《武汉工程大学学报》  2008年02期 18-23   出版日期：2008-02-28   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ
三噁二环辛烷类及相关化合物的CoMFA研究


0引言γ氨基丁酸（GABA）是中枢神经系统（central nervous system，CNS）内重要的抑制性递质，在脊椎动物和无脊椎动物CNS中抑制性传导主要通过GABA受体获得，配体通过与GABA受体相应位点结合，改变受体的构象，最终调节Cl-通道中的Cl-流量，增强或减弱GABA作用于受体的效能. 哺乳动物GABA受体主要分为离子型（GABAA和GABAC）和代谢型（GABAB），而在昆虫中目前还没有这样的分类，但存在相似但药理学特性不同的GABA受体. 由于该受体是一种横跨膜糖蛋白，分离非常困难，通过cDNA克隆、体外重组研究表明，受体亚基的组成影响该受体的药理学及电生理学性质［1，2］. 我们在研究双环硫化磷酸酯类化合物的过程中发现，在该类化合物的3位引入一个适当的烃基，可提高它的选择活性（LC50rat/LC50housefly） 高达50 倍以上，但是，GABAA受体非竞争性拮抗剂与受体结合的作用机制还不十分清楚. 目前研究发现，GABAA受体的作用位点除GABA位点外，还包括安定类、巴比妥类、神经固醇类和印防己毒素（picrotoxinin， PIC）位点等. 文中涉及的三噁二环辛烷类（trioxabicyclooctanes）及其类似物就被认为作用于PIC位点［3］，它是一类高效的GABAA受体门控氯离子通道拮抗剂，具有较高的杀虫活性. 本文通过对作用于家蝇和大鼠GABA受体的配体小分子进行构效关系研究，以期得到较好的CoMFA模型，并对受体结构进行推测，分析结构与活性的关系，进而指导新化合物的合成. 同时分别针对昆虫（家蝇）和哺乳动物（大鼠）GABA受体进行了比较研究，发现了二者结构的差异性，为开发高效、安全的杀虫剂提供理论依据.1材料与方法本文对一系列三噁二环辛烷类及其类似物烃基取代的二噻类等化合物共93个分子进行了CoMFA研究. 化合物对家蝇及大鼠GABA受体的离体（in vitro）活性实验数据主要来源于John E Casida［26］ 研究小组，所有化合物的活性测定方法相同［712］，具有可比性. 虽然文献［2］已经指出［35S］TBPS能很好地作用于大鼠受体而与家蝇受体的作用较弱，这也是为什么本文中作用于前者的化合物可以收集到80个，而作用于后者的化合物只收集到13个.所有计算工作都是在基于Linux平台的sybyl 7.0软件（Tripos Inc.）［13］上完成的，计算中如未经特别指明，各参数均选用默认值. 先将文献中的活性数据单位（以nM为单位）转换为M，再取其负对数值，即pIC50.确定活性构象是进行CoMFA研究的关键，在受体及复合物单晶结构未知的情况下，通常采用分子的最低能量构象作为其活性构象［14］. 作者首先采用 Random Search方法对所有分子进行全局低能构象搜索，在此基础上采用基于半经验量子化学的MOPAC模块中的PM3方法进行优化，并加载MOPAC电荷.分子叠合同样对建立三维构效关系模型有着重要影响. 通常根据一定规则（如基于公共骨架的叠合、基于能量场的叠合、基于惯性距的叠合、基于药效团的叠合及基于复合物结构的叠合［14］等）进行分子叠合，使每个分子采取具有最大力场相似性的空间取向进行力场计算.本文以各组化合物中活性最高的分子为模板，使用Fit atom方法以分子最大的相似骨架进行叠合. 在此基础上，我们对这些分子进行了CoMFA研究，CoMFA计算的所有参数均使用默认值.图1所选化合物结构
Fig.1Structures of selected compounds第2期许凌风，等：三噁二环辛烷类及相关化合物的CoMFA研究
武汉工程大学学报第30卷
2结果与讨论CoMFA分析分别针对家蝇和大鼠两类GABA受体，为了讨论的方便，分别记作CoMFA_Fly和CoMFA_Rat. 计算中均设训练集和预测集两部分，分别以高活性化合物20和142为模板分子，CoMFA_Fly共使用了11个分子（化合物12和13没有参与CoMFA分析），化合物数目有限，不设预测集；CoMFA_Rat共使用了80个分子，其中训练集70个，预测集10个. 虽然通常情况下，训练集分子数目是预测集分子数目的两倍左右，但由于本文所涉及的分子结构多样，所以预测集分子的选择依据是使分子的结构和活性值尽量分布广泛. 化合物的结构见图1，生物活性数据如表1所示.表1化合物对家蝇GABA受体的生物活性
Table 1Biological activities of compounds for housefly GABA receptor
Comp.HouseflypIC50Act.Pred.Δ14.154.15-0.0025.025.110.0135.425.420.0046.286.270.0156.706.72-0.0266.246.25-0.0185.405.400.0096.636.610.02105.435.47-0.04115.555.530.02155.996.00-0.01图1CoMFA_Fly训练集化合物的叠合
Fig.1Alignment of compounds in CoMFA_Fly training set2.1CoMFA计算结果图1和图2分别是CoMFA_Fly模型和CoMFA_Rat模型训练集分子的叠合结果. 表1和2列出了这两个CoMFA模型的计算结果，CoMFA_Fly的q2为0.540>0.5（一般情况下，q2>0.5表明模型具有实用意义），r2为0.999，s为0.030. CoMFA_Rat的q2为0.738，r2为0.924，s为0.356. 以上数据表明两模型的拟合能力均较好，这一点也可以从图3和4中两模型训练集分子试验活性值和预报值的关系得出. 但是从表2预测集分子的偏差分析，CoMFA_Rat模型的预报结果不理想：化合物91、106、118、137、160的试验值与预报值的偏差均较大.另外，两模型中立体场的贡献（分别是0.735和0.544）大于静电场的贡献（分别是0.265和0.456），表明配体与受体间立体相互作用可能是更重要的作用方式.表2化合物对大鼠GABA受体的生物活性
Table 2Biological activities of compounds for rat GABA receptor
Com.RatpIC50Act.Pred.Δ57.357.56-0.21897.447.120.32905.515.540.09*916.507.74-1.24927.477.440.03936.907.31-0.41948.408.200.20956.656.380.27966.416.52-0.11977.747.550.19986.927.35-0.43*998.528.260.261006.546.96-0.421016.886.490.391027.827.93-0.111038.528.160.361046.395.930.461058.408.010.39*1069.007.381.621078.408.290.111089.009.11-0.111097.107.27-0.171107.177.19-0.021119.008.330.671127.368.08-0.721138.708.98-0.281148.107.900.201157.927.720.201169.008.710.291179.008.940.06*1187.546.411.131196.556.75-0.201206.415.890.521215.655.78-0.131226.786.590.191234.324.78-0.461245.134.700.431256.275.830.441265.775.600.17*1276.246.39-0.151285.815.94-0.131295.615.94-0.331306.296.90-0.61*1316.887.35-0.471324.735.18-0.451336.707.07-0.371347.497.80-0.311358.708.520.181368.308.170.13*1377.476.141.351385.895.500.391399.008.620.381408.529.12-0.601418.708.75-0.051429.409.100.301438.708.88-0.181449.008.590.411458.108.30-0.201469.008.880.121479.009.22-0.22*1489.009.08-0.081499.008.720.281509.008.900.101517.707.88-0.181529.008.660.341538.007.970.031549.009.25-0.25*1558.408.320.081568.708.420.281578.708.300.401588.108.33-0.231598.528.320.20*1609.008.070.931617.827.620.201628.708.160.541636.897.46-0.571646.126.65-0.531657.077.26-0.191667.628.02-0.401678.108.76-0.66注：其中加*的化合物为预测集分子，其余为训练集分子.
表3两组CoMFA模型结果的统计学参数比较
Table 3Statistic parameters of two CoMFA models
ModelNq2nr2sFS.E.CoMFA_Fly110.54060.9990.0301 051.6770.7350.265CoMFA_Rat700.73860.9240.356128.2110.5440.456注：N—训练集分子总数； q2—交叉验证相关系数； n—最佳主成分数； r2—非交叉验证相关系数； s—标准偏差； F—统计检验值； S.—立体场贡献； E.—静电场贡献.图2CoMFARat训练集化合物的叠合Fig.2Alignment of compounds in CoMFARat training set图3CoMFAFly实验值与预测值的对比
Fig.3Plot of predicted versus actual pIC50 for CoMFAFly图4CoMFA_Rat实验值与预测值的对比
Fig.4Plot of predicted versus actual pIC50for CoMFA_Rat2.2CoMFA等势图图5~6是两CoMFA模型立体场和静电场的等势图，为了使两等势图在空间取向上保持一致性，方便比较和分析分子场的信息，图中参考分子选取两组化合物中都有的化合物5. 在图5（a）和6（a）中，绿色区域表示增加基团的体积有利于提高分子活性，黄色区域表示减小基团的体积有利于提高分子活性. 从两图中不难看出CoMFAFly和CoMFARat两模型提供了很多相同或相似的立体场信息. 对两受体而言，双环负电性原子外围的黄色区域均表示此处减小取代基体积有利于提高化合物活性；图中绿色区域（对于含苯环的化合物来说，即苯环4位取代基附近）表示此处增加取代基体积有利于提高化合物活性，如：24>23>22>21、20>19>18、106>92>120、107>93>121等就支持这一结论. 对家蝇受体而言，双环1位取代基处的黄色区域亦表示此处减小取代基体积有利于提高化合物活性；对大鼠受体而言，双环4位外围的黄色区域表示此处减小取代基体积有利于提高化合物活性，如：135>136>137>138、142>144>145等明显支持这一结论，另外值得注意的是，双环4位附近还存在一小块绿色区域，表明当双环（或嘧啶环）4位上的取代基较小或支链较短时，一定程度上增加取代基的体积或延长支链长度将有利于提高化合物的活性，如：135>134>133、167>166等就支持这一结论. 在图5（b）和6（b）中，红色区域表示增加负电荷基团有利于提高化合物活性，蓝色区域表示增加正电荷基团有利于提高化合物活性. 从两图中不难看出CoMFAFly和CoMFARat两模型提供的静电场信息存在较大的差异. 对家蝇受体而言，双环1位取代基处的蓝色区域表示此处增加正电荷基团有利于提高化合物活性，如：化合物1、2、3、4、5活性都不太高，另外蓝色区域延伸至双环下方，表明此处增加负电原子不利于活性的提高，如：11<9. 对大鼠受体而言，双环负电原子外围的红色区域表示此处增加取代基的电负性将有利于提高化合物的生物活性，如：92>91、99>98>96等都支持这一结论. 图中右侧的蓝色区域（对于含苯环的化合物来说，即苯环4位取代基附近）表示苯环4位上亲正电性基团，如：105>91、106>92等支持这一结论，双环负电原子外围的蓝色区域表明向后水平方向引入氧负原子不利于化合物活性的提高，如：95<92、118<116、132<130等支持这一结论，双环4位附近的蓝色区域亦表示减小取代基的负电性将有利于提高化合物的活性，如：134>165、157>159等均支持这一结论.综上所述，双环上负电荷原子及苯环4位取代基的选取与化合物的活性高低密切相关，同时双环1位及4位取代基的变化与化合物的选择性密切相关. 所以，利用本文所得到的分子场信息，结合参考分子，可以推测减小双环4位和1位取代基的体积及减小1位取代基的负电性可以有效提高化合物作用于家蝇和大鼠GABA受体的选择性，如在双环4位上选取一个比叔丁基更小的取代基，将苯环这一取代基以负电性较弱的基团或正电性较强的基团取代，可能会提高化合物的选择性.（a） CoMFA_Fly立体场等势图（b） CoMFA_Fly静电场等势图
图5CoMFA_Fly 的立体场等势图与静电场等势图
Fig.5The stetric contour plat and the electrostatic contour plot of CoMFA_Fly with compound 5（a） CoMFA_Rat立体场等势图（b） CoMFA_Rat静电场等势图
图6CoMFA_Rat立体场等势图与静电场等势图
Fig.6The steric confour plot and the electrostatic contour plot of CoMFA_Rat with compound 53结语结合文献［1］中提出的非竞争性GABAA受体拮抗剂结合部位的模型及本文得出的CoMFA模型的立体场和静电场信息，可以直观地看出配体周围分子场的信息具有以下一些异同点：对两受体而言，双环4位取代基链增长或体积增加都有利于活性的提高；对于家蝇GABA受体，双环1位取代基体积和电负性的增加不利于化合物活性的提高，而对大鼠GABA受体，双环4位存在较大取代基，活性较高，这已被实验证实，如：4叔丁基双环硫化磷酸酯对大鼠GABAA受体亲和性较高，而对家蝇较低. 以上结论，为设计高活性及高选择性的GABA受体抑制剂提供了依据.