（农药学专业论文）ahas与不同结构类型抑制剂的相互作用研究.pdf

硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 以乙酰羟基酸合成酶( a c e t o h y d r o x y a c i ds y n t h a s e ，a h a s ) 为靶标设计开发新型超 高效除草剂是当前除草剂化学中的一个重要研究领域，它的抑制剂主要分为四类： 磺酰脲( s u l f o n y l u r e a ，s u ) 、咪唑啉酮( i m i d a z o l i n o n e ，i m ) 、三唑并嘧啶 ( t r i a z o l o p y r i m i d i n e ，t p ) 、嘧啶( 氧) 硫苯甲酸( p y r i m i d i n y l ( o x y ) t h i o b e n z o i ca c i d ，p t b ) 。 其中磺酰脲和咪唑啉酮类除草剂与a h a s 催化亚基复合物晶体结构的解析为理解 这两类化合物与酶的相互作用提供了峰实的实验基础，而其余两种的结合模式仍然 未知。本文在酶的晶体结构的基础上，综合运用3 d q s a r 、分子动力学模拟和结 合自由能计算来研究三唑并嘧啶类及嘧啶( 氧) 硫苯甲酸类除草剂与酶的相互作用。 本文比较不同的优化方法和电荷发现高精度的d f t 方法及e s p 电荷有助于建 立好的c o m f a 和c o m s i a 模型，为今后的3 d q s a r 研究提供了新思路。运用该 方法和电荷对系列嘧啶( 氧) 硫苯甲酸类化合物建立的模型能在蛋白质结构上得到很 好的解释，可用于对结构类似的新型化合物进行活性预测，是一个好的活性预测工 具。 通过分子动力学模拟分析及结合自由能的计算系统研究了a h a s 与不同结构 类型的a h a s 抑制剂一嘧草醚、阔草清和新型活性化合物y 4 3 1l 相互作用，其中嘧 啶( 氧) 硫苯甲酸类除草剂嘧草醚的结合模式与3 d q s a r 结果互相验证。详细分析了 抑制剂与周围氨基酸残基的范德华相互作用，静电相互作用及氢键相互作用，发现 了嘧草醚与g l y 6 5 7 及阔草清与g l y l l 6 之间的氢键相互作用。从三维结构上确定了 嘧草醚、阔草清及y 4 3 1 1 在结合腔中的位置与构象，比较了四类除草剂与酶相互作 用的相似与不同之处，从分子水平上提供了大量有用信息为设计新型抑制a h a s 的 高活性化合物提供指导。 基于这几类化合物与酶相互作用的信息，设计并合成了1 4 个新化合物，找到 一个对大肠杆菌野生型及w 4 6 4 l 突变型a h a s 有中等抑制活性的化合物i i - 3 ，可 作为先导化合物进行进一步的优化。 关键词：a h a s ；3 d q s a r ；d f t ；分子对接；分子动力学模拟；m m p b ( g b ) s a ； 嘧草醚；阔草清 硕士学位论交 m a s l e r st h e s i s a b s t r a c t d e s i g na n ds y n t h e s i s o fn o v e lh i g h l ys e l e c t i v ea n dp o t e n th e r b i c i d e sw i t h a c e t o h y d r o x y a c i ds y n t h a s e ( a h a s ) a st a r g e ti s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta r e ai n h e r b i c i d a lr e s e a r c h f o u rh e r b i c i d a lf a m i l i e sh a v eb e e nk n o w na sa h a s i n h i b i t o r s ： s u l f o n y l u r e a( s u ) ， i m i d a z o l i n o n e ( i m ) ，t r i a z o l o p y r i m i d i n e( t p ) a n d p y r i m i d i n y l ( o x y ) t h i o b e n z o i ca c i df p t b ) 1 1 1 ec r y s t a ls t r u c t u r e so ft h ec a t a l y t i cs u b u n i to f a h a si nc o m p l e xw i t hs u l f o n y l u r e aa n di m i d a z o l i n o n eh a v eb e e nd e t e r m i n e d r e s p e c t i v e l yw h i c hs e t t l e as o l i de x p e r i m e n t a lb a s i sf o ru n d e r s t a n d i n gt h ed e t a i l e d i n t e r m o l e c u l a ri n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h e ma n dt h ee n z y m e b u tt h eb i n d i n gm o d e l so ft h e o t h e rt w oh e r b i c i d ef a m i l i e sa r es t i l lu n k n o w n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，3 d o s a r ，m o l e c u l a r d y n a m i c ss i m u l a t i o na n db i n d i n gf r e ee n e r g yc a l c u l a t i o nw e r eu s e dt os t u d yt h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h e e n z y m e a n d t r i a z o l o p y r i m i d i n e a n d p y r i m i d i n y l ( o x y ) t h i o b e n z o i ca c i dr e s p e c t i v e l y c o m p a r i n gd i f f e r e n to p t i m i z i n gm e t h o d sa n dc h a r g e s ，w h i c hs h o w e dt h a tt h eh i g h a c c u r a t ed f tm e t h o dw i t he l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a l ( e s p ) f i t t i n gc h a r g e sd i db e t t e rf o r c o n s t r u c t i n gh i g h l yr e l i a b l ec o m f aa n dc o m s i am o d e l s t h i sr e s u l ta f f o r d e dan e w a p p r o a c ht o3 d q s a rr e s e a r c hi nf u t u r e t h em o d e lb a s e do nt h i sm e t h o da n dc h a r g e s c o u l db ei n t e r p r e t e di np r o t e i ns t r u c t u r a lt e r m sa n dc o u l db eu s e dt op r e d i c tt h ea c t i v i t yo f n e wm o l e c u l e sw i t hs i m i l a rs t r c t u r e sa sag o o dp r e d i c t i v et 0 0 1 t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e na h a sa n d s t r u c t u r a l l y d i v e r s e i n h i b i t o r s - - p y r i m i n o b a c m e t h y l ，f l u m e t s u l a m an e wa c t i v ec o m p o u n dy 4 3 1 1w e r e s t u d i e ds y s t e m i c a l l yb y u s i n gm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n ( m d ) a n db i n d i n gf r e e e n e r g yc a l c u l a t i o n t h eb i n d i n gm o d e lo fp y r i m i n o b a c - m e t h y la g r e e dw i t ht h e3 d q s a r r e s u l t s t h ev d w ：e l e c t r o s t a t i ca n dh b o n di n t e r a c t i o n sw e r ea n a l y z e di nd e t a i l a n dt h e h b o n d sb e t w e e np y r i m i n o b a c m e t h y la n dg l y 6 5 7 f l u m e t s u l a ma n dg l y ll6w e r ef o u n d i nt h et r a j e c t o r yo fm d t h el o c a t i o na n do r i e n t a t i o no fp y r i m i n o b a c m e t h y l f l u m e t s u l a m ，y 4 31 1w e r ed e t e r m i n e di nt h eb i n d i n gs i t e ，a n dt h es i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e sw e r ec o m p a r e da n dd i s c u s s e d w h i c hp r o v i d e dl o r so fi m f 0 1 i 1 a t i o nf o rf u r t h e r n o v e lp o t e n ti n h i b i t o r sd e s i g nd e f i n i t e l y w i t ht h ei m f o r m a t i o nf r o mt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h e s ei n h i b i t o r sa n da h a s 14 n e wc o m p o u n d sw e r es y n t l l e s i z e da n dt h ec o m p o u n di i 3s h o w e dm o d e r a t ei n h i b i t o r y a c t i v i t yt ot h ee c o l iw i d e t y p ea n dw 4 6 4 la h a s t h es t r u c t u r eo ft h i sc o m p o u n dc a n b eo p t i m i z e df t l r t h e ra sal c a dc o m p o u n d k e yw o r d s ：3 d q s a r ；a h a s ；m o l e c u l a rd o c k i n g ；m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n ； m m p b ( g b ) s a ；p y f i m i n o b a c m e t h y l ；f l u m e t s u l a m n 硕士学位论丈 m a s t e r st h e $ 1 s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：丁刁磊扳 日期： 噼石月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：1 刁秀8 友 帆砂产占月7 日 导师签名 日期： 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l l s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。同意论文提交卮进后：口半年；口一年；日乞年发布。 作者签名：7 乃秀8 久 日期矽产多月7 日 导师签名 日期： 日 硕士学位论文 m a s 。r r st h e s i s 第一章绪论 1 1 计算机辅助药物设计简介 药物的研究开发是件复杂漫长且耗资巨大的工作，其中先导化合物的发现是 创制新药过程中最为关键的一步。一旦发现化合物具有一定的生物活性，即可对其 进行系统的结构修饰，从而得到更高活性的化合物，即先导结构优化。传统的先导 化合物主要是通过偶然发现和随机合成筛选这两种途径产生。然而偶然发现带有极 大的随机性和不可控性，随机合成筛选则需要耗费大量的时间金钱而且效率低下。 合理药物设计( r a t i o n a ld r u gd e s i g n ) 依据生命科学研究中所揭示的药物作用 靶标，即受体，再参考其内源性配体或天然药物的化学结构特征，寻找和设计合理 的药物分子，以发现选择性作用于靶标的、又具药理活性的先导化合物，或根据靶 标的三维结构直接设计活性配体，可以大大地减少所筛选化合物的数目，缩短药物 研究与开发的周期，是目前药物研究的主要方向【1 ，引。 计算机辅助药物设计( c o m p u t e r - a s s i s t e dd r u gd e s i g n ，c a d d ) 是合理药物设计 的重要手段之一，它是以计算机为工具，根据分子生物学信息、结构与功能信息， 通过各种理论计算方法和图形模拟技术进行大分子与小分子之间相互作用的模拟， 从而建立靶标与药物相互作用模型，设计新的小分子化合物。进入上一世纪9 0 年 代，计算机辅助药物设计已作为一种实用化的工具介入到了药物研究的各种环节。 计算机辅助药物设计有两类方法，一类是基于机理的药物设计( m b d d ) ，另一 类是基于结构的药物设计( s b d d ) 。基于机理的药物设计针对药物作用机理，从靶点 出发，考虑药物与受体的作用过程，并模拟药物在体内的吸收、转运、代谢等动态 过程，比基于结构的药物设计更合理，但目前该法还不成熟。目前的计算机辅助药 物设计主要还是基于结构的药物设计，它又分为两大类：基于配体结构的计算机辅 助药物设计和基于受体结构的计算机辅助药物设计。 1 1 1 基于配体结构的计算机辅助药物设计 基于配体结构的方法主要是针对未知受体结构的药物分子，主要包括定量构效 关系方法和药效团模型方法p j 。定量构效关系( q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e a c t i v i t y r e l a t i o n s h i p s ，q s a r ) 是利用理论计算和统计分析工具，采用数理统计的方法对化合 物的结构信息、理化参数和生物效应( 如药物的活性、毒性、药效学性质、药代动力 学参数和生物利用度等) 进行分析计算，建立合理的数学模型，研究结构与生物效应 之间的量变规律，为药物设计、先导化合物的结构改造提供理论依据。从2 0 世纪 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 6 0 年代h a n s c h f u j i t a 方型4 j 的提出到三维定量构效关系( 3 d q s a r ) 的广泛应用， q s a r 得到了不断的完善和发展，成为计算机辅助药物设计应用最为广泛的方法之 一。近些年来，q s a r 方法也取得了些新的进展，如遗传算法在q s a r 中的应用、 4 d q s a r 方法的提出，以及虚拟受体方法的发展1 3 。这些新的进展使q s a r 方法 得到进一步完善并得到更广泛的应用。 药效团模型( p h a r m a c o p h o r em o d e l i n g ) 方法是以小分子的结构和活性为起点，找 到化合物共同的药效作用模式【3 】。所谓“药效团”指的是一系列活性化合物具有的 共同特征，这些特征包括特定的化学基团、氢键给体或受体、正电基团或负电基团、 疏水性基团等。一个三维的药效团模型给出了这些药效基团之间的特定三维排列方 式。在得到的构效关系模型和药效团模型的基础上，也可以结合其他方法( 比如数据 库搜索方法) 来进行药物的设计。与q s a r 方法不同，药效团模型方法主要应用不 是先导化合物的优化，而是先导化合物的发现。 1 1 2 基于受体结构的计算机辅助药物设计1 3 j 随着分子生物学和结构生物学的发展，n m r 和晶体衍射技术的提高，越来越 多的生物大分子结构被解析。对于一些未知三维结构的受体大分子，它们的结构也 可以通过同源蛋白模建的方法得到。在这种情况下，就可以采用基于受体结构的药 物设计方法来寻找新的先导化合物。基于受体结构的药物设计方法的思路就是通过 研究受体结构的特征以及受体和药物分子之间的相互作用方式来进行药物的设计。 分子对接是基于受体结构药物设计中的一类重要方法。所谓“分子对接”就是受体 和药物分子之间通过几何匹配和能量匹配而相互识别的过程。药物分子在药效发生 的生物过程中，药物与受体相互结合，首先需要两个分子充分接近，采取合适的取 向，从而使两者在必要的部位相互契合，进一步发生相互作用。因此确定复合物中 的两个分子正确的相对位置和取向对于新药的设计非常关键。分子对接方法从2 0 世纪8 0 年代到现在，逐渐发展成为较为完善的药物设计方法之一，而且成为药物 设计中最为重要的方法之一。 在基于受体结构的药物设计中，另外一类重要的方法就是全新药物设计( d e n o v od r u gd e s i g n ) ，又称从头设计方法。全新药物设计方法是根据受体的结合位点的 形状和性质要求直接借助计算机自动构造出形状和性质互补的新的配体小分子三 维结构。全新药物设计基于靶标结构设计与已知抑制剂不同的新的抑制剂，它考虑 了受体与配体之间相互作用的优势和稳定性，设计过程中完全没有化合物种类和结 果的预先限制，因此设计的结果可能是全新的。 2 、 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 本文所涉及的理论计算和研究方法 1 2 1 三维定量构效关系( 3 d q s a r ) 从2 0 世纪6 0 年代以来，在药物定量构效关系( q s a r ) 研究、预测同源物的生物 活性以及定量药物设计等方面，因为h a n s c h 。f u j i t a 方法的应用取得了广泛的成功而 被奉为经典定量构效关系方法【5 j 。实际上药物分子与受体的相互结合具有一定的三 维空间要求，而h a n s c h f u j i t a 方法中用来描述化合物结构与生物活性之间定量构效 关系的主要参数都是基于化合物二维结构基础上的物化参数，因此用该方法建立的 相关方程也就无法反映药物分子与受体在三维空间的相互作用关系。 2 0 世纪8 0 年代以来，在q s a r 研究中，陆续出现了几种考虑生物活性分子 与受体结合三维结构性质的研究方法，统称为三维定量构效关系( 3 d q s a r ) 。它们 考虑生物活性分子三维构象性质，在q s a r 分析中引进与生物活性分子的三维结构 信息有关的量作为变元( d e s c r i p t o r ) ，能更精确地反缺生物活性分子与受体作用的关 系，更深刻地揭示药物一受体相互作用的机理f 6 】oh o p f i n g e r 等的分子形状分析7 9 1 ( m o l e c u l a rs h a p ea n a l y s i s ，m s a ) ，c r i p p e n 等的距离几何学方法1 1 0 ，1 ( d i s t a n c e g e o m e t r y3 d q a s r ，d g ) ，以及c r a m e ri i i 等的比较分子力场分析测1 2 1 ( c o m p a r a t i v e m o l e c u l a rf i e l da n a l y s i s ，c o m f a ) 和k l e b e 等的比较分子相似性指数分析法【b 1 ( c o m p a r a t i v em o l e c u l a rs i m i l a r i t y i n d i c e sa n a l y s i s ，c o m s i a ) 都是其中一些重要的 3 d q s a r 方法，并成功得到一些模型。 1 2 1 1 比较分子力场分析( c o m f a ) 药物分子与受体之间的可逆性相互作用主要是通过非共价键作用如范德华力、 静电相互作用以及氢键来加以实现的，作用于同一受体的一系列化合物分子与受体 之间的上述三种作用力应该有一定的相似性。因此，在不了解受体三维结构的情况 下，研究这些分子周围三种作用力场的分布，把它们同其生物效应定量联系起来， 就可以建立一个模型设计新的化合物并定量地预测化合物的活性，这就是c o m f a 的物理基础。 c o m f a 方法主要由以下几部分组成： 1 确定研究化合物的药效构象，依据合理的叠加原则把一系列化合物叠加到一 个包含全部化合物分子的空间网格上。 2 根据研究对象及生物活性的特性，选择合适的探针基团( 如计算静电场可用 h + 探针，v d w 作用场可用c h 3 探针，氢键和疏水性质用h 2 0 探针等) ，计算探针 基团位于每个空间网格点上与各个药物分子的相互作用能量。它们与各化合物的生 物活性共同构成c o m f a 的q s a r 表格，如网l - i 所示。 嘲】ic o m f a 分h f 沭样嘲 3 使用偏蜮小诫( p l s ) t 1 4 1 8 吩折确定q s a r 关系式。为了更准确反映药物 分于周围场的分柑与变化，网格点的数目常在2 0 0 0 个以t ，这就使得q s a r 统计 分析巾，变元的数目远远超过化合物的数目，常规的多元同归方法已不能使用。p i j s 方法可以把变元与凼娈龟之制的戈系转化为相应的潜变量之间的关系，这样就可以 克服多元网归的缺陷，再通过交叉验h e ( c r o s sv a l i d a t i o n ) 过程，即可建立一个预测能 力很强的q s a r 模型。然后，计算某一新化合物分了周田的力场分靠，将其输入这 一模型，就可咀定鼋预测其生物活性。 4 作c o m f a 系数嘲，并依此设计新化合物。山j ：c o m f a 中变元数h 庞人 q s a r 关系式的系数也胄相心的数量，从这些系数l 不易看出它们与生物活性之间 的是系，敞c o m f a 结果是川q s a r 系数冈束进行太小的。从系数圉可以消楚地看 咖螂m 舢硎b # 渊 川胁 口 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s l s 出某一区域场的强度对生物活性的影响最大，据此可以设计新化合物使它具有更好 的生物活性。 经过数年的应用与发展，c o m f a 方法作为药物化学研究中必不可少的研究工 具已为大家所公认。 1 2 1 2 比较分子相似性指数分析( c o m s i a ) c o m f a 自从1 9 8 8 年问世以来受到广泛关注和应用，在使用该方法进行 3 d q s a r 分析时仍存在有一些不足之处【l 引。一是小分子与受体成功结合的先决条 件是g i b b s 结合自由能为负值。焓变对结合常数的贡献通过小分子与假想受体分子 间相互作用的参数体现出来了，但熵值贡献相对来说很难描述，主要原因在于小分 子从溶剂到蛋白质中的转移过程难于描述。些研究显示这部分贡献可能与药物分 子的疏水表面区域大小有关，因此这就要求有描述疏水表面区域相对差别的参数。 二是c o m f a 用l e n n a r d j o n e s 势能函数来计算立体场参数，用c o u l o m b i c 势能函数 来计算静电场参数。虽然这个处理方法被广泛接受并且有很高的应用价值，但是仍 存在有一定的问题。当l e n n a r d j o n e s 势能函数在靠近分子范德华表面时特别陡峭， 使在接近表面的格点的势能变化非常大，分子小的改变或是构象的些微变化都有可 能引起这些参数值的巨大变化。为了避免这些不被接受的巨大数值，计算势能时需 要定义一个阈值( c u t o f f ) ，这个阈值使得在分子表面内的参数无法计算，并造成叠合 的分子相对于网格的方向都对c o m f a 的结果产生巨大的影响。在解释c o m f a 结 果时，特别是设计新的化合物时，不同场相对空间贡献的曲面图是特别有用的工具， 但也是由于定义的阂值，在靠近分子表面时，势能函数的陡峭使这些图不能连续地 连接起来从而很难解释。 为了解决这些突出的问题，k l e b e 等人发展了一种新的比较分析方法：比较分 子相似性指数分析方法( c o m p a r a t i v em o l e c u l a rs i m i l a r i t yi n d e xa n a l y s i s c o m s i a ) 1 3 】。 c o m s i a 是在c o m f a 方法基础上发展和延伸起来的一种新的三维定量构效关系方 法，也是依据合理的叠加原则把一系列化合物叠加到一个包含全部化合物分子的空 间网格上。不同的是c o m f a 是计算位于每个空问网格点上探针基团与各个药物分 子的相互作用能量，而c o m s i a 则是为数据组中每个叠合的分子计算相似性指数 i 1 9 l 。它没有直接显示两个分子间的相似性，而是通过放在周围网格点上的公共探针 原子对数据组中每个分子的相似性进行问接评价。相似性指数用下列公式计算： o。，2 _ 、 一 ， a 暑。足( j ) ：一乞o ) p r o b e ，j i e ”( 1 - 1 ) j 二l a f k 是在网格点q 探针对分子j 相似性指数 i 是分子j 的原子序号 f o m 是原予l 物理化学性质k 的实际值 n k 妇k 足半径为1a 、f 乜荷为+ l 、硫承性为+ 】、氢键给予+ 】、氢键受伴十】的探爿原 予 是位r 网格点q 的探针原子与测试分子中服于i 间的距离 a 是衰减因子，默认值是03 ，一般在02 f d 04r a j 选择。大的值导致很陡的高斯函数， 从而导致距离相关的分子相似性产生大的衰减。 i “”“ 。吣。 p o k m ii 。o u l 州h ”咖t i j ，一 ( b a n u l o m b _ c n t i “ 掣f - 2 g a u s s a n ，l e n n a r d - j o n e s 和c o u l o r n b i c 函数 在c o m s i a 计算干日似性指数时，采用的是j 距离相关的高斯函数形式f 图1 2 1 ， 与l e n n a r d - j o n e 势能函数相比，高斯函数定义了亚平滑的距离相关性，因此在靠近 分子表血时其附近网格点上的能量不会产生显若的变化，从而就不需要定义能量闽 值( c u t o f 0 ，从而解决了山于闻值设定引起的问题，c o m s i a 方法考虑了血种小尉的 场( 分子静电场、立体场、疏永场、氢键受捧场、氢键给体场) 的贡献，丑然使用 血种不同的场不一定能增加模型的精确性和预测能力( 因为场之i i j j 的相关性) ，但 是将变量分为不| f 习类型的场能使结泉盟易解释。c o m f a 得到的系数曲i a i 图强调那 些叠台分子与i 叮能环境的相互作用是增加或降低! e 物活性的区域，而c o m s i a 场贡 献显州在被配体占据的区域内哪些具有特殊物理化学性质基团的 i i 现增加还是降 低生物活性。 硕士学位论丈 m a s t r st h e s i s 1 2 2 分子动力学模拟 分子动力学模拟( m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n ) 计算，简称为m d 计算，自1 9 6 6 年起发展至今4 0 多年。它可以用来了解生物体系内的一些动态过程，例如：蛋白 质的结构稳定性、蛋白质在特定条件下的构象变化、蛋白质折叠和去折叠过程、受 体配体之间的分子识别机制和生物体系中的离子运输过程等，同时还可以用于生物 大分子结构实验测定数据的优化，为核磁共振、x r a y 衍射和电镜结构测定提供有 用信息。m d 在药物设计中的应用越来越广泛，不仅可以用来做构象搜寻，还可以 解释药物一靶标相互作用的作用机制。 1 2 2 1 分子动力学模拟计算的 考虑含有n 个分子的运动 的总和。其总势能为分子中各 分为分子问( 或分子内) 原子 大部分： 的能量为系统中分子的动能与系统总势能 函数u ( 五，五，一 范德华作用( v d w ) 与 u = u v d w + 以n t 。，) 。通常势能可 分子内部势f l 基( i m ) 两 ( 1 2 ) 范德华作用一般可将其近似为各原子对间的范德华作用的加成： u v o w = u 1 2 + u 1 3 + + u l n + 2 3 + u 2 4 + = “f ( 勺) ( 1 - 3 ) 式中，r i j 为二原子i 与j 间的距离。分子内势能则为各类型内坐标( 如键伸缩，键角 弯曲，) 势能的和。 依照经典力学，系统中任一原子i 所受之力为势能的梯度： 亏= 一v ，u = 一( 7 毒+ 歹旦o y , “若户 ( 1 4 ) 依此，由牛顿定律可得i 原子的加速度为： 云。：至(1-5) 朋， 将牛顿运动定律方程式对时间积分，可预测i 原子经过时间t 后的速度与位置： 7 、h _ 一， 硕士学位论史 m a s t e r st he s l s d 2 ，d 一一 矿2 石v 5q 每t = 每? 七a l 亏= 亏o + e o ，+ 蟊，2( 1 - 6 ) 式中，芦和哥分别为粒子的位置和速度，上标“0 为各物理量的初始值。 m d 基本原理即为利用牛顿运动定律，在分子力学的基础上描述分子运动随时 间演化的方法，属于经典力学的范畴，体系内所有粒子遵循牛顿第二运动方程，即 f = m a ，这罩f 是体系所受外力，m 是体系质量，a 是体系加速度。分子动力学中近 似地仅描述原子核的运动，所有电子的运动以及电子运动对核运动的影响都被忽 略。先由系统中各分子之位置计算系统的势能，再t 士l ( 1 。4 ) ，( 1 5 ) 式计算系统中各原 子所受的力及加速度，然后在( 1 6 ) 式中令t = 舀，舀表示一非常短的时间间隔，则 可得到经过舀后各分子的位置及速度。重复以上步骤，由新的位置计算系统的势能， 计算各原子所受的力及加速度，预测再经过痨后各分子的位置及速度，如此反 复循环可以得到各时间下系统中分子运动的位置，速度及加速度等资料。一般将各 时间下的分子位置称为运动轨迹( t r a j e c t o r y ) 。 m d 方法包括三个基本假定：( 1 ) 有效作用势近似；( 2 ) 周期性边界条件( p e r i o d i c a l b o u n d a r yc o n d i t i o n ) ；( 3 ) 热力学量的系综平均等于时间平均( 这也是统计力学中微 j 下则系综热力学量的一个基本假定) 。在这些基本假定下，选择合适的粒子相互作 用势，确定中心元胞的尺寸l 、体系温度t 、密度p ( 气相为压强p ) ，并确定中心 元胞内粒子的初始空间分布和速度分布( 由温度及m a x w e l l b o l t z m a n n 分布确定) ， 最后选定模拟的时间步长舀和模拟总步数，就可以进行m d 计算了。 1 2 2 2 分子力场 m d 方法中广泛使用的还是经验势函数，也就是所谓的力场。分子力场根据量 子力学的波恩一奥本海默近似，一个分子的能量可以近似看作构成分子的各个原子 的空间坐标的函数，简单地讲就是分子的能量随分子构型的变化而变化，而描述这 种分子能量和分子结构之间关系的就是分子力场函数。分子力场函数为来自实验结 果的经验公式，对分子能量的模拟比较粗糙，但是相比于精确的量子力学从头计算 方法，分子力场方法的计算量要小数十倍，而且在适当的范围内，分子力场方法的 计算精度与量子化学计算相差无几，因此对大分子复杂体系而言，分子力场方法是 一套行之有效的方法。 8 f f 、 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 一般而言，分子力场函数由以下几个部分构成： 键伸缩能：构成分子的各个化学键在键轴方向上的伸缩运动所引起的能量变化 键角弯曲能：键角变化引起的分子能量变化 二面角扭曲能：单键旋转引起分子骨架扭曲所产生的能量变化 非键相互作用：包括范德华力、静电相互作用等与能量有关的非键相互作用 交叉能量项：上述作用之间耦合引起的能量变化 构成一套力场函数体系需要有一套联系分子能量和构型的函数，还需要给出各 种不同原子在不同成键状况下的物理参数，比如正常的键长、键角、二面角等，这 些力场参数多来自实验或者量子化学计算。 a m b e r 力场是在生物大分子的模拟计算领域有着广泛应用的一个分子力场， 开发这个力场的是k o l l m a n 课题组。最初a m b e r 力场是专门为了计算蛋白质和核 酸体系而开发的，计算其力场参数的数据均来自实验值，后来随着a m b e r 力场的 广泛应用，包括k o l l m a n 在内的很多课题组对a m b e r 力场的内容不断进行丰富， 逐渐开发出了一个可以用于生物大分子、有机小分子和高分子模拟计算的力场体 系，且a m b e r 力场的优势在于对生物大分子的计算。 a m b e r 力场的势能函数形势较为简单，所需参数不多，计算量也比较小，这 是这个力场的一大特色。该力场用谐振子模型计算键长伸缩能和键角弯转能，用傅 立叶级数的形式来描述二面角扭转能，选用l e n n a r d j o n e s 势来模拟范德华力；用库 仑公式来描述静电相互作用，其势能表达式为： u ) = 托( h 。) 2 + 专尼。( 9 一o o ) 2 + 寺跏【1 + c o s ( 以缈一7 ) 】 删n - i n f 4 & ，i t 盯- , , 16 + 嚣 m 7 ， 1 2 2 3 周期性边界条件与最近镜像 m d 方法往往用于研究大块物质在给定密度下的性质，而实际计算模拟不可能 在几乎是无穷大的系统中进行，所以必须引进一个叫做分子动力学元胞的体积元， 以维持一个恒定的密度。执行分子动力学计算时通常选取定数目n 的分子，将其 置于一立方体的盒子中，设盒子边长为l ，则其体积为v ；l 3 。若分子的质量为1 1 1 ， 则系统的密度为： p = 可m x m t 7 1 8 )p 2 j l 。6 j 9 硕士学住论丈 m a s f e r st h e s i s 计算的系统的密度应等于实验所测定的密度，这个立方体称为分子动力学元胞。由 于引进这样的立方体箱子，将产生六个不希望出现的表面。模拟中碰撞这些箱的表 面的粒子应当被反射回到元胞内部，特别是对粒子数目很少的系统。然而这些表面 的存在对系统的任何一种性质都会有重大的影响【2 们。为了将分子动力学元胞有限立 方体内的模拟，扩展到真实大系统的模拟，使计算中系统的密度维持恒定，通常采 用周期性边界条件( p e r i o d i cb o u n d a r yc o n d i t i o n ) 。采用这种边界条件，就可以消除引 入元胞后的表面效应，构造出一个准无穷大的体积来更精确地代表宏观系统。如图 1 3 ，a 所示，图中位于中央的盒子表示所模拟的系统，其周围的盒子与模拟系统具 有相同的排列及运动，称为周期性镜像( p e r i o d i cm i r r o ri m a g e ) 系统。当计算系统中 任一粒子移出盒外，则必有一粒子由相对的方向移入，这样的限制条件使得系统中 的粒子数维持恒定，密度不变，符合实际的要求。 ooo o ， _ 。 l o 、 o ， o o o ， o o ，母 一o k o - _ ，7 、 o 6 o oo o o 、 。 、 。、 - o o o e o 厂t l r i n k , l a b 图1 - 3a ：周期性边界条什及最近镜像方法；b ：范德华作用势能图 计算系统中分子问的作用力时，采取最近镜像方法( n e a r s tm i r r o ri m a g e ) ，即在 由无穷重复的分子动力学基本元胞中，每一个粒子只同它所在的基本元胞内的另外 n 1 个中( 设在此元胞内有n 个粒子) 的每个粒子或其最邻近的镜像粒子发生相互 作用。如图1 3 ，a 所示，其中的一个白色的粒子通过图上虚线连线，与它所在的元 胞内的其它粒子或镜像粒子相互作用。因为在计算中使用了最近镜像的概念，因此 需采用截断半径( c u t o f f r a d i u s ) 的方法计算非键结的远程作用力，否则会因重复计算 粒子所受的力而导致不正确的结果。如图1 3 ，b 中范德华势能所示，当r r c 时， 势能的值已经非常趋近于零，表示分子间的范德华作用力已可忽略不计，r c 称为截 断半径。在实际的分子动力学模拟过程中，若分子f b j 的距离大于截断半径，则将其 作用视为零。截断半径最大不能超过盒长的一半，即k l 2 。一般的原子选取的截 断半径约为1 0 1 5 a 。 l o 硕士学位论丈 m a s t e r s r h e s i s 1 2 3 结合自由能计算- - m m p b ( g b ) s a 许多药物和其它生物分子的活性都是通过与受体大分子之间的相互作用表现 出来的，所以受体和配体之间结合自由能( b i n d i n gf r e ee n e r g y ) 评价是基于结构的计 算机辅助药物分子设计的核心问题之一【2 1 1 。在过去的2 0 年中，人们对自由能计算 方法进行了广泛的研究，也提出了多种自由能的计算方法。在自由能的计算中，自 由能微扰( f r e ee n e r g yp e r t u r b a t i o n ，f e p ) 和热力学积分( t h e r m o d y n a m i ci n t e g r a t i o n ， t i ) 1 2 2 , 2 3 1 是最为经典的方法，为大家所广泛接受。这类方法从原理上比较严格，计算 结果也较为精确。但需要长时间的数据采集，对计算体系有严格的限制，只能适合 较为简单的情况，因此在药物设计中还没有达到实用化的阶段。1 9 9 8 年，s r i n i v a s a n 等【2 4 】，v o r o b j e v 等【2 5 1 ，以及j a y a r a m 等【2 6 】探讨了基于分子动力学模拟与连续介质模 型的自由能计算方法，并把这种方法用于生物大分子结构稳定性的研究。k o l l m a n 研究组1 2 7 1 对这种方法，即m m p b ( g b ) s a 方法，进行了深入的研究，并采用这种 方法进行了小分子一蛋白质、蛋白质一蛋白质、蛋白质一核酸等体系的结合自由能 计算，取得了令人鼓舞的结果。 m m p b ( g b ) s a 的目的就是计算溶剂中非键结合的两个分子a 和b 之1 8 j 的绝对 结合自由能： 【彳】叼+ 【占】钾 【4 + b + 】。 其中【么】卅指分子a 单独在在溶剂中的动态构象，【剀钾指分子b 单独在在溶剂中的 动态构象，【彳b + 】伽指由a 和b 形成的复合物，并考虑了在结合过程中a 和b 的 构象变化及溶剂的作用。 它们的结合自由能可由下式表达： a o ( a + b a b ) = g b g 一一g 口 ( 1 - 9 ) 每个分子x 的自由能可分为来自溶质和溶剂的贡献： g ( 彳) = g 硎啪( x ) + g 删删( x )( 1 一l o ) 来自溶质的贡献又可表示为： g 硎价( ) = h ( x )