生物工程酶制劑格列衛的光譜和藥理活性的密度泛函研究

周 旺，梅賢柱，裴詩恩，張夢陽，黃恩玲，秦文杰，劉詩詠（臺州學院，浙江 臺州 318000）

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生物工程酶制劑格列衛的光譜和藥理活性的密度泛函研究

周 旺，梅賢柱，裴詩恩，張夢陽，黃恩玲，秦文杰，劉詩詠
（臺州學院，浙江 臺州 318000）

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

關鍵詞：格列衛；密度泛函理論；電子圖譜

格列衛（GLIVEC，甲磺酸伊馬替尼）由瑞士諾華（Novartis，1993年）公司研發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，是第一個根據腫瘤細胞活動原理設計的藥物，對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常活動，從而抑制慢性粒胞白血病患者體內的癌細胞異常活動。它的出現讓全世界的白血病患者重新看到了希望，其被譽為一個里程碑性的新藥［3，4］。可以說格列衛已經跨入口服抗癌藥物的一線行列，其市場前景一片光明。要是我們早作準備，提前研究，搶得這一巨大契機的機會將會大增。但其昂貴的成本成為進行大量科研實驗的障礙，所以我們可以從密度泛函理論入手，對格列衛分子采用 DFT理論的 B3LYP方法在6-311+G（d，p）基組水平上，對其分子進行初步的模擬研究，通過模擬得到一些相關數據比如NBO電荷等的基礎上，對其易發生反應部位進行了理論預測，具有降低科研成本方面的現實意義［5，6］。

1　計算方法

對格列衛分子骨架（見圖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，進行了計算優化。在優化得到穩定的分子構型基礎上，運用頻率分析方法，對格列衛分子進行了振動-轉動頻率分析，結果表明，格列衛的轉-振頻率全部大于零值，說明計算結果是可行的。全部計算與模擬工作是通過高斯理論化學程序，在臺式計算機上進行的。

2　結果和討論

2.1分子的紫外-可見光吸收譜

模擬光譜實驗中，我們擬合得格列衛的紫外-紫外可見光譜（見圖2）。用TD DFT/B3LYP/6-311+ G（d，p）方法，在Gauss View 03 W上對格列衛進行紫外計算，模擬計算顯示圖 5 格列衛（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軌道躍遷到最低空軌道，這與其分子的紫外-可見實驗吸收光圖譜在317 nm處有最強吸收基本吻合。

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

圖 2　格列衛紫外--紫外可見光譜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的振動形式相對應圖 3。由于縱坐標是透射率，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，格列衛分子在各處的紅外吸收峰情況，這些吸收峰與格列衛（甲磺酸伊馬替尼）分子實驗IR圖基本吻合。

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

2.3拉曼吸收光譜

拉曼吸收效應起源于分子轉動與振動吸收，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-轉動互補的微觀信息。采用DFT理論與DFT/B3LYP基準方法，在6-311+G（d，p）基組水平上，模擬與優化了分子的骨架價格與電子分布，在充分比較實驗和理論拉曼光譜后，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，可以通過其氫原子核的共振吸收電磁波的能量，而發生磁共振的躍遷。在格列衛的核磁共振氫譜中，特征峰的的峰數反映了格列衛分子中氫原子化學環境的種類；圖譜中不同氫原子特征峰的強度之比（及氫原子特征峰的高度之比）反映的是不同化學環境中氫原子的數目比（如圖5），給出了格列衛分子中不同的氫原子的化學位移圖。

圖 5　格列衛的1HNMR 譜Fig.5 Glivec1HNMR spectrum

2.5NBO電荷

在模擬實驗中，列出了格列衛分子相關原子電荷參數，其中自然原子軌道電荷值見表1所示。

表1的數據顯示，電荷最負的原子為胺基氮（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）。因此推測胺基N16和胍基C1所在基團很可能是格列衛（甲磺酸伊馬替尼）發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一步驗證了這一猜測。

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

由圖6（左）可以看出格列衛能量最高的分子在N16所在基團；由圖6（右）可以看出格列衛能量最高的分子在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 論

（1）格列衛分子的模擬紫外光吸收峰與實驗值基本吻合；

（2）模擬的紅外光譜（特別是幾處有強吸收的峰）所對應的鍵或基團在格列衛分子中都能找到也進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（甲磺酸伊馬替尼）發揮其藥理和毒理活性之所在。

（4） 本研究將加深人們對開發格列衛生物化工產品、生物保健品、生物藥品的能力，有助于生命學院培養高級生物工程技術的復合型人才。

參考文獻：

［1］戈升榮，安富榮，祝德．伊馬替尼的藥理作用與臨床應用［J］．中國藥房，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，2006，18（6）∶78-80.

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

［4］余桂蘭.對于“格列衛”的淺層認識［J］.中華中醫學雜志，2009，7（9）∶64-66.

［5］陳凱浩，鐘愛國.甲基苯丙胺光譜性質的密度泛函分析與指認［J］.當代化工，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法同時測定甲磺酸伊馬替尼中 6種有關物質［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：O 644.32

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）01-0041-03

基金項目：國家級大學生創新訓練計劃項目，項目號：201510350015。

收稿日期：2015-09-28

作者簡介：周 旺（1994-），男，浙江衢州龍游人，現從事生物計算工作。

通訊作者：劉詩詠（1978-），男，博士，研究方向：藥物化學。