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续随子醇L713;283二萜类化合物溶液构象的分子模拟



全 文 :第 16 期
第 51卷第 16期
2012 年 8 月
湖北农业科学
Hubei Agricultural Sciences
Vol. 51 No.16
Aug.,2012
收稿日期:2011-11-17
基金项目:四川省中医药管理局科技专项(201003);乐山市科技局重点研究计划项目(2011SZD109)
作者简介:胡建平(1978-),男,湖南永州人,副教授,博士,主要从事计算机辅助药物分子设计研究,(电话)18981384068(电子信箱)
hujianping@emails.bjut.edu.cn。
分子模拟作为理论化学的一个重要领域,已经
成为继试验、理论之后的第三种研究手段。 常用的
计算方法有分子动力学 (Molecular dynamics,MD)
模拟以及密度泛函理论 (Density functional theory,
DFT)等。前者不但能给出体系在原子水平上的运动
细节,而且还可提供位置涨落和构象变化等详细信
息;DFT 则可以解决原子、分子中的许多问题,如单
点能的计算、振动光谱的研究、催化活性部位的预
测以及分子结构优化等。 综合使用 MD 模拟和 DFT
来研究药物分子的优势构象及电荷分布等技术一
直是国际上药物化学理论研究的主流 [1,2]。 续随子
(Euphorbia lathyris L.)为大戟科(Euphcrbiaceae)大
戟属(Euphorbia L.)二年生草本植物,广泛分布于中
国各地。 续随子的种子又名千金子,形状椭圆,含有
续随子醇 L713,283二萜类化合物溶液构象的分子模拟
胡建平 1,刘 嵬 2,唐典勇 1,成 英 1,陈封政 1,常 珊 3
(1. 乐山师范学院化学与生命科学学院分子设计中心,四川 乐山 614004;
2. 成都大学生物产业学院药食同源植物资源开发重点实验室,成都 610106;3. 华南农业大学信息学院,广州 510642)
摘要:将续随子醇 L713,283 二萜类化合物放入甲醇和氯仿两种不同极性的溶液中,分别进行长时间的
分子动力学模拟。 结果表明,续随子醇 L713,283 二萜类化合物在氯仿溶液中更稳定,构象波动幅度更
小;续随子醇 L713,283 二萜类化合物五元环和十一元环侧链上的 O71 及 O15 与甲醇羟基所形成的较稳
定氢键是其易溶于含氧有机溶剂的重要驱动力。 基于续随子醇 L713,283 二萜类化合物在氯仿溶液中的
3 个代表性构象,用密度泛函理论优化获得它们的稳定构象、静电势电荷及键参数。模拟结果与试验吻合
较好,为基于配体结构的药物分子设计提供了理论基础。
关键词:续随子醇;构象;药物设计;分子动力学模拟;密度泛函理论
中图分类号:Q949.753.5;O629.6+1;O621.14+2 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2012)16-3545-05
Molecular Modeling of the Solution Conformation of Euphorbia lathyris Alcohol
L713, 283 Diterpenoid Compound
HU Jian-ping1,LIU Wei2,TANG Dian-yong1,CHENG Ying1,CHEN Feng-zheng1,CHANG Shan3
(1. Molecular Design Center,College of Life and Chemistry, Leshan Normal University, Leshan 614004, Sichuan, China;
2. Key Laboratory of Medicinal and Edible Plants Resources Development, Faculty of Biotechnology Industry, Chengdu University, Chengdu
610106, China; 3. College of Informatics, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)
Abstract: Two long-time molecular dynamics simulations were carried out for Euphorbia (Euphorbia lathyris L.) alcohol
L713, 283 diterpenoid compound in methanol and chloroform solvents, respectively. The results showed that Euphorbia alco-
hol L713, 283 diterpenoid compound was more stable in chloroform solvent; and its conformation fluctuation amplitude was
smaller. The main driving force for Euphorbia alcohol L713, 283 diterpenoid compound being easily-soluble in oxygen-con-
taining organic solvent was that the O71 and O15 on the side-chains of the five-cycle and eleven-cycle formed stable hydro-
gen-bonds with the hydroxyl of methanol. Based on the three respective conformations of Euphorbia alcohol L713, 283 diter-
penoid compound in chloroform solvent, the stable conformations, electrostatic potential (ESP) charges and bond parameters
were obtained through density functional theory. The simulation result was accordant with the experimental data, which provid-
ed the theoretical basis for the drug design based on the structure of ligand.
Key words: Euphorbia alcohol; conformation; drug design; molecular dynamics simulation; density functional theory
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2012.16.017
湖 北 农 业 科 学 2012 年
二萜类、三萜类、香豆素和挥发油等成分,在中医临
床上主要用于治疗水肿、痰饮、积聚胀满、血瘀经闭
等症,还可用于治疗血吸虫、肝硬变、肾性水肿等疾
病[3,4]。 细胞学研究表明,续随子二萜类化合物有刺
激皮肤和抑制肿瘤生长的作用,在体外表现出明显
的抗肿瘤和抗 HIV 的生物活性 [5]。 李忌等[6]以长春
碱(Vincaleukoblastine sulfate)为阳性对照,从大戟
属植物中分离得到了 5 个对肝癌 SMMC-7221、肺腺
癌以及胃腺癌 MC80-3 细胞的生长均具有较强抑制
活性的天然二萜类化合物。 Duarte等[7]和 Corea等[8]
的体外化疗试验表明,续随子醇二萜类化合物的抗
癌活性强度与其化学结构密切相关,在分子五元环
和十一元环均有影响抗癌活性的关键碳原子及官
能团存在。 细胞膜 P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)
表达增加是癌症治疗产生多药抗药性 (Multidrug
resistance,MDR)的主要原因,而续随子二萜类化合
物可有效调节 P-gp 的表达,进而可能避免 MDR 的
发生[9-11]。 另外,续随子拥有独特的千金二萜烷型结
构,进而可通过环合作用而产生复杂的多环结构,这
是生物体中合成多种二萜类化合物的前体物[12]。 最
近,Jiao等[13]用包括二维 NMR在内的系列光谱方法
确定了 2 个续随子二萜类化合物的结构, 并用 X-
ray方法给出了它们的结构及立体构象。
尽管之前有较多对续随子二萜类化合物结构
以及药理学方面的研究,但是结构-功能关系、活性
官能团、构象变化和极性条件对分子构象的影响等
一系列重要问题尚未见报道。 试验以目前结构研究
最为彻底的 续随子二萜 类化合物续 随子醇
L713,283 (剑桥晶体数据库 Nos. CCDC713283)[13]
为例, 首先将其置于甲醇和氯仿溶液中进行 MD 模
拟,研究其构象变化;接着对代表性构象进行 DFT
优化, 获得了续随子醇 L713,283 二萜类化合物的
收敛精细构象及其结构参数, 并对体系稳定性、极
性对构象的影响以及分子结构参数进行了较为详
细的研究。 图 1 给出了续随子醇 L713,283 二萜类
化合物的分子结构,为了后续对其电荷及氢键进行
分析,所有原子序号均给出。 从图 1可以看出,续随
子醇 L713,283 二萜类化合物的骨架是由五元环与
十一元环骈合形成的,同时在其 C26 和 C37 位顺式
骈合了一个环丙烷。
1 计算方法
综 合 使 用 MD 模 拟 和 DFT 对 续 随 子 醇
L713,283 二萜类化合物的溶液构象进行较为详细
的研究。 将续随子醇 L713,283 二萜类化合物的剑
桥晶体数据库结构[13]作为 MD模拟的初始构象。MD
模拟采用 AMBER 9 程序和 GAFF 力场 [14,15],具体
操作是首先在溶质外围分别加上甲醇和氯仿 1.0
nm 的去头八面体溶剂盒, 总共加了 407 个甲醇和
186 个氯仿分子,体系总原子分别为 2 518 和 1 012
个;在 MD 模拟之前,对体系进行 2 次能量优化 ,
先约束溶质(约束力常数为 2.09×105 kJ / (mol·nm2),
用最陡下降法优化 5 000 步, 再用共轭梯度法优化
5 000 步,然后去约束后再进行 5 000 步最陡下降法
优化和 5 000 步共轭梯度法优化, 收敛条件为能量
梯度小于 4.18×10-4 kJ / (mol·nm2)。 MD 模拟分为两
步,第一步进行了 2 ns 约束溶质的 MD 模拟,约束
力常数为 4.18×103 kJ / (mol·nm2), 期间温度从 0 K
逐步升高到 300 K,第二步进行 10 ns 的无约束恒温
MD模拟。 在模拟中,用 VMD 图像显示软件实时跟
踪体系构象。 采用 SHAKE 算法[16]约束键长,MD 模
拟的积分步长设为 2 fs, 非键相互作用截断半径设
为 1.2 nm,每隔 1 ps 采集 1 次构象,共采集了10 200
个构象 。 基于 MD 模拟方法获得了续随子醇
L713,283 二 萜 类 化 合 物 的 3 个 代 表 性 构 象
(CL3_Sn,n=1~3), 再使用 Gaussian 03 程序包中的
B3LYP / 6-311G(d,p)计算方法 [2,17]对这些构象进行
几何构型优化和振动频率计算,得到它们的能量和
精细构型,并计算了静电势(Electrostatic potential,
ESP)电荷信息。 频率计算表明,CL3_Sn(n=1~3)的所
有优化构型均为稳定结构(无虚频)。
2 结果与分析
2.1 MD模拟
续随子醇 L713,283 二萜类化合物在甲醇及氯
仿溶液中势能和方均根偏差 (Root mean square
deviation,RMSD, 反映了模拟体系中原子的空间位
图 1 续随子醇 L713,283 二萜类化合物的分子结构
3546
第 16 期
置与其初始位置的偏移程度)随时间的动态变化情
况见图 2。从图 2a可知,在 2 ns之后,体系能量基本
稳定, 甲醇溶液中体系势能是 (-260±39.97) kcal /
mol,氯仿溶液中则为(-967.94±27.72) kcal / mol,波
动率分别为 15.40%和 2.86%。 从图 2b可以看出,体
系在 6 ns 前基本稳定,之后有一定的波动。 这可能
是因为随着 MD模拟时间的延长, 模拟采样更加充
分, 会在不同的采样空间收集到构象。 续随子醇
L713,283 二萜类化合物在甲醇和氯仿溶液中的整
体 RMSD分别为(0.107±0.021) nm 和(0.093±0.019)
nm,体系在非极性氯仿溶液中的构象与初始晶体结
构的差别以及构象涨落幅度均小于在极性甲醇溶
液中的。 势能和 RMSD 分析结果均表明,非极性环
境有利于续随子醇 L713,283 二萜类化合物的稳
定, 这可能与续随子醇 L713,283 二萜类化合物是
非极性的化合物相关。
随后分析了续随子醇 L713,283 二萜类化合物
与甲醇溶液所形成的氢键, 氢键采用几何方法判
定 [18],即氢供体-氢原子-氢受体角度大于 135°,氢
供体-氢受体间距离小于 0.35 nm,此处氢供体是甲
醇羟基上的氧原子, 氢受体为续随子醇 L713,283
二萜类化合物上的 9 个氧原子(图 1)。 计算结果表
明,除了 O13、O49和 O69外,其他氧原子(包括 O7)
都能与甲醇形成中等强度的氢键,不过参与形成氢
键的甲醇分子呈动态变化,可见续随子醇 L713,283
二萜类化合物分子在甲醇溶液中整体运动较为剧
烈。 通过计算氢键占有率(即氢键构象在整个模拟
轨迹中所出现的几率)发现,续随子醇五元环和十
一元环上的 O71 和 O15 与甲醇羟基所形成的氢键
占有率最高,均超过了 25%,推测这 2 个氧原子所
形成的氢键是续随子二萜类化合物易溶于甲醇等含
氧有机溶液 [7,19-21] 的驱动力之一。 鉴于续随子醇
L713,283 二萜类化合物与甲醇无法形成很稳定的
氢键, 不难理解续随子醇 L713,283 二萜类化合物
在非极性溶液氯仿中依赖很强的非极性相互作用,
其溶解性和稳定性均比在极性溶液甲醇中的大。
2.2 结构叠落
从 图 2b 可 知 , 甲 醇 溶 液 中 的 续 随 子 醇
L713,283 二萜类化合物在 6.0~6.3 ns、7.2~7.5 ns 以
及 9.4~10.0 ns 段的 RMSD 分别处于较高的平台,将
占大部分时间以及处于这 3 个时间段的平均结构
分别定义为 MOH_S1、MOH_S2、MOH_S3和 MOH_S4;
而将氯仿溶液中续随子醇 L713,283 二萜类化合物
的 3 个代表构象 (即大部区域,7.2~7.5、8.6~8.9 ns
段)分别命名为 CL3_S1,CL3_S2和 CL3_S3。为了分析
它们的构象差别, 图 3 给出了续随子醇 L713,283
二萜类化合物在 2 种溶液中的代表性构象的叠落
结果,图中用灰色 Stick 表示分子骨架,而体系中的
氧原子用 CPK 模型表示。 从图 3 可以看出,体系在
2 种溶液中的代表性构象骨架位置和 3 个环方向变
化较小,而涨落较大区域主要是较长的 C67 和 C11
侧链,尤以 C11侧链明显,侧链围绕 C8-C11 单键发
生了一定的转动。 考虑到单键旋转导致的能差不大
以及分子在 2 种溶液中的分子骨架位置接近,所有
后面分析仅采用了氯仿溶液中的 3 个代表性构象
作为初始结构, 用 DFT 优化获得它们的收敛构象,
进而获得体系的力场参数。
2.3 DFT计算
表 1 给出了续随子醇 L713,283 二萜类化合物
在氯仿溶液中 3 个代表性构象优化后的相关参数,
图 3 续随子醇 L713,283 二萜类化合物在甲醇(a)和
氯仿溶液(b)中的代表性结构叠落
200.00
0.00
-200.00
-400.00
-600.00
-800.00
-1 000.00
-1 200.00


//k
ca
l/m
ol
0 2 4 6 8 10
时间//ns
图 2 续随子醇 L713,283 二萜类化合物在甲醇及
氯仿溶液中的势能(a)和 RMSD(b)随时间的动态变化
CH3OH
CHCl3
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
RM
SD
//n
m
0 2 4 6 8 10
时间//ns
a
b CH3OH
CHCl3
胡建平等:续随子醇 L713,283 二萜类化合物溶液构象的分子模拟 3547
湖 北 农 业 科 学 2012 年
表 1 密度泛函优化后的相关参数
构象
CL3_S1
CL3_S2
CL3_S3
Er //kcal/mol
0
2.71
1.91
Hr //kcal/mol
0
2.80
2.09
Gr //kcal/mol
0
1.39
0.95
EHOMO//kcal/mol
-150.09
-150.77
-148.98
ELUMO//kcal/mol
-36.46
-36.31
-36.36
ELUMO-HOMO//kcal/mol
113.63
114.46
112.63
V//cm3/mol
412.704
448.971
439.771
μ//Debye
5.234 3
5.992 2
5.775 6
表 2 优势构象中所有原子的静电势电荷
序号
1
2
3
7
8
11
12
13
14
15
16
21
23
26
构象 1
-0.550
0.791
-0.585
-0.352
0.087
-0.245
0.537
-0.456
0.751
-0.551
-0.488
-0.171
0.051
-0.244
构象 2
-0.553
0.831
-0.580
-0.393
0.023
-0.477
1.191
-0.538
0.752
-0.562
-0.496
0.004
-0.090
-0.268
构象 3
-0.565
0.853
-0.569
-0.490
0.335
-0.262
0.339
-0.374
0.764
-0.558
-0.529
-0.115
0.000
-0.219
序号
27
28
32
37
39
41
42
46
47
48
49
50
51
52
构象 1
0.311
-0.428
-0.479
-0.053
-0.135
-0.083
-0.260
0.688
-0.512
-0.067
-0.302
0.676
-0.499
-0.486
构象 2
0.387
-0.429
-0.483
-0.097
-0.246
0.068
-0.448
0.531
-0.487
0.104
-0.316
0.730
-0.522
-0.526
构象 3
0.348
-0.479
-0.510
-0.095
-0.071
-0.027
-0.423
0.680
-0.513
0.094
-0.393
0.786
-0.542
-0.504
序号
56
57
58
65
67
69
70
71
72
73
75
77
79
81
构象 1
-0.467
0.320
-0.480
-0.127
-0.120
-0.320
0.642
-0.499
-0.064
-0.059
-0.153
-0.090
-0.139
-0.107
构象 2
-0.314
0.249
-0.470
-0.497
0.092
-0.372
0.582
-0.482
-0.013
-0.051
-0.160
-0.098
-0.131
-0.113
构象 3
-0.324
0.263
-0.453
-0.442
-0.019
-0.257
0.440
-0.453
0.079
-0.111
-0.139
-0.083
-0.150
-0.131
从表 1 可以看出,体系电子总能量、焓及吉布斯自
由能排序为 CL3_S2>CL3_S3>CL3_S1, 能差都小于 3
kcal / mol, 这属于单键旋转所导致的能差数量级范
围以内。 HOMO轨道表示已占有电子能级最高的轨
道,是主要的电子给予体,而 LUMO 轨道表示未占
有电子能级最低的轨道,是主要的电子接受体。这 2
个前线轨道的能差 (ELUMO-HOMO) 反映了体系的稳定
性,能差越大,电子转移反应概率越低。 前线轨道能
差分析显示 ,3 个最优体系的反应活性排序为
CL3_S3>CL3_S1>CL3_S2。从表 1 还可以看出,分子体
积排序为 CL3_S2>CL3_S3>CL3_S1,大部分时间段所
出现的 CL3_S1优化构象发生了一定收缩,代表着有
利于进入靶点蛋白结合位点的构象。 偶极矩计算结
果大小顺序为 CL3_S2>CL3_S3>CL3_S1,绝对值差别
在 10%左右, 方向均为 C65 指向 O15 和 O49 连线
的中点。 另外,3 个 DFT 最终优化构象叠落结果与
MD模拟后的代表性构象叠落结果(图 3)类似,只是
骨架叠落(包括 C67上的苯甲酰氧基和 C8-C11 键)
更好, 惟一例外的是 C8-O7 单键所连的乙酰氧基
(含 O1 和 O7)发生了明显的旋转,这可能也是导致
构象间有低于 3 kcal / mol 能差的主要原因。 综上所
述,除了偶极矩稍有变化外,其他参数变化较小。 试
验将 CL3_S1的收敛构象确定为续随子醇 L713,283
二萜类化合物的稳定结构,后面将分析最终稳定结
构的 ESP 电荷及分子构象模型, 这将为后续精细
MD 模拟以及抗癌靶点确定的分子对接研究提供有
价值的参考。
表 2 给出了 DFT 优化后 3 个构象的 ESP 电荷
分布。 从表 2 可知,除 C11、C12 和 C65 等几个原子
的静电势电荷差别较大外,其他原子的类似。 观察
之前的 MD 模拟轨迹发现,C11、C12 和 C65 原子的
构象波动较明显。 柔性和电荷分布分析均表明这 3
个碳原子有可能参与了分子的化学反应,该结果与
试验预测[13,22]一致。 基于表 2构象 1 的 ESP 电荷数
据, 正电性由强到弱的原子排序是 C2、C14、C46、
C50、C70、C12、C57、C27, 其 中 C2、C14、C46、C50、
C70 都是羰基碳原子,C46 还是续随子醇 L713,283
二萜类化合物主体结构(非侧链)中所固有的羰基,
不容易发生酯化水解,可能是一个较为重要的活性
位点。 C12,C57 和 C27 也是易受到亲核进攻的位
点,尤以 C12明显。在构象 2中,C12的正电性最高;
前面氢键分析曾指出,C12 所连酯键上的 O15 是体
系中最容易与周围环境形成氢键的氢受体。 因此在
续随子醇 L713,283 二萜类化合物活性改造时,可
考虑加强 C12 的正电性,比如用羧酸根替代 C12 上
的 H20。
图 4 给出了构象 1 分别与构象 2 及构象 3 的
所有非氢原子的电荷相关性。 从图 4 可以看出,构
象 1 与构象 2 及构象 3 的 ESP 电荷相关性分别达
到了 0.944 和 0.967, 可见续随子醇 L713,283 二萜
类化合物的电荷计算结果可信。基于 CL3_S1的最终
稳定构象的原子坐标,可获得体系键长、键角、二面
3548
第 16 期
(责任编辑 王 珞)
图 4 构象 1 与构象 2(a)及构象 3(b)的 ESP 电荷相关性
角以及非正常二面角的信息, 这些均为续随子醇
L713,283 二萜类化合物的精细 MD 模拟及改造提
供了力场支持。
3 小结
用 MD 模拟和 DFT 相结合的方法研究了续随
子醇 L713,283 二萜类化合物的溶液构象。 将续随
子醇 L713,283 二萜类化合物放在甲醇和氯仿 2 个
不同极性的溶液中进行了 10 ns 的 MD 模拟, 结果
显示,非极性环境有利于体系稳定。 随后用 DFT 优
化了 MD模拟所获得的氯仿溶液中的 3个代表性构
象, 进而给出续随子醇 L713,283 二萜类化合物最
终稳定构象的电荷参数及键参数,这个试验结果对
后续的续随子醇 L713,283 二萜类化合物的精细
MD 模拟、 分子对接及基于配体结构的抗癌药物分
子设计具有一定的指导意义。
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1.2
0.8
0.4
0.0
-0.4
-0.8


2
-0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2
构象 1
1.2
0.8
0.4
0.0
-0.4
-0.8


3
-0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2
构象 1
a
b
y=1.059x+0.008
R=0.944
y=0.989x+0.004
R=0.967
胡建平等:续随子醇 L713,283 二萜类化合物溶液构象的分子模拟 3549