小檗堿與水分子作用的密度泛函理論研究 中藥學專業(yè)

小檗堿與水分子作用的密度泛函理論研究 目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 小檗堿與水分子作用的密度泛函理論研究摘要摘要:目的通過密度泛函理論方法，對小檗堿（BBR）與水分子形成的二聚體的分子構(gòu)型進行研究，探討小檗堿與水分子之間可能的相互作用及穩(wěn)定構(gòu)型；方法使用GaussView5.0構(gòu)建小檗堿（BBR）初始構(gòu)型，再通過Gaussian09W進行計算模擬優(yōu)化，計算小檗堿單體最優(yōu)構(gòu)型，并對其與水分子結(jié)合形成的二聚體進行優(yōu)化分析。結(jié)果得到小檗堿單體以及C20H18NO4-H2O幾種二聚體的優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)，幾何構(gòu)型數(shù)據(jù)及其電荷分布情況。結(jié)論二聚體Ⅵ的穩(wěn)定性優(yōu)于其他BBR-H2O二聚體，可能為BBR-H2O二聚體的最穩(wěn)定分子構(gòu)型。關(guān)鍵詞:小檗堿；二聚體；水；Gaussian；密度泛函理論

StudyonIntermolecularInteractionsbetweenBerberineandWaterMoleculeswithDensityFunctionalTheoryAbstract:ObjectiveThestablemolecularconfigurationofthedimerofberberine(BBR)andwatermoleculeswasstudiedbymeansofdensityfunctionaltheory,andthepossibleinteractionbetweenberberineandwatermoleculeswasdiscussed.MethodsTheinitialconfigurationofberberinewasconstructedbyGaussView5.0.

AfterthattheoptimalconfigurationofberberinemonomerwasfoundbytheanalyzationofGaussian09W.

Finally,thedipolymerformedbythecombinationofBBRandwatermoleculeswasoptimizedandanalyzed.ResultsThemolecularstructuredataandchargedistributionofberberinemonomersandBBR-H2Odimerwereobtained.ConclutionThestablemolecularconfigurationoftheBBR-H2Odipolymerwasobtained.Keywords:berberine(BBR);dimer;water;Gaussian;densityfunctionaltheory(DFT)1前言圖1小檗堿結(jié)構(gòu)式小檗堿（下文簡稱BBR），英文名Berberine，它的分子式為C20H18NO4，是一類異喹啉類生物堿，一般以較穩(wěn)定的季銨堿為主，可由黃柏、黃連等中藥中提取得到（其結(jié)構(gòu)式如圖1）。BBR主要存在于6科植物中[1,20]，包括小檗科、鼠李科、毛茛科、罌粟科、蕓香科以及防己科。小檗堿是生活中常用的廣譜抗菌藥之一，其鹽酸鹽也稱黃連素，在抗菌抗炎以及抗氧化等方面有著良好療效，且價格便宜，毒副作用不大，已廣泛應用于臨床。此外近年來，國內(nèi)外不少學者對其藥理作用和相關(guān)機制進行了探索和研究，發(fā)現(xiàn)小檗堿另外還有調(diào)節(jié)血脂、抗焦慮、抗癌、降血糖血壓和抗心律失常等多個方面的藥理作用，在預防治療消化系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及治療腫瘤方面有十分廣闊的前景[1~5]。圖1小檗堿結(jié)構(gòu)式目前小檗堿的藥用方式多以口服為主，但其具有水溶性不佳[3,7,8,20]、吸收不完全[1,6]等特點，影響了其口服的生物利用度。因此，對小檗堿-水分子二聚體超分子體系的結(jié)構(gòu)和性能進行研究，比較其分子間的相互作用力強弱，有助于我們了解BBR分子與水分子相互作用方式，對其水溶性提供理論依據(jù)，可能啟發(fā)提高其水溶性的方法。除此之外，關(guān)于小檗堿的電子結(jié)構(gòu)，前人早已有相關(guān)研究[9,10]，很多學者已經(jīng)運用密度泛函的方法對小檗堿的結(jié)構(gòu)進行研究，但從分子水平上對小檗堿與水分子作用的反應機制進行量子化學計算研究尚未見報道。本文目的是通過Gaussian09W軟件對小檗堿分子進行量子化學計算，研究其與水分子的相互作用方式，探討作用機理，從而為研究其與水分子可能的結(jié)合方式，提高其水溶性提供理論依據(jù)。而自從量子力學被發(fā)現(xiàn)以來，許多學者開始用量子力學的原理以及方法來探索微觀世界。而量子化學（quantumchemistry）正是其中研究化學系統(tǒng)的一門基礎學科。而計算化學[13,14]，則是依據(jù)量子化學等相關(guān)的物理化學理論進行大量數(shù)值計算，通過計算研究化學系統(tǒng)的性質(zhì)的一門方法學，其作用是能夠為化學現(xiàn)象進行解釋、對化學系統(tǒng)進行預測、對相關(guān)化學理論進行驗證和修正以及為進一步研究提供方向等等。尤其隨著計算機計算能力越來越強大，更多復雜的計算都可以交給計算機處理，大大提升了計算的精細程度。從理論上講，可通過對應的Schr?dinger波動方程的全部波函數(shù)解來全面描述電子-原子核系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)與相互作用。但是實際應用中因為求解量子化學基本方程——Schr?dinger方程的困難性，往往會對原始量子化學方程進行簡化，從而得到相應的近似解，以避免過于復雜的運算。根據(jù)引入簡化程度的不同，發(fā)展出多種多樣的方法，例如簡單分子軌道法、半經(jīng)驗分子軌道法、從頭算方法以及密度泛函理論方法等。其中基于波函數(shù)的電子結(jié)構(gòu)方法以及基于密度的電子結(jié)構(gòu)方法是現(xiàn)今電子結(jié)構(gòu)方法發(fā)展的兩個重要的方向，基于波函數(shù)的電子結(jié)構(gòu)方法包括Hartree-Fock方法，多體微擾理論方法和組態(tài)相互作用方法等等。而后者以密度泛函理論方法為代表，這兩類方法目前被研究人員廣泛使用[11,12]。其中密度泛函理論（Densityfunctionaltheory），簡稱DFT，由沃爾特·科恩（WalterKohn）在1964年提出的一種研究多電子體系的量子力學方法，區(qū)別于量子化學中以軌道波函數(shù)為基礎的方法，指出分子的一切性質(zhì)由電子密度唯一確定，體系的能量是電子密度的泛函，從而用電子密度函數(shù)代替波函數(shù)，提高了收斂速度，達到簡化計算的目的[12]。此外，基于Hohenberg-Kohn方程的DFT理論不僅將多電子問題簡化為單電子問題，而且也可以對固體和分子的總能量以及電子結(jié)構(gòu)的計算提供很可靠的幫助。其主要類型包括有自旋密度泛函近似（LSDA）、定域密度泛函理論（LDFT）和廣義梯度近似（GGA）等。密度泛函理論方法的特點是計算速度較快且計算結(jié)果精確[16]。由于傳統(tǒng)的DFT理論數(shù)值計算方法的計算量只隨著電子數(shù)目的增加而呈現(xiàn)三次方增長，因而其計算標度只有O(N3)，而且結(jié)果的精度與MP2相當，優(yōu)于哈特里-?？朔椒ǎ士捎糜谳^大分子的計算[11,15,18]。且密度泛函理論方法可以通過使用HF定理等方法，與分子動力學模擬相結(jié)合，轉(zhuǎn)換成從頭計算的分子動力學方法，易于利用計算機進行計算。因此，密度泛函理論近年來得到廣泛應用和發(fā)展[15]。由于關(guān)于小檗堿電子結(jié)構(gòu)，前人已有相關(guān)論述，且對相關(guān)基組進行考察[9,10,19]，可知DFT方法得到的數(shù)據(jù)與實驗相符合，相關(guān)性較好，相對誤差小，說明了密度泛函理論對小檗堿等復雜結(jié)構(gòu)的研究上有重要的參考意義。故本論文選用密度泛函理論與分子軌道的雜化方法B3LYP對BBR的最穩(wěn)定構(gòu)型進行研究。此外，本文所使用的Gaussian軟件是一個應用于量子化學計算領域的綜合性軟件，因其功能強大在計算化學領域中被廣泛使用。它在1970年由英國化學家約翰?安東尼?波普（JohnAnthonyPople）的課題組在Carnegie-Mellon大學發(fā)布，由于軟件中使用的高斯型基組而起名Gaussian。而JohnA.Pople也因為發(fā)展了量子化學中的計算方法與WalterKohn共同獲得1998年的諾貝爾化學獎。值得一提的是，WalterKohn獲獎是因為他提出了密度函數(shù)理論。Gaussian程序最早的版本是Gaussian70，至今已經(jīng)推出13個版本，歷經(jīng)40多年，目前最新版是Gaussian09W。其各個版本都配有Windows版和Linux版可供選擇使用。Gaussian創(chuàng)建了一個理論化學模型，用越來越精確的近似值系列，系統(tǒng)科學的促進量子化學方程的正確解析，因而可以對計算的精度進行控制。其特點是能使用完整的數(shù)學化學方法得到可靠且精確的結(jié)果，能高效支持各種操作系統(tǒng)和CPU，操作界面簡單易用，能通過GaussView的可視化功能直觀的了解計算結(jié)果。它使量子化學計算可以與計算機有機地聯(lián)系起來，基本實現(xiàn)了分子動力學和量子化學計算方法的結(jié)合，在化學領域中寫下了新篇章。Gaussian軟件用途廣泛，主要適用于氣相和溶液體系，其主要功能包括：分子構(gòu)型優(yōu)化、能量計算、光譜計算以及偶極矩和超極矩的計算等。具體可以用于模擬聚合物分子結(jié)構(gòu)、推導分子性質(zhì)、模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)，也可以用于研究化學反應機理、模擬化學反應中的過渡態(tài)的能量，還可以模擬溶液中水分子對化合物的作用。此外，Gaussian還能用于計算各種光譜性質(zhì)、振動頻率和紅外與拉曼光譜，研究材料結(jié)構(gòu)特征和差異等等。每個版本的Gaussian軟件都配有Windows版和Linux版，其中Linux系統(tǒng)資源利用率較高，運行速度較快，可以進行多線程并行計算，穩(wěn)定性也比Windows高。但由于時間和方便性方面的考慮，本文中使用的是Windows版的Gaussian09W軟件。2材料與儀器Gaussian09W軟件；GaussView5.0軟件；個人筆記本電腦：Dell筆記本Inspiron5570型號操作系統(tǒng)：Win10家庭中文版64位處理器：英特爾酷睿i7-8550U內(nèi)存：8GB（海力士DDR42400MHz）3方法3.1基組的選擇Gaussian程序中可選擇的方法包括從頭算、半經(jīng)驗以及密度泛函方法[14]等。由于前文關(guān)于密度泛函理論的描述，已經(jīng)知道DFT方法與HF方法相比，得到的數(shù)據(jù)更精確且耗時更少。之所以如此是因為HF方法未充分考慮了電子之間的相關(guān)作用，而DFT方法考慮了電子相關(guān)。目前它是最主要的量子化學方法之一，而在DFT方法中，與分子軌道的雜化方法B3LYP最為常用。而基組，即是對體系內(nèi)軌道的一種數(shù)學描述。Gaussian中的基組包括全電子基組、贗勢基組和混合基組等。贗勢基組一般適用于重元素，例如包含金屬元素的體系；混合基組則是全電子基組與贗勢基組的綜合運用。小檗堿包含的元素C、H、O、N屬于較輕的元素，因此可以選擇全電子基組對小檗堿進行優(yōu)化計算。全電子基組包括STO-3G，3-21G，4-31G，6-21G，6-31G，6-311G等基組。對不同的基組而言，其適用范圍是不同的，例如STO-3G和3-21G適用于H到Xe元素，而6-31G和6-311G則適用于H到Kr元素。另外，基函數(shù)的個數(shù)，即體系中的原子軌道數(shù)目，也由基組的規(guī)模大小所決定。例如STO-3G為最小的基組，每個原子軌道用三個高斯函數(shù)來描述。用STO-3G描述O原子時，O原子軌道能級為1s2s2p，原子軌道數(shù)為1+1+3=5，則其基函數(shù)的數(shù)目為15。基組的函數(shù)數(shù)目愈多，則基組越大，計算所受到的限制就會越小，計算精度也會越高，同時計算量也會隨之增大。為了對計算精度進行提高，需要使基組中基函數(shù)的數(shù)目增加。而通過劈裂原子軌道的方式增大基組規(guī)模的基組，稱之為劈裂價鍵基組，其方法即使用兩個或兩個以上的基函數(shù)來表示一個原子軌道。常用到的劈裂價鍵基組包括3-21G、6-31G、4-31G、6-311G等等。其中，“-”前的數(shù)字即為用來描述內(nèi)層電子原子軌道的高斯函數(shù)數(shù)目，“-”后的數(shù)字則是價層電子的原子軌道基函數(shù)數(shù)目。實際計算過程中，基組往往需要引入極化函數(shù)，以方便對電子云變型等性質(zhì)進行描述，也便于對較強共軛體系進行計算。其表示方法就是在標準基組后加上星號“*”，“**”或者（d），（d，p），（2df，3pd）等。若體系帶有較多電荷或者體系屬于弱作用體系，則此時需要引入彌散函數(shù)，增加價鍵軌道在空間上的分布范圍，以提高基組對非鍵相互作用體系的計算能力。其表示方式為在標準基組后面加上加號“+”或“++”，第一個加號的意思是對非氫原子添加彌散函數(shù)，第二個加號則表示對氫原子引入彌散函數(shù)。由于前人對小檗堿結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時已對相關(guān)基組有過嘗試[9,10,19]，對小檗堿的優(yōu)化而言，DFT-B3LYP/6-311G（d，p）水平已然足夠，省時且與實際結(jié)果偏差不大，故本文選擇在DFT-B3LYP/6-311G（d，p）水平下進行優(yōu)化。其中B3LYP表示DFT理論中一種非常常用的一種泛函，6-311G（d，p）為描述原子的劈裂基組，“6”是指用6個高斯型函數(shù)（GTO）通過線性組合的方式來描述一個內(nèi)層電子軌道；“311”是對價層軌道用三個函數(shù)進行描述，每個價層軌道會被劈裂成3個基函數(shù)，分別由3個、1個和1個高斯型函數(shù)線性組合而成；“G”表示高斯基組，“d”表示對非氫原子，在基組上添加一個d軌道；“p”則是表示對氫原子添加一個p極化函數(shù)。3.2計算過程圖2BBR單體初始結(jié)構(gòu)圖本文首先通過Chem3D和GaussView5.0軟件構(gòu)建BBR單體C20H18NO4，其初始結(jié)構(gòu)如圖2所示（注：圖中數(shù)字為原子編號，下文中所出現(xiàn)原子編號均與圖中一致）。使用DFT-B3LYP方法和6-311G（d，p）基組，選擇Opt+Freq方式對小檗堿單體初始構(gòu)型進行優(yōu)化，求得能量極小點，經(jīng)振動分析知道優(yōu)化結(jié)構(gòu)不存在圖2BBR單體初始結(jié)構(gòu)圖然后對BBR單體和H2O形成的二聚體C20H18NO4-H2O，在DFT-B3LYP/6-311G（d，p）水平下進行優(yōu)化分析處理，最終得到其穩(wěn)定構(gòu)型。在此過程中，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)虛頻。若出現(xiàn)虛頻，則說明此時的結(jié)構(gòu)并非最終穩(wěn)定的能量最低的構(gòu)型。如果要消去所有的虛頻，得到穩(wěn)定的能量最低構(gòu)型，則需要對分子的構(gòu)型進行微調(diào)。另外，使用自然軌道分析（NBO），可以知道單體轉(zhuǎn)變?yōu)槎垠w后的電荷轉(zhuǎn)移和分子間的相互作用情況，探索C20H18NO4和H2O形成二聚體時的相互作用的本質(zhì)。所有計算過程均由Gaussian09W程序完成，收斂精度取程序內(nèi)定值。4結(jié)果4.1單體的幾何構(gòu)型BBR單體在DFT-B3LYP/6-311G（d,p）條件下進行幾何構(gòu)型優(yōu)化，優(yōu)化后所得分子鍵長如表1所示，表中部分原子編號如圖3所示。因為Gaussian軟件中鍵長單位為埃（Angstrom），1埃等于0.1納米，所以表格中數(shù)據(jù)都經(jīng)過了單位轉(zhuǎn)化。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出經(jīng)優(yōu)化之后BBR單體基本上呈平面構(gòu)型。BBR分圖3小檗堿單體原子部分編號圖子中含有兩個苯環(huán)，且形成π-π平面共軛體系，分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較圖3小檗堿單體原子部分編號圖表1BBR的DFT-B3LYP/6-311G（dp）優(yōu)化鍵長（nm）BondBBR單體C1-H70.1085C4-H80.1083C6-H90.1083C12-H140.1088C13-H150.1083C18-H190.1080C22-H230.1095C26-H270.1098N30-C50.1395N30-C180.1394N30-C410.1460C38-H390.1096C41-H420.1101C33-H340.1093C1-C20.1408C1-C310.1378C3-C40.1418C4-C320.1374C5-C60.1368C6-C170.1442C12-C170.1392C12-C130.1402C11-C130.1405C26-O210.1417C22-O200.1429C16-C180.1398C38-C410.1526C38-C20.1510C33-O360.1431C33-O370.1434C33-H350.1093C38-H400.1096C41-H430.1101C22-H250.1095C22-H240.1095C26-H280.1098C26-H290.10984.2單體的電荷分布DFT-B3LYP/6-311G（d，p）條件下對BBR單體進行幾何構(gòu)型優(yōu)化，優(yōu)化后所得電荷分布如表2所示。Gaussian軟件中電荷單位為a.u.，即原子單位，1a.u.=e=1.6021892×10-19C。表中說明N30所帶電荷量為-0.388e，C18電荷量為-0.052e，H19電荷量為0.234e。表2BBR的DFT-B3LYP/6-311G（dp）電荷分布（e）atomicBBR單體C1-0.273C2-0.028C3-0.077C4-0.252C50.181C6-0.253H70.249H80.252H90.234C100.255C110.286C12-0.226C13-0.336H140.230H150.234C16-0.101C17-0.070C18-0.052H190.234O20-0.559O21-0.525C22-0.304H230.208H240.194H250.212C26-0.313H270.203H280.200H290.226N30-0.388C310.271C320.260C330.220H340.213H350.196O36-0.531O37-0.528C38-0.477H390.249H400.253C41-0.239H420.229H430.2444.3二聚體的幾何結(jié)構(gòu)圖4BBR與水形成二聚體的可能位點由于BBR分子與水分子形成的二聚體可能有多個結(jié)合位點，所以需要對每個位點都進行嘗試。從小檗堿的結(jié)構(gòu)中可以發(fā)現(xiàn)，有11個位點的H可以與水分子進行作用。在這11個位置分別用虛鍵與水分子相連，可以得到11個不同類型的二聚體，在此用羅馬數(shù)字Ⅰ～Ⅺ對其進行編號。如圖4所示，數(shù)字1～11分別代表可能形成的二聚體Ⅰ～圖4BBR與水形成二聚體的可能位點對二聚體Ⅰ～二聚體Ⅺ分別進行構(gòu)型的優(yōu)化分析，所得到的最終結(jié)果如附表所示，表中只給出部分相關(guān)數(shù)據(jù)（其他數(shù)據(jù)因為與BBR單體數(shù)據(jù)幾乎無差異或是對課題并無影響，故略去）。附表中表Ⅰ表示BBR單體及二聚體分子間距離，表Ⅱ表示BBR單體及二聚體電荷分布情況。由表3中可以看出，11種二聚體中所連接的虛鍵中，二聚體Ⅵ的虛鍵長度最小。鍵長是用來衡量成鍵原子核間距離的參數(shù)。一般來說，鍵長越短，鍵能越大，形成的化學鍵越不容易斷裂，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。二聚體Ⅵ虛鍵C18-H19…O44的長度為0.2375nm，是表3中最短的，說明其電子云重合程度較大，虛鍵較牢固，所以二聚體Ⅵ很可能就是所求的二聚體最終穩(wěn)定構(gòu)型。表3二聚體虛鍵長度比較(nm)二聚體虛鍵Bond二聚體ⅠC33-H34…O440.2461二聚體ⅡC1-H7…O440.2465二聚體ⅢC4-H8…O440.2615二聚體ⅣC38-H40…O440.2552二聚體ⅤC41-H42…O440.3070二聚體ⅥC18-H19…O440.2375二聚體ⅦC6-H9…O440.3904二聚體ⅧC12-H14…O440.3689二聚體ⅨC13-H15…O440.3030二聚體ⅩC22-H25…O440.2458二聚體ⅪC26-H29…O440.3752圖5二聚體Ⅵ結(jié)構(gòu)圖另外從相關(guān)文獻資料中[20]，我們可以了解到對小檗堿C18位點的結(jié)構(gòu)修飾能夠增強BBR的溶解度，提高其生物利用率。又由圖5所給出的二聚體Ⅵ的結(jié)構(gòu)結(jié)合小檗堿相關(guān)文獻資料[21]進行推測，很可能是因為小檗堿N30和C18位之間存在極性N=C鍵，而水為親核試劑，C18-H19鍵更容易與水分子H45-O44-H46形成虛鍵C18-H19圖5二聚體Ⅵ結(jié)構(gòu)圖此外，二聚體Ⅶ的虛鍵鍵長最長，其次為二聚體Ⅷ的虛鍵鍵長，說明兩者不如其他二聚體穩(wěn)定。而由相關(guān)論述可知[20]，二聚體Ⅶ難以形成是因為小檗堿上存在帶正電的異喹啉環(huán)，C6位難以發(fā)生取代反應；而在實驗中C12位也被證實較少發(fā)生取代反應。這說明小檗堿在這兩個位點不夠活躍，也側(cè)面說明了通過虛鍵鍵長的比較，可以對小檗堿構(gòu)型的穩(wěn)定性進行初步的判斷。因此由表4可以看出二聚體Ⅵ相較單體而言，C18-H19與C16-C18的鍵長有所增加，N30-C18的鍵長則有所減少，但變化都較小，說明BBR單體和水分子之間的聚合未造成各單體構(gòu)型較大的扭曲。表4二聚體Ⅵ相關(guān)鍵長變化(nm)BondBBR單體二聚體ⅥC18-H190.10800.1081N30-C180.13940.1393C16-C180.13980.1399C18-H19…O44—0.23754.4二聚體的電荷分布和轉(zhuǎn)移附表Ⅱ是自然布居分析（NBO）所求得的BBR-H2O二聚體的各原子所帶的凈電荷量，未給出的說明該原子與位于單體時的電荷量幾乎無差異?？梢园l(fā)現(xiàn)，接觸點附近的碳原子、氮原子、氫原子及氧原子的電荷變化較明顯，而離接觸位點較遠的其他原子無明顯變化。由表5可知，與BBR單體相比，二聚體Ⅵ中各原子帶電荷量有所變化，其中C18電荷量相比單體增加了0.005e，H19電荷量相比單體減少了0.006e，N30減少了0.004e，BBR和H2O兩個體系之間通過虛鍵C18-H19…O44轉(zhuǎn)移了0.013e的電荷量。表5二聚體Ⅵ中各原子電荷量(e)atomicBBR二聚體ⅥC16-0.101-0.102C18-0.052-0.057H190.2340.240N30-0.388-0.384O44—-0.968H45—0.463H46—0.492同理，通過同樣的方式可以得到各個二聚體的電荷轉(zhuǎn)移量，如表6所示，負號表示電荷由BBR向H2O轉(zhuǎn)移，從而使H2O帶負電荷。根據(jù)Lewis酸堿理論，凡是能夠提供或給出電子對的分子、基團或離子稱之為堿。因為小檗堿為異喹啉類生物堿，屬于季銨堿，pKa值為11.5，其結(jié)構(gòu)中有著以離子形式存在的氮原子，此外小檗堿還含有以負離子狀態(tài)存在的羥基。故其水溶液理應顯堿性。而且，另外小檗堿含有圖7小檗堿的氮雜縮醛結(jié)構(gòu)圖6氮雜縮醛結(jié)構(gòu)氮雜縮醛結(jié)構(gòu)（如圖6和圖7所示），易質(zhì)子化而呈強堿性。圖7小檗堿的氮雜縮醛結(jié)構(gòu)圖6氮雜縮醛結(jié)構(gòu)所以總體上來說，二聚體中電子應從BBR向H2O轉(zhuǎn)移，從而使H2O帶負電荷。這樣看來，二聚體Ⅴ、二聚體Ⅵ、二聚體Ⅶ以及二聚體Ⅺ更符合期望。而其中二聚體Ⅵ更符合氮雜縮醛結(jié)構(gòu)所具備的描述。結(jié)合表3中的虛鍵鍵長，可以得出初步結(jié)論：二聚體Ⅵ的穩(wěn)定性優(yōu)于其他BBR-H2O二聚體。表6各二聚體通過虛鍵的電荷轉(zhuǎn)移量(e)二聚體虛鍵電荷轉(zhuǎn)移量二聚體ⅠC33-H34…O440.000二聚體ⅡC1-H7…O440.007二聚體ⅢC4-H8…O440.003二聚體ⅣC38-H40…O440.001二聚體ⅤC41-H42…O44-0.016二聚體ⅥC18-H19…O44-0.013二聚體ⅦC6-H9…O44-0.002二聚體ⅧC12-H14…O440.009二聚體ⅨC13-H15…O440.000二聚體ⅩC22-H25…O440.013二聚體ⅪC26-H29…O44-0.0215結(jié)論使用DFT-B3LYP方法和6-311G（d，p）基組，對BBR單體與H2O形成的二聚體進行構(gòu)型優(yōu)化，且經(jīng)過振動頻率分析得到無虛頻的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。其中二聚體Ⅵ接觸點C18-H19…O44的距離為0.2375nm，遠遠短于其他二聚體，具有明顯優(yōu)勢；且在二聚體Ⅵ中，BBR單體和水分子之間的聚合未造成各單體構(gòu)型較大的扭曲。其次結(jié)合電荷分布進行分析，可以知道二聚體Ⅵ通過接觸點C18-H19…O44轉(zhuǎn)移了0.013e的電荷量。此外在小檗堿的結(jié)構(gòu)中含有氮雜縮醛結(jié)構(gòu)，易質(zhì)子化而呈強堿性，二聚體Ⅵ的接觸點C18-H19…O44也正好能夠?qū)Υ俗鞒鼋忉?。故初步的結(jié)論是：二聚體Ⅵ的穩(wěn)定性優(yōu)于其他BBR-H2O二聚體，可能為BBR-H2O二聚體的最穩(wěn)定分子構(gòu)型。6討論本次實驗中，通過使用DFT-B3LYP/6-311G（d，p）方法，對小檗堿單體及11種C20H18NO4-H2O二聚體進行了優(yōu)化計算，分別求出了其優(yōu)化結(jié)構(gòu)的鍵長數(shù)據(jù)以及電荷分布數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)對BBR-H2O二聚體可能的最穩(wěn)定分子構(gòu)型進行推測。但是由于本人水平、能力方面的不足，未能更深入的對小檗堿與水分子的相互作用方式進行探索，也未能對BBR-H2O二聚體的最穩(wěn)定分子構(gòu)型下最終定論，只是初步指出二聚體Ⅵ可能為BBR分子與水分子形成的最穩(wěn)定分子構(gòu)型。另外，由于筆者初次涉及量子化學計算領域，對Gaussian相關(guān)軟件的使用不夠熟練，且時間精力有限，因此文中只對鍵長以及電荷分布進行分析，而并未對二聚體的能量進行分析，也沒有對分子軌道進行更深入的研究。否則，從能量和分子軌道的角度將會更加直觀地對二聚體的穩(wěn)定性有所了解。此外，文中并未對作用部位進行更深入的分析。這些都是本次實驗中所存在的不足之處，也是需要改進之處。因此，下一步實驗可以對此前的工作進行完善和補充，對鍵角數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合鍵長數(shù)據(jù)對二聚體構(gòu)型的穩(wěn)定性進行考察；對能量進行計算，求出二聚體的結(jié)合能，相互作用能以及總能量等，對其可能的最穩(wěn)定分子構(gòu)型進行判斷；對自然鍵軌道進行研究，深入了解各個二聚體的軌道及穩(wěn)定性。最后，本篇論文更多的是站在前人的肩膀上，對實驗中獲得的數(shù)據(jù)背后的意義進行論述。在此過程中，本人查閱了大量相關(guān)文獻進行學習，并從中對小檗堿的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、量子化學的理論與方法有了初步的認識和了解，獲益良多。

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綜述小檗堿的藥理作用中醫(yī)藥擁有十分悠久的歷史和豐富的實踐經(jīng)驗，是我國的國粹和瑰寶。從中草藥中，我們可以分離得到許許多多擁有著豐富生理功能的天然活性產(chǎn)物，這些活性成分可以應用于諸多疾病的預防和治療過程中。此外還可以對它們的結(jié)構(gòu)進行適當?shù)母脑旌托揎?，從而開發(fā)出療效更強，能更好應用于臨床的藥物[1]。這些從中草藥中提取出來并已廣泛應用于臨床的天然產(chǎn)物很多，小檗堿便是其中之一。小檗堿屬于異喹啉類季銨型生物堿，是從傳統(tǒng)中藥黃連和黃柏中提取出的一種的中藥活性成分，在我國擁有悠久的藥用歷史。其化學名為5,6-二氫-9,10-二甲氧基苯并[G]-1,3-二噁茂苯并[5,6α]喹嗪，化學式為C20H18NO4，主要存在于小檗科、鼠李科、毛茛科、罌粟科、蕓香科、防己科等6科植物中。小檗堿有著豐富的藥理作用，是生活中常用的廣譜抗菌藥之一。其鹽酸鹽又稱黃連素，為黃色結(jié)晶性粉末，具有抗菌抗炎、止瀉、抗高血壓、降血脂等作用，因而長期以來被廣泛用于治療細菌感染引起的胃腸道疾病。而且近年來，國內(nèi)外對小檗堿的藥理作用及相關(guān)機制進行了大量研究，小檗堿的其他藥理作用逐漸被發(fā)現(xiàn)。研究結(jié)果表明，小檗堿對心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等均有獨特功效和藥理活性，其能夠降低血脂保護心血管、能夠通過影響大腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)來達到抗焦慮作用、能夠增加胰島素敏感性來治療糖尿病，提示該藥物在預防和治療心腦血管疾病、糖尿病等重大疾病方面有著不可低估的應用前景；除此之外，小檗堿還被發(fā)現(xiàn)有調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、治療腦缺血性損傷、治療精神疾病、治療阿爾茨海默病、免疫抑制以及抗炎抗癌等多方面的藥理作用，這充分顯示了該中藥活性成分治療疾病的廣泛用途，說明其具有十分可觀的臨床應用前景[1~5]。本文針對小檗堿多個方面的藥理作用進行總結(jié)歸納，為小檗堿的臨床應用和推廣提供參考。1.1抗炎作用小檗堿能抑制急慢性炎癥，對遲發(fā)型超敏反應、試驗性潰瘍性結(jié)腸炎及試驗性自身免疫性腎小管間質(zhì)腎炎有明顯抑制作用?？诜妥⑸渚哂锌辜毙匝装Y作用[6]。其抗炎作用的發(fā)現(xiàn)已有數(shù)十年歷史。早在1977年，Akhter等人就發(fā)現(xiàn)小檗堿能夠緩解霍亂毒素對大鼠所致的炎癥反應；隨之，又發(fā)現(xiàn)小檗堿能夠抑制角叉菜膠引起的大鼠足踝腫脹、乙酸和組胺引起的血管通透性增加、二甲苯引起的小鼠耳廓腫脹等[5]。此外，在蛋清建立炎癥小鼠模型中，小檗堿能夠減輕大鼠蛋清足趾腫脹；在磷酸組織胺建立致癢豚鼠模型中，小檗堿起到了降低磷酸組織胺所致豚鼠后足致癢閾的作用[8]。1.2抗病原微生物小檗堿具有很強的抗細菌、真菌和病毒等藥理作用，臨床上主要用于治療胃腸炎、菌痢、疥瘡、化膿性中耳炎和結(jié)膜炎等。在抗菌方面，其抗菌譜十分廣泛，對肺炎雙球菌、金黃色葡萄球菌等G+菌，大腸桿菌、傷寒桿菌等G-菌均有很強的抑菌活性，對霍亂、賈第蟲、志賀氏菌、沙門氏菌療效獨特。小檗堿的殺菌機制比較復雜，其能夠通過減少細菌表面的菌毛數(shù)量，抑制革蘭陽性菌和陰性菌菌體的附著；抑制拓撲異構(gòu)酶Ⅰ和拓撲異構(gòu)酶Ⅱ的活性，影響細菌DNA的合成；通過影響FtsZ細胞分裂蛋白的功能抑制大腸埃希菌；通過抑制并清除分泌性胞外聚合物生物膜，恢復食源性致病菌阪崎克羅諾桿菌及糞腸球菌對抑菌藥物的敏感性。除此之外小檗堿能夠與細菌體內(nèi)的輔酶磷酸吡哆醛競爭酪氨酸脫羧酶、色氨酸酶上的酶蛋白，產(chǎn)生不可逆抑菌作用；抑制細菌內(nèi)糖代謝過程中的丙酮酸氧化，使細菌對維生素AT和煙酰胺等的利用受到限制達到抑菌效果；抑制細菌體內(nèi)的NDA、RNA、蛋白質(zhì)和類脂的合成，從而干擾細菌的繁殖[5,6,9]。另一方面，小檗堿抗真菌方面的研究發(fā)現(xiàn)，小檗堿對導致家兔皮炎的犬小孢子菌具有殺菌效應，其作用機制是通過使酵母轉(zhuǎn)錄激活蛋白4、絲氨酸水解酶、還原型輔酶Ⅰ、負分化調(diào)節(jié)蛋白等基因表達增加，進而縮短真菌的生命周期。除了對犬小孢子菌有殺菌作用之外，小檗堿能抑制白色念珠菌生物被膜的形成和活性，從而達到預防和治療陰道念珠菌病的作用[5,9]。而對小檗堿的抗病毒研究發(fā)現(xiàn)，小檗堿對各型流感病毒、HIV病毒及單純疤疹病毒等多種病毒均有抑制作用。其可以通過干預進入宿主細胞的病毒DNA復制前期，抑制人體巨細胞病毒活性，并通過抑制人體巨細胞病毒的復制，發(fā)揮抗單純疤疹病毒的作用。在病毒感染性肺炎小鼠模型中，小檗堿抑制腫瘤壞死因子α的轉(zhuǎn)錄、單核細胞趨化蛋白1的表達以及炎癥物質(zhì)的釋放，抑制流感病毒的感染。小檗堿還可以抑制多種哺乳動物細胞類型的2甲型H1N1流感的毒株生長。此外，國內(nèi)外相關(guān)研究表明小檗堿還具有非逆轉(zhuǎn)錄酶抑制的抗病毒作用機制，是具有抗HIV活性的有效成分，能夠很強地體外抑制HIV-1重組逆轉(zhuǎn)錄酶活性[5,6,9,10,11]。1.3對心血管系統(tǒng)的作用1.3.1降血糖作用2014年中國臺灣的研究人員進行黃連根部生物堿對C2C12細胞肌管利用葡萄糖的研究，該實驗結(jié)果表明黃連根部的生物堿能促進肌管C2C12細胞攝取葡萄糖，從而達到降血糖的治療效果。此外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，小檗堿可通過提高胰島素分泌，增加糖酵解，促進脂肪生成，抑制線粒體活性，激活腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）信號途徑，提高葡糖激酶，從而起到調(diào)節(jié)血糖的作用。小檗堿可降低空腹血糖、改善糖耐量、提高胰島素敏感性和促進胰島素分泌，改善肌肉組織胰島素信號轉(zhuǎn)導，提高骨骼肌組織中PI-3K的p85亞基、GLUT4蛋白表達水平，治療Ⅱ型糖尿病，還能不同程度地改善視網(wǎng)膜、周圍神經(jīng)系統(tǒng)、心管及腎臟等病變，從而延緩并發(fā)癥病情的進展，對糖尿病及其慢性并發(fā)癥的防治有一定的意義[6,7,9,11]1.3.2調(diào)血脂作用小檗堿降血脂的作用已在實驗過程及臨床治療方面取得確切的證明。其能夠降低血清中總膽固醇（TC）、甘油三酯（TG）、低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）水平，達到調(diào)節(jié)血脂的效果.并通過增厚血管內(nèi)膜，沉積脂質(zhì)，形成少量泡沫細胞，防止心血管的并發(fā)癥，對高脂血癥所致的動脈粥樣硬化損傷有明顯的預防治療作用。另外，有學者通過與降脂藥辛伐他汀進行比較，發(fā)現(xiàn)含小檗堿的黃連與辛伐他汀治療效果相當。并且我國學者蔣建東教授研究發(fā)現(xiàn)，小檗堿與他汀類藥物降血脂作用機制完全不同，他汀類藥物的降脂療效雖然較好，但是對肝功能有一定的損害，而小檗堿主要是在轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)揮作用，通過上調(diào)CYP7A1基因的表達促進膽固醇轉(zhuǎn)化成膽汁酸，從而避免了對肝功能的損害[5,6,9,11]。1.3.3降血壓作用小檗堿有明顯的降血壓作用，對各種原因所引起的高血壓均具有很好的改善作用。小檗堿的降壓機制是通過競爭性地阻斷血管平滑肌的α受體，抑制膽堿脂酶活性，增強乙酰膽堿作用，從而擴張血管，降低血壓，減輕冠脈病變，小檗堿配合其他抗壓藥可減少高血壓對靶器官的損害及延緩高血壓并發(fā)癥的發(fā)生，縮短高血壓的治療時間和復發(fā)率[6,9,11]。1.3.4心血管保護作用小檗堿對心血管系統(tǒng)的作用廣泛，主要表現(xiàn)在抗心力衰竭、抗心律失常、治療心肌炎等方面。心血管系統(tǒng)疾病發(fā)病機制復雜，小檗堿的多靶點性和低毒性為其抗心血管系統(tǒng)疾病提供了藥理基礎。在保護心肌方面，近幾十年來國內(nèi)外的研究表明，小檗堿不僅可以通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、糖代謝和血壓等發(fā)揮對心肌的間接保護作用，也可直接作用于心臟起到治療疾病的作用。小檗堿對心肌梗死及缺血心臟具有良好的保護作用和治療作用。相關(guān)實驗表明小檗堿能減小大鼠梗死后心肌組織的缺血范圍和梗死范圍，改善左心室梗死后左室收縮壓值和左室舒張壓值，降低血漿心肌乳酸脫氫酶值，保護梗死后的心肌組織。且一般劑量或小劑量小檗堿能擴張冠狀血管、增加冠脈血流量、改善心肌缺血區(qū)的血液供應。在強心方面，小檗堿可明顯改善慢性心衰患者的心功能，改善頑固性心力衰竭患者的內(nèi)皮細胞功能，降低炎癥因子，改善血管內(nèi)皮細胞功能的作用。而且，小檗堿可以通過增加心肌細胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷的濃度或減少鉀離子外流延長動作電位的時程和減慢通道開放的時間而增加鈣離子的內(nèi)流，使心肌收縮力增加產(chǎn)生正性肌力作用，能夠改善人類和動物充血性心力衰竭的心功能。小檗堿聯(lián)合人參總皂苷合可預防慢性心衰大鼠鈣超載、神經(jīng)內(nèi)分泌失調(diào)、血流動力學，防治慢性心衰。在抗心律失常方面，小檗堿對多種原因引起的室性和室上性心律失常均有較好的療效，可能是一種廣譜抗心律失常藥。它能阻斷對ATP和電壓敏感的K+通道，造成動作電位持續(xù)時間和有效不應期縮短，而表現(xiàn)出第三類抗心律失常的作用，即延長動作電位間期的作用。它還可以通過抑制血管平滑肌上的α受體，從而抑制腎上腺素發(fā)揮正性傳導作用，間接地增強了乙酰膽堿的效能，減輕心肌缺血性室性心律失常。此外，在病理生理機制方面，小檗堿對心臟具有正性肌力、負性頻率、抗心律失常以及增強泵血功能的作用；對血管則可降低外周阻力、改善血供等。在低濃度時小檗堿可抑制心肌細胞電壓依賴性鈣通道，而高濃度時激發(fā)細胞內(nèi)鈣庫的釋放，提示小檗堿可能通過促進細胞內(nèi)鈣庫的釋放發(fā)揮正性肌力作用，且具有雙向調(diào)節(jié)性[5,6,9,11]。1.4抗腫瘤作用時至今日已有大量研究表明，小檗堿對宮頸癌、口腔癌、食道癌、胃癌、結(jié)腸癌、黑色素瘤、神經(jīng)膠質(zhì)瘤和白血病細胞等均有明顯的抑制作用。近年來隨著對小檗堿藥理作用機制的不斷深入研究，發(fā)現(xiàn)小檗堿的抗腫瘤作用主要是通過干擾腫瘤細胞增殖、誘導細胞凋亡以及抑制細胞侵襲與轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)的[5,6,11]。1.5對免疫系統(tǒng)的作用小檗堿抗炎的高效性使人們繼續(xù)探究其對免疫系統(tǒng)功能的影響。小檗堿免疫抑制功能的發(fā)現(xiàn)已有近十年的歷史。研究發(fā)現(xiàn)，小檗堿在多發(fā)性硬化、類風濕性關(guān)節(jié)炎、腎小管間質(zhì)性腎炎和結(jié)腸炎等自身免疫性疾病中發(fā)揮治療作用。實驗研究表明，小檗堿可時間和濃度依賴性地抑制HL-60細胞增殖；對LPS所誘導的小鼠RAW264.7巨噬細胞和K562細胞增殖也有明顯的抑制作用。另外，給予小檗堿后，小鼠脾細胞增殖明顯受抑，相關(guān)細胞因子TNF-α，IL-2和干擾素γ的分泌降低。TNF-α，IL-2和干擾素γ是機體內(nèi)重要的免疫調(diào)節(jié)分子，能促進T細胞、B細胞和NK細胞的活化，誘導多種免疫調(diào)節(jié)因子的產(chǎn)生[5,9]。除此之外，小檗堿還有對胃腸道的保護作用、利膽保肝作用、對血小板聚集和釋放的抑制作用、對腦血管系統(tǒng)的保護作用以及抗氧化等多種藥理活性，因此可以減輕結(jié)腸炎性反應，保護腸道，可以有效緩解腸易激綜合征的相關(guān)癥狀；可以對肝損傷起保護作用，緩解炎癥并改善炎癥區(qū)供血，治療慢性膽囊炎和肝炎；可以通過抑制血小板聚集，降低血液黏稠度并減少血栓的形成等等[5,7,9]。以上對小檗堿的主要藥理作用做了大體上的說明，表明了小檗堿廣泛的藥理作用以及在臨床應用方面的潛力。隨著對小檗堿的研究不斷深入，小檗堿越來越展現(xiàn)出其藥用功效的價值以及臨床應用中廣闊的前景。它不僅在傳統(tǒng)藥理研究中的抗菌、抗炎、抗病毒的主導地位不可取代，而且在治療腫瘤、糖尿病、心腦血管系統(tǒng)疾病、消化系統(tǒng)疾病方面也表現(xiàn)出顯著的治療效果，因而受到廣泛的關(guān)注，是當前研究的一大熱點。隨著細胞生物學的發(fā)展，小檗堿的藥理作用機制將從細胞水平乃至分子、靶點水平得到闡明，這將會為小檗堿的更多臨床應用提供理論依據(jù)[6]。

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致謝本論文是在黃嗣航副教授的悉心指導下完成的，本次論文從選題到完成，黃老師給予我耐心的指導和熱情的幫助，傾注了老師大量的心血。黃老師淵博的學識，高尚的人品，嚴謹求實的作風，都對我產(chǎn)生了極大的影響。在此我對黃嗣航老師表示由衷的敬意和至深的感謝!

附錄A表AⅠGaussian部分優(yōu)化鍵長和電荷分布