專利名稱：花色苷抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系模型的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種花色苷抗氧化劑抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系模型的構(gòu)建方法及應(yīng)用，具體涉及利用已知活性的花色苷物質(zhì)為研究對象，構(gòu)建抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系的方法，并且利用構(gòu)建的模型進(jìn)行未知化合物活性的預(yù)測和構(gòu)效關(guān)系的合理闡釋。
背景技術(shù)：
自由基是生物體生命活動中產(chǎn)生的一種中間產(chǎn)物。機體在正常情況下，自由基的產(chǎn)生和消除處于動態(tài)平衡中，但是若體內(nèi)自由基產(chǎn)生過多或是沒有及時清除，過多的自由基就會對機體有破壞作用，導(dǎo)致人體正常細(xì)胞和組織的損壞，從而引起很多疾病，如心血管疾病、衰老、腫瘤、老年癡呆癥等。鑒于過量的自由基對機體的損傷，所以必須有一些能夠減輕或消除自由基危害的物質(zhì)，起到抗氧化性，那這類物質(zhì)就是抗氧化劑?？寡趸瘎膹V義上講是指一切能夠直接清除自由基，或是抑制啟動自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，終止自由基反應(yīng)，或是可提高內(nèi)源性抗氧化物質(zhì)水平的化合物?？寡趸瘎┌雌鋪碓匆话惴譃閮深悾活愂呛铣煽寡趸瘎?，一類是天然抗氧化劑。目前常見的合成抗氧化劑有BHT(2，6-二叔丁基對甲酚)、BHA (丁香羥基茴香醚)、TBHQ (叔丁基對苯二酚)。合成抗氧化劑的抗氧化性很強，但是隨著人們認(rèn)識和研究的深入，這些物質(zhì)對人體能夠造成傷害，使得合成抗氧化劑在食品中的添加受到很大的限制，所以探索天然抗氧化劑成為一個研究趨勢。目前研究的可以作為天然抗氧化劑的物質(zhì)主要有多酚類、維生素類、多糖、萜類、黃酮類、多肽類等。這些物質(zhì)一般都是來源于植物，安全，無毒，作為功能食品營養(yǎng)因子而受到廣泛的研究。三維定量構(gòu)效關(guān)系模型是一種借助分子的理化性質(zhì)參數(shù)或是結(jié)構(gòu)參數(shù)，以數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)手段定量研究有機小分子與生物大分子相互作用、有機小分子在生物體內(nèi)吸收、分布、代謝、排泄等生理相關(guān)性質(zhì)的方法。目前廣泛使用的三維定量構(gòu)效關(guān)系研究方法主要有比較分子立場分析法(CoMFA)和分子相似性系數(shù)分析法(CoMSIA)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和理論計算模擬軟件的不斷開發(fā)，構(gòu)效關(guān)系的研究也得到了很大程度的發(fā)展。三維定量構(gòu)效關(guān)系主要是考慮了化合物分子的三維立體構(gòu)象，這對表征立體構(gòu)象對活性的影響很關(guān)鍵，其能更精確的反映分子在特定條件下的穩(wěn)定構(gòu)象和生物活性的關(guān)系，揭示分子的活性部位，進(jìn)而闡釋活性關(guān)系的機理。因此構(gòu)效關(guān)系研究在抗氧化活性方面正發(fā)揮著越來越重要的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)對抗氧化活性機理闡釋的不足，提供了一種花色苷抗氧化劑抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系模型的構(gòu)建方法及應(yīng)用。所述方法以已知活性和結(jié)構(gòu)的花色苷抗氧化劑為研究對象，利用三維定量構(gòu)效關(guān)系技術(shù)，采用分子力場法(CoMFA)和分子相似性系數(shù)分析法(CoMSIA)分析，通過分子構(gòu)象優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)建立準(zhǔn)確的花色苷抗氧化劑抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系模型。所構(gòu)建模型能夠快速預(yù)測未知活性化合物的活性，并且能夠合理闡釋花色苷抗氧化活性大小與其結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用以下方案:一種花色苷抗氧化劑抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟:(I)測定花色苷物質(zhì)的抗氧化活性大小，并將其隨機分組為測試集和訓(xùn)練集，生物活性指標(biāo)采用抗氧化活性的負(fù)對數(shù)表示；(2)使用軟件分析獲得訓(xùn)練集和測試集中的化合物的三維空間結(jié)構(gòu)，經(jīng)構(gòu)象優(yōu)化獲得優(yōu)化的三維空間結(jié)構(gòu)模型；(3)以步驟(2)中優(yōu)化得到的三維空間結(jié)構(gòu)模型的公共剛性骨架為基礎(chǔ)，以訓(xùn)練集中抗氧化活性最大的分子為模板進(jìn)行分子疊合；(4)用小分子探針?biāo)褜くB合后化合物周圍的力場信息計算力場值；(5)對步驟(4)獲得的力場信息與訓(xùn)練集中的化合物的生物活性值進(jìn)行偏最小二乘法回歸，獲得花色苷物質(zhì)抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系模型。所述步驟(2)中使用軟件分析獲得化合物的三維空間結(jié)構(gòu)，所述軟件是指SYBYL-X1.2軟件；所述步驟(2)中的構(gòu)象優(yōu)化是使用Tripos力場進(jìn)行優(yōu)化，添加Gasteiger-Hiickel電荷，能量收斂限為0.005kcal/mol,最大迭代次數(shù)為1000次；所述步驟(3)中所采用的疊合方法為Align Database方法；所述步驟(4)中所采用的小分子探針為SP3雜化的碳原子；所述步驟(4)中所計算的力場值為CoMFA或CoMSIA力場值；所述步驟(5)中對力場信息與訓(xùn)練集中的化合物的生物活性值進(jìn)行偏最小二乘法回歸，以交叉驗證系數(shù)q2大于0.5，非交叉驗證系數(shù)r2大于0.8為表征模型的合理性。在一較佳實施方式中，所述構(gòu)建方法包括以下具體步驟:(I)根據(jù)酚類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點和活性大小，對25個花色苷物質(zhì)隨機分組，選取18個化合物作為訓(xùn)練集，剩下的7個組成測試集(見表I);生物活性指標(biāo)采用氧化自由基吸收能力(Oxygen Radical Absorption Capacity, ORAC) 0RAC,即相當(dāng)于 Trolox 的相當(dāng)量(μ mole Trolox/mole)來計算；(2)分子優(yōu)化:用SYBYLX-1.2分析軟件構(gòu)建訓(xùn)練集和測試集中化合物的三維空間結(jié)構(gòu)。選用Tripos立場下的Powell方法，電荷類型為Gasteiger-Hiickel,能量收斂限為0.005kcal/mol，最大迭代次數(shù)為1000次；其他參數(shù)選用默認(rèn)值，進(jìn)行分子優(yōu)化，尋找每個分子的最優(yōu)構(gòu)象；(3)分子疊合:分子優(yōu)化后得到每個分子的最優(yōu)構(gòu)象，選取訓(xùn)練集中活性最高的化合物作為模板分子，以苯環(huán)為公共骨架，采用Align Database方法進(jìn)行分子疊合；(4)力場能量計算:利用Sp3雜化的碳原子做小分子探針基團(tuán)，計算在每個空間網(wǎng)格點上探針基團(tuán)與每個分子的相互作用能量，即得到疊合后化合物周圍的力場能量信息；(5)模型建立:上述得到的力場能量值與訓(xùn)練集中化合物的生物活性值進(jìn)行偏最小二乘法回歸，首先采用抽一化法進(jìn)行交叉驗證分析(leave-one-out),得到交叉驗證相關(guān)系數(shù)q2和最佳主成分?jǐn)?shù)n，然后利用得到的最佳主成分?jǐn)?shù)進(jìn)行非交叉驗證分析(No-Validation)，獲得花色苷抗氧化劑抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系模型，以交叉驗證系數(shù)q2大于0.5，非交叉驗證系數(shù)r2大于0.8為表征模型的合理性，Q2值越高表示活性分析的能力越強。本發(fā)明的優(yōu)點是:1、采用SYBYL軟件，通過CoMFA和CoMSIA方法建立了花色苷抗氧化劑抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系模型，建立的模型具有較好的預(yù)測能力。2、利用所建立的三維定量構(gòu)效關(guān)系模型，可以很好的預(yù)測未知化合物的活性，能夠合理闡釋花色苷抗氧化活性機理。
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明進(jìn)行具體描述，但是本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的實施方式。實施例1:選取25種花色苷化合物(表I)作為研究對象，測定25種物質(zhì)清除氧自由基的能力，以氧化自由基吸收能力(Oxygen Radical Absorption Capacity, 0RAC)為生物活性指標(biāo)；在測定了抗氧化活性的25種化合物中隨機選取18種作為訓(xùn)練集(表1)，7種作為測試集，將25種化合物進(jìn)行分組；在SYBYL X-1.2軟件下，繪制該25種花色苷化合物的結(jié)構(gòu)圖；選用Tripos立場下的Powell方法，電荷類型為Gasteiger-Hiickel,進(jìn)行分子優(yōu)化,得到每個分子的最優(yōu)構(gòu)象；在訓(xùn)練集化合物中選取活性最高的化合物作為模板分子(表I中化合物7),選用苯環(huán)為公共骨架,采用Align Database方法進(jìn)行分子疊合；計算CoMFA力場值，包括立體場效應(yīng)和靜電場效應(yīng)值，利用Sp3雜化的碳原子作為探針基團(tuán)，計算在每個空間網(wǎng)格點上探針基團(tuán)分別與18個分子的相互作用能量，此能量值為所計算的力場能量信息；采用偏最小二乘法對立體場效應(yīng)值和靜電場效應(yīng)值與化合物的活性值進(jìn)行回歸，得到交叉驗證系數(shù)q2值為0.857,最佳主成分?jǐn)?shù)為4,非交叉驗證系數(shù)r2值為0.957,標(biāo)準(zhǔn)差s為0.153,F檢驗值為73.267 ;獲得花色苷抗氧化劑抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系CoMFA模型。即從立體場效應(yīng)和靜電場效應(yīng)考慮抗氧化活性和花色苷結(jié)構(gòu)的關(guān)系，利用得到的場效應(yīng)等勢圖合理解釋抗氧化活性機理。通過對測試集中7個化合物活性值的預(yù)測，很好的驗證了模型的準(zhǔn)確性和較好的預(yù)測能力，參見表I。實施例2:選取25種花色苷化合物作為研究對象(表1)，測定25種物質(zhì)清除氧自由基的能力，以氧化自由基吸收能力(Oxygen Radical Absorption Capacity, ORAC)為生物活性指標(biāo)；在測定了抗氧化活性的25種化合物中隨機選取18種作為訓(xùn)練集，7種作為測試集；在SYBYL X-1.2軟件下，繪制各化合物的三維空間結(jié)構(gòu)；選用Tripos立場下的Powell方法，電荷類型為Gasteiger-HUckel，其他參數(shù)同實施例1，進(jìn)行分子優(yōu)化，得到每個分子的最優(yōu)構(gòu)象；對得出的分子最優(yōu)構(gòu)象進(jìn)行疊合，在訓(xùn)練集化合物中選取活性最高的化合物作(表I中化合物7)為模板分子，選用苯環(huán)為公共骨架，采用Align Database方法進(jìn)行分子疊合；計算分子相似性系數(shù)CoMSIA力場值，包括立體場效應(yīng)和靜電場效應(yīng)值，疏水場效應(yīng)值，氫鍵受體場和氫鍵供體場效應(yīng)值利用SP3雜化的碳原子作為探針基團(tuán)，計算在每個空間網(wǎng)格點上探針基團(tuán)分別與18個分子的相互作用能量，此能量值為所計算的力場能量信息；采用偏最小二乘法對5個效應(yīng)場值分別與化合物的活性值進(jìn)行回歸，得到交叉驗證系數(shù)q2值為0.729，最佳主成分?jǐn)?shù)為4，非交叉驗證系數(shù)r2值為0.856，標(biāo)準(zhǔn)差s為0.134，F(xiàn)檢驗值為
19.247 ;獲得花色苷抗氧化劑抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系CoMSIA模型，即從立體場效應(yīng)和靜電場效應(yīng)，疏水場效應(yīng)，氫鍵受體場和氫鍵供體場效應(yīng)考慮抗氧化活性和花色苷結(jié)構(gòu)的關(guān)系，利用得到的場效應(yīng)等勢圖合理解釋抗氧化活性和花色苷結(jié)構(gòu)的關(guān)系。最后通過對測試集中7個化合物活性值的進(jìn)行預(yù)測，很好的驗證了模型的準(zhǔn)確性和較好的預(yù)測能力，參見表I。表I花色苷的分子結(jié)構(gòu)及ORAC活性測試值和預(yù)測值
權(quán)利要求
1.一種花色苷抗氧化劑抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟: (1)測定花色苷物質(zhì)的抗氧化活性大小，并將其隨機分組為測試集和訓(xùn)練集，生物活性指標(biāo)采用抗氧化活性的負(fù)對數(shù)表示； (2)使用軟件分析獲得訓(xùn)練集和測試集中的化合物的三維空間結(jié)構(gòu)，經(jīng)構(gòu)象優(yōu)化獲得優(yōu)化的三維空間結(jié)構(gòu)模型； (3)以步驟(2沖優(yōu)化得到的三維空間結(jié)構(gòu)模型的公共剛性骨架為基礎(chǔ)，以訓(xùn)練集中抗氧化活性最大的分子為模板進(jìn)行分子疊合； (4)用小分子探針?biāo)褜くB合后化合物周圍的力場信息計算力場值； (5)對步驟(4)獲得的力場信息與訓(xùn)練集中的化合物的生物活性值進(jìn)行偏最小二乘法回歸，獲得花色苷物質(zhì)抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系模型。
2.按權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟(2)中使用軟件分析獲得化合物的三維空間結(jié)構(gòu)，所述軟件是指SYBYL-X1.2軟件。
3.按權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟(2)中的構(gòu)象優(yōu)化是使用Tripos力場進(jìn)行優(yōu)化,添加Gasteiger-Hiickel電荷，能量收斂限為0.005kcal/mol,最大迭代次數(shù)為1000次。
4.按權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟(3)中所采用的疊合方法為Align Database 方法。
5.按權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟(4)中所采用的小分子探針為Sp3雜化的碳原子。
6.按權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟(4)中所計算的力場值為CoMFA或CoMSIA力場值。
7.按權(quán)利要求1所述的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟(5)中對力場信息與訓(xùn)練集中的化合物的生物活性值進(jìn)行偏最小二乘法回歸，以交叉驗證系數(shù)q2大于0.5，非交叉驗證系數(shù)r2大于0.8為表征模型的合理性。
8.按權(quán)利要求1-7任一所述的構(gòu)建方法，其中所述方法包括以下具體步驟: (1)根據(jù)酚類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點和活性大小，對表I中25個花色苷物質(zhì)隨機分組，選取18個化合物作為訓(xùn)練集，剩下的7個組成測試集；生物活性指標(biāo)采用氧化自由基吸收能力ORAC來計算； (2)分子優(yōu)化:用SYBYLX-1.2分析軟件構(gòu)建訓(xùn)練集和測試集中化合物的三維空間結(jié)構(gòu)。選用Tripos立場下的Powell方法，電荷類型為Gasteiger-Hiickel,能量收斂限為.0.005kcal/mol，最大迭代次數(shù)為1000次；其他參數(shù)選用默認(rèn)值，進(jìn)行分子優(yōu)化，尋找每個分子的最優(yōu)構(gòu)象； (3)分子疊合:分子優(yōu)化后得到每個分子的最優(yōu)構(gòu)象，選取訓(xùn)練集中活性最高的化合物作為模板分子，以苯環(huán)為公共骨架，采用Align Database方法進(jìn)行分子疊合； (4)力場能量計算:利用Sp3雜化的碳原子做小分子探針基團(tuán)，計算在每個空間網(wǎng)格點上探針基團(tuán)與每個分子的相互作用能量，即得到疊合后化合物周圍的力場能量信息； (5)模型建立:上述得到的力場能量值與訓(xùn)練集中化合物的生物活性值進(jìn)行偏最小二乘法回歸，首先采用抽一化法進(jìn)行交叉驗證分析，得到交叉驗證相關(guān)系數(shù)q2和最佳主成分?jǐn)?shù)n，然后利用得到的最佳主成分?jǐn)?shù)進(jìn)行非交叉驗證分析，獲得花色苷抗氧化劑抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系模型，以交叉驗證系數(shù)q2大于0.5，非交叉驗證系數(shù)r2大于0.8為表征模型的合理性，Q2值 越高表示活性分析的能力越強。
全文摘要
本發(fā)明涉及花色苷抗氧化劑抗氧化活性三維定量構(gòu)效關(guān)系模型的構(gòu)建方法，所述方法以已知活性的花色苷抗氧化劑為研究對象，利用三維定量構(gòu)效關(guān)系技術(shù)，建立花色苷抗氧化劑三維定量構(gòu)效關(guān)系模型，采用分子力場法和分子相似性系數(shù)分析法分析、分子構(gòu)象優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)建立準(zhǔn)確的構(gòu)效關(guān)系模型。所構(gòu)建模型能夠快速預(yù)測未知活性化合物的活性值，并且能夠合理闡釋花色苷抗氧化活性大小與其結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系。
文檔編號G06F19/00GK103093100SQ20131002209
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者敬璞, 李平凡, 錢柄俊, 隋中泉, 趙淑娟 申請人:上海交通大學(xué)