CN110232953B - 一种7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物抗菌活性预估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种7‑[4‑(5‑芳基‑1,3,4‑噁二唑)]哌嗪衍生物抗菌活性预估方法,建立了基于负表面静电势的全局最小值Vs,min和负表面静电势统计量σ2的7‑[4‑(5‑芳基‑1,3,4‑噁二唑)]哌嗪衍生物对阳性菌株Staphylococcus aureus subsp.Aureusd抗菌活性的预估模型。相比于现有预估模型,本发明的模型更适合于7‑[4‑(5‑芳基‑1,3,4‑噁二唑)]哌嗪衍生物对阳性菌株Staphylococcus aureus subsp.Aureusd抗菌活性的预估。
Description
技术领域
本发明涉及哌嗪衍生物抗氧化活性研究领域,具体涉及一种7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物抗菌活性预估方法。
背景技术
QSAR关系是借助数理统计的方法对化合物的理化性质与结构特性之间的关系进行数据回归分析的一种方法。多元线性回归是QSAR常用的建模方法。目前,组合化学和高通量筛选方法的出现,特别是经量子化学计算得到的QSPR参数的引入和建模方法的发展,极大促进了QSPR在药学、材料科学、环境科学等诸多领域的广泛应用。
7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物抗氧化活性早已引起了人们的重视,已有QSAR方法对其活性的研究,但相关系数较小,计算机辅助描述符可靠性差。
本发明引入分子表面静电势及其统计学量作为因变量,具有较强的创造性,新颖性;提高了模型的相关系数,而且由于借助了计算机辅助设计,通过该方案能方便、快捷地了解7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物抗氧化活性,具有较强的实用性。
文献[Rajnish K et al.,European Journal of Medicinal Chemistry 46(2011)3543-3550]进行了7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物抗氧化活性预估模型研究。但文献有以下不足:(1)仅仅给出了pMIC与HOMO轨道能级的QSAR模型。(2)文献中分子的结构采用Hyperchem 8.0.5画出,然后借助分子力学MM+方法进行能量最小结构全优化。该方案的结构优化粗糙,不能给出精确的分子结构全局最低能量点,因而HOMO轨道的能级精确度不高,QSAR模型精度欠缺。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物抗菌活性预估方法。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物抗菌活性预估方法,基于负表面静电势的全局最小值Vs,min和负表面静电势统计量的7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物对阳性菌株Staphylococcus aureus subsp.Aureusd抗菌活性的预估模型;所述预估模型为:
pMIC sa=-21.81HOMO energy+0.04791Vs,min-136.40;
其中,R2=0.6283,F=17.9025,p<0.0001,HOMO energy为HOMO轨道的能级,Vs,min为负表面静电势的全局最小值;
附图说明
图1为7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
1研究对象及方法
以15种7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物为研究对象(见表1,图1),采用QSAR(quantitative structureactivity relationship)方法,建立其抗氧化活性与前线轨道以及表面静电势的定量构效关系模型,以实现对7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物抗氧化活性的精确预测。
表1 7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物结构参数及前线轨道和表面静电势计算值
实验所得的浓度MIC(minimun inhibitory concentration,最低抑菌浓度)值的单位是μg/ml。所选MIC值是15种7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物进行体外抗菌活性测试的结果。测试的阳性菌株分别为:Staphylococcus aureus subsp.Aureus(标记为:sa),Bacillus subtilis(标记为:bs),Gram negative bacterium Escherichiacoli(标记为:ec),使用稀释法得到MIC值。为了进行关联,将MIC值转换为摩尔单位,随后转换为其负对数的倒数,即log(1/MIC)(标记为:pMIC),并作为QSAR模型的因变量。
由于药物的抗氧化活性不仅与其氧化还原性有关,而且与药物在体内外的环境密切相关。氧化还原性主要取决于分子的前线轨道能极差,特别是HOMO轨道的能级极大影响药物的氧化还原性的强度;药物在体内外的环境中容易与目标分子形成分子间相互作用,就药物分子本身而言,分子间相互作用与药物本身的表面静电势有关,特别是负表面静电势所标度的给电子能力与分子间相互作用线性相关。因此本模型选择HOMO轨道的能级、负表面静电势的全局最小值Vs,min及负表面静电势统计量作为因变量。
文献[Rajnish K et a/.,European Journal of Medicinal Chemistry 46(2011)3543-3550]也进行了7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物抗氧化活性预估模型研究。我们的方法与文献有如下的不同:
(1)文献仅仅给出了pMIC与HOMO轨道能级的QSAR模型;而我们建立的QSAR模型不仅包含HOMO轨道的能级,而且将因变量负表面静电势的全局最小值Vs,min及负表面静电势统计量引入QSAR模型,使其相关系数值提高。
(2)文献中分子的结构采用Hyperchem8.0.5画出,然后借助分子力学MM+方法进行能量最小结构全优化。该方案的结构优化粗糙,不能给出精确的分子结构全局最低能量点,因而HOMO轨道的能级精确度不高,QSAR模型精度欠缺。而我们建立的QSAR模型的分子结构借助当代较精确的量子化学方法得到,具体如下:所有计算均采用Gaussian 09程序包完成。借助B3LYP/6-311++G(2d,p)理论方法进行了分子的结构优化,稳定态采用“无虚频”标准进行判断。在结构优化基础上,进行了前线轨道和分子表面静电势计算与分析。我们的计算方法是在原子层次上对结构进行的几何构型优化,并充分考虑了分子结构的对称性及电子结构对称性,而且借助密度泛函理论,在详细考察极化函数和弥散函数对分子结构和电子结构影响的基础上,优选6-311++G(2d,p)基组进行的计算,因而大大提高了模型描述符包括HOMO轨道的能级、负表面静电势的全局最小值Vs,min及负表面静电势统计量的计算精度。
借助Origin6.0软件进行多元线性回归(MLR),采用内部验证与外部验证相结合的方法对模型进行验证。内部验证采用留一法交互验证(Ieave-one-out,L00),同时使用测试集对模型进行外部验证。
2模型及其验证结果分析
所得到的7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物抗氧化活性预估模型见表2和表3。表2给出了7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物分别与三种阳性菌株抗菌性测试值pMIC与HOMO轨道的能级及负表面静电势的全局最小值Vs,min之间的QSAR模型;表3给出了7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物分别与三种阳性菌株抗菌性测试值pMIC与HOMO轨道的能级及负表面静电势统计量σ2之间的QSAR模型。对于如下得到的模型,除特别说明,参加回归分析的样本容量均为15。
表2 7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物分别与三种阳性菌株抗菌性测试值pMIC以及与负表面静电势的全局最小值Vs,min有关的计算
(1)阳性菌株Staphylococcus aureus subsp.Aureusd的QSAR模型
与阳性菌株Staphylococcus aureus subsp.Aureusd有关的QSAR模型分别见由表2数值得到的模型(sa-1)和表3数值得到的模型(sa-2):
pMIC sa=-21.81HOMO energy+0.04791Vs,min-136.40 (sa-1)
其中,R2=0.6283,F=17.9025,p<0.0001
其中,R2=0.6409,F=19.0010,p<0.0001
pMIC sa=-3.6847HOMO energy-28.9669 (文献Rajnish)
其中,n=21,R2=0.538,F=22.238,p<0.0002
为验证模型的真实可靠性,使用留一法对模型(sa-1)和(sa-2)进行内部验证,模型具有可靠性,不存在过拟合现象。对于模型(sa-1),由于化合物2、7、13和15的偏差值较大,任意去掉一个,R2的值大大增加。例如去掉15,R2的值变为0.6979。使用测试集(No.16~No.21)对模型进行外部验证,可得模型(sa-1)和(sa-2)平均预测绝对误差分别为0.236和0.307,具有较好的预测精度,该活性预测模型稳定可靠,同时具有较好的外部预测能力。
与文献模型[Rajnish K et al.,European Journal of Medicinal Chemistry46(2011)3543-3550]比较,模型(sa-1)和(sa-2)的R2值均较大,且p值结果小于文献模型。这表明,考虑了负表面静电势的全局最小值Vs,min和负表面静电势统计量的QSAR方程更适合于7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物对阳性菌株Staphylococcus aureussubsp.Aureusd抗菌活性的预估。
(2)阳性菌株Bacillus subtilis的QSAR模型
与阳性菌株Bacillus subtilis有关的QSAR模型分别见由表2数值得到的模型(bs-1)和表3数值得到的模型(bs-2):
pMIC bs=-24.27HOMO energy+0.05518Vs,min-152.07 (bs-1)
其中,R2=0.6824,F=22.4860,p<0.0001
其中,R2=0.6127,F=16.8203,p<0.0001
pMIC bs=-4.5854HOMO energy-36.7704 (文献Rajnish)
其中,n=21,R2=0.703,F=45.159,p<0.0001
为验证模型的真实可靠性,使用留一法对模型(bs-1)和(bs-2)进行内部验证,模型具有可靠性,不存在过拟合现象。对于模型(bs-1),由于化合物1、4、8和13的偏差值较大,任意去掉一个,R2的值大大增加。例如去掉13,R2的值变为0.7324。使用测试集(No.16-No.21)对模型进行外部验证,可得模型(bs-1)和(bs-2)平均预测绝对误差分别为0.261和0.262,具有较好的预测精度,该活性预测模型稳定可靠,同时具有较好的外部预测能力。
与文献模型[Rajnish K et al.,European Journal of Medicinal Chemistry46(2011)3543-3550]比较,模型(bs-1)和(bs-2)的R2值均偏小。这表明,考虑了负表面静电势的全局最小值Vs,min和负表面静电势统计量的QSAR方程使7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物对阳性菌株Bacillus subtilis抗菌活性的预估变得更差。因而,对于7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物对阳性菌株Bacillus subtilis抗菌活性的预估,可不用考虑表面静电势。
(3)阳性菌株Gram negative bacterium Escherichia coli的QSAR模型
与阳性菌株Gram negative bacterium Escherichia coli有关的QSAR模型分别见由表2数值得到的模型(ec-1)和表3数值得到的模型(ec-2):
pMIC ec=-11.74HOMO energy+0.01184Vs,min-72.70 (ec-1)
其中,R2=0.4071,F=7.86686,p<0.0040
其中,R2=0.4004,F=7.6772,p<0.0040
pMIC ec=-4.2824HOMO energy-34.1193 (文献Rajnish)
其中,n=21,R2=0.562,F=24.448,p<0.0001
由模型(ec-1)和(ec-2)可以看出,R2过小。而且与文献模型[Rajnish K et al.,European Journal of Medicinal Chemistry 46(2011)3543-3550]比较,模型(ec-1)和(ec-2)的R2值均偏小。这表明,考虑了负表面静电势的全局最小值Vs,min和负表面静电势统计量的的QSAR方程使7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物对阳性菌株Gramnegative bacterium Escherichia coli抗菌活性的预估变得更差。因而,对于7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物对阳性菌株Gram negative bacterium Escherichia coli抗菌活性的预估,可不用考虑表面静电势。
3模型的用途
由于考虑了负表面静电势的全局最小值Vs,min和负表面静电势统计量与以往文献相比,该模型更适合于7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物对阳性菌株Staphylococcus aureus subsp.Aureusd抗菌活性的预估。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (1)
1.一种7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物抗菌活性预估方法,其特征在于:采用基于负表面静电势的全局最小值Vs,min和负表面静电势统计量的7-[4-(5-芳基-1,3,4-噁二唑)]哌嗪衍生物对阳性菌株Staphylococcus aureus subsp.Aureusd抗菌活性的预估模型;所述预估模型为:
pMIC sa=-21.81HOMO energy+0.04791Vs,min-136.40;
其中,R2=0.6283,F=17.9025,p<0.0001,HOMO energy为HOMO轨道的能级,Vs,min为负表面静电势的全局最小值;
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