ABEEMσπ-MM應用于酶與抑制劑自由能的計算及β-發(fā)夾水溶液的動力學模擬.pdf

1、在藥物設計中,以酶作為藥物的靶點歷史悠久,至今仍是重要的研究對象。臨床應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)與設計是至關重要的。與此同時,隨著計算機科學的發(fā)展,也為對配體-受體相互作用進行高精度的理論計算(如結合自由能計算)提供了良好的硬件平臺。因此,各種力場紛紛發(fā)展起來,并應用到了生物酶的結構研究以及計算機輔助藥

2、物分子設計當中。
　　 計算機輔助藥物設計是應用量子化學、分子動力學、構效關系等數(shù)據(jù)來研究藥物對酶、受體等作用的藥效模型,從而達到藥物設計的目的。計算機輔助藥物設計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合位置。因此,分子對接面臨兩個重要的問題:如何找到最佳的結合位置以及如何評價對接分子之間的結合強度,這兩個問題在對接計算中又是相互關聯(lián)的。如何找到最佳的結合位置涉及到結構優(yōu)化的問題。而第二個問題

3、是底物分子和受體分子之間的結合能力的預測,它涉及到結合自由能(binding free energy)的預測問題。分子對接過程中的自由能的計算是基于結構的計算機輔助藥物分子設計的核心問題之一。計算結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)展一種準確和快速的計算結合自由能的方法是當前藥物設計的關鍵性問題。
　　 本論文基于Yang等人提出的原子-鍵電負性均衡方法融合進分子力學(ABEEMσπ／MM),結合廣義

4、波恩(GB)靜電溶劑化模型,并將其融合進LIE方法,提出了一種計算酶與抑制劑結合自由能的方法。具體應用到一組訓練集,24個抑制劑與HIV-1蛋白酶的自由能計算當中,擬合出了計算方法中的參數(shù)值。將該方法應用到7個結構不同的抑制劑與HIV-1蛋白酶的自由能計算中得到了很好的結果,證明了該方法計算的準確性和適應性。進一步我們又將該方法在原參數(shù)的情況下,直接應用到環(huán)氧化酶-2(COX-2)及Beta-分泌酶(BACE)與抑制劑的自由能計算中,對

5、計算結果進行了分析和討論。除此之外,我們還應用ABEEMσπ／MM模型對β-發(fā)夾水溶液進行了分子動力學模擬,以及對甲酸-水分子團簇的性質進行了研究。本文的工作主要包括以下幾部分:
　　 (1)ABEEMσπ／MM應用于HIV-1蛋白酶與抑制劑結合自由能的計算本文中,我們提出了一種計算結合自由能的方法,即將ABEEMσπ浮動電荷力場及GB靜電溶劑化模型融合進線性相互作用能(LIE)方法來計算結合自由能。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用到一組訓練集,24個抑制劑與HIV-1蛋白酶的自由能計算當中,并與實驗的自由能值進行對比,線性相關系數(shù)達到了0.93和0.91,且自由能的計算值與實驗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。進一步將該方法應用到7個結構不同的抑制劑與HIV-1蛋白酶的體系中,計算的自由能值與實驗值之間的均方根偏差很小,充分地證明該方法計算的準確性和適應性。通過比較訓練集中三個模型分子的回旋半徑,以及三個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果,進而證明了該方法結合結構分析可以應用到新的抑制劑與HIV-1蛋白酶相互作用的評價中。
　　 (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用我們提出的結合自由能計算方法,先后對環(huán)氧化酶-2(COX-2)及Beta-分泌酶(BACE)與抑制劑之間的結合自由能進行計算,同時我們還計算了不同抑制劑與COX-2的相對結合自由能,并與實驗值進行比較。一方面,通過對兩個不同體系的底物與抑制劑間結合自由能的計算,對我們提出的計算自由能方法中參數(shù)的可轉移性進行了檢驗；另一方面,我們結合相對結合自由能的計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應用于β-發(fā)夾水溶液的分子動力學模擬關于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個殘基的β-發(fā)夾結構進行了溫度為280 K、300 K、350 K和450 K的分子動力學模擬,并研究其動力學結構性質。此外,通過溫度在300 K突變疏水殘基為丙氨酸殘基的動力學模擬,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)夾結構中所起到的作用。我們發(fā)現(xiàn)當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。進一步通過不同溫度以及突變的模擬過程中氫鍵個數(shù)的變化也得出:在穩(wěn)定β-發(fā)夾結構中,主鏈的氫鍵也起到了關鍵性的作用。除此之外,對比其他力場的模擬結果,進一步地得出我們力場參數(shù)的準確性和可轉移性。
　　 (4)甲酸-水分子團簇的性質研究及甲酸水溶液的分子動力學模擬基于ABE

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

12、質,對甲酸與水分子之間的氫鍵相互作用進行了分析。所有的計算與分析表明,ABEEMσπ浮動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算方法有很好的一致性。
　　 (5)采用自編的有關程序,有自主知識產(chǎn)權總之,基于原子-鍵電負性均衡方法融合進分子力學(ABEEMσπ／MM)以及GB溶劑化模型,并將其融合進LIE方法,我們提出了一種計算酶與抑制劑結合自由能的方法。該模型成功的計算了HIV-1蛋白酶與抑制劑的

13、結合自由能,取得的結果都好于現(xiàn)存的其他方法的結果。此外,我們進一步的將該方法在原參數(shù)的情況下,計算了環(huán)氧化酶-2(COX-2)及Beta-分泌酶(BACE)與抑制劑之間的結合自由能,結果分析得出該方法的參數(shù)不具有可轉移性。盡管此類方法還需要進一步的完善,但是可以成功的應用到HIV—1蛋白酶與新抑制劑相互作用的評價中,并且可以直接應用該方法準確地判斷出其他體系中,不同抑制劑與底物間結合自由能的大小順序。此方法的提出也為拓展ABEEMσπ浮