4-氨基吡啶inium-5-磺水杨酸半水合物的分子机制分析与抗菌效果评估：基于体外实验和计算机模拟的综合性研究方法

《Computational Biology and Chemistry》：Molecular Insights and Antimicrobial Evaluation of 4-Aminopyridinium-5-Sulfosalicylate Sesquihydrate: A Dual In Vitro and In Silico Approach

　　• 使用密度泛函理论（DFT）计算方法研究了4A5SS的结构和物理化学性质。• 评估了其对选定的细菌和真菌病原体的抗菌活性。• 分子对接显示与选定的微生物蛋白靶点有良好的相互作用。• 分子动力学模拟评估了4A5SS–钙调神经磷酸酶A复合物的稳定性。• ADMET预测提供了关于药代动力学和毒性特征的关键见解。

引言
世界卫生组织（WHO）将抗菌药物耐药性视为一个重大的全球公共卫生危机，这一问题主要是由于抗生素的过度使用和患者住院时间过长所加剧。多重耐药性病原体，如肺炎克雷伯菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、粪肠球菌、大肠杆菌和鲍曼不动杆菌，对临床治疗构成了重大挑战（Xia等人，2025年）。这些病原体的日益普遍降低了标准治疗的有效性，导致更高的发病率、死亡率和医疗费用。此外，多种细菌和真菌物种日益增长的临床负担，加上多重耐药性的广泛出现，迫切需要开发新的抗菌药物（Lalitha等人，2026年；Saiadali Fathima等人，2018年）。有机化合物，尤其是杂环化合物，是一类具有显著生物活性的物质，在药物研究和开发中发挥着重要作用（Mosbah等人，2026a）。在含有氮的杂环化合物中，基于吡啶的化合物是一类经过深入研究的分子，因为它们具有诸如碱性强、水溶性、化学稳定性、形成氢键的能力以及低分子量等有利物理化学特性。这些特性，加上它们作为抗结核、抗病毒、抗炎、抗癌和抗菌等广泛的生物活性，使得吡啶衍生物成为药物开发中的重要框架。吡啶结构常被用作酰胺、胺、苯环和含氮杂环的生物等效物，以改善候选药物的药理和物理化学性质。除了在制药中的应用外，吡啶衍生物还广泛用作杀真菌剂、除草剂、杀虫剂、粘合剂、植物生长调节剂、溶剂和催化剂（Kadam等人，2025年；Jaziri等人，2025年；Savita等人，2021a年；Abisha等人，2023年）。4-氨基吡啶可以以中性状态或质子化（阳离子）状态存在。中性分子包含两个氢键受体和两个供体；相应的4-氨基吡啶inium阳离子则具有三个氢键供体基团和一个氢键受体位点（Chitra等人，2021年）。文献中广泛研究了包含4-氨基吡啶inium核心的多种多组分分子晶体。报道的晶体和共晶体结构包括双(4-氨基吡啶inium)富马酸二水合物（Fun等人，2009a年）、4-氨基吡啶inium丁二酸一水合物（Vasanthakumari等人，2018年）、4-氨基吡啶inium马来酸（Fun等人，2010a年）、4-氨基吡啶inium氢琥珀酸（Lah和Leban，2003年）、4-氨基吡啶inium氢草酸半水合物（Sandhu等人，2013年）、4-氨基吡啶inium-氢马来酸-马来酸（Fun等人，2009a年）、4-氨基吡啶inium 4-羧基丁酸（Tarasiewicz等人，2011年）、4-氨基吡啶inium 5-羧基戊酸一水合物（Fun等人，2010b年）、4-氨基吡啶inium苦味酸盐（Raj等人，2012年）、4-氨基吡啶inium 2,6-二溴-4-硝基苯酚酸（Aditya Prasad等人，2015年）、4-氨基吡啶inium顺-2-羧基环己烷-1-羧酸（Ananthi等人，2026a年）、4-氨基吡啶inium单邻苯二甲酸酯[21]、4-氨基吡啶inium 3-磺酸一水合物（Zhu等人，2011年）、4-氨基吡啶inium 4-硝基苯甲酸 4-硝基苯甲酸（Quah等人，2008年）以及4-氨基吡啶inium反式-二草酸铬酸（III）一水合物（Fun等人，2009b年）。同样，5-磺基水杨酸二水合物也是一种在化学和制药行业中广泛使用的有机酸。已经研究并报道了多种基于5-磺基水杨酸的晶体结构，包括4-甲基苯胺inium-3-羧基-4-羟基苯磺酸盐（4MABS）（Rajkumar等人，2018年）、4-硝基苯胺inium 5-磺基水杨酸一水合物（4NASA）（Siva Kumar和Kanagadurai，2015年）、2-甲基喹啉inium-5-磺基水杨酸（MQSSA）（Ramesh等人，2024年）、硫代半卡巴嗪 5-磺基水杨酸（T5SS）（Usha等人，2021年）、8-羟基喹啉inium 3-羧基-4-羟基苯磺酸盐一水合物（8HQS）（Bhuvaneswari和Murugesan，2019年）、4-甲基吡啶inium 5-磺基水杨酸（4MSS）（Shalini等人，2019年）、双（胍基）5-磺基水杨酸（BG5SS）（Dhavamurthy等人，2015年）、2-苯乙胺inium 5-磺基水杨酸（2PE5S）（Kalaiyarasi等人，2019年）、4-甲氧基苯胺inium-5-磺基水杨酸（4MA5SS）（Usha等人，2019年）和L-组氨酸inium 5-磺基水杨酸（LH5SS）（Usha等人，2017年）。因此，4-氨基吡啶和5-磺基水杨酸二水合物都具有显著的生物活性，它们结合形成了通过强分子间氢键相互作用稳定的化合物。这些相互作用来自于多种功能基团的存在，即-SO?H、-COOH和-OH，这些基团在分子组装的形成和稳定中起着不可或缺的作用（Blessy等人，2025年）。氢键是化学和材料科学应用中的基本相互作用，在生物系统中尤其重要，它控制着分子识别、结构组织、酶活性和蛋白质折叠过程（Savita等人，2021b）。根据现有文献，4-氨基吡啶inium–5-磺基水杨酸半水合物（4A5SS）的晶体结构之前已由Graham Smith等人记录（Smith，2011年）。然而，据我们所知，其物理化学、电子和生物学特性尚未得到全面研究。为了填补这一空白，本研究利用先前发表的晶体数据作为后续体外和计算机模拟研究的结构参考，而无需收集新的单晶X射线衍射数据或优化结构。这项工作的新颖之处在于系统地将实验光谱测量与深入的量子化学计算相结合，提供了对其结构和电子特性的更深入见解。此外，4A5SS的生物学相关性之前尚未被研究。为了解决这一问题，本研究通过分子对接评估了其与生物靶点的分子水平相互作用，通过分子动力学模拟研究了所得物质的稳定性，并使用ADMET分析评估了其药代动力学和药物相似性特征。

在这项工作中，通过（SEST）缓慢蒸发溶液生长技术成功合成了有机盐4-氨基吡啶inium–5-磺基水杨酸半水合物（4A5SS）。所研究的物质经过了广泛的实验（体外）和理论（计算机）表征技术。这项多学科研究包括结构、光谱、光学和生物学分析，包括SCXRD、FT-IR、UV–Vis、FT-Raman、分子对接、动态模拟和ADMET评估。计算方法已成为当代药物发现中的重要工具，用于评估分子机制和预测药理特性（Mosbah等人，2026b）。其中，DFT是一种计算效率高且可靠的方法，能够准确研究大型分子系统的振动光谱和电子特性。分子对接被用于阐明材料的生物学和物理化学特性。在对接组装体的100纳秒分子动力学轨迹之后，进行了白色念珠菌–配体相互作用的MM/PBSA结合自由能计算（Reeda等人，2024年）。此外，还进行了ADMET预测，以评估重要的药代动力学参数，从而识别出具有最佳生物利用度、最小不良效应和优良药物特性的化合物。因此，所有这些结果都表明了研究化合物在推进药物化学和新药开发过程中的潜力。

### 化学试剂和4A5SS晶体合成
提出的盐4-氨基吡啶inium-5-磺基水杨酸半水合物（4A5SS）是用SEST方法制备的。为了制备这种化合物，将4-氨基吡啶（0.941克）和5-磺基水杨酸二水合物（2.542克）以1:1的摩尔比例混合，用双蒸馏水作为溶剂。每种组分分别溶解并在磁力搅拌器中搅拌约半小时以获得澄清溶液。随后，将两种液体混合并搅拌。

### 4A5SS的量子化学性质研究
通过密度泛函理论（DFT）研究了4-氨基吡啶inium-5-磺基水杨酸半水合物（4A5SS）的量子化学性质。利用B3LYP混合泛函和6-31+G(d,p)基组进行了分子几何优化、总能量计算和电子性质评估。所有量子化学分析，包括几何优化、Mulliken原子电荷评估、前线分子轨道动力学和分子静电作用。

### 4A5SS的结构确定
使用SCXRD确定了4A5SS的晶体结构，并精炼了其单元格参数。结构确定表明，形成的材料采用属于中心对称P2?/c（No. 14）空间群的单斜晶体系统。精炼后的晶格常数为a = 24.60 ?，b = 7.19 ?，c = 35.30 ?，轴角α = γ = 90°和β = 110.41°，总单元格体积（V）为5857 ?3。图2展示了详细的原子排列。

### 体外抗菌评估
评估了所得化合物的抗菌效果，针对细菌（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）和真菌（光滑假丝酵母和白色念珠菌）菌株（Bouzammit等人，2024年）。在细菌靶点中，革兰氏阳性金黄色葡萄球菌是血流、呼吸道和骨感染的主要原因，而革兰氏阴性大肠杆菌通常导致尿路感染、肺炎和脑膜炎（Qneibi等人，2024年；Deephlin Tarika等人，2022年）。

### 计算机辅助分子对接研究
分子对接是结构生物学和合理药物设计中一种成熟的计算机工具，能够预测小分子配体与大分子靶点之间的优选结合构象和关键非共价相互作用，有助于新型治疗剂的开发（Aiswarya等人，2023年；Karaca等人，2026年）。对接分析通过预测结合亲和力和优选结合模式提供了关于配体-受体相互作用的详细见解。

### 分子动力学（MD）模拟
分子动力学（MD）模拟是一种稳健的计算方法，用于评估蛋白质-配体复合物的时间行为、结构稳定性和构象转变，在模拟生理条件下提供原子级别的结合持久性见解（Menye等人，2026年）。虽然分子对接提供了蛋白质-配体结合方向的静态快照，但MD模拟捕捉了蛋白质-配体复合物随时间的演变。

### ADME预测
药物发现涉及一个系统的评估过程，其中安全性不足和有效性不足是临床失败的主要原因，这在很大程度上取决于化合物的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）特性。在本研究中，使用SwissADME计算机平台评估了所得分子的ADME特性，以评估其物理化学性质、药代动力学参数和药物相似性（Hosseini和Fattahi，2026年）。

### 毒性分析
使用计算毒性预测方法评估了4-氨基吡啶inium-5-磺基水杨酸半水合物（4A5SS）的急性口服毒性，以评估其潜在的生物安全性。该方法提供了预测的中位致死剂量（LD??）、毒性类别、与训练集的结构相似性以及预测准确性。这项分析使用了ProTox-III网络工具（Twala等人，2026年；Jawad等人，2022年）。预测的毒理学参数包括LD??值和毒性。

### 结论
本研究详细描述了通过结合实验和理论方法成功合成4-氨基吡啶inium–5-磺基水杨酸半水合物（4A5SS）及其多方面分析。SCXRD证实4A5SS结晶于单斜p21/c空间群，其特征官能团通过FT-IR和FT-Raman光谱得到了验证。光学表征显示其在402纳米处有一个明显的截止波长，表明具有高透明度。

### 作者贡献声明
R Shankar：可视化、软件、资源、数据管理。R Ananthi：撰写-原始草稿、验证、方法学、概念化。N Sudha：撰写-审稿与编辑、验证、监督、研究。

### 利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

### 致谢
作者感谢Sri Sarada College for Women（自治机构），Salem-16提供的DST-FIST仪器设施。作者还感谢印度理工学院马德拉斯分校的Sophisticated Analytical Instruments Facility（SAIF）提供的单晶X射线衍射（SCXRD）分析。作者衷心感谢Tiruchirappalli的St. Joseph’s College提供光谱测量。