（化学工程与技术专业论文）复杂体系生物物理化学行为的理论研究初探.pdf

北京化工大学硕士学位论文 复杂体系生物物理化学行为的理论研究初探 摘要 生物体系因其体系规模较大，具有明显的层次性和一定的规律性，是 典型的复杂体系的代表。本论文着重考察两个复杂体系的生物物理化学行 为，即人造螺旋生物体系和甲状腺前清蛋白( t t r ) 体系。 1 人造螺旋生物体系 螺旋结构在自然界中广泛存在，例如d n a 、蛋白质、胶原质等。生 物体系中的螺旋结构多样，发挥着各种各样的功能。受此启发，科学家们 相继合成了许多人造大分子，并使其折叠形成多链螺旋结构。 7 氨基一8 氟2 喹啉羧酸的聚合物( 简写为q f n ，n = 4 或8 ) 可以用于 构建人造螺旋。最近研究报道了q f 。的四螺旋和q f 8 的双螺旋( 简称q p _ 4 和d p8 ) 的晶体结构。本文采用分子模拟方法构建了这两种螺旋的结构。 为便于比较，同时构建了两种未被报道的螺旋结构即q f 4 的双螺旋和q f 8 的四螺旋( 简称d p j 和q p _ 8 ) 。在不同的温度条件下，采用动力学模拟 的方法探讨了上述四种螺旋的稳定性和折叠机理。研究发现模拟温度达到 4 8 0 k 时，q p 一4 表现出解折叠现象。结果表明这四种螺旋的在模拟过程中 都经历了一定程度的链的滑移，并且四螺旋体系的滑移是以双螺旋滑移方 式进行。q p _ 4 和d p 4 在高温下表现出螺旋手性翻转和链之间的活性滑 移，且滑移发生于翻转之后。螺旋链之间的兀一兀相互作用对于维持螺旋的 稳定发挥重要作用。 2 甲状腺前清蛋白体系( t t r ) 北京化工大学硕士学位论文 t t r 是血浆运输蛋白的一种，主要产生于肝脏、眼睛和脉络膜中。 在人体血浆中，它是甲状腺素荷尔蒙的第二个传输者，并且作为维生素a 结合蛋白的唯一传输者。在一些非自然条件下，t t r 四聚体会分解形成 单体，进而导致家族系统神经性疾病( f a p ) ，家族系统心肌疾病( f a c ) 和老年淀粉化疾病( s s a ) 的产生。些小分子抑制剂可以与t t r 中央 空腔特异性结合，阻止四聚体分解，从而达到治疗淀粉化疾病的目的。 本工作从t t r 蛋白质受体和小分子抑制剂配体两方面综合考虑出 发，采用3 d q s a r 结合分子对接的方法。首先，选取9 5 个二芳基肟醚 类小分子( b s e ) ，采用s c h r 6 d i n g e r 软件包中的p h a s e 模块进行药效团和 3 d q s a r 建模及分析工作。选取抑制活性较好的1 2 种化合物进行药效团 的构建，所产生的药效团模型为a h r r 。3 8 种化合物作为训练集来构建 q s a r 模型，剩余化合物作为内部测试集检验q s a r 模型的可靠性。计算 得r 2 和0 2 分别为0 9 1 4 5 和o 5 6 3 8 ，证明了预测模型的合理性。为验证 q s a r 模型的外部预测能力，本文从其它的分子库中选取了9 个化合物进 行测试，q 2 和p e a r s o n r 分别为o 7 1 3 2 和o 8 6 4 9 ，证明了所建q s a r 模 型的较好的外部预测能力。其次，选用d o c k 程序对31 种抑制活性较高 的化合物与t t r 中央空腔进行对接，其中1 9 个小分子实现成功对接。通 过分析小分子抑制剂与t t r 中央空腔残基的相互作用，揭示其抑制作用 模式，寻找生物活性高的小分子抑制剂。再次，对接成功的分子构象使用 x s c o r e 进行结合自由能的详细评估，给出细化的作用方式所对应的能量。 本文所选用的方法科学有效、很好的解释了b s e 系列分子的抑制活性， 旨在设计筛选一系列生物活性高，选择性好，化学毒性低的小分子抑制剂。 关键词：复杂体系，人造螺旋，甲状腺结合前清蛋白，动力学模拟， 3 d q s a r ，分子对接 北京化工大学硕士学位论文 t hei n i t i a lt h e o r e t i c a l s t u d yo f b i o l o g l c a l p h y s i c a l c h e m i c a lb e h a v i o u r so n c o m p l e xs y s t e m s a b s t r a c t b i o l o g i c a ls y s t e mi sak i n do ft y p i c a lc o m p l e xs y s t e mb e c a u s eo fi t sl a r g e s t r u c t u r e ，a p p a r e n tm u l t i p l el e v e l sa n dc e r t a i nr e g u l a r i t y i nt h i sw o r k ，t w o c o m p l e xs y s t e m sa r es t u d i e d ：a r t i f i c i a lh e l i c e sa n dt r a n s t h y r e t i n ( r r r ) 1 a r t i f i c i a lh e l i c e s h e l i c a ls t r u c t u r e se x i s ti nm a n yn a t u r es y s t e m s ，s u c ha sd n a ，p r o t e i n s ， c o l l a g e n s ，a n ds oo n i n s p i r e db yv a r i o u ss t r u c t u r e sa n df u n c t i o n so fb i o l o g i c a l s y s t e m s ，c h e m i s t sd e d i c a t et h e m s e l v e st os y n t h e s i z ea r t i f i c i a lm a c r o m o l e c u l e s a n dt r yt ow i n dt h e mi n t om u l t i p l e s t r a n dh e l i c e si ne x p e r i m e n t s t h e p o l y m e r o f 7 - a m i n o - 8 - f l u o r o 2 q u i n o l i n ec a r b o x y l i c a c i d ( a b b r e v i a t e da sq f n ，nd e n o t e sp o l y m e r i z a t i o nd e g r e e ，w h e r ene q u a lt o4o r8 ) c a nf o r ma r t i f i c i a lh e l i c e st h a td on o te x i s ti nn a t u r e t h ec r y s t a ls t r u c t u r e so f t h eq u a d r u p l e xo fq f 4a n dt h ed u p l e xo fq f 8 ( a b b r e v i a t e da sq p _ 4a n dd p 一8 ， r e s p e c t i v e l y ) h a v eb e e nu n v e i l e db ys o m er e s e a r c h e r sr e c e n t l y i nt h i sp a p e r ， q p 一4 a n d d p 一8 w e r eb u i l tb a s e do nt h e i r c r y s t a ls t r u c t u r e s t h o u g ht h e q u a d r u p l e xo fq f 8a n dt h ed u p l e xo fq f 4 ( a b b r e v i a t e da sq p 8a n dd p4 ， r e s p e c t i v e l y ) w e r en o to b s e r v e d i n e x p e r i m e n t s ，t h e y w e r eb u i l t u s i n g v i 北京化工大学硕上学位论文 m o l e c u l a rm o d e l i n gt o o l s t h em o l e c u l a rd y n a m i c s ( m d ) m e t h o dw a su s e dt o s t u d yt h es t a b i l i t i e sa n da s s e m b l ym e c h a n i s m so ft h e s eh e l i c e sa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s i nm ds i m u l a t i o n s ，t h ed i s a s s e m b l e dq p _ 4w a so b s e r v e da b o v e 4 8 0k t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s eo l i g o a m i d eh e l i c e ss h o w e ds l i p p a g eo f s t r a n d st os o m ee x t e n ta n dt h a td o u b l e h e l i c a lo l i g o a m i d e sa c ta sab a s i cb l o c k i nt h es li p p a g ed u r i n gt h ef o r m a t i o no ft h eq u a d r u p l e - h e l i c a ls t r u c t u r e d p 一4 a n dq 沱js h o w e dd y n a m i c a lf e a t u r e sw i t hh e l i x h a n d e d n e s si n v e r s i o na n d f o l l o w i n gs l i p p a g eo fs t r a n d sa th i g h e rt e m p e r a t u r e s i na d d i t i o n ，t h e 1 7 1 ； c o n j u g a t i o n sb e t w e e nt h ed i f f e r e n tc h a i n sa r es u p p o s e dt ob er e s p o n s i b l ef o r t h es t a b i l i t yo ft h eh e l i c e s 2 t r a n s t h y r e t i n ( t t r ) t r a n s t h y r e t i n ( t t r ) i sm a i n l yp r o d u c e di n l iv e r , c h o r o i d sp l e x u sa n d r e t i n a i tp l a y sas i g n if i c a n tr o l ei nh u m a np l a s m a ，w h i c hi st h eb a c k u pc a r r i e r o ft h et h y r o x i n e ( t 4 ) a n dt h eo n l yo n eo f v i t a m i nav i ar e t i n o lb i n d i n gp r o t e i n ( r b p ) i ns o m ec a s e s ，t t rt e t r a m e r c a nd i s s o c i a t e di n t om o n o m e r i c i n t e r m e d i a t e s ，w h i c h i sf u r t h e ra g g r e g a t e di n t oa m y l o i dp r o t o f i b r i l s t h e a m y l o i d o g e n i ct t rc a nd e p o s i t e dp r e f e r e n t i a l l y i np e r i p h e r a ln e r v eg i v i n g r i s et of a m i l i a la m y l o i dp o l y n e u r o p a t h y ( f a p ) ，o ri nt h eh e a r tl e a d i n gt o f a m il i a l a m y l o i dc a r d i o m y o p a t h y ( f a c ) ，a n da m y l o i d f i b e r sf o r m e db y w t - t t ri n d u c eo c c u r r e n c eo fs e n i l es y s t e m i ca m y l o i d o s i sf s s a ) t h es m a l l m o l e c u l e sc a nb i n ds e l e c t i v e l yw i t ht t rc e n t r a lc h a n n e l s t a b i l i z i n gt h e t e t r a m e ra g a i n s td i s s o c i a t i o nt op r e v e n tt t rf r o ma m y l o i d 北京化工大学硕士学位论文 i nt h i s s t u d y , w eu s e d3 d q s a ra n dd o c k i n gm e t h o d st os t u d yt h e i n h i b i t o r ya c t i v i t i e so f9 5b i s a r y l o x i m ee t h e r sa n a l o g u e s ( b s e ) p h a s e m o d u l eo fs c h r 6 d i n g e rs u i tw a sb e e nu s e dt oe l u c i d a t ep h a r m a c o p h o r ea n d b u il dq s a rm o d e l t h ep h a r m a c o p h o r ea h r rh y p o t h e s i sw a sg e n e r a t e d u s i n g38 m o l e c u l e si nt h et r a i n i n g s e t ( r 2 = o 9 14 5 ) a n dt e s t e d u s i n g 5 7 m o l e c u l e si nb s e ( q 2 = o 5 6 3 8 ) a sw e l la sa n o t h e re x t e r n a l9s i m i l a rm o l e c u l e s ( q 2 = o 7 712 ，p e a r s o n 一贮o 8 6 4 9 ) ，i n d i c a t i n gg o o dp r e d i c t i v ea b i l i t y t h e d o c k i n gs t u d yw a sa l s oc a r r i e do u tt od o c kt h ei n h i b i t o r si nt h eb i n d i n gp o c k e t o ft t ri no r d e rt or e v e a lt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ei n h i b i t o r sa n dt t r x s c o r es c o r ef u n c t i d nw a sa d o p t e dt or e e v a l u a t et h ei n t e r a c t i o n s t h er e s u l t s o b t a i n e df r o mt h ea b o v es t u d i e ss h o w e dt h eg o o dp r e d i c t i v ea b i l i t yo fp h a s e f o rb s ei n h i b i t o r s t h em e t h o da d o p t e di nt h i ss t u d yi s s c i e n t i f i c ，e f f e c t i v e a n dg i v eag o o de x p l a i n a t i o no fi n h i b i t o r ya b i l i t yo fb s e t h ea i mo fs t u d yi s t od e s i g ni n h i b i t o rw h i c hh a sg o o di n h i b i t o r ya c t i v i t y ，g o o ds e l e c t i v i t ya n dl o w t o x l c i t 矿 k e y w o r d s ：c o m p l e xs y s t e m ，a r t i f i c i a lh e l i c e s ，t r a n s t h y r e t i n ，m o l e c u l e d y n a m i c ss i m u l a t i o n ，3 d q s a r ，m o l e c u l ed o c k i n g v i i f 北京化t 大学硕上学位论文 c a d d 计算机辅助药物设计 q f 。 d p8 q p _ 4 d p4 q p 8 m d 符号说明 7 氨基8 氟2 喹啉羧酸，n 表示聚合度 q f 8 的双螺旋 q f 4 的四螺旋 q f 4 的双螺旋 q f 8 的四螺旋 分子动力学模拟 r m s f 均方根波动 r m s d 均方根偏差 a c e乙酰基 n m e r e s p 3 d - q s a r d o c k t t r f a p f a c s s a b s e r b p w t n 甲胺基 约束静电势 三维定量构效关系 对接 甲状腺前清蛋白 家族淀粉化神经系统疾病 家族淀粉化心肌疾病 老年系统化淀粉疾病 双芳基肟醚 维生素结合蛋白 野生态 北京化工大学硕上学位论文 h b p a b z p l s 卤素结合位点 2 芳基苯并恶唑 偏最小二乘法 v 北京化丁大学硕上学位论文 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 日期：冲吐2 占 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。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磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在2 年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 涨宦彩 日期：垫垒：丝 日期：礁! 竺。立：三z 北京化工大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 复杂体系 1 1 1 复杂体系的定义、特点及研究方法 复杂体系是相对于牛顿力学思想体系的简单体系而言的，它是指达到一定规模， 基于局部信息做出行动的智能性、自适应性主体的体系。复杂体系一般具有以下几个 特点：1 具有一定的规模。2 具有一定的组织性和耦合性。3 具有一定的规律和变 化特征。 生物体系的具有纷繁的复杂性，分岔、滞后、适应等各类非线性性质在生物体系 统都有体现，而且生物体系统有很明显的层次性，是典型的复杂体系的代表。研究这 样的复杂体系需要研究者站在一定的高度，从宏观、整体的角度去考察体系，需要生 物学、系统科学、计算机科学以及数学等学科的研究者们通力合作才能有效地解决问 题。 研究复杂生物体系的方法有很多，例如蛋白质组学、模糊理论( f m ) 、神经网络 ( n n ) 和进化算法( e a ) 、免疫算法( i m m u n e a l g o r i t h m ，i a ) 等。 1 1 2 本文所涉及的复杂体系 本文着重考察两个复杂体系的生物物理化学行为，即人造螺旋生物体系和甲状腺 前清登白( t t r ) 体系。对于人造螺旋生物体系，我们采取动力学模拟方法来描述系 统的动态演化行为，揭示人造螺旋的仿生学意义、折叠机理及其稳定性因素等。而 t t r 体系的研究策略则是从小分子抑制剂和t t r 受体两者共同入手，采取3 d q s a r 结 合分予对接的方法来系统筛选出生物活性和选择性优良的t t r 淀粉化抑制剂分子，达 到汁算机理性药物设计的目的。 i 2 计算机辅助药物设计的相关原理及意义 i 2 1 计算机辅助药物设计的的产生背景及相关原理 新药研究开发过程主要涉及以下四个步骤：1 ) 寻找和确定与某种疾病相关且功 能已9 , u f l , j 生物靶分子( 如酶、调节蛋白、生物活性分予等) 。2 ) 用生物化学或细胞生 物学等方法筛选与靶分子孝h 互作用的化学合成分子或生物分子以便发现新的先导药 物分子；3 ) 对先导药物分子作进一步的功能研究、优化和设计，以确认其具有调节、 恢复细胞j e 常功能的生物活性；4 ) 动物及人体试验，最终找到高效和低毒药物。传 北京化工大学硕士学位论文 统的药物设计从总体上讲，耗时耗力，具有很大的盲目性，缺乏成熟完善的发现途径。 要加速药物发现和设计的速度必须引入新的药物设计的方法。 计算机辅助药物设计( c o m p u t e r - a i d e dd r u gd e s i g n ，c a d d ) 是计算机技术与新药 设计、开发过程相结合的产物，也称为计算机辅助分子设计。它是指在药物设计的过 程中，利用计算机的计算及逻辑判断、图形显示等功能建立药物与受体的作用模型从 而进行合理的药物设计。药物设计中许多繁重的工作，如计算、数据的存储和处理、 显示、预测等，均可由计算机来完成。随着生物技术的发展，特别是人类基因组计划 的完成，利用计算机进行药物设计越来越显示出其可能性、实用性和迫切性。计算机 辅助药物设计不仅能够大大降低药物开发中的投资，减少盲目的浪费，而且还可以大 大缩短药物开发的周期。因此，c a d d 已经被许多国外制药公司用于新药的研究与开 发，近年来取得了极大的成功l l j 。 1 2 2 计算机辅助药物设计的分类 计算机辅助药物设计己经具有4 0 多年的历史，它的研究方法也随着计算机计算 能力的提高以及其它相关学科的发展而飞速发展【z j 。现在，计算机辅助药物设汁已经 形成了一套完整的方法体系，尽管还在不断的发展完善中，但c a d d 已经显示出它潜 在的巨大优势，在药物设计与开发中发挥着越来越重要的作用。 计算机辅助药物设计的理论基础是药物受体作用假说和分子模拟，当然具体的研 究方法依赖于具体体系的相关实验数据的完备程度，根据受体蛋白的结构的已知情况 和药物的活性研究情况，大致可以将c a d d 分为直接药物设计和间接药物设汁两种 【3 l o 一是直接药物分子设计。直接药物设计是指直接根据受体蛋白质的三维结构发现 或者设计出可能的特异性配体的方法。直接药物设计也称为基于( 受体) 结构的药物设 计( s t r u c t u r e b a s e dd r u g d e s i g n , s b d d ) ，它包括虚拟筛选【4 1 、全新药物设计【5 i 和活性位点 分析方法【6 | 等。二是间接药物分子设计。间接药物设计方法是在受体三维结构未知的 情况下，根据己知有活性的配体分子的结构和活性信息，总结出这些活性分子中重要 的结构特征并指导新的活性分子的发现和配体分子的优化。常用的间接药物设汁方法 主要有定量构效关系1 7 1 、药效团模型【引、三维结构搜索、受体映射等方法。 1 2 3 计算机辅助药物设计的意义及发展前景 计算机辅助药物设计研究不但具有深远的科学意义，而且具有巨大的应用价值， 同前已成为国际上十分活跃的研究领域。 第一，c a d d 在药物设计与开发的过程中占有重要的地位。 第二，c a d d 可减少药物巾毒事故、保护实验动物【l o | 。 北京化工大学硕士学位论文 第三，利用c a d d 技术可使我国医药产业摆脱仿制，不断缩小与世界水平之间的 差距。 第四，c a d d 方法的发展依赖于并促进了相关学科领域的发展 。 1 3 计算机辅助药物设计的理论应用 计算机辅助药物分子设计都是基于各种分子模拟技术及各种数理统计方法，其中 包括分子力学、量子力学方法、蒙特卡罗及分子动力学方法、数值和非数值优化技术 等。这嗤方法各有特点及局限性，需要取长补短，有时需要结合使用。 本文所涉及到的研究方法主要包括三种：分子动力学模拟、三维定量构效关系和 分子对接。 1 3 1 分子动力学模拟 经典分子动力学模拟是利用牛顿力学基本原理，通过求解运动方程得到所有原子 的轨迹，并从轨迹中计算得到各种性质，“3 1 。 所有的生物大分子在溶液【 i 都是动态的，具有结构柔性。而且在表现其生物功能 的时候都会发生构象变化，小到局部的残基侧链的位置变化，大到整个结构域 ( d o m a i n ) 的运动。了解生物大分子的动态性质对了解生物大分子的功能非常重要。 通过计算机进行分子动力学模拟可以使静态的蛋白结构实现合理的动态变化，具有十 分重要的j 巫用价值。分子动力学方法的优势在于它可以跨过较大的能垒，因此可以通 过升温来搜索更大的构象空间，高温下整体能量和势能波动较大，意味着较大的构象 变化。使用大型计算机进行生物大分子的分子动力学模拟已经在计算生物学领域得到 了广泛的运用。许多适合生物大分子计算的分子动力学程序( 如a m b e r l l 4 l 、 g r o m a c s i t 、c h a r n l m f 协1 、和g r o m o s t l 7 l 等) 的发展已趋于成熟。 1 3 2 定量构效关系 分了构效关系是研究和分析分子或原子的基本结构特征与其相应的理化性质、毒 性及生物学活性之间的相关规律，揭示分子特性的科学。目前分子定量结构与活性相 关( 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 yr e l a t i o n s h i p ，q s a r ) 研究是构效关系领域的重点和前 沿。q s a r 方法从化合物本质的分子结构和实验事实等要素出发，可建立相关的二维、 三维或多维模型，来估测未知化合物的生物活性和生态学效应1 1 8 1 。 q a s r 方法应用至今，许多方法不断涌现。目前国内外应用的主要的q a s r 方法 j 一要有以下几种i j 9 1 ：( 1 ) 辛醇水分配系数法：( 2 ) 线性自由能法( l f e r 法) ；( 3 ) 线 性溶剂化能相关方法( l s e r 法) ；( 4 ) 分子连接性指数法( m c i 法) ；( 5 ) 分子表面 积法( t s a ) ；( 6 ) 基团贡献法( f r e e w i l s o n 法) ；( 7 ) 鼍子化学法；( 8 ) 模式识别。其 北京化工大学硕士学位论文 中集团贡献法、量子化学法以及模式识别法应用比较广泛。 q s a r 法在国际上是一个相当活跃的研究领域，在药物设计中有广泛的应用。由 于q s a r 研究是建立在大量系列化合物的数据基础上，因此其结果往往是一种总结性 的认识，因而也具有较好的预测能力。同时通过q s a r 研究还可以发现和确定对化合 物各种性质起决定作用的结构因素，从而在分子水平上了解物质的微观结构对各种宏 观性质的影响，也有利于人们理解化合物的种种作用机理。 1 3 3 分子对接 分子对接是基于受体结构药物设计中的一类重要方法，是全新药物设计( d en o v o d e s i g n ) 的主要手段，也是进行大规模虚拟筛选的重要途径，还可以用于模式识别领域。 对接时将小分子配体放置于受体的活性位点处，并寻找其合理的取向和构象l2 0 j 。 通过分子对接可以从已有化合物分子库筛选出先导化合物，节省了许多合成操 作。分子对接的过程就是寻找配体与受体结合的活性位点处低能构象的过程，搜索算 法和评分函数是分子对接过程中两个不可分割的重要组成部分。好的搜索算法应该能 够遍历所有构象空间，合理的评分函数能够有效地模拟配体受体之间相互作用的亲和 力。 近年来，许多研究小组都发展了自己的分子对接方法并已经将其用于虚拟筛选。 分子对接可以为虚拟筛选构建组合库，极大的促进了虚拟筛选的速度和精度，拓宽了 组合化学在发现和优化先导化合物的过程中的应用。 1 4 复杂体系生物物理化学行为理论研究的意义 1 4 1 人造螺旋理论研究的意义 从审美学的角度来看，螺旋的拓扑组成结构非常引人注目。自然界中螺旋结构广 泛存在，例如在银河系中、植物界中、以及最重要的在生命体系中。我们已经知道生 物体中d n a 、蛋白质、胶原质等都是以折叠体的形式存在的。这些折叠体对于完成 生物学功能来讲有很重要的作用1 2 。 在沃森和克里克发现d n a 双螺旋结构以来，化学家们一直在企图通过非共价键 相互作用如7 【兀堆积力、静电相互作用、氢键等寻找合成人工双螺旋结构的方法1 2 2 i 。 理论模拟人造螺旋的折叠机理及稳定性等因素对于揭示人造螺旋的仿生学性质如模 仿蛋白质、核酸和生物膜的识别、转运、扩散作用等具有重火的意义。 单链在发生聚合过程中会表现出特殊的生理活性。在分子水平上模拟超分子单体 在形成双螺旋过程中的动力学特征显得非常重要。 4 北京化t 大学硕上学位论文 1 4 2t t r 淀粉化抑制剂分子研究的意义 t t r ( 甲状腺结合前清蛋白) 是血浆运输蛋白的一种，在人体血浆中，它是甲状腺 素衙尔蒙的第二个传输者，并且作为维生素a 结合蛋白的唯一传输者【23 ，2 4 j 。 在正常的生理条件下，t t r 是以四聚体形式存在于体内，维持其正常的生理功能。 但足在某些特定的条件下( 如强酸性) ，t t r 四聚体会分解形成单体进而聚集形成淀 粉化纤维，造成新陈代谢紊乱，从而导致各种淀粉化疾病的产生，如f a p ( 家族系统 神经性疾病) 、f a c ( 家族系统心肌疾病) 和s s a ( 老年淀粉化疾病) 。 从根本上寻找治疗这种疾病的方法一直是目前研究的热点，其中寻找合适的抑制 剂小分子是许多研究的聚集点。抑制剂分子可以与t t r 活性位点特异结合，通过稳定 过渡态，显著提高动力学能垒，降 k 氏t t r 四聚体分裂的可能性，从而达到从根本上治 疗这类疾病的目的。 3 d q s a r 是基于配体的药物设计方法，可以估测未知化合物的生物活性和生态学 效应，而分子对接( d o c k ) 是基于受体的药物设计方法，通过寻找配体与受体结合 的活性位点处低能构象的过程研究设计新的抑制剂分子，将两种方法结合使用，对于 生物活性及选择性优良的先导抑制剂化合物的发现至关重要，为基于t t r 及其他淀 粉化类前体蛋白结构的药物分子设计提供新的思路。 1 5 论文研究的主要内容 本论文以复杂生物体系为研究对象，围绕着人造螺旋和和甲状腺前清蛋白这两个 体系的生物物理化学行为的研究进行展开。主要研究内容分两个大的部分：即人造螺 旋体系和甲状腺前清蛋白抑制剂体系。具体每一章节的安排如下： 第一章绪论本章主要介绍了复杂体系的概念、特点和研究方法，计算机辅助药 物设计的原理、意义、应用及两个两种复杂体系即人造螺旋体系和甲状腺前清蛋白体 系的理论研究意义。 第二章理论计算的原理与方法主要介绍了本论文用到的分子模拟、定量构效关 系、分子对接三种理论研究方法的相关概念及原理方法。 第三章芳香氨基折叠体四螺旋和双螺旋稳定性和组装机理的动力学模拟研究。 从研究意义、研究使用的材料和方法、研究结果以及结果讨论等多方面对人造螺旋的 稳定性和折叠机理进行了系统阐述。 第四章t t r 淀粉化抑制剂分子的3 d q s a r 和分子对接研究。本章中对b s e 系 列的t t r 淀粉化抑制剂分子进行了3 d q s a r 研究，得出共同的药效团模型，并从配 体方面对抑制剂分子的活性进行了预测研究。分子对接研究中，将抑制剂分子与t t r 活性空腔位点进行对接，通过分析对接作用模式和能量特征，揭示最佳结合模式和构 型，为同类型的新药设计提供了指导。 5 北京化1 = 大学硕上学位论义 第五章结论对本论文的所有研究内容进行了总结，包括取得的成果、创新点和 研究的不足等。 6 北京化t 大学硕上学位论文 2 1 分子模拟 2 1 1 分子模拟简介 第二章理论计算的原理与方法 分子模拟( m o l e c u l a rm o d e l i n g ) 是计算机模拟中最热门的一种模拟方法1 25 | 。根据 模拟的原理不同，分子模拟可以分为三大类：第一类是基于经典牛顿力学的分子力学 ( m o l e c u l a r m e c h a n i c s ，m m ) 与分子动力学( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，m d ) 模拟；第二 类是基于量子力学( q u a n t u mm e c h a n i c s ，q m ) 的量子化学( q u a n t u mc h e m i s t r y ) 模拟； 第三类是以概率论为基础的蒙特卡洛( m o n t ec a r l o ，m c ) 模拟。下面着重介绍本文 中使用到的分子动力学方法。 2 1 2 分子动力学方法 分子动力学( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，简称m d ) 是分子模拟方法中比较经典且常用 的一种方法，它的模拟出发点是将系统中每个原子都视为遵守第二定律的经典粒子， 通过求解数值的积分运动方程式，来解析许多原子的运动轨迹，从而阐明系统内所有 原子的位置、速度以及体系能量随时间发生变化的情况【2 6 。具体的求解步骤如下： 第一步：给出体系所有粒子的初始坐标和速度。初速速度按照体系的初始温度根 据波尔兹曼分布进行赋值。 第二步：采用特定的力场参数和能量评价函数，从粒子在t 时刻的位置得到体系的 势函数，由此计算每个粒子所受到的力。原子所受的力可由分子力学势能函数的负导 数求得。 第三步：运用牛顿运动方程，由粒子在t 时刻的位置和速度积分计算下一步的位置 和速度。不断重复步骤，便可得到任何原子的位置和速度。 在一些模拟中，如果人们关心的问题受周围环境的影响较小，可以采用简单的非 周期性边界条件。但是大部分分子动力学模拟中常常要考虑周围环境对模拟体系的动 力学性质的影响，这时就需要采用周期性边界条件。采用周期性边界条件，可以把研 究体系看作为一个矩形空间包围的区域，把矩形的基本单元沿着所有的方向进行周期 性扩展，以形成一个无限的周期排列。 在分子模拟中，原子之间非键相互作用中在达到一定距离后，原子间的非键相互 作用是非常弱的，实际上是可以忽略的。所以模拟中常采用截断半径的方法来限制非 键相互作用的范围。对于非键相互作用中的范德华相互作用会随着距离的增加而迅速 衰减，而静电相互作用随着距离的增加而衰减很慢，因此，对两者在计算中的处理方 7 北京化t 大学硕上学位论文 式存在很大的区别。所以当采用截断值方法时，考虑到它们随距离的衰减特点不同， 在模拟中，对它们采用的截断值应该也存在不同。对于范德华相互作用，截断半径一 般取1 0 一- 1 2a ；对于静电相互作用，截断半径一般取1 6a 以上。采用截断半径方法 时，需要考虑计算精度和计算速度之间的平衡。要提高计算精度，就需要增加截断半 径的数值；但截断半径太大，计算的效率会降低。在实际操作中，为了提高计算的速 度，往往会采用较小的截断值，但采用较小的截断值时会出现许多问题，比如体系能 量的不守恒、动力学过程中的体系能量波动等问题，这些都需要进行留意。实际选用 的截断半径的大小应根据研究体系和研究目的来进行选择。 分子动力学模拟最基本的功能是进行空间构象取样，因而经常用于生物大分子结 构实验测定数据的优化，为核磁共振、x 射线衍射和电子显微镜结构测定提供有用的 信息。此外，分子动力学模拟还被用于研究蛋白质构象变化、蛋白质折叠与去折叠过 程、生物大分子与生物大分子之间相互作用、生物大分子与有机小分子相互作用等方 面。 2 1 3 分子力学能量最小化方法 一个计算模型在进行分子动力学模拟之前，一般地，其模型结构首先需要用分子 力学的能量最小化方法优化体系的结构。能量的最小化主要通过最陡下降法( s t e e p e s t d e s c e n tm e t h o d s ) 、共轭梯度法( c o n j u g a t e dg r a d i e n tm e t h o d s ) 、牛顿拉普森法 ( n e w t o n - r a p h s o nm e t h o d s ) 实现。这三种分子力学能量最小化的方法各有自身的特 点，在实际应用中需要选择合适的方法，选择要依据体系的大小和优化的当前状态。 对于一个远离最小点的体系应当首先选用最陡下降法。一般的优化顺序是首先采用最 陡下降法，然后再采用共轭梯度法或是牛顿拉普森方法，使得能量最小化过程有效地 收敛到最小点。 2 1 4 分子力场 量子力学的理论虽然严格且清晰，但是不适合用这种方法来处理生物大分子体 系。虽然分子力场方法原理简单，但是它确实可以预测分子的某些重要性质，而且在 适用范围内能够达到量化计算的精度， 同时计算时间却远远少于相应的量化计算。 所以获得了较广泛的应用。分子力场的函数形式，是指分子体系势能对分子构象的经 验函数形式。在实现分子动力学模拟的过程中，分子体系的势函数是用特定力场参数 和能量评价函数来计算的，采用什么样的力场参数和能量评价函数将对分子动力学的 精度产生重大的影响。常见的分子力场的势能函数一般包括两类相互作用能，即化学 8 北京化t 大学硕士学位论文 键相互作用能和非键相互作用能。化学键相互作用能一般包括键伸缩能、键角弯折能、 二面角扭转能，以及它们之间的交叉作用项的能量。非键相互作用能则主要包括了范 德华作用能和静电作用能，有时也包括氢键相互作用能。非键相互作用能对力场的精 度影响较大。分子力场描述中是忽略了电子的行为，因此，键的生成断裂过程都不能 通过分子力场相关方法来描述。 分子力场是分子力学与分子动力学模拟的基础，分子动力学模拟结果的好坏直接 依赖于分子力场的发展和完善。在分子模拟中，不同力场的势能函数形式是不同的1 2 。 最常见的分子力场可以分为传统力场、第二代力场、通用力场三大类。传统力场主要 包括了：a m b e r 力场、c h a r m m 力场、c v f f 力场以及m m x 力场等，它们属于 第一代力场，其最初的参数化主要基于实验的结果，在以后的扩展过程中也采用了量 化计算的结果。第二代力场主要包括了：c f f 力场、c o m p a s s 力场、m m f f 9 4 力场 等，和第一代力场相比，第二代力场的势函数形式更加复杂，这也就意味着描述一个 体系需要更多的力场参数。与传统力场和第二代力场不同，通用力场( 如u f f 力场) 中的参数都可以基于原子性质采用一些理论或经验的规则来得到，这些原子性质包括 电负性、硬度、原子半径以及杂化形式等，因此，这类力场具有较好的可移植性。虽 然这类力场适用的范围较广，但由于它们在预测精度上存在一些问题，因此在分子模 拟中并没有得到广泛的应用。 在分子模拟时，根据不同的力场各自的特点和所要模拟系体的具体情况，选用对 应的力场。对蛋白质分子的模拟，首选a m b e r 力场和c h a r m m 力场、也可以用 c f f 力场、c v f f 力场和m m f f 9 4 力场；对核酸分子的模拟，正常核酸采用a m b e r 力场和c h a r m m 力场，非正常核酸采用m m f f 9 4 力场或用户自定义的力场；对小 分子蛋白质复合物体系的模拟，首选c h a r m m 和m m f f 9 4 力场，也可以用c f f 力 场和c v f f 力场；对高分子的模拟，首选c o m p a s s 力场，也可用p c f f 力场和c f f 9 5 力场。 力场参数主要通过拟合得来，拟合力场参数主要有两种方法：实验拟合和量化 计算拟合。实验拟合就是用实验可观测量来拟合力场参数的方法，这些可观测量主要 包括：从红外和拉曼光谱得到的振动频率；用微波谱和电子散射等实验手段得到的气 体分子的三维结构；用x 射线衍射或者中子衍射散射实验得到的晶体三维结构等。早 期力场大多采用实验值拟合，但是，出现的问题是有时很难找到适用于力场参数化的 实验数据。量化计算拟合则是利用量子化学从头计算获得有关数