理論探究咖啡因N3和N7位水解去甲基代謝機理

康 媛，陶 婧，陳 秋，王永婷，張 燕，薛志宇，陳澤琴

(西華師范大學(xué) a．化學(xué)化工學(xué)院;b．四川省化學(xué)合成與污染控制重點實驗室，四川 南充 637009)

1 引 言

咖啡因，又稱為1，3，7 -三甲基黃嘌呤，是一種天然黃嘌呤生物堿． 它主要存在于某些植物的種子、葉子和果實中，如咖啡豆［1］． 咖啡因是一種中樞神經(jīng)興奮劑，是世界上使用最普遍的精神活性物質(zhì)和情緒轉(zhuǎn)換藥［2］． 在所有的腺苷受體中，咖啡因是一種受體拮抗劑，它像其他黃嘌呤一樣扮演著磷酸二酯酶抑制劑的角色［3］． 因而在藥物方面常被用作強心劑、止痛劑． 最近的研究表明咖啡因還有助于鞏固人類長期的記憶［4］．適量的攝入咖啡因可以降低患心血管疾病、子宮內(nèi)膜癌以及二型糖尿病的風(fēng)險［5，6］． 但過量的咖啡因會增加患膀胱癌的風(fēng)險［7］．

咖啡因在體內(nèi)的主要代謝路徑是通過N 位去甲基反應(yīng)． 通過N1、N3和N7位去甲基，咖啡因可降解形成可可堿(3，7 -二甲基黃嘌呤)、副黃嘌呤(1，7 -二甲基黃嘌呤)和茶堿(1，3 -二甲基黃嘌呤)．這三種初級代謝產(chǎn)物與咖啡因有相似的醫(yī)用價值． 可可堿通常被用作血管擴張劑和利尿劑． 茶堿作為支氣管擴張劑治療慢性阻塞性肺氣腫和哮喘［8］． 副黃嘌呤能加速脂解，并具有精神興奮藥理性質(zhì)［9］，因此，研究咖啡因的生物降解過程具有十分重要的意義． 在前面，我們已經(jīng)研究了咖啡因N1位水解去甲基的反應(yīng)機理，探討了N1位水解的兩條反應(yīng)路徑［10］． 在此基礎(chǔ)上，本文以咖啡因分子和水分子為研究模型，利用量子化學(xué)方法探討了咖啡因N3和N7位水解代謝機理，通過優(yōu)化反應(yīng)過程中各穩(wěn)定點的構(gòu)型，了解反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)，為咖啡因的水解代謝機理提供更完整的信息．

2 計算方法

本文所有的計算都是通過高斯09 程序包完成的［11］． 在氣相中，勢能面上各反應(yīng)物(RC)，過渡態(tài)(TS)，中間體(IM)和產(chǎn)物(PC)的結(jié)構(gòu)都采用密度泛函BH＆HLYP/6 -311 + +G(d，p)方法進行優(yōu)化［12］． 并對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行諧振頻率分析，確保勢能面上所有的極小點沒有虛頻，過渡態(tài)有且僅有一個虛頻． 同時利用內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)IRC 分析(Intrinsic Reaction Coordinate)確定過渡態(tài)連接的反應(yīng)物和產(chǎn)物．

3 結(jié)果與討論

作者考察了咖啡因N3和N7位水解去甲基反應(yīng)的兩條代謝機理，形成相應(yīng)的副黃嘌呤和茶堿． 反應(yīng)過程的Gibbs 自由能(ΔG)和能量(ΔE)變化如表1 所示．

表1 BH＆HLYP/6 -311 + +G(d，p)水平下，咖啡因N3 和N7 位水解代謝機理的Gibbs 自由能(ΔG)和能量(ΔE)變化(單位:kJ·mol-1)．Tab．1 Changes of Gibbs Free Energies (ΔG)and Electronic Energies (ΔE)for the hydrolysis metabolic mechanisms of caffeine at N3 and N7 sites at the BH＆HLYP/6 -311 + +G(d，p)theory of level (in kJ·mol-1)

3．1 咖啡因N3 位水解代謝機理

咖啡因N3位水解代謝過程有兩條可能的反應(yīng)路徑:路徑A 和B．路徑A 為分步反應(yīng)機理，首先，水分子對N3位甲基碳原子進行親核進攻，同時水分子中的一個質(zhì)子向O2原子轉(zhuǎn)移，形成副黃嘌呤的烯醇式異構(gòu)體，并釋放出甲醇;然后，在甲醇分子的協(xié)助下，通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移實現(xiàn)副黃嘌呤烯醇式和酮式的互變，從而形成副黃嘌呤穩(wěn)定的酮式構(gòu)型． 路徑B 為協(xié)同反應(yīng)機理，水分子在對N3位甲基碳原子進行親核進攻的同時伴隨質(zhì)子向N3原子的轉(zhuǎn)移，直接形成酮式構(gòu)型的副黃嘌呤．

3．1．1 路徑A

路徑A 勢能面上反應(yīng)物、中間體、過渡態(tài)和產(chǎn)物的優(yōu)化構(gòu)型如圖1 所示． 在第一步親核反應(yīng)中，過渡態(tài)1 -TSA1的振動虛頻為603 i cm-1，其主要振動模式對應(yīng)于水分子中氧原子Ow對N3位甲基碳原子C3的親核進攻，與此同時，水分子中的一個質(zhì)子H 轉(zhuǎn)移到O2原子，形成一個穩(wěn)定的六元環(huán)． 在過渡態(tài)1 -TSA1中，C3-N3距離為2．26?，遠大于反應(yīng)物1 -RCA的鍵長(1．46?)，說明在過渡態(tài)1 -TSA1中C3-N3鍵在很大程度上已被削弱． 隨著反應(yīng)的進行，生成副黃嘌呤的烯醇式異構(gòu)體1 -IMA． 在1 -IMA中，C3-N3鍵已完全斷裂，反應(yīng)生成的甲醇與副黃嘌呤的烯醇式異構(gòu)體通過氫鍵Ow-H…N3和O2-H…Ow相互作用． 在氣相中，該反應(yīng)所需的活化自由能為358．8 kJ·mol-1;反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)能量為67．5 kJ·mol-1．

第二步為副黃嘌呤的烯醇式與酮式的互變異構(gòu)． 在甲醇的協(xié)助下，反應(yīng)過渡態(tài)1 -TSA2為六元環(huán)過渡態(tài)，環(huán)的張力較小，其振動虛頻為1 156 i cm-1，反應(yīng)所需的活化能較低，在氣相中為43．1 kJ·mol-1． 反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)能量為41．0 kJ·mol-1，說明可可堿的酮式構(gòu)型比烯醇式更穩(wěn)定．

圖1 在BH&HLYP/6-311++G(d,p)水平下咖啡因N3 位水解路徑A 的穩(wěn)定點構(gòu)型Fig．1 Optimization structures of stationary points for the path A of the hydrolysis of caffeine at N3 site at the BH&HLYP/6-311++ G(d,p) level

3．1．2 路徑B

路徑B 中各穩(wěn)定點的優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖2 所示． 過渡態(tài)1 -TSB1的振動虛頻為550 i cm-1，其振動模式對應(yīng)于水分子中氧原子Ow對C3原子的親核進攻，隨后，水分子中的一個質(zhì)子轉(zhuǎn)移到N3原子，直接形成酮式構(gòu)型的副黃嘌呤． 過渡態(tài)1 -TSB1為四元環(huán)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)中C3-N3、C3-Ow、Ow-Hw和Hw-N3長度分別為2．31、2．14、0．98 和1．71?． 由于四元環(huán)較大的環(huán)張力，過渡態(tài)1 -TSB1的活化自由能為362．3 kJ·mol-1，比路徑A 高3．5 kJ·mol-1． 路徑B 為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)能量為24．5 kJ·mol-1． 由此可見，對于咖啡因N3位水解去甲基過程，路徑A 優(yōu)于路徑B．

3．2 咖啡因N7 位水解代謝機理

咖啡因N7位水解代謝過程也有兩條可能的反應(yīng)路徑．路徑A 由兩步完成，首先，水分子對N7位甲基碳原子C7進行親核進攻，該過程伴隨水分子的一個質(zhì)子向O6原子轉(zhuǎn)移，形成茶堿的烯醇式異構(gòu)體和甲醇;然后，在甲醇分子的橋梁作用下，茶堿的烯醇式通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移形成酮式構(gòu)型． 路徑B 由一步反應(yīng)完成，水分子在對C7原子進行親核進攻的同時伴隨質(zhì)子直接向N7原子的轉(zhuǎn)移，形成酮式構(gòu)型的茶堿．

3．2．1 路徑A

咖啡因N7位水解代謝路徑A 中各穩(wěn)定點的優(yōu)化構(gòu)型如圖3 所示． 在第一步的親核進攻過程中，過渡態(tài)2 -TSA1是一個七元環(huán)結(jié)構(gòu)，它的振動虛頻為584 i cm-1，它的主要貢獻是促進水分子中的Ow-H 鍵和咖啡因分子中的N7-C7鍵斷裂，從而形成甲醇和茶堿的烯醇式異構(gòu)體(2 -IMA)． 在過渡態(tài)2 -TSA1中，N7-C7、C7-Ow和Hw-O6鍵的長度分別為2．26?、2．12? 和1．67?，這表明過渡態(tài)2 -TSA1中N7-C7鍵的削弱和C7-Ow和Hw-O6鍵的增強． 過渡態(tài)2 -TSA1的活化自由能為363．1 kJ·mol-1，反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所需的能量為77．6 kJ·mol-1． 在第二步的互變異構(gòu)中，在甲醇分子的協(xié)助下，過渡態(tài)2 -TSA2為七元環(huán)結(jié)構(gòu)，其振動虛頻為839 i cm-1． 該互變異構(gòu)所需的活化自由能僅為8．7 kJ·mol-1，反應(yīng)為強放熱過程，反應(yīng)能量為60．4 kJ·mol-1． 因而，茶堿的烯醇式異構(gòu)體極不穩(wěn)定，很容易轉(zhuǎn)化為其酮式構(gòu)型，該互變異構(gòu)過程在熱力學(xué)和動力學(xué)上都是有利的．

圖2 在BH&HLYP/6-311++G(d,p)水平下咖啡因N3 位水解路徑B 的穩(wěn)定點構(gòu)型Fig．2 Optimization structures of stationary points for the path B of the hydrolysis of caffeine at N3 site at the BH&HLYP/6-311++ G(d,p) level

圖3 在BH&HLYP/6-311++G(d,p)水平下咖啡因N7 位水解路徑A 的穩(wěn)定點構(gòu)型Fig．3 Optimization structures of stationary points for the path A of the hydrolysis of caffeine at N7 site at the BH&HLYP/6-311++ G(d,p) level

3．2．2 路徑B

咖啡因N7位水解路徑B 各穩(wěn)定點的優(yōu)化構(gòu)型如圖4 所示． 路徑B 與路徑A 的差別在于當(dāng)水分子中的Ow原子對C7進行親核進攻時，水分子中的質(zhì)子是直接轉(zhuǎn)移到N7原子，形成酮式構(gòu)型的茶堿． 如圖4 所示，過渡態(tài)2 -TSB1為環(huán)張力較大的四元環(huán)結(jié)構(gòu)，其振動虛頻為542 i cm-1，振動模式主要應(yīng)對于N3-C3鍵的伸縮振動． 在過渡態(tài)2 -TSB1中，N7-C7和C7-Ow鍵長分別為2．40? 和2．24?，標(biāo)志著N7-C7鍵的削弱和C7-Ow增強．過渡態(tài)2 -TSB1的活化自由能為370．7 kJ·mol-1，比2 -TSA1高7．6 kJ·mol-1． 路徑B 也是吸熱反應(yīng)，反應(yīng)能量為20．4 kJ·mol-1． 由此可見，對于咖啡因N7位水解去甲基過程，路徑A 比路徑B 更有利．

圖4 在BH&HLYP/6-311++G(d,p)水平下咖啡因N7 位水解路徑B 的穩(wěn)定點構(gòu)型Fig．4 Optimization structures of stationary points for the path B of the hydrolysis of caffeine at N7 site at the BH&HLYP/6-311++ G(d,p) level

綜上所述，結(jié)合N1位水解代謝機理的研究［10］，比較N1、N3和N7位的最優(yōu)水解路徑可以看出:N1位水解所需的活化自由能最低，然后依次是N3和N7位． 因而可可堿為咖啡因水解代謝的優(yōu)勢產(chǎn)物，然后是副黃嘌呤，最后是茶堿．但所有N 位水解代謝路徑所需的活化能均較高，因而咖啡因通過直接水解代謝是不可行的．

4 結(jié) 論

咖啡因和它的代謝產(chǎn)物都具有十分重要藥理學(xué)效應(yīng)，它在人體內(nèi)的代謝與人類健康密切相關(guān)． 作者采用BH＆HLYP/6 -311 + +G(d，p)方法研究了咖啡因N3和N7位水解代謝形成副黃嘌呤和茶堿的反應(yīng)機理． 研究表明:對于N3或N7位水解代謝，路徑A 比路徑B 更有利，N3位水解代謝優(yōu)于N7位．但所有N 位水解代謝均需要較高的活化能，咖啡因代謝必須要在酶的作用下才能進行．

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