（物理化学专业论文）酶与抑制剂小分子相互作用和识别的计算机模拟.pdf

摘要 分子识别的研究具有重要的生物学和药理学意义。 伊l j i l ld n a 的转录，激素的作用 机制，免疫系统中的抗原一抗体谚 别，化学中的酶催化反应，以及很多药物发挥药效的 机制都。j 之密切相关。而绝刈结合自由能计算对于研究分子识别机制及其动态作用是t 分重要的。自由能的r 负决定了化学反应的方向，其大小决定了反应的趋势强弱。国际 上有很多的实验小组投入到了自由能的计算模型的研究。 近年来，用计算机来模拟生物分子的相竹作用与识别己经受到了相当大的关注。 存众多的模拟方法中，分了对接已成为其中非常重要而又受到广泛应用的方法之一。所 谓分子对接就是已知两个分子的三维结构，考察它们之问是否t l j 以结合，并预测复合物 的结合模式。通常热力学上认为生物分子的稳定构象是白由能最低的构象，因此，分子 对接的1 5 1 的就是找到能量最低的构象。分子对接包含两个方面，足快速有效的搜索算 法，可以在j 能的空间进行构象搜索；另一个是好的打分函数，能够在合理的时间内卜 确有效地从搜索到的结构中区分出近天然构象。本论文的主要研究内容如1 4 ： 1 利用生物信息学方法对s a r s 冠状病毒e 蛋白的一级序列进行序列l g x , 1 分析， 分析其家族的同源性，并使用同源模拟方法模建e 蛋白的三维空问结构。运用分子力学 和分了动力学方法对模型计算，评价结构的兼容性和町靠度。依据氨基酸序列在家族中 的保守和变异性质，预测e 蛋白的可能的活性位点和关键残基。直观的给出e 蛋白这一 跨膜蛋白在磷酯双分了层中的镶嵌模型，为针划e 蛋白的药物分子设计和研究提供理论 基础。 2 针剡多酸药物分子潜在的抑制蛋白酶活性和较低的细胞毒性以及抗h i v 活性的 特点，选用文献中报道的 旺一p t i 2 w 1 0 0 4 0 7 。五种异构体作为小分子药物配体，使用存s a r s 冠状病毒传播和复制过j = 旱中其关键作用的3 c l 蛋白水解酶为生物大分子为受体。运用分 子力学，分子动力学和分子对接计算机模拟技术进行分了对接研究。分子对接后得到了 五种多酸配体分子与受体蛋白的复合物模型。进一步从体系能量和非键卡同互作用角度分 析复合物的稳定性利多酸药物分子对蛋白水解酶的抑制作用。 关键词：s a r s ；分子动力学；分子对接：同源模拟；杂多酸 a b s t r a c t m o l e c u l a rr e c o g n i t i o ni so fc e n t r a li m p o r t a n c ei nb i o l o g ya n dp h a r m a c o l o g y i tu n d e r l i e s t h ea c t i o no fh o r m o n e s t h ec o n t r o lo fd n at r a n s c r i p t i o n t h e r e c o g n i t i o n o f a n t i g e n s a n t i b o d yi nt h ei m m u n es y s t e m ，t h ec a t a l y s i s o fc h e m i c a lr e a c t i o n sb ye n z y m e sa n d t h ea c t i o n so fm a n y d r u g s c a l c u l a t i o n so f a b s o l u t eb i n d i n gf r e ee n e r g yp l a yav e r yi m p o r t a n t r o l ei nt h es t u d vo ft h em e c h a n i s ma n d d y n a m i c s o ft h em o l e c u l a rr e c o g n i t i o n t h e o r i e n t a t i o no fc h e m i c a lr e a c t i o n sd e p e n d s0 1 1t h es i g no fb i n d i n gf l e ee n e r g ya n dt h et e n d e n c y d e p e n d i n g o ni t sc o r r e s p o n d i n gv a l u e m a n yg r o u p sh a v ei n v e s t e di n g e n u i t ya n de f f o r ti nt h e d e v e l o p m e n to f s u c hm o d e l s r e c e n t l y , m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i d t os t u d y i n go fi n t e r a c t i o n sa n dr e c o g n i t i o no f b i o m o l e c u l e sb yc o m p u t e rs i m u l a t i o na p p r o a c h m o l e c u l ed o c k i n gi so n eo ft h ei m p o r t a n t s i m u l a t i o na p p r o a c h e sa n dh a sm a n ya p p l i c a t i o n s t h es o c a l l e dm o l e c u l ed o c k i n gi s t o e x a m i n e sw h e t h e rt h et w om o l e c u l e sc a l lb i n da n dp r e d i c tt 1 1 eb i n d i n gm o d eb a s e d0 1 1t h e t h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e so f m o l e c u i e s f r o mt h ev i e wo f t h e r m o d y n a m i c s n a t i v ec o m p l e x i st h es t r u c t u r ew i t ht h el o w e s tb i n d i n gf r e ee n e r g y t h e r e f o r e ，t h ea i mo fd o c k i n gi st of i n d t h ec o i l f o r m a t i o nw i t ht h e1 0 w e s tb i n d i n gf l e ee n e r g y t h e r ea r ei m p o r t a n tc o n t e n ti nt h i s p 叩e l 1 p r i m a r ys e q u e n c eo fs a r sep r o t e i nw a sa l i g n e db yb i o i n f o r m a t i c sm e t h o d s t h e p o s s i b l e3 - ds t r u c t u r eo fep r o t e i nw e r ec o n s t r u c t e du s i n gi n s i g h ti i b i o p o l y m e rm o d u l e ， m o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d sw a sa d a p t e dt oo b t a i n e dt h em o s ts t a b i l i z e dc o n f o r m a t i o na t l i b e r t y ，t h er e l i a b i l i t yo f s a r sep r o t e i n sm o d e li se v a l u a t e dw i t hp r o f i l e 一3 d a c t i v es i t ea n d k e yr e s i d u ew e r ep r e d i c t e da c c o r d i n gt oc o n s e r v e dr e g i o na n dv a r i a b l er e g i o no fs e q u e n c e m e m b e r a np r o t e i new a se m b e d d e dp o p c t h es i m u l a t i o nr e s u l ti sh e l p f u lo fp r o v i d i n g i n s i g h t s i n t ou n d e r s t a n d i n gt h ef u n c t i o n so fs a r sep r o t e i n sa n dt oe s t a b l i s hm o l e c u l a r m o d e l sa n d t a r g e tf o rs c r e e n i n g a n t i - s a r s d r u gd e s i g n 2 w eh a v ee x a m h i e dt h ea n t i 一( s a r s3 c l 9 ”、a c t i v i t yo ff i v ep o l y o x o m e t a l a t e s 、d f t c a l c u l a t i o n sh a v eb e e nf i r s tc a r r i e do u to nf i v e n p t i 2 w 1 0 0 4 0 i s o m e r st o i n v e s t i g a t e e l e c t r o n i cp r o p e r t i e s ，r e d o xp r o p e r t i e s ，p r o t o n a t i o n ，a n ds t a b i l i t y t h eh i g hn e g a t i v ec h a r g e a n dt h eg e n e r a ld i m e n s i o n so ft h i su n i q u es t r u c t u r el e da st oe x a m i n et h ei n h i b i t o r yp o t e n t i a l o ft h e s ec o m p o u n d a g a i n s ts a r s 3 c l p r o t h er e s u l t so ft h ek i n e t i ca n a l y s i ss u g g e s tt h a tt h e s e p o l y o x o m e t a l a t e si n h i b i t3 c l 岬b yb i n d i n gs p e c i f i c a l l yt ot h ea c t i v es i t e ，t h e r e b yp r e c l u d i n g t h a th y d r o l y z et h et w o p o l y p e p t i d e se x p r e s s e db y t h ev i r u s ，t h u sc u to f f t h ea p p r o a c ho f v i r u s r e p l i c a t i o n k e y w o r d s ：s a r s ：m o l e c u l a rd y n a m i c s ：d o c k i n g ：h o m o l o g y ；p o l y o x o m e t a l a t e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位沦文是本人在导师指导卜进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成粜，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对奉研究所做的任何贞献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：婴j 叠曰期 6 f 、d6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完伞了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东北 帅范人学有权保留并向罔家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允诈论文被 查阅和借阅。木人授权东北师范大学可以将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、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学何论文作者躲盈挚指导教师繇囊坠甄 同 期：! ! ：! i 日划： o j 、o 学位论文作者毕业后去向： 工作堆位：蔓对芏j 降人 通讯地址：趸芝矗i 霹忍两 电话：u # 3 卜弘5 7 ，7 邮编：了歹可 第1 章绪论 1 1 研究配体一受体相互作用的背景和意义 美国人类基凶组计划实施五年后的总结报告中，对生物信息学( b i o i n f o r m a t i c ) 作 了以下定义：生物信息学是一门交叉科学，它包含了生物信息的获取、处理、存储、分 发、分析和解释等在内的所有方面，它综合运1 e | = j 数学、计算机科学和生物学的各种工具， 来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义。当前，基因组信息学、蛋白质的结构模拟 以及药物设计有机地连接在一起，它们是生物信息学的三个重要组成部分。生物信息 学目前己在理论生物学领域占有了核心地位，它在生物、医药、农业、环境等学科的应 用己无所不在。随着快速序列测定、基因重组、多维核磁共振、同步辐射、机器人等技 术的应用，生物学实验数据呈爆炸趋势增长，同r 、j 计算机和国际互联网络的发展使对大 规模数据的贮存、处理和传输成为可能。现在某一实验室的研究成果一经进入生物信息 网络便为全球科学共享。生物信息学作为一门新的学科领域，它是把基因组d n a 序列 信息分析作为源头，在获得了蛋白质编码区的信息之后进行蛋白质空间结构模拟和预 测，然后依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计。 功能蛋白组学【2 l 作为生物信息学的一个分支，主要研究蛋白同源性分析、功能类比、 分类：蛋白组表达谱及分析：蛋白间相互作用；蛋白质功能；蛋白组平台的药物筛选及 相关研究。 配体一受体相互作用，在许多生理过程中起省重要的作用，如信号传递、生理调节、 基冈转录和酶催化反应等【3 1 。配体一受体相互作用包括：生物火分子一生物大分子相互 作用，如蛋白质一蛋白质、蛋白质- - d n a 、抗体一抗原等；小分子一生物大分子相互作 用，如药物一蛋白质、药物一d n a 、神经递质一受体蛋白等。 关于受体学说，可以追溯到l a n g l e y 、f i s c h e r 和e l i r l i c h 等人的工作口j 。早期受体概 念为药物在体内作用的位点，即药物作用“靶标”，现在受体概念己推广到生物大分子 上特定的结合部位【6 】，酶、离子通道和核酸等生物大分子均呵作为药物的受体。 蛋白质问相互作用存在于机体中每个细胞的生命活动过程中，生物学中的许多现 象，如基凶的复制、转录、翻译和遗传密码的分析与破译以及细胞周期调控、信号转导 和中叫代谢等，均受蛋白质问相互作用的调控。某些蛋白质由多个业单位组成，它们之 问的相互作用就显得更为普遍。有些蛋白质结合紧密，而有些蛋白质只有短暂的相互作 用。然而小论哪种情况，它们均控制着大量的细胞活动事件，如：细胞的增殖、分化和 死r 二。在细胞衰老过程巾蛋白质合成会有一系列变化：大多数蛋白质合成速度降低：出 现一些特异蛋白或原有蛋白发生了与衰老有关的结构上的改变。细胞的各种重要的生理 过程，如信号转导。细胞对外界环境及内部环境变化的反应等，都是以蛋白质m j 的相瓦 作用为纽带而进行的。总之，虽然d n a 是所有生物( 除少数r n a 病毒外) 遗传信息的 1 携带者，但最终机体的牛命活动规律还是由蛋白质的功能米体现的，冈而，研究配体 受体的相互作用，有着很重要的生命意义。 许多蛋白质重要的生理和药理功能，是通过与小分子相互作用体现出来的( 如酶与 底物的相互作用，体现酶的催化功能) ，凶此对小分子配体与生物人分子卡h 互作用有全 向、准确的了解，是基于结构的合理药物设计( s t r u c t m e b a s e dr a t i o n a ld r u gd e s i g n ) 的基础， 而对配体一受体相互作用进行计算机模拟和理论计算研究，对配体一受体相互作用的研 究起十分重要的作用，并且理论计算可以解决某些实验1 i 能解决的题，如酶催化反应 过渡态结构题【“。 1 2 国内外的研究现状及分析 在过去的十几年中，分子生物学和x 射线衍身、j 晶体学、多维核磁共振( m d - n m r ) 等结构测定技术不断的发展，许多受体生物大分子的三维结构己被测定，u i 。对于那些仅 知一级序列，不知其= 三级结构的牛物大分子，可以用理 a 方法或分子模拟方法( 如同源 蛋白模建方法) 预测其三维结构 10 1 1 1 1 。这可以为受体一配体相互作用的理论计算以及存 此基础上的合理药物设计提供受体三维结构的知识。j j 此同时，计算机科学的发展，也 为对配体一受体相h 作用进行高精度的理论计算( 如自由能微扰计算等) 提供了良好的 硬件平台1 2 j 3 1 。 日前，用计算机模拟来研究生物分子的相互作用与识别已经受到了相当大的关注。 征众多的模拟方法中，分子对接己成为其中非常重要而又受到广泛应用的方法之。计 算框图在尝试找到两个分子( 配体与受体) 问的最好的匹配模式时，引入了m o l e c u l a r d o c k i n g 这个术语，也就是分了对接。所谓分子对接就是已知两个或多个分子( 药物 与酶或受体蛋白) 的二维结构，考察它们之间是否町以结合，并预测复合物的结合模式。 例如，找到种可以与某种特定的蛋白质结合的抑制剂，就可以阻止该蛋白质在人体内 的毒害作用。 1 3 分子对接研究中涉及的理论与方法 1 3 1 分子间相互作用的热力学过程 分子问相互结合时，有共价相互作用( 如酶催化底物水解形成过渡态复合物、烷基 化剂抗痛药物一受体复合物等) 和非键相互作用两神情形。非键相竹一作用比共价相互作 用更为常见，如药物和受体结合时，药物利用非键相互作用与受体结合有利于药物的代 谢和排泄”。非键相互作用可以片j 半经验力场方法或其它基于知识的方法来计算，半经 验力场主要有g r o m o s ，c h a r m m ，a m b e r 和o p l s 等。共价相h 作用牵涉到化学 键的生成与断裂，所以必须用量子化学方法计算【7 】。本工作着重讨论分子识别中的非键 相互作用。 受体和配体分子存在于体液环境中，周围的水分了有溶剂化作用。在配体与受体分 子没有结合时，它们都有平动、转动和键的旋转熵。在形成复合物的过程中，配体和受 体分子要失去各自的水合焓、平动、转动自由度和键的旋转熵，同时释放出水分子，增 加水的熵并生成配体l j 受体相互作用的焓。因此，分子对接过程中结合自由能的变化包 括下面几部分的负献： g b 帕d = 硝骷。一7 强s 一g 苎一g 兰押一g 兰毒 其巾a g b 为结合自由能，r 和l 分别代表受体和配体分予，h 。为气态下分子 对接过程的自山能变化，约为对接过程中r 和l 的焓变，a g ： g 羔和g 赫分别 为受体、配体和复合物分子的溶剂化自由能，s 表示对接过程中的熵变，t 为绝对温 度。由卜式可知，从热力学的观点来看，配体一受体相互作用是一个综合平衡的过程， 生物分了的稳定构象是自由能最低的构象。 1 3 2 分子对接的理论基础 所谓分子对接就是己知两个分子的三维结构，考察它们之间是否可以结合，并预 测复合物的结合模式。分子对接最早起源于1 0 0 年前e f i s h e r 的“锁和钥匙模型”。 e f i s h e r 认为，“锁和钥匙”互补识别的首要条件是它们在空间形状必需互相匹配。当然 分子对接比“锁和钥匙”模型复杂得多。首先锁和钥匙是刚性的，而受体和配体分子则 足柔性的，其结构是可以发生变化的，受体和配体在对接过程巾互相适应对方，从而达 到更完美的匹配。分子对接和“锁和钥匙”模型的另一个不同之处是分子对接不仅要满 足空间形状的匹配，还要满足能量的匹配。受体和酉己体能否结合以及结合的强度最终是 由形成复合物过程的结合自由能变化决定的。 互补性( c o m p l e m e m a r i t y ) 和预组织( p r e o r g a n i z a t i o n ) 是决定分子对接过程的两个重要 原则，前者决定识别过程的选择性，后者决定识别过程的键合能力。当然互补性包括空 间结构的互补性和电学性质的互补性。受体与配体分子在识别之前将受体中容纳配体的 环境组织得愈好，其浴剂化能力愈低，则它们的识别效果愈佳，形成的复合物愈稳定， 这就是分子识别的预组织原则。综卜所述，分子结合时须遵循以下互补匹配规则： ( 1 ) 几何形状互补匹配，原子紧密结合，使其具有较大的接触面积； ( 2 ) 静电相互作用互补匹配，诈负电荷相对应； ( 3 ) 复合物界面包含尽可能多的氢键，盐桥； ( 4 ) 疏水相互作用互补匹配； ( 5 ) 尽量避免在界面上出现没有成对的极性基团。 这些互补性质往往可以用分子的表而性质来表示。生物大分子和药物小分子的各种 表而性质，l i 丁用分子模拟方法计算，如s y b y l 软件。| 1 的m o l c a d 模块可计算分子的 静电、氧键和疏水性质，i n s i g h t i i 软件中的d e l p h i 模块也可计算分子的静电性质。另外， c r o m a c s 、d o c k 以及a u t o d o c k 等也可以模拟配体一受体的相互作用。 一毫翔薹硼 一。 蕾羹糖苴择用 ， 蕊撒糟蓝作朋 药物( d ) 受体( r ) 互补匹配示意图 1 3 3 分子间结合机制对对接研究的启示 深入理解分子间的结合过程有助于发展强有力的对接算法。蛋白质分子间的结合机 制高度依赖于具体研究的体系。例如，对那些发生快速结合的复合物体系，其结合强烈 地依赖于溶液离子浓度的变化。c a m a c h o 等f l o f 通过分析复合物结合自由能曲而，得到如 下结论：复合物中受体与配体分子快速结合过程主要是由长程静电力所驱动的，因而其 结合对溶液离子浓度具有很强的依赖性；分l 了二问发生缓慢结合的过程则不受或受到很小 的长程力控制，而主要是疏水效应在发挥作用，这种效应对溶液离子浓度的依赖性较长 程静电力弱得多。这一点对分子对接方法的研究是非常重要的。实验”告诉我们，对那 些主要由疏水效应控制结合的蛋白质复合物结构的预测是比较容易的。存这样的复合物 中，蛋白质分了表面的儿何吒补性常常是一个很好的结构浮价指标，对这类复合物的结 构预测，只考虑其表面几何互补打分也是可以的。然而对那些分子结合过程中主要受长 程静电力驰动的蛋白质复合物体系，它们的结构预测就比较网难，其中部分原因是由赖 氨酸和精氨酸的侧链造成的。在受体和配体分子的x r a y 结构测定中，赖氨酸和精氨酸 侧链位置的确定常常是十分不准确的，这将人为地导致分子自由态和结合态构象之间潜 在的差异，因此自由态分子对接中，这些关键带电侧链位置的错误很可能造成结构预测 的失败。 另外，分子结合中关键位置上侧链的作用也是不能低估的，一两个错误的侧链足以 使受体和配体分子间失去原有的结合能力。k i m u r a 8 1 等人己经证明，只有在溶液中蛋白 质分子一些关键侧链以恰当构象存在的条件下与其底物结合时，化学亲和性才会将两分 子芪同稳定在结合区域处。由于在蛋自质分子x - r a y 结构中，某些氨基酸残基或其侧链 的位置是十分不准确的，所以这就需要分子对接算法能够存对接前或在对接过程中列受 体和配体分子的结构进行优化( 包括侧链) ，以改善它们之问的结合亲和性。尽管，月 前还很难对分子的柔性作全面的考虑，但人们己经清楚地认识到在分子对接中调整关键 氨基酸侧链构象的重要性。 1 3 4 分子对接方法中尚待解决的困难 分子对接的目的是如何找到底物分子和受体分子之间最佳的结合位置。因此，分予 对接会遇到两个重要的问题，即如何找到最佳的结合位置以及如何评价对接分子之州的 结合强度。目前分子对接中的困难主要有两个： ( 1 ) 物理模型过于简单大多数蛋白质一蛋白质对接算法中的打分函数都采用经验势 函数，即把体系的总相互作用看作是组成该体系两两相互作用的总和。原子与原子之间 的相互作用又简化为各种简单相互作用，如键伸缩能、键角扭曲能、二面角扭曲能、范 德华相互作用、静电能等的累加。这种把一个多粒子体系量子力学水平上的相互作用， 以原了对之间相互作用的和来表示的方法显然是过于粗略了。 同时，捕述分予表面的各种模型，如残基一球模型【”1 、立方格子模型【2 0 和表面点模 型【2 l j 等还不足以表达蛋白质分子内部和外部的真实情况，对分子柔性的考虑都不够充 分。 ( 2 ) 如何找到结合自由能曲面上的全局极小点通常认为生物分予的稳定构象是自由 能最低的构象。因此对接模拟的目的就是要找到与最低自由能相对应的构象，但寻找具 有人量自由度体系的伞局极小问题，目前还无法解决。 科学家们正存努力解决这些问题。第一个问题关于物理模型改进，它的主要制约因 素是计算能力，因为严格地晚从本世纪3 0 年代发展起来的量子物理理论对描述多粒子 体系是严格的，其后，5 0 年代发展的量子化学从头计算方法以及密度泛函理沦等，在处 理分子体系时虽有一些近似，但物理模型还是合理的。只是由于生物分子粒子数过多， 计算能力不允许才不得不使用经验势函数。随着计算机计算能力的快速提高，使用复杂 力场的口j 能性越来越人，物理模型也将会越来越真实。第二个关_ r 极值搜索问题，它存 f 1 前仍是一个没有解决的问题，但是对它的讨论与改进是很多的。要根本解决这一问题， 了解真实的发生在生物体中的事件也许是很重要的。尽管蛋白质自由度很大，但在生物 体巾最终都形成了它的确定的天然态，可以说多极值问题在活体中是解决了的。所以要 确定蛋白质的构象，应该研究蛋白质的折叠过程，要把生物学的信息加到理论模拟中去。 基于知识的分子设计方法就是从这一点出发的。 在解决对接问题卜涉及到两个方面【l4 j ：有效的搜索程序，包含相关的构象空间；好 的打分函数，可以有效的区分近天然构象与非近天然构象。目前各种分子对接方法在研 究配体受体相互作用与识剐时，要想得到一个好的对接模式，必须尽t 叮能的包含这两 个方面。 第2 章分子对接方法及应用 2 1 配体受体识别过程的相互作用力 配体一受体识别过稗中的作用力可以分为两种：强相互作用( 共价键) 和弱相伍作用 ( 非共价键人共价键足指维持分子的摹本结构，足分子中或分子间的原子之间结合的主 要相互作用，决定着生物大分子的一级结构。非共价键是指分子问或基团间弱相互作用 的总称，在维持生物大分子的二级、三级、四级结构中以及在维持其功能活性中起着相 当重要的作用，也是药物与受体识别的重要识别方式。在通常情况下，非键相互作用包 括 2 2 1 ： ( 1 ) 盐键盐键或称离子键，它是正电荷与负电荷之问的一种静电相互作用。吸引力f 与电荷电量的乘积( q l q 2 ) 成难比，与电荷质点f 叫的距离平方c ) 成反比，在溶液中此吸引 力随周围介质的介电常数e 增大而降低。在，卜理p h 下，蛋白质中的酸性氨基酸( a s p 和 g l u ) 的侧链可解离成负离子，碱性氨基酸( l y s 、a r g 和h i s ) 的侧链可离解成正离了。在 多数情况下这些基团都分布在球状蛋白质分子表面，而与介质水分子发生电荷偶极之 i 开j 的相瓦作用，形成排列有序的水化层，这对稳定蛋白质的构象有着一定的作用。盐键 的形成不仅是静电吸引而日也是熵增的过程。升高温度时，由于剥t as 项有利，因 而增加盐桥的稳定性，此外，盐键因加入非极性溶剂而加强，加入盐类而减弱。 ( 2 ) 氢键由电负性原子与氢形成的基团如n h 和p h 具有很大的偶极距，成键 电子云分布偏向负电性大的重原子核，因此氢原子核周围的电子分布就少，1 f 电荷的氢 核( 质子) 就存外侧裸露。这一l f 电荷氢核遇到另一个电负性强的原子核时，就产生静 电吸引，即所谓氢键。 x h 一_ y 这里x 、y 是电负性强的原于( n 、o 、s 等) ，x h 是共价键，h v 足氢键。x 是氢( 质子) 供体，y 是氢( 质子) 受体。判断形成氢键的准则：原子h 与y 之间的距 离小于2 5 a ；( 2 ) x 与y 之间的角度大于1 3 5 。 氢键在维持蛋白质的结构中起着极其重要的作用。可以在多肽主链上的羰基氧和 肽氨氧之间形成氢键，也可以在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基与侧链或主链肽 摹与水之问形成。大多数蛋自质所采取的折香策略是使主链肽基之间形成最大数日的分 了内氢键( 如u 一螺旋，p 一折叠) ，与此同时保持大部分能成氢键的侧链处于蛋白质分 子的表面将与水相互作用。 ( 3 ) 范德华力范德华力包括三种较弱的作用力，即定向效应、诱导效应和分散效应。 定向效应发生在极性分子或极性基团之间。它是永久偶极问的静电相互作用，氢键町被 认为属丁这种范德华力。诱导效应发生在极性物质与非极性物质之间，这是永久偶极与 6 由它诱导而来的诱导偶极之间的相互作用。分散效应是在多数情况卜f 起主要作用的范德 华力；它是非极性分子或基团问仅有的种范德华力，也称为l o n d o n 分散力。这是瞬 时偶极间的相互作用，偶极方向是瞬时变化的。瞬时偶极是由于所在分子或基冈中电子 电荷密度的波动即电子运动的不对称性造成的。瞬时偶极可以诱导周围的分子或基团产 生诱导偶极，诱导偶极反过来又稳定了原米的偶极，因此在它们之州产生了相互作用。 范德华力是很弱的作用力，而日随非共价键合原子或分子间距离( r ) 的六次方倒数即1 r 。 产而变化。当非共价键合原了或分子相互挨得太近时，由于电子云重叠，将产牛范德华 力。实际上范德华力包括吸引力和排斥力两种相互作用。因此范德华力( 吸引力) 只有 当两个非键合原子处于一定距离时_ = = j 能达到最大，这个距离称为接触距离或范德华距 离，它等于两个原予的范德华半径之和。虽然就其个别来说范德华力是很弱的，但是范 德华相一作用数量人井且具有加和性，凶此就成为一种不。i j 忽视的作用力。 ( 4 ) 疏水相互作用水介质中球状蛋1 _ l | 质的折叠总是倾向丁把疏水残基埋减住分子的 内部。这一现象被成为疏水相互作用或疏水效应。它在维持蛋白质的二级结构与而占有 突出的地位。疏水相互作用其实并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，而是疏水基 团或疏水侧链出白于避丌水的需要而被迫接近。当然，当疏水基团接近到等于范德华距 离时，相互问将有弱的范德华引力，但这不是主要的。 蛋白质溶液系统的熵增是疏水相互作崩的主要动力。疏水相互作用是熵驱动的自发 过柙。就药物和受体而言，它们的非极性部分在体液中均为水合状态，即被水分子所包 围，当约物与受体接近到一定程度时，非极性部分捌围的水分子便被挤出去发生去水合 现象，使置换出米的水分予成无序状态，因而体系的熵增加，焓变值减少，使两个非极 性区域问的接触稳定化，这种缔合就是疏水相互作用的结果。 2 。2 分子对接与药物设计 分子对接在药物设计中具有十分重要的意义。在药物分子产生药效的过程中，药物 分子需要与靶酶牛h 结合，首先就要求两个分子能充分接近，并采取合适的取向，使两者 存必要的部位相互契合，发牛相互作用，继而通过适当的构象调整，得到一个稳定的复 合物构缀。分子对接方法应用于药物分子没计，主要是用来进行数据库搜寻 ”j 。数据库 搜寸主要分为两类：一类是基于药效基团的数据库搜寻，另一类是基于配体一受体分子 对接的数掘库搜索1 2 。 绪论中所述的药物一受体相互作用互补匹配规则，是药物研究中经常提及的锁匙机 理( l o c ka n dk e ym e c h a n i s m ) 【b j ，也是各种药物设计方法的基础。当前分子设计的热点 主要集中在两个方面，一方面是对具有明显药物功能的天然蛋白质分子( 如胰岛素、天 花粉等) 加以改性，这与蛋白质工程紧密相连；另一方面，主要是基于生物大分了结构 知识的药物设计。药物的治疗作用主要是通过药物与受体的相互作用。在生物体中受体 人多是生物大分子，象蛋白质和核酸，而以蛋白质居多。如果人们了解了受体蛋白的结 构，就可以根据其结构来研究药物是怎样改变它的构象，进而产，f 二治疗作用。设想受体 各种可能的药物结构来模拟这种相互作用就有助于找到较好的药物。这是当前药物筛选 中的一个合理的和有效的途径。这种基于大分子结构的药物设计，使得常规的药物开发 从较随机的筛选，逐渐过渡到理性化，避免了过多的财力和时间的浪费和盲目性。目前 己有很多生物大分了作为药物设计的受体模型，并l f 在不断的发展，人体情况如下： ( 1 ) 基于酶结构的药物设计主要是设计特定酶的抑制剂或激动剂。这里酶就是受体， 而它的抑制剂或激动剂就是要筛选的药物。这方面的例子很多，如胸腺嘧啶核苷酸合成 酶抑制剂、二氢叶酸还原酶抑制剂、羧肽酶a 抑制剂、胰蛋白酶抑制剂、凝m 酶抑制剂 等。蛋白酶类抑制剂的设计是当前的热门，比如酪氨酸蛋白激酶，它在细胞增值、细胞 转化、代谢调控以及细胞通讯的许多方面都起着十分重要的作用，细胞表面酪氨酸激酶 受体的失控信号与细胞内的酪氨酸激酶能导致炎症和癌症、粥样硬化、银屑病等多种疾 病。它的抑制剂的设计可以发展一类有效药物用于治疗上述疾病。 ( 2 ) 基于抗体结构的药物设计与抗体相关的设计除人源化抗体外，新近还发展了抗 体衍生的小分子药物。经仔细研究过的抗原一抗体相互作用表面，抗体分予与抗原分子 互补决定区只涉及若干个残基。这就意味着可以模拟互补决定区的残基结构设计小的抗 体结合胩。这种小肽应当具备抗体的活性。国际上一些科学家设计的具有十几个残基的 这类肽都有抗原能力。 ( 3 ) 基丁致癌、抑癌基因表达产物的药物设计细胞表面受体在生命中具有重要作用。 近年来己经了解了几个这样的受体空间结构，如c d 4 和生长因子受体，根据这些受体设 计调1 ，剂( 抑制剂) ，就可调节细施功能，从而影响整个生物体。 ( 4 ) 基于转录因子结构的药物设计随着对真核生物基因表达调控研究的深入和对 d n a 空间结构测定数目的增加，很多转录因子的结构功能己经了解，如锌指、亮氨酸拉 链、螺旋一环一螺旋等。根据这些高分辨率的空间结构信息来设计药物也提上了同币呈， 国外一些科学家己经设计与合成了一些小分子，使它们与转录因子的重要表面区域互 补。研究表明，这样的分子可以专一地结合到转录因子表面，从而干扰该基因的活性， 调1 j 该基因的表达。基于大分子结构的药物设计种类是很多的。原则上，只要是具有生 物功能义已知结构的生物火分子，都可设计与之厄补的小分子来调仃它们的生物功能。 2 3 分子对接方法的分类 根据不同的简化程度，分子对接方法大致可以分为三类： ( 1 ) 刚性对接刚性对接指在对接过程中，研究体系的构象不发生变化，其中比 较有代表性的是w o d a k 和j a n i n l 2 4 】发展的分_ 了对接算法。刚性刈接适合考察比较大的体 系，比如蛋白质一蛋白质以及蛋白质一核酸之间的对接，它的计算较为粗略，原理也相 对简单。 ( 2 ) 半柔性对接半柔性刘接指在对接过程中，研究体系尤其是配体的构象允许 在一定范围内变化，其中比较有代表件的对接方法有k u n t z 等发展的d o c k 软件以及 o l s o n 等开发的a u t o d o c k 软件 2 5 , 2 6 l 。半柔性剐接方法适合于处理小分子和大分子之间的 对接。在对接的过程中，小分子的构象一般是可以变化的，但大分子比如靶酶则是刚性 的。由1 二小分子相对较小，因此在一定程度考察柔性的基础上，还呵以保持较高的计算 效率。在药物设计中，尤其存基于分子对接的数据库搜索中，一般采用半柔性的分予对 接方法。 ( 3 ) 柔性对接柔性对接指在对接过程中，研究体系的构象基本是可以自由变化的， 其中比较有代表性的方法有a c c e l r y s 公司发展的基于分子力学和分子动力学的分予对 接方法o ”l 。柔性对接方法- 般用于精确考察分子之间的识别情况。由于在计算过程中体 系的构象是可以变化的，因此柔性刈梭耗时较长。 当然这只是一种简单的分类方法，在很多分子对接程序方法中，实际上采用了多 种处理方法。比如在a c c e l r y s 发展的a f f i n i t y 程序中，作者实际卜把半柔性和柔性的分 了对接方法进行了结合。 2 4 分子对接中常用的模拟方法 2 4 1 分子动力学模拟方法 分子动力学的基本思想是将微观粒予视为服从牛顿第二定律的经典粒子，使用的基 本假既是各态历经假说，即无限时间平均等于系综平均或整个构型空间的积分。通过数 值积分方法山各个粒予的瞬时受力情况求出它们的运动经典轨迹。冈而可片j 这种方法模 拟q 三物大分子的构象和计算体系的热力学性质。对于对接问题，分子动力学方法同样可 以有效地预测分子可能的结合模式。将复合物系统作为一个整体，但是把探针的甲动、 内部运动，以及受体的运动看成不动的动力学子系统，并使它们与一i 同温度的热浴耦合， 赋予它们才i 同的时问常数。这样做的目的是可以通过温度控制在高温的条件下快速搜索 某些自由度，同时，采用低温热浴来冻结那些我们不希望改变的自由度。在实验室坐标 下，系统的动能为： e k , - 去m ，v ? v 。；是相对丁实验室坐标的速度。在质心坐标系下，速度为 其巾 v = 叩，m v 是质心的运动速度。在实验室坐标系下，系统的动能可以表示为： 9 珏圭寥v ? 毛掣；专删 式( 2 - 6 ) 中的两项分别为内部动能和质心动能。 为了允许大范嗣的探索受体的表面，底物的平移温度设置在较高的温度范围内 1 3 0 0 1 7 0 0 k ，从而增加底物的动能，使它跨越高的势垒，以找到能量更低的构象。底 物内部运动的温度设为3 0 0 k ，以避免不合理的内部结构的改变。分子动力学模拟一般 分两步进行，先进行能量优化，然后紧跟着进行模拟退火。该方法可以为分子模拟提供 许多帮助，如模拟新的同类化龠物的能量最低的结构及其动力学轨迹。 2 4 2 蒙特卡洛方法 存分子模拟的发展过程中，蒙特卡洛模拟方法起了很重要的作用，它最先被用于分 子体系的计算机模拟。蒙特卡洛方法的基本思想很简单，是使用经验势函数的随机模拟 方法，通过按照一定的采样方法不断抽取体系构象，使其逐渐趋于热力学平衡系综。因 为蒙特 洛模拟是一个随机( 或随机采样) 的过程，可以有多种表达法，习惯上，在分 子对接中，蒙特 洛模拟通常表达为蕈要性采样或m e t r o p o l i s 采样法。该采样法实际卜- 是种马尔可夫链蒙特卡洛方法，它先给体系产生一个随机的运动，紧接着依据玻尔兹 曼概率来判断是接受还是抛弃该运动。 重要性采样即m e t r o p o l i s 方法f 2 8 1 的描述如h 先随机地选取个初始状态6 。由6 了出发，产生个新的状态6 计算能量e ( 6 7 ) 和e ( 6o 如果风e ( 6 ) e ( 6 ) ，不能简单抛弃67 ，否则，就是忽略了热运动的影响。这时 两个系统的玻尔兹曼网子的比值 r e 。p ( 墅2 三娶盟) 尤 总是一个小于1 的数，其中，k 是b o l t z m a n n 常数，t 是绝对温度。产生一个0 到l 之间的随机数l ，如果r l ，保留67 ；如果r 9 0 。的球 形，这样做的日的是摒弃那些受体表面浅的“沟槽”。另外，半径大丁：5 o a 的球也不计 入，目的是防止受体结合部位延伸到溶剂中去。按这样的方法，球形数聚集体最多的表 而剐为受体的结合部位。 配体分子表面可用类似的方法进行球形表示，所彳i 同的是球形与分子的内表面相切 ( 受体球形与其外表而相切) ，对于小分予配体，也可用以原于中心为球心，范德华半 径为半径的球形代替 二述球形表示。 ( b ) 集团匹配( c l i q u em a t c h i n g ) 。得到卜述受体结合部位和配体表面的球形表示 后，必须利用球形表示将醚体和受体对接起来。分子对接时，将配体和受体的球形一 配对，在配对时，必须调整配体的方向，找到最佳位置。用刚性分子对接方法搜寻数据 库有其局限性。近年来人们不断对分予对接方法进行了改进，在分子对接时考虑或部分 考虑分子的柔性，并且药物与受体结合的打分函数也考虑了静电、氢键和疏水等相互作 用。 ( 4 ) a u t o d o c ko l s o n 等人充分考虑了配体的柔性设计了将柔性配体对接到受体卜的 a u t o d o c k 程序。在最早的a u t o d o c k 版本中，作者采用了模拟退火未优化配体一受体之 间的结合。在3 0 版本中，m o r n s 等发展了一种改良的遗传算法，即拉马克遗传算法 ( l o a ) 。程序中主要采用包含两点杂交和随机突变的遗传算法( g a ) 来完成全局搜索， 用优化算法来完成局部搜索，并用摹于格点势( 如图所示) 的快速能量评估法来评价受 体和配体之问的能量匹配。 l 聪s i 罐蕊 睁婚融 对接中的格点计算图 3 1 简介 第3 章蛋白质三级结构预测一同源模拟法 生物信息学近年来非常快速的发展，尤其是基因组计划的进行更增加了资料库l 卜l 的 数量，包括核酸、蛋白质及结构等资料库( g e n b a n k ，s w i s s p r o tm a dp d be t c )