生物工程酶制劑格列衛(wèi)的光譜和藥理活性的密度泛函研究

周 旺，梅賢柱，裴詩(shī)恩，張夢(mèng)陽(yáng)，黃恩玲，秦文杰，劉詩(shī)詠（臺(tái)州學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

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生物工程酶制劑格列衛(wèi)的光譜和藥理活性的密度泛函研究

周 旺，梅賢柱，裴詩(shī)恩，張夢(mèng)陽(yáng)，黃恩玲，秦文杰，劉詩(shī)詠
（臺(tái)州學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

摘要：采用密度泛函理論的B3LYP方法在6-311+G（d，p）基組上，對(duì)新型生物工程酶制劑格列衛(wèi)（GLIVEC）的理化性質(zhì)進(jìn)行了理論計(jì)算與模擬，得到其分子構(gòu)型、紅外光譜、拉曼光譜、紫外可見(jiàn)光譜、核磁共振圖譜等信息，并對(duì)分子的IR譜和1HNMR譜進(jìn)行了指認(rèn)。模擬結(jié)果表明，N16，N6所在胺基和C1所在胍基，很可能是格列衛(wèi)（GLIVEC，甲磺酸伊馬替尼）發(fā)揮其藥理和毒理活性之所在作用位點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：格列衛(wèi)；密度泛函理論；電子圖譜

格列衛(wèi)（GLIVEC，甲磺酸伊馬替尼）由瑞士諾華（Novartis，1993年）公司研發(fā)成功并上市的一種生物工程新型酶制劑［1，2］，具有分子靶向性，是第一個(gè)根據(jù)腫瘤細(xì)胞活動(dòng)原理設(shè)計(jì)的藥物，對(duì)癌癥的治療提供了一種全新的途徑。它精確鎖定酪氨酸激酶的異?；顒?dòng)，從而抑制慢性粒胞白血病患者體內(nèi)的癌細(xì)胞異?；顒?dòng)。它的出現(xiàn)讓全世界的白血病患者重新看到了希望，其被譽(yù)為一個(gè)里程碑性的新藥［3，4］?？梢哉f(shuō)格列衛(wèi)已經(jīng)跨入口服抗癌藥物的一線行列，其市場(chǎng)前景一片光明。要是我們?cè)缱鳒?zhǔn)備，提前研究，搶得這一巨大契機(jī)的機(jī)會(huì)將會(huì)大增。但其昂貴的成本成為進(jìn)行大量科研實(shí)驗(yàn)的障礙，所以我們可以從密度泛函理論入手，對(duì)格列衛(wèi)分子采用 DFT理論的 B3LYP方法在6-311+G（d，p）基組水平上，對(duì)其分子進(jìn)行初步的模擬研究，通過(guò)模擬得到一些相關(guān)數(shù)據(jù)比如NBO電荷等的基礎(chǔ)上，對(duì)其易發(fā)生反應(yīng)部位進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)，具有降低科研成本方面的現(xiàn)實(shí)意義［5，6］。

1　計(jì)算方法

對(duì)格列衛(wèi)分子骨架（見(jiàn)圖1），用 密度泛函理論的 B3LYP基本方法，在6-311+G（d，p）基組水平上，進(jìn)行了計(jì)算優(yōu)化。在優(yōu)化得到穩(wěn)定的分子構(gòu)型基礎(chǔ)上，運(yùn)用頻率分析方法，對(duì)格列衛(wèi)分子進(jìn)行了振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)頻率分析，結(jié)果表明，格列衛(wèi)的轉(zhuǎn)-振頻率全部大于零值，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果是可行的。全部計(jì)算與模擬工作是通過(guò)高斯理論化學(xué)程序，在臺(tái)式計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的。

2　結(jié)果和討論

2.1分子的紫外-可見(jiàn)光吸收譜

模擬光譜實(shí)驗(yàn)中，我們擬合得格列衛(wèi)的紫外-紫外可見(jiàn)光譜（見(jiàn)圖2）。用TD DFT/B3LYP/6-311+ G（d，p）方法，在Gauss View 03 W上對(duì)格列衛(wèi)進(jìn)行紫外計(jì)算，模擬計(jì)算顯示圖 5 格列衛(wèi)（甲磺酸伊馬替尼）分子在320 nm 處顯示了紫外吸收峰，屬于電子從最高占據(jù)軌道躍遷到最低空軌道，這與其分子的紫外-可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)吸收光圖譜在317 nm處有最強(qiáng)吸收基本吻合。

圖1　格列衛(wèi)（C30H35N7）骨架和編號(hào)Fig.1 Glivec （C30H35N7） structure and number

圖 2　格列衛(wèi)紫外--紫外可見(jiàn)光譜Fig.2 Ultraviolet-visible spectroscopy of glivec

2.2 紅外吸收光譜

IR譜圖3中的吸收峰與分子中各基團(tuán)的振動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)圖 3。由于縱坐標(biāo)是透射率，所以光被吸收愈多，透射率愈低，曲線的低谷表示它是一個(gè)好的吸收帶。用TD DFT理論方法和DFT/B3LYP/6-311+G（d，p）模擬后顯示，格列衛(wèi)分子在各處的紅外吸收峰情況，這些吸收峰與格列衛(wèi)（甲磺酸伊馬替尼）分子實(shí)驗(yàn)IR圖基本吻合。

圖3　格列衛(wèi)紅外吸收光譜Fig.3 Infrared absorption spectra of glivec

2.3拉曼吸收光譜

拉曼吸收效應(yīng)起源于分子轉(zhuǎn)動(dòng)與振動(dòng)吸收，從分子的拉曼吸收光譜中，我們可以得到與紅外吸收光譜分子振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)互補(bǔ)的微觀信息。采用DFT理論與DFT/B3LYP基準(zhǔn)方法，在6-311+G（d，p）基組水平上，模擬與優(yōu)化了分子的骨架價(jià)格與電子分布，在充分比較實(shí)驗(yàn)和理論拉曼光譜后，它們的吸收峰也基本吻合（圖4）。

圖 4　格列衛(wèi)的拉曼光譜Fig 4 Raman spectrum of glivec

2.4核磁共振圖譜

氫原子具有一定的磁性，氫原子的原子核如果被電磁波照射，可以通過(guò)其氫原子核的共振吸收電磁波的能量，而發(fā)生磁共振的躍遷。在格列衛(wèi)的核磁共振氫譜中，特征峰的的峰數(shù)反映了格列衛(wèi)分子中氫原子化學(xué)環(huán)境的種類；圖譜中不同氫原子特征峰的強(qiáng)度之比（及氫原子特征峰的高度之比）反映的是不同化學(xué)環(huán)境中氫原子的數(shù)目比（如圖5），給出了格列衛(wèi)分子中不同的氫原子的化學(xué)位移圖。

圖 5　格列衛(wèi)的1HNMR 譜Fig.5 Glivec1HNMR spectrum

2.5NBO電荷

在模擬實(shí)驗(yàn)中，列出了格列衛(wèi)分子相關(guān)原子電荷參數(shù)，其中自然原子軌道電荷值見(jiàn)表1所示。

表1的數(shù)據(jù)顯示，電荷最負(fù)的原子為胺基氮（N16，-0.330e），其次為胺基氮（N6，-0.319e）；電荷最正的原子為胍基上的碳（C1，0.278e）。因此推測(cè)胺基N16和胍基C1所在基團(tuán)很可能是格列衛(wèi)（甲磺酸伊馬替尼）發(fā)揮其藥理和藥理活性之所在。而用DFT B3LYP/3-21G方法模擬的的前線軌道電子云圖也進(jìn)一步驗(yàn)證了這一猜測(cè)。

表1　格列衛(wèi)分子中的原子相關(guān)NBO 電荷值Table 1　The charges of atoms for 13 atoms

由圖6（左）可以看出格列衛(wèi)能量最高的分子在N16所在基團(tuán)；由圖6（右）可以看出格列衛(wèi)能量最高的分子在1C所在胍基上。

圖6　親核（HOMO）和親電（LUMO）軌道Fig.6　HOMO/LUMO for glivec

3　結(jié) 論

（1）格列衛(wèi)分子的模擬紫外光吸收峰與實(shí)驗(yàn)值基本吻合；

（2）模擬的紅外光譜（特別是幾處有強(qiáng)吸收的峰）所對(duì)應(yīng)的鍵或基團(tuán)在格列衛(wèi)分子中都能找到也進(jìn)一步論證了我們的研究方法的可行性；

（3）NBO及HOMO和LUMO軌道模擬表明N16，N6所在胺基和C1所在胍基很可能是格列衛(wèi)（甲磺酸伊馬替尼）發(fā)揮其藥理和毒理活性之所在。

（4） 本研究將加深人們對(duì)開(kāi)發(fā)格列衛(wèi)生物化工產(chǎn)品、生物保健品、生物藥品的能力，有助于生命學(xué)院培養(yǎng)高級(jí)生物工程技術(shù)的復(fù)合型人才。

參考文獻(xiàn)：

［1］戈升榮，安富榮，祝德．伊馬替尼的藥理作用與臨床應(yīng)用［J］．中國(guó)藥房，2003，14（9）∶562-563．

［2］鄭 斌，危晴嵐，劉茂柏.甲磺酸伊馬替尼臨床研究概況［J］.海峽藥學(xué)，2006，18（6）∶78-80.

［3］王 仆，王景明.格列衛(wèi)-人類第一個(gè)分子靶向腫瘤生成機(jī)制的抗癌新藥［J］.臨床血液學(xué)雜志，2002，15（40）∶187-190.

［4］余桂蘭.對(duì)于“格列衛(wèi)”的淺層認(rèn)識(shí)［J］.中華中醫(yī)學(xué)雜志，2009，7（9）∶64-66.

［5］陳凱浩，鐘愛(ài)國(guó).甲基苯丙胺光譜性質(zhì)的密度泛函分析與指認(rèn)［J］.當(dāng)代化工，2014，43（1）∶31-33.

［6］張素娟，楊麗霞，池曉雷，宋倩男，梁敏.梯度洗脫 RP-HPLC法同時(shí)測(cè)定甲磺酸伊馬替尼中 6種有關(guān)物質(zhì)［J］.藥物分析雜志，2013，33（4）∶634-636.

Density Functional Study on Pharmacological and spectrum Activity of Glivec

ZHOU Wang，MEI Xiang-Zhu，PEI Shi-En，ZHANG Meng-Yang，HUANG En-Ling，QIN Wen-Jie，LIU Shi-Yong
（Taizhou University，Zhejiang Taizhou 318000，China）

Abstract：Using the B3LYP method of density functional theory in the 6-311+G （d，p）basis set，physicochemical properties of imatinib （glivec） were calculated and simulated.Its molecular geometry，infrared spectroscopy，Raman spectroscopy，UV visible spectroscopy，1HNMR and other information were obtained，and IR and HNMR spectra of the molecules were assigned.The simulation results show that，N16，N6and C1of amino guanidine is likely to be the pharmacological and toxicological activity points in greve （imatinib mesylate）.

Key words：Glivec；Density functional theory；Electronic spectrum map

中圖分類號(hào)：O 644.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0460（2016）01-0041-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：201510350015。

收稿日期：2015-09-28

作者簡(jiǎn)介：周 旺（1994-），男，浙江衢州龍游人，現(xiàn)從事生物計(jì)算工作。

通訊作者：劉詩(shī)詠（1978-），男，博士，研究方向：藥物化學(xué)。