等，C(5)=C(6)和C(6)-C(1)键长稍长；C(15)=C(16)间的键长跟碳碳双键键长接近，说明C(15)=C(16)间形成了典型的双键；C(9)=C(10)间的情况与C(15)=C(16)类似，但是由于存在共轭效应，所以键长稍长。分析C(8)=O(21)和C(8)-O(7)的键长和∠O(7)-C(8)=O(21)数据可知，O(21)=C(8)-O(7)为典型的六元环内酯键。从二面角数据可知，两个二氢呋喃环并不在一个平面上。在稳定构象中，甲氧基几乎与苯环共平面。

2.2 分子平面性 分子平面性是分子的一个重要的结构特征，对分子的芳香性、光学性质、分子间相互作用等有密切关系。由于黄曲霉毒素B1分子中存在共轭体系，容易出现平面性结构，但分子实际的平面性需要进行进一步探讨。笔者在卢天[14]对分子平面性的最新研究基础上，又对黄曲霉毒素B1进行了平面性分析，见图2。

图2 黄曲霉毒素B1分子平面性示意图

当分子完全接近平面时，分子平面性参数(molecular planarity parameter,MPP)和偏离平面跨度(span of deviation from plane,SDP)将接近于0 Å。计算结果显示，黄曲霉毒素B1分子的MPP值为0.399 Å，偏离平面跨度SDP为1.805 Å，表明黄曲霉毒素B1并不是所有非氢原子都在一个平面。从图2可以看出，黄曲霉毒素B1大部分非氢原子都与苯环在一个平面内，但是O(14)、C(15)和C(16)三个非氢原子在另一个平面内，整个分子类似字母“L”展开。这与二面角数据分析基本一致。

2.3 ESP 将ESP计算结果结合可视化分子动力学(visual molecular dynamics, VMD)程序可绘制出黄曲霉毒素B1分子表面静电势和极值点分布图，见图3。黄曲霉毒素B1部分原子ESP平均值见表2。

图3 黄曲霉毒素B1 ESP分布图

表2 黄曲霉毒素B1部分原子ESP平均值/(kcal·mol-1)

结合图3可知，黄曲霉毒素B1分子中氧原子附近主要分布极小值点，极大值点主要分布在氢原子附近。主要是由原子的电负性决定，电负性越强的原子吸电子能力越强，从而附近呈现极小值点。因苯环存在共轭效应而电子集中，故分子中苯环附近也存在极小值点。值得注意的是，整个分子最小的极值点在分子中羰基O(20)、内酯键O(21)原子中间，同时，双氢呋喃环O(14)原子附近极小值点数值也较小，表明这两个极值点处电子丰富，在发生静电吸引形成复合物时比较活泼，也可能易发生亲电反应。整个分子最大的极值点在苯环H(24)附近，此外，甲氧基氢原子周围也存在不少极大值点，表明这几处电子较为缺乏，静电吸引形成复合物时也比较活泼。结合表2数值可知，在黄曲霉毒素B1分子中除了部分氧原子表面静电势较小外，需要特别关注的是双氢呋喃环双键C(16)、C(15)原子的ESP。它们的ESP平均值也较小，表明此处也可能易发生亲电反应。

一般情况下，复合物的形成由于静电吸引趋向于静电势最大值和最小值相互靠近。因此，黄曲霉毒素B1在以氢键、卤键等形式形成复合物时，羰基O(20)、内酯键O(21)及苯环H(24)、甲氧基氢原子将发挥主要作用。这对研究黄曲霉毒素B1分子晶体堆积、黄曲霉毒素B1与受体结合时有重要帮助。

2.4 ALIE ALIE指的是分子失去电子变成离子所需的能量。能量所需越小，表明分子对电子的束缚越弱，此处越易发生亲电反应。ALIE可以弥补表面静电势在分析亲电反应位点中的不足。黄曲霉毒素B1分子表面ALIE分布图，见图4。

图4 黄曲霉毒素B1分子表面ALIE分布图

从图4可以看出，黄曲霉毒素B1分子双氢呋喃环双键C(16)、C(15)原子附近的蓝色区域尤为明显，附近存在整个ALIE的最小值，为0.308 a.u.，表明此处为整个分子最易发生亲电反应的部位。从黄曲霉毒素B1分子结构分析可知，与分子中的其他双键相比，C(16)、C(15)所在双键不在分子的π-π共轭体系中，所以比其他双键反应活性强，易发生亲电加成反应。此外，羰基O(20)附近蓝色区域也较为明显，也可能易发生亲电反应。

2.5 前线分子轨道 根据前线轨道分子理论[17]，最高占据轨道(highest occupied molecular orbital, HOMO)束缚电子能力较差，具有给电子性质，最低未占轨道(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)则性质相反。前线轨道能隙差越小，反应活性就越强。黄曲霉毒素B1的前线轨道结构图见图5，其中蓝色表示波函数负相位，绿色表示波函数正相位。从图5可知，黄曲霉毒素B1的HOMO轨道位于双氢呋喃环双键C(16)、C(15)及分子中O原子附近，表明此处易受亲电试剂攻击，发生亲电反应，与静电势、局部离子化能分析结果一致，而LUMO轨道主要分布在羰基C(8)、C(17)及内酯环C(10)上，表明这些位置发生亲核反应的可能性稍大。

图5 黄曲霉毒素B1分子的LUMO和HOMO轨道图

2.6 原子电荷 原子偶极矩校正的Hirshfeld电荷(atomic dipole corrected Hirshfeld atomic charge, ADCH)可表征分子内不同原子所带电荷，带负电荷越多则亲电活性可能越强[18]。表3列出了黄曲霉毒素B1分子中各原子的ADCH电荷值。从表中可以看出，氧原子中O(20)、O(21)及碳原子中C(2)、C(16)具有较小原子电荷值，表明这几处具有较好的亲电活性。同时，C(8)、C(17)及C(12)具有较大原子电荷值，表明这三个地方易发生亲核反应。这与前文分析所得结论类似。

表3 黄曲霉毒素B1分子中各原子的ADCH电荷

2.7 简缩福井函数 简缩福井函数可定量分析分子中原子的亲电亲核反应活性。f+越大，亲核活性越强；f-表示越大，亲电活性越强[19]。本文在计算简缩福井函数时采用Hirshfeld原子电荷，这种做法的合理性已经过检验[20]。由表4可知，黄曲霉毒素B1分子中，氧原子中O(20)、O(21)的f-值均较大，表明这两处易发生亲电反应。碳原子中C(9)、C(6)、C(4)、C(16)、C(15)原子的f-值均较大，结合分子结构可知，因C(9)、C(6)、C(4)存在空间位阻效应，所以C(16)、C(15)这两处易发生亲电反应。值得注意的是，本研究是基于Hirshfeld电荷计算的简缩福井函数，所以预测亲核反应活性位点的结果并不理想[21]，亲核反应活性位点主要参考原子电荷计算结果。李怡菲等[11]研究环木菠萝烯醇阿魏酸酯的分子结构性质时也出现过类似情况。

表4 黄曲霉毒素B1分子中各原子的简缩福井函数值

2.8 全局活性参数 全局活性参数也可用于预测化学反应活性。表5列出了黄曲霉毒素B1的全局活性参数，在比较黄曲霉毒素B1与其他物质的反应活性时可以进行参考。黄曲霉毒素B1亲电指数小，亲核指数大，表明更多的电子将从分子内转移出去，易被亲电试剂进攻，发生亲电反应。该分子硬度大，软度小，表明分子反应活性并不强。

表5 黄曲霉毒素B1的全局活性参数

3 讨论

本研究基于密度泛函理论对黄曲霉毒素B1分子结构、反应活性位点进行了分析。从分子构型和分子平面性分析可知黄曲霉毒素B1分子稳定构象类似字母“L”展开。综合反应活性位点计算结果可知，黄曲霉毒素B1分子双氢呋喃环双键C(16)、C(15)原子附近具有ESP极小点，较小局部离子化能(0.308 a.u.)，较高负电荷(-0.076 a.u.)，较高f-值(0.047)，表明其具有较强的亲电活性，易发生亲电反应；羰基O(20)、内酯键O(21)原子之间存在ESP最小值点，苯环H(24)附近存在ESP最大值点，它们为静电吸引时的主要反应部位；C(8)、C(17)为主要亲核反应活性位点。本研究全面分析了黄曲霉毒素B1分子的结构特征和反应活性位点，为深入研究黄曲霉毒素B1分子的构效关系、毒理作用、减毒方法及进一步提升中药材质量和安全性奠定了一定的理论基础。