厚樸酚分子特性與生物活性量子化學研究

常勇慧+翁時暢+陳蘭晴+劉玲

摘要：厚樸酚抗癌活性研究已有報道，通過B3LYP/6-31+G方法計算得到厚樸酚穩(wěn)定構型，并結合電子拓撲分析研討了厚樸酚的分子特性。從前線軌道圖、靜電勢圖等角度分析了厚樸酚的抗癌活性因素。

關鍵詞：厚樸酚；前線軌道理論；靜電勢圖

中圖分類號：R979.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）01-0181-03

Quantum Chemical Studies of the Molecular Characteristic and Biology

Activity of Magnolol

CHANG Yong-hui，WENG Shi-chang，CHEN Lan-jing，LIU Ling

（College of Chemistry and Chemical Engineering ， Hainan Normal University， Haikou 571158， China）

Abstract： Studies on the anticancer activity of magnolol have been widely reported. In this study magnolol stable configuration was calculated by B3LYP/6-31+G method， and combined with the electronic topological analysis to discuss magnolol molecular properties. And the anticancer activity factors of magnolol were analyzed from the frontier orbital diagram and the electrostatic potential figures.

Key words： magnolol； frontier orbital theory； electrostatic potential figures

收稿日期：2013-06-35

基金項目：海南省教育廳高?？蒲匈Y助項目（Hjkj2010-27）；海南省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（2013116580）

作者簡介：常勇慧（1975-），男，河南平頂山人，副教授，主要從事構效關系、生物分離方面的研究，（電話）15203663329（電子信箱）

qqchang@sohu.com。

厚樸酚是一種廣泛存在于多種藥用植物中的天然抗癌藥物，對多種腫瘤發(fā)揮誘導腫瘤細胞凋亡、抑制細胞增殖、阻止腫瘤細胞轉移和抗腫瘤血管形成等作用[1-3]。研究表明，厚樸酚可以抑制人成纖維肉瘤細胞HT-1080向基底膜浸潤，100 μmol/L厚樸酚即可抑制該腫瘤細胞增殖，誘導細胞凋亡[4]。體內(nèi)和離體試驗均表明，厚樸酚可以抑制腫瘤生長，在有效劑量范圍內(nèi)具有良好的耐受性。研究表明，厚樸酚在4～8 μg/mL濃度下體外可明顯抑制內(nèi)皮細胞系SVR增殖[5]。王嘉等[6]研究發(fā)現(xiàn)，厚樸酚類化合物在低劑量時即表現(xiàn)出抑制血管生長，作用機制與抑制血管內(nèi)皮細胞增殖以及腫瘤細胞表達VEGF有關。

厚樸酚可以通過抑制腫瘤細胞增殖，促使其凋亡，抑制其向周圍侵襲[7]。但目前關于抗腫瘤的具體機制仍不十分清楚。本研究采用量子化學方法對厚樸酚進行構型優(yōu)化，在B3LYP/6-31+G水平上，對其進行結構優(yōu)化和頻率分析。并結合電子拓撲學軟件AIM2000[8]探討了該分子結構特性，從前線軌道圖、靜電勢圖等角度分析厚樸酚抗癌活性因素，為后續(xù)研究提供參考。

1 理論計算方法

1.1 分子穩(wěn)定構型理論計算

計算中采用密度泛函理論，在B3LYP/6-31+G水平下，對厚樸酚的幾何構型進行了優(yōu)化，并在相同計算水平下做振動頻率分析，結果無虛頻，表明其構型為勢能面極小值點[9]。優(yōu)化計算收斂標準參數(shù)設置為opt=tight，int=ultrafine。

1.2 電子拓撲學理論分析

為了判別體系成鍵性質，借助“分子中的原子”理論 （Atoms in molecules，AIM），利用B3LYP/6-31+G水平下計算得到的厚樸酚穩(wěn)定構型的波函數(shù)，采用AIM2000軟件對所研究體系電子拓撲性質進行研究。本研究計算工作除了拓撲分析采用AIM2000軟件之外，其余均采用了Gaussian03程序包。

2 結果與分析

2.1 基組與計算方法的選擇及構型優(yōu)化

基組是具有一定特性的數(shù)學函數(shù)描述，在量子化學中主要用來描述體系電子軌道，選擇恰當與否對計算的準確性至關重要。彌散基組適合計算電子相對離原子核比較遠的體系，如孤對電子體系、負離子等，會得到較好的計算結果。本試驗研究對象中酚羥基的氧原子帶有孤對電子，且酚羥基易電離，因此理論計算中選用6-31+G基組。下面理論計算使用密度泛函理論B3LYP在6-31+G基組水平下，對厚樸酚初始構型進行全優(yōu)化，得到的優(yōu)化構型如圖1所示。并對得到的優(yōu)化構型進行了頻率驗證計算，無虛頻，表明該構型為穩(wěn)定構型。

在B3LYP/6-31+G水平下，厚樸酚原子間距R（O21…H22）、R（O19…H20）為0.976 ？魡；鍵角（O21-H22-C12）為112.2°。酚羥基中氧、氫上電荷分別為-0.575、0.448 e，電荷差為1.023 e。研究表明，在厚樸酚類化合物中，酚羥基上電荷差越大，鍵的極性越大，越容易電離，產(chǎn)生生物活性。厚樸酚原子間距R（O21…C2）、R（O19…C10）為2.83 ？魡；鍵角（H22-O21-C2）、（H20-O19-C10）為172.7°。

2.2 電子密度拓撲學分析

運用“分子中的原子”理論對厚樸酚的分子內(nèi)成鍵性質進行分析。AIM臨界點圖可以直觀表明分子體系電荷分布拓撲性質，能可靠地顯示體系的鍵結構。分子拓撲圖確定氫鍵存在的第一個必要條件是質子供體和受體原子間是否存在一個臨界點。按量子拓撲學的定義，相關原子核之間電子密度函數(shù)出現(xiàn)臨界鍵鞍點，就必然有連接該鍵鞍點和兩個原子核的鍵徑，即成鍵。從利用AIM2000軟件得到的厚樸酚臨界點圖（圖2）可以看出，厚樸酚中O21與O19間存在一個鍵鞍點，且由兩條鍵徑分別與O21與O19兩原子相連接，說明形成了分子內(nèi)相互作用。從圖2中還可以看出，厚樸酚中O21、O19原子分別與苯環(huán)附近原子形成相互作用，并形成了環(huán)狀結構，環(huán)臨界點、鍵鞍點。

AIM理論認為，成鍵臨界點（Bond critical point， BCP）的電子云密度ρ（r）以及拉普拉斯量？犖2ρ（r）可以用來判斷化學鍵的強弱以及其其成鍵特性。其中？犖2ρ（r）=λ1+λ2+λ3，λ為ρ（r）在三維空間3個方向上二階導數(shù)構成的Hessian矩陣本征值，當Hessian矩陣3個本征值為兩正一負時，稱為環(huán)鞍點（RCP），表明體系內(nèi)具有環(huán)狀結構。厚樸酚分子中O19-C3-C2-C10-C12-O21關鍵點的電子密度拓撲學參數(shù)如表1所示。

從表1可以看出，厚樸酚內(nèi)除了苯環(huán)外，兩個氧原子與相鄰苯環(huán)上C原子也存在RCP關鍵點，形成六元環(huán)狀結構（O19-C3-C2-C10-C12-O21），該結構有利于增強酚羥基活性。

2.3 靜電勢圖與前線軌道分析

藥物分子與受體間的相互作用，通常是靜電力或者氫鍵的弱作用，其靜電勢圖可以最直觀地描述藥物分子活性位點。從厚樸酚分子靜電勢圖（圖3）可以看出，分子的最高負電位為酚羥基的氧原子，而正電位集中在酚羥基中的氫原子上?？梢悦黠@看出，厚樸酚生物活性中心為苯環(huán)上酚羥基，對該類藥物的受體識別作用具有重要意義。因此，電子拓撲學研究結果中，氧原子與相鄰苯環(huán)上C原子間相互成環(huán)共軛作用，將有利于促進羥基電離，提高了厚樸酚活性。已有研究報道，鄰位鹵原子等取代基的加入，也有利于酚羥基的電離，明顯提高厚樸酚的抗癌活性[10]。

前線分子軌道及其內(nèi)的電子對分子反應活性有著決定性的作用。本研究通過計算得到厚樸酚同系物HOMO（最高占據(jù)分子軌道）、LUMO（最低空軌道）能差值為0.193e，前線軌道圖如圖4所示。親電試劑容易結合HOMO中伸展最大的位置，HOMO軌道能增加易于發(fā)生親電反應；親核試劑傾向于進攻LUMO 中伸展最大的位置，LUMO軌道能降低易于發(fā)生親核反應；根據(jù)前線軌道理論，厚樸酚類化合物抗癌性能受HOMO和LUMO軌道能量影響非常大。HOMO、LUMO二者能差值代表了分子活化反應能壘，值越小，活性越大。

3 小結

本研究利用Gaussian03軟件在B3LYP/6-31+G水平下，對厚樸酚初始構型進行構型優(yōu)化分析，并利用AIM2000軟件對其電子密度進行拓撲學分析，判斷結果表明其分子內(nèi)兩個苯環(huán)及兩個氧原子形成共軛大π鍵；靜電勢圖分析結果表明其主要活性位點為酚羥基，厚樸酚HOMO、LUMO軌道能差值為0.193 e。

參考文獻：

[1] CHEN F， WANG T， WU Y F， et al. Honokiol：A potent chemotherapy candidate for human colorectal carcinoma[J].World Journal of Gastroenterology，2004，10（23）：3459-3463.

[2] FONG W F， TSE A K W， POON K H， et al. Magnolol and honokiol enhance HL-60 human leukemia cell differentiation induced by l，25-dihydroxyvitamin D3 and retinoic acid[J]. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology， 2005，37（2）：427-441.

[3] NAGASE H，IKEDA K，SAKAI Y. Inhibitory effect of magnolol and honokiol from Magnolia obovata on human fibrosarcoma HT-1080 invasiveness in vitro[J]. Planta Medica，2001，67（8）：705-708.

[4] 池田浩治.厚樸酚抑制腫瘤細胞增殖[J].國外醫(yī)學，2002，24（4）：248.

[5] LIOU K， SHEN Y， CHEN C， et al. The anti-inflammatory effect of honokiol on neutrophils： mechanisms in the inhibition of reactive oxygen species production[J]. European Journal Pharmacology，2003，475（1-3）：19-27.

[6] 王 嘉，王 弢，王自強，等.和厚樸酚抗血管生成作用的實驗研究[J].腫瘤，2007，27（7）： 527-530.

[7] 劉可云，董 志，朱 毅.厚樸酚與和厚樸酚的藥理學研究現(xiàn)狀[J].中成藥，2006，28（5）： 716-718.

[8] ZABARDASTI A， SOLIMANNEJAD M. Theoretical study and AIM analysis of hydrogen bonded clusters of water and isocyanic acid[J]. Journal of Molecular Structure：Theochem， 2007，819（1-3）：52-59.

[9] 常勇慧， 姚立成， 張 斌，等. 黃酮類化合物槲皮素光譜特性研究[J]. 廣東化工，2011，38（6）：7-8.

[10] SRINIVAS J， MAHENDHAR R D， PARVINDER P S， et al. Design and synthesis of novel magnolol derivatives as potential antimicrobial and antiproliferative compounds[J].European Journal of Medicinal Chemistry，2012，（51）：35-41.

（責任編輯 趙 娟）

2.2 電子密度拓撲學分析

運用“分子中的原子”理論對厚樸酚的分子內(nèi)成鍵性質進行分析。AIM臨界點圖可以直觀表明分子體系電荷分布拓撲性質，能可靠地顯示體系的鍵結構。分子拓撲圖確定氫鍵存在的第一個必要條件是質子供體和受體原子間是否存在一個臨界點。按量子拓撲學的定義，相關原子核之間電子密度函數(shù)出現(xiàn)臨界鍵鞍點，就必然有連接該鍵鞍點和兩個原子核的鍵徑，即成鍵。從利用AIM2000軟件得到的厚樸酚臨界點圖（圖2）可以看出，厚樸酚中O21與O19間存在一個鍵鞍點，且由兩條鍵徑分別與O21與O19兩原子相連接，說明形成了分子內(nèi)相互作用。從圖2中還可以看出，厚樸酚中O21、O19原子分別與苯環(huán)附近原子形成相互作用，并形成了環(huán)狀結構，環(huán)臨界點、鍵鞍點。

AIM理論認為，成鍵臨界點（Bond critical point， BCP）的電子云密度ρ（r）以及拉普拉斯量？犖2ρ（r）可以用來判斷化學鍵的強弱以及其其成鍵特性。其中？犖2ρ（r）=λ1+λ2+λ3，λ為ρ（r）在三維空間3個方向上二階導數(shù)構成的Hessian矩陣本征值，當Hessian矩陣3個本征值為兩正一負時，稱為環(huán)鞍點（RCP），表明體系內(nèi)具有環(huán)狀結構。厚樸酚分子中O19-C3-C2-C10-C12-O21關鍵點的電子密度拓撲學參數(shù)如表1所示。

從表1可以看出，厚樸酚內(nèi)除了苯環(huán)外，兩個氧原子與相鄰苯環(huán)上C原子也存在RCP關鍵點，形成六元環(huán)狀結構（O19-C3-C2-C10-C12-O21），該結構有利于增強酚羥基活性。

2.3 靜電勢圖與前線軌道分析

藥物分子與受體間的相互作用，通常是靜電力或者氫鍵的弱作用，其靜電勢圖可以最直觀地描述藥物分子活性位點。從厚樸酚分子靜電勢圖（圖3）可以看出，分子的最高負電位為酚羥基的氧原子，而正電位集中在酚羥基中的氫原子上。可以明顯看出，厚樸酚生物活性中心為苯環(huán)上酚羥基，對該類藥物的受體識別作用具有重要意義。因此，電子拓撲學研究結果中，氧原子與相鄰苯環(huán)上C原子間相互成環(huán)共軛作用，將有利于促進羥基電離，提高了厚樸酚活性。已有研究報道，鄰位鹵原子等取代基的加入，也有利于酚羥基的電離，明顯提高厚樸酚的抗癌活性[10]。

前線分子軌道及其內(nèi)的電子對分子反應活性有著決定性的作用。本研究通過計算得到厚樸酚同系物HOMO（最高占據(jù)分子軌道）、LUMO（最低空軌道）能差值為0.193e，前線軌道圖如圖4所示。親電試劑容易結合HOMO中伸展最大的位置，HOMO軌道能增加易于發(fā)生親電反應；親核試劑傾向于進攻LUMO 中伸展最大的位置，LUMO軌道能降低易于發(fā)生親核反應；根據(jù)前線軌道理論，厚樸酚類化合物抗癌性能受HOMO和LUMO軌道能量影響非常大。HOMO、LUMO二者能差值代表了分子活化反應能壘，值越小，活性越大。

3 小結

本研究利用Gaussian03軟件在B3LYP/6-31+G水平下，對厚樸酚初始構型進行構型優(yōu)化分析，并利用AIM2000軟件對其電子密度進行拓撲學分析，判斷結果表明其分子內(nèi)兩個苯環(huán)及兩個氧原子形成共軛大π鍵；靜電勢圖分析結果表明其主要活性位點為酚羥基，厚樸酚HOMO、LUMO軌道能差值為0.193 e。

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（責任編輯 趙 娟）

2.2 電子密度拓撲學分析

運用“分子中的原子”理論對厚樸酚的分子內(nèi)成鍵性質進行分析。AIM臨界點圖可以直觀表明分子體系電荷分布拓撲性質，能可靠地顯示體系的鍵結構。分子拓撲圖確定氫鍵存在的第一個必要條件是質子供體和受體原子間是否存在一個臨界點。按量子拓撲學的定義，相關原子核之間電子密度函數(shù)出現(xiàn)臨界鍵鞍點，就必然有連接該鍵鞍點和兩個原子核的鍵徑，即成鍵。從利用AIM2000軟件得到的厚樸酚臨界點圖（圖2）可以看出，厚樸酚中O21與O19間存在一個鍵鞍點，且由兩條鍵徑分別與O21與O19兩原子相連接，說明形成了分子內(nèi)相互作用。從圖2中還可以看出，厚樸酚中O21、O19原子分別與苯環(huán)附近原子形成相互作用，并形成了環(huán)狀結構，環(huán)臨界點、鍵鞍點。

AIM理論認為，成鍵臨界點（Bond critical point， BCP）的電子云密度ρ（r）以及拉普拉斯量？犖2ρ（r）可以用來判斷化學鍵的強弱以及其其成鍵特性。其中？犖2ρ（r）=λ1+λ2+λ3，λ為ρ（r）在三維空間3個方向上二階導數(shù)構成的Hessian矩陣本征值，當Hessian矩陣3個本征值為兩正一負時，稱為環(huán)鞍點（RCP），表明體系內(nèi)具有環(huán)狀結構。厚樸酚分子中O19-C3-C2-C10-C12-O21關鍵點的電子密度拓撲學參數(shù)如表1所示。

從表1可以看出，厚樸酚內(nèi)除了苯環(huán)外，兩個氧原子與相鄰苯環(huán)上C原子也存在RCP關鍵點，形成六元環(huán)狀結構（O19-C3-C2-C10-C12-O21），該結構有利于增強酚羥基活性。

2.3 靜電勢圖與前線軌道分析

藥物分子與受體間的相互作用，通常是靜電力或者氫鍵的弱作用，其靜電勢圖可以最直觀地描述藥物分子活性位點。從厚樸酚分子靜電勢圖（圖3）可以看出，分子的最高負電位為酚羥基的氧原子，而正電位集中在酚羥基中的氫原子上。可以明顯看出，厚樸酚生物活性中心為苯環(huán)上酚羥基，對該類藥物的受體識別作用具有重要意義。因此，電子拓撲學研究結果中，氧原子與相鄰苯環(huán)上C原子間相互成環(huán)共軛作用，將有利于促進羥基電離，提高了厚樸酚活性。已有研究報道，鄰位鹵原子等取代基的加入，也有利于酚羥基的電離，明顯提高厚樸酚的抗癌活性[10]。

前線分子軌道及其內(nèi)的電子對分子反應活性有著決定性的作用。本研究通過計算得到厚樸酚同系物HOMO（最高占據(jù)分子軌道）、LUMO（最低空軌道）能差值為0.193e，前線軌道圖如圖4所示。親電試劑容易結合HOMO中伸展最大的位置，HOMO軌道能增加易于發(fā)生親電反應；親核試劑傾向于進攻LUMO 中伸展最大的位置，LUMO軌道能降低易于發(fā)生親核反應；根據(jù)前線軌道理論，厚樸酚類化合物抗癌性能受HOMO和LUMO軌道能量影響非常大。HOMO、LUMO二者能差值代表了分子活化反應能壘，值越小，活性越大。

3 小結

本研究利用Gaussian03軟件在B3LYP/6-31+G水平下，對厚樸酚初始構型進行構型優(yōu)化分析，并利用AIM2000軟件對其電子密度進行拓撲學分析，判斷結果表明其分子內(nèi)兩個苯環(huán)及兩個氧原子形成共軛大π鍵；靜電勢圖分析結果表明其主要活性位點為酚羥基，厚樸酚HOMO、LUMO軌道能差值為0.193 e。

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（責任編輯 趙 娟）