檸檬醛基抗油茶炭疽病菌衍生物的定量構(gòu)效關(guān)系研究

曾 嶸, 司紅燕, 陳尚钘, 宋 杰, 王宗德, 廖圣良*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,國(guó)家林業(yè)和草原局木本香料(華東)工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 330045；2.密歇根大學(xué)-弗林特 化學(xué)與生物化學(xué)系,美國(guó) 弗林特 48502)

油茶是具有很高綜合利用價(jià)值的木本油料樹(shù)種[1],在我國(guó)南方諸省都有廣泛的種植,油茶產(chǎn)業(yè)是許多縣市地方經(jīng)濟(jì)的重要組成部分[2-4]。油茶在生長(zhǎng)的過(guò)程中容易受到各種病菌入侵,油茶炭疽病是油茶的主要病蟲(chóng)害之一[5],它會(huì)導(dǎo)致油茶樹(shù)大量落果乃至樹(shù)體死亡,嚴(yán)重影響油茶的產(chǎn)量和質(zhì)量[6]。因而,油茶炭疽病的防治對(duì)于保障油茶的安全種植,穩(wěn)定油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。目前對(duì)油茶炭疽病的防治方法主要是使用化學(xué)殺菌劑,但是長(zhǎng)期使用現(xiàn)有殺菌劑會(huì)導(dǎo)致植物抗菌性增強(qiáng)、污染環(huán)境以及對(duì)人畜的健康造成威脅[7-8]。以天然產(chǎn)物為原料合成的抗菌劑在人畜安全與環(huán)境友好方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。前人研究發(fā)現(xiàn)山蒼子精油中的天然檸檬醛具有廣譜的抗菌作用[9]。同時(shí),天然檸檬醛具有芳香低毒、對(duì)環(huán)境友好以及容易改性的特點(diǎn)[10-12],因此以天然檸檬醛為原料開(kāi)發(fā)防治油茶炭疽病的新型抗菌劑具有良好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。目前,已有研究報(bào)道了一些檸檬醛衍生物的合成及其對(duì)油茶炭疽病菌的抑制活性[13-14]。但是大部分衍生物并未體現(xiàn)出理想的抗菌活性,其根本原因在于檸檬醛衍生物的分子結(jié)構(gòu)與抗油茶炭疽病菌活性之間的構(gòu)效關(guān)系尚不明確,導(dǎo)致在設(shè)計(jì)衍生物的分子結(jié)構(gòu)時(shí),目標(biāo)性差,分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)單。定量構(gòu)效關(guān)系對(duì)于分析藥物的結(jié)構(gòu)和活性關(guān)系、藥物前體的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化有著不可估量的價(jià)值。目前,定量構(gòu)效關(guān)系研究在藥物領(lǐng)域[15]、農(nóng)藥領(lǐng)域[16-17]、化合物和材料的理化性質(zhì)研究[18]等方面已有廣泛應(yīng)用?；诖?作者開(kāi)展了檸檬醛基抗油茶炭疽病菌衍生物的定量構(gòu)效關(guān)系研究,旨在為新型檸檬醛基抗油茶炭疽病菌衍生物的設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)集的來(lái)源

從王喜男[19]和黃晶[20]的研究中獲得了檸檬醛及其衍生物共計(jì)26個(gè)化合物的結(jié)構(gòu)信息和對(duì)油茶炭疽病菌(Colletotrichumgloeosporioides)的抗菌活性數(shù)據(jù)：半數(shù)抑制濃度(IC50)，具體見(jiàn)表1。1～21號(hào)化合物將用于QSAR模型的構(gòu)建,22～26號(hào)化合物將作為外部檢驗(yàn)集用于模型預(yù)測(cè)能力的檢驗(yàn)。用對(duì)數(shù)函數(shù)來(lái)處理抗菌活性數(shù)據(jù)IC50,取lg(IC50)值作為本研究中構(gòu)建模型時(shí)的因變量。

表1 化合物的信息[19-20]Table 1 Information of the compounds[19-20]

續(xù)表1

1.2 檸檬醛基衍生物的結(jié)構(gòu)構(gòu)建、優(yōu)化及參數(shù)計(jì)算

在Gauss View 05軟件中構(gòu)建檸檬醛基衍生物的立體構(gòu)象,利用Gaussian 09和Ampac軟件完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)計(jì)算。結(jié)構(gòu)優(yōu)化使用密度泛函理論(DFT)的B3LYP方法,基組為6-31G*,獲得衍生物分子的最低能量構(gòu)型。

1.3 描述符的生成與篩選

將Ampac軟件處理后的三維分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Codessa軟件中,通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)化過(guò)程,將每個(gè)檸檬醛衍生物的分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成一系列具有具體數(shù)值的結(jié)構(gòu)描述符。每個(gè)化合物至少含有400個(gè)描述符,具體的描述符類型包括6類：結(jié)構(gòu)組成描述符、拓?fù)涿枋龇?、幾何描述符、靜電描述符、量子化學(xué)描述符和熱力學(xué)描述符。獲得的描述符通過(guò)啟發(fā)式回歸方法,剔除與活性不相關(guān)的描述符,篩選出來(lái)的描述符將用于下一步QSAR模型的構(gòu)建。

1.4 QSAR模型的構(gòu)建

利用啟發(fā)式回歸方法,在篩選出來(lái)的描述符中選取與活性顯著相關(guān)的描述符構(gòu)建一系列含有不同描述符個(gè)數(shù)的QSAR模型。最優(yōu)模型描述符個(gè)數(shù)的確定遵循以下規(guī)則：n≥3(k+1)(其中，n為衍生物個(gè)數(shù),k為最終模型中的描述符個(gè)數(shù))；當(dāng)相關(guān)系數(shù)隨參數(shù)個(gè)數(shù)的增加并無(wú)顯著增大時(shí)(0.02<△R2<0.04),回歸終止,此時(shí)獲得的模型為最優(yōu)模型。

1.5 QSAR模型的檢驗(yàn)

2 結(jié)果與討論

2.1 模型的構(gòu)建

表2 不同描述符個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的R2和Table 2 R2 and values of the models with different number of descriptors

表3 含4個(gè)描述符的QSAR模型Table 3 QSAR model with four-descriptor

2.2 模型的檢驗(yàn)

表4 最佳模型內(nèi)部檢驗(yàn)Table 4 Validation of the best model

表5 外部檢驗(yàn)的化合物lg(IC50)值的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值Table 5 Experimental and predicted values of lg(IC50) values for externally tested compounds

用最佳QSAR模型對(duì)21個(gè)化合物對(duì)進(jìn)行活性預(yù)測(cè)可以獲得21個(gè)化合物lg(IC50)預(yù)測(cè)值，將其與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行相關(guān)性分析，可以獲得構(gòu)建最佳QSAR模型的21個(gè)化合物lg(IC50)實(shí)驗(yàn)值和lg(IC50)預(yù)測(cè)值的線性擬合曲線(圖2)。由圖2可知，21個(gè)化合物lg(IC50)實(shí)驗(yàn)值和lg(IC50)預(yù)測(cè)值之間相關(guān)性高，R2達(dá)0.926 5，數(shù)據(jù)分布合理。

圖1 外部檢驗(yàn)集化合物lg(IC50)值的實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的線性回歸關(guān)系Fig.1 The linear regression relationship between the experimental lg (IC50) value and the predicted lg (IC50) value of the compounds from external validation set

圖2 最佳QSAR模型的21個(gè)化合lg(IC50)實(shí)驗(yàn)值和lg(IC50)預(yù)測(cè)值的線性擬合曲線Fig.2 Linear fitting curve of the experimental lg(IC50) values and predicted lg(IC50) values of twenty-one compoundsfrom the best QSAR model

2.3 影響抗菌活性的描述符分析

根據(jù)Codessa的參考手冊(cè)[21]和相關(guān)文獻(xiàn)[22],對(duì)最佳QSAR模型的4個(gè)描述符進(jìn)行解析,結(jié)果如下：

第二個(gè)描述符是分子中帶正電荷加權(quán)部分表面積比例，其計(jì)算公式為FPSA3=PPSA3/TMSA,其中，PPSA3為原子正電荷加權(quán)部分表面積；TMSA為分子總表面積。由以上公式可說(shuō)明抗菌活性跟分子表面正電荷的分布有關(guān)。

第三個(gè)描述符是氫原子的數(shù)量。第四個(gè)描述符是分子表面正電荷分布以及分子總表面積,該描述符與第二個(gè)描述符含義類似,同樣是提示衍生物抗菌活性與分子表面正電荷分布以及分子總表面積有關(guān)。

結(jié)合2.1節(jié)最優(yōu)模型式子分析可知,隨著氫原子之間相互斥力的增加,以及化合物分子表面正電荷分布、分子總面積的增加,化合物對(duì)油茶炭疽病菌的IC50值變大,從而降低化合物對(duì)油茶炭疽病菌的抗菌活性；隨著化合物分子中帶正電荷加權(quán)部分表面積比例的增加,以及化合物中氫原子個(gè)數(shù)的增加,化合物對(duì)油茶炭疽病菌的IC50值變小,從而增強(qiáng)化合物對(duì)油茶炭疽病菌的抗菌活性。

由抗菌化合物相關(guān)的作用機(jī)理可知,一些有機(jī)小分子類抗菌化合物發(fā)揮抗菌作用時(shí),通常會(huì)與靶標(biāo)蛋白進(jìn)行結(jié)合,抗菌化合物與靶標(biāo)蛋白內(nèi)的特定氨基酸通過(guò)氫鍵相互作用、疏水作用和π-π堆積作用等方式相互作用[23-25],其中氫鍵作用是最主要的結(jié)合方式。在形成穩(wěn)定的結(jié)合體后,可以使靶標(biāo)蛋白失去功能,菌體生長(zhǎng)停滯或者死亡,從而達(dá)到抗菌效果。氫原子個(gè)數(shù)、分布和比例可以影響衍生物與靶標(biāo)蛋白之間的與氫鍵相互作用,衍生物分子表面電荷的分布情況可以影響氫鍵作用位點(diǎn)和強(qiáng)度。

綜上，檸檬醛基衍生物分子結(jié)構(gòu)中與氫鍵供體相關(guān)的描述符，包括：氫原子之間的相互斥力、分子中帶正電荷加權(quán)部分表面積比例、氫原子的數(shù)量、分子表面正電荷分布以及分子總表面積，對(duì)抗菌活性具有顯著影響。

3 結(jié) 論

本研究開(kāi)展了檸檬醛基抗油茶炭疽病菌衍生物的定量構(gòu)效關(guān)系分析。構(gòu)建了1個(gè)含有4個(gè)描述符的QSAR模型，相關(guān)系數(shù)R2為0.926 5,具有良好穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力。分析該模型可知,檸檬醛基衍生物分子結(jié)構(gòu)中與氫鍵供體相關(guān)的描述符,均對(duì)抗菌活性具有顯著影響。未來(lái)在設(shè)計(jì)新型檸檬醛基抗油茶炭疽病菌衍生物時(shí),可在其分子骨架上適當(dāng)增加氫原子,同時(shí)通過(guò)引入取代基增加衍生物分子表面的正電荷比例,以影響衍生物與靶標(biāo)蛋白之間的相互作用,從而提高化合物的生物活性。本研究可為設(shè)計(jì)具有更好抗油茶炭疽病菌活性的檸檬醛衍生物提供理論指導(dǎo),對(duì)于山蒼子精油創(chuàng)新深加工利用以及新型抗菌劑的開(kāi)發(fā)具有積極的意義。