（分析化学专业论文）自由能计算用于环糊精性质及药物分子包结机理研究.pdf

摘要 摘要 环糊精( c y c l o d e x t r i n ，c d ) “内疏水、外亲水”的性质使得它可以和许多客体 分子形成包结物，在食品、制药等众多领域都有广泛的应用。虽然很多实验手 段可以检测环糊精的包结过程，但是对于包结机理仍然存在很多不清楚的问题。 而分子模拟方法则可以在原子水平上研究环糊精的结构性质、包结机理、结合 自由能等。本论文采用分子模拟的方法对环糊精及其包结体系进行了研究，主 要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 在研究天然环糊精性质的过程中，b 环糊精溶解度的特异性引起了广泛 的关注。为了解释这一实验现象，采用分子动力学模拟分别研究了0 【、d 和y 环糊精在水溶液中的行为。结果表明b 环糊精由于大e l 端糖单元间氢键的作用， 使其大环结构刚性明显增强，引起水化层的结构化程度增高，熵的代价降低了p 环糊精在水中的溶解性。进一步利用自由能微扰的方法计算了0 【、3 - 和丫环糊精 的水化自由能a 皖v d ，即环糊精分子从真空转移到水溶液过程中的自由能变化。 但是从水化自由能的结果来看，ag y d 随着a 、p 、丫环糊精的顺序逐渐变化， p 环糊精并没有显示出它的特异性。因此，d 环糊精溶解度的反常现象不能仅从 水化自由能方面进行解释，这有可能是由于没有考虑到环糊精在溶液中的自聚 集行为引起的。 ( 2 ) 环糊精分子在与客体分子进行包结时，除了以1 ：1 的比例形成包结物外， 还可以形成2 ：1 或2 ：2 的包结物，甚至是n ：l 式的轮烷分子项链，因此研究两个 环糊精分子的聚集方式很重要。采用分子动力学方法模拟了天然0 【、1 3 、丫环糊 精二聚体以及6 - 0 - ( 4 一h y d r o x y b e n z o y l ) - p c d ( h b p c d ) 二聚体在真空和水溶液环 境下的结构和相互作用。利用自由能微扰方法计算了三种取向二聚体的结合自 由能，以判断其稳定性差异。结果表明，在真空中由于分子间氢键作用，三种 天然环糊精均以大口端大口端为优势稳定取向，在溶液中时，三种天然环糊精 二聚体平衡后的结构因受到水的影响发生了很大的变化，且稳定性降低，而两 个h b b c d 形成的相互包结的二聚体结构变化不大。自由能计算的结果表明， 无论在真空还是溶液中，由于包结作用h b b c d 二聚体的小口端小口端为明显 的优势取向，且稳定性要远远大于天然p 环糊精二聚体。 摘要 ( 3 ) 甾类化合物广泛存在于动植物体内，对动植物的生命活动起着极其重要 的调节作用。但是它们的溶解度较低，生物适应性较差，因此大大限制了它们 在医药方面的应用。为了克服这些缺点，可采用环糊精及其衍生物作为载体与 其形成内包含复合物，从而增加它们的溶解度与适应新。但是，包结机理以及 包结物的具体结构信息还不是非常明确。因此，本工作采用分子动力学、自适 应偏置力和自由能微扰的方法研究了氢化可的松( h y c ) 、黄体酮( p r o ) 、睾丸激素 ( t e s ) 经由两种可能的取i f i ( i 和i i ) 穿过b 环糊精空腔时自由能的变化。采用自适 应偏置力方法计算得到的自由能在包结过程中的变化曲线表明，对于h y c 和t e s ， 取向i ( 甾核中a 环进入环糊精空腔) 是有利的，此时h y c 和t e s 的a 环进入环糊 精空腔形成部分包结模式；但是对于p r o ，取向i i ( 甾核中d 环进入环糊精空腔) 是有利的，并且出现了两种包结模式，即部分包结和深入包结；无论是哪种取 向，b 环糊精对三种甾类化合物的结合能力为：p r o t e s h y c ，这与实验结果一 致，而这一结果也得到了我们采用自由能微扰方法计算相对自由能变化结果的 支持。将自由能分解为不同自由能组分项可知，优势取向的包结驱动力主要为 范德华作用。另外，采用分子动力学模拟考察了各稳态点包结结构的稳定性。 结果还表明，p r o b c d 的热力学最稳定构型和第二极小点附近构型之间可以相 互转化，这种现象在h y c b c d 和t e s d c d 包结物中并不存在。 ( 4 ) 丙咪嗪是三环类抗抑郁药物，但是在治疗过程中显示出一定的毒副作 用，为了减少副作用的伤害，可采用b 环糊精作为赋形剂进行包结。为了研究 丙咪嗪和环糊精分子的各种可能包结模式，我们采用分子动力学方法与自由能 微扰方法结合研究了真空和溶液中环糊精和丙咪嗪以摩尔比分别为2 ：1 、1 ：1 和 1 ：2 所形成包结物的性质，其中l ：1 的情形，又根据包结丙咪嗪的不同部位分为 三种模式。首先对所有五种初始结构在真空和溶剂分别进行平衡分子动力学模 拟，结果表明除了1 ：2 模式的包结物，其余四种均能稳定存在。基于所得到的平 衡结构和所设计的热力学循环过程，利用自由能微扰方法计算相应的结合自由 能，寻找优势包结模式和包结位点。结果表明无论真空还是溶液中，环糊精和 丙咪嗪的摩尔比为2 ：1 时形成的包结物最稳定，环糊精与苯环间的范德华作用以 及两环糊精大口端间形成的分子间氢键是稳定性的主要因素。另外，三种1 ：1 包 结模式在真空中的稳定性相当，没有明显的倾向性，而在溶液中，当丙咪嗪的 苯环部分进入环糊精的空腔时所形成的包结物相对稳定，且范德华力是稳定包 结物的主要作用力。 关键词：环糊精分子动力学模拟自由能计算自由能微扰自适应偏置力 i i a b s t r a c t a b s t r a c t c y c l o d e x t r i n s ( c d s ) h a v eah y d r o p h i l i co u t e rs u r f a c ea n dah y d r o p h o b i ci n n e r c o r e ，c o n d u c i v ef o rt h ef o r m a t i o no fi n c l u s i o nc o m p l e x e st h r o u g ht h eb i n d i n go ft h e s m a l lm o l e c u l e si n t ot h e i rc a v i t y t h i sp r o p e r t yh a sa t t r a c t e di n c r e a s i n ga t t e n t i o ni n f o o df i e l d ，p h a r m a c e u t i c a ls c i e n c e ，e t c a l t h o u g he x p e r i m e n t a lm e t h o d sh a v eb e e n e m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h ei n c l u s i o np r o c e s s ，t h ea s s o c i a t i o nm e c h a n i s mi su n t i ln o w s o m e w h a tf r a g m e n t a r y t h e o r e t i c a la p p r o a c h e so f f e rt h et h r e e d i m e n s i o ns t r u c t u r e ， t h es t a b i l i t yo ft h ec o m p l e xs t r u c t u r ea n db i n d i n gf r e ee n e r g yi n f o r m a t i o n i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，m o l e c u l a rs i m u l a t i o n sw e r eu s e dt o i n v e s t i g a t et h ep r o p e r t i e so fc d sa n dt h e c o m p l e x e so fc d s w i 廿ld i f f e r e n tg u e s t s ( 1 ) t h em o l e c u l a rd y n a m i c s ( m d ) s i m u l a t i o n sd e s c r i b i n gt h eh y d r a t i o np r o c e s s f o ra 一，b a n d7 - c d sh a v eb e e np e r f o r m e d t h er e s u l t sr e p o r t e dh e r ed e m o n s t r a t et h a t t h ea n o m a l o u ss o l u b i l i t yf o r1 3 - c dc a nb ee s s e n t i a l l yr a t i o n a l i z e db yi t s g r e a t e r r i g i d i t yc o n f e r r e db yt h ep a r t i c i p a t i n gi n t r a m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d sa n dt h eh i g h e r d e n s i t yo fw a t e rm o l e c u l e so fl e s s e rm o b i l i t y 1 1 1 eh y d r a t i o nf r e ee n e r g yo fa - ，p - a n d t - c dw a sc o m p u t e du s i n gt h ef r e ee n e r g yp e r t u r b a t i o n ( f e p ) m e t h o d t h i sq u a n t i t yi s s h o w nt oi n c r e a s ew i t ht h en u m b e ro fg l u c o s eu n i t s ，t h e r e b ys u g g e s t i n gt h a tt h e a n o m a l o u ss o l u b i l i t yo f1 3 - c dc a n n o tb ee x p l a i n e db yi t sf l e ee n e r g yo fh y d r a t i o n a l o n e ( 2 ) t h es t r u c t u r e s a n di n t e r a c t i o n so f a - ，d - ，a n d7 - c d d i m e r sa n d 6 - d - ( 4 一h y d r o x y b e n z o y l ) 一p - c d ( h b - d c d ) d i m e r sw e r es i m u l a t e db ym d m e t h o d si n v a c u u ma n di na na q u e o u ss o l u t i o n , r e s p e c t i v e l y 1 1 1 eb i n d i n gf r e ee n e r g i e so ft h r e e p o s s i b l ea r r a n g e m e n t s ( h e a d - t o h e a d ，h e a d - t o t a i l ，a n dt a i l - t o t a i l ) o fe a c hd i m e rw e r e c a l c u l a t e du s i n gt h ef e pm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t a b l ea r r a n g e m e n t sf o ra ， b 一，a n d7 - c dd i m e r si nv a c u u ma r eh e a d t o h e a dm o t i f sd u et ot h ec o n t r i b u t i o no ft h e i n t e r m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d s i nt h ea q u e o u ss o l u t i o n ，t h es o l v e n te x e r t sm o r e i n f l u e n c eo nt h es t r u c t u r e so ft h en a t u r a lc dd i m e r st h a no nt h eh b p - c dd i m e r , r e s u l t i n gi nad e c r e a s eo f t h es t a b i l i t yo ft h ef o r m e r s f r o mt h ec a l c u l a t e db i n d i n gf i ：e e e n e r g i e s ，t h eh b - b c dd i m e ri nt h ea q u e o u ss o l u t i o ni sm u c hm o r es t a b l et h a nt h e 1 3 - c dd i m e r i i i a b s t r a c t ( 3 ) f r e e - e n e r g yc a l c u l a t i o n sc h a r a c t e r i z i n gt h ei n c l u s i o no ft h r e es t e r o i d a ld r u g s ， v i z h y d r o c o r t i s o n e ( h y c ) ，p r o g e s t e r o n e ( p r o ) a n dt e s t o s t e r o n e ( t e s ) ，i n t od c d ， f o l l o w i n gt w op o s s i b l er e l a t i v eo r i e n t a t i o n s ，h a v eb e e nc a r d e do u t ，e m p l o y i n ga d a p t i v e b i a s i n gf o r c e ( a b e ) a n df e pm e t h o d s i nt h el i g h to ft h ea n a l y s i so ft h ef r e e e n e r g y p r o f i l e sd e t e r m i n e du s i n gt h ea b fm e t h o da l o n gt h ec h o s e nm o d e lr e a c t i o n c o o r d i n a t e ，o r i e n t a t i o nii ss u g g e s t e dt ob ef a v o r e df o rh y ca n dt e s ，a l b e i to r i e n t a t i o n i ia p p e a r st ob ef a v o r e df o rp r o m o r e o v e r , v a nd e rw a a l si n t e r a c t i o n sa r es h o w nt o c o n s t i t u t et h em a i nd r i v i n gf o r c e sr e s p o n s i b l ef o r t h ei n c l u s i o n p r o c e s si nt h e p r e f e r r e do r i e n t a t i o n a d d i t i o n a lm ds i m u l a t i o n so ft h ec o m p l e x e sa tt h eg l o b a l m i n i m u mo ft h ef r e e e n e r g ys u r f a c ew e r ea l s op e r f o r m e d a n a l y s i so ft h et r a j e c t o r i e s s u g g e s t st h a ti nc o n t r a s tw i t hh y c p c da n dt e s p c d ，t r a n s i t i o nb e t w e e nt h em o s t t h e r m o d y n a m i c a l l ys t a b l es t r u c t u r eo fp r o - - 1 3 - c da n dt h es e c o n ds t a b l es t r u c t u r ec a n b ew i t n e s s e d ( 4 ) t h ei n c l u s i o nc o m p l e x e sa n di n t e r a c t i o n so f1 3 - c da n di m i p r a m i n e ( i m i ) w i t hs t o i c h i o m e t r i e so f1 ：2 ，1 ：l ，a n d2 ：1w e r es i m u l a t e db ym dm e t h o d si nt h eg a s p h a s ea n di na na q u e o u ss o l u t i o n ，r e s p e c t i v e l y t h eb i n d i n gf r e ee n e r g i e so ff o u r p o s s i b l ec o m p l e x e sw e r ec a l c u l a t e du s i n gt h ef e pm e t h o db a s e do np r e d e s i g n e d t h e r m o d y n a m i cc y c l e s ，s u g g e s t i n gt h a tt h e2 ：1 i n c l u s i o nm o d ei st h em o s t e n e r g e t i c a l l yf a v o r a b l e ，b o t hi nt h eg a sa n da q u e o u sp h a s e s t h ev a nd e rw a a l s i n t e r a c t i o n sa n di n t e r m o l e c u l a rh y d r o g e n - b o n di n t e r a c t i o n sb e t w e e nt w o 1 3 - c d s c o n s t i t u t et h em a i nc o n t r i b u t i o nt ot h es t a b i l i t yo ft h ec o m p l e x i na d d i t i o n ，a t v a r i a n c ew i t hi nt h eg a sp h a s e ，a m o n gt h r e ep o s s i b l e1 ：1 i b - c d i m is t r u c t u r e s ，t w o o r i e n t a t i o n so fi m lw i t hb e n z e n er i n gl o c a t e di n s i d et h ec a v i t yo fd c da r em o r e f a v o r a b l et h a nt h a tw i t ht h es i d ec h a i ni n s i d et h ec a v i t yi nt h ea q u e o u ss o l u t i o n t h e v a nd e rw a a l si n t e r a c t i o n s a r es h o w nt o p l a yam a j o rr o l e i ns t a b i l i z i n gt h e 1 ：1 c o m p l e xs t r u c t u r ei nt h et w op h a s e s k e yw o r d s ：c y c l o d e x t r i n ；m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n s ；f r e e - e n e r g y c a l c u l a t i o n ；f r e ee n e r g yp e r t u r b a t i o n ；a d a p t i v eb i a s i n g f o r c e ； i v 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：幽、峙疗 吁年j 月i f e t 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：与j 、劬予疔 沙。c 7 年f 月弓e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解直珏太堂图壶缒差堡在! 焦旦堂僮途塞的笪堡盘法! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称： 作者签名： 学号： 日期：年月 日 第一章综述 第一章综述 第一节引言 环糊精( c y c l o d e x t r i n , c d ) 是一类由d 。吡喃葡萄糖单元环状排列而成的一组 低聚糖的总称。1 8 9 1 年，v i l l i e r s 通过酶降解淀粉发现了环糊精。1 9 0 3 年， s c h a r d i n g e r 对环糊精进行了分离纯化和结构鉴定。自从p r i n g s h e i m 嵋】发现环糊 精及其乙酰化产物能结合各种有机化合物生成包结物之后，环糊精及其衍生物 开始成为主客体( h o s t g u e s t ) 化学的重要研究对象。环糊精和客体分子所形成的 包结物可以改变客体分子的某些理化性能，如溶解度、稳定性等。此外，环糊 精还具有手性，可以用来对手性化合物进行手性识别研究。 环糊精越来越受到科学工作者的关注，在农业、医药卫生、食品加工和香 料工业等领域中得到广泛应用【3 划，这主要是由于环糊精具有以下特征【7 】：( 1 ) 这 类化合物是较易得到的半天然产物，可以通过淀粉的酶降解大量制备；( 2 ) 环糊 精化学性质稳定，合成化学家可以进行各种选择性修饰；( 3 ) 环糊精的空腔可以 提供与模型底物结合的空间，当底物分子与环糊精形成包结配合物后，其化学 反应性能和物理性能在特定情况下有可能发生改变；( 4 ) 环糊精毒性低，并可以 在生物体内降解，因此可作为脂溶性药物载体、食品添加剂和化妆品填料用于 工业技术。 分子模拟作为一种计算机模拟实验方法，它可以观察到分子运动过程中的 各种微观细节，在原子水平上探究物质的结构、性质以及相互作用等信息，是 对实验的有利解释和补充。目前，分子模拟已经广泛的应用于材料科学【8 】、生命 体系【9 】和药物设计【l o 】等领域。将分子模拟技术应用到环糊精研究领域，为深入探 讨环糊精与客体分子形成包结物的化学本质提供了理论上的模型，从微观状态 解释或预测实验现象，具有十分重要的研究意义。 本章对环糊精的结构、性质和形成包结物的条件等进行综述，对环糊精在 药物运载方面的应用以及分子模拟方法在环糊精领域的进展进行了阐述。 第一章综述 第二节环糊精的结构和性质 1 2 1 环糊精的结构 环糊精是淀粉水解成直链糊精，再经糖苷转移酶作用生成的产物，是由几 个d 吡喃葡萄糖单元以a 1 ，4 糖苷键连接而成的环状化合物。常见的环糊精分 别包含6 、7 、8 个葡萄糖单元，分别称为a 、1 3 一、丫- 环糊精。环糊精的结构呈截 顶圆锥状，其6 位伯羟基均处于空腔的小口端，2 ，3 位仲羟基则处于空腔的大口 端。如图1 1 所示，环糊精的空腔内部排列着糖苷氧原子和葡萄糖环c 3 、c 5 上 的氢原子。虽然糖苷氧原子具有亲水性，但受c 3 、c 5 上氢原子的覆盖，空腔具 有强疏水性。c 2 、c 3 、c 6 上的羟基分布于空腔两端的开口部位，使得环糊精分 子外围具有良好的亲水性。整个分子呈现出“内疏水、外亲水 的特性。在这 种环状的构型当中，c 2 处的羟基易与相邻吡喃葡萄糖单元的c 3 羟基形成氢键。 其中，d - 环糊精分子内形成环形的全氢键使得整个分子具有相当的刚性，0 【环糊 精的一个吡喃葡萄糖单元处于扭曲的状态，6 个吡喃葡萄糖单元之间只形成4 个 氢键，而p 环糊精由于空腔太大，使得分子具有很高的柔性。 r 啪一 ，平i ( 3 ) 一i 洲 图1 1 环糊精的结构以及葡萄糖单元上原子标号 1 2 2 环糊精的性质 仅- 、p - 、丫环糊精葡萄糖单元数的差异，导致它们在溶解度、空腔尺寸、旋 光度和结晶形状等性质上也不尽相同。表1 1 列出了三种常用环糊精的一些基本 性质。 2 第一章综述 表1 1 a 一、p - 、丫一环糊精的一些基本性质 与客体分子形成包结物是环糊精重要的特性，它可以包结大小、形状适合 的有机和无机分子。这种特性使得环糊精在食品以及药物等多个领域中受到了 极大的重视和广泛应用。 第三节环糊精形成包结物的条件 环糊精及其衍生物作为一类重要的超分子主体化合物，具有不同尺寸的疏 水性空腔和亲水的表面，而且它们具有手性，可以选择性地键合各种有机、无 机以及生物分子形成主客体或超分子配合物。因此环糊精及其衍生物分子识别 的研究对于从化学观点再现生物过程功能也具有重要意义。环糊精包结物能否 形成取决于环糊精和客体分子的性质，因此，分子间弱相互作用力的相关分析 对包结过程的研究具有重要意义。 在水溶液中，环糊精的疏水性空腔被水分子占据，当合适的客体分子进入 到环糊精的空腔内形成主客体包结物，环糊精空腔内对能量不利的水分子被释 放出来，进而与环糊精周围的水分子重新组合。因此，环糊精与客体分子的包 结是环糊精空腔溶剂分子的释放、客体分子的脱溶剂化以及溶剂分子重组的过 程。主客体形成包结物时，一般存在以下几种相互作用力：( 1 ) 疏水相互作用； ( 2 ) 非键相互作用( 范德华和静电) ；( 3 ) 氢键；( 4 ) 高能水的释放。因此环糊精包结 3 第一章综述 客体分子的过程以及包结物的稳定性都会受到这些因素的影响【7 j 。 首先，环糊精和客体分子的包结应符合空间匹配效应。环糊精的空腔由于 边缘羟基间的氢键网作用而具有一定的刚性，因此客体分子与空腔间的尺寸匹 配在决定主客体间所形成配合物的稳定性中起重要作用。根据环糊精孔径大小 不同，它们分别可选择容纳体积大小与其空腔匹配的客体分子，这样形成的包 结物比较稳定。 其次，包结物能否稳定存在取决于环糊精与客体分子之间的相互作用。因 为环糊精空腔是疏水的，客体分子的非极性越高，越易被包结。当疏水的客体 分子进入环糊精空腔后，其疏水基团与环糊精空腔有最大接触，而其周围的亲 水分子则会远离空腔。因此，疏水相互作用对主客体包结过程是一个重要的驱 动力。当包结物形成以后，主客体间的范德华力、静电力以及氢键对包结物的 稳定性有着重要的作用。范德华力和静电力都属于非键相互作用力，对包结时 主客体间的近程相互作用有着重要的影响。氢键是类似共价键一样的供体受体 结合模式，因此只有达到较近的距离时才能发生作用，也是近程力。在环糊精 的包结过程中，环糊精c 2 、c 3 、c 6 上的羟基极易和极性的客体分子键合形成氢 键，增加了包结物的稳定性。此外，高能水的释放对包结物的稳定性也有着重 要的作用。包结物的形成还受时间、反应温度、搅拌时间和反应物浓度等外在 条件的影响。这些因素不但影响着环糊精包结物的形成，还直接影响着包结物 的稳定性。 第四节环糊精药物运载的应用 由于环糊精独特的物理化学性质和优良的生物学特性，而被广泛地应用于 医药、食品以及超分子化学等领域，本节重点介绍它在药物运载方面的应用。 药物载体是指能改变药物进入体内的方式和在体内的分布、控制药物的释 放速率并将药物输送到靶向器官的体系。在药物运输体系中，药物载体需要多 方面的性质，如控制药物释放，正确的靶标以及提高吸收率等方面 1 1 , 1 2 】。对药物 载体来说，生物适应性是最基本的要求。环糊精及其衍生物就具备这些性质， 它们的生物适应性好，几乎不被胃肠道吸收，可以与生物膜中的胆固醇和脂类 作用，环糊精的大环部分在经过胃和小肠后仍可以存在，但是可以在结肠和大 肠中进行生物降解，而且环糊精还可以通过功能化的基团来改变主体分子的性 4 第一章综述 质。常用于制药工业方面的环糊精衍生物主要包括三类：亲水型、疏水型、离 子型。许多亲水的衍生物已经应用在药物制剂方面 1 3 , 1 4 。疏水的环糊精衍生物可 以作为水溶性药物的控制释放载体，包括多肽和蛋白药物 1 5 a 6 】。不同的环糊精衍 生物和药物添加剂结合后可以调节生物利用率和治疗效率间的平衡。 环糊精作为载体的重要功能之一就是通过与药物分子形成包结物来提高药 物分子的溶解度 1 1 卜嘲。当形成包结物时，客体分子疏水性的基团被包含在环糊 精的空腔内，而环糊精亲水性的外表面则可以与水溶液相互作用，在一定程度 上提高了药物分子的溶解性能。白藜芦醇 2 0 】是一种天然的植物抗毒素，广泛的 存在于桑椹、花生、葡萄等植物中。研究发现白藜芦醇可以调节脂质的新陈代 谢，对脂蛋白的抗氧化具有保护作用，同时也可以抑制血小板的聚集【2 1 1 。但是 白藜芦醇在水中的低溶解度却限制了其在口服药中的吸收率，而与环糊精形成 包结物后则大大提高了其溶解度【2 2 1 。由于天然环糊精的自聚集现象以及在固态 下与周围水分子的相互作用，它们在水中的溶解度有所不同，其中p 环糊精的 溶解度相对较低，因此在实际应用中可以选取环糊精的衍生物来增加药物的溶 解度，可以更好地提高药物分子的溶解度。常用的环糊精衍生物有羟烷基化、 硫代烷基化以及支链环糊精衍生物等。 ( 1 ) 甲基化环糊精【2 3 1 ，也就是环糊精分子中的羟基部分或全部由甲基取代，它们 在水中的溶解度都比母体环糊精高。一般说来，甲基化程度较低的衍生物 对药物的增溶性较强。 ( 2 ) 羟烷基化环糊精【l 引，由于取代程度不同，通常是以无定形态混合物存在 2 4 】， 这种多组分的性质阻止了本身的结晶化，因此羟烷基化衍生物具有较高的 溶解度。 ( 3 ) 支链环糊精【2 5 1 ，由单糖或低聚糖，如葡萄糖、半乳糖、麦芽糖等以1 ，6 糖 苷键结合在环糊精上形成的。它与微溶性物质形成包结物后，能大大增加 微溶性物质的溶解度。 ( 4 ) 环糊精聚合物【2 6 1 ，指分子中含有多个环糊精单元的衍生物。这种聚合物既保 持了环糊精包结、释缓和识别的能力，又兼具高聚物较好的稳定性、化学 可调性和无定形易溶的优点。 ( 5 ) 离子型环糊精衍生物【2 7 1 ，包括羧基环糊精衍生物硫酸酯或磺烷基型衍生物， 具有较大的溶解度，可以包结药物分子提高其溶解度。 环糊精的另一重要应用就是提高药物分子的稳定性【2 8 1 。环糊精在水溶液中 5 第一章综述 选择性键和底物，两端的多个羟基可以参与对底物的作用或引入催化性的功能 基团，在不影响药物分子反应性的基础上控制药物的降解速率。由于药物分子 是包含在环糊精的空腔内，可以看成是分子胶囊的模式，环糊精作为药物分子 外部的屏障，可以将周围可能的腐蚀性环境隔离开来，减少甚至阻止了药物分 子的水解、氧化、空间重组、异构化、酶降解作用。 环糊精可以提高药物分子的生物利用度【2 9 , 3 0 】，可能是由以下几个方面的原因 引起的：( 1 ) 亲水的环糊精衍生物增加水溶性差的药物的溶解性、溶解速率和可 湿性；( 2 ) 环糊精衍生物在经过胃肠道时阻止不稳定药物的生物降解；( 3 ) 环糊精 扰动细胞膜的流动性以降低阻碍，增加药物的吸收率；( 4 ) 与胆汁酸、胆固醇和 类脂等三种化合物形成内包含物的竞争机制，有利于释放空腔内包结的药物。 环糊精在提高药物分子溶解度的同时也减少了剂量，从而减少药物的毒副 作用【3 u ；环糊精将药物分子包埋进空腔内部，避免了和生物膜的直接接触，在 保证药效的同时降低了局部的毒性刺激【3 2 】。 环糊精还可以根据药物的药理性质适时的控制药物的释放以达到治疗的目 的。例如亲水性环糊精可用于快速释放型制剂，乙基和酰化衍生物等疏水性环 糊精可以作为水溶性药物的延时释放载体【3 。在酰化环糊精衍生物当中， 2 ，3 ，6 一o - 丁酰基p - c y o ( p c r - o b u t a n o y l p - c y dt b p c y d ) 在控制水溶性药物分子 缓慢释放方面有明显的效果。t b p c y d 和t o p c y o 的混合物包结地尔硫卓分 子在血浆中保持稳定的浓度可以达到4 8 小时以上【3 4 】。 第五节分子模拟方法 近年来，分子动力学模拟成为化学、统计物理学、生物学和材料科学等领 域的重要研究手段。随着计算机的发展和人们对计算方法的不断探索，分子动 力学方法起着越来越重要的作用，使得真实和复杂的物理模型的数值模拟成为 可能。其基础是对一定势能场内的分子中各个原子的热运动情况进行模拟，以 直观地给出在一定温度条件下分子内部各原子的运动状况。在实际应用中处理 的对象往往是生物大分子体系及超分子体系，因此分子动力学模拟是建立在可 以快速处理大分子体系的分子力学基础上的一种方法。 6 第一章综述 1 5 1分子力学方法 分子力学( m o l e c u l a rm e c h a n i c s ，m m ) 是基于经典牛顿力学方程的一种计算分 子平衡结构和能量的方法。分子力学将分子作为势能面上运动的经典力学体系 来处理求解牛顿( n e w t o n ) 方程。所以分子力学能求解分子的平衡结构、振动光谱、 热力学性质等。在计算机辅助药物设计中，当受体结构已知时，分子力学方法 可以用来计算药物受体结合的能量，探讨配体受体的相互作用，若受体结构未 知时，该方法可通过确定药物分子的药效构象来反映与药效基团相互作用的受 体结构特征。常见的分子力场有o p l s a a 、c h a r m m 、g r o m o s 、g r o m a c s 以及a m b e r 等。 分子力学是以分子力场为基础的计算方法。分子力场由两个组分组成：用 于描述势能及分子间力的势函数以及用于描述各种势函数的经验参数。势函数 和参数结合起来才能描述力场。常见的分子力场势函数中一般包括两类相互作 用，即化学键相互作用和非键相互作用。化学键相互作用能一般包括键伸缩能 ( b o n ds t r e t c h i n g ) 、键角弯折l l ( a n l l eb e n d i n g ) 、二面角扭转i l ( t o r s i o nr o t a t i o n ) 。非 键相互作用能主要包括范德华相互作用能和静电相互作用能，有时也包括氢键 相互作用能。一般地，分子力场势函数表达式( 1 1 ) 可写为： r ( r ) = 吃( 一，。) 2 + 屯( 谚一只，。) 2 + 每( 1 + c o s ( ，z 缈一肭 划i = lj = i + 4 悯1 2 倒 + 嚣 。j 式中幻、磊，0 、磅，0 、圪、a ，、卯、缈等是力场的经验参数，对于不同的力场有 不同的力场参数，同样的力场不同的原子类型力场参数也不同。 分子力学的优势是计算量小，因此分子力学可用来研究一些大体系的构型 及其性质，另外对柔性比较大的分子( 如蛋白质、多肽等) ，分子力学优化可得到 比较好的结果，同时它也是构象搜索、分子动力学模拟和蒙特卡罗模拟的基础。 1 5 2 分子动力学方法 分子动力学方法利用牛顿力学的基本原理，通过求解运动方程得到体系中 所有原子的轨迹，并从轨迹计算求得的体系各种性质。对于一个质量为m j 的原 7 第一章综述 子，其位置矢量为n ，在t 时刻的加速度为a f ，v 是体系的势能，则它们的关系 可以写成式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 。由此可见，体系粒子运动的加速度和粒子的受力成正 比，而粒子受力等于势能对坐标的偏导数。一般说来，对于复杂体系，这组方 程没有解析解，只能用有限差分方法求解，如v e r l e t 算法、l e a p f r o g 算法。 q = 嘉m = 娶t a t m 2 ， j z ：竽 ( 1 3 ) 根据有限差分法的思想，粒子f 位置和速度可用泰勒展开式( 1 4 ) 和( 1 5 ) 表示。 盹+ f i ) = 心) + 吨) f i + l ，a 如) f i 2 + 吾驰) f i 3 + ( 1 4 ) v i ( t + f i ) = m ( f ) + a i ( f ) f i + 丢岛o ) f i 2 + 丢q o ) f i 3 + ( 1 5 ) v e r l e t 算法是v e r l e t 在1 9 6 7 年提出的一种复杂体系牛顿方程有限差分解法， 其主要方程为式( 1 6 ) 和( 1 7 ) 。 ，；o + 舀) = 2 r f ( t ) 一r a t 一昂) + a i ( f ) f i 2 ( 1 6 ) v o + f i t ) = v i ( t ) + ( 1 2 ) a f o ) + a i o + f i ) 】f i ( 1 7 ) 在v e r l e t 算法的基础上，h o c k n e y 于1 9 7 0 年为解决v e r l e t 算法中的速度问 题提出了所谓的l e a p - f r o g 算法，式( 1 8 ) 和( 1 9 ) 。 + f i ) = i o ) + v ( t + 1 2 f i t ) g t( 1 8 ) v a t + 1 2 ) = v o 一1 2 痨) + a i o ) f i ( 1 9 ) 图1 2 所示是分子动力学模拟的一般流程图。在分子动力学模拟中，体系的 势能( 功是根据式( 1 1 ) 的分子力场势函数求算得到，体系原子f 所受的力由势能( 功 对坐标厂f 的偏导求得。 8 第一章综述 图1 2 分子动力学模拟的具体算法流程图 应用分子动力学方法，可以模拟生物大分子体系或超分子体系的构象变化， 并求得体系与时间相关的性质。在应用分子动力学研究分子的运动和构型空间 时，其基本假设是各态历经假说，即只要模拟足够长的时间，宏观系统必将多 次经历和宏观约束相适应的所有可达微观态。这样通过模拟体系的时间平均， 便可获得模拟体系的系综平均。 9 第一章综述 1 5 3自由能微扰( f e p ) 方法和自适应偏置力( a b f ) 方法 在生物体系和超分子反应中，有许多的反应不涉及键的断裂和形成，分子动 力学的方法很适合模拟这样的体系。在化学反应中均涉及到自由能的变化，自 由能可以提供很多关于反应具体变化的信息。而且通过模拟计算的自由能可以 很好的与实验数据相匹配，其统计误差小于1 k c a l m o l 3 5 】，具有很高的准确性，使 得自由能计算对判断体系的反应程度具有重要意义。 自由能计算方法研究的较早，在上世纪四十年代左右，j o h nk _ r i k w o o d 3 6 】已 经提出自由能计算的两种方法一微扰理论和热力学积分，5 0 年代r o b e r t z w a n g z i g 3 7 正式地提出了自由能微扰方法，但是由于当时计算机的计算能力有 限，此方法并没有得到大规模的应用。直到近十年以来，由于计算机性能的大 幅度提高，对各种体系特别是生物体系的模拟成为可能，自由能计