波谱学杂志, 2021, 38(3): 313-322 doi: 10.11938/cjmr20202874

研究论文

盐酸四环素中可交换氢和氢键的核磁共振波谱研究

谢金华1, 王乐,1, 刘盼1, 苏稀琪1, MINGLi-June2,3

1. 上海工程技术大学 化学化工学院, 上海 201620

2. Department of Chemistry, University of South Florida, Tampa, FL 33620-5250

3. 宁波大学 新药技术学院, 浙江 宁波 315211

An NMR Spectroscopy Study on the Exchangeable Protons and Hydrogen Bonds in Tetracycline Hydrochloride

XIE Jin-hua1, WANG Le,1, LIU Pan1, SU Xi-qi1, MING Li-June2,3

1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China

2. Department of Chemistry, University of South Florida, Tampa, FL 33620-5250, USA

3. Institute of Drug Discovery Technology, Ningbo University, Ningbo 315211, China

通讯作者: 王乐, Tel: 13701962512, E-mail:wangle316@sues.edu.cn

收稿日期: 2020-11-19  

Received: 2020-11-19  

摘要

四环素类抗生素是一类广谱抗生素,对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、支原体、衣原体和立克次体感染均具有抗菌活性.本文运用一维(1D)和二维(2D)核磁共振(NMR)技术对盐酸四环素中可交换氢和氢键进行研究,并将研究结果与RNA和蛋白质结合的四环素以及游离药物的晶体结构进行比较,进一步讨论了药物中的氢键构架与药物活性的相关性.最后对盐酸四环素及其同系物的1H和13C NMR信号进行了全归属和分析,并对文献归属结果进行了细微校正.这些结果有助于进一步探索该类药物在更复杂的生物或环境系统中的构效关系.

关键词: 核磁共振 ; 四环素 ; 交换氢 ; 氢键

Abstract

Tetracyclines are a class of broad-spectrum antibiotics that have antibacterial activities against Gram-positive and Gram-negative bacteria, including Mycoplasma, Chlamydia, and Rickettsia. In this paper, we report the one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) nuclear magnetic resonance (NMR) studies on the exchangeable protons and hydrogen bound in tetracycline hydrochloride (TC). The NMR results were compared with the results obtained from the crystal structures of free tetracycline and RNA- and protein-bound complexes. The H-bonding frameworks in the drug and their correlation with drug activity were discussed. The1H and 13C NMR signals of TC and its derivatives were fully assigned and interpreted, and the misassigned signals in previous reports were corrected. The results of this study could be conducive to further exploration of the structure-function correlation of this drug family in more complex biological and environmental systems.

Keywords: NMR ; tetracycline ; exchangeable protons ; hydrogen bond

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本文引用格式

谢金华, 王乐, 刘盼, 苏稀琪, MINGLi-June. 盐酸四环素中可交换氢和氢键的核磁共振波谱研究. 波谱学杂志[J], 2021, 38(3): 313-322 doi:10.11938/cjmr20202874

XIE Jin-hua. An NMR Spectroscopy Study on the Exchangeable Protons and Hydrogen Bonds in Tetracycline Hydrochloride. Chinese Journal of Magnetic Resonance[J], 2021, 38(3): 313-322 doi:10.11938/cjmr20202874

引言

四环素类抗生素(图 1[1]对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和其他微生物(衣原体和肺炎支原体等)都具有活性,是一类重要的广谱抗菌药物[2-5]. 四环素类抗生素的构效关系研究表明,其抗菌活性主要受线性排列的四个环影响,如A环中1~4位的取代基是抗菌活性的必要药效基团;11位和12位的结构,以及OH-10对抗菌活性至关重要;5~9位的取代基为此类抗生素的非活性必需基团. 因此,四环素类抗生素的修饰研究也多集中在5~9位上,基于此研发的第二代和第三代四环素抗生素均呈现出良好的抗菌活性和耐药性[1, 6]. 因此,确定这些重要位点及其衍生物的波谱特征,更能深入了解它们的结构与功能的相关性.

图1

图1   盐酸四环素类衍生物结构式:盐酸甲稀土霉素(1A),R1=OH,R2/R3=CH2;盐酸土霉素(1B),R1=R3=OH,R2=Me;盐酸四环素(1C),R1=H,R2=Me,R3=OH

Fig.1   Structural formula of tetracycline hydrochloride derivatives. Metacycline hydrochloride (1A): R1=OH, R2/R3=CH2; Oxytetracycline hydrochloride (1B): R1=R3=OH, R2=Me; Tetracycline hydrochloride (1C): R1=H, R2=Me, R3=OH


随着四环素类抗生素相关研究的不断深入,研究人员陆续发现四环素类药物呈现多种明显的非抗菌性能,包括抗炎和抗凋亡活性[7, 8],以及对神经退行性疾病[9, 10]和肿瘤转移的抑制作用[11]. 此外,研究还发现四环素类抗生素也可与金属和小分子形成不同的络合物,并且络合物也呈现出特殊的生物学作用[12-14]. 上述结果表明了解药物结构与各种活性之间的相关性至关重要. 由于四环素类抗生素在兽药和人类医学中的过度使用[15],在越来越多的环境体系中发现了四环素类抗生素的存在[16],这对动物和人类健康均可能产生很大影响[16-18]. 然而,目前对其相互作用机制的研究大部分停留在生物活性方面,而有关化学作用机制的研究很少. 对四环素类抗生素化学结构及与其它分子作用的详细研究,可对其化学作用机制的研究提供理论基础.

核磁共振(NMR)技术是目前用于化合物结构鉴定的重要方法之一. 1D和2D NMR,以及与其它分析技术的结合常用于对化合物的结构进行精细确认. 盐酸四环素自从20世纪40年代发现以来虽有众多相关研究报道[19-22],然而目前关于盐酸四环素化学结构的NMR数据归属仍不完善,对交换氢的指认不够明确,尤其对OH-3、OH-6、OH-12a的归属没有明确报道,对其在结构中的重要性及所表现出来的复杂NMR行为也无法给出合适解释. 基于此,本文运用基础的1D(1H NMR、13C NMR和DEPT)和2D(1H-1H COSY、1H-1H EXSY、1H -13C HMQC和1H -13C HMBC)对盐酸四环素的交换氢和其参与的氢键进行深入探讨,最终对其1H NMR和13C NMR信号进行了全归属和解释. 此研究结果可对四环素类抗生素在复杂体系中构效关系的研究提供基础,这对于将来进一步深入探索其与各种生物分子和靶标的相互作用将有一定促进作用.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

DMSO-d6、D2O、CoCl2·6H2O、盐酸四环素(上海泰坦科技股份有限公司,纯度 > 97%)、盐酸土霉素(上海泰坦科技股份有限公司,纯度 > 98%)和盐酸甲稀土霉素(上海泰坦科技股份有限公司,纯度 > 98%)均从商业渠道购得.

1.2 实验仪器与实验条件

1D NMR和2D NMR实验均在德国Bruker Avance II 400 MHz NMR谱仪上采用标准脉冲程序完成. 以四甲基硅烷(TMS)为内标.1H核和13C核的工作频率为400.13 MHz和100.61 MHz,实验温度为25 ℃.1H NMR和13C NMR的谱宽分别为12 019.13 Hz和30 186.09 Hz,扫描次数分别为64和2 048;DEPT 90及DEPT 135扫描次数均为256,谱宽为30 186.09 Hz.二维谱(包括1H-1H COSY、1H-1H EXSY、1H -13C HMQC和1H -13C HMBC)均采用标准脉冲程序.1H-1H COSY的F21H)和F11H)维谱宽皆为12 019.13 Hz,采样数据点阵t2×t1=2 048×128,扫描次数为8;1H-1H EXSY的F21H)和F11H)维谱宽均为12 019.13 Hz(d1=0.8 s,d8=0.8 s),采样数据点阵t2×t1=2 048×256,1H -13C HMQC的F21H)和F113C)维谱宽分别为12 019.13 Hz和30 186.09 Hz,采样数据点阵t2×t1=1 024×128,扫描次数为16;1H -13C HMBC的F21H)和F113C)维谱宽分别为12 019.13 Hz和30 186.09 Hz,采样数据点阵t2×t1=4 096×128,1H-13C远程偶合常数设定8 Hz(CNST13=8),扫描次数为16;除非有特别说明,否则所有化合物均在DMSO-d6中测试.

2 结果与讨论

2.1 盐酸四环素及其衍生物中1H NMR信号的归属

2.1.1 盐酸四环素及其衍生物中不可交换氢信号的归属

我们首先结合文献[19-22]1H NMR谱图[图 2(c)]对盐酸四环素(1C)的非交换氢进行了具体归属:δH 4.34(s,H-4),δH 2.84~2.90(m,H-4a,H-5a,H-NMe2),δH 2.21(dd,J=8.9/3.1 Hz,H-5eq),δH 1.79(q,J=13.2 Hz,H-5ax),δH 1.53(s,H-Me-6),δH 7.12(d,J=7.6 Hz,H-7),δH 7.56(dd,J=8.0/8.0 Hz,H-8),δH 6.94(d,J=8.3 Hz,H-9).上述结果也与1H-1H COSY(图S1,扫描文章首页OSID码,或在文章网页版查看附件)谱图相符.在1H-1H COSY谱图中,可以明显发现H-4a与H-5之间的耦合,也明显看到4(H)-4a(H)-5(H)轴向构象关系. 较弱的相关用黑色实线表示5-CH2中的赤道(平伏键)质子H-5eq,较强的相关用黑色虚线表示轴向(直立键)质子H-5ax.这种构象与晶体学测定的核糖核酸(RNA)和蛋白质结合四环素的构象一致[23, 24],(详见2.3讨论部分).

图2

图2   盐酸四环素及其衍生物的1H NMR谱图.(a)盐酸甲烯土霉素;(b)盐酸土霉素;(c)盐酸四环素;(d)盐酸四环素(0.02 mmol)中加入5.5 mmol D2O;(e)向盐酸四环素中加入一当量钴离子(CoCl2·6H2O).(e)中的一些小信号是由质子与络合的顺磁Co2+耦合产生,(a)图中δH 1.06和3.44为商业残余乙醇;图中S表示溶剂峰,W表示水峰,*表示可交换氢

Fig.2   1H NMR spectra of tetracycline hydrochloride and its derivatives. (a) Metacycline hydrochloride; (b) Oxytetracycline hydrochloride; (c) Tetracycline hydrochloride; (d) Tetracycline hydrochloride (0.02 mmol) in DMSO-d6 after addition of 5.5 mmol D2O; (e) Tetracycline hydrochloride plus one equivalent cobalt ion (CoCl2·6H2O). Some minor signals in Fig. (e) are due to protons hyperfine-coupled with the bound paramagnetic Co2+; The two signals at δH 1.06 and 3.44 in Fig. (a) are ethanol residuals from the manufacturer. S represents the solvent peak, W represents the water peak, and * represents exchangeable hydrogen


同时,我们也测试和分析了盐酸四环素的衍生物盐酸土霉素[图 2(b)]与盐酸甲稀土霉素[图 2(a)]的NMR谱图,并结合文献[19, 21, 22]归属了它们的非交换氢.盐酸土霉素非交换氢具体归属如下:δH 4.58(s,H-4),δH 2.79~2.88(m,H-4a,H-5a,H-NMe2),δH 3.72(dd,J=10.2/9.4 Hz,H-5),δH 1.68(s,H-Me-6),δH 7.07(d,J=7.6 Hz,H-7),δH 7.52(dd,J=8.0/8.0 Hz,H-8),δH 6.90(d,J=8.3 Hz,H-9).盐酸甲稀土霉素非交换氢也可具体归属如下:δH 4.71(s,H-4),δH 3.02(d,J=11.4 Hz,H-4a),δH 2.80(s,H-NMe2),δH 3.76(dd,J=10.4/9.6 Hz,H-5),δH 3.60(d,J=8.9 Hz,H-5a),δH 5.54(s,=CH2-6),δH 5.42(s,=CH2'-6),δH 7.12(d,J=7.2 Hz,H-7),δH 7.57(dd,J=8.0/8.0 Hz,H-8),δH 6.95(d,J=8.4 Hz,H-9).

2.1.2 盐酸四环素可交换氢信号的归属

盐酸四环素结构具有8个可交换氢(OH-3、OH-6、OH-10、OH-12、OH-12a、CONH2、NH+).为了确认可交换氢的NMR信号,我们进行了盐酸四环素重水氢交换实验. 由盐酸四环素(0.02 mmol)加入D2O(5.5 mmol)前后的1H NMR谱图[图 2(c)2(d)]对比发现,加入D2O后,盐酸四环素1H NMR中有8个信号消失,由此可确认这些信号为可交换氢.通过1H-1H EXSY谱图(图S2)也能直接确认盐酸四环素可交换氢位置,1H-1H EXSY谱图可明显看到8个可交换信号都与δH 3.30水峰相关.结合文献[20]可归属δH 9.12(s,CONH2)、δH 9.56(s,CONH2)、δH 11.81(s,OH-10)和δH 15.13(s,OH-12).然而文献的归属是由间接比对所得,其确切归属以及它们的构象和氢键在以往的研究中是未知的. 因此,本文研究对其进行明确的解释及确认,具体分析详见2.3节讨论部分.

然而,目前尚未有关于OH-3、OH-6、OH-12a的文献报道,本文将对其归属重点讨论. 首先,OH-6的归属可通过与盐酸四环素衍生物的对比进行确认. 盐酸四环素C-5位的质子被一个羟基取代衍生为盐酸土霉素,C-6位的两个取代基进一步改变后,衍生得到盐酸甲烯土霉素,通过对比三者的1H NMR谱图[图 2(a)~(c)]可知,δH 5.05归属为盐酸四环素中的OH-6,δH 5.00归属为盐酸土霉素中的OH-6.因为这个信号在盐酸土霉素中仍能检测到,但在盐酸甲烯土霉素中却未检出. 盐酸土霉素和盐酸甲烯土霉素的OH-5也可以通过比较确定. 盐酸土霉素和盐酸甲烯土霉素的OH-5也可以通过比较确定. δH 5.92归属为盐酸土霉素的OH-5,δH 6.34归属为盐酸甲烯土霉素的OH-5,δH 5.54与δH 5.42归属为盐酸甲烯土霉素中与C-6相连的CH2的两个质子.

为了确认OH-3与OH-12a的归属,我们测试了金属络合对盐酸四环素交换氢的影响[图 2(e)]. 加入易形成络合物的钴离子(CoCl2·6H2O)后,盐酸四环素在δH 7.47、δH 10.48和δH 5.05(OH-6)处的信号均受到影响. 金属结合形成过程,将会取代路易斯碱性弱结合位点上的质子,导致其信号强度降低.δH 10.48处的信号虽然向高场位移,但强度没有显著降低. 而δH 7.47处信号不仅移动,且信号强度相比δH 10.48降低更显著,因此δH 7.47可归属为OH-3,δH 10.48归属OH-12a. 盐酸四环素、盐酸土霉素、盐酸甲烯土霉素在DMSO-d6中的全部1H NMR信号归属完成,如表 1所示.

表1   盐酸四环素及其衍生物的NMR信号归属

Table 1  NMR signal assignments of tetracycline hydrochloride and its derivatives

Position1A/δH (J/HZ)1A/δC1B/δH (J/HZ)1B/δC1C/δH(J/HZ)1C/δC
1/192.7/193.7/194.0
2/95.4/96.0/96.2
3/187.8/187.6/187.8
44.71(s)65.84.58 (s)65.44.34 (s)68.7
4a3.02 (d, J=11.4 Hz)41.52.79~2.88 (m)42.32.84~2.90 (m)35.5
53.76 (dd, J=10.4/9.6 Hz)64.53.72 (dd, J=10.2/9.4 Hz)64.92.21 (dd, J=8.9/3.1 Hz, H-5eq)
1.79 (q, J=13.2 Hz, H-5ax)
27.5
5a3.60 (d, J=8.9 Hz)44.72.79~2.88 (m)50.42.84~2.90 (m)42.2
6/141.2/69.5/68.5
6a/143.7/149.3/148.5
77.12 (d, J=7.2 Hz)116.9**7.07 (d, J=7.6 Hz)115.4**7.12 (d, J=7.6 Hz)115.7**
87.57 (dd, J=8.0/8.0 Hz)137.67.52 (dd, J=8.0/8.0 Hz)137.07.56 (dd, J=8.0/8.0 Hz)137.1
96.95 (d, J=8.4 Hz)117.8**6.90 (d, J=8.3 Hz)117.5**6.94 (d, J=8.3 Hz)117.5**
10/161.3/161.7/161.9
10a/114.9/115.0/115.0
11/194.0/194.3/193.5
11a/105.7/105.9/107.4
12/174.2/174.2/175.6
12a/74.1/73.1/73.7
OH-37.57*/7.52*7.47*/
OH-1011.48/11.6111.81 (s)/
OH-1215.02/15.0615.13 (s)/
OH-12a10.21*/10.09*10.48*/
CONH29.57, 9.02172.29.52, 9.06172.69.56 (s), 9.12 (s)172.6
NH+15.83*16.28*16.41*
NMe22.80 (s)42.32.79~2.88 (m)42.72.84~2.90 (m)40.0
R16.34*/5.92*///
R25.54, 5.42114.31.68 (s)25.21.53 (s)23.1
R35.00*/5.05*/

* 为文献中未明确归属的碳氢信号;** 为文献中归属有误的碳信号

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2.2 盐酸四环素13C NMR信号的归属

为了对盐酸四环素的13C NMR信号进行归属,我们采集了13C NMR、DEPT 90、DEPT 135(图S3),以及1H-13C HMQC(图 3)和1H-13C HMBC(图 4)谱图.

图3

图3   盐酸四环素1H-13C HMQC谱图(DMSO-d6

Fig.3   1H-13C HMQC spectrum of tetracycline hydrochloride in DMSO-d6


图4

图4   1H-13C HMBC谱图(DMSO-d6,脉冲延迟时间为1.5 s,*表示没有被完全抑制的C-H耦合以双卫星峰出现)

Fig.4   1H-13C HMBC spectrum of tetracycline hydrochloride in DMSO-d6 with a pulse-delay time of 1.5 s to emphasize medium-strong coupling. * indicates that the strong C-H coupling doublets are not fully suppressed


1H-13C HMQC图谱可知:盐酸四环素中有9个碳原子直接与氢原子相连,这也可以用于验证溶剂可交换的质子的归属,因为它们不直接与碳原子相连. 具体解析如下:δC 68.7(C-4),δC 27.5(C-5),δC 23.1(C-Me-6),δC 137.1(C-8),δC 35.5(C-4a),δC 42.2(C-5a),δC 40.0(C-NMe2),上述归属与参考文献[25-28]一致.值得注意的是,我们也通过1H-13C HMBC对参考文献C-7和C-9的归属[25-28]进行了校正. 我们把C-7和C-9分别归属为δC 115.7(C-7),δC 117.5(C-9).

结合1H-13C HMBC(图 4)与DEPT 90/135(图S3),季碳被归属如下:δC 194.0(C-1),δC 96.2(C-2),δC 187.8(C-3),δC 68.5(C-6),δC 148.5(C-6a),δC 161.9(C-10),δC 115.0(C-10a),δC 193.5(C-11),δC 107.4(C-11a),δC 175.6(C-12),δC 73.7(C-12a),δC 172.6(C-CONH2).这些结果均在1H-13C HMBC谱中得到确认,并且提供了比文献[29]关于盐酸四环素衍生物米诺环素的研究更多的信息:在先前研究中,许多交叉峰,包括与OH-12相关的所有交叉峰和与H-9相关的3个交叉峰等并未被检测到.在1H-13C HMBC谱中,δH 7.12(H-7)与δC 193.5(C-11)、δC 161.9(C-10)、δC 115.0(C-10a)、δC 117.5(C-9)、δC 137.1(C-8)、δC 148.5(C-6a)、δC 68.5(C-6)远程相关;δH 6.94(H-9)与δC 193.5(C-11)、δC 161.9(C-10)、δC 115.7(C-7)、δC 148.5(C-6a)、δC 115.0(C-10a)、δC 73.7(C-12a)远程相关;δH 2.86(H-4a)与δC 194.0(C-1)、δC 187.8(C-3)、δC 42.2(C-5a)、δC 27.5(C-5)、δC 68.7(C-4)远程相关;δH 15.13(s,OH-12)与δC 73.7(C-12a)、δC 107.4(C-11a)、δC 175.6(C-12)、δC 193.5(C-11)远程相关;δH 11.81(s,OH-10)与δC 115.0(C-10a)、δC 161.9(C-10)、δC 193.5(C-11)、δC 137.1(C-8)远程相关;δH 9.12(s,NH2)与δC 96.2(C-2)、δC 172.7(C-CONH2)有较弱的远程相关,但δH 9.56(s,NH2)与δC 96.2(C-2)、δC 172.7(C-CONH2)有较强的远程相关. 此外,在1H-13C HMBC谱图中检测到的耦合及特定质子与其邻近的碳原子之间的构象具体分析,以及与单晶结构之比较,详见2.3节讨论部分.综上所述,盐酸四环素在DMSO-d613C NMR信号全部明确归属,同理盐酸甲烯土霉素(1A),盐酸土霉素(1B)的碳信号也被明确归属,相关图谱见附图S4和S5,具体归属详见表 1.

2.3 盐酸四环素结构的NMR谱图解释及其氢键研究

四环素可以与多种生物活性分子结合,包括RNA和蛋白质,如四环素可有效的结合信使RNA(mRNA)[23]、蛋白质延伸因子Tu[24]及四环素抑制因子tetR[30]等,且其单晶结构也被解出. 和RNA(紫色,蛋白质数据银行代号:1HNW)及延伸因子Tu(青色,蛋白质数据银行代号:2HDN)结合后的两个四环素结构重叠的立体图如图 5所示,其中B、C、D环构型几乎相同,A环的弯曲程度不同,且两者之2(C)-(CONH2)酰胺基有约180˚的偏差.而调整180˚后,2-N、O、3-C、O、4-N原子在这两个结构间依然有显著的平均偏差(0.160±0.070 nm),由图 5还可知盐酸四环素的H-4a、H-5a和H-5中的一个质子位于A-C环的轴向位置(直立键ax),而H-4和H-5中另一个质子位于赤道位置(平伏键eq).此外,其1H-1H COSY谱(图S1)也证实:H-4和H-4a之间弱耦合,H-5ax和H-4a及H-5a之间强耦合,从而确认H-5上两个质子的归属[图 2(c)]分别最终分别归属为平伏键H-5eq和直立键H-5ax,该结果与四环素及其衍生物单体晶体结构[31-37]类似.

图5

图5   和RNA(紫色,蛋白质银行代号:1HNW)及延伸因子Tu(青色, 蛋白质银行代号:2HDN)结合后的两个四环素结构重叠的立体图,左右两图为不同角度的立体视觉图[34, 35, 38],其中绿色细线是潜在的氢键. RNA结合结构中的2(C)-CONH2键旋转180°以与Tu结合结构中的2(C)-CONH2键一致

Fig.5   Relaxed-eye stereo view of superimposed tetracycline structures from tetracycline-bound RNA (purple; PDB ID: 1HNW) and elongation factor Tu (cyan; PDB ID: 2HDN). The left and right pictures are for relaxed-eye stereo view[34, 35, 38]. The 2(C)-CONH2 bond in the RNA-bound structure was rotated by 180° to be consistent with that in the Tu-bound structure. The thin green lines are potential H-bonds with proton donors adjusted to proper positions in the H-bond donor/acceptor pairs


由于1H-13C HMBC原理是根据Karplus方程测试远距离1H-13C耦合相关,进一步研究1H-13C HMBC图谱可发现四环素的立体构象可清晰确认.如图 4所示:平伏键H-5eq与C-11a和C-12a交叉峰强度相近,表明5eq(H)-5(C)-5a(C)-11a(C)和5eq(H)-4(C)-4a(C)-12a(C)的二面角相似,并且接近180˚,以提供较大的耦合常数,这两个耦合常数分别与这两个晶体结构中168˚和174˚的平均角一致(图 5).而直立键H-5ax与C-12a的交叉峰较弱,与C-11a未检测到交叉峰,表明二面角5ax(H)-5(C)-4a(C)-12a(C)小于5ax(H)-5(C)-5a(C)-11a(C),后者接近90˚,这两个较小耦合常数分别与这两个晶体结构中54˚和73˚的平均角一致(图 5[23, 24].H-4a和C-11之间的较大耦合和H-4a与C-12之间的弱耦合也分别与晶体结构中显示的反式和顺式构象一致. 同样,H-5a和C-12/C-11之间稍有不同,即二面角5a(H)-5a(C)-11a(C)-12(C)=102˚和5a(H)-5a(C)-11a(C)-11(C)=76˚,因此在1H-13C HMBC谱中观察到的耦合常数差别不大. 尽管一个分子在溶液中的结构可能与晶体结构不同,但在此用NMR测定的四环素溶液结构与由结晶学确定的四环素与RNA和蛋白质结合形式的两种结构是一致的. 然而,可交换氢的结构及它们作为药物的氢键作用并不能完全用结晶学方法解释,因此液体NMR技术成为研究它们的首选工具.

由于盐酸四环素特殊结构中有大量路易斯酸碱位点,可提供大量质子供体-受体对,而易形成氢键,OH-10至OH-12a及C-1至C-4(图 5[32-34].氢键的强度取决于质子供体-受体对的性质、距离和几何结构[39]1H NMR谱图的化学位移上也有明显体现. 查阅文献可知,当质子供体-受体形成距离较短的强氢键时,可形成较小能垒,且其化学位移较大,可达到或超过20 ppm[40, 41].比如图 5所示的两个晶体结构和金霉素与tetR结合后的结构[39].其潜在氢键供体/受体对的平均距离,从短到长依次为OH-12/CO-11(O-O,0.259 nm)、CONH2/CO-1(N-O,0.262 nm)、OH-10/CO-11(O-O,0.263 nm)、OH-12a/O-12(O-O,0.268 nm)、OH-3/CO-2(O-O,0.270 nm)和NH+/OH-3(N-O,0.291 nm);形成氢键的质子相应化学位移分别为δH 15.13、δH 9.56/9.12、δH 11.81、δH 10.48、δH 7.47和δH 16.41.分析结果可知:几个含氧原子的供体-受体对的氢键质子的化学位移明显与供体-受体的氧-氧(O-O)距离呈反比,而不参与氢键的OH-6的化学位移仅为δH 5.05.此外,在δH 10.48处检测到OH-12a,说明形成一个相对较强的氢键,与其固态结构一致. 同时,1H NMR信号的宽窄也能反映了质子与溶剂中的水分子交换速度,因此δH 10.48的OH-12a为快速交换质子;而处于低场δH 16.43的宽信号可归属为快速交换质子化胺(NH+),这也反映了该基团的酸性及其在3位和4位形成氢键的能力. 此外,常规酰胺-NH2和肽键的-NH往往在δH 5.5~8.5和δH 6.5~9.5的范围,而盐酸四环素酰胺-NH2向低场移至δH 9.56/9.12,说明它参与形成了较强的氢键.

进一步研究图 5中两种四环素结构可发现:其显著区别在于2-CONH2的彼此相对位置相差约180˚.然而与tetR[30]结合的四环素中的酰胺构象与Tu[24]蛋白结合的四环素中的酰胺构象相同,其中C=O指向适用于氢键的OH-3.OH-3相对于常规-OH(例如OH-6)向低场移动,表明其参与氢键形成,这也与它和tetR及Tu蛋白结合后的结构相符.因此,3-烯醇在本研究中被确定为金属结合位点,酰胺构象更有可能类似于Tu和tetR蛋白质结合的四环素中的构象,从而为金属通过两个氧原子结合提供了络合O=2'C–2C=3C–O−的位点.结合文献报道,如在蛋白质和RNA结合研究中11位和12位点显示可有效络合Mg2+[23, 24],而游离药物中的该位点受氢键构架保护;四环素类药物构效关系研究还表明10~12和1~3位的氢键构架对于药物的抗菌活性是必不可少的部分[42].因此,四环素的氢键架构研究为其药效活性研究及广泛应用提供重要理论基础.

3 结论

综上所述,本研究首先通过对盐酸四环素的1D NMR(1H NMR、13C NMR、DEPT)和2D NMR(1H-1H COSY、1H-1H EXSY、1H-13C HMQC、1H-13C HMBC)进行测试,然后结合文献对盐酸四环素进行了详细解析、明确及校正全谱归属;并将结果与蛋白质和RNA结合的四环素结构进行比较.同时,也对四环素衍生物盐酸土霉素和盐酸甲烯土霉素进行了1H和13C NMR信号归属.此外,研究了可交换氢的1H NMR化学位移变化,详细分析讨论了盐酸四环素中氢键的强度及架构也被.本研究有助于四环素类衍生物的相关结构鉴定,为其与复杂体系的化学作用机制研究提供了重要的参考依据.

附件材料附录

图S1 DMSO-d6溶液中盐酸四环素(1C)的1H-1H COSY谱图.

图S2 DMSO-d6溶液中盐酸四环素(1C)的1H-1H EXSY谱图

图S3 DMSO-d6溶液中盐酸四环素(1C)的13C NMR/DEPT谱图.

图S4 DMSO-d6溶液中盐酸甲烯土霉素(1A)的13C NMR谱图.

图S5 DMSO-d6溶液中盐酸土霉素(1B)的13C NMR谱图.

利益冲突【-逻*辑*与-】#160;【-逻*辑*与-】#160;


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