胡建平 刘嵬 唐典勇 成英 陈封政 常珊
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 alcohol 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-containing organic solvent was that the O71 and O15 on the side-chains of the five-cycle and eleven-cycle formed stable hydrogen-bonds with the hydroxyl of methanol. Based on the three respective conformations of Euphorbia alcohol L713, 283 diterpenoid 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 provided 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
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
2.1MD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。
2.3DFT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,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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