ABEEMσπ-MM應(yīng)用于酶與抑制劑自由能的計(jì)算及β-發(fā)夾水溶液的動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、在藥物設(shè)計(jì)中,以酶作為藥物的靶點(diǎn)歷史悠久,至今仍是重要的研究對象。臨床應(yīng)用的許多藥物是通過特異性地抑制或者少數(shù)是激活酶活性而起到作用的,統(tǒng)計(jì)表明,大約有三分之一的臨床藥物是酶抑制劑。所以對酶與配體間相互作用的探索和研究對新藥物的開發(fā)與設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。與此同時(shí),隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,也為對配體-受體相互作用進(jìn)行高精度的理論計(jì)算(如結(jié)合自由能計(jì)算)提供了良好的硬件平臺(tái)。因此,各種力場紛紛發(fā)展起來,并應(yīng)用到了生物酶的結(jié)構(gòu)研究以及計(jì)算機(jī)輔助藥

2、物分子設(shè)計(jì)當(dāng)中。
　　 計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)是應(yīng)用量子化學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、構(gòu)效關(guān)系等數(shù)據(jù)來研究藥物對酶、受體等作用的藥效模型,從而達(dá)到藥物設(shè)計(jì)的目的。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)中常用的方法是分子對接方法,而分子對接的目的就是找到底物和受體分子的最佳結(jié)合位置。因此,分子對接面臨兩個(gè)重要的問題:如何找到最佳的結(jié)合位置以及如何評價(jià)對接分子之間的結(jié)合強(qiáng)度,這兩個(gè)問題在對接計(jì)算中又是相互關(guān)聯(lián)的。如何找到最佳的結(jié)合位置涉及到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題。而第二個(gè)問題

3、是底物分子和受體分子之間的結(jié)合能力的預(yù)測,它涉及到結(jié)合自由能(binding free energy)的預(yù)測問題。分子對接過程中的自由能的計(jì)算是基于結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計(jì)的核心問題之一。計(jì)算結(jié)合自由能的方法有很多種,但都存在著一些局限和問題,所以建立和發(fā)展一種準(zhǔn)確和快速的計(jì)算結(jié)合自由能的方法是當(dāng)前藥物設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題。
　　 本論文基于Yang等人提出的原子-鍵電負(fù)性均衡方法融合進(jìn)分子力學(xué)(ABEEMσπ／MM),結(jié)合廣義

4、波恩(GB)靜電溶劑化模型,并將其融合進(jìn)LIE方法,提出了一種計(jì)算酶與抑制劑結(jié)合自由能的方法。具體應(yīng)用到一組訓(xùn)練集,24個(gè)抑制劑與HIV-1蛋白酶的自由能計(jì)算當(dāng)中,擬合出了計(jì)算方法中的參數(shù)值。將該方法應(yīng)用到7個(gè)結(jié)構(gòu)不同的抑制劑與HIV-1蛋白酶的自由能計(jì)算中得到了很好的結(jié)果,證明了該方法計(jì)算的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。進(jìn)一步我們又將該方法在原參數(shù)的情況下,直接應(yīng)用到環(huán)氧化酶-2(COX-2)及Beta-分泌酶(BACE)與抑制劑的自由能計(jì)算中,對

5、計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。除此之外,我們還應(yīng)用ABEEMσπ／MM模型對β-發(fā)夾水溶液進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬,以及對甲酸-水分子團(tuán)簇的性質(zhì)進(jìn)行了研究。本文的工作主要包括以下幾部分:
　　 (1)ABEEMσπ／MM應(yīng)用于HIV-1蛋白酶與抑制劑結(jié)合自由能的計(jì)算本文中,我們提出了一種計(jì)算結(jié)合自由能的方法,即將ABEEMσπ浮動(dòng)電荷力場及GB靜電溶劑化模型融合進(jìn)線性相互作用能(LIE)方法來計(jì)算結(jié)合自由能。分別為三參數(shù)和兩參數(shù)的模型,

6、具體的公式如下:
　　 ΔGbind=α(ΔEvdw)+β(ΔGelec)+ΔGtr,rotΔGbind=α(ΔEvdw)+β(ΔGelec)該方法參數(shù)的擬合是通過將其具體應(yīng)用到一組訓(xùn)練集,24個(gè)抑制劑與HIV-1蛋白酶的自由能計(jì)算當(dāng)中,并與實(shí)驗(yàn)的自由能值進(jìn)行對比,線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.93和0.91,且自由能的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的均方根偏差(rmsd)僅為0.70和0.77 kcal／mol,絕對平均偏差僅為0.56和0.55

7、 kcal／mol。進(jìn)一步將該方法應(yīng)用到7個(gè)結(jié)構(gòu)不同的抑制劑與HIV-1蛋白酶的體系中,計(jì)算的自由能值與實(shí)驗(yàn)值之間的均方根偏差很小,充分地證明該方法計(jì)算的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。通過比較訓(xùn)練集中三個(gè)模型分子的回旋半徑,以及三個(gè)模型分子與蛋白酶活性區(qū)域間的氫鍵距離,得出與自由能相一致的比較結(jié)果,進(jìn)而證明了該方法結(jié)合結(jié)構(gòu)分析可以應(yīng)用到新的抑制劑與HIV-1蛋白酶相互作用的評價(jià)中。
　　 (2)環(huán)氧化酶-2(COX-2)及Beta-分泌酶(B

8、ACE)與抑制劑相互作用的研究應(yīng)用我們提出的結(jié)合自由能計(jì)算方法,先后對環(huán)氧化酶-2(COX-2)及Beta-分泌酶(BACE)與抑制劑之間的結(jié)合自由能進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)我們還計(jì)算了不同抑制劑與COX-2的相對結(jié)合自由能,并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。一方面,通過對兩個(gè)不同體系的底物與抑制劑間結(jié)合自由能的計(jì)算,對我們提出的計(jì)算自由能方法中參數(shù)的可轉(zhuǎn)移性進(jìn)行了檢驗(yàn)；另一方面,我們結(jié)合相對結(jié)合自由能的計(jì)算以及電荷分布的分析來判斷不同抑制劑的抑制能力。

9、>　　 (3)ABEEMσπ／MM應(yīng)用于β-發(fā)夾水溶液的分子動(dòng)力學(xué)模擬關(guān)于β-發(fā)夾在水溶液中的穩(wěn)定性還存在著許多的爭議。在我們的研究中,我們利用ABEEMσπ／MM模型及ABEEM-7P水模型,對G蛋白的B1區(qū)域的16個(gè)殘基的β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度為280 K、300 K、350 K和450 K的分子動(dòng)力學(xué)模擬,并研究其動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)性質(zhì)。此外,通過溫度在300 K突變疏水殘基為丙氨酸殘基的動(dòng)力學(xué)模擬,分析疏水以及親水表面積來測定疏水相互

10、作用在穩(wěn)定水溶液中β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)中所起到的作用。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)突變疏水殘基為丙氨酸殘基,在模擬過程中β-發(fā)夾出現(xiàn)了不穩(wěn)定的現(xiàn)象,而且在1.5納秒左右出現(xiàn)了解折疊的現(xiàn)象。進(jìn)一步通過不同溫度以及突變的模擬過程中氫鍵個(gè)數(shù)的變化也得出:在穩(wěn)定β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)中,主鏈的氫鍵也起到了關(guān)鍵性的作用。除此之外,對比其他力場的模擬結(jié)果,進(jìn)一步地得出我們力場參數(shù)的準(zhǔn)確性和可轉(zhuǎn)移性。
　　 (4)甲酸-水分子團(tuán)簇的性質(zhì)研究及甲酸水溶液的分子動(dòng)力學(xué)模擬基于ABE

11、EMσπ／MM方法,我們對甲酸與水分子之間的相互作用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。包括甲酸結(jié)合1～3個(gè)水分子共20個(gè)穩(wěn)定構(gòu)象優(yōu)化的幾何構(gòu)型、ABEEMσπ電荷分布以及相互作用能。以上研究結(jié)果與高水平從頭計(jì)算方法相比都顯示了很好的一致性。對于20個(gè)穩(wěn)定構(gòu)象的相互作用能相對高水平從頭計(jì)算方法(MP2／aug-cc-pVTZ)的均方根偏差僅為0.74 kcal／mol,而且線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.993。此外,我們利用動(dòng)力學(xué)方法研究了甲酸分子在水溶液中的性

12、質(zhì),對甲酸與水分子之間的氫鍵相互作用進(jìn)行了分析。所有的計(jì)算與分析表明,ABEEMσπ浮動(dòng)電荷模型能夠給出甲酸與水分子之間相互作用的合理分析,并與高水平的從頭計(jì)算方法有很好的一致性。
　　 (5)采用自編的有關(guān)程序,有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)總之,基于原子-鍵電負(fù)性均衡方法融合進(jìn)分子力學(xué)(ABEEMσπ／MM)以及GB溶劑化模型,并將其融合進(jìn)LIE方法,我們提出了一種計(jì)算酶與抑制劑結(jié)合自由能的方法。該模型成功的計(jì)算了HIV-1蛋白酶與抑制劑的

13、結(jié)合自由能,取得的結(jié)果都好于現(xiàn)存的其他方法的結(jié)果。此外,我們進(jìn)一步的將該方法在原參數(shù)的情況下,計(jì)算了環(huán)氧化酶-2(COX-2)及Beta-分泌酶(BACE)與抑制劑之間的結(jié)合自由能,結(jié)果分析得出該方法的參數(shù)不具有可轉(zhuǎn)移性。盡管此類方法還需要進(jìn)一步的完善,但是可以成功的應(yīng)用到HIV—1蛋白酶與新抑制劑相互作用的評價(jià)中,并且可以直接應(yīng)用該方法準(zhǔn)確地判斷出其他體系中,不同抑制劑與底物間結(jié)合自由能的大小順序。此方法的提出也為拓展ABEEMσπ浮