占凱峰，裴詩恩，鐘愛國，劉恩榕（臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院， 浙江 臺州 318000）

抗癌藥紫杉醇及其衍生物多西他賽藥理及毒理性質(zhì)的密度泛函研究

占凱峰，裴詩恩，鐘愛國，劉恩榕
（臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院， 浙江 臺州 318000）

采用密度泛函理論B3LYP方法在STO-3G基組上對抗癌藥紫杉醇和多西紫杉醇分子進行優(yōu)化并進行理論計算，對它們的分子構(gòu)型、偶極距、紅外光譜(IR)、紫外光譜(UV-Vis)、NBO電荷分布進行了分析。結(jié)果表明，紫杉醇和多西紫杉醇發(fā)揮其藥理和毒理作用的最大可能部位在酰胺基的N原子上。

紫杉醇；多西紫杉醇；密度泛函；量化計算

紫杉醇（taxel）是從紅豆杉的樹皮，種子，樹葉和樹根中提取出的以微管為作用靶點的抗腫瘤藥物[1]。其主要藥理作用為通過加快微管雙聚體裝配成微管，從而阻止細胞有絲分裂中去多聚化而使微管穩(wěn)定，阻礙細胞有絲分裂于G2和M期，達到抑制癌細胞的分裂增殖的目的。紫杉醇在20世紀(jì)60年代被美國癌癥研究中心發(fā)現(xiàn)于太平洋紅豆杉的樹皮中。自20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)其抗癌活性以來, 以各種方法合成了數(shù)百種類似物, 期望獲得一種低毒副作用高生物活性的相似物, 但所得到的理想產(chǎn)物并不多。多西紫杉醇 (多西他賽，docetaxel) 是由法國一家公司開發(fā)的一種半合成紫杉醇衍生物。多西他塞對微管結(jié)合部位的作用效果是紫杉醇的2倍；當(dāng)用來穩(wěn)定微管和促進裝配時，其活性是紫杉醇的3倍；當(dāng)用來抑制微管解聚時，活性要是紫杉醇大2倍，在抗癌活性的體外效果試驗中，已證實了多西他塞的效果是紫杉醇的1.3～12倍[2]。在理論計算方面，吳洪等探討了電子結(jié)構(gòu)的定量構(gòu)效與紫杉醇抗癌活性的關(guān)系[3]。邱曉航等研究了紫杉醇及修飾物的光譜[4]。許旋等研究了紫杉醇的分子幾何構(gòu)型的從頭計算及其核磁共振譜氫譜[5]。

藥物為什么會有活性, 藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與活性存在什么樣的關(guān)系? 是人們一直在探索的重要問題。研究這些從實踐中提出的問題，有助于認識藥物與機體的作用規(guī)律。藥物從給藥到產(chǎn)生活性是一個非常復(fù)雜的過程，它涉及到藥物在體內(nèi)的吸收、分布、代謝和消除，又涉及到藥物與生物靶點相互作用（阻斷或刺激）的能力。近年來的研究表明，紫杉醇和多西他塞對免疫細胞具有特殊的調(diào)控作用,能產(chǎn)生類似于脂多糖所引起的天然免疫和特異性免疫, 對比直接作用于腫瘤細胞，它們作為免疫劑具有高藥理活性低毒副作用等優(yōu)點。通過密度泛函理論，對紫杉醇及多西他塞分子進行了計算，基于量子化學(xué)計算結(jié)果對它們作用機理進行初步探討。

1 實驗部分

對紫杉醇及多西紫杉醇（見圖1）采用DFT理論的B3LYP方法在STO-3G基組水平上進行了優(yōu)化和計算。優(yōu)化得到的穩(wěn)定構(gòu)型基礎(chǔ)上，采用Freq方法進行了頻率分析， 結(jié)果表明所有簡諧振動頻率全部為正值， 表明其計算結(jié)果是可信的。本計算工作全部通過Gaussian09[6]程序包在PC機上完成。

圖1 紫杉醇(上)和多西紫杉醇（下）結(jié)構(gòu)和編號Fig.1 Molecular structure and atomic number of taxol(top) and docetaxel(down)

2 結(jié)果與討論

2.1 分子幾何構(gòu)型分析

利用Gaussian 09 W程序包優(yōu)化計算得到了紫杉醇分子的主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括鍵長，鍵角。正常的 C-N單鍵(0.148 nm)，C-C單鍵(0.154 nm), C-O單鍵(0.143 nm), C=O雙鍵(0.120 nm), O-H(0.098 nm)，C=C雙鍵（0.134 nm）。在共軛效應(yīng)，誘導(dǎo)效應(yīng)，空間效應(yīng)作用下，鍵長會發(fā)生一定變化，優(yōu)化后得到的表1中數(shù)據(jù)（略）基本在正常范圍之內(nèi)；結(jié)合分子結(jié)構(gòu)分析，對應(yīng)的雙鍵長度要小于單鍵長度，符合穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)想要求。

表1 優(yōu)化后得到的多西紫杉醇的重要鍵角Table 1 The important bond angels optimized

從表1的數(shù)據(jù)中可以得知多西紫杉醇除苯環(huán)外的環(huán)中大多數(shù)鍵角均在109°至120°之間，沒有發(fā)生明顯的扭曲變形，而個別原子受空間位阻效應(yīng)，鄰位取代基效應(yīng)影響比較大，鍵角發(fā)生了小幅度的變化，但這些都是在正常范圍之內(nèi)的，說明該結(jié)構(gòu)是較為穩(wěn)定的。對比多西紫杉醇 A（18，15，9）為113.6°，紫杉醇A（18，15，9）為115.6°，這可能是鄰位取代基效應(yīng)造成的。優(yōu)化后的紫杉醇與多西紫杉醇的空間結(jié)構(gòu)如圖2所示。我們從圖中可以看出，紫杉醇和多西紫杉醇都是較為復(fù)雜的空間分子，分子中的支鏈與環(huán)和主鏈有明顯的扭轉(zhuǎn)而沒有處在同一平面，這樣的結(jié)構(gòu)受位阻效應(yīng)小有利于發(fā)揮官能團的優(yōu)勢作用。紫杉醇和多西紫杉醇結(jié)構(gòu)上主要的差別在于兩個取代基的差異，紫杉醇 O22上連接的是羥基氧，而多西紫杉醇相同位置連接的是乙?；?；紫杉醇酰胺N上連接的是苯甲?；?，多西紫杉醇對應(yīng)位置上連接的是烷氧基。多西紫杉醇的取代基空間位阻小，取代基極性基團親水性大，由此推測多西紫杉醇的生物活性要比紫杉醇大。

2.2 NBO電荷分析

原子的 NBO電荷是研究分子的化學(xué)反應(yīng)活性區(qū)域的親核或者親電特性強弱的有效方法。優(yōu)化后的紫杉醇分子和多西紫杉醇各主要原子的 NBO電荷分布。由于N和O原子的電負性比C原子和H原子都要大，因此紫杉醇分子中的N（-0.342 e）和O（-0.167 ～ -0.307 e）原子都帶一定的凈負電荷，直接與N原子或者0原子相連的C原子都帶一定的正電荷,這是因為與它們相連的O原子或者N原子強烈的吸引C原子或者H原子的電荷而使電子云向自身原子核偏移，導(dǎo)致自身電子云密度增加，C原子或H原子電子云密度降低；其他的C原子因為吸引氫原子上的電子云而都帶一定的負電荷；對于氫原子而言，自身的電子都是被吸引偏離原子核而使電子云密度降低從而視偏移量都帶一定量的凈正電荷,一些帶了大量正電荷的 H可能容易與其他物質(zhì)形成氫鍵，可能是其發(fā)揮生物活性原因。對于連接在同一碳原子上氧，羰基氧的凈負電荷要比單鍵氧的凈負電荷要多，主要是因為羰基氧吸電子能力強，自身的電子云密度大。在由電荷控制反應(yīng)中, 原子的負電荷越多, 其受親電試劑進攻的可能性越大;反之, 原子正電荷越多, 則受親核試劑進攻的可能性也越大。因此我們推測，紫杉醇中酰胺（N=-0.342 e），多西紫杉醇中酰胺（N=-0.352 e）為它們的主要親電反應(yīng)位置。

2.3 極性和疏水性

偶極矩和疏水參數(shù)是分子極性的關(guān)鍵物理量,也是表示藥物親脂性或疏水性的重要物理參數(shù)。通過使用 Gaussian 09程序包計算獲得了紫杉醇的偶極距=6.196 5 D，多西紫杉醇的偶極距=4.821 3 D，說明紫杉醇的極性要大于多西紫杉醇。而紫杉醇與多西紫杉醇的疏水參數(shù)都比較大，這可能是由于紫杉醇與多西紫杉醇中苯環(huán)與大量甲基的存在，增大了它們的親脂性的緣故。但多西紫杉醇的疏水參數(shù)要小一點，可能是多西紫杉醇要比紫杉醇多一個極性親水基團羥基，少一個親脂基團苯環(huán)的緣故，這將更有利于在人體內(nèi)發(fā)揮其藥理活性。

2.4 紅外光譜

IR是研究分子的結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、表征和鑒別物質(zhì)十分重要方法。在紫杉醇及多西紫杉醇結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)上，模擬了紫杉醇及多西紫杉醇的紅外振動光譜。紫杉醇屬于C1群，有113個原子，對應(yīng)333個振動模式。理論計算所得到的部分特征振動頻率（0～4 000 cm-1)及紅外線強度列于圖2-上中，出現(xiàn)了紫杉醇特征峰值: 3 728 cm-1(O-H，伸縮), 3 296～3 375 cm-1(氫鍵O-H，伸縮)， 1 623 cm-1（N-H，彎曲）， 3 224 cm-1（N-H，伸縮），1 031～1 383 cm-1（C-O，伸縮），1 806～1 825 cm-1（C=O,伸縮），1 353 cm-1（酰胺C-N，伸縮），1 238 cm-1（胺C-N，伸縮），1 789 cm-1（C=C，伸縮），1 584～1 613 cm-1（苯環(huán)面內(nèi)伸縮），660～710 cm-1（苯環(huán)骨架面外變形振動）1 065 cm-1（苯環(huán)呼吸）；多西紫杉醇（見圖2-下）屬于C1群, 有111個原子，對應(yīng)327個振動模式，多西紫杉醇的特征峰：3 733 cm-1(O-H，伸縮), 3 293～3 359 cm-1(氫鍵O-H，伸縮)， 1 622 cm-1（N-H，彎曲）， 3 194 cm-1（N-H，伸縮），1 029～1 381 cm-1（C-O，伸縮），1 806～1 855 cm-1（C=O,伸縮），1 353 cm-1（酰胺C-N，伸縮），1 238 cm-1（胺C-N，伸縮），1 795 cm-1（C=C，伸縮），1 584～1 613 cm-1（苯環(huán)面內(nèi)伸縮），660～710 cm-1（苯環(huán)骨架面外變形振動），1 065 cm-1（苯環(huán)呼吸）； 紅外光譜的特征峰特點較好地與官能團吻合起來，也進一步驗證了計算的準(zhǔn)確性。

圖2 紫杉醇（上）和多西紫杉醇（下）紅外譜圖Fig.2 IR Spectra of taxol (top) and docetaxel (bottom)

2.5 核磁共振譜

核磁共振譜1H-NMR和13C-NMR能反映化合物的結(jié)構(gòu)，1H-NMR主要根據(jù)測定有機物分子中氫原子的化學(xué)環(huán)境，即反應(yīng)分子的空間構(gòu)像來推測有機物的結(jié)構(gòu)。在紫杉醇的結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)上，在HF/6-31G水平上計算模擬了紫杉醇的H原子的核磁共振圖譜（圖3），并列出部分H原子的模擬計算值與實驗值對比于表。為了更能直觀地反應(yīng)1H-NMR計算值與實驗值的符合程度，以1H-NMR計算值為縱坐標(biāo)，以1H-NMR實驗值為橫坐標(biāo)做散點圖。可以觀察到各點較均勻分布在擬合直線的兩側(cè)，這說明這次計算是較為可信的。

圖3 紫杉醇(上 )和多西紫杉醇（下）HNMR圖譜Fig.3 The HNMR spectra of taxol (top) and docetaxel (bottom)

3 結(jié) 論

通過對紫杉醇分子和多西紫杉醇分子的密度泛函量化計算研究，得到以下結(jié)論并作了一些推測：

（1）紫杉醇分子和多西紫杉醇分子具有穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，易溶于丙酮氯仿等有機溶劑，在水中的溶解度都很小，但多西紫杉醇的溶解度要稍大于紫杉醇，紅外光譜與官能團大致符合，核磁共振計算值與實驗值較為符合。

（2）通過NBO電荷分布分析，推測紫杉醇分子與多西紫杉醇分子活性最強的部位在酰胺基的N上，并且多西紫杉醇分子的活性要比紫杉醇分子強。

［1］陳曉萍, 薛興奎, 張沂平, 等. 多烯紫杉醇對胃癌細胞作用及其機制的研究[J]. 腫瘤, 2006, 26(4): 343-345.

［2］姚和際. 多西紫杉醇研究進展及市場分析[J]. 中國制藥信，2001, 17(5): 29-30.

［3］吳洪, 許錦泉, 謝少齊, 等. 紫杉醇抗癌活性與電子結(jié)構(gòu)的定量構(gòu)效關(guān)系[J]. 泉州泉州師范學(xué)院學(xué)報，2008，26（2）：63-66.

［4］邱曉航, 歐陽砥, 巢暉, 周永洽. 紫杉醇及其修飾物的光譜研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，2000，21（3）：415-416.

［5］許旋，徐志廣，羅一帆. 紫杉醇的核磁共振譜及其分子幾何構(gòu)型的從頭計算[J]. 物理化學(xué)學(xué)報，2002，18（5）：420-425.

［6］M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel,et al. Gaussian 09, Revision C.02[R]. Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2009.

Density Functional Theory Study on Pharmacology and Toxicology of Taxol and Its Derivative Docetaxel

ZHAN Kai-feng，PEI Shi-en，ZHONG Ai-guo,LIUEn-rong
（College of Chemical Engineering and Pharmacy, Taizhou University, Zhejiang Taizhou 318000，China）

Using the density functional theory B3LYP method with STO-3G basis set, molecules of taxol and docetaxel were optimized, and the theoretical calculation was carried out; their molecular dipole moment and configuration, IR spectra, UV spectra, NBO charge distribution were analyzed. The results show that, the maximum possible parts of pharmacological and toxicological effects of taxol and docetaxel are their N atoms on the amide.

Taxol; Docetaxel; Density functional theory; Quantitative calculation

TQ 623.4

： A

： 1671-0460（2015）04-0684-03

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項目（新苗人才計劃），項目號：2014R428015。

2015-03-15

占凱峰（1993-），男，浙江杭州人，臺州學(xué)院高分子專業(yè)，研究方向：從事高分子研究工作。E-mail：670478214@qq.com。