全 文 ：2011 年 11 月
第 20 卷 第 4 期
中央民族大学学报(自然科学版)
Journal of MUC(Natural Sciences Edition)
Feb．，2011
Vol． 20 No． 4
彝药金不换金钱吊乌龟类生物碱及
小檗胺生物碱活性构象研究
何驰宇，张 严，郑 洋，黄焜慧，杨光洁
(中央民族大学 生命与环境科学学院，北京 100081)
摘 要: 本文选择金不换中具有镇痛镇静功效的金钱吊乌龟类生物碱及小檗胺生物碱有效成分作为研究
对象，应用量子化学计算方法和计算机辅助药物设计方法，从微观角度确定此类生物碱有效成分的低能构象
和活性构象 ．研究结果显示:应用量子化学计算方法，得到了各生物碱有效成分的相应全局低能构象;采用计
算机辅助药物设计方法中的半柔性分子对接方法，获得其对接时的活性构象 ．
关键词: 金不换;稽延性戒断症;计算机辅助药物设计;低能构象;活性构象
中图分类号:R285. 1 文献标识码:A 文章编号:1005-8036(2011)04-0021-07
收稿日期:2011-08-20
基金项目:国家自然科学基金项目(No． 81073032)金不换抗药物依赖有效成分的药效团模型研究 ．
作者简介:何驰宇(1990 － ) ，女(瑶族) ，湖南人，中央民族大学生命与环境科学学院制药工程专业 ．
通讯作者:张严(1971 －) ，女(朝鲜族) ，黑龙江伊春人，中央民族大学生命与环境科学学院副教授，研究方向:应用
量子化学 ． E-mail:zhangyan2241@ yahoo． cn．
在理论化学的研究观点中，任何物质的性质以及生物活性都与其分子结构密切相关 ． 因此，充分阐
述民族药物的物质基础和分子活性结构关系，将大大加速实现民族医药从经验向理论科学过渡的进程 ．
由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其他研究方法所难以替代的，因
此在寻找有效成分精确构象(全局低能构象)的过程中发挥重要作用［1］． 另外，要深入理解药物与受体
之间的识别与结合过程及作用方式等，很有必要运用量子化学和分子力学理论对这些体系进行理论研
究 ．并且理论计算可以解决某些实验不能解决的问题，如酶催化反应过渡态结构问题及分子动力学模拟
研究蛋白质结构的力学和动力学性质等［2］．
金不换(Stephania delavayi Diels)是一类具有相似块根的防己科千金藤属植物，又名“地不容”、“山
乌龟”、“解毒子”等 ． 其块根是一味中草药，味苦，性寒，有小毒，具有镇痛、清热解毒、截虐、散瘀消肿等
功效［3 ～ 4］．根据《中国植物志》记载，我国千金藤属植物有 39 种和 1 个变种，主要分布在长江流域及其以
南各省区 ．金不换在戒毒领域已有一定的应用，民国时期的中央药物研究所刘绍光等［5］发现在戒断反
应中，瘾者白细胞极度下降，而服用金不换后，可使白细胞逐渐回升，瘾者稽延性戒断症也随之消失 ． 20
世纪 70 年代以来，国内外学者围绕金不换的化学成分和药理作用做了大量研究，发现金不换富含大量
生物碱，且其中多种生物碱都有镇痛、镇静、抗药物依赖等作用，具有较强的生物活性，马养民［6］将有生
物活性的主要生物碱总结为原小檗碱型、阿朴菲型、原阿朴菲型、吗啡型、莲花氏烷型、苄基异喹啉型和
双苄基异喹啉型等几大类 ．其中原小檗碱型、吗啡型和双苄基异喹啉型生物碱具有镇痛、镇静作用，例如
原小檗碱型生物碱有效成分之一左旋四氢巴马汀的最新研究［7 ～ 9］发现其有很强镇痛作用，亦有一定镇
静催眠作用，联合美沙酮治疗海洛因依赖时，具有疗效好，控制症状快的优点，并且不造成新的药物成
瘾［10］;追踪观察发现左旋四氢巴马汀能提高海洛因成瘾者的成功脱毒率，显示具有抗复吸作用［11］．
目前，金不换中具有镇静、镇痛作用的大部分生物碱有效成分的低能构象已明确［12］，因此，本论文
在前人研究的基础上，确定了以下五种化合物为研究对象，分别是原小檗碱型中的 4 种金钱吊乌龟生物
中央民族大学学报(自然科学版) 第 20 卷
碱(steponine、cyclanoine、stecepharine、9-0-methylstecepharine) ，以及双苄基异喹啉型中的小檗胺
(berbamine)生物碱 ．
1 研究方法
首先采用 GaussView 4. 1 软件构建金不换中金钱吊乌龟类生物碱及小檗胺生物碱分子的三维构象;
然后应用 Conflex 6. 0 程序对生物碱的完全构象空间进行低能构象搜寻，从结果中选取 20 种可能的优
势低能构象，用量子化学 Gaussian 03 程序中的密度泛函理论(DFT)对筛选的构象进行几何优化，做精
确计算，进行几何结构的优化和谐振频率分析，确认其是否为能量极小点，并用零点能校正总能量，确定
金不换中金钱吊乌龟类生物碱及小檗胺生物碱的全局低能构象;最后用 Discovery Studio 软件中
CDOCKER 模块将其与多巴胺 D2 受体的三维结构进行半柔性分子对接，寻找可能的活性构象 ．
2 研究过程和讨论
2. 1 金钱吊乌龟类生物碱和小檗胺生物碱有效成分低能构象的确定
2. 1. 1 构建金钱吊乌龟类生物碱和小檗胺生物碱的粗略结构
根据五种生物碱的平面结构［6］(表 1) ，采用 GaussView 4. 1 软件构建其粗略三维结构 ．
表 1 金钱吊乌龟类生物碱及小檗胺生物碱的平面结构
Tab． 1 The planar structure of S． cepharantha and Berbamine alkaloid
序号 生物碱类型 化学结构(骨架部分)
1 steponine 生物碱
2 cyclanoine 生物碱
3 stecepharine 生物碱
4 9-0-methylstecepharine 生物碱
5 小檗胺(berbamine)生物碱
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第 4 期 何驰宇等:彝药金不换金钱吊乌龟类生物碱及小檗胺生物碱活性构象研究
2. 1. 2 确定金钱吊乌龟类生物碱及小檗胺生物碱的全局低能构象
应用 Conflex 6. 0 程序，采用分子力场方法和构象分析方法，对金钱吊乌龟类生物碱及小檗胺生物
碱有效成分的完全构象进行空间低能构象搜寻，每个有效成分得到 61 个可能存在的稳定构象，按能量
从低到高顺序选取前 20 个相对稳定的构象进行量子化学计算，即应用 Gaussian 03 程序，采用密度泛函
理论中的 B3LYP 方法，基组设为 6 － 31G＊＊［13］，进行几何结构的优化和谐振频率分析，确认其是否为能
量极小点，并用零点能校正总能量，得到其全局低能构象 ． 以小檗胺(berbamine)生物碱为例，获得了优
化的几何参数和能量参数，探讨了它们的相对稳定性 ．结构优化前后的能量比较结果如表 2 所示 ．
表 2 小檗胺(berbamine)生物碱优化前后能量比较及振动频率
Tab． 2 Energy optimization and vibration frequency of Berbamine alkaloid
分子 优化前总能量(kcal /mol) 最低振动频率 零点能校正的总能量(kcal /mol)
berbamine-0001 121. 30785 25. 5085 － 734477. 5402
berbamine-0002 121. 41735 25. 5017 － 734477. 6030
berbamine-0003 121. 46351 25. 8157 － 734477. 6783
berbamine-0004 121. 51027 25. 7137 － 734477. 5597
berbamine-0005 121. 51139 25. 7157 － 734477. 5597
berbamine-0006 121. 58087 25. 8138 － 734477. 6776
berbamine-0007 121. 67195 26. 6641 － 734477. 6161
berbamine-0008 121. 67803 26. 6535 － 734477. 6174
berbamine-0009 121. 69830 26. 2350 － 734478. 3033
berbamine-0010 121. 74026 26. 1798 － 734478. 3993
berbamine-0011 121. 75167 25. 7705 － 734478. 3886
berbamine-0012 121. 80285 26. 2242 － 734478. 3045
berbamine-0013 121. 88461 25. 2663 － 734478. 4815
berbamine-0014 121. 89584 26. 3195 － 734478. 4206
berbamine-0015 121. 90248 25. 8324 － 734478. 3152
berbamine-0016 121. 92779 25. 8102 － 734478. 3152
berbamine-0017 122. 10951 26. 5138 － 734478. 3641
berbamine-0018 122. 11236 27. 1185 － 734479. 0657
berbamine-0019 122. 13094 25. 8990 － 734479. 1128
berbamine-0020 122. 16204 25. 9970 － 734478. 1928
从表 2 可以看出，频率分析计算的结果中皆无虚频，表明计算的各构象均为其势能面上的稳定点，
同时获得了热力学参数 ．其中能量最低的构象为 berbamine-0001，即为小檗胺生物碱的全局低能构象 ．
以此类推得出 5 种生物碱有效成分计算后的低能构象的总能量和频率，以及其全局低能构象(如
表 3 和 4 所示)．
表 3 金钱吊乌龟类生物碱及小檗胺生物碱优化结果及能量
Tab． 3 The optimization results and energy of S． cepharantha and Berbamine alkaloid
序号 名称 零点振动能(kcal /mol) 最低振动频率 零点能校正的总能量(kcal /mol )
1. steponine 生物碱 249. 67752 26. 5085 － 671726. 5402
2. cyclanoine 生物碱 249. 33630 28. 9777 － 647083. 9376
3. stecepharine 生物碱 254. 08127 29. 9330 － 747945. 9486
4. 9-0-methylstecepharine 生物碱 262. 06860 30. 1279 － 716570. 4612
5. 小檗胺(berbamine)生物碱 239. 11712 25. 5085 － 734477. 5402
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中央民族大学学报(自然科学版) 第 20 卷
表 4 金钱吊乌龟类生物碱及小檗胺生物碱有效成分全局低能构象图
Tab． 4 The global low-energy geometry of S． cepharantha and Berbamine alkaloid
名称 构象图 名称 构象图
Steponine 生物碱 Cyclanoine 生物碱
Stecepharine 生物碱 9 － 0 － methylstecepharine 生物碱
小檗胺(berbamine)生物碱
从表 3 可以看出，金钱吊乌龟(9-0-methylstecepharine)生物碱能量最高，小檗胺(berbamine)生物碱
能量最低 ．分析可知，环上取代基中甲基越多，空间位阻效应越大，致使体系能量越高;反之，环上取代基
中甲基越少，氢、氧原子越多，可能形成分子内氢键，则体系能量越低 ．
2. 2 金钱吊乌龟类生物碱和小檗胺生物碱的活性构象确定
2. 2. 1 确定分子对接受体
原小檗碱型生物碱为多巴胺 D2 受体的拮抗剂
［14］，为进一步研究金不换中具有镇痛镇静作用的生
物碱有效成分与多巴胺 D2 受体作用时的活性构象，将本课题组赵凤娟等人以人 β2 － 肾上腺素受体
(β2 AR)为模板构建的多巴胺 D2 受体三维结构与金钱吊乌龟类生物碱和小檗胺生物碱有效成分的全
局低能构象分别进行分子对接，寻找其活性构象 ．
即使用 Discovery studio(DS)中基于 CHARMm 的 CDOCKER 半柔性分子对接模块，采取高温动力学
和模拟退火方法，综合考虑了极性作用、疏水作用、力场等因素，通过几何匹配和能量匹配不断优化配体
化合物的位置、构象和分子内部可旋转键的二面角，寻找小分子配体与大分子受体相互作用的最佳构
象，并预测其结合模式和亲和力，通过打分函数挑选出接近天然构象的与受体亲和力最佳的配体，以此
确定配体在结合腔中的活性构象 ．
2. 2. 2 分子对接结果
经过分子对接，得到配体构象集，选取打分最高(能量最低)的构象，即为活性构象 ． 以金钱吊乌龟
类 Stecepharine 生物碱为例，获得了对接后生成的十个构象的能量参数，分析对接结果探讨了其相对稳
定性 ．对接后生成十个构象的能量比较结果如表 5 所示 ．
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表 5 金钱吊乌龟类 Stecepharine 生物碱对接结果及能量
Tab． 5 The molecular docking results and energy of S． cepharantha
分 子 CDOCKER ENERGY (kcal /mol) CDOCKER INTERACTION ENERGY (kcal /mol)
Stecepharine-0001 － 15. 5815 － 40. 0537
Stecepharine-0002 － 15. 4515 － 40. 0512
Stecepharine-0003 － 15. 222 － 39. 4092
Stecepharine-0004 － 14. 733 － 38. 7575
Stecepharine-0005 － 14. 5646 － 14. 5646
Stecepharine-0006 － 12. 864 － 37. 2296
Stecepharine-0007 － 12. 6421 － 36. 8077
Stecepharine-0008 － 12. 3096 － 36. 1162
Stecepharine-0009 － 12. 2616 － 36. 7773
Stecepharine-0010 － 11. 4769 － 36. 858
由表 5 看出能量最低即最稳定的分子构象为 Stecepharine-0010． Stecepharine-0010 与多巴胺 D2 受
体的对接方式及在多巴胺 D2 受体活性口袋中的存在方式如图 1 所示 ．
图 1 Stecepharine-0010 与 D2 受体的对接方式
Fig． 1 The docking method of Stecepharine-0010 and D2 receptor
将 5 种生物碱同样经过分子对接后，选取打分最高(能量最低)的构象，表 6 即为经过对接得到的
金钱吊乌龟类生物碱和小檗胺生物碱的活性构象 ．
2. 3 全局低能构象与活性构象比较
以 Stecepharine 生物碱为例比较其全局低能构象与活性构象(如表 7 所示)．
由表 7 可见，全局低能构象和活性构象存在着一定的差异，这是因为通过量子化学计算得到的全局
低能构象，分子仍处于孤立状态，各环能够比较平稳存在，环上的取代基在空间位阻允许范围内呈自由
状态 ．然而，通过分子模拟实现分子对接时，为了充分与受体大分子结合，考虑了配体的柔性问题，即采
用半柔性对接方法，配体各环构型发生了相应的柔性扭转，环上取代基在空间位阻效应的影响下呈更为
合理的相互分散状态 ．由此可见，分子对接后得到的构象称为活性构象 ．
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中央民族大学学报(自然科学版) 第 20 卷
表 6 金钱吊乌龟类生物碱及小檗胺生物碱有效成分活性构象图
Tab． 6 The active geometry of S． cepharantha and Berbamine alkaloid
名称 构象图 名称 构象图
Steponine 生物碱 Cyclanoine 生物碱
Stecepharine 生物碱 9-0-methylstecepharine 生物碱
小檗胺(Berbamine)生物碱
表 7 全局低能构象与活性构象对比
Tab． 7 Comparison of low-energy geometry and active geometry
名称 全局低能构象 活性构象
Stecepharine 生物碱
3 研究结论
本论文结合民族地区特色天然产物的理论基础研究及活性构象研究，选取金不换金钱吊乌龟类生
物碱和小檗胺生物碱有效成分作为研究对象，进行微观结构研究，得出以下结论:
(1)应用量子化学计算方法，对金钱吊乌龟类生物碱和小檗胺生物碱有效成分进行几何结构的优
化和谐振频率分析，得到了各生物碱相应的全局低能构象 ．
(2)应用分子模拟技术，采用分子对接方法，将金钱吊乌龟类生物碱和小檗胺生物碱有效成分依次
与模建得到的多巴胺 D2 受体的三维结构进行对接，均得到了较高分数，即为配体小分子对接时的活性
构象 ．
总之，应用量子化学计算方法和计算机辅助药物设计方法，通过计算机模拟、计算和预测金不换具
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第 4 期 何驰宇等:彝药金不换金钱吊乌龟类生物碱及小檗胺生物碱活性构象研究
有镇痛镇静作用的生物碱有效成分与多巴胺 D2 受体之间的关系，为设计和优化先导化合物提供理论基
础，减少实验的盲目性和工作量，对民族药物的开发与可持续发展具有深远意义 ．
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Active Geometry Studies on S． cepharantha and Berbamine
alkaloid of the Stephania delavayi Diels Drug
HE Chi-yu，ZHANG Yan，ZHEN Yang，HUANG Kun-hui，YANG Guang-jie
(College of Life and Environmental Sciences，Minzu University of China，Beijing 100081，China)
Abstract:The analgesic sedation effect of the Stephania delavayi Diels drug in the treatment of
protracted withdrawal symptoms would have a negligible importance． We choose S． cepharantha and
Berbamine alkaloid with analgesic sedation effect of active ingredients to be researching object． The
low-energy geometry and the active geometry are studied from the microscopic view with the method
of computational quantum chemistry and computer-aided drug design． The results showed that global
low-energy geometry of the alkaloids is determined by making use of the computational qantum
chemistry，The five kinds of active geometry is determined by using Semi-flexible molecular docking
method of computer-aided drug design ．
Key words: stephania delavayi diels; protracted withdrawal syndrome; computer-aided drug
design;low-energy geometry;active geometry
［责任编辑:白 玲］
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