陳 航，周 玥，盧巧君，袁康杰，方伯勇，裴詩(shī)恩，劉詩(shī)詠（臺(tái)州學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

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新型降糖藥利格列汀藥理及光譜活性的密度泛函研究

陳 航，周 玥，盧巧君，袁康杰，方伯勇，裴詩(shī)恩，劉詩(shī)詠
（臺(tái)州學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

摘要：用密度泛函理論方法（DFT），模擬計(jì)算了利格列汀分子的分子-電子吸收光譜，并對(duì)其進(jìn)行了指認(rèn)。結(jié)果表明，利格列汀分子發(fā)揮藥理活性的親電和親核反應(yīng)中心很可能是氨基（NH2）和N17，而親電中心則可能是羰基。

關(guān)鍵詞：密度泛函理論；利格列?。浑娮游?qǐng)D譜

糖尿病作為一種常見(jiàn)的慢性病，在市面上用于治療該種疾病的藥物多種多樣，而利格列汀（Linagliptin）便是其中一種。德國(guó)勃林格殷格翰公司于2011開(kāi)發(fā)的口服抗糖藥利格列汀，它是一種二肽基肽酶-4（DPP-4）抑制劑，通過(guò)抑制體內(nèi)DDP-4酶的活性來(lái)降低GLP-1的降解，而GLP-1在血糖控制和改善血糖水平上具有重要作用。利格列汀是首個(gè)主要經(jīng)由膽道和胃腸道排泄的DPP-4抑制劑，給藥劑量中僅有5% 經(jīng)由腎臟排泄。無(wú)論患者腎功能處于何種水平，無(wú)需進(jìn)行劑量調(diào)整。利格列汀代謝量極少，主要通過(guò)腸肝途徑而不是腎臟途徑進(jìn)行排泄。 利格列汀可在所有患者人群中產(chǎn)生具有臨床意義的、可靠的、持久的 HbA1c 改善作用，而且不受患者年齡、HbA1c 基線水平或獲得確診后的病程長(zhǎng)短的影響。在臨床醫(yī)學(xué)上利格列汀能與多種藥物聯(lián)合使用，同時(shí)還具有和安慰劑相同的安全性與耐受性［ 1-4 ］。在服用利格列汀的過(guò)程中，應(yīng)注意與飲食的相匹配，同時(shí)還要適量運(yùn)動(dòng)，這樣才能更有效的改善2型糖尿病患者的血糖控制能力，起到更好的療效。利格列汀為應(yīng)對(duì)2型糖尿病患者肝腎功能減退，降低其后續(xù)的不良反應(yīng)，提供了一個(gè)新的服藥方式。

陳華妮等［5］采用分子對(duì)接原理對(duì)利格列汀分子的活性位點(diǎn)進(jìn)行研究。隨著量子理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的快速發(fā)展，人們已能計(jì)算機(jī)對(duì)量子力學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算，而人們更希望能夠利用計(jì)算機(jī)對(duì)微觀體系中的量子力學(xué)方程進(jìn)行求解 ，但是量子力學(xué)的基本方程—薛定諤方程的求解是極其復(fù)雜的。直到電子密度泛函理論 （DFT） 的建立，人們才克服了這一復(fù)雜性的難題［6，7］。本文采用密度泛函理論對(duì)利格列汀分子的紅外，紫外可見(jiàn)，氫核核磁共振等分子-電子吸收光譜進(jìn)行模擬和分析，取得了與實(shí)驗(yàn)相吻合的結(jié)果。從密度泛函理論入手，對(duì)格列衛(wèi)分子在6-311+G（d，p）基組水平上，對(duì)格列衛(wèi)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)生的反應(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。

1　計(jì)算方法

本文對(duì)利格列汀分子（圖1）采用密度泛函理論的BLYP方法，在6-31+G基組水平上對(duì)其分子骨架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與模擬。采用頻率分析方法，對(duì)優(yōu)化得到的穩(wěn)定構(gòu)型進(jìn)行分析，得到的轉(zhuǎn)-振動(dòng)頻率全部為正，表明我們的計(jì)算模擬方法是可性的。

圖 1　利格列汀（C25H28N8O2）分子結(jié)構(gòu)Fig.1 C25H28N8O2molecular structure

2　結(jié)果和討論

2.1分子結(jié)構(gòu)

用高斯程序在BLYP/6-31+G基準(zhǔn)水平進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)利格列汀分子與其晶體結(jié)構(gòu)值比較示于表1。

表1　分子的鍵長(zhǎng)（?）、鍵角值對(duì)照（°）Table 1　The optimized bond angels，bond lengths （nm，°）

正常的C-C 單鍵（1.54～1.62 ?），C-N單鍵（1.47～1.52 ?），C=C 雙鍵（1.32～1.36 ?），C-O 單鍵（1.20～1.43 ?），C=O 雙鍵（1.21～1.23 ?）。表1 中列出了優(yōu)化后分子的部分鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)表明∶ C1-C2、C2-C3稍短，C20-C31、C53-C54、C23-N29、O13-C14、C21-O22、C32=O28、C9=N18稍長(zhǎng)，結(jié)合分子結(jié)構(gòu)圖1分析，符合離域結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求。C36-C37-C38-C40-C42-N45六元雜環(huán)，鍵角均在110°左右，各原子之間的角度沒(méi)有發(fā)生明顯的扭曲變形。這些都有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，位阻效應(yīng)的減小及分子總能量的最低。

2.2紫外吸收光譜

采用TD DFT/BLYP/3-21G方法，模擬顯示（見(jiàn)圖2），利格列汀分子在533.21 nm （強(qiáng)吸收）和366.18 nm（弱吸收）處顯示了紫外-可見(jiàn)吸收峰，533.21 nm處的吸收可歸屬為電子由最高占據(jù)軌道躍遷至最低空軌道，366.18 nm處的吸收峰可歸屬為電子從次高占據(jù)軌道躍遷至最低空軌道。這與其實(shí)驗(yàn)吸收譜圖在520 nm處有較強(qiáng)的可見(jiàn)光吸收峰基本上是相吻合的。

圖2　利格列汀分子的紫外-可見(jiàn)吸收模擬光譜Fig.2 Simulation UV spectrum for Linagliptin

2.3紅外吸收光譜（IR）

采用密度泛函理論方法 DFT/BLYP/3-21G模擬顯示，利格列汀分子在2 062.36 cm-1（強(qiáng)，O-C伸縮振動(dòng)），1 752.15 cm-1（中強(qiáng)，N-C，C-H伸縮振動(dòng)），1 663.86 cm-1（中強(qiáng)，C-H面內(nèi)搖擺振動(dòng)），1 574 cm-1（中強(qiáng)，甲基和苯環(huán)C-H面內(nèi)搖擺振動(dòng)），282.017 cm-1（弱，甲基C-H面外面外搖擺振動(dòng)吸收峰） 等處分別顯示了紅外吸收峰，這些峰與利格列汀分子實(shí)驗(yàn)紅外吸收（IR）圖譜在2 004.12，1 746.45，1 653.23，1 574.89，2 79，34 cm-1有較強(qiáng)的吸收峰是大致相吻合的（圖3）。

圖3　利格列汀分子的IR模擬圖譜Fig.3 Simulation IR spectrum for Linagliptin

2.4拉曼吸收光譜

采用密度泛函理論 DFT/BLYP方法，在 3-21G基組水平上進(jìn)行了分子構(gòu)型的優(yōu)化和頻率分析，得到5個(gè)特征峰。對(duì)5個(gè)特征峰的分子振動(dòng)形式進(jìn)行了詳細(xì)的歸屬指認(rèn)。圖4是模擬的利格列汀分子的拉曼散射譜特征峰，主要位于2 874.74 cm-1（碳碳三鍵上的碳對(duì)稱伸縮振動(dòng)），2081.2cm-1（六元環(huán)上兩個(gè)羰基的對(duì)稱伸縮振動(dòng)），3 750.45 cm-1（苯環(huán)上的4個(gè)H的面內(nèi)對(duì)稱伸縮振動(dòng)），3 899.07 cm-1（NH2上H的對(duì)稱伸縮振動(dòng)）和4 084.74cm-1（（NH2上H的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)）及范圍內(nèi)。優(yōu)化計(jì)算的到的拉曼光譜與實(shí)驗(yàn)得到的吸收峰基本吻合。

圖 4　模擬利格列汀分子的拉曼圖譜Fig.4 Simulation Raman spectra of Linagliptin

2.5核磁共振圖譜（1HNMR）

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)不同氫原子的這種吸收差異-化學(xué)位移進(jìn)行理論模擬，利格列汀分子的氫核磁共振譜（1HNMR，見(jiàn)圖5所示），其苯環(huán)上4個(gè)氫（弱，25～25.5×10-6），六元環(huán)上的 H（中或強(qiáng)，31.5～32.5×10-6）；氨基上的H（弱，32.7×10-6）；CH2上的H（弱，22.3 ×10-6） 。這些吸收峰也較好地與其實(shí)驗(yàn)值相吻合，也進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化模擬計(jì)算的可行性。

圖5　利格列汀的1HNMR模擬圖譜Fig.5 Simulation1HNMR of Linagliptin

2.6 NBO電荷

表2的原子自然電荷（NBO）模擬數(shù)據(jù)值顯示，氨基氮（N45）電荷最負(fù)（-0.414e），其次為與取代萘基上的碳的氮（N17，-0.255e）；電荷最正的是羰基（O30）上的碳原子（C19，0.277e）。自然電荷計(jì)算表明，氨基（NH2）和N17很可能是其發(fā)揮藥理和藥理活性的親電和親核反應(yīng)中心，而羰基很可能是親電中。在模擬實(shí)驗(yàn)中，我們列出了格列衛(wèi)分子相關(guān)原子電荷參數(shù)，其中原子自然原子軌道電荷值見(jiàn)表2所示和分子前線軌道圖6。

表2　利格列汀分子的自然電荷分布值Table 2　Molecular natural charges of Linagliptin

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

3　結(jié) 論

（1）模擬出的利格列汀紫外-可見(jiàn)光吸收峰與實(shí)驗(yàn)值基本吻合驗(yàn)證了我們的研究方法的可行性；

（2）模擬的利格列汀紅外光譜（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，進(jìn)一步論證了我們的研究方法可行性；

（3）利格列汀自然原子電荷值（NBO）及HOMO 和LUMO軌道模擬計(jì)算表明，利格列汀分子發(fā)揮藥理活性的親電和親核反應(yīng)中心很可能是氨基（NH2）和N17，而親電中心則可能是羰基。這與陳力妮等人利用分子對(duì)接原理得到的利格列汀3個(gè)反應(yīng)活性位點(diǎn)中的兩個(gè)相吻合。

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Density Functional Study on Pharmacological and Spectrum Activity of Linagliptin as a New Hypoglycemic Drug

CHEN Hang，ZHOU Yue，LU Qiao-jun，YUAN Kang-jie，F(xiàn)ANG Bo-yong，PEI Shi-en，LIU Shi-yong
（Taizhou University，Zhejiang Taizhou 318000，China）

Abstract：Molecular-electronic absorption spectra of Linagliptin molecules was simulated and calculated by density functional theory，and it was identified.The results show that，Linagliptin electrophilic molecules play a nucleophilic reaction center，and is likely to be pharmacologically active amino group （NH2） and N17，and the electrophilic center may be a carbonyl group.

Key words：DFT；Linagliptin；Electrocal absorption spectrum

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）01-0057-03

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：2015-09-30

作者簡(jiǎn)介：陳航（1994-），男，浙江義烏市人，現(xiàn)從事生物計(jì)算工作。 E-mail：347898183@qq.com。

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