（有机化学专业论文）qsar及其在新型农药分子设计中的应用.pdf

硕j 、学值论文 m a s jl rst 1 i e s f s 中文摘要 定量构效关系( q s a r ) 研究是农药分子设计中很重要的方法，本文详细 介绍了2 d - q s a r 中的h a n s e h - f u j i t a 方法及3 d q s a r 中的比较分子场分析 ( c o m f a ) 方法和比较分子相似指数分析( c o m s i a ) 方法，并对h a n s c h - f u j i t a 方法中使用的各种类型的参数进行了比较分析。并基于上述三种方法，开展了 两方面的研究。 为了更全面地揭示2 一芳基苯并二氢吡喃4 酮类衍生物的抗菌活性与其结 构之间的关系，在本课题组前期进行的h a n s c h - f u j i t aq s a r 分析的基础上，采 用c o m f a 、c o m s i a 等3 d q s a r 分析方法对其三维结构活性关系进行了探讨。 与h a n s e h - f u j i mq s a r 分析的比较、组合加深了对该系列化合物的结构活性关 系的理解，有助于构建配体与假想受体的连接模式。该连接模式无疑为进一步 设计新型的抗菌试剂提供了很好的指导。 磺酰脲类除草剂的开发，一直是当前除草剂化学中一个重要的研究领域， 一方面，科学家们基于磺酰脲类化合物的结构特征，提出了数种受体作用模型； 另一方面，针对该类抑制剂的靶标( a e e t o h y d r o x y a e i ds y n t h a s e 【a g _ a s t ， e c 2 216 ) ，构建了分子模型和对接模型。若能把抑制剂的构效关系与酶结合 位点的性质联系起来研究，可能会得到更多有关除草剂抑制机理的信息。为此， 鉴于d u g g l e b y 课题组最近报道的磺酰脲化合物和酵母a h a s 复合物的晶体结 构，本研究从氯嘧磺隆与a h a s 酶催化亚基复合物晶体中提取氯嘧磺隆的构象 为初始构象，构建了一系列磺酰脲类化合物。在d f t 方法下，采用b 3 l y p 函 数对构建的结构进行了优化，并计算了基于静电势拟合的电荷。利孀d f t 方 法计算的量子化学参数进行了h a n s e h - f u j i t aq s a r 分析，同时采用c o m f a 和 c o m s i a 等方法对磺酰脲类化合物的结构活性关系进行了探讨。得到的q s a r 模型迸一步验证了复合物中磺酰脲化合物与酶的连接模式，并为下一步的虚拟 筛选提供了一个非常有用的工具。 关键词：q s a r ；h a n s c h - f u j l t aq s a r ；c o m f a c o m s i a ；2 - 芳基苯并二氢毗 喃4 酮：磺酰脲 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s l s a b s t r a c t q u a n t i t a t i v e s t r u c t u r e - a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p ( q s a r ) s t u d i e s a r e i m p o r t a n t a p p r o a c h e s i nt h e d e s i g no fp e s t i c i d a lm o l e c u l e s ；t h em e t h o do fh a n s c h f u j i t a q s a ro f2 d - q s a r ，c o m p a r a t i v em o l e c u l a r f i e l d a n a l y s i s ( c o m f a ) ，a n d c o m p a r a t i v em o l e c u l a rs i m i l a r i t yi n d i c e sa n a l y s i s ( c o m s i a ) a r e b e e ni n t r o d u c e di n d e t a i li nt h i sp a p e r , a n dt h ed i f f e r e n tt y p e so fd e s c r i p t o r so fh a n s c h - f u j i t aq s a r a r eb e e nc o m p a r e da n dd i s c u s s e d b a s e do nt h r e em e t h o d sa b o v e ，t w ok i n d so f s t u d i e sa r eb e e nc a r r i e do u t t of u r t h e r e x p l o r e t h e c o m p r e h e n s i v es t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p o ft h e a n t i f u n g a l2 - a r y l 一4 c h r o m a n o n e s ，c o m p a r a t i v em o l e c u l a r f i e l da n a l y s i s ( c o m f a ) a n dc o m p a r a t i v em o l e c u l a rs i m i l a r i t yi n d i c e sa n a l y s i s ( c o m s i a ) ，a r ep e r f o r m e dt o e x p l o r et h es t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i po f t h ea n t i f u n g a l2 - a r y l 一4 一c h r o m a n o n e s ， b a s e do nt h er e s u l to ft h eh a n s c h f u j i t aq s a r a n a l y s i st h a tw a sp e r f o r m e di no u r g r o u pp r e v i o u s l y t h ec o m p a r ea n dt h ec o m b i n a t i o nw i t ht h er e s u l to ft h eh a n s c h f u j i t aq s a ra n a l y s i sp r o v i d e m o r e c o m p r e h e n s i v e u n d e r s t a n da b o u tt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h es t r u c t u r ea n dt h ea c t i v i t y ，a n dh e l pt oc o n s t r u c tt h eb i n d i n g m o d e lb e t w e e nt h el i g a n da n dt h ep l a u s i b l er e c e p t o r t h eb i n d i n gm o d e l p r o v i d e sa h e l p f u lg u i d e l i n e f o rf u r t h e rd e s i g n i n gn o v e l p o t e n ta n t i f u n g a la g e n t sd e f i n i t e l y t h e d e v e l o p m e n t o fs u l f o y l u r e ah e r b i c i d e sh a sa l w a y sb e e nt h ei m p o r t a n ts t u d y f i e l di nh e r b i c i d ec h e m i s t r yn o w a d a y s ；o no d eh a n d ，s e v e r a lk i n d so fr e c e p t o ra c t i o n m o d e l sh a v eb e e na d v a n c e db ys c i e n t i s t s ，b a s e do nt h ec h a r a c t e ro ft h es t r u c t u r eo f s u l f o n y l u r e a s ；o nt h eo t h e rh a n d ，m o l e c u l a rm o d e l sa n dd o c k i n g m o d e l sh a v eb e e n c o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o no ft h e i rt a r g e t ( a c e t o h y d r o x y a c i ds y n t h a s e a r i a s ，e c 2 2 1 6 ) m o r ei n f o r m a t i o na b o u tt h ei n h i b i t i o nm e c h a n i s mw o u l db e g o t t e ni ft h es t u d yi sb a s e do nt h ec o n n e c t i o no f s a ro fi n h i b i t o r sa n dt h ep r o p e r t y o ft h eb i n d i n gs i t eo fe n z y m e f o rt h a t ，a c c o r d i n gt ot h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fy e a s t a h a si nc o m p l e xw i t hs u l f o n y l u r e a st h a tw e r er e p o r t e db yt h eg r o u po f d u g g l e b y ， 硕士学位论文 m a sr e r st h e s 】s t h eg e o m e t r yo fc h l o r i m u r o ni nt h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fy e a s ta h a si nc o m p l e x w i t hc b l o r i m u r o ni se x t r a c t e da si n i t i a ls t r u c t u r ei nt h i ss t u d y , w h i c hi su s e dt o c o n s t r u c tas e r i e so fs u l f o n y l u r e ah e r b i c i d e sm o l e c u l e s a l lo ft h ec o n s t r u c t e d s t r u c t u r e sa r e f u l l yo p t i m i z e db yu s i n g t h ed f tm e t h o dw i t ht h eb 3 l y p f u n c t i o n a l ，a n de l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a l0 3 s p ) - f i t t i n gc h a r g e sa r ed e r i v e df r o mt h e d f t c a l c u l a t i o n t h e n ，d f t - b a s e dq u a n t u mc h e m i c a ld e s c r i p t o r sa r eu s e dt oc a r r y o u th a n s c h f u j i r aq s a r a n a l y s i s ，a n da tt h es a m et i m e ，c o m p a r a t i v em o l e c u l a r f i e l d a n a l y s i s ( c o m f a ) a n dc o m p a r a t i v em o l e c u l a rs i m i l a r i t y i n d i c e s a n a l y s i s ( c o m s i a ) ，a r ep e r f o r m e d t o e x p l o r e t h e s t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p o f s u l f o n y l u r e ac o m p o u n d s t h ed e r i v e dq s a r m o d e l sf u r t h e rv a l i d a t et h eb i n d i n g m o d e lo f s n l f o n y l u r e ac o m p o u n d s a n da l i a s ，a n dp r o v i d eav e r yu s e f u lt o o li nt h e n e x tv i r t u a ls c r e e n i n g k e yw o r d s ：q s a r ；h a n s c h - f u j i t aq s a r ；c o m f a ；c o m s i a ；2 - a r y l - 4 - c h r o m a n o n e s ；s u l f o n y l u r e a 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位沧文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名 似阎 日期：洲弭6 月1d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 。 作者戡 ：玎。i ( 1 5 ) 7 + 3 硕士学位论文 m a s t e r st h es 1 s 其中”，为第i 个取代基的疏水性常数。在q s a r 分析时，也可不必计算 l g g ，直接用。值作为q s a r 的疏水性常数。除月，外，还可以用层析参数胁 或取代基层析参数来表示疏水性参数。 有些取代基的月。值文献上没有报道，为此l e o 和h a n s c h 等根据化合物l g p 的加和性，提出了疏水性参数的片断计算法，计算公式如下： l gp 2 + 善6 。f f ( 16 ) 式中：，表示组成化合物各片断的疏水性参数；f 是结构因子；a 。和b 。 分别为片断和结构因子在化合物中重复出现的次数：r l 和m 表示组成分子的片 断和结构因子的个数。这一l g p 从头计算方法被j u r s 等发展为计算机软件 c l o g p 。 11 3 ，2 电子效应参数 分子的电性效应对分子反应性能的影响可以用不同的参数来描述： h a m m e t t 常数、场参数f 和共振参数最p k o 值、由光谱导出的参数、电荷转移 常数、偶极矩、氢键参数和由量子化学计算得到的电子结构参数等。与反映分 子整体性质的参数( 如疏水参数、分予摩尔折射率) 不同，电性参数反映的是 分子的局部原子或基团的性质。在q s a r 中常用的电性参数为h a m m e t t 常数o ， h a m m e t t 常数。是为研究芳香性化合物取代基对反应性的影响而发展来的。可 分解为诱导参数o 。和共振参数o 。；还可表示为o + ( 斥电子取代基与缺电子反 应中心共轭) 和。一( 吸电子取代基与富电子反应中心共轭) 。脂肪族体系的取 代基电性效应用o + 表示，计算公式为： 。+ 2 去 1 9 ( k , k ”) - 一l g ( k z k n ) a ( 1 7 ) 式中：岛和岛分别表示x c h 。c 0 0 r 和c h 。c 0 0 r 酯水解速率常数；下标b 和a 分别表示碱催化和酸催化酯水解反应：2 4 8 为调节因子，以便o + 和。有可比 性。 s w a i n 和l u p t o n ”1 将取代基电性效应分为场效应和共轭效应： o ：f f + 朋( 1 8 ) 式中：，表示取代基对场效应的贡献：f 为场取代基常数；，为取代基对共 4 硕 学位论炙 m a s t e r st h e s i s 轭效应的贡献；月为共轭效应常数。在进行q s a r 分析时，f 和斤也可单独作为 参数。 1 1 3 3 立体参数 a t a f t 常数e s t a f t 常数毋是经典的取代基立体常数“1 ，起先是用来 定量描述立体效应对酸催化酯水解反应常数的影响，其定义为： 巨= i g ( 置砧。( 1 9 ) 式中，止和屯分别为取代的甲酸甲酯和乙酸甲酯水解速率常数，基团越 大，压越负。而在q s a r 研究中，压作为立体参数，描述药物分子取代基的空间 立体效应对其生物活性的影响。， b s t e r i m o l 立体参数从药物与受体相互作用的概念出发，v e r l o o p 等 定义了新的立体参数l 、届、岛、层和且。假定取代基以伸展构象与母核键合， 为取代基在沿取代基与母核键合轴方向上的投影长度，岛、届、b 3 和最为取代 基在垂直于平面上的投影宽度，b 。为最小宽度参数，b 2 、b 。和b 4 依次增加， 出为最大宽度参数。 c 摩尔折射度m r 胛在q s a r 研究中常作为立体参数，由下式计算： 脚= 百( n 2 丽- 1 ) ：m w ( 1 1 0 ) m 。+ 2 ) 2 d 式中：7 为折射率，胛为相对分子质量，d 为密度。 1 1 3 4 指示变量( i n d i c a t o r v a r i a b l e s 。j ) 有时在q s a r 分析时，。可用指示变量( 或称之为虚潜参数) 作为参数，来 表示分子中某些结构特征的有无。若有此结构特征，则i = l ：若无，则i = 0 。 系数可以为正或负，表示这一结构特征是增强或降低生物效应帆“。指示变量虽 然是人为任意指定的变量，但提供了分子中某些结构特征对生物活性的贡献， 可启发人们发现新的先导化合物。 1 1 3 5 理论计算参数 在2 d - q s a r 常用的参数中，除分子拓扑指数和指示变量外，其它参数均由 实验测定。但由于药物结构的多样性，并非所有的化合物参数都能用实验的方 法测定，这使得q s a r 的应用受到了限制。目前，越来越多的q s a r 分析采用理 硕士学位论文 m a s t e r s1 1 】u s j s 论计算参数，即用量子化学、分子力学等方法计算得到的参数。例如，反映药 效基团空间结构的几何参数( 分子的原子间距、键角、二面角和两平面间夹角 等) ，反映分子与受体结合时的几何形状是否匹配、药物在体内的传输等情况 的分子表面积以及分子的溶剂可及性表面等。与分子力学参数相比，量子化学 方法能计算更多的电子结构参数，如，最高占据轨道能级。( 用来表示分子 给予电子的能力) 、最低空轨道能级e 。( 用来表示分子得到电子的能力) 、 分子静电势( 用来表示药物与受体的亲和力) 、键级( 用来表示药物的体内稳 定性) 。 另一方面，计算机硬件和算法的发展大大加快了量子化学的发展，量子化 学计算也成为得到分子参数的一种很好的来源，原则上，量子化学计算得到的 参数能表达分子所有的电子和几何性质以及分子间的相互作用“1 。与经验性方 法相比，量子化学通过分子波函数直接得到电子参数，能更精确地详细地描述 电子效应。量子化学方法和分子模拟技术能定义很多反映整个分子、分子碎片 或取代基的反应性、形状和连接性质的理论参数，有很多定义得很好的物理性 质包含在理论参数中，所以这些理论参数在进行q s a r 研究时有两个主要的优 势：a ) 化合物和它们的各种碎片或取代基只需在分子结构的基础上进行描述： b ) 作用机理能直接用化合物的反应性来说明“。这样得到的q s a r 模型将包括 决定化合物生物或其它活性的分子间力的信息，并且不象实验测试得到的参 数，量子化学计算没有统计偏差。只是有一些由计算假设而带来的内在误差， 虽然具体的数值不知道，但这些误差大体的方向还是清楚的。当用量子化学基 础的参数描述一系列的化合物时，计算误差在整个计算中可近似为常数。 | ，。 原则上，量子化学理论能够精确地定量地描述分子结构和它们的化学性 质。然而，因为数学和计算上的复杂性，暂时还是不可能的。这样，研究者需 要依赖那些近似的，但能提供有意义的结果的方法。 在a bi n i t i o 模型中，h a m i l t o n i a n 对分子中所有核和电子间的非相对论 性的相互作用进行了完整的描述，但是现在对s c h r o d i n g e r 方程的求解必须是 近似的，并且计算时间与分子中电子数目呈较高的指数关系，实际的计算受限 于原子的类型和分子的大小。当然，即使有这些限制，在较低理论级别下得到 的势能面上精确搜索后，再用的如j tz o 方法描述的分子仍然其有一定的可信 6 硕t 学位论炙 m a s t e r s1h e s l s 度。大多数a bi n i t i o 计算建立在轨道近似的基础上，一般情况下，基组越大， 得到的结果越好。除了h a r t r e e f o c k 方法外，还发展了一些其它的a bi n t i o 方法来表示分子中的电子相关，包括c o n f i g u r a t i o ni n t e r a c t i o n ( c i ) ， m u l t i c o n f i g u r a t i o n a ls e l f c o n s i s a n tf i e l d( m cs c f ) 。 c o r r e l a t e dp a i r m a n y e l e c t r o nt h e o r y ( c p m e t ) 和它的各种耦合一聚类近似，以及微扰理论 ( m p 2 ，m p 3 ，m p 4 ) “4 “1 。但是，这些方法特别耗时并且要求很大的c p u 内存， 对于相对大一些的分子( 大于1 0 个原子) ，计算时采用扩散基组是不现实的。 半经验量子化学方法是另外一种选择，虽然这些方法是在分子轨道理论的 框架下发展的，但是它们是建立在计算的简化和近似的基础上，大大减少了计 算的时间。原子和模型分子体系的经验数据经常作为参数来估计计算中的值。 原则上，任何半径验方法均能用于计算量子化学参数，但是不同方法计算的参 数在获得相关性时有不同的意义，这个意义只能在一个特定的方法框架中定义 “”。半经验方法在相对短的计算时间内提供了比较现实的分子性质，但是半经 验方法还有很多缺点，比如不能处理氢键、过渡态，以及不能处理没有良好参 数的原子并且所有的半经验方法与高精度计算得到的结果有一定的差别，特 别是键角、键长的差距很大。鉴于半经验分子轨道方法有一些潜在的限制，在 较高级别的理论下进行电子结构的计算，并提出参数来发展具有较高预测力的 q s a r 模型是非常有意义的工作。 密度泛函理论是最近几年兴起的第三类电子结构理论方法。这种方法的理 论由h o h e n b e r g 和k o h n 在1 9 6 4 年提出，他们认为体系所有的基态性质是电荷密 度的函数。这个方法包含了动力学相关效应，是h a r t r e e - f o c k 理论或更复杂的 后h f 方法，如l l e r p l e s s e t 理论、c o u p l _ - e d c l u s t e r 理论或c o n f i g u r a t i o n i n t e r a c t i o n 方法等特别消耗c p u 时间的方法的一个选择。在相对短的计算时 间下却能得到比较合理的精确度，使d f r 方法成为一种精确揭示分子电子特征 的一个有用的计算方法“，然而，电子结构是决定受体与配体相互作用的关 键因素。但是，到目前为止，d f t 计算的量子化学参数很少应用于定量结构活 性关系的研究。”。鉴于此，本工作拟定在d f t 方法下，采用其中应用最广泛的 b e c k e 的三参数杂化交换函数和l e e y a n g p a r r 的相关函数来计算量子化学参 数，并进行q s a r 分析。 硕士连位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 三维定量构效关系( 3 d o s a r ) 前文介绍的定量构效关系研究方法所使用的参数，大多数来自于化合物的 二维结构，因此可把上述定量构效关系研究方法统称为2 d q s a r 。由于受体与 药物的结构是三维空间的，药物与受体的互补也应该是三维空间的互补。药物 与受体相互作用的很多细节在2 d q s a r 上未能得到很好的反映。 2 0 世纪8 0 年代以来，在q s a r 研究中，陆续出现了几种考虑生物活性分子与 受体结合的三维定量构效关系( 3 d q s a r ) 2 ”的方法。它们在计算中引入了一 些共同的假设： 1 ) 生物活性效应是由模型化合物产生而不是它的代谢物。 2 ) 假设的构象是生物活性构象。 3 ) 对所有模型化合物来说，连接位点是一样的。 4 ) 生物活性主要是由焓变来解释。 5 ) 对所有的化合物来说，熵这一项是相似的。 6 ) 体系被认为是处于平衡态，往往不考虑动力学因素。 7 ) 药物( 代谢) 动力学、溶剂化效应、扩散效应、传导不包括在内。 3 d q s a r 与上述2 d q s a r 的最大不同之处，在于它们考虑生物活性分子三维 构象性质，在q s a r 分析中引进与生物活性分子的三维结构信息有关的量作为变 元，与2 d q s a r 相比，这些方法能较为精确地反映生物活性分子与受体分子作 用的图像，更深刻地揭示药物一受体相互作用的机理，因而逐渐引起药物化学 家的重视。h o p f i n g e r 等的分子形状分析( m o l e c u l a rs h a p ea n a y s i s ，m s a ) 2 6 , 2 7 j ， c r i p p e n 等的距离几何学方法( d i s t a n c eg e o m e t r y3 d q s a r ，d g ) 2 e - 2 9 ，以及 c r a m e ri i i 等的比较分子力场分析法( c o m p a r a t i v em o l e c u l a rf i e l d a n a l y s i s ，c o m f a ) 3 和k 1 e b e 等的分子相似性指数分析。”( c o m p a r a t i v e m o l e c u l a rs i m i l a r i t yi n d i c e sa n a l y s i s ，c o m s i a ) 是其中一些很重要的方 法。 1 2 1 比较分子场分析 在上述3 d - q s a r 方法中，c o m f a 方法以其试图在三维空间描述受体与配体相 互作用，吸引了很多研究人员的兴趣，再加上商品化软件很快上市使其得到了 8 硕士学位论文 m a s7 ie r s1 l e s l s 非常广泛的使用。它认为药物分子与受体之间的可逆相互作用主要是通过非共 价建结合，如范德华相互作用、静电相互作用、氢键相互作用和疏水相互作用 来实现；并且作用于同一受体的一系列药物分子，它们与受体之间的各种作用 力场应该具有一定的相似性。这样，在不了解受体三维结构的情况下，研究这 些药物分子周围的力场分布，并把它们与药物分子活性定量地联系起来，既可 以推测受体的某些性质，又可依此建立一个定量模型设计新化合物，并预测化 合物的活性。 c o m f a 方法主要由以下几个部分组成： 1 确定研究化合物的药效构象，依据合理的叠加原则将一系列化合物进行叠 加。 2 将叠合的分子放入一个合适的三维网格，其大小应能容纳叠加的构象式。 3 根据研究对象及生物活性的特性，选择合适的探针基团( 如计算静电场可 用h + 探针，v d h 作用场可用c h 。探针，氢键和疏水性质用h ：0 探针等) ，计算探 针基团位于每个空间网格点上与各个药物分子的相互作用能。它们与各化 合物的生物活性共同构成c o m f a 的q s a r 表格，如图1 1 。 4 使用偏最d - - 乘法p l s ( p a r t i a ll e a s t s q u a r e s ) 3 3 - a s ， 分析确定q s a r 关系 式。为了更准确地反映药物分子周围场的分布和变化，网格点的数目常在 2 0 0 0 个以上，这就使得q s a r 统计分析中，变元的数目远远超过化合物的数 目，常规的多元回归方法已不能使用。而p l s 方法可以把变元与因变量之间 的关系转化为相应的潜变量之间的关系，这样就可以克服多元回归的缺陷， 再通过交叉验证过程，即可建立一个预测能力很强的q s a r 模型。然后，计 算某一新化合物分子周围力场分布，将其输入这一模型，就可以定量地预 测其生物活性。 5 作c o m f a 系数图，并依此设计新化合物。由于c o m f a q s a r 变元数目庞大，q s a r 关系式的系数也有相应的数量。从这些系数上不易看出它们与生物活性之 间的关系，故c o m f a - q s a r 结果用q s a r 系数图来进行表示。从系数图可以清 楚地看出某一区域场的强弱对生物活性的影响最大，据此我们可以设计新 化合物使它具有更强的生物活性。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 。 t 7 。c 5 卜卜0 、，o 、寸 、0 一、o - 一一、卜，h 、“ 洲删山 量* 。，0 ，姗，+ h _ 8 口咀t 棚* 甜鲴+ x 鞴， 。z ，自晰 图1 1 比较分子场分析( c o m f a ) 的步骤 十几年的应用表明该法是一种很有实用价值的方法，但也存在一些问题。 一方面，低分子薰的分子与受体成功连接的先决条件是有负的g i b b s 连接自由 能。焓对连接常数的贡献通过分子与假想受体分子间相互作用的参数体现出来 了，但熵贡献很难描述，主要是从溶剂到蛋白质的转移过程很难描述。一些研 究显示这部分贡献大约与药物分子的疏水表面区域大小有关，这样就要求有定 量描述疏水表面区域相对差别的参数。另外，在含有灵活构象分子的数据组中 因为连接位点的固定涉及到重要的熵改变，就必须考虑熵变的差别。不少现象 证明c o m f a 中的两个势能函数只描述了对连接常数的能量贡献，忽略或没有 充分地包括熵的影响。另一方面，c o m f a 用l e n n a r d j o n e s 势能函数来计算立 体场，用c o u l o m b i c 势能函数来计算静电场。虽然这个处理方法被广泛接受并 且有很高的应用价值，但并不是没有问题。特别是，两个势能函数在靠近分子 范德华表面时特别陡，使表面参数产生非常大的改变，这样在计算时需要定义 一个极值，这个极值使得在分予表面内的参数无法计算；再者，只有对立体场 在一定比例下进行缩放，才能使其和静电场用于同一个p l s 分析中；最后，叠 合的分子相对于网格的方向都对c o m f a 的结果产生巨大的影响，也可能是因为 1 0 硕士学位论文 m a sf e r + st i l e s s 那个严格的极值。解释c o m f a 结果，特别是设计新的化合物时，不同场相对空 问贡献的曲面图是特别有用的工具，但也是由于定义的截断值，在靠近分子表 面时，势能函数的陡度使这些图不能连续地连接并且很难解释。 1 2 2 分子相似性指数分析 1 9 9 4 年，k l e b e 介绍了比较分子相似性指数分析( c o m p a r a t i v em o l e c u l a r s i m i l a r i t yi n d i c e sa n a l y s i s ，c o m s i a ) ，这是一种比较一组叠台分子分子 结构的方法。这个方法由d r s g e r h a r dk l e b e 、u t ea b r a h a m 和t h o m a s m i e t z n e r 在德国b a s fl u d w i g s h a f e n 发展的。 分子相似性指数分析是在c o m f a 方法基础上发展和延伸起来的一种新颖的 三维定量构效关系方法。由于s e a l 方法在分子的空间比较中显示了令人信服 的结果，便以其采用的叠合函数为基础，计算空间的相似指数。用一个公共的 探针，在规则间距的网格点上，为数据库中每个叠合的分子计算相似指数”。 它没有直接展示两个分子间的相似性，而是通过放在周围晶格点上的公共探针 原子对数据组中每个分子的相似性进行间接评价。相似指数用下列公式计算： 彳；，k ( 伊胛础e 码 ( 11 2 ) e 。 a 是在网格点q 的相似指数，是研究分子j 中所有原子i 的总和 m 是半径为1a 、电荷为+ l 、疏水性为+ l 、氢键给予+ 1 、氢键受体+ l 的针原予 毗t 是原子i 物理化学性质k 的实际值 。是位于网格点q 的探针原子与测试分子中原子i 间的距离 a 是衰减因子，默认值是0 3 ，一般在0 2 和0 4 间选择。大的。值导致很陡的 高斯函数，并且导致分子相似性很大的衰减。 在决定相似性时，考虑了数据组分子中的原子与探针原子相互间的距离。 采用与距离相关的高斯函数形式，避免了分子表面附近网格点上的能量产生显 著的变化，从而就不需要定义能量闽值。与l e n n a r d j o n e 势能函数相比，高 斯函数定义了更平滑的距离依赖性。c o m s i a 方法考虑了五种不同的场( 分子静 电场、立体场、疏水场、氢键受体场、氢键给体场) 的贡献，虽然使用五种不 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 同的场不一定能增加模型的精确性和预测能力( 因为场之间的相关性) ，但是 将变量分为不同类型的场能使结果更易解释。 c o m s i a 是c o m f a 方法的延伸。两者都是q s a r 形式，均建立在一个假设之 上，即配体的连接亲和力与分子性质相关，分子的性质以场的形式表示，它们 仅仅在场的应用上不同。从技术角度而言，在c o m f a 或c o m s i a 分析中用的场 是同等的形式，而场后面的基本原理是不同的。c o m s i a 采用了与距离相关的高 斯函数形式，在c o m f a 中，对数据组中的每一个分子相对于探针原子的相互作 用能是通过特别的势能函数( l e n n a r d j o n e s 和c o u l o m b 势能函数) 计算的。 c o i s i a 分析的最后结果也是一组曲面图，c o m f a 得到的系数曲面图强调那些 叠合分子与可能环境的相互作用是增加或降低生物活性的区域，而c o i s l a 场 贡献显示在被配体覆盖的区域内，强调那些有特别物理化学性质基团的出现增 加还是降低生物活性。 d 图1 2c o m f a 、c o m s i a 中使用的各种势函数的形状 1 3 展望与本文的研究意义和目的 从计算机辅助药物设计的发展趋势来看，虽然现在发展了许多基于受体生 物大分子三维结构的药物设计方法( s t r u c t u r eb a s e dd r u gd e s i g n ，s b d d ) ，如 硕一l - 学位论_ 丈 m a s t e r s 丁 i l ：s l s 全新药物设计和分子对接等，但定量构效关系分析方法依然在药物设计中起 重要作用，特别是在受体生物大分子三维结构不知道的情况下，尤为如此。当 然，每一个研究结构活性关系的方法都有它的限制，综合应用多种方法更能全 面地揭示结构活性间的关系。传统的q s a r 方法( 2 d q s a r ) 不能用来设计新的先 导化合物，只能用于先导化合物的优化，提高化合物的活性，降低其毒性，提 高生物利用度等。3 d q s a r 是基于药物一受体相互作用映射( r e c e p t o rm a p p i n g ) 的方法，虽然受体的三维结构不完全清楚，但从3 d q s a r 模型可以推测药物与 受体相互作用的主要性质，可将其力场分布当作假想的受体，据此可用基于受 体三维结构的方法设计新的先导化合物。如同s b d d 方法一样，3 d q s a r 方法也 是仅仅考虑药物与受体的结合( b i n d i n g ) ，因此根据3 d q s a r 模型设计的分子 只能保证其体外活性，没有考虑与药物的体内活性有关的性质，如溶解度、生 物利用度、透过血脑屏障的能量、毒性以及代谢途径等，而2 d q s a r 模型能包 含这些性质的全部或部分。3 d q s a r 与2 d - q s a r 相结合，是药物设计的一种很 实用的策略。 一方面，由于在2 d q s a r 分析中，经验性的参数不易获得，量子化学参数 能对分子的结构和化学性质进行很好地描述，并且到目前为止，d f t 计算的量 子化学参数很少应用于定量结构活性关系的研究。鉴于此，本文拟定在d f t 方 法下，采用其中应用最广泛的b e c k e 的三参数杂化交换函数和l e e y a n g p a r r 的 相关函数来进行构象优化、计算量子化学参数，并进行2 d q s a r 分析。另一方 面，3 d q s a r 反映了药物与受体在三维空间的互补关系，本工作针对两个不同 类型的化合物进行3 d - q s a r 分析，比较c o m f a 和c o m s i a 分析方法的异同点。最 后，结合2 d q s a r 和3 d q s a r 的分析，解释、构建配体的连接模式。 有关q s a r 压用的综述文章和专著很多，w e r m u c h 根据第九届欧洲结构一活 性关系研讨会的参会文章，主编了有关q s a r 和分子模拟的专著。k u b i n y i 也曾主编过3 d q s a r 理论与应用的专著。h a n s c h 也主编过q s a r 在农药化学 中的应用的书。近几年，国内关于q s a r 在药物设计中的书也不少，如杨华铮 教授主编的农药分子设计，李仁利教授编的药物构效关系等。此外， 每年都有许多讨论q s a r 应用的综述。因此，本论文不准备讨论他人的工作， 而是结合自己的研究工作，来讨论q s a r 在农药分子设计中的应用。 硕士学位论文 m a s t e r sr 【f s s 第二章具有抗菌活性的2 一芳基苯并二氢吡喃一4 一酮类化合 物作用模型的构建 随着拆分生物化学和防御途径中分子生物学的快速发展，植物体内二级代 谢物逐渐成为当今研究的热点。一旦被病原体侵入，植物激活许多种防御途径， 这些途径主要来源于莽草酸和类黄酮两种途径。类黄酮的种类很多，其中一些 是著名的植物抗毒素，在植物有生命和无生命压力反应现象中有着很重要的作 用。越来越多的现象表明这些化合物有抗细菌、抗真菌、抗病毒的作用”1 。近 几十年来，类黄酮已经成为新抗菌药的合成模板。”1 。黄烷酮是其中比较有名 的一个。不过，用这些抗毒素作为抗菌试剂有个缺点，分子结构中存在多个羟 基不易在植物组织中传导，为此，对黄烷酮衍生物进行了很多修饰，但这些修 饰仅限于芳香环部分取代基的改变，对骨架部分并没什么改变并且大多数报 道均是定性的“4 1 。另外，植物抗毒素的杀菌机理至今仍没有详细的报道，并 且到目前为止，也没有关于植物抗毒素与受体连接模式的论述。为此，本文试 图通过q s a r 和3 d q s a r 分析来全面理解该类化台物的构效关系并通过这些构 效关系来构建类黄酮的连接模式。 2 1 分析数据组 考虑到样本结构和活性的多样性，本实验室不仅考虑苯环上取代基的多样 性，而且考虑到不同杂芳环对抗菌活性的影响，合成t 3 4 一i 讹合物”1 。所有 的化合物均采用硅胶层析法纯化，1 h n m r 、质谱和元素分析确认结构。并且根据 文献报道的方法测试了该类化合物对p y r i c u a r i ag f l s e a 的体外抗菌活性。训 练集( 2 7 化合物) 和测试集( 7 个化合物) 的化合物均列于表2 1 中。 硕士聋幢论爻 m a s t e r + st h e s i s r ，铡 5 | 1 b he i 1 t o2 3 图2 1 化台物1 2 3 和2 4 3 4 r 2 4 t o3 4 ( 具体定义见表1 ) 的分子结构 o 图2