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摘要

背景:我们了解大多数伴随衰老的疾病一定与氧化应激有关，即线粒体脂质层状双分子膜的氧化损伤(太)．所谓癌症和肿瘤就是这类疾病的一组，是在光学显微镜下通过硬点触摸和细胞变形侵袭图像进行诊断的，但对癌症和肿瘤细胞的分子水平定义尚不清楚。难点和/或细胞入侵将是与细胞代谢功能障碍有关的症状，过氧化氢衍生的羟基自由基必须诱导脂质层膜的氧化降解太的细胞。我们的目标是深入了解水合HOOH和羟基自由基的反应性，它们不可避免地产生和存在太的不稳定性太的脂质双分子膜。这一结果使我们能够提出可能具有抗氧化作用的抗肿瘤药物的候选药物太膜。

材料与方法:量子化学分子建模，即基于密度泛函理论的分子建模(DFT/MM)，可以看作是基于理论的“实验”。DFT/MM可以非常快速地使用高端超级计算机(如个人计算机)进行。组成双分子膜的分子单位是月桂酸甘油三酯[Gly(n-C)]₁₁H₂₃首席运营官)_3.］．DFT/MM适用于范德华(vdW)力(即氢键和库仑相互作用)诱导的分子聚集。聚集体结构的DFT/MM预测了形成热，偶极矩用于理解在水中的溶解度，聚集体的CPK模型体积作为定量结构活度考虑穿透细胞脂质双分子膜，聚集体的能量结构，即表面分子轨道电子能量结构(几乎简并的最高分子轨道(HOMO(n)， n=0~12)和最低未占据分子轨道(LUMO)构型。它们的EHOMO(n)， (n)， n=0~6, ELUMO(0)的轨道势，表面电子的密度分布构型，自由基种的自由基密度(自旋密度)构型，作为理论基础的“实验”数据，用于验证和预测分子与自由基的相互作用。如前所述，我们使用B3LYP交换相关泛函和Spartan ' 18 (Wavefunction, Inc.)的6-31G (d)基集来执行DFT/MM。欧文,CA)。在DFT计算之前，对于电子性质，分子聚集体的几何形状是通过使用默克分子力场(MMFF)的分子力学模拟确定的。关于DFT/MM得到的结果的细节在补充材料的图和表中描述。

结果:DFT/MM使用月桂酸甘油三酯[Gly(n-C₁₁H₂₃首席运营官)_3.验证了(1)协同范德华力(vdW)使双分子类脂质四聚体[Gly(n- C₁₁H₂₃首席运营官)_3.］₄．(2)类脂质四聚体通过过氧化氢的vdW聚集和羟基自由基的降解反应进行氧化降解。(3)水合HOOH与超氧自由基阴离子(O₂^．-)，它总是存在于功能中太，产生羟基自由基。(4)氧化降解从酯位点开始太的脂质双分子膜，导致降解性肿胀太”膜。(5)氧化降解导致包含这种降解的细胞肿胀和/或入侵太”膜。知名抗癌药物5-氟尿嘧啶、顺铂、奥沙利铂、维生素C和甲状腺激素、甲状腺素(T4)被证实可抑制HOOH和HO的氧化能力^．．DFT/MM证实肿胀和/或浸润组织充满肿胀和功能障碍太是癌症的真实模型。

关键字

密度泛函理论(DFT)， 5-氟尿嘧啶，顺铂，索拉非尼，维生素C

简介

线粒体(太)是存在于人体每个细胞中的豆状细胞器(细胞大小:6~25mm，细胞数量:4~6×10¹³)，由细胞质膜和片层组成。尺寸和长度(直径:0.5 m，长度:~10mm，数量:4~6×10¹⁶)可以与不同形状的细菌相媲美。的太的重要作用是执行细胞获取能量的方式，即细胞的肽源产生ATP的化学能和电子发射器产生的电磁能(EME)太在大脑和神经细胞中。我们预测ATP和EME的最高能量分子太是O₂^．-．

最近的研究在太显示活性细胞最多太心脏(每个细胞已知含有~2000块?太)，脑，胃，肠，肝，胰，肾和肌肉，大多数疾病一定是由功能障碍太-充满细胞，即衰退太作为细胞的生物能量来源[1-4]。事实上，癌症和肿瘤常发生在人体组织中太了细胞。

日本国立癌症中心研究所(NCCRI)报道称，癌症是一种与衰老和环境危险因素有关的疾病，大多数癌症在中年后发生基因组不稳定和大量突变[5,6]。然而，我们知道，当基因组不稳定发生在太,氧化降解开始于太的脂质双分子膜。脂质双分子层膜随着年龄的增长积累了过氧化氢(HOOH)和羟基自由基(HO^．)将形成原位来自HOOH和O₂^．-．特别是,何^．会引起脑功能障碍太作为细胞的生物能量来源．

DFT/MM验证:1)水合HOOH、HOOH(H₂O)₂2)能量结构现场3)脂质双分子膜的能量结构及其稳定性;4)脂质膜的氧化降解;5)抗癌药物的抗氧化作用。

HOOH(H₂O)₂

在之前的论文中，DFT/MM验证了超氧自由基阴离子(O₂^．-)是由d -葡萄糖和三联氧产生的^3.O₂阿,₂^．-作为能量来源太新陈代谢。然而,阿₂^．-发生副反应，产生过氧化氢[1,2]。我们现在根据DFT/MM(图1)验证了在的水相中会形成双环水合HOOH和单环水合HOOH太生成热分别为ΔE=-23.8和ΔE=-25.9千卡/摩尔。在这两种情况下，最低的电子接受分子轨道构型(LUMO构型;网格表示)位于HOOH位点，验证了优先还原电子转移可能发生在HOOH上，产生HO^．(图2)。此外，我们发现HOOH(H₂O)₂可能与d -葡萄糖和O₂^．-(图1)。它们的电子能势验证了还原电子转移会产生HO^．优先和瞬间。

图1．hooh聚集态的平衡几何及其能量结构的验证

水合羟基磷灰石原位形成的验证^．和破坏性的反应性

图2显示了单环水合过氧化氢，HOOH(H₂O)₂经过超氧自由基阴离子(O₂^．-氢氧根阴离子(HO^-)导致放热形成水合羟基自由基[HO^．(H₂O)₂］．中间体自由基阴离子的形成₂O)₂］^．-验证了HOOH的O-O键之间通过单电子转移还原的键裂变。一般来说，生物的衰老伴随着缺乏有氧运动，而缺乏有氧运动加速了O₂^．-,即．现场有害HO的产生^．从阿₂^．-和HOOH。

图2．羟基自由基(HO^．)由HOOH和O形成₂^．-

DFT/MM还验证了[HO^．(H₂O)₂位于HO的两端^．和H₂O，表示自旋离域。而电子接受电位，即自旋氧化电位EbLUMO (spin)为低-3.63 eV，给电子电位，即SOMO电位EbHOMO(SOMO)也为低-7.95 eV。此外，裸HO的接受电子势^．被验证为-4.16 eV。水化何^．会与裸HO达到平衡^．，保持氧化提氢的高反应性。在基于DFT/ mm的平衡几何测定中，氢抽象常被视为中间产物。

脂质双分子膜的能量结构和稳定性的验证

为了证明脂质层膜的能量结构，月桂酸甘油三酯Gly(n-C₁₁H₂₃首席运营官)_3.是检查。基于分子力学的结构通过单点能(SPE)测定对自聚集过程进行分子建模(图S1，表S1)。作为能量结构，显示了自组织的生成热和基于spe的确定集料结构的HOMO的分布。与基于平衡几何结构(EQG)的确定结构相比，基于spe的聚合体具有紧凑的结构，这意味着spe确定结构适合于脂质堆叠态双分子膜。在此之前，我们对结晶苯的三维结构进行了类似的验证。

表S1．月桂酸甘油三酯van der Waals聚集体(SPE)的验证与预测[Gly(n-C₁₁H₂₃首席运营官)_3.]用于构建脂质片层双分子膜模型。括号中的DE表示平衡几何的生成热(EQG)。

计划S1。月桂酸甘油三酯作为层状脂质分子膜包装单元的平衡结构预测

(b)[Gly(n-C)的平行二聚体₁₁H₂₃首席运营官)_3.］₂，证实其形成热为ΔE=-1.01 kcal/mol(表S1)， (c)[Gly(n-C₁₁H₂₃首席运营官)_3.］₂， ΔE=+0.37(图3中A)。有趣的是，来自双层型二聚体的四聚体，即(g)[Gly(n-C)]的层状四聚体₁₁H₂₃首席运营官)_3.］₄验证其形成热为ΔE=-24,670 kcal/mol(图3中的B)。另一方面，验证了平行二聚体DE=-1.01 kcal/mol (SPE)和ΔE=-2.77 kcal/mol (EQG)的形成热，验证了并联三聚体组合的ΔE=-0.006 kcal/mol (SPE)和ΔE=-24.6 kcal/mol (EQG)的形成热(见表S1)。考虑到双层型二聚体的生成热为ΔE=+0.37 kcal/mol (SPE)和ΔE=-0.628 kcal/mol (EQG)，显著的协同vdw -力稳定对[Gly (n-C)层状四聚体的构建起着决定性作用₁₁H₂₃首席运营官)_3.］₄．换句话说，脂质层状膜是通过取脂质甘油三酯的平行和双层聚集单元来稳定的。

图3．基于DFT/MM(SPE)的层状四聚体(g) [Gly(n C₁₁H₂₃首席运营官)_3.］₄(SPE)

考虑到层状四聚体内部的协同vdW力，通过排列9个层状四聚体单元，推导出三维膜模型。通过表面电子密度和HOMO分布的vdW力也被描述来预测脂质层状膜的稳定性和反应性(图3中的C)。

HOMO(0)~(11)的表面能结构、构型分布对结构稳定性具有重要意义。HOMO分布预测烷基链位点足够稳定，但表面酯位点不稳定，预测脂双层膜与水合的HOOH和HO聚集^．特别是在片层膜的极性酯位。换句话说，脂双分子膜在生物氧化还原反应系统中是相当稳定的，如细胞和太．表面酯位首先发生氧化降解，膨胀的层状膜在烷基链位有空间，受到羟基自由基的攻击，层状膜结构被氧化破坏。

脂质膜氧化降解的验证

甘油三酯(a)Gly(n-C₁₁H₂₃首席运营官)_3.平行三聚体(e) [Gly(n-C₁₁H₂₃首席运营官)_3.］_3.(SPE)和双层型四聚体(g)[Gly(n-C₁₁H₂₃首席运营官)_3.］₄(SPE)如图S2、S3和图4所示。HOMO结构分布在酯位和烷基链位上，即HOOH和HO^．不仅在酯位点发生反应，而且在甘油三酯及其聚集物的烷基链位点也发生反应。水合HOOH, HOOH(H₂O)₂(环)在烷基链位和酯位上对HOMO和LUMO的生成热(ΔE)、构型和能势以及CPK模型的体积进行了分子建模(EQG)(图4，表S2)。至于在烷基链位点的聚集，HOOH分子仍有可能被还原为HO^．受到O的攻击₂^．-因为LUMO构型也位于烷基链位的HOOH分子上。

图4．HOOH(H₂O)₂对Gly(n-C)脂膜单位模型的影响₁₁H₂₃首席运营官)_3.

表S2．[Gly(n-C)降解聚合的验证与预测₁₁H₂₃首席运营官)_3.与各自的HOOH₂O)₂和何^．(H₂O)

计划S2。经DFT/ mm验证的月桂酸甘油三酯表面电子能结构₁₁H₂₃首席运营官)_3.(SPE)

计划S3。DFT/ mm验证脂膜模型单元表面电子能结构，月桂酸甘油三酯平行三聚体[Gly(n-C₁₁H₂₃首席运营官)_3.］_3.(SPE)

生成热(ΔE=-30.3 kcal/mol， ΔE=-38.4 kcal/mol)和能量结构变化证实了聚合是放热发生的，并且HOOH分子在酯位受到vdW力的作用更稳定。有趣的是，LUMO被证实不位于聚集在酯位的HOOH分子上，这表明HOOH分子可以聚集在层状膜的酯位上。

至于HO的聚集^．(H₂O)₂与通用电气(c₁₁H₂₃首席运营官)_3.(图5)，脱氢反应发生在烷基链位。值得注意的是酯位与HO的聚合^．(H₂O)₂伴随较大的构象变化。较大的生成放热(ΔE=-37.1千卡/摩尔，ΔE=-34.2千卡/摩尔)和三维分子变化证实了脂质分子的氧化降解活性，特别是当酯位点上的HOOH分子转化为HO时^．在生物氧化还原系统中，即太．氧化形态的变化加速了塌膜烷基链位点的氧化。

图5．HO范德华骨料的平衡几何和能量结构^．(H₂O)₂脂膜模型对Gly(n-C₁₁H₂₃首席运营官)_3.

抗癌药物抗氧化作用的验证

癌症和肿瘤细胞诱导机体各器官的代谢功能障碍，细胞的任何功能障碍都是由于细胞动力的初始降解，即脂质层膜的氧化损伤太．从癌症和肿瘤化疗的角度来看，当抗癌药物的分子尺寸小到接近脂质层膜时，脂质层膜的氧化塌缩会被抑制太通过细胞的脂质层膜。评价最小的抗癌药物氟尿嘧啶(5-氟尿嘧啶)[8]的DFT/MM，以澄清RNA[6]的核酸中与尿嘧啶的抗氧化作用的差异。

由于互变性，5-氟尿嘧啶和尿嘧啶都有三种不同的环结构;1.由于羟基2。由于在3。羟基，嘧啶环结构中的羟基。具有HOOH(H₂O)₂，并与HO^．(H₂O)₂验证vdW聚合(图6和图S4)。

图6．5-氟脲嘧啶与HOOH的van der Waals聚集的平衡几何和能量结构₂O)₂和何^．(H₂O)₂

计划S4。尿嘧啶与HOOH(H₂O)₂和何鸿燊。(H₂O)₂；平衡几何和能量结构

有趣的是，每个与HO的聚合^．(H₂O)₂氧化产物由C-F键或O-H键裂变形成(图S5, S6, S7)。值得注意的是，虽然各中间体的自旋密度势(EbLUMO)在-4.84 ~ -2.36 eV范围内，但自旋密度都在嘧啶环上离域，而在HO上不离域^．．ΔE = -62 ~ -68 kcal/mol的较大的生成负热也验证了5-氟尿嘧啶的抗氧化作用。

计划S5。5-氟尿嘧啶-1(中间羟基)作为抗癌药物的验证

计划S6。5-氟尿嘧啶-2 (amid & amid)作为抗癌药物的验证

计划S7。5-氟尿嘧啶-3(羟基-羟基)作为抗癌药物的验证

计划S8。顺铂作为抗癌药物的验证

计划S9。奥沙利铂作为抗癌药物的验证

计划S10。索拉非尼作为抗癌药物的验证

尿嘧啶异构体的验证也一样(图S4)。但值得注意的是，抗氧化效果的差异来自于不同的生成放热。5-氟尿嘧啶与HOOH和HO的放热反应更明显^．尿嘧啶。DFT/MM结果证实5-氟尿嘧啶能够消除HOOH和HO^．从太如5-氟尿嘧啶是比尿嘧啶更有效的抗氧化剂(表1)。

表1。从聚集形成热的角度比较抗肿瘤药物和营养物质的抗氧化作用₂O)₂和何^．(H₂O)₂

用于线粒体靶向化疗的抗肿瘤药物和营养物	肌酸磷酸激酶体积 (³)	van der Waals与HOOH (H2O)2 ΔE(千卡每摩尔)	形成热(ΔE)的范德华凝聚 何．(H2O)2 ΔE(千卡每摩尔)	总生成热(ΔE) 作为抗氧化效果的衡量标准 ΔE(千卡每摩尔)
中5 -氟尿嘧啶(羟基) Uracil-1(由于羟基)	105.42 100.83	-45.3 -44.5	-55.7 -46.3	-101年 -90.7
5 -氟尿嘧啶(之际,在) Uracil-2之际(在)	105.85 101.17	-33.2 -41.9	-62.6 -37.4	-95.8 -79.7
5 -氟尿嘧啶(羟基羟基) Uracil-3(羟基羟基)	104.83 100.23	-41.0 -42.7	-67.7 -33.5	-109年 -76.3
顺铂	96.02	-46.9	-61.4	-108年
铂	205.37	-50.0	-65.1	-115年
索拉非尼	411.92	-43.0	-59.3	-102年
抗坏血酸(维生素C)	149.81	-37.3	-77.8	-115年
甲状腺素(T4)	373.77	-41.1	-40.3	-81.4
通用电气(c11H23首席运营官)3.烷基位(EQG)	769.45	-29.6 *	-37.1	-66.7
通用电气(c11H23首席运营官)3.(EQG)在酯位点	769.45	-38.4	-34.2	-72.6
葡萄糖	157.39	-40.7 *	-57.3	-98.1

如图7和表1所示，铂配合物、顺铂和奥沙利铂[8]以及含氯原子索拉非尼均与HOOH(H₂O)₂，与HO反应^．(H₂O)₂．它们都进行高度放热，因此意味着有效的抗氧化作用。值得注意的是，铂金属具有降低HO氧化反应活性的有趣能力^．．均与HO聚合^．(H₂O)₂具有自旋密度势的离域自旋密度在铂(II)原子上，EbLUMO(自旋)= -3.74和-3.30 eV，远高于裸体HO^．(EbLUMO = -4.18 eV)。

图7．顺铂、奥沙利铂和索拉非尼vdW团聚体与HOOH(H₂O)₂和何^．(H₂O)₂

索拉非尼与HOOH(H₂O)₂及其与HO的降解反应^．(H₂O)₂放热进行，从而产生大量的生成热。自旋密度与自旋电位的有效离域(EbLUMO(spin)=-4.13 eV)验证了抗氧化作为抗癌药物的效果。表1和图S11中总结了索拉非尼与维生素C、甲状腺激素甲状腺素(T4)的聚集和反应的生成热。据我们所知，维生素C和甲状腺素(T4)对癌症治疗[9]也有效。

计划S11系列。顺铂、奥沙利铂和索拉非尼vdW团聚体与HOOH(H₂O)₂和何^．(H₂O)₂

结论

至于太DFT/MM证实了脂质双分子层膜氧化降解保护的重要性太．作为一种衡量抗癌药物有效性的方法，我们提出了基于DFT/ mm的聚集形成热与HOOH(H₂O)₂和何^。(H₂O)₂．表1汇总了药物的总生成热和CPK体积。有效的抗癌药物必须对脂质双分子膜具有良好的抗氧化作用太尺寸必须小于脂质尺寸。否则抗癌药物就不能通过细胞的脂质层膜太．基于癌症肿瘤综合征和药理抗氧化作用的角度，我们提出所谓的癌症组织，即肿胀和/或侵袭组织必须填充太脂质双分子膜被hooh衍生的羟基自由基(HO^．)．进一步的DFT/MM正在进行中，以验证和预测无副作用太有针对性的治疗。

参考文献

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