生物工程酶制剂格列卫的光谱和药理活性的密度泛函研究

周 旺，梅贤柱，裴诗恩，张梦阳，黄恩玲，秦文杰，刘诗咏（台州学院，浙江 台州 318000）



生物工程酶制剂格列卫的光谱和药理活性的密度泛函研究

周 旺，梅贤柱，裴诗恩，张梦阳，黄恩玲，秦文杰，刘诗咏
（台州学院，浙江 台州 318000）

摘要：采用密度泛函理论的B3LYP方法在6-311+G（d，p）基组上，对新型生物工程酶制剂格列卫（GLIVEC）的理化性质进行了理论计算与模拟，得到其分子构型、红外光谱、拉曼光谱、紫外可见光谱、核磁共振图谱等信息，并对分子的IR谱和1HNMR谱进行了指认。模拟结果表明，N16，N6所在胺基和C1所在胍基，很可能是格列卫（GLIVEC，甲磺酸伊马替尼）发挥其药理和毒理活性之所在作用位点。

关键词：格列卫；密度泛函理论；电子图谱

格列卫（GLIVEC，甲磺酸伊马替尼）由瑞士诺华（Novartis，1993年）公司研发成功并上市的一种生物工程新型酶制剂［1，2］，具有分子靶向性，是第一个根据肿瘤细胞活动原理设计的药物，对癌症的治疗提供了一种全新的途径。它精确锁定酪氨酸激酶的异常活动，从而抑制慢性粒胞白血病患者体内的癌细胞异常活动。它的出现让全世界的白血病患者重新看到了希望，其被誉为一个里程碑性的新药［3，4］。可以说格列卫已经跨入口服抗癌药物的一线行列，其市场前景一片光明。要是我们早作准备，提前研究，抢得这一巨大契机的机会将会大增。但其昂贵的成本成为进行大量科研实验的障碍，所以我们可以从密度泛函理论入手，对格列卫分子采用 DFT理论的 B3LYP方法在6-311+G（d，p）基组水平上，对其分子进行初步的模拟研究，通过模拟得到一些相关数据比如NBO电荷等的基础上，对其易发生反应部位进行了理论预测，具有降低科研成本方面的现实意义［5，6］。

1　计算方法

对格列卫分子骨架（见图1），用 密度泛函理论的 B3LYP基本方法，在6-311+G（d，p）基组水平上，进行了计算优化。在优化得到稳定的分子构型基础上，运用频率分析方法，对格列卫分子进行了振动-转动频率分析，结果表明，格列卫的转-振频率全部大于零值，说明计算结果是可行的。全部计算与模拟工作是通过高斯理论化学程序，在台式计算机上进行的。

2　结果和讨论

2.1分子的紫外-可见光吸收谱

模拟光谱实验中，我们拟合得格列卫的紫外-紫外可见光谱（见图2）。用TD DFT/B3LYP/6-311+ G（d，p）方法，在Gauss View 03 W上对格列卫进行紫外计算，模拟计算显示图 5 格列卫（甲磺酸伊马替尼）分子在320 nm 处显示了紫外吸收峰，属于电子从最高占据轨道跃迁到最低空轨道，这与其分子的紫外-可见实验吸收光图谱在317 nm处有最强吸收基本吻合。

图1　格列卫（C30H35N7）骨架和编号Fig.1 Glivec （C30H35N7） structure and number

图 2　格列卫紫外--紫外可见光谱Fig.2 Ultraviolet-visible spectroscopy of glivec

2.2 红外吸收光谱

IR谱图3中的吸收峰与分子中各基团的振动形式相对应图 3。由于纵坐标是透射率，所以光被吸收愈多，透射率愈低，曲线的低谷表示它是一个好的吸收带。用TD DFT理论方法和DFT/B3LYP/6-311+G（d，p）模拟后显示，格列卫分子在各处的红外吸收峰情况，这些吸收峰与格列卫（甲磺酸伊马替尼）分子实验IR图基本吻合。

图3　格列卫红外吸收光谱Fig.3 Infrared absorption spectra of glivec

2.3拉曼吸收光谱

拉曼吸收效应起源于分子转动与振动吸收，从分子的拉曼吸收光谱中，我们可以得到与红外吸收光谱分子振动-转动互补的微观信息。采用DFT理论与DFT/B3LYP基准方法，在6-311+G（d，p）基组水平上，模拟与优化了分子的骨架价格与电子分布，在充分比较实验和理论拉曼光谱后，它们的吸收峰也基本吻合（图4）。

图 4　格列卫的拉曼光谱Fig 4 Raman spectrum of glivec

2.4核磁共振图谱

氢原子具有一定的磁性，氢原子的原子核如果被电磁波照射，可以通过其氢原子核的共振吸收电磁波的能量，而发生磁共振的跃迁。在格列卫的核磁共振氢谱中，特征峰的的峰数反映了格列卫分子中氢原子化学环境的种类；图谱中不同氢原子特征峰的强度之比（及氢原子特征峰的高度之比）反映的是不同化学环境中氢原子的数目比（如图5），给出了格列卫分子中不同的氢原子的化学位移图。

图 5　格列卫的1HNMR 谱Fig.5 Glivec1HNMR spectrum

2.5NBO电荷

在模拟实验中，列出了格列卫分子相关原子电荷参数，其中自然原子轨道电荷值见表1所示。

表1的数据显示，电荷最负的原子为胺基氮（N16，-0.330e），其次为胺基氮（N6，-0.319e）；电荷最正的原子为胍基上的碳（C1，0.278e）。因此推测胺基N16和胍基C1所在基团很可能是格列卫（甲磺酸伊马替尼）发挥其药理和药理活性之所在。而用DFT B3LYP/3-21G方法模拟的的前线轨道电子云图也进一步验证了这一猜测。

表1　格列卫分子中的原子相关NBO 电荷值Table 1　The charges of atoms for 13 atoms

由图6（左）可以看出格列卫能量最高的分子在N16所在基团；由图6（右）可以看出格列卫能量最高的分子在1C所在胍基上。

图6　亲核（HOMO）和亲电（LUMO）轨道Fig.6　HOMO/LUMO for glivec

3　结 论

（1）格列卫分子的模拟紫外光吸收峰与实验值基本吻合；

（2）模拟的红外光谱（特别是几处有强吸收的峰）所对应的键或基团在格列卫分子中都能找到也进一步论证了我们的研究方法的可行性；

（3）NBO及HOMO和LUMO轨道模拟表明N16，N6所在胺基和C1所在胍基很可能是格列卫（甲磺酸伊马替尼）发挥其药理和毒理活性之所在。

（4） 本研究将加深人们对开发格列卫生物化工产品、生物保健品、生物药品的能力，有助于生命学院培养高级生物工程技术的复合型人才。

参考文献：

［1］戈升荣，安富荣，祝德．伊马替尼的药理作用与临床应用［J］．中国药房，2003，14（9）∶562-563．

［2］郑 斌，危晴岚，刘茂柏.甲磺酸伊马替尼临床研究概况［J］.海峡药学，2006，18（6）∶78-80.

［3］王 仆，王景明.格列卫-人类第一个分子靶向肿瘤生成机制的抗癌新药［J］.临床血液学杂志，2002，15（40）∶187-190.

［4］余桂兰.对于“格列卫”的浅层认识［J］.中华中医学杂志，2009，7（9）∶64-66.

［5］陈凯浩，钟爱国.甲基苯丙胺光谱性质的密度泛函分析与指认［J］.当代化工，2014，43（1）∶31-33.

［6］张素娟，杨丽霞，池晓雷，宋倩男，梁敏.梯度洗脱 RP-HPLC法同时测定甲磺酸伊马替尼中 6种有关物质［J］.药物分析杂志，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

中图分类号：O 644.32

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）01-0041-03

基金项目：国家级大学生创新训练计划项目，项目号：201510350015。

收稿日期：2015-09-28

作者简介：周 旺（1994-），男，浙江衢州龙游人，现从事生物计算工作。

通讯作者：刘诗咏（1978-），男，博士，研究方向：药物化学。