兒茶素與堿基對(duì)相互作用的理論研究

鄭 妍， 陳 曉， 劉柳斜， 李來(lái)才

(四川師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，四川成都610066)

兒茶素屬黃烷醇類(lèi)化合物，是一類(lèi)多酚類(lèi)物質(zhì)，約占茶葉多酚總量的60%～80%，是茶葉中的重要功能性成分［1］．兒茶素中主要包括:表沒(méi)食子兒茶素(EGCG)、表兒茶素沒(méi)食子酸酯(ECG)和表兒茶素(EC)［2］．兒茶素中存在電子離域結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的抗氧化作用，不僅能與超氧自由基發(fā)生反應(yīng)，還能與金屬離子螯合起到抗氧化作用，防止多種物質(zhì)自動(dòng)氧化［3］．兒茶素在生理水相環(huán)境中極不穩(wěn)定，易異構(gòu)化或聚合，其結(jié)構(gòu)中的酚羥基與水分子之間也易形成氫鍵，形成巨大的水合外層，從而導(dǎo)致兒茶素脂溶性差，降低了兒茶素的吸收，影響其在人體內(nèi)的生物利用［4］．兒茶素作為一種具有藥用價(jià)值的小分子化合物，具有很強(qiáng)的清除自由基和抗氧化的作用．該作用也是兒茶素其他藥理作用的重要基礎(chǔ)［5］．綠茶兒茶素可以抑制癌細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)其凋亡，兒茶素單體間作用效果存在差異，ECG和EC抗胰腺導(dǎo)管癌細(xì)胞增殖作用明顯，作用均強(qiáng)于EGCG［5］．兒茶素可增加細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性，使胞內(nèi)蛋白質(zhì)和糖類(lèi)物質(zhì)滲漏，造成細(xì)菌代謝發(fā)生紊亂，對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的最小抑菌質(zhì)量濃度(MIC)分別為 0．32 g/L 和 1．25 g/L．當(dāng)前大多數(shù)人們的研究主要致力于兒茶素及其衍生物的實(shí)驗(yàn)合成、兒茶素分子在氣相中的幾何結(jié)構(gòu)、能量、分子靜電勢(shì)的理論研究，對(duì)兒茶素與堿基對(duì)的特異性識(shí)別、作用位點(diǎn)和相互作用的機(jī)制研究較少．兒茶素具有生物活性顯著、藥理作用廣泛的特點(diǎn)［6］．DNA大分子內(nèi)含有4種不同類(lèi)型的堿基，分別為胞嘧啶(C)、鳥(niǎo)嘌呤(G)、腺嘌呤(A)及胸腺嘧啶(T)，這些不同的堿基對(duì)于遺傳信息在各種生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)錄、復(fù)制、遺傳扮演著極其重要的作用，在堿基對(duì)的組成過(guò)程中，嘌呤只能與嘧啶配對(duì)，腺嘌呤(A)一定與胸腺嘧啶(T)配對(duì)，鳥(niǎo)嘌呤(G)一定與胞嘧啶(C)配對(duì)［7－8］．本文主要研究胞嘧啶(C)、鳥(niǎo)嘌呤(G)配對(duì)的堿基對(duì)與兒茶素的相互作用．采用密度泛函理論對(duì)兒茶素與堿基對(duì)形成的多種復(fù)合物進(jìn)行研究，對(duì)于了解這些活性小分子與生物分子的作用規(guī)律，進(jìn)而闡明其生物學(xué)效應(yīng)的機(jī)制有重要意義，為兒茶素類(lèi)藥物的設(shè)計(jì)、修飾、合成和篩選提供有價(jià)值的信息．

1 計(jì)算方法

采用密度泛函理論(DFT)M05 方法［9－13］在6－311++G(d，p)基組水平下對(duì)兒茶素、堿基對(duì)、兒茶素和堿基對(duì)分子復(fù)合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行頻率計(jì)算，所得結(jié)構(gòu)均是勢(shì)能面上的穩(wěn)定點(diǎn)．運(yùn)用 Bader［14］建立的分子中的原子理論(AIM)對(duì)復(fù)合物的成鍵臨界點(diǎn)電荷密度進(jìn)行分析，揭示分子間所成鍵的性質(zhì);還應(yīng)用Weinhold等［15］建立的自然鍵軌道(NBO)理論，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行NBO分析，揭示分子間氫鍵作用強(qiáng)度對(duì)復(fù)合物構(gòu)型穩(wěn)定性的影響．在計(jì)算復(fù)合物相互作用能時(shí)，考慮了零點(diǎn)能(ZPE)和基組重疊誤差(BSSE)校正，BSSE 校正采用 Boys和 Bernadi［16］提出的 Counterpoise方法(CP)，校正后的相互作用能ΔE的計(jì)算公式為

其中，EAB是復(fù)合物AB的能量，EA(B)是復(fù)合物中所有B原子核設(shè)為攜帶虛軌道的傀儡原子時(shí)計(jì)算獲得的單體A的能量，EB(A)是復(fù)合物中所有A原子核設(shè)為攜帶虛軌道的傀儡原子時(shí)計(jì)算得到的單體B的能量．所有計(jì)算均運(yùn)用Gaussian 09程序［17］完成．

2 結(jié)果與討論

由于兒茶素分子結(jié)構(gòu)式里面含有多個(gè)羥基，不同的羥基取向會(huì)使得兒茶素分子構(gòu)型具有多樣性．選擇能量最低最穩(wěn)定的Catechin構(gòu)型作為研究對(duì)象，采用6－311++(d，p)基組對(duì)兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物的構(gòu)型進(jìn)行全優(yōu)化，得到穩(wěn)定的兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物19個(gè)，并在相同水平上進(jìn)行單體頻率、復(fù)合物頻率計(jì)算．優(yōu)化的兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物構(gòu)型如圖1所示，相應(yīng)的能量列于表1．分析計(jì)算結(jié)果表明:氫鍵的種類(lèi)和氫鍵的個(gè)數(shù)對(duì)兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物的穩(wěn)定性起著極其重要的作用．

圖 1 (續(xù))

表1 兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物的總能量E、相對(duì)能量△E、BSSE校正后△E'、溶劑化的相互作用能△E″Tab．1 Total energies(E)，relative energies(△E)，with the BSSE correction(△E')and the solvation effect(△E″)for all the complexes

在研究?jī)翰杷兀瓑A基對(duì)復(fù)合物成鍵情況的過(guò)程中，應(yīng)用AIM2000程序計(jì)算了復(fù)合物中成鍵臨界點(diǎn)的電荷密度，以及成鍵臨界點(diǎn)的拉普拉斯值(▽2ρ)．氫鍵臨界點(diǎn)處的電荷密度(ρ)在 0．002～0．040 a．u．，相應(yīng)的成鍵臨界點(diǎn)電荷密度的拉普拉斯值范圍在0．024～0．139 a．u．［18－19］．我們計(jì)算的兒茶素－堿基氫鍵復(fù)合物中X(N，O)…H的臨界點(diǎn)電荷密度均在0．005～0．039 a．u．，而相應(yīng)臨界點(diǎn)處的拉普拉斯值在 0．023～0．133 a．u．，符合氫鍵的定義．當(dāng) 2 個(gè)不同分子間存在相互作用，形成一個(gè)氫鍵時(shí)，通過(guò)相互作用能的大小可以反映出氫鍵的強(qiáng)弱以及復(fù)合物的穩(wěn)定性［20－21］．但是，當(dāng)所形成的復(fù)合物中存在2個(gè)及以上氫鍵的時(shí)候，該復(fù)合物的穩(wěn)定性以及氫鍵強(qiáng)弱的判斷會(huì)變得很復(fù)雜．根據(jù)圖1可知，兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物中共有 O—H…O、C—H…O、O—H…N、N—H…O、C—H…N等5種不同類(lèi)型的氫鍵，復(fù)合物A06、A07存在 1個(gè)分子間氫鍵，復(fù)合物 A02、A03、A05、A09、A12、A13、A14、A19 存在 2 個(gè)分子間氫鍵，復(fù)合物 A01、A08、A10、A11、A15、A16、A18 存在3個(gè)分子間氫鍵，復(fù)合物A04存在4個(gè)分子間氫鍵．兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物經(jīng)BSSE校正后的能量順序:A16＞A10＞A15＞A13＞A12＞A14＞A17＞A19＞A18＞A11＞A02＞A03＞A06＞A05＞A04＞A09＞A08＞A01＞A07．通過(guò)這個(gè)順序發(fā)現(xiàn):一般情況下，氫鍵的數(shù)目越多，復(fù)合物相互作用能越高，穩(wěn)定性好，表明氫鍵強(qiáng)弱具有簡(jiǎn)單的加和性，但是并不是氫鍵數(shù)目越多，形成的復(fù)合物能量就越低，分子就越穩(wěn)定，分子的穩(wěn)定性還和氫鍵的平均鍵長(zhǎng)及電荷密度等因素有關(guān)．

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物經(jīng)BSSE校正后的相互作用能最高的是化合物A16，是所有復(fù)合物中最穩(wěn)定的，該分子中存在3個(gè)氫鍵，分別是:O(2)—H(2)…N(8)、C(1)—H(1)…O(8)、C(7)—H(21)…O(8);鍵長(zhǎng)分別是:0．182、0．238 和 0．269 nm，平均鍵長(zhǎng)為 0．230 nm，對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)電荷密度分別為:0．037、0．011 和0．006 a．u．;對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)電荷密度的拉普拉斯值分別為:0．102、0．034 和 0．018 a．u．;鍵級(jí)分別為:0．065、0．007、0．003．該復(fù)合物比其他此類(lèi)復(fù)合物形成的氫鍵鍵長(zhǎng)小，電荷密度大，所以是最穩(wěn)定的．在復(fù)合物A04中，存在4個(gè)分子間氫鍵，分別是:N(5)—H(14)…O(5)、O(5)—H(5)…O(7)、C(2)—H(17)…O(7)、C(5)—H(6)…O(4);鍵長(zhǎng)依次為:0．280、0．204、0．280 和 0．245 nm，平均鍵長(zhǎng)為0．252 nm．化合物 A16之所以比化合物A04穩(wěn)定，可能是化合物A16中不含有N—H…O氫鍵．N—H…O氫鍵的鍵長(zhǎng)比較長(zhǎng)，臨界點(diǎn)電荷密度比較小導(dǎo)致該類(lèi)型氫鍵弱，使得其形成的復(fù)合物分子相互作用能低而不穩(wěn)定．對(duì)于分子間形成多個(gè)氫鍵復(fù)合物，其穩(wěn)定性與局部氫鍵強(qiáng)度相關(guān)．

在形成三氫鍵的復(fù)合物 A01、A08、A10、A11、A15、A16、A18中，A01的 3個(gè)氫鍵是:C(4)—H(8)…O(2)、O(3)—H(3)…O(7)、N(5)—H(14)…O(3);鍵長(zhǎng)分別為:0．270、0．197 和 0．264 nm．A10 的3個(gè)氫鍵是:N(3)—H(11)…O(4)、C(1)—H(1)…O(8)、O(2)—H(2)…N(8);鍵長(zhǎng)分別為:0．225、0．269和0．184 nm．A11的 3個(gè)氫鍵是:N(3)—H(2)…O(5)、O(5)—H(5)…O(8)、C(2)—H(20)…N(8);鍵長(zhǎng)分別為:0．282、0．183 和0．253 nm．復(fù)合物A15的3個(gè)氫鍵是:O(2)—H(2)…O(8)、O(3)—H(3)…N(8)、N(3)—H(11)…O(1);鍵長(zhǎng)分別為:0．175、0．227、0．237 nm．A18 的 3 個(gè)氫鍵是:N(3)—H(11)…O(4)、C(2)—H(20)…O(8)、O(5)—H(5)…N(8);鍵長(zhǎng)分別為:0．273、0．220 和 0．192 nm．因?yàn)榛衔顰01、A10、A11、A15和A18中含有N—H…O型氫鍵，故它們的穩(wěn)定性不如A16．而在復(fù)合物A08中3個(gè)氫鍵分別是:C(4)—H(8)…O(4)、C(2)—H(19)…O(7)、O(5)—H(5)…N(2);鍵長(zhǎng)分別為:0．256、0．273和 0．215 nm，平均鍵長(zhǎng)是:0．248 nm．A08與A16含有的氫鍵數(shù)目和類(lèi)型都相同，但是A08中氫鍵的平均鍵長(zhǎng)大于A16，即A08中的氫鍵強(qiáng)度弱于A16，所以A08的穩(wěn)定性低于A16．而對(duì)于含有同樣氫鍵數(shù)目和氫鍵類(lèi)型的化合物A10和A18，A10的平均鍵長(zhǎng)是0．226 nm，A18的平均鍵長(zhǎng)是0．228 nm，A10中氫鍵的平均鍵長(zhǎng)小于A18，A10中的氫鍵強(qiáng)度比A18大，而化合物A10的穩(wěn)定性比A18強(qiáng)．因此，對(duì)于形成氫鍵數(shù)目和氫鍵類(lèi)型都相同的復(fù)合物而言，氫鍵的平均鍵長(zhǎng)與所對(duì)應(yīng)復(fù)合物穩(wěn)定性的順序是一致的，即鍵長(zhǎng)越短，復(fù)合物相互作用能越高，穩(wěn)定性越好．

在形成二氫鍵的復(fù)合物 A02、A03、A05、A09、A12、A13、A14、A19中，復(fù)合物 A13 的 2 個(gè)氫鍵為:O(2)—H(2)…O(8)、C(1)—H(1)…N(8);鍵長(zhǎng)分別為:0．177 和 0．239 nm;鍵級(jí)分別為:0．045、0.012;對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)電荷密度分別為:0．034和0．012 a．u．;對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)電荷密度的拉普拉斯值分別為:0．096和 0．027 a．u．，其中 O(2)—H(2)…O(8)鍵長(zhǎng)是這類(lèi)復(fù)合物形成氫鍵中最短的，電荷密度是最大的，形成的氫鍵最強(qiáng)，所以在相同個(gè)數(shù)的氫鍵中復(fù)合物最穩(wěn)定．

通過(guò)以上分析可知，在2個(gè)分子相互作用的時(shí)候，復(fù)合物會(huì)盡可能多的形成氫鍵，降低體系能量，增強(qiáng)體系的穩(wěn)定性;但是當(dāng)復(fù)合物中存在2個(gè)或更多氫鍵時(shí)，復(fù)合物的穩(wěn)定性由形成的氫鍵類(lèi)型以及強(qiáng)度共同決定．

3 結(jié)論

本文采用密度泛函理論，在6－311+G(d，p)基組水平上研究了兒茶素與堿基對(duì)之間的相互作用機(jī)制，得到穩(wěn)定的兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物19個(gè)，經(jīng)BSSE校正后的相互作用能順序?yàn)?A16＞A10＞A15＞A13＞A12＞A14＞A17＞A19＞A18＞A11＞A02＞A03＞A06＞A05＞A04＞A09＞A08＞A01＞A07．優(yōu)化后的構(gòu)型和相互作用能分析表明兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物中共有5種不同類(lèi)型的氫鍵，而氫鍵對(duì)于兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物分子的穩(wěn)定性有著極其重要的作用．當(dāng)兒茶素分子與堿基對(duì)分子之間發(fā)生相互作用時(shí)，兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物會(huì)形成氫鍵相互作用，這種幾何構(gòu)型不僅可以有效地降低分子體系的總能量，還能夠增強(qiáng)整個(gè)體系穩(wěn)定性．每個(gè)兒茶素－堿基對(duì)復(fù)合物中存在1～4個(gè)不等的氫鍵，而復(fù)合物的穩(wěn)定性則由氫鍵的類(lèi)型、個(gè)數(shù)以及氫鍵的強(qiáng)度3種因素共同決定．