浙江林学院学报2002

,19(4):337~341JournalofZhejiangForestryCollege文章编号:1000-5692(2002)04-0337-05收稿日期:2002-01-07;修回日期:2002-04-26基金项目:"九五"国家科技攻关项目(96-A14-01-05)作者简介:刘兴泉(1973-),男,黑龙江五大连池人,讲师,硕士,从事农药环境毒理和农用化学材料等研究.
拟除虫菊酯类农药结构/急性毒性的三维定量构效关系刘兴泉1,许禄2(1.
浙江林学院生命科学学院,浙江临安311300;2.
中国科学院长春应用化学研究所,吉林长春130022)摘要:用比较分子力场分析(CoMFA)研究了拟除虫菊酯类农药的结构与急性毒性DL50(大鼠,口服)的关系,考察了网格结构和探针原子对结果的影响.
得到模型的R2为0.
99,标准偏差为0.
88,说明立体效应和静电作用场是描述拟除虫菊酯类农药急性毒性和进行结构活性关系研究的重要结构参数.
在模型中,立体能与静电能的贡献为0.
82/0.
18,说明起主要作用的是立体项,建立三维定量构效关系模型可以对该类新化合物的DL50进行预测.
构建的三维结构/毒性模型用三维等高图来表示,如果结合分子杀虫活性的相关研究,可以用来指导新分子的结构设计.
图4表1参8关键词:三维定量构效关系;比较分子力场分析;拟除虫菊酯中图分类号:S767.
3+4;TQ453.
2文献标识码:A拟除虫菊酯类农药是在研究天然除虫菊酸酯结构和药效基础上发展起来的高效安全的新型杀虫剂,其急性毒性因分子结构的不同而相差很大,建立起此类化合物结构/毒性相关性,结合已有的结构/活性的相关知识,可以为开发新型高效低毒的拟除虫菊酯类农药提供指导.
二维构效关系研究中,主要应用二维的拓扑指数,而药物对受体的作用部位是一个有一定三维要求的腔穴.
因此,三维定量构效关系(3D-QSAR)的研究,能更准确地表达受体-药物的相互作用,建立更加合理的模型.
Crammer提出的比较分子力场分析(CoMFA)[1]是最重要的3D-QSAR研究方法之一.
其基本假设是:①在分子水平上,影响生物活性的相互作用通常是非共价性;②分子力场侧重处理立体和静电的非共价相互作用,便可以较好解释分子的各种性质.
它将一组具有相同性质(活性)的分子按照其相同的几何作用点在三维空间进行叠加,计算这一组分子叠加的立体场和静电场[2],用某种探针原子对这些场进行作用,然后用偏最小二乘法及交叉验证(crossvalidated)得到预测模型.
现在比较分子力场分析方法被广泛应用在医药、农药和环境科学等研究领域[3~8],并取得了令人满意的结果.
1计算方法三维定量构效关系研究的所有计算均在美国SGI公司的Indogo2工作站上进行,所使用的分子设计软件为美国Tripos公司的Sybyl6.
1,具体操作过程可分为6步.
第一,建造分子.
在Sybyl6.
1程序中,按顺反结构输入拟除虫菊酯类农药的立体结构式,利用Tripos力场对化合物进行结构优化,将优化后的构型作为分子的最稳定结构用于分子设计计算.
CoMFA的基本假设是在配体和受体结合时,静电作用和立体效应是发生相互作用的根本原因.
因此,必须计算分子中原子的电荷才能计算分子间的静电相互作用.
本研究采用Gasteiger-Marsili和Hǜckel法计算分子原子的电荷,其中,Gasterge-Marsili方法计算分子中δ键对电荷的贡献,Hǜckel方法计算分子中π键对电荷的贡献,原子总电荷即为这两部分贡献的加和.
第二,分子的重叠方式及重叠程度是影响CoMFA结果的很重要的因素,因为只有分子很好的重叠才能保障空间场和静电场分布的合理性.
在计算过程中依照一定的迭加规则和根据对活性部位的推测与判断,将化合物的三维结构重叠在一起,以保证所有分子在三维空间中的取向是一致的,即所有的分子都是按活性基团的要求,以一定的规则在空间排布,使它们重叠时结构差别最小,其叠合的程度用均方根偏差(rms)表示.
其值越小,其重叠程度愈好.
在本研究中,以急性毒性最大的联苯菊酯(bifenthrin)为模板,其余化合物都和模板化合物相应的环丙烷羧酸上碳原子重叠,并使重叠分子和模板化合物重叠后的rms最小,使其达到最大程度重叠.
第三,建立空间网格,使这些重叠的化合物都能够容纳在这个空间网格中.
空间网格的大小是影响CoMFA结果的重要的因素,需要反复实验来确定最佳的空间网格结构.
第四,分子取向是确定CoMFA方法的关键步骤,为了避免人为因素的影响,采用"场合"(fieldfit)技术:计算出各个化合物的力场,通过3个平动自由度和3个转动自由度及某些扭角的调整,使化合物和模板分子的力场差别最小.
按照化合物的组成、结构特征和拟将考察的作用力场的性质,选择适当的探针原子(本研究中探针原子为sp3杂化的碳原子,电荷为+1.
0)在空间网格的格点上移动.
探针原子每移动一个指定步长,在各个格点上分别计算分子和探针原子之间的立体能和静图1比较分子力场分析的步骤Figure1Theprocessofcomparativemolecularfieldanalysis电能,从而得出上千个能量值,连同生物活性值,建立QSAR数据表.
第五,网格点的数目很大,往往采集到成千个能量值,这比生物活性样本数目要大得多.
为了更准确地反映化合物周围场的分布与变化,确定QSAR方程,采用偏最小二乘法,以克服自变量远远超过因变量所带来的问题.
首先用交叉验证求出预测残差平方和来检验所得模型的预测能力,再用非交叉验证方法计算回归模型的表达式,建立3D-QSAR方程.
第六,CoMFA方法产生的构效关系方程中的自变量数很多,难以由各自变量的系数看出与生物活性间的关系,因而3D-QSAR方程常用直观性较强的三维等高图(contourmaps)表示.
该图用清晰明了的立体图表明化合物各取代基性和方向的变化对化合物活性的影响,根据计算所得出的等高图,可以预测新设计的化合物的活性,从而达到辅助设计的作用.
图1形象地描述了比较分子力场分析的操作过程.
338浙江林学院学报2002年12月2结果与分析2.
1拟除虫菊酯类农药的分子结构和急性毒性拟除虫菊酯类农药的母体结构见图2,此类化合物的急性毒性相差很大.
大鼠急性口服DL50从54.
5~5000.
0mg·kg-1,相差近100倍,主要是由于R1,R2和R3所接的基团不同所致.
图2拟除虫菊酯类农药的母体结构Figure2Majorstructureofpyrethroid2.
2空间网格与探针原子对计算结果的影响计算表明不同空间网格大小对3D-QSAR结果有一定的影响,要求的三维网格大小由软件自动生成.
计算过程中网格区域与所有分子重合,并且在x,y,z轴方向上延伸到至少超出分子体积0.
4nm.
选择一个合适的探针原子计算每行进一个步长与化合物的相互作用能,结果表明:空间的网格从0.
3nm减小到0.
2nm,对CoMFA的结果有所改善,其交叉验证的值均有所增加.
本文选择步长为0.
2nm,中心x,y,z值均为0的空间网格进行CoMFA计算.
在进行CoMFA分析时,分别使用了各种不同的探针,包括sp3杂化的碳原子、氮原子、氧原子及卤素离子和氧负离子,还有钠、钾离子等,发现不同的探针对结果均有一定的影响.
最后在后续的分析中选用了交叉验证值最大,最为常用的探针sp3杂化碳原子,电荷数为+1.
0.
2.
3CoMFA预测结果以交叉验证值最大的碳原子为探针,空间网格步长选为0.
2nm,组分数为4,建立了最终模型.
模型对化合物的预测结果见表1.
表1CoMFA对log(1/DL50)的预测结果Table1Observedandcalculatedacutetoxicityofpyrethroid化合物观测值计算值残差*化合物观测值计算值残差*beta-cypermethrin-2.
22-2.
17-0.
05chlortetramethrin-3.
49-3.
550.
06tetramethrin-3.
70-3.
64-0.
06permethrin-2.
63-2.
55-0.
08cyphenothrin-2.
50-2.
500bifenthrin1.
74-1.
800.
06cyfluthrin-2.
70-2.
65-0.
05chlorempenthrin-2.
53-2.
44-0.
09lambda-cyhalothrin-1.
90-1.
86-0.
04transfluthrin-3.
70-3.
790.
09methothrin-3.
61-3.
60-0.
01tralomethrin-2.
00-1.
98-0.
02fenpropathrin-1.
85-1.
990.
14allethrin-3.
04-3.
02-0.
02deltamethrin-2.
13-2.
08-0.
05mosquithrin-3.
67-3.
66-0.
01kadethrin-3.
12-3.
240.
12resmethrin-3.
40-3.
440.
04说明:*残差=观测值-计算值此模型的标准偏差为0.
08,非交叉验证的R2=0.
99.
表1列出了预测值及预测值与实际值之间的残差,大多数样本的残差较小,预测值与实际值接近,因此该模型比较可靠,具有一定的可信度.
另外,从CoMFA得出的结果可知,这个模型中,立体能与静电能的贡献为0.
82/0.
18,说明起主要作用的是立体项.
2.
4三维等高图用三维轮廓图表示的主要空间和静电作用性能分别示于图3和图4.
图3表示围绕模板分子周围的空间相互作用,增加A区域或减小B区域的空间体积,将增加分子的急性毒性.
图4表示围绕在模板分子周围的静电相互作用,在A区域增加正电荷或在B区域增加负电荷将增加急性毒性.
3结论从CoMFA所得的预测结果来看,其计算值和测量值吻合较好,因此,拟除虫菊酯类农药的立体效应和静电作用场是描述其急性毒性的重要结构参数,构建的三维结构/毒性模型可以用来预测新的此类化合物的急性毒性.
从三维等高图中可以看出,增大R2和R3的空间体积会增大分子的急性毒339第19卷第4期刘兴泉等:拟除虫菊酯类农药结构/急性毒性的三维定量构效关系性,增加R2和R3的正电荷或者增加R1的负电荷,都会增加分子的急性毒性.
如果结合分子杀虫活性的相关研究,可以用来指导新分子的结构设计.
图3模板分子联苯菊酯空间效应CoMFA等高图图4模板分子联苯菊酯静电作用场CoMFA等高图Figure3StereoscopicviewsofbifenthrinembeddedincontourmapsderivedfromthestericCoMFAmodelFigure4StereoscopicviewsofbifenthrinembeddedincontourmapsderivedfromtheelectrostaticCoMFAmodelCoMFA法产生的构效关系方程中的自变量数很多,难以用各自变量的系数来表示变量与生物活性间的关系,因此常用直观性较强的等高图表示化合物各取代基性质和方向的变化对化合物活性的影响.
另外,由CoMFA法所得出的结果看,立体能作用的贡献都大于静电能作用的贡献,是实际如此,还是CoMFA方法本身存在偏差,尚有待进一步研究.
尽管如此,CoMFA法仍然是进行3D-QSAR研究的有力工具,在农药环境毒理学领域会有很大的应用前景.
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340浙江林学院学报2002年12月Three-dimensionalquantitativestructure-activityrelationshipsbetweenstructureofpyrethroidandtheiracutetoxicityLIUXing-quan1,XULu2(1.
FacultyofLifeScience,ZhejiangForestryCollege,Linan311300,Zhejiang,China;2.
ChangchunInstituteofAppliedChemistry,ChineseAcademyofSciences,Changchun130022,Jinlin,China)Abstract:Comparativemolecularfieldsanalysis(CoMFA)wasappliedtothestudiesofthecorrelationofthepyrethroidandtheiracutetoxicity-DL50(rat,P.
O.
).
ThecomparisonofCoMFAresultswithdifferentlatticespacinganddifferentatomprobeswasinvestigated.
Therelationsquareofpredictionis0.
99,andthestandarderrorofpredictionis0.
08.
CoMFAresultedinaquantitativedescriptionofthemajorstericandelectrostaticfieldeffectsandgavesignificantnewinsightstofactorsgoverningtoxicity.
Themodelwasusedtopredicttheacutetoxicityofnewcompoundswithsatisfactoryresults.
Keywords:three-dimensionalquantitativestructure-activityrelationships(3D-QSAR);comparativemolecularfieldsanalysis(CoMFA);pyrethroid"杉木积成材生产工艺及关键设备研究"通过鉴定由浙江林学院院长、中国工程院院士张齐生教授主持的"十五"浙江省重点科研项目和浙江省林业局科研计划项目"杉木积成材生产工艺及关键设备研究"课题,于2002年8月2日在浙江林学院通过了由国内教学、科研、生产等方面专家组成的鉴定委员会的鉴定.
这是浙江林学院取得的又一项重大科研成果.
杉木是我国最重要的速生用材树种之一,在我国南方有大面积人工栽培,蓄积量十分可观,年产木材量占全国商品材总量的五分之一强,在国民经济中占有重要地位,但是,小径杉木材不能得到充分合理利用,造成资源较大浪费.
如何高效加工利用小径杉木资源一直是木材加工领域的一大难题,深度开发和高效利用小径杉木成为山区脱贫致富迫切需要解决的重大课题.
在院长张齐生院士的主持下,经过课题组全体成员的艰苦努力,通过对小径杉木进行定宽逐级梳解、无屑切削和定向铺装等新工艺,制成具有实木感观和性能的新型人造板材———杉木积成材,终于攻克了小径杉木工业化利用的难题.
专家一致认为,这一科研成果达到了国际先进水平,填补了我国的一项空白,为杉木小径材的工业化利用开辟了新途径,意义十分重大.
该成果具有生产工序科学合理,木材利用率高,产品性能好和生产成本低等优点,其产品具有很好的市场竞争力,在室内装饰装修和家具制造等领域具有广泛的应用前景.
341第19卷第4期刘兴泉等:拟除虫菊酯类农药结构/