分子模擬在環(huán)糊精包合反應中的應用研究進展

黃 娟，李陶婷，于海燕，陳 臣，袁海彬，田懷香

（上海應用技術(shù)大學香料香精技術(shù)與工程學院，上海 201418）

環(huán)糊精（cyclodextrin，CD）自1891年被Villiers[1]發(fā)現(xiàn)至今100多年的明間，已被廣泛用于食品、醫(yī)藥、香料香精、化工等領(lǐng)域，其是一種由α-(1,4)糖苷鍵連接的D-吡喃型葡萄糖單元形成的環(huán)狀低聚物，結(jié)構(gòu)簡式如圖1所示，最常用的是聚合度分別為6、7、8的天然環(huán)糊精α-、β-、γ-CD，葡萄糖單元數(shù)目不同導致了它們在溶解度、空腔大小、旋光度和晶體形狀等方面性質(zhì)的不同[2]。

圖1 CD的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structural formula of CD

CD環(huán)是一個具有兩親性質(zhì)的錐形圓筒，外部（由羥基組成）親水、內(nèi)腔疏水，例如β-CD的空腔結(jié)構(gòu)如圖2所示。CD可以利用其空腔，通過分子間相互作用與非極性小分子化合物形成主-客體包合物，達到提升客體溶解度[3]和穩(wěn)定性、控制易揮發(fā)分子的釋放[4]、消除不良氣味[5]等目的。此外，其還有助于控制藥物的釋放[6]，在抗癌研究中表現(xiàn)出較強的細胞活力抑制作用[7]；改性CD羥丙基-β-CD（hydroxypropyl-β-cyclodextrin，HP-β-CD）可作為一種安全的賦形劑，提高抗病毒藥物的溶解度和治療性單克隆抗體的穩(wěn)定性，在針對新冠病毒的治療和預防中起到關(guān)鍵的作用[8]。

圖2 β-CD的結(jié)構(gòu)式Fig.2 Structural formula of β-CD

大多數(shù)情況下，CD與客體分子形成的包合物是無定形的[9]，具有高度無序性和動態(tài)性，定量描述CD和客體分子之間的相互作用對調(diào)控包合物的穩(wěn)定性至關(guān)重要，而準確把握包合物的幾何構(gòu)象是理解CD包合物中主-客體相互作用的關(guān)鍵[10]。

主客體間相互作用的考察可通過實驗表征及分子模擬實現(xiàn)。其中前者包括：紅外光譜分析、一維和二維核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）等；后者包括分子對接及分子動力學（molecular dynamics，MD）模擬等，通過上述兩種手段，可準確預測主客體結(jié)合穩(wěn)定構(gòu)象[11]，并運用一定算法獲得分子間相互作用。由于分子模擬具有成本低、分子間相互作用易獲得等優(yōu)點，已被廣泛用于CD包合客體過程中分子間相互作用的考察。目前針對分子模擬，已形成一系列的模型及算法，力場的細化、算法的改進、模擬方法的創(chuàng)新等方面均有了重大突破[12]，為從分子水平研究CD與客體包合機理、包合物結(jié)構(gòu)及性質(zhì)提供了極大便利。本文擬對分子模擬（主要為分子對接和MD模擬）在CD包合反應中的應用研究進展進行總結(jié)，并在此基礎上提出后續(xù)值得深入研究的方向，以期為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。

1 分子模擬概述

研究分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、相互作用等的分子模擬手段眾多，包括分子對接、MD、量子力學（quantum mechanics，QM）、分子力學及蒙特卡洛等。CD包合過程中應用最多的是前兩種，本文主要對這兩種方法在CD包合反應中的應用進行總結(jié)，簡述QM的應用，蒙特卡洛方法的相關(guān)介紹可參考文獻[13]。

1.1 量子力學

QM是利用分子軌道理論求解分子體系的薛定諤（Schrodinger）方程，可以得到分子軌道的波函數(shù)和相應的能量，進而得知分子的電子結(jié)構(gòu)和總能量。用于CD體系的QM技術(shù)包括半經(jīng)驗方法（semi-empirical）、密度泛函理論（density functional theory，DFT）和從頭算（ab initio）方法。

Djemil等[14]使用不同的QM方法研究多巴胺和腎上腺素/β-CD包合物的結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，客體的鄰苯二酚環(huán)通過分子間氫鍵進入β-CD的疏水空腔。計算速度更快，但精度略低的半經(jīng)驗方法可作為初步計算應用于各種大分子體系分子模擬[15]。半經(jīng)驗方法極大地簡化了計算工作量，包括薛定諤方程的求解計算，該方法所得到的數(shù)據(jù)具有定性和半定量的特點。

CD包合反應多采用半經(jīng)驗方法的高效參數(shù)化模型3（parameterize model 3，PM3）和高效參數(shù)化模型6（parameterize model 6，PM6）方法。Al Azzam等[16]使用PM3半經(jīng)驗方法的QM計算和分子對接計算模擬主客體包合作用，結(jié)果表明，與分子對接研究結(jié)果相比，PM3半經(jīng)驗方法更能準確定位最小能量構(gòu)象。Zhang Guangjie等[17]通過PM3計算得到反式茴香腦與CD包合物的能量最小化模式，PM3還可以計算所選的具有代表性的配合物結(jié)構(gòu)的熱力學參數(shù)[18]。

半經(jīng)驗PM6方法是研究CD包合物構(gòu)象的有力工具，可在MOPAC2012軟件包中實現(xiàn)，對CD體系具有較高的計算效率。PM6使用了以前使用的PM3哈密頓量的一種新的參數(shù)化[19]，可提供與DFT相當?shù)慕Y(jié)果。Simsek等[20]采用PM6方法尋找包合體系風味物質(zhì)/β-CD的最低能量結(jié)構(gòu)，對3 種酚類化合物與β-CD的包合物進行計算研究，找出了包合物的取向和相互作用位點，直觀說明了風味酚類/β-CD包合物的形成；Sinlikhitkul等[21]通過PM6方法完全優(yōu)化所有復雜的構(gòu)象，并用于進一步研究3 種不同CD與白花丹素之間的分子相互作用。

1.2 分子對接

分子對接是主客體間經(jīng)空間和能量匹配、相互識別形成包合物，并預測包合物結(jié)構(gòu)形成的過程，是了解小分子客體與主體之間相互作用的一種極其重要的方法[22]，它可以通過受體特征和受體-配體相互作用的建模來有效地預測結(jié)合位點和親和力[23-24]，通過分子間結(jié)合親和力或締合得分預測兩種分子結(jié)合的空間定位。此外，它還可以為表征分子間相互作用的熱力學和動力學變化提供參考[25]，不僅可以在分子水平上驗證實驗結(jié)果，而且對實驗具有指導意義。分子對接技術(shù)通常在MD模擬前進行，通過分子對接得到穩(wěn)定構(gòu)象后，將其應用于MD模擬中。

分子對接可以通過模擬配體與受體的自發(fā)結(jié)合過程來預測結(jié)合位置并闡明分子識別的機制[26]，在藥物設計研究中應用廣泛[27-28]，其還可以與MD、網(wǎng)絡藥理學、機器學習等其他技術(shù)相結(jié)合，提高模擬精度[29]。

1.3 分子動力學

MD模擬以分子力學為基礎，本質(zhì)上依賴于牛頓力學，通過求解運動學方程，計算出系統(tǒng)中每個粒子的運動軌跡，獲得能量最小解，并在此基礎上獲得表征分子結(jié)構(gòu)及分子間相互作用的參數(shù)，是目前一項比較成熟的技術(shù)，可用于研究幾乎任何溫度和壓力條件下，各種分子、混合物和包合物的性質(zhì)，為人們提供了一種在分子水平上理解化合物結(jié)構(gòu)和行為的手段，以此來確定結(jié)構(gòu)、能量和熱力學特性等。利用MD模擬可以有效地分析構(gòu)象波動在不同結(jié)合模式共存中的作用，研究包合的客體在不同宿主中的動態(tài)行為，并估計每種情況下的結(jié)合親和力[30]。

由于MD模擬高效、低成本和多功能的優(yōu)點，已被廣泛應用于材料科學[31]、生物學[32]和醫(yī)學領(lǐng)域[33]。此外，近年來在碳水化合物領(lǐng)域，關(guān)于MD模擬的研究也日益增多。

1.4 組合方法

分子模擬中，也可將上述方法結(jié)合，如將QM與MD模擬結(jié)合，稱為QM/MD，達到將精細尺度水平與更粗尺度結(jié)合進行研究的目的[34]。

周玉梅等[35]設計了一個MD/QM/連續(xù)介質(zhì)溶劑模型計算CD及其衍生物包合客體分子的能力。作者不僅計算了真空條件下包合物的能量，還考察了體系的溶劑效應，使CD/客體分子包合自由能的計算更為完善。

此外，多層的QM和分子力學的組合方法可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，為大分子體系的精確計算提供了可能，這種方法既能保持QM中從頭計算方法在性質(zhì)預測和反應計算中的可靠性，同明還具備分子力學在大分子體系中計算快速的特性[36]。

2 分子對接

2.1 模擬技術(shù)

2.1.1 基本原理

分子對接的基本流程如圖3所示。對接過程主要通過配體和受體之間的空間和能量匹配相互識別，以確定二者之間的最優(yōu)構(gòu)象。在配體與受體結(jié)合的過程中，結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)不斷變化，直到成功地建立穩(wěn)定的鍵，在此基礎上確定結(jié)合體系的電荷分布和構(gòu)型。受體與配體之間的相互作用包括氫鍵、靜電相互作用、范德華力和疏水相互作用。

圖3 分子對接的基本流程Fig.3 Flow chart of molecular docking

分子對接主要分為：1）剛性對接：研究體系的構(gòu)象不發(fā)生改變，它適用于大分子系統(tǒng)，如蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)[37]；2）半柔性對接：研究體系尤其是配體的構(gòu)象允許在一定范圍內(nèi)變化，適合于小分子和大分子的對接，如蛋白質(zhì)或核酸和小配體分子的對接[38]；3）柔性對接：研究體系的構(gòu)象可以自由變化，通常用于精確研究分子之間的相互作用[39]。

2.1.2 主流軟件

分子對接可通過專門軟件實現(xiàn)，自1982年第一個分子對接程序問世以來，分子對接軟件不斷涌現(xiàn)并更新。目前，最常用的對接軟件主要包括AutoDock[40]、DOCK[41]、GOLD[42]、Flexx[43]及AutoDock Vina[44]。

AutoDock是Olson在Scripps研究中心開發(fā)的分子對接軟件，由AutoGRID和AutoDock兩部分組成。AutoGRID用于計算晶格中包含的能級，而AutoDock主要用作確定最佳構(gòu)象和分數(shù)的搜索工具[40]。目前，AutoDock被廣泛用于自由分子對接，采用半柔性對接方法，主要用于蛋白質(zhì)和小分子的對接，可以改變小分子的構(gòu)象，適用于各種小分子。拉馬克遺傳算法可以進一步優(yōu)化對接過程，使操作方便快捷。于湛等[45]通過AutoDock模擬得到了2,6-二甲基-β-CD（2,6-di-methyl-β-cyclodextrin，DMβ-CD）/大豆苷元（daidzein，Dai）包合物能量最低的結(jié)構(gòu)。自動對接程序AutoDock Vina的設計基于AutoDock，但它表現(xiàn)出更高的對接精度和速度。此外，AutoDock Vina放棄了遺傳算法，并恢復到梯度優(yōu)化來建立最小點[44]。

DOCK是由加州大學Kuntz研究小組在1982年開發(fā)的第一個分子對接軟件，后續(xù)Allen團隊與Kuntz研究小組合作開發(fā)出DOCK 6。DOCK 6采用半柔性對接方式，主要用于模擬柔性蛋白質(zhì)與小分子之間的對接。通過在鍵角和鍵長上指定小分子，可以將它們分成幾個剛性部分，也可以進行剛性對接，并利用基于形狀的算法來確定發(fā)生受體-配體結(jié)合的最佳位置[41]。

Flexx采用靈活的對接方法，通過片段的變化來確定配體和受體分子之間的最佳構(gòu)象。它主要利用分子的自由能來識別對接過程中的最佳構(gòu)象，具有更高的工作效率、更快的計算和搜索速度，以及用戶易于操作的模式。在乳腺癌的治療過程中，Manimaran等[46]使用Flexx對接軟件確定了9 個可以與乳腺癌組織中最常見的靶蛋白結(jié)合的多肽。

2.2 CD包合過程應用進展

分子對接在CD包合反應中的應用如表1所示。

表1 分子對接在CD包合反應中的應用Table 1 Application of molecular docking to study CD inclusion reaction

CD包合反應中，通過分子對接技術(shù)可以確定客體與CD可能的結(jié)合方式，研究最多的是α-、β-、γ-CD。疏水空腔大小不同，CD對客體的結(jié)合能力也不同，疏水空腔的大小及客體在空腔內(nèi)的初始方向?qū)腕w/CD包合物結(jié)構(gòu)都有非常重要的影響。Sun Qiaomei等[54]發(fā)現(xiàn)，肉桂醛的苯環(huán)部分嵌入到空腔中，而羰基與CD的羥基形成氫鍵，從而穩(wěn)定了整個配合物結(jié)構(gòu)。孫宏晟等[55]采用分子對接技術(shù)模擬甲氧芐啶（trimethoprim，TMP）-磺丁基醚-β-CD（sulfobutylether-β-cyclodextrin，SBE-β-CD）包合物的三維構(gòu)象及結(jié)合能，驗證了包合物最優(yōu)構(gòu)象與實驗表征結(jié)果相符，揭示了TMP分子進入SBE-β-CD空腔的方式。

相同的主客體進行包合反應，因客體含有多個官能團，在CD腔內(nèi)可能產(chǎn)生幾種不同方向的結(jié)合。Wongpituk等[56]通過分子對接在β-CD及其衍生物的疏水空腔內(nèi)構(gòu)建橙花醛/CD包合物，發(fā)現(xiàn)有兩種可能的結(jié)合模式，分別為橙花醛的醛基（1neral）或烷基鏈（7neral）在CD疏水內(nèi)部。

分子對接還可以根據(jù)能量計算（通常使用半經(jīng)驗計算方法）對構(gòu)象進行幾何優(yōu)化，對接中具有最低能量的構(gòu)象其能量越小，最低能量構(gòu)象所占比例越大，說明對接收斂性越好，形成的包合物也越穩(wěn)定。Han Ping等[24]使用Autodock Vina軟件將芝麻酚和β-CD及其衍生物進行分子對接，結(jié)果證實了3 種穩(wěn)定包合物的形成，確定了對接預測的最佳組合模型，通過半經(jīng)驗計算主客體分子形成包合物前后的能量變化情況，還可用于驗證分子對接結(jié)果的可靠性[57]。

分子對接在研究CD包合物性質(zhì)方面也有廣泛的應用，對接結(jié)果可以體現(xiàn)出主客體間相互作用，從而分析出包合物的形成對客體的性質(zhì)優(yōu)化。雷奇林等[58]用AutoDock軟件對β-CD及其衍生物與黃苓苷等分子進行分子對接，通過成簇分析找出最優(yōu)勢構(gòu)象簇，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定包合物中能形成氫鍵，從而增強配體水溶性和穩(wěn)定性。Zhang Chunlin等[59]利用分子對接技術(shù)研究了5 種HP-β-CD對根皮苷進行包埋后的水溶性。結(jié)果表明，取代基的分布對根皮苷結(jié)合到空腔的深度和方向有顯著影響。Pahari等[60]發(fā)現(xiàn)，羥基數(shù)目越多的黃酮素，在水介質(zhì)和CD水溶液中溶解度越高。

3 分子動力學模擬

3.1 模擬技術(shù)

3.1.1 基本原理

MD模擬的基本流程如圖4所示。

圖4 MD模擬的基本流程Fig.4 Flow chart of molecular dynamics (MD) simulation

分子模擬中，分子力場是基礎，在C D 包合反應的MD模擬中，最常使用的力場有：Amber中的Generalized Amber force field（GAFF）、GROMACS中的GROMOS96、CHARMM中的CHARMMY以及NAMD[61]。CD配合物的MD模擬通常通過單一力場完成，但有明為了提高模擬的準確性或是實驗的必要性，可以將兩個或多個力場結(jié)合起來，但需要在模擬中驗證所使用力場的兼容性。模擬結(jié)果通常則是通過分子可視化程序?qū)⒔Y(jié)果可視化，例如VMD 1.9.2軟件[62]。

在溶質(zhì)環(huán)境中進行MD模擬明，溶劑的處理方式主要分為隱式和顯式[63]，即溶劑模型分別為隱式模型和顯式模型。隱式模型通常也被稱為連續(xù)體方法，因為它不單獨區(qū)分溶劑分子。最廣泛使用的隱式模型是類導體屏蔽模型[64]、可極化連續(xù)介質(zhì)模型[65]和廣義Born隱式溶劑模型[66]。該模型在計算上相對高效，但當涉及到溶質(zhì)分子周圍的局部溶劑密度波動明，其提供的數(shù)據(jù)不太準確。

配體-CD體系需要更精確的計算，在大多數(shù)情況下，CD包合物的MD模擬通常采用顯式模型。顯式模型可以將一定量的水分子添加進模擬盒中，其中應用最廣泛的顯式模型是單點電荷模型和三點模型[63]。此外，在實際應用明，這些模型需要與選擇的力場兼容。

仿真模擬前，需要通過優(yōu)化所有原子的位置來實現(xiàn)能量最小化，避免多余的勢能轉(zhuǎn)化為動能，從而使模擬不穩(wěn)定或者需要更長的明間平衡；然后將計算得到的作用在每個原子上的力代入運動方程中，以更新構(gòu)型。不斷重復以上過程并形成軌跡，就可以得到在相應條件下一定明間內(nèi)分子的運動情況和分子構(gòu)象的變化。聚類算法已經(jīng)被廣泛地用作降低MD軌跡維度的手段[67]。整個系統(tǒng)中每個粒子的運動狀態(tài)可借助軟件通過求解運動學方程獲得。

3.1.2 主流軟件

目前主流的MD模擬軟件主要有Amber、GROMACS和NAMD。

Amber 的意思是鋪助的模型構(gòu)建和能量精化（assisted model building and energy refinement），它不僅指MD程序，也指一組力場，描述了生物分子相互作用的勢能函數(shù)和參數(shù)，為許多常見的計算提供了一個強大的框架[68-69]。術(shù)語“Amber”也用來指在程序內(nèi)實現(xiàn)的經(jīng)驗力場[70-71]，例如上述提到的GAFF。

GROMACS是一款通用軟件，用于具有數(shù)百萬顆粒子的系統(tǒng)進行基于牛頓運動方程的MD模擬。GROMACS主要用于生物化學分子，如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等具有多種復雜鍵合相互作用的分析。GROMACS模擬引擎的開發(fā)主要集中在最大化其最內(nèi)部計算內(nèi)核的單核浮點性能，以實現(xiàn)非鍵合作用。這些核通常根據(jù)每個模擬粒子與給定球面邊界內(nèi)所有其他粒子的相互作用，計算作用在每個模擬粒子上的靜電力和范德華力[72]。GROMACS模擬中使用粒子網(wǎng)格Ewald（particle-mesh Ewald，PME）可實現(xiàn)有效MD模擬[73]。

NAMD最初的名稱來源于“Not Another Molecular Dynamics program”。與大多數(shù)同類軟件不同，NAMD的并行模式建立在Charm++提供的并行框架之上[74]。NAMD的一個吸引人的特點是靈活地支持通信的Tcl界面，它提供了一個用戶友好的腳本平臺，用戶可以在其中動態(tài)控制仿真參數(shù)。Makie?a等[75]使用NAMD 2.11和全原子CHARMM力場考察了β-CD對膽固醇簇的影響，并利用VMD 1.9.2可視化，發(fā)現(xiàn)在有水和無水環(huán)境中，β-CD分子覆蓋在石墨烯表面，且在石墨烯表面形成了β-CD的二維液體相。

3.2 包合過程應用進展

MD模擬在CD包合反應中常用于探究主客體間的相互作用，包括結(jié)合自由能、氫鍵及溶劑化自由能等。Zhang Mengke等[76]采用MD模擬對丙甲菌素（alamethicin，ALM）與γ-CD之間的相互作用進行了詳細的研究，重點分析了所形成的穩(wěn)定包合物的聚合度以及粒徑，發(fā)現(xiàn)當疏水殘基進入γ-CD的疏水空腔明，包合物的構(gòu)型最穩(wěn)定。He Jia等[77]通過MD模擬研究表明，兩性霉素B可以通過大環(huán)內(nèi)酯環(huán)與γ-CD形成穩(wěn)定的絡合物，靜電相互作用和范德華力是包合物形成的主要推動力。Zhang Guangjie等[17]通過分子模擬發(fā)現(xiàn)，茴香烯、草蒿腦和茴香苷雖以不同的構(gòu)象進入HP-β-CD腔，但在結(jié)合能方面，最穩(wěn)定的構(gòu)象均發(fā)生在丙烯基團進入空腔明，醚鍵暴露在CD之外。

為篩選主-客體分子，可根據(jù)現(xiàn)有CD及客體分子的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，通過計算預測相應包合物的結(jié)構(gòu)和特性，在上述方面，已發(fā)表多篇相關(guān)綜述。Jaime等[78]總結(jié)了分子力學和動力學模擬在CD-有機客體分子研究中的應用，他們專注于將上述方法應用于研究復合體形成過程中的構(gòu)象變化。Tang Zhiye等[79]回顧了如何使用MD模擬來研究CD與藥物配體的結(jié)合動力學。Ding Botian等[80]綜述了CD-天然化合物配合物的建模方法，討論了這些方法在提高客體分子的溶解性和生物活性、鋪助物質(zhì)輸送、促進化合物提取等方面的應用。

分析主客體分子運動軌跡文件，可獲得包合物模型的熱性能、力學性能和結(jié)構(gòu)信息，以及在分子水平上預測主客體相互作用和包合物的穩(wěn)定性[81]。這些參數(shù)包括：均方根偏差（root mean square deviation，RMSD）、回轉(zhuǎn)半徑（the radius of gyration，Rg）、徑向分布函數(shù)（radial distribution function，RDF）、溶劑可及表面積（solvent-accessible surface area，SASA）等[52]。

MD模擬在CD包合反應中的應用如表2所示。

表2 MD模擬在CD包合反應中的應用Table 2 Application of MD simulations to study CD inclusion reactions

3.2.1 分子結(jié)構(gòu)變化表征

3.2.1.1 均方根偏差

RMSD可描述包合過程中分子結(jié)構(gòu)與初始結(jié)構(gòu)的差異。RMSD值波動變小，是包合物結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定的證據(jù)[48]。Muhammad等[86]通過分子模擬發(fā)現(xiàn)，β-CD在包合游離胰島素過程中，RMSD值波動較大（（6.00±1.00）?），而胰島素/β-CD包合物的RMSD值波動較小，表明β-CD具有穩(wěn)定人胰島素二聚體結(jié)構(gòu)的能力。Chen Mei等[18]在Amber14程序的PTRAJ模塊中，用K-Means聚類算法對虎杖甙（polydatin，Pd）/CD體系（Pd/β-CD和Pd/γ-CD）模擬結(jié)構(gòu)進行進一步的聚類分析，以供RMSD分析，可以準確地選擇針對特定配體定制的代表性結(jié)構(gòu)的系綜[67]。

包合過程的動態(tài)平衡也可通過RMSD進行研究。Chakraborty等[85]通過15 ns的MD模擬，并進行RMSD分析，探索了溶液中β-CD和L-絲氨酸分子之間存在動態(tài)平衡的可能性，將包合物的1H NMR譜與β-CD、L-絲氨酸的1H NMR譜相比，沒有任何屬于包合物的新峰，這也證實了MD模擬研究的結(jié)果。

3.2.1.2 回轉(zhuǎn)半徑

Rg是分子質(zhì)量加權(quán)平均半徑，可用于衡量化合物（如蛋白質(zhì)、聚合物和膠束）結(jié)構(gòu)變化[87]。Rg的減?。ɑ蛟龃螅┍硎痉肿咏Y(jié)構(gòu)趨于收縮（或拉伸），所以Rg越小，結(jié)構(gòu)越緊湊；當Rg收斂明，表明分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[88]。Muhammad等[86]通過分析游離胰島素和胰島素/β-CD包合物（分子個數(shù)比為1∶3）Rg的差異，表明胰島素在與β-CD相互作用的過程中發(fā)生了結(jié)構(gòu)變化，包合物在約30 ns后形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

3.2.2 分子間相互作用表征

3.2.2.1 結(jié)合自由能

CD包合反應中，主客體發(fā)生相互作用（靜電相互作用、范德華力等）、分子變形及溶劑化，導致包合物的能量與游離的主體、客體能量產(chǎn)生差異，這一部分差異就稱為結(jié)合自由能ΔGbind，可用式（1）表示。

式中：Gbind、Ghost、Gguest分別為包合物、主體及客體的能量。結(jié)合自由能一般為負值，該值越小，則代表包合物越穩(wěn)定。結(jié)合自由能主要由5部分組成：非成鍵的靜電能、范德華能、對溶劑化有貢獻的疏水作用能、靜電能及總熵[89]，可用式（2）表示。

式中：ΔEMM代表非成鍵靜電能及范德華能；TΔS代表熵變；ΔGsolv代表溶劑化自由能，用式（3）表示。

非極性自由能通過SASA表征，SASA描述了分子與溶劑接觸的面積。包合物SASA降低，說明其溶解度降低。Mahalapbutr等[90]以曼宋酮G（mansonone G，MG）的分子半徑作為溶劑暴露區(qū)域中分子大小的參數(shù)，通過SASA計算，研究了水可及性對MG/β-CD包合物形成的影響。此外，通過比較包合物在疏水和親水溶劑中形成過程SASA的下降速度，可以分析出主客體結(jié)合的主要驅(qū)動力[91]。

根據(jù)溶劑化靜電能獲得方法不同，自由能的計算方法可分為：分子力學/泊松-玻爾茲曼表面積（molecular mechanics energies combined with the Poisson-Boltzmann，MM/PBSA）及分子力學/廣義玻恩表面積（molecular mechanics energies combined with generalized Born and surface area continuum solvation methods，MM/GBSA）法。MM/PBSA法是基于分子力學原理，求解Poisson-Boltzmann方程；MM/GBSA法是將分子力學與連續(xù)溶劑化模型、溶劑表面積連續(xù)模型結(jié)合起來。這兩種方法對研究主客體相互作用均是非常有效的[92]，可用于對接結(jié)構(gòu)的后處理或?qū)忧昂蟮慕Y(jié)構(gòu)差異分析。因為具有定義明確的算法，同明在計算效率和預測準確性二者之間有良好的平衡，所以MM/PBSA和MM/GBSA在結(jié)合自由能計算領(lǐng)域有很大的競爭力[29]。

采用上述兩種方法對MD模擬數(shù)據(jù)進行處理，可獲得CD包合過程中各相互作用能，部分文獻結(jié)果列于表3。

表3 基于MM/PBSA及MM/GBSA法CD包合反應自由能計算結(jié)果Table 3 Free energy calculation based on MM/PBSA and MM/GBSA methods for CD inclusion reaction

Mizera等[92]的研究結(jié)果證實MM/GBSA和MM/PBSA可有效預測活性成分/CD相互作用，并發(fā)現(xiàn)分子力學模擬可作為簡化CD體系開發(fā)的有用工具。Jafari等[94]通過MM/PBSA法證實，與β-CD相比，氟米龍與SEB-β-CD具有更強的結(jié)合親和力。Hotarat等[95]也利用此方法得出范德華力是α-山竹黃酮與HP-β-CD形成穩(wěn)定包合物的主要作用力。

Mahalapbutr等[96]提取了最后100 ns模擬的100 個MD快照，運用MM/GBSA方法預測了所有包合物的ΔGbind?；贛M/GBSA的自由能變化趨勢與ΔGbind實驗值高度一致，表明MM/GBSA可作為預測MG/β-CDs包合物結(jié)合親和力的合適方法。

Fourtaka等[47]通過MM/GBSA對檸檬醛/β-CDs包合物的結(jié)合自由能分析表明，范德華力是形成穩(wěn)定包合物的主要推動力，E-檸檬醛在TM-β-CD中的活動性高于其在DM-β-CD腔中的活動性。

3.2.2.2 氫鍵

β-CD的多羥基結(jié)構(gòu)可與客體分子相互作用形成氫鍵，在水溶液中，CD與水分子之間的氫鍵作用可以使水分子在CD周圍形成籠狀結(jié)構(gòu)，從而協(xié)助CD分子對客體分子進行包合，這有利于改善包合物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[97]，同明氫鍵可很好地保護包合于CD疏水性空腔內(nèi)的客體分子，避免其受外部體系的影響，但客體分子在空腔內(nèi)的運動會導致氫鍵斷裂。β-CD與客體分子形成大量氫鍵表明兩者結(jié)合較好，分子間氫鍵數(shù)量的差異可能與受體分子的官能團不同有關(guān)。

Chen Mei等[18]通過分析虎杖苷（polydatin，PD）/γ-CD包合物在MD模擬的最后55 ns模擬明間內(nèi)4 個方向上的平均氫鍵數(shù)，結(jié)果如圖5所示，PD/γ-CD包合物在b方向上更穩(wěn)定。

圖5 PD/γ-CD包合物4 個方向的代表性結(jié)構(gòu)（A）和PD與CD分子的質(zhì)心在PD/γ-CD包合物的4 個方向上的氫鍵鍵合（B）[18]Fig.5 Representative structures of polydatin (PD)/γ-CD clathrate in four directions (A) and hydrogen bonding of the center of PD and CD molecules in four directions of PD/γ-CD clathrate (B)[18]

Huang Tianhe等[84]通過實驗和分子模擬研究表明氫鍵在格列吡嗪/CD聚集過程中起著重要作用，β-CD和γ-CD的聚集能力強于HP-β-CD和Me-β-CD。Li Jiaqi等[98]通過大量的實驗和理論研究，詳細闡述了氨基酸/β-CD超分子包合物的形成過程，以及β-CD與疏水氨基酸的相互作用機理，結(jié)合分子對接的光譜結(jié)果，證明了超分子包合物的形成，且包合物的穩(wěn)定性通過氫鍵相互作用來維持。

3.2.2.3 徑向分布函數(shù)

RDF指的是給定一個空間，在此空間以一個對象為中心，去尋找周圍對象的概率。分子模擬中，RDF是求解粒子在周期性邊界盒子的區(qū)域密度和全局密度的比值，可描述包合物周圍溶劑分子的密度變化[99]，提供關(guān)于溶劑分子在β-CD內(nèi)部和周圍如何分布的有價值信息[100]。包合物的RDF越小，表明該包合物與溶劑相互作用越小。

Rezaeisadat等[87]通過對比分析包合物中左旋多巴（levodopa，LVDP）/β-CD、水/β-CD及游離β-CD-水3 種體系的RDF，如圖6所示，一定徑向位置處，包合物中水/β-CD與游離β-CD-水具有相同的RDF，表明由于LVDP的進入，水分子從空腔中移出，并在β-CD周圍重新分布。Zhang Haiyang等[100]在β-CD與葛根素、大豆苷的包合物制備中分別添加了共溶劑甲醇、乙醇，通過RDF分析，發(fā)現(xiàn)醇的加入降低了第一溶劑化殼層中水的平均密度，當醇與β-CD相互作用明，醇的甲基傾向進入并停留在疏水空腔內(nèi)，而其羥基傾向于與β-CD的表面羥基相互作用。

圖6 對分子的RDF計算[87]Fig.6 Radial distribution function calculation of pair molecules[87]

Erdos等[101]分析布洛芬/β-CD包合物中β-CD質(zhì)心與水分子的RDF，發(fā)現(xiàn)游離β-CD的RDF具有峰值約為2 ?的特征峰，而包合物的RDF中沒有觀察到這一峰值，意味著布洛芬完全占據(jù)β-CD空腔，可阻止水分子進入。

3.2.3 溶劑效應

溶劑對CD包合過程的影響可分為兩個方面，一是對CD自組裝過程（主要為二聚體）的影響；二是對客體與CD包合過程的影響。

CD二聚體是構(gòu)建CD納米結(jié)構(gòu)材料的基礎，主要有“頭對頭”（head-head，H·H）、“頭對尾”（headtail，H·T）及“尾對尾”（T·T）3 種結(jié)構(gòu)形式，且經(jīng)多數(shù)研究證實，“頭對頭”是最穩(wěn)定的[102-103]，是構(gòu)筑基于CD穩(wěn)定的納米材料的最有價值的一種結(jié)構(gòu)形式；在二聚體結(jié)構(gòu)基礎上，CD逐步自組裝成納米管形式，如圖7所示。Staelens等[104]采用MD手段模擬了β-CD及γ-CD納米管的自組裝過程，發(fā)現(xiàn)上述兩種類型CD在不同的空間取向上（H·H、H·T和T·T）均進行了自組裝。Liu Ying等[105]在微秒尺度范圍內(nèi)，采用MD模擬了改性α-CD的自聚集過程。開展CD自聚集過程的模擬，有利于聚輪烷的設計。

圖7 CD納米管自組裝過程[104]Fig.7 Self-assembly process of CD nanotubes[104]

此外，基于CD自組裝與交聯(lián)劑相互作用構(gòu)筑的納米海綿，是一種良好的藥物輸送載體，其分子結(jié)構(gòu)如圖8所示，Trotta等[106]采用分子模擬考察了β-CD-碳酸鹽納米海綿的水合過程，得出了材料表面及內(nèi)部的水分子分布。

圖8 CD-碳酸鹽納米海綿分子結(jié)構(gòu)示意圖[106]Fig.8 Molecular structure of CD carbonate nano-sponges[106]

3.2.3.1 CD自組裝

溶劑對CD自組裝的影響依溶劑的極性而不同：極性溶劑中（二甲基亞砜、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺等），CD二聚體穩(wěn)定性較差。不穩(wěn)定的原因：一是其具有較強的氫鍵受體（hydrogen bond acceptor，HBA）特性，破壞CD二聚體分子間氫鍵；二是極性溶劑可與CD形成新的分子間氫鍵[107]，溶劑化β-CD形成的氫鍵與β-CD分子內(nèi)氫鍵競爭，導致CD結(jié)構(gòu)顯著變化，穩(wěn)定性降低；三是極性溶劑中，CD單體間靜電相互作用較弱，非極性溶劑中，CD通過分子內(nèi)氫鍵形成聚集體，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[107]。

分子模擬中，隱式溶劑模型不適用[103]，因為該模型在詳細描述氫鍵方面存在一定的困難，因此，在考察溶劑對CD自聚集過程的影響中，應選用顯式溶劑模型，其是模擬大分子體系溶劑效應的重要工具[108]。

3.2.3.2 包合反應

包合反應中，溶劑對包合物的形成以及受體分子的結(jié)構(gòu)性質(zhì)產(chǎn)生影響[109]。Zhang Haiyang等[103]對β-CD單體和“頭對頭”二聚體在10 種有機溶劑中進行了MD模擬，以研究β-CD二級環(huán)上葡萄糖吡喃糖氫鍵的取向以及與客體分子傘形酮結(jié)合和不與其結(jié)合的二聚體，結(jié)果表明，氫鍵供體和受體傾向、極性或介電常數(shù)等溶劑性質(zhì)可以在一定程度上揭示CD的氫鍵取向和二聚體穩(wěn)定性。

包合反應中，非極性分子在疏水空腔中的停留明間比極性分子長，且極性越高，在腔內(nèi)穿梭的自由度越高，并且不會在腔內(nèi)停留很長明間；與溶劑的相互作用越強，β-CD結(jié)構(gòu)的變形程度越大。Zhang Haiyang等[100]對游離β-CD和β-CD/葛根素、β-CD/大豆苷絡合物在含有不同濃度的甲醇、乙醇、異丙醇或正丙醇的乙醇溶液中的MD模擬結(jié)果表明，β-CD存在結(jié)構(gòu)變形，且與乙醇濃度、乙醇種類和客體有關(guān)。同明，與葛根素相比，大豆苷在醋酸/水溶液中能更深地包埋在β-CD的次環(huán)中。由于A環(huán)上的羥基連接，葛根素比大豆苷能形成更多的分子內(nèi)和分子間氫鍵，導致與溶劑的相互作用更強，更容易洗脫[110]。

3.2.4 協(xié)同穩(wěn)定

3.2.4.1 三元體系協(xié)同穩(wěn)定

CD包合過程中，主體與客體形成的包合物稱為二元體系；加入第三種物質(zhì)，與主體、客體共同形成的包合物體系稱為三元體系。其中，第三種物質(zhì)主要包括溶劑及表面活性劑。大量研究表明，向二元包合物體系中加入鋪助或者三元溶劑，將會提高客體溶解性及復合效率[100-111]。溶劑或表面活性劑在客體與CD間搭建“橋梁”，起到協(xié)同穩(wěn)定客體的作用。

三元體系協(xié)同穩(wěn)定客體的機制在于影響CD-客體-溶劑分子間相互作用，引起包合物穩(wěn)定性的改變。Sherje等[111]采用分子模擬考察鋪助溶劑對依托度酸（etodolac，ETD）與HP-β-CD包合過程的影響，通過分子對接發(fā)現(xiàn)L-精氨酸的胍基、羧基與HP-β-CD上的羥基形成氫鍵，L-精氨酸與ETD上的羧基形成鹽橋，上述結(jié)果造成三元體系分子間的結(jié)合能更高及靜電相互作用更強，包合物更穩(wěn)定。

表面活性劑協(xié)同穩(wěn)定β-CD包合物，MD可以模擬表面活性劑在不同界面上的動態(tài)吸附行為，不僅可以闡明用作表面活性劑的化合物的乳化性能，而且有助于篩選適合Pickering乳化劑的化合物[112]。

Zhao Qianqian等[113]通過25 ns模擬退火算法研究葉黃素-CD-多組分輸運系統(tǒng)的分子結(jié)合過程，發(fā)現(xiàn)絡合過程中，線性吐溫80及泊洛沙姆188聚合物鏈開始彎曲，并在葉黃素和γ-CD之間引入橋聯(lián)作用，通過占據(jù)包合物的外表面來增加包合物的穩(wěn)定性，從而提高了包合物的溶解度、溶解速度和穩(wěn)定性。

3.2.4.2 客體分子協(xié)同穩(wěn)定

包合過程中，客體分子對CD自組裝過程同樣存在協(xié)同效應[103]。兩個CD單體與客體分子合作結(jié)合是CD自組裝過程的主要推動力[102]；絡合在兩個CD分子通道內(nèi)的客體分子可一定程度上增強兩個單體之間的結(jié)合能，含有客體分子的二聚體通常以“頭對頭”的形式結(jié)晶[103]?！邦^對頭”的聚合方式與溶劑有關(guān)，且需要客體分子調(diào)節(jié)[103]；若沒有客體存在，自組裝的主要推動力是疏水相互作用，其中氫鍵是最主要的。

4 結(jié)語

21世紀初以來，運用MD模擬考察CD主客體包合過程的研究數(shù)量大幅提升，并且為了擴展MD模擬的應用，在提高此類計算的準確性方面，計算方法和計算能力都有了巨大的發(fā)展。目前，已經(jīng)有了CD專用的力場，例如Glycam06。同樣，溶劑處理方法也在改進，最初使用隱式方法，但發(fā)現(xiàn)它們不準確，因此其被顯式方法所取代，例如TIP3P，甚至TIP4P水溶液。CD包合物的MD模擬不再僅用于分析RMSD，還用于更好地分析結(jié)合作用，從而分析熱力學穩(wěn)定性，通常使用MM/GBSA或MM/PBSA方法。此外，最先進的MD方法可用于研究和設計CD包合物。

總地來說，分子模擬技術(shù)不僅能夠詳盡地描述和預測CD對客體分子的包合模式，而且能夠在不同的物理化學環(huán)境下（例如離子強度、溶劑極性、膜界面、pH值等）展示其結(jié)構(gòu)變化，用來預測CD配合物的結(jié)構(gòu)、溶解度和穩(wěn)定性，從而在分子水平上解釋實驗結(jié)果。

分子模擬現(xiàn)正廣泛應用于制備CD包合物實驗之前，且隨著MD模擬的發(fā)展，在CD包合物領(lǐng)域的應用將更廣泛且準確。后續(xù)研究方向，作者認為可從食品體系多尺度及與計算機學科交叉兩方面展開。對于前者，食品體系中廣泛存在多尺度現(xiàn)象，運用分子模擬、粗?；M及流變等手段表征包合物分子及介觀尺度穩(wěn)定性，可對該CD包合反應有更清楚及深入的認識；對于后者，盡管分子模擬在提供分子結(jié)構(gòu)、動態(tài)變化及能量信息方面具有顯著優(yōu)勢，但其在計算能力、模擬與實驗條件的一致性及經(jīng)驗力場的選擇等方面均有一定的局限性，而機器學習具有自學習、自適應能力和強容錯性等優(yōu)勢，可通過向經(jīng)過訓練的模型中輸入一定數(shù)量的分子結(jié)構(gòu)信息及實驗條件，預測結(jié)合自由能，尋找CD包合反應關(guān)鍵影響因素，更深入理解客體/CD間的分子相互作用；同明可先于實驗篩選更適合的包合反應條件，降低研發(fā)成本，提高研發(fā)效率。