葛根素與水二聚體相互作用的密度泛函理論研究

廣東藥科大學(xué)中藥學(xué)院，廣東 廣州 510006

葛根素(Puerarin)來源于豆科植物野葛(PuerarinLobata(Willd.)Ohwi)或甘葛藤(PuerarinthomsoniiBenth.)的干燥根中提取出的一種異黃酮苷[1]，分子式為C21H20O9，相對分子質(zhì)量為416.38，呈白色針狀結(jié)晶。其毒性小、安全范圍廣、療效好，臨床上主要用于心腦血管疾病的治療[2]。但其水溶性較差限制了葛根素在臨床上的廣泛使用[3]。葛根素具有異黃酮類物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的特點，β環(huán)受吡喃環(huán)羰基的立體阻礙影響，在空間上只能形成大的共扼體系而成為非平面結(jié)構(gòu)，且晶格排列緊密，剛性較強[4]。葛根素在8位上連一吡喃葡萄糖，在7,4位上各有一羥基，為葛根素的活性基團。其苷元水溶性很差，因此認為葡萄糖基是葛根素有一定水溶性的重要因素。而結(jié)構(gòu)中的羥基(-OH)均有可能和水分子形成分子間氫鍵，所以本研究設(shè)計了6種C21H20O9-H2O超分子體系的結(jié)構(gòu)，通過比較分子之間的相互作用強弱，來揭示相互作用的本質(zhì)，對了解葛根素與水的作用方式有重要意義[5]。

1 計算方法

分子模擬的主要方法有經(jīng)典力學(xué)模擬和量子力學(xué)模擬，而Gaussian一般適用于量子力學(xué)計算。其中量子力學(xué)模擬主要依據(jù)的方法有從頭計算法、半經(jīng)驗分子軌道理論、密度泛函理論(DFT)方法等。而密度泛函方法是一個較好的理論計算和結(jié)構(gòu)預(yù)測方法，對于確定復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有重要的參考意義[6]。本文以Gview 3.7軟件組建葛根素單體C21H20O9和H2O的二聚體C21H20O9-H2O，計算方法均使用DET-B3LYP/6-31+G方法。其中，B3LYP是密度泛函理論中常用的方法之一，6-31G是描述原子的基組，“6”是指對內(nèi)層軌道的描述；“31”是指每個價層電子會被劈裂成2個基函數(shù)，分別由3個和1個高斯型函數(shù)線性組合而成；“G”是高斯基組。以本征值跟蹤算法(EF)和內(nèi)坐標的Berny算法等[7]對所選的結(jié)構(gòu)進行全優(yōu)化，求得能量極小點(穩(wěn)定構(gòu)型)，經(jīng)振動分析得優(yōu)化結(jié)構(gòu)無虛頻。采用Boys和Bernardi提出的均衡校正法(CP)[8]進行基組疊加誤差(BSSE)校正與零點能(ZPE)校正。通過自然軌道分析[9]，揭示單體轉(zhuǎn)變?yōu)槎垠w后的電荷轉(zhuǎn)移狀況，探索C21H20O9和H2O形成二聚體時的相互作用的本質(zhì)。通過統(tǒng)計熱力學(xué)方法求得熱力學(xué)函數(shù)[10]，揭示單體轉(zhuǎn)變?yōu)槎垠w后的能量變化，探索C21H20O9在溶解過程的變化規(guī)律及反應(yīng)機制。全部計算均采用Guassian 09W程序[11]完成，收斂精度取程序內(nèi)定值。

2 結(jié)果與討論

2.1 幾何構(gòu)型 圖1和圖2列出了優(yōu)化后的葛根素和水分子的及原子編號，二聚體(Ⅰ～Ⅵ)的DFT-B3LYP/6-31+G全優(yōu)化幾何構(gòu)型部分幾何參數(shù)列于表1。其中酚羥基O25-H26(即葛根素異黃酮母核B環(huán)上的酚羥基)與水形成的二聚體稱為二聚體Ⅰ；酚羥基O27-H28(即葛根素異黃酮母核A環(huán)羥基)與水形成的二聚體稱為二聚體Ⅱ；羥基O44-H45與水形成的二聚體稱為二聚體Ⅲ；羥基O34-H35與水形成的二聚體稱為二聚體Ⅳ；羥基O36-H37與水形成的二聚體Ⅴ；羥基O41-H42(即葡萄糖五元環(huán)結(jié)構(gòu)所連亞甲基上的羥基)于水形成的二聚體稱為二聚體Ⅵ。

由表1可見，二聚體(Ⅰ～Ⅵ)中的接觸點(O-H…O)距離分別為0.169 2、0.258 9、0.158 0、0.160 6、0.171 5和0.309 4 nm，長短次序為：Ⅲ<Ⅳ<Ⅰ<Ⅴ<Ⅱ<Ⅵ，接觸點距離最短屬于二聚體Ⅲ。二聚體(Ⅰ～Ⅵ)均近似地屬于C1點群，與單體相比，二聚體(Ⅰ～Ⅵ)接觸點為O-H…O的O-H鍵長變化分別為0.001 8、0.001 2、0.002 7、0.002 6、0.001 7和0.000 9 nm，二聚體Ⅲ的O-H鍵長變化最大。與單體相比，二聚體鍵角變化均小于0.8°，二面角變化均小于0.2°。由此可見，聚合和分子間相互作用未造成各單體較大的扭曲，對內(nèi)旋轉(zhuǎn)影響也比較小。根據(jù)二聚體的接觸點種類和距離可以初步推測出結(jié)果：二聚體Ⅲ的穩(wěn)定性最優(yōu)。

表1 葛根素，水和二聚體(Ⅰ～Ⅵ)的部分優(yōu)化鍵長 (nm)

2.2 電荷分布及轉(zhuǎn)移 由表2可見，與單體相比，在接觸點上的氧原子，氫原子及附近的氧原子變化明顯。如二聚體Ⅲ中的O44為-0.817 e減少了0.027 e，H45為0.540 e增加了0.011 e。結(jié)合后H2O上的氧原子和氫原子的電荷也有明顯變化。子體系間電荷轉(zhuǎn)移比較多。在二聚體(Ⅰ～Ⅵ)中兩子體系間電荷傳遞主要通過接觸點O-H…O傳遞電荷分別為0.051、0.028、0.029、0.028、0.052和0.022e。

表2 葛根素，水和二聚體(Ⅰ～Ⅵ)的部分優(yōu)化自然原子電荷 (e)

2.3 結(jié)合能 由表3可知，在DFT-B3LYP/6-31+G水平下求得的葛根素和水形成二聚體時的分子間相互作用能，有總能量(E)和經(jīng)基組疊加誤差(BSSE)和ZPE校正后的結(jié)合能(ΔEc)兩部分。二聚體(Ⅰ～Ⅵ)結(jié)合能分別大小順序為：Ⅲ﹥Ⅳ﹥Ⅵ﹥Ⅴ﹥Ⅰ﹥Ⅱ。經(jīng)BSSE和ZPE校正后的葛根素與水二聚體的最大結(jié)合能為-79.82 kJ·mol-1，屬于構(gòu)型Ⅲ，而二聚體Ⅱ的結(jié)合能較低，這是由于所連接的酚羥基受葡萄糖糖基的位阻影響，活性較弱，這與前面的穩(wěn)定化能及根據(jù)鍵長和接觸點距離來推測二聚體穩(wěn)定性基本相一致。

表3 葛根素，水和二聚體(Ⅰ～Ⅵ)總能量及結(jié)合能 (kJ·mol-1)

2.4 熱力學(xué)性質(zhì) 基于統(tǒng)計熱力學(xué)的方法，在振動分析基礎(chǔ)上(頻率校正因子為0.96[10])，計算在298.15 K下由單體生成二聚體(Ⅰ～Ⅵ)的熱力學(xué)函數(shù)的變化值，見表4。由單體生成二聚體時，體系熵值減小，分子間相互作用使聚合過程焓值變大，是吸熱過程，形成二聚體(Ⅰ～Ⅵ)焓變值Ⅲ﹥Ⅳ﹥Ⅴ﹥Ⅵ﹥Ⅱ﹥Ⅰ，表明二聚體Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅱ，Ⅰ分子間相互作用依次減弱。分子間相互作用最強的二聚體為Ⅲ，這與前面推論一致。

表4 298.15 K下由單體形成二聚體的熱力學(xué)性質(zhì)

注：△ST=(ST)dimer-2(ST)monomer,△HT=(HT+E(HF)+ZPE)dimer-∑(HT+E(HF)+ZPE)monomer

3 結(jié)論

由葛根素結(jié)構(gòu)分析，黃酮母核上的有兩個酚羥基，由于酚羥基與苯環(huán)已形成了共軛體系，很難像醇羥基一樣發(fā)生反應(yīng)，故酚羥基上與水分子發(fā)生氫鍵作用形成二聚體的穩(wěn)定性可能較差。因而連接在葡萄糖苷上的4個羥基與水相互作用形成的二聚體穩(wěn)定性可能較優(yōu)。

在DFT-B3LYP/6-31+G水平下，求得的葛根素與水二聚體的優(yōu)化結(jié)構(gòu)(Ⅰ～Ⅵ)。而且經(jīng)振動分析得優(yōu)化結(jié)構(gòu)無虛頻，具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。與單體相比，二聚體(Ⅰ～Ⅵ)接觸點為O-H…O的O-H鍵長均變大，接觸點距離最小的屬于構(gòu)型Ⅲ。而且各接觸點上的氧原子，氫原子及附近的氧原子電荷變化明顯。對葛根素與水形成二聚體(Ⅰ～Ⅵ)的自然鍵軌道，相互作用能和熱力學(xué)性質(zhì)上來分析，最大的結(jié)合能和焓變值分別為79.82 kJ·mol-1和-20.92 kJ·mol-1，均屬于構(gòu)型Ⅲ。因此，二聚體Ⅲ為最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。