【原】含氨基酸和多肽的樹(shù)枝狀化合物的合成與分子動(dòng)力學(xué)模擬研究

摘要：合成了一系列以氨基酸和多肽為外周功能基團(tuán)的醚-酰胺型樹(shù)枝狀化合物, 化合物結(jié)構(gòu)經(jīng)NMR, ESI-MS確證.并對(duì)該系列化合物在水溶液中的狀態(tài)進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬.結(jié)果顯示:化合物的構(gòu)象與原子數(shù)相關(guān), 隨原子數(shù)的增加有逐漸接近球形的趨勢(shì);氨基酸α碳原子徑向分布顯示, 隨著外周功能基團(tuán)的增大, 分子可能存在部分卷曲構(gòu)象.

關(guān)鍵詞： 樹(shù)枝狀多肽化合物 合成 構(gòu)象 分子動(dòng)力學(xué)

自V?gtle等[1]報(bào)道樹(shù)枝狀化合物的合成以來(lái), 在新材料、催化劑、藥物載體、基因治療等領(lǐng)域已有許多研究報(bào)道[2~4].近年來(lái), 樹(shù)枝狀化合物的研究熱點(diǎn)已不再是合成代數(shù)盡可能多、分子量盡可能大的分子, 而是在樹(shù)枝狀載體上連結(jié)不同的功能化基團(tuán), 使其具有多種多樣性質(zhì)的功能化樹(shù)枝狀化合物.最早提出的樹(shù)枝狀多肽化合物是Tam等[5]于1988年提出的聚賴(lài)氨酸型樹(shù)枝狀化合物.樹(shù)枝狀多肽化合物可以分為兩種類(lèi)型[6], 一種是以非肽樹(shù)枝狀化合物為載體連接上多肽片段, 另一種是直接以多肽作為樹(shù)枝狀化合物骨架.目前, 樹(shù)枝狀多肽化合物在作為疫苗、診斷試劑、免疫抑制劑、抗生素、藥物載體等領(lǐng)域研究較多[7, 8].

Gennes和Murat等[9, 10]先后報(bào)道了樹(shù)枝狀化合物的分子模擬研究, 但由于計(jì)算方法和計(jì)算條件的限制, 近年來(lái)該領(lǐng)域的研究才得到廣泛的關(guān)注.Murat等[10]首先使用分子動(dòng)力學(xué)方法考察了樹(shù)枝狀化合物的結(jié)構(gòu), 得到了關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)信息.進(jìn)一步研究表明, 使用分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的化合物性質(zhì)與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果 (如分子大小, 氫鍵等) 相一致, 這也證明了該方法的可靠性.目前關(guān)于樹(shù)枝狀化合物的分子模擬工作, 主要集中在討論不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型和分子大小對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)枝狀化合物結(jié)構(gòu)的影響, 而對(duì)樹(shù)枝狀多肽化合物的研究未見(jiàn)報(bào)道, 僅在最近有一篇會(huì)議摘要有所提及, 但并未說(shuō)明使用的方法和得到的結(jié)果[11].

本文報(bào)道以聚醚-酰胺型樹(shù)枝狀化合物為核心, 分別以RGD三肽, GD二肽, 4種氨基酸為功能基團(tuán)的7個(gè)樹(shù)枝狀多肽化合物的合成和分子動(dòng)力學(xué)模擬研究, 探討不同功能基團(tuán)的大小與種類(lèi)對(duì)樹(shù)枝狀多肽化合物結(jié)構(gòu)的影響.RGD是人纖維連接蛋白與其受體的結(jié)合位點(diǎn).含RGD序列的肽可以調(diào)節(jié)許多體內(nèi)生理過(guò)程, 如:細(xì)胞粘附, 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與識(shí)別, 血小板聚集, 腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移等[12].

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樹(shù)枝狀多肽化合物的合成與表征

作者[14]采用DCC/HOBt方法曾合成了部分化合物2a, 2e, 2f, 該方法存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng), 后處理時(shí)DCU難以除盡等問(wèn)題.本文改用酰氯法合成化合物2a~2f (圖1) 以化合物2a為例, 時(shí)間縮短為約2 h, 收率由60%提高到80%, 且后處理簡(jiǎn)單.一般合成方法 (以化合物2a為例) :氮?dú)獗Ｗo(hù)下將化合物1 (424 mg, 1 mmol) 與2 m L SOCl2于50℃反應(yīng)30 min, 減壓除去SOCl2, 滴加甘氨酸芐酯對(duì)甲苯磺酸鹽 (1.69 g, 5 mmol) 的二氯甲烷溶液和10 mmol三乙胺, 室溫反應(yīng)1 h, 減壓濃縮, 經(jīng)硅膠柱層析得產(chǎn)物2a[洗脫劑V (CH2Cl2) ∶V (MeOH) =80∶1~10∶1].

1.1.1 化合物2a的合成

參照上述合成通法制備, 得到無(wú)色油狀物812 mg, 產(chǎn)率81%.1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ:2.43~2.51 (m, 8H) , 3.35~3.42 (m, 8H) , 3.63~3.67 (m, 8H) , 4.06~4.08 (m, 8H) , 5.15 (s, 8H) , 7.33~7.37 (m, 20H) .MS calcd for C53H64N4O16 1012.4, found 1013.3.

1.1.2 化合物2b的合成

參照上述合成通法制備, 得到無(wú)色油狀物920 mg, 產(chǎn)率86%.1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ:1.52~1.65 (m, 12H) , 2.50~2.56 (m, 8H) , 3.44~3.51 (m, 8H) , 3.69~3.75 (m, 8H) , 4.11~4.14 (m, 4H) , 5.10 (s, 8H) , 7.28~7.32 (m, 20H) .MS calcd for C57H72N4O16 1068.5, found1069.8.

1.1.3 化合物2c的合成

參照上述合成通法制備, 得到無(wú)色油狀物1.204 g, 產(chǎn)率75%.1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ:2.48~2.57 (m, 8H) , 2.61~2.76 (m, 8H) , 2.80~3.01 (m, 8H) , 3.40 (s, 8H) , 3.62~3.67 (m, 8H) , 4.50~4.56 (m, 4H) , 5.13 (s, 8H) , 5.17 (s, 8H) , 7.26~7.29 (m, 40H) .MS calcd for C89H96N4O24 1604.6, found 1605.8.

1.1.4 化合物2d的合成

參照上述合成通法制備, 得到白色蠟狀物968 mg, 產(chǎn)率79%.1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ:2.44~2.47 (m, 8H) , 2.81~2.86 (m, 8H) , 3.10~3.15 (m, 8H) , 3.42 (s, 8H) , 3.65~3.68 (m, 8H) , 3.70~3.78 (m, 12H) , 4.80~4.86 (m, 4H) , 6.84~6.99 (m, 4H) , 7.16~7.54 (m, 16H) .MS calcd for C65H76N8O16 1224.5, found 1225.3.

1.1.5 化合物2e的合成

參照上述合成通法制備, 得到淡黃色蠟狀物1.613g, 產(chǎn)率88%.1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ:2.66~2.69 (m, 8H) , 2.86~2.94 (m, 4H) , 3.00~3.08 (m, 4H) , 3.37 (s, 8H) , 3.72~3.79 (m, 8H) , 4.02~4.03 (m, 8H) , 4.55~4.57 (m, 4H) , 5.11~5.18 (m, 16H) , 7.25~7.38 (m, 40H) .MS calcd for C97H108N8O28 1832.7, found 1833.7.

1.1.6 化合物2f的合成

參照上述合成通法制備, 得到黃色蠟狀物1.801 g, 產(chǎn)率70%.1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ:1.55~1.68 (m, 16H) , 2.60~2.63 (m, 8H) , 2.87~2.93 (m, 4H) , 2.96~3.02 (m, 4H) , 3.26 (s, 8H) , 3.52~3.59 (m, 8H) , 3.68~3.73 (m, 16H) , 4.42~4.50 (m, 4H) , 4.78~4.85 (m, 4H) , 5.11~5.16 (m, 16H) , 7.24~7.42 (m, 40H) .MS calcd for C121H148N24O40 2577.0, found 2577.9.

1.1.7 化合物3的合成

將上述化合物2f 258 mg (0.1 mmol) 溶于5 mg甲醇中, 加入10 mg 10%Pd/C, 室溫下催化氫化24 h后濾去催化劑, 減壓抽去溶劑得到黃色蠟狀物105 mg, 產(chǎn)率60%.1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ:1.52~1.63 (m, 16H) 2.50~2.55 (m, 8H) , 2.88~2.95 (m, 4H) , 2.92~3.00 (m4H) , 3.16 (s, 8H) , 3.48 (brs, 8H) , 3.59~3.65 (m, 16H) 4.35~4.41 (m, 4H) , 4.75~4.81 (m, 4H) , 6.94~7.03 (m4H) , 7.87 (brs, 4H) , 8.09 (brs, 4H) , 9.59 (d, J=8.4 Hz4H) ;13C NMR (CDCl3, 100 MHz) δ:174.7, 171.5, 169.6168.9, 156.6, 71.5, 67.2, 68.8, 54.3, 48.6, 45.5, 44.9, 42.136.8, 29.7, 28.2, 25.6.MS calcd for C65H108N24O32 1737.8found 1739.6.

2 分子動(dòng)力學(xué)模擬

2.1 計(jì)算方法

樹(shù)枝狀多肽化合物的起始構(gòu)型在Hyperchem中構(gòu)建[15], 其分子量、原子數(shù)、周期性邊界條件等在表1中列出.起始構(gòu)型的構(gòu)建依照Murat等[10]建立的方法: (1) 構(gòu)建樹(shù)枝狀化合物核心; (2) 在樹(shù)枝狀化合物外周增加一個(gè)甘氨酸基團(tuán); (3) 在甘氨酸基團(tuán)的α碳原子上增加相應(yīng)的側(cè)鏈; (4) 重復(fù) (2) , (3) 步驟直到所有的氨基酸都添加完畢; (5) 在所有氨基酸的側(cè)鏈和末端羧基上添加相應(yīng)的保護(hù)基.每步操作后均進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的分子動(dòng)力學(xué)模擬直到平衡為止.

表1 樹(shù)枝狀多肽化合物的性質(zhì)和模擬參數(shù)

采用OPLS力場(chǎng)描述樹(shù)枝狀多肽化合物[16], 在模擬過(guò)程中把溶劑分子視為剛體, 使用LINCS和SETTLE算法進(jìn)行約束分子動(dòng)力學(xué)模擬.所有模擬工作均使用GROMACS 3.2.1軟件包完成[17], 在等溫等壓 (NPT) 條件下進(jìn)行, 使用BERENDSEN算法保持恒定溫度 (298.15K) 和恒定壓力 (101325 Pa) .溶劑可及面積和分子體積均使用TINKER軟件包計(jì)算[18], 溶劑探針半徑設(shè)為0.14nm, 其他計(jì)算由作者自編程序完成.

以分子力學(xué)優(yōu)化得到的能量最低構(gòu)象為初始構(gòu)象, 將化合物以初始構(gòu)象置于用分子動(dòng)力學(xué)預(yù)先進(jìn)行平衡的溶劑盒子中.所有化合物均進(jìn)行200 ps的分子動(dòng)力學(xué)模擬, 模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 ps, 在整個(gè)模擬過(guò)程中均記錄模擬的軌跡和能量.

2.2 計(jì)算結(jié)果與討論

化合物2f和3的溶劑可及表面如圖2所示, 所有化合物的總電勢(shì)能隨時(shí)間的變化如圖3所示.化合物的平均性質(zhì)采樣在最后100 ps內(nèi)進(jìn)行, 結(jié)果如表2所示.圖4顯示了氨基酸α碳原子與分子質(zhì)量中心的距離變化的徑向分布 (化合物2e, 2f, 3均取N端α碳原子) .由圖可見(jiàn)化合物2a~2d及3的徑向分布較窄且對(duì)稱(chēng)性較好, 提示分子的外周功能基團(tuán)可能位于分子表面, 而化合物2e, 2f的徑向分布較寬且沒(méi)有明顯的對(duì)稱(chēng)性, 分子構(gòu)象相對(duì)復(fù)雜, 可能存在部分卷曲現(xiàn)象.

表2 樹(shù)枝狀多肽化合物分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果

圖5顯示了分子的平均回轉(zhuǎn)半徑以及氨基酸α碳原子與分子質(zhì)量中心的距離隨總原子數(shù)變化的關(guān)系.由圖可以看出, 化合物的RG和CRα隨原子數(shù)的增大呈線(xiàn)性變化趨勢(shì).本文結(jié)果與Gennes和Hervet等[9]的結(jié)果是一致的[9], 但化合物3的RG和CRα與其它化合物的變化趨勢(shì)有較大不同, 這可能是因?yàn)榛衔?外周的極性基團(tuán)較多, 從而可以與溶劑分子發(fā)生較強(qiáng)的相互作用, 出現(xiàn)伸展構(gòu)象的幾率較大.圖6顯示了化合物x, y, z軸的平均慣性動(dòng)量之比隨分子量變化的關(guān)系, 結(jié)果表明隨著原子數(shù)的增加, 分子的Iz/Ix, Iz/Iy逐漸向1逼近, 表明分子結(jié)構(gòu)隨原子數(shù)的增加存在逐漸接近球形的趨勢(shì).

表3顯示了化合物2a~2f和3的平均溶劑可及面積和分子體積, 并計(jì)算了平均原子溶劑可及面積和體積.由表3可見(jiàn), 隨著外周基團(tuán)的增大, 平均原子溶劑可及面積減少而體積變化不大, 表明了分子表面擁擠程度增加.化合物3的結(jié)果與其他化合物的變化趨勢(shì)不同其原因可能是與溶劑分子發(fā)生較強(qiáng)的相互作用 (與圖5的結(jié)果一致) .

以上分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果顯示, 樹(shù)枝狀化合物外周功能基團(tuán)的大小和性質(zhì)對(duì)分子在溶液中的構(gòu)象起重要作用.由于樹(shù)枝狀多肽化合物在溶液中的構(gòu)象有較大的柔性, 不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型, 外周基團(tuán)的種類(lèi)和大小均對(duì)其構(gòu)象有較大影響.進(jìn)一步研究不同代數(shù), 不同外周基團(tuán)以及不同溶劑體系對(duì)樹(shù)枝狀化合物構(gòu)象影響的工作正在進(jìn)行中.

表3 樹(shù)枝狀多肽化合物經(jīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的溶劑可及面積和分子體積

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