河毒素藥理活性和熱性質(zhì)密度泛函研究

秦文杰，鐘愛(ài)國(guó)

（浙江省臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院， 浙江 臺(tái)州 316000）

1970 年Tamura 等報(bào)道了TTX-氫溴酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)[1,2]，潘心富等于1979 年首次由河豚卵巢中分離提取出 TTX[3]。在理論計(jì)算方面, 陳常英等[4]利用DPCILO 程序，采用半經(jīng)驗(yàn)方法(INDO)優(yōu)化了 TTX及其 5 個(gè)衍生物的結(jié)構(gòu)及分子軌道, 并與化學(xué)結(jié)構(gòu)不同但藥理作用相同的石房蛤毒素(STX)進(jìn)行了比較；趙永明等[5]探討了TTX 及其23 種類似物的紅外光譜和核磁共振圖譜。TTX 是迄今為止人類在自然界中發(fā)現(xiàn)的最為奇特的小分子天然產(chǎn)物之一，不僅結(jié)構(gòu)新穎而且性質(zhì)獨(dú)特，即使長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱亦不會(huì)破壞其化學(xué)結(jié)構(gòu)或降低其毒性，但遇堿不穩(wěn)定，易被破壞。TTX 的分子結(jié)構(gòu)和原子編號(hào)如圖1 所示。由于原料來(lái)源稀有，純品昂貴，限制了它的實(shí)驗(yàn)研究。本文選用密度泛函方法在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,得到其熱力學(xué)函數(shù)并利用Fukui 指數(shù)和前線軌道理論，對(duì)其易發(fā)生的反應(yīng)部位進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)，取得了有意義的結(jié)果。

1 計(jì)算方法

本文對(duì)河豚毒素分子采用 DFT 理論的 B3LYP方法在 6-311+G(d,p)基組水平上進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。在優(yōu)化得到的穩(wěn)定構(gòu)型基礎(chǔ)上，采用Freq 方法進(jìn)行了頻率分析，結(jié)果表明所有簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率全部為正值，表明其計(jì)算結(jié)果是可信的。本項(xiàng)目的全部計(jì)算工作通過(guò)Gaussian03 程序在PC 機(jī)上完成。

圖 1 河豚毒素(C11H17O8N3)分子結(jié)構(gòu)和原子編號(hào)Fig.1 Tetrodotoxin (C11H17O8N3) molecular structure and atomic number

2 結(jié)果與討論

2.1 幾何結(jié)構(gòu)分析

用Gaussian 03程序在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算得到了河豚毒素分子的鍵長(zhǎng), 鍵角等與晶體實(shí)驗(yàn)值的比較示于表1[1,2]。

表1 優(yōu)化后鍵長(zhǎng)、鍵角的比較（鍵長(zhǎng):nm; 鍵角: °）Table 1 The bond lengths, bond angels, optimized (nm, °)

正常的C=N 雙鍵的鍵長(zhǎng)(0.134～0.138 nm), C-N單鍵(0.147～0.152 nm)，C-C 單鍵(0.154～0.162 nm),C-O 單鍵(0.120～0.143 nm), C=O 雙鍵(0.121～0.123 nm), O-H(0.094～1.500 nm)。表1 中列出了優(yōu)化后分子的部分鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)表明：除C10-O18的鍵長(zhǎng)稍微大一點(diǎn)外，其他鍵長(zhǎng)均屬于正常范圍。結(jié)合分子結(jié)構(gòu)圖1 分析，對(duì)應(yīng)的 C5-N12鍵(0.144 nm)和 C12-N15鍵(0.146 nm)的鍵長(zhǎng)稍長(zhǎng)于正常的C=N 雙鍵(0.134～0.138 nm)，而與之相鄰的 C10=N12雙鍵的鍵長(zhǎng)(0.126 nm)稍小于正常的 C-N 單鍵(0.147～0.152 nm)，符合胍基離域結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求。表2 中列出的重要鍵角數(shù)據(jù)表明，由 C1-C2-C6-C13-C8-C3原子組成的六元環(huán)的夾角數(shù)據(jù)均在 109.0° 附近，而 C1-C2-C7-N15-C12-N5,C1-C2-C6-O14-C10-C5，C1-C4-C10-O17- C8-C3和 C6-O14-C10-O17-C8-C13雜環(huán)，夾角均在 107～118.0° 附近, 除C 原子受連接的O 和N 雜原子大的電負(fù)性作用使角度變型外，其余角度沒(méi)有發(fā)生明顯的扭曲變形。表1 的二面角數(shù)據(jù)表明：5 個(gè)六元環(huán)幾乎處在椅式結(jié)構(gòu)，這就有利于TTX 分子穩(wěn)定，使得總能量降低。分子中的支鏈與環(huán)有明顯的扭轉(zhuǎn)而沒(méi)有處在同一平面，這樣的結(jié)構(gòu)受位阻效應(yīng)小有利于發(fā)揮官能團(tuán)優(yōu)勢(shì)作用。

2.2 NBO 電荷

優(yōu)化后TTX 分子中各原子的NBO 電荷分布見(jiàn)表2。

表2 TTX 分子的NBO 凈電荷布居值Table 2 NBO net charge population value of TTX e

由于N 和O 原子的電負(fù)性比C 和H 原子大。因此, 在 TTX 分子中，3 個(gè) N 原子(- 0.626 ～ -0.781e)和8 個(gè)O 原子(- 0.557 ～ -0.705 e)均帶有凈的負(fù)電荷。而且主環(huán)上N 和O 原子比氨基上的N 和羥基上的O 原子帶有較多的負(fù)電荷, 這是因?yàn)樗鼈冚^強(qiáng)烈地吸引相連的C 原子或H 原子上的電荷, 使其自身帶上較大負(fù)電荷。除 C2原子外，其余C 和H 原子均帶有正電荷, 且H 原子帶有較大正電荷。 因主環(huán)上C 和N 原子正負(fù)電荷均不相等, 致使五個(gè)六元環(huán)主體帶有少量的負(fù)電荷(0.04～0.05 e), 具有一定的親水性。在由電荷控制的反應(yīng)中, 原子的負(fù)電荷越多,其受親電試劑進(jìn)攻的可能性越大; 反之, 原子的正電荷越多, 則受親核試劑進(jìn)攻的可能性也越大. 因此推測(cè)胍基上的N19, N5，和N15原子很可能是親電反應(yīng)的作用點(diǎn)。

紅外吸收光譜對(duì)研究分子的結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、表征和鑒別物質(zhì)等有十分重要的作用。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上, 在相同的計(jì)算水平上計(jì)算了TTX 的振動(dòng)紅外光譜。TTX 屬于 C1點(diǎn)群, 有 39 個(gè)原子, 對(duì)應(yīng)有94 個(gè)振動(dòng)模式。理論計(jì)算所得到的部分特征振動(dòng)頻率(0～4 000 cm-1)及其紅外強(qiáng)度列于圖2。

圖2 理論模擬TTX 的IR 譜Fig.2 IR spectrum of TTX2.3 IR 和 1HNMR 譜

在圖2 譜圖中，出現(xiàn)了TTX 的特征峰值: 3 502 cm-1(O-H，伸縮); 3 385 cm-1(N-H，伸縮); 1 766 cm-1(C=O 伸縮)；1 070～1 000 cm-1(伯醇，C-O 伸縮)；(1 120～1 030 cm-1仲醇C-O，伸縮); 1 170～1 100 cm-1(叔醇 C-O，伸縮)；1 275～1 020 cm-1（脂肪醚O-C-O，反對(duì)稱伸縮）；1 098 cm-1(六元單氧環(huán)，伸縮); 1 640 cm-1(N-H，彎曲振動(dòng))和1 600 cm-1(一級(jí)酰胺的特征吸收峰); 1 550～1 530 cm-1(N-H，彎曲振動(dòng)吸收)。在低頻率范圍內(nèi)（<400 cm-1）還出現(xiàn)較多吸收峰，這主要由于六元環(huán)的 H 原子的特征指紋區(qū)[6-7]。理論模擬并指認(rèn)TTX 核磁共振譜（見(jiàn)圖3 所示）的峰特點(diǎn)較好地與其實(shí)驗(yàn)值吻合起來(lái)，也進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性[8]。

圖3 1HNMR 圖譜指認(rèn)Fig. 3 1HNMR spectrum of TXX

2.4 熱力學(xué)穩(wěn)定性

式(1)～(5) 顯示了 TTX 的熱力學(xué)函數(shù)計(jì)算結(jié)果與溫度在25～1000 K 范圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在298.15 K，熵(Sm)、熱容(Cp,m)、焓(Hm)和自由能(Gm)的計(jì)算結(jié)果分別為 361.27, 142.19 J·mol-1·K-1和 343.31, 316.92 kJ·mol-1; 隨溫度升高, 熵(Sm)、熱容(Cp,m)、焓(Hm) 等熱力學(xué)函數(shù)均增大, 而自由能(Gm) 減小, 直到溫度接近500 K 出現(xiàn)負(fù)值。通過(guò)對(duì)TTX 的計(jì)算熱力學(xué)函數(shù)與溫度的關(guān)系擬合, 我們得到了TTX 熱力學(xué)函數(shù)與溫度的關(guān)系式如下：

在整個(gè)溫度范圍內(nèi)(25～1 200 K), T2的系數(shù)都很小, 因此其 4 個(gè)熱力學(xué)函數(shù)與溫度的倒數(shù)(1/T)近似呈正的線性關(guān)系?，F(xiàn)假設(shè)TTX 脫水反應(yīng)的焓變(Δ H)和熵變(ΔS)與溫度關(guān)系不大為常數(shù)，則計(jì)算得到分解反應(yīng)的吉布斯自由能變(ΔG)與溫度成線性關(guān)系，意味著該脫水反應(yīng)在高溫下(520 K)能自發(fā)進(jìn)行(ΔG<0)，為熵變驅(qū)動(dòng)型反應(yīng)(ΔS>0)。這與熱重分析結(jié)果基本吻合。

2.5 極性和疏水參數(shù)

偶極矩和在正辛醇-水體系的分配系數(shù)(P)是用來(lái)表示藥物親脂性或疏水性的重要物理參數(shù)。我們使用 Gaussian03 程序計(jì)算獲得 TTX 分子的偶極矩(3.368D)，為弱極性。這可能是由于TTX 的6 個(gè)醇羥基的存在，增大了TTX 的親水性的緣故; 脂水分配系數(shù)(logP=996.16) 很大，表明其為一親脂性的分子。另外，使用ACD/Lab 6.0 軟件預(yù)測(cè)的TTX 在pH=7時(shí)的水溶解度 S=1.40×10-3mol·L-1，在pH=13 時(shí)突然增大。

2.6 反應(yīng)活性

TTX 的親電與親核反應(yīng)的Fukui 指數(shù)值列于圖4。從圖4 中數(shù)據(jù)可以看出, 最可能的親電反應(yīng)中心(f-)主要集中在3 個(gè)N 原子以及與之相連的H35，H32,H26以及 H28原子上, 主環(huán)整體不顯電性, 尤其胍基N 原子上還含有孤對(duì)電子, 可與強(qiáng)酸如鹽酸、硫酸、硝酸等都能形成鹽; 親核反應(yīng)中心(f+)也主要在 N原子以及相連的H 原子上。因此, 遇到強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液則分子會(huì)水解, 逐步被羥基取代, 最后生成開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)。分子能隙ΔE(ELUMO-EHOMO) 的大小, 反映電子從最高占據(jù)軌道向最低空軌道發(fā)生電子躍遷的能力, 一定程度上可以代表其參加化學(xué)反應(yīng)的活性。其差值越大, 分子穩(wěn)定性越強(qiáng); 反之分子越不穩(wěn)定,越易參與化學(xué)反應(yīng)。 TTX 的計(jì)算結(jié)果為EHOMO=-571.233 kJ·mol-1, ELUMO=13.797 kJ·mol-1, Δ E=585.03 kJ·mol-1。比較計(jì)算結(jié)果可知, 得到電子的能力較弱(ELUMO>0) , 因而生成河豚酸等衍生物的過(guò)程中, 胺基被羥基逐步取代; 失去電子的能力相對(duì)較弱(因?yàn)?EHOMO 很低), 因其胍基(C=NH)上的孤電子對(duì), 能吸引 H+形成穩(wěn)定的 C=NH2+, 所以它是一種弱堿(pKb=8.3)。能隙較大, 所以參加化學(xué)反應(yīng)活性很弱。

圖4 TTX 的Fukui 指數(shù)圖Fig. 4 The atomic Fukui index of TXX

3 結(jié) 論

(1) 幾何優(yōu)化表明, 河豚素的 6 個(gè)六元環(huán)互成椅式構(gòu)象，具有穩(wěn)定的分子構(gòu)型和良好的疏水參數(shù)，在堿性溶液中溶解能力強(qiáng)，紅外光譜表征與官能團(tuán)吻合較準(zhǔn)確，核磁共振與其實(shí)驗(yàn)值基本符合；

(2) 在25～1 200 K 范圍內(nèi)，相應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)與溫度的倒數(shù)呈正的線性關(guān)系，溫度增加致520 K，脫水分解反應(yīng)趨勢(shì)增加，是受熵變驅(qū)動(dòng)型反應(yīng)；

(3) 通過(guò) NBO 電荷分布, Fukui 指數(shù)和前線軌道分析, 我們推測(cè)分子活性最強(qiáng)的部位在胍基，胍基 N 原子孤對(duì)電子吸引酸的 H+顯弱堿性的親電反應(yīng); 與 N 相連接的 H 原子被堿性 OH-逐步取代生成開(kāi)環(huán)衍生物的親核反應(yīng)。TTX 將主要通過(guò)這2 種方式來(lái)發(fā)揮其毒理和藥理作用。

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