吡啶氮原子位置及氢键相互作用对抗菌活性的影响：体外与计算机模拟研究

本研究针对抗菌药物耐药性日益严重的全球健康挑战，通过设计含吡啶基团的席夫碱化合物及其与4-正烷氧基苯甲酸的氢键复合物，系统探究了吡啶氮原子位置（3位vs 4位）对抗菌活性的影响。采用纸片扩散法评估对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抑制效果，结合分子对接和分子动力学模拟揭示其与MurB/GyraseB靶点的相互作用机制。研究发现4-位吡啶氮的席夫碱（4Py）对革兰阳性菌、3-位衍生物（3Py）对革兰阴性菌具有特异性抑制，为开发新型抗菌剂提供了分子设计策略。

　　

随着多药耐药菌株的不断涌现，全球每年因耐药菌感染导致的死亡人数预计将在2050年达到1000万，这给公共卫生系统带来前所未有的压力。面对这一严峻挑战，开发具有新型作用机制的抗菌药物成为当务之急。在众多潜在药物分子中，同时含有吡啶基团和席夫碱结构的化合物因其多样的生物活性备受关注，但关于吡啶氮原子位置对抗菌活性的影响机制尚不明确。

印度Manipal高等教育学院化学系的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项创新性研究，通过精确调控吡啶氮原子的位置（3位或4位），设计合成了两种席夫碱化合物3-chloro-4-fluoro-N-((pyridin-3-yl)methylene)benzenamine（3Py）和3-chloro-4-fluoro-N-((pyridin-4-yl)methylene)benzenamine（4Py），并进一步与不同链长的4-正烷氧基苯甲酸（nOBAs）形成氢键（HB）复合物。研究采用多学科交叉方法，结合体外抗菌实验和计算机模拟技术，系统阐明了分子结构-活性关系及其作用机制。

关键技术方法包括：（1）通过FTIR和NMR表征合成的席夫碱及HB复合物；（2）采用Kirby-Bauer纸片扩散法测定对S. aureus和E. coli的抗菌活性；（3）运用密度泛函理论（DFT）计算前线分子轨道；（4）针对E. coli MurB和S. aureus GyraseB进行分子对接；（5）开展100 ns的分子动力学（MD）模拟评估复合物稳定性；（6）通过SwissADME分析药物相似性。

研究结果部分：

1. 合成与表征：成功合成3Py和4Py两种席夫碱，熔点分别为93.7°C和81.2°C。FTIR证实了C=N键（1625 cm^-1）和吡啶C=N键（1570 cm^-1）的特征峰，HB复合物在2965和2537 cm^-1出现新吸收带，证实了羧酸与吡啶氮的非离子型氢键相互作用。

1. 抗菌活性：4Py对S. aureus的抑制效果最佳（抑菌圈12.33±1.15 mm），而3Py对E. coli更有效（13.33±1.52 mm）。烷氧基链增长导致活性降低，如4OBA对S. aureus的抑菌圈仅5.33±0.57 mm。HB复合物的活性介于单组分之间，3Py:nOBA对S. aureus的活性高于相应nOBA，但对E. coli则相反。

1. 计算分析：DFT计算显示3Py和4Py的HOMO-LUMO能隙分别为2.687 eV和2.598 eV。分子对接发现3Py与E. coli MurB的结合能（-7.02 kcal/mol）优于标准链霉素（-4.44 kcal/mol），而4Py与S. aureus GyraseB的结合能（-6.20 kcal/mol）与链霉素（-6.82 kcal/mol）相当。

1. 分子动力学：100 ns模拟显示3Py在MurB活性位点保持稳定（平均RMSD 1.2 ?），关键结合残基包括Leu46、Val52和Ile119。4Py在GyraseB中虽经历构象变化（RMSD 0.8-6.8 ?），但吡啶环始终锚定在活性位点。HB复合物中烷氧基苯甲酸组分易解离，解释了其活性降低的现象。

2. ADME/T分析：两种席夫碱均符合Lipinski五规则，无任何违反项，而链霉素有三项违规（分子量、氢键供体和受体数），显示更好的成药性。

研究结论指出，吡啶氮原子的位置对抗菌谱具有决定性影响——4-位氮原子（4Py）优先抑制革兰阳性菌，而3-位氮原子（3Py）对革兰阴性菌更有效。这种选择性源于它们与不同靶标酶（MurB vs GyraseB）的特异性相互作用模式。虽然氢键复合物的抗菌活性低于单一席夫碱，但该研究首次揭示了分子间相互作用对抗菌性能的调控机制，为基于结构优化的抗菌剂设计提供了新思路。特别是通过简单改变杂原子位置即可调控抗菌谱的策略，对解决多药耐药问题具有重要启示意义。