以姜黃素衍生物為雙配體的金屬配合物的理論設(shè)計(jì)

郭亞星，江珊，林清葉,孫偉明

惡性腫瘤是嚴(yán)重威脅人類健康的疾病，結(jié)直腸癌(colorectal cancer,CRC)在高發(fā)惡性腫瘤中排名第三位[1]。目前已批準(zhǔn)用于治療CRC的靶向藥物種類少且副作用大。姜黃素是一種天然多酚類物質(zhì)，不僅具有抗腫瘤作用，生物相容性好，而且對人體副作用小[2]。姜黃素的作用靶點(diǎn)磷酸化酶b激酶(phosphorylase b kinase,PBK)[3]在CRC細(xì)胞中呈強(qiáng)表達(dá)[4]。姜黃素可以通過對PBK信號通路的直接抑制作用，降低PBK下游信號因子ERK1/2和H3的磷酸化表達(dá)，誘導(dǎo)CRC HCT116細(xì)胞凋亡[5]。然而，姜黃素自身存在抗腫瘤作用較弱、生物利用度低、水溶性差的缺點(diǎn)。對姜黃素進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾是提高其溶解度和生物利用度的一種有效手段。將姜黃素衍生物與金屬離子結(jié)合，設(shè)計(jì)成穩(wěn)定的金屬配合物，有望降低金屬離子的毒性和副作用，為基于天然產(chǎn)物的金屬藥物設(shè)計(jì)提供一種新策略[6]。因此，本研究擬對姜黃素進(jìn)行化學(xué)修飾提高其水溶性，篩選最佳姜黃素衍生物作為配體設(shè)計(jì)新型金屬配合物，考察其幾何和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，為基于姜黃素的金屬配合物類PBK抑制劑的設(shè)計(jì)和合成提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

利用量子化學(xué)計(jì)算程序包Gaussian 16[7]，基于密度泛函理論(density functional theory,DFT)，對姜黃素脯氨酸衍生物、雙姜黃素金屬配合物進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算研究。采用GaussView[8]搭建姜黃素衍生物和配合物結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。PBE0是研究過渡金屬性能最好的方法之一[9]，故本研究在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中采用PBE0泛函。鑒于本研究涉及的分子結(jié)構(gòu)較大，故在PBE0/3-21G(d)水平下對修飾后的姜黃素衍生物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在更高的M05-2X/6-31G(d)水平下計(jì)算其水溶性；對于姜黃素金屬配合物，主族元素使用3-21G(d)基組，過渡金屬Cr和Zn原子使用LANL2DZ贗勢基組，在更高的PBE0/6-31+G(d)&LANL2DZ水平下計(jì)算其電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。自然鍵軌道(natural bond orbital,NBO)計(jì)算[10]通過Gaussian 16內(nèi)置的NBO 3.1程序完成。使用 Multiwfn程序包結(jié)合VMD軟件獲得表面靜電勢(electrostatic potential,ESP)、分子軌道等圖[11]。采用自洽反應(yīng)場(self-consistent reaction field,SCRF)方法中的極化連續(xù)介質(zhì)模型(polarized continuum model,PCM)考慮溶劑化效應(yīng)的影響[12-13]。溶解能(Esol)定義為溶劑條件下優(yōu)化的分子分別在溶劑條件下和氣相條件下的單點(diǎn)能之差，即ΔEsol=ESol-EGas。采用Sybyl 2.0軟件中的Surflex-Dock標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行分子對接。對PBK蛋白靶標(biāo)(PDB：2Y7J)進(jìn)行預(yù)處理，去除對稱的鏈和水分子，補(bǔ)足氫原子，再與優(yōu)化后的受體藥物分子進(jìn)行對接打分。

2 結(jié) 果

2.1 平衡幾何構(gòu)型 本研究首先對姜黃素進(jìn)行化學(xué)修飾，引入可改善其水溶性的基團(tuán)，設(shè)計(jì)一系列新型的姜黃素衍生物。通過在水溶劑條件下對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，所得穩(wěn)定構(gòu)型如圖1所示，相應(yīng)的Esol列于表1。

圖1 在水溶劑條件下優(yōu)化后的姜黃素衍生物結(jié)構(gòu)Fig.1 Optimized structure of curcumin derivatives under water solvent conditions

計(jì)算結(jié)果顯示，修飾后的姜黃素衍生物的Esol為-99.65～-180.87 kJ/mol，其絕對值均高于姜黃素本身的Esol(-65.73 kJ/mol)的絕對值，表明姜黃素衍生物的水溶性得到明顯提高。將設(shè)計(jì)的3種新型姜黃素衍生物和姜黃素與作用靶點(diǎn)PBK進(jìn)行分子對接，對接結(jié)果分別見表1和圖2。相似性介于0～1，值越大，說明分子構(gòu)象與配體結(jié)構(gòu)越相似。極坐標(biāo)值數(shù)值的大小反映對接結(jié)構(gòu)是否合適;整體打分值最適合用于考量分子與靶標(biāo)的相互作用強(qiáng)弱[14]。結(jié)果表明：在姜黃素中引入甘氨酸殘基降低了衍生物1與靶點(diǎn)的相互作用，而引入葡萄糖基和脯氨酸殘基顯著提高了衍生物2和3與靶點(diǎn)的整體打分值[15](表1)。特別是引入脯氨酸的結(jié)構(gòu)(衍生物3)具有最大的打分值，為9.928。打分值與配體-受體的解離平衡常數(shù)的負(fù)對數(shù)(ΔlgKd)相關(guān)，得分越高說明藥物分子與受體的結(jié)合越穩(wěn)定[15]。因此，本研究進(jìn)一步將衍生物3中的脯氨酸置換為水溶性更好的脯氨酸衍生物，設(shè)計(jì)了8種新型化合物(圖3)。

PBK:磷酸化酶b激酶。圖2 姜黃素及姜黃素衍生物與作用靶點(diǎn)PBK(PDB代碼：2Y7J)的分子對接圖Fig.2 Molecular docking diagrams of curcumin and curcumin derivatives with PBK target (PDB：2Y7J)

表1 姜黃素及姜黃素衍生物與作用靶點(diǎn)PBK分子的對接數(shù)據(jù)和溶解能Tab.1 The solvation energy of curcumin and curcumin derivatives and the docking scores of curcumin and curcumin derivatives with PBK target

所有的衍生物中姜黃素的結(jié)構(gòu)基本保持了烯醇式構(gòu)型(圖3)。除化合物4外，其余7種化合物的Esol絕對值(126.44～161.61 kJ/mol)均大于脯氨酸衍生物3(109.69 kJ/mol)(表1)。由此可見，脯氨酸衍生物中水溶性基團(tuán)的引入的確進(jìn)一步增大了衍生物3的溶解度。分子對接結(jié)果表明：化合物3和化合物8對接整體打分值均優(yōu)于姜黃素，說明化合物3和化合物8與PBK靶點(diǎn)蛋白之間的親和力較大。因此，可以推斷化合物3和化合物8可以與PBK靶點(diǎn)蛋白有效結(jié)合，從而降低PBK下游信號因子ERK1/2和H3的磷酸化表達(dá)，誘導(dǎo)CRC HCT116細(xì)胞的凋亡。值得注意的是，化合物3的Esol負(fù)值最大，為-161.61 kJ/mol，表明該衍生物溶解度最高，有望成為理想的姜黃素衍生物配體。

圖3 在水溶劑條件下優(yōu)化的姜黃素脯氨酸衍生物結(jié)構(gòu)Fig.3 Optimized structure of curcumin proline derivatives under water solvent conditions

2.2 ZnL2和CrL2的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì) 基于上述計(jì)算結(jié)果，L-羥基脯氨酸-姜黃素(化合物3)不僅具有最大的溶解度，而且具有較高的對接打分，適合作為雙姜黃素金屬配合物的配體。因此，本研究選擇化合物3作為研究目標(biāo)，解離其烯醇式結(jié)構(gòu)中的一個羥基氫，得到一個-1價的去氫姜黃素衍生物陰離子，并以此為配體，與低毒性的Zn2+和Cr2+結(jié)合形成雙姜黃素配體配合物ZnL2和CrL2。優(yōu)化后的ZnL2和CrL2結(jié)構(gòu)見圖4，鍵長、鍵角等幾何參數(shù)列于表2。

圖4 水溶劑條件下ZnL2和CrL2的幾何結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵原子上的自然布居分析電荷(e)Fig.4 The geometry of ZnL2 and CrL2 under water solvent conditions and the natural population analysis charge (e) on their key atoms

2.2.1 幾何結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性 ZnL2和CrL2中的姜黃素衍生物均保持了原來的構(gòu)型。其中，ZnL2中兩個配體的姜黃素分子骨架互相垂直，而CrL2中兩個配體的姜黃素分子骨架與Cr原子處于同一平面。為了更詳細(xì)地探究配位前后化合物3的結(jié)構(gòu)變化，對姜黃素骨架的關(guān)鍵鍵長進(jìn)行了對比。化合物3與Zn2+和Cr2+配位形成金屬配合物后，各種鍵長、鍵角均未有較大變化(表2)。具體而言，相較于化合物3，ZnL2和CrL2中的C—O鍵和C—C鍵的鍵長變化小于0.002 nm，而在姜黃素與脯氨酸結(jié)合處的鍵角變化均<4.2°，說明化合物3引入ZnL2和CrL2之后的結(jié)構(gòu)變化不大，因此其生物活性未出現(xiàn)較大變化。

表2 化合物3、ZnL2、CrL2在氣相條件下的相關(guān)鍵長、鍵角和二面角參數(shù)Tab.2 Bond lengths,bond angles and,dihedral angles parameters of complex 3,ZnL2,and CrL2 under gas phase conditions

眾所周知，紅外光振動譜圖記錄了藥物的官能團(tuán)在一定范圍內(nèi)的歸屬，有助于從峰的位置及形狀確認(rèn)配合物的形成。圖5為氣相中化合物3、ZnL2和CrL2的紅外光譜圖。由于3種藥物的紅外光譜的峰主要出現(xiàn)在500～2 000 cm-1，因此圖中只給出0～2 500 cm-1范圍內(nèi)的光譜。從圖中可以看到：化合物3在1 200～1 360 cm-1范圍有多個尖銳小峰，為姜黃素衍生物的伸縮振動，而在200～1 150 cm-1有1個尖銳峰，指示姜黃素的苯環(huán)結(jié)構(gòu)的伸縮振動。在1 450～1 760 cm-1范圍有一些小峰，為CC鍵的伸縮振動。ZnL2和CrL2在1 230～1 550 cm-1范圍有一些小峰，屬于CC鍵的伸縮振動；而在1 580～1 590 cm-1有一個顯著的尖峰，對應(yīng)姜黃素配體的非平面搖擺振動。從該圖可見，ZnL2和CrL2與化合物3的峰有所重疊，且所屬峰的波長范圍一致，說明化合物3在配合物中基本保持了原來的結(jié)構(gòu)。由此推斷，雙姜黃素配體金屬配合物ZnL2和CrL2的生物活性均保持姜黃素衍生物原有的生物活性。

結(jié)合能是衡量配合物穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)，可以很好地描述配體和金屬核心的結(jié)合緊密程度。結(jié)合能定義為：

Eb(ML2) = 2E(L-) +E(M2+)-E(ML2)

結(jié)合能數(shù)值越大配合物越穩(wěn)定。計(jì)算結(jié)果顯示，ZnL2的結(jié)合能(601.85 kJ/mol)>CrL2的結(jié)合能(207.92 kJ/mol),說明ZnL2較CrL2更穩(wěn)定。

化合物3：L-羥基脯氨酸-姜黃素。圖5 化合物3、ZnL2和CrL2在氣相中模擬的紅外光譜圖Fig.5 The simulated infrared spectra of complex 3,ZnL2,and CrL2 under gas phase conditions

根據(jù)前線分子軌道理論，最高占據(jù)分子軌道(highest occupied molecular orbital,HOMO)與最低未占據(jù)分子軌道(lowest unoccupied molecular orbital,LUMO)是決定體系化學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。HOMO軌道與LUMO軌道之間的能級差(Gap)越大，則電子從HOMO躍遷到LUMO越困難，表明體系越穩(wěn)定。ZnL2的Gap值(3.67 eV)大于CrL2(2.38 eV)，說明ZnL2的穩(wěn)定性比CrL2高(圖6)。此外，兩種配合物的LUMO軌道相似，主要來自姜黃素配體的 π 軌道貢獻(xiàn)。不同的是，對ZnL2來說，HOMO軌道的貢獻(xiàn)來自姜黃素的 π 軌道，但CrL2的HOMO軌道貢獻(xiàn)主要來自Cr原子的 dz2軌道。離域 π 鍵有助于穩(wěn)定軌道，很好地解釋CrL2的HOMO能級比ZnL2更高，致使其能隙值相對較小。

圖6 ZnL2和CrL2的分子軌道圖Fig.6 The molecular orbital diagrams of ZnL2 and CrL2

2.2.2 成鍵分析 Wiberg鍵級(wiberg bond index,WBI)分析常用于衡量共價鍵的強(qiáng)弱。本研究計(jì)算了ZnL2和CrL2中Cr2+和Zn2+與O原子形成的配位鍵的鍵級。其中，Cr2+與4個O原子形成的Cr—O鍵的WBI數(shù)值均為0.506，而Zn2+與4個O原子形成的Zn—O鍵的WBI數(shù)值分別為0.214、0.220、0.217和0.221。顯然，CrL2的Cr—O鍵的WBI值遠(yuǎn)大于ZnL2的Zn—O鍵，說明Cr2+與O原子形成的共價鍵比Zn2+與O原子的共價鍵更強(qiáng)。因此，相比于Zn2+，Cr2+更易與姜黃素衍生物成鍵，即CrL2較ZnL2更加穩(wěn)定。

基于分子中的原子(atoms in molcules,AIM)理論進(jìn)行電子密度拓?fù)浞治鰹榉治龌瘜W(xué)鍵的本質(zhì)提供了一種新的手段[16-18]。該方法是基于鍵臨界點(diǎn)(bond critical point,BCP)的拓?fù)鋮?shù)分析鍵的性質(zhì)和強(qiáng)度。本研究對ZnL2和CrL2進(jìn)行了AIM分析，相關(guān)參數(shù)見表3。

表4 CrL2中Cr—O鍵在BCP的拓?fù)鋮?shù)和LBO參數(shù)Tab.4 The topological parameters and LBP parameters of Cr—O bond in CrL2 at BCP

Hr=Gr+Vr

具有共價性質(zhì)的鍵在BCP中總是具有負(fù)的Hr，也就是說，如果2ρr>0和Hr<0，該鍵具有部分共價的特征[21-23]。Cr—O鍵和Zn—O鍵的Hr值為負(fù)，因此也具有部分共價鍵的特征。LU等[24]提出的拉普拉斯鍵級(Laplacian bond order,LBO)可用于描述整個鍵合區(qū)域的2ρr，能夠很好地體現(xiàn)共價作用強(qiáng)度，避免了默認(rèn)的BCP不合理導(dǎo)致的錯誤結(jié)論。這些Cr/Zn—O鍵的LBO值為0.118～0.322 au，清楚地證明了其共價鍵特征(表3～4)，與上述WBI分析的結(jié)論一致。此外，Cr—O鍵較Zn—O鍵表現(xiàn)出更大的LBO值，表明前者比后者具有更明顯的共價特征。

表3 ZnL2中Zn—O鍵在BCP的拓?fù)鋮?shù)和LBO參數(shù)Tab.3 The topological parameters and LBO parameters of Zn—O bond in ZnL2 at BCP

為了可視化ZnL2和CrL2中Cr—O鍵和Zn—O鍵的成鍵本質(zhì)，本研究用Boys-Foster法得到局域分子軌道(localized molecular orbitals,LMO)(圖7)[25]，成鍵原子對LMO的貢獻(xiàn)列于一側(cè)。ZnL2/CrL2中配位的O原子和Cr/Zn中心之間存在明顯的局域電子密度，表明姜黃素衍生物與金屬原子之間具有明顯的共價相互作用。貢獻(xiàn)分析表明：共享電子對主要來自姜黃素中的O原子(74.3%～77.0%)，而金屬原子對Cr—O/Zn—O鍵的共享電子密度的貢獻(xiàn)較小(9.9%～11.4%)，意味著Cr—O/Zn—O鍵的極性很高。對比ZnL2和CrL2，Zn原子和O原子對 Zn—O鍵的貢獻(xiàn)差值(65.7%～66.2%)比Cr原子和O原子對Cr—O鍵(63.3%～63.4%)更大，說明Zn—O鍵比Cr—O鍵具有更明顯的極性，即Zn—O鍵比Cr—O鍵具有更多的離子鍵成分。這也可以從NBO計(jì)算的自然布居分析(natural population analysis,NPA)的電荷得到印證[26]。如圖4所示，ZnL2中O1和O2的負(fù)電荷(-0.786e和-0.794e)比CrL2中O1和O2的負(fù)電荷(-0.653e和-0.652e)更負(fù)，而Zn所帶的正電荷(1.502e)比Cr(1.029e)更高，說明Zn—O鍵具有更明顯的離子鍵特征。

圖7 ZnL2中的Zn—O鍵、CrL2中的Cr—O鍵有關(guān)的局域分子軌道Fig.7 The localized molecular orbitals of Zn—O bond in ZnL2,Cr—O bond in CrL2

分子的ESP圖常用來揭示分子的電荷分布和電荷相關(guān)性質(zhì)，可以指明親電和親核作用位點(diǎn)。圖8 為化合物3、ZnL2、CrL2的ESP等值面圖。姜黃素共軛骨架擁有離域的π電子而顯示負(fù)ESP，易受親電進(jìn)攻。而姜黃素周圍的氫原子和金屬中心帶正電，易于進(jìn)攻帶負(fù)電的DNA和靶標(biāo)富電區(qū)域。

2.2.3 概念密度泛函理論(conceptual density functional theory,CDFT)分析 眾所周知，配合物的量子化學(xué)參數(shù)對其實(shí)際應(yīng)用非常重要。因此，本研究計(jì)算了姜黃素、姜黃素衍生物、ZnL2、CrL2的垂直電離能(vertical ionization energy,VIE)、垂直電子親和勢(vertical electronic affinity,VEA)和采用CDFT定義的電負(fù)性(χ)、硬度(η)、軟度(S)和親電指數(shù)(ω)等理化性質(zhì)[27-29]，其計(jì)算公式如下：

化合物3：L-羥基脯氨酸-姜黃素；ESP：表面靜電勢。圖8 化合物3、ZnL2和CrL2的ESP圖Fig.8 The ESP diagrams of complex 3,ZnL2,and CrL2

(1)

(2)

(3)

(4)

ZnL2的VIE值(5.66 eV)和η值(1.41 eV)均明顯高于CrL2(表5)，證明前者具有更高的穩(wěn)定性。而且ZnL2的VIE、VEA和概念密度泛函參數(shù)均與化合物3和姜黃素的相關(guān)參數(shù)相近，表明它們可能具有相似的生物活性。CrL2的VEA值高達(dá) 4.89 eV，而且S和ω均為負(fù)值，說明該配合物具有更高的反應(yīng)性，較不穩(wěn)定。

表5 姜黃素、化合物3、ZnL2、CrL2在PBE0/6-31+G(d)水平下計(jì)算得到的相關(guān)性質(zhì)參數(shù)Tab.5 The relevant property parameters of curcumin, compound 3,ZnL2 and CrL2 were calculated at PBE0/6-31+G(d) level

3 結(jié) 論

本研究基于DFT，對姜黃素結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)修飾，不僅提高了分子對接分?jǐn)?shù)，而且大大增強(qiáng)了水溶性。以篩選出來的L-羥基脯氨酸-姜黃素為配體L，設(shè)計(jì)了兩種新型的雙配體配合物ZnL2和CrL2，并對其幾何和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明：ZnL2具有更高的穩(wěn)定性，而且保留了姜黃素及其衍生物的電子性質(zhì)，最有望成為一種理想的抗CRC配合物藥物分子。不可否認(rèn)的是，本研究為純理論計(jì)算工作，缺少實(shí)驗(yàn)佐證，因此兩種配合物的生物活性亟待實(shí)驗(yàn)合成之后進(jìn)行驗(yàn)證。但本研究提出了一種通過量子化學(xué)計(jì)算手段對傳統(tǒng)藥物分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，并將其作為配體設(shè)計(jì)新型金屬藥物的新思路，有望進(jìn)一步推動抗癌配合物的“理性設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)合成—活性驗(yàn)證”三位一體研發(fā)，大大降低實(shí)驗(yàn)的盲目性。