（应用化学专业论文）柔性对接算法用于环糊精对客体分子的分子识别和手性识别的研究.pdf

摘要 尽管很多计算化学方法己应用于环糊精( c y d o d e x t r i n s ，c d s ) t 客体系的研 究，但是对于体系的构象变化和溶剂效应考虑甚少，故发展新型的柔性对接算 法用于模拟环糊精和客体分子的相互作用具有十分重要的意义。基于上述目的， 本文在分子力学的基础上开拓和建立新型的对接方法，从原子与原子相互作用 的角度上模拟环糊精与客体分子之间的相互作用。并将所建立的柔性对接算法 f d o c k 用以预测环糊精与各种客体分子形成包结物的结构、稳定性及环糊精 对客体分子的分子和手性识别研究。论文的主要内容如下： 1 综述了分子间相互作用的计算机模拟研究，以及它们在环糊精与客体分子之 间的分子识别和手性识别等领域的研究概况。简单介绍了本文的研究内容及 研究前景。 2 详细介绍了本文在柔性对接中所采用的分子力场( c f f 9 1 力场) 、溶剂模型、 经验结合自由能函数及其梯度的计算。描述了柔性对接算法f d o c k 的原 理、所采用的关键技术以及算法的并行化过程。f d o c k 采用了快速退火演 化算法f a e a ，并结合了准牛顿局部优化算法l b f g s ，使算法的优化效率 得到明显的提高。 3 将柔性对接算法f d o c k 运用于b 环糊精和胆汁酸( b i l ea c i d s ) 包结物三维结 构的稳定性预测，并和刚性对接进行了比较。计算结果表明：刚性对接得到 客体分子在b 一环糊精腔内的取向预测与实验结果相反；而柔性对接的结果则 与实验非常吻合，而且包结物结构也更稳定。对于我们选取的系列胆汁酸的 稳定性预测与文献报道的结论也相一致。以上的结果在一定程度上显示：我 们所采用的用于模拟主客体分子间相互作用的理论模型是合理的；对于分子 量较大且柔性较强的客体分子柔性对接算法得到的结果更合理准确。 4 将柔性对接算法用于天然c t 一，p - ，y - 环糊精和甾类化合物( s t e r o i d s ) 之间的分 子识别研究。计算结果表明：优化得到的最低能量与实验得到的包结常数具 有良好的线性关系( 0 9 8 0 ) ；并且预测得到的包结物与实验预测的结构相吻 合；此外，b 。环糊精对结构相似的甾类化合物具有很好的分子识别能力。进 一步分析显示，甾类化合物的立体效应、溶解性和环糊精空腔的尺径大小可 能是影响分子识别的主要因素。 5 将柔性对接算法运用于b 一环糊精和单氨基取代p 一环糊精与氨基酸衍生物以 及苯的衍生物之间的手性识别研究。计算结果表明：柔性对接算法所得到的 经验结合自由能变化能够用于识别d l 型氨基酸对映体和r s 型苯的衍生物 对映体：对于带负电荷手性客体分子，带正电荷氨基酸取代b 一环糊精比天然 的b 环糊精具有更好的手性识别作用。进一步分析各能量项表明：静电相互 作用，特别是其中的氢键对于旋光异构体之间的识别起主要作用。 通过以上研究，得出结论： ( 1 )白行研制的柔性对接算法f d o c k 是一种很有效的分子对接算法，结合 所建立的理论模型，f d o c k 可以用于环糊精和复杂客体分子之间相互 作用的计算机模拟； ( 2 ) 对于环糊精与甾类化合物的分子识别研究表明：本文提出的柔性对接算 法可较准确地预测包结物的结构和稳定常数，并可用于分析影响分子识 别的主要因素； ( 3 ) 对于环糊精与氨基酸及苯衍生物的手性识别研究表明：f d o c k 优化得 到的最低能量之差可用于环糊精对旋光异构体的识别，并可进一步用于 分析手性识别的主要因素； ( 4 ) 尽管分子力学方法存在一定局限，但我们的研究表明：分子力学方法可 用于研究环糊精主客体系的分子和手性识别的研究。 a b s t r a c t a l t h o u g hm a n yc o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r y m e t h o d sh a v eb e e na p p l i e dt os t u d yt h e c o m p l e x e sb e t w e e n t h ec y c l o d e x t r i n s ( c d s ) a n dg u e s tm o l e c u l e s ，t h ec o n f o r m a t i o n a l c h a n g e sa n ds o l v a t i o ne f f e c to f t h ec o m p l e x e sa r eu s u a l l yn e g l e c t e d t h e r e f o r e ，i ti s v e r yi m p o r t a n tt od e v e l o p n e wf l e x i b l e d o c k i n ga l g o r i t h m s f o rt h ei n t e r a c t i o n a l s i m u l a t i o nb e t w e e nc da n dg u e s t s f o rt h i sp u r p o s e ，b a s e do nm o l e c u l a rm e c h a n i c s ，a n e w d o c k i n ga l g o r i t h mh a sb e e nd e v e l o p e d t oc a l c u l a t et h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nc d s a n d g u e s t s t h ef l e x i b l ed o c k i n ga l g o r i t h m ( f d o c k ) e s t a b l i s h e d w a su s e dt op r e d i c t t h eg e o m e t r ya n ds t a b i l i t yo ft h ei n c l u s i o nc o m p l e x e so fc d sw i t hg u e s t s ，a n dt o i n v e s t i g a t et h em o l e c u l a ra n dc h i r a lr e c o g n i t i o nb e t w e e nc d s a n dg u e s t s t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l 】o w s ： lt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no fm o l e c u l a ri n t e r a c t i o n sa n di t s a p p l i c a t i o n t ot h e m o l e c u l a ra n dc h i r a lr e c o g n i t i o nb e t w e e nc d sa n dg u e s t sw e r er e v i e w e d t h e r e s e a r c hc o n t e n t si nt h i st h e s i sa n dt h er e s e a r c hp r o s p e c t sw e r ev i e w e d 2t h em o l e c u l a rf o r c ef i e l d ( c f f 9 1f o r c ef i l e d ) ，s o l v e n tm o d e l ，e m p i r i c a lb i n d i n g f r e ee n e r g yf u n c t i o na n di t sg r a d i e n tc a l c u l a t i o na d o p t e di nf l e x i b l ed o c k i n gw e r e i n t r o d u c e d t h e p r i n c i p l eo f t h ef l e x i b l ed o c k i n g a l g o r i t h m ，t h ec r u c i a lt e c h n i q u e s i nt h ea l g o r i t h m ，a n dt h ep a r a l l a l i z a t i o np r o c e s sw e r ed e s c r i b e d f a s ta n n e a l i n g e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ( f a e a ) w e r eu s e di nf d o c k a sa g l o b a ls e a r c ht o o l ，a n d t h e o p t i m i z a t i o ne f f i c i e n c y i se n h a n c e d d r a m a t i c a l l y w h e n c o m b i n i n g l o c a l o p t i m i z e da l g o r i t h ml - b f g s ( l i m i t e dm e m o r y b f g s m e t h o d ) 3f d o c kw a s a p p l i e d t op r e d i c tt h es t a b i l i t yo f t h ei n c l u s i o n c o m p l e x e sb e t w e e nb - c da n db i l ea c i d s ac o m p a r i s o nw i t ht h er i g i dd o c k i n gw a sm a d e ，g i v i n gt h e r e s u l t st h a tt h eg e o m e t r yo f g u e s t si nt h ec a v i t yo f8 c do p t i m i z e db yt h er i g i d d o c k i n gi so p p o s i t et ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s w h e r e a st h eo p t i m i z e ds t r u c t u r e s o b t a i n e db yf d o c ki si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h a te x p e r i m e n t ，a n ds t a b i l i t i e s p r e d i c t i o nf o rt h ec o m p l e x e sb e t w e e n8 一c d a n dt h eb i l ea c i d si sa l s oi na c c o r d w i t ht h ec o n c l u s i o nr e p o r t e db yt h ep r e v i o u ss t u d y t h ea b o v e r e s u l t si n d i c a t et h a t t h et h e o r e t i c a lm o d e la p p l i e dt oh o s t - g u e s ti n t e r a c t i o n a ls i m u l a t i o ni no u rs t u d yi s r a t i o n a la n d e s p e c i a l l yf i tt oi n v e s t i g a t e t h ei n c l u s i o nc o m p l e x e sf o rc dw i t hl a r g e a n df l e x i b l eg u e s t s 4f d o c kw a su s e dt oi n v e s t i g a t et h em o l e c u l a rr e c o g n i t i o ni na 一，d - a n d7 - c d c o m p l e x e sw i t hs t e r o i d s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o w t h a tt h ee n e r g i e sm i n i m i z e d b yf d o c k h a v eag o o dr e l a t i o n s h i pw i t ht h ee x p e r i m e n t a la s s o c i a t i o nc o n s t a n t s a n dt h eo p t i m i z e ds t r u c t u r e sa r ei na c c o r dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i tw a s f o u n dt h a t3 - c dh a sg o o dm o l e c u l a rr e c o g n i t i o na b i l i t yf o rs t e r o i d sw i t ht h e s i m i l a rs k e t c h f u r t h e r a n a l y z i n g t h e e n e r g yc o m p o n e n t s i n d i c a t e st h a ta c o m b i n a t i o no fs t e r i cf a c t o r s ，t h es o l u b i l i t yo ft h es t e r o i d sa n dt h ep r e f e r e n t i a l r e c e p t o rs i z ew a sf o u n dt oi n f l u e n c et h es t r e n g t ho fi n c l u s i o nc o m p l e x e sa n db e t h em a i nc o n t r i b u t o r st om o l e c u l a r r e c o g n i t i o n 5f d o c kw a sf u r t h e ru s e dt o s t u d yt h e c h i r a lr e c o g n i t i o no ft h e3 - c da n d6 一 a m i n o 一6 一d e o x y 一1 3 - c y c l o d e x t r i n ( a m - b c d ) w i m a m i n oa c i da n db e n z e n e d e r i v a t i v e s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ei s o m e r i cb i n d i n gf r e e e n e r g y c h a n g e sc a nb ea p p l i e dt oc h i r a lr e c o g n i t i o nf o rt h ec o m p l e x e so fd l - a m i n o a c i d so rr s b e n z e n ed e r i v a t i v e s 、珩t 1 1 3 - c da n da m b c dr e s p e c t i v e l y t h e r e s u l t sa l s oi n d i c a t et h a ta m p c d ，r a t h e rt h a nn a t i v eb c d ，s h o w sh i g h e rc h i r a l r e c o g n i t i o na b i l i t yt o w a r dn e g a t i v ec h a r g e dc h i r a lg u e s t s f u r t h e ra n a l y z i n ge a c h e n e r g yt e r ms h o w st h a tt h ee l e c t r o s t a t i cf o r c e s ，e s p e c i a l l yh y d r o g e nb o n d sa r e p r o b a b l yt h em a i n f a c t o r sf o rt h ec h i r a lr e c o g n i t i o n b y a b o v es t u d y , s u c hc o n c l u s i o n sa r ed r a w n ： ( 1 ) t h ef l e x i b l ed o c k i n ga l g o r i t h mf d o c k d e v e l o p e d i nt h i sd i s s e r t a t i o ni se f f i c i e n t a n dc a r lb eu s e dt o s t u d yt h ei n t e r a c t i o no fc d sw i t hf l e x i b l eg u e s tm o l e c u l e s b a s e do nt h ee s t a b l i s h e dt h e o r e t i c a lm o d e l ； ( 2 ) f o rt h em o l e c u l a rr e c o g n i t i o ns t u d yb e t w e e n c d sa n ds t e r o i d s ，f d o c kc a nb e u s e dt op r e d i c tt h es t r u c t u r e sa n ds t a b i l i t yc o n s t a n t so f i n c l u s i o nc o m p l e x e s ； ( 3 ) t h ec h i r a lr e c o g n i t i o ns t u d yf o rc d s w i t ha m i n oa c i da n db e n z e n ed e r i v a t i v e s s h o w st h a tt h eb i n d i n gf r e ee n e r g yc h a n g e so b t a i n e db yf d o c k c a l lb ea p p l i e dt o d i s c r i m i n a t et h ec o m p l e x e sb e t w e e nc d sa n de n a n t i o m e r sa n dc a nb eu s e dt o a n a i y z i n g t h em a i nc o n t r i b u t o r st oc h i r a lr e c o g n i t i o n ； ( 4 ) a l t h o u g hm o l e c u l a rm e c h a n i c sm e t h o d h a ss o m el i m i t s ，o u rs t u d ys h o w st h a ti t c a nb eu s e dt oi n v e s t i g a t et h em o l e c u l a ra n dc h i r a lr e c o g n i t i o nf o rt h ei n c l u s i o n c o m p l e x e s o fc d sa n d g u e s t s 1 1 引言 第一章综述 环糊精( c y c l o d e x t r i n s ，c d s ) 是由环糊精葡糖基转移酶( c g t ) 作用于淀粉所 产生的组环状低聚糖的总称。通常含有6 1 2 个d - 吡喃葡萄糖单元，其中研究 得较多并且具有重要实际意义的是含6 、7 、8 个葡萄糖单元的分子，分别称为仅一、 p 一、和y c d - a ，其晶体结构3 ”如图1 - 1 所示，它们物理性质参数嘲由表1 - 1 给出。 为了对表1 1 中给出的空腔尺径有一个直观的理解，图1 2 给出了p 一环糊精的结构 示意图。 由于环糊精具有“内疏水，外亲水”的分子特性，这种特殊结构赋予环糊 精与多种客体化合物形成包合物的能力，并且环糊精是类似于酶的理想宿主分 子，因此具有酶模型的特性。因此，以上的特性使环糊精在各个方面得到了广 泛的应用，近几年大量文献报道了将环糊精及其衍生物作为药物载体的研究， 即将一些药物通过与环糊精形成包结来提高溶解度、稳定性和生物利用率。由 于环糊精具有手性识别微环境，在分析化学上，主要通过色谱分析、荧光分析、 电化学分析和毛细管电泳方法等，将环糊精用于各种客体分子的分离和识别。 并且还可以用环糊精作为酶模型研究酶与底物的相互作用。此外，很多文献还 报道了环糊精在食品和环境领域的应用，以及和无机硅包结制成具有新物质特 性的环糊精纳米管。 为了进一步扩大环糊精的应用领域，以及更好的理解酶与底物的相互作用， 对环糊精包结机制的研究受到人们广泛的重视。各种实验技术，如n m r 技术、 热动力学方法等用于环糊精和客体分子的相互作用、包结结构和稳定性的预测。 随着计算机硬件和软件的迅速发展以及计算化学方法的进一步完善与发展，环 糊精与客体分子相互作用的计算机模拟研究呈上升趋势【7 1 。和实验技术相比， 用计算机模拟环糊精和客体分子的相互作用不仅可以得到环糊精和客体分子的 详细三维结构，而且还可将计算得到的包结自由能用于包结驱动力的分析、包 结结构稳定性的预测、分子识别和手性识别的研究，并为相应的实验研究提供 了理论的依据。这些模型还可进一步应用于其它主一客体系以及与之相类似的生 中国科学技术大学硕士学位论文 物学领域如蛋白质一配体的相互作用研究等。因此用计算机模拟分子间的相互作 用具有非常重要的意义。 图1 - 1 ( a ) a 一环糊精的晶体结构【3 】 图1 - l ( b ) 1 3 - 环糊精的晶体结构【4 】 图1 - 1 ( c ) p 环糊精的晶体结构【目 2 表1 - 1a 、p 、和y - 环糊精的物理性质参数 图1 - 23 - 环糊精的结构示意图 3 置 1 2 分子间相互作用的计算机模拟 分子间的相互作用与识别是生物化学非常广泛研究的课题。由于在发现药 物方面的潜力，人们对理论预测主客体分子的相互作用有着永恒的兴趣。随着 计算机科学的迅速发展，各种计算化学方法用于分子间相互作用的计算机模拟， 它包括经验方法( 分子力学或称力场方法) 、半经验方法、从头算法( 量子力学) 。 半经验方法和从头算法虽然较精确，但是计算量很大，目前只能用于较小体系 的计算，而分子力学则适用于大分子的构象分析，已成当前研究大分子体系，特 别是生物分子体系有效可行的研究手段。根据本文的研究体系，分子间相互作 中国科学技术大学硕士学位论文 用的计算机模拟只在分子力学及采用分子力学模拟时所需考虑的两个关键问题 ( 溶剂模型和能量最小化) 上作一个简单的介绍。 1 2 1 分子力学 分子力学( m o l e c u l a rm e c h a n i c s ，m m ) 基本思想可以追溯到1 9 3 0 年安德鲁斯 ( a n d r e w sd h ) 提出的经典力学模型【8 】。分子力学不仅适用于单个分子的构象搜 索，而且还被广泛应用于分子间相互作用的计算机模拟研究，很多文献阳圳对 分子力学的原理及其应用作了报道。采用分子力学方法模拟分子间相互作用的 流程图如图l - 3 所示： 输入主客体分子的坐标 上 l选择力场、作用项、参数和溶剂模型 0 能量最小化 j 主客体分子的最终结构与能量 图1 3 采用分子力学方法模拟分子间相互作用的流程图 即：首先输入主客体分子的坐标，然后选取相应的力场、作用项和参数，通过 能量最小化，计算得出主客体分子的最终结构和能量。其中主客体的总能量一 般包括分子间的非键相互作用能( 邑j 、溶剂化能( g 0 ) 和分子构象能( e j ，如 公式( 1 1 ) 所示。 e 。m = e 0 。，+ 巨。+ g 。f( 1 - 1 ) 分子间的非键作用能由范德华能( e o 和静电作用能( 点k ) 组成，如公式( 1 2 ) 所 e 。，= e 。h + 五。k ( 1 2 ) 4 主璺型堂垫查查堂堡主兰垡塑 示，分子构象能一般包括键的伸缩能( 历。、键角弯曲能( 后毒) 、二面角扭转能 ( e 。) 及分子内的非键作用能等，如公式( 1 3 ) 所示。针对不同的力场，其能 e i n t 加= e 6 。d + e 硼g 如+ e d ，+ t i - j j 量项有所不同。早期的力场如a m b e r 、m m 2 和c v f f 等属于第一代力场，它 们的位能函数形式比较简单，并且位能函数主要来自于实验数据拟合。而 c f f 9 1 9 3 和m m 3 等力场则属于第二代力场，它们的共同的特点是函数形式复 杂，适用范围广，采用从头计算的量子力学优化力场参数，并用已知的实验数 据对位能参数进行检验和校正，建立了一种比传统力场复杂得多的解析位能函 数，这种力场可以用于各种类型的分子体系。因此在作分子力学模拟时，首先 要根据研究对象选取合适的分子力场。 由于分子间的相互作用一般都在溶液中进行，因此溶剂对体系的的构象会 产生影响，即通常所说的溶剂效应。至今为止，溶剂效应仍是计算化学家很难 定量解决的问题。在分子模拟时，一般采用溶剂模型来近似计算溶剂化能，根 据是否显性地处理水分子，分为显性溶剂模型和隐性溶剂模型。各种溶剂模型 都已被用于分子间的相互作用的分子力学模拟研究，并已被证明对于分子间的 相互作用有一定的影响，尤其影响客体分子在环糊精腔内的取向。我们以前的 研究表明，如果忽略溶剂化效应，得到的客体分子的取向预测与实验结果相反。 因此溶剂效应已成为分子力学模拟分子间相互作用研究时所需考虑的一个重要 方面。 分子力学方法已被广泛用于分子间相互作用的模拟，按照是否考虑分子的 构象能，目前存在两种分子对接方式：刚性对接和柔性对接。刚性对接比较简 单，仅仅考虑客体分子在环糊精腔内的相对位置和相对取向的变化，对于分子 的构象变化不予考虑，因此只能适用于一些简单的体系，对于分子量较大且柔 性较强的体系则存在很大的误差，甚至模拟的结果与实验完全相反。因此，为 了更接近真实体系，必须要考虑体系的构象能变化，即采用柔性对接。尽管柔 性对接能减少误差，但是由于柔性对接需要优化的变量比刚性对接多得多，因 此能量最小化，即发展更有效的优化算法成为柔性对接最关键和首先要解决的 问题。 主里型兰垫查查堂堡主堂堡垒兰 1 2 2 溶剂模型 在很多化学和生命的过程中，溶剂效应都起着重要的作用。在以前的工作 中，曾报道多种溶剂化能的计算模型。根据对水分子的不同处理，这些模型可 分为两类：显性溶剂模型和隐性溶剂模型。由于显性溶剂模型需要显性的处理 水分子，耗费大量的计算机时间，因此一般在分子模拟中用各种隐性模型代替 显性溶剂模型来模拟溶剂效应 1 2 - 1 3 】，包括：距离依靠介电模型( d d ) ”“，可及性 表面积模型( s a ) 1 8 j ，高斯溶剂排除模型1 1 9 】，广义波恩可及性表面积模型 f g b s a ) t 2 0 2 3 1 ，广义波恩分析连续静电模型( g b a c e ) 1 2 ”，参考作用点模型理论 ( r i s m ) 2 5 1 等等。 对于各种隐性溶剂模型的性能评价，一般通过和已知的晶体结构及显性溶 剂模型进行比较得到。其中可及性表面积模型形式较简单，溶剂化能与溶剂可 及性表面积成正比，计算速度很快，但精确度不高。对于可及性表面积的计算， 目前应用的较多的是s t i l l t 2 6 1 等提出的一种快速计算原子溶剂可及性表面积的公 式。在众多隐性溶剂模型中，g b s a 模型应用较为普遍，溶剂化能不仅与原子 的可及性表面积相关，而且还考虑了溶剂一溶质的静电极性化。和可及性表面 积模型相比，g b s a 的优点是很好地考察静电部分对溶剂化能的影响，但是它 的缺点也很明显，需要耗费较多的计算时间，且依赖于静电模型的选择。因此 一般在分子力学模拟时，可按照各自的需求情况，选取合适的溶剂模型。 1 2 3 能量最小化 分子间相互作用的计算机模拟研究，也就是我们通常所说的分子对接问题， 从图1 3 中可以看到能量最小化是分子对接中最关键的一步，能否搜索到最低 能量结构是衡量分子对接是否成功标志。能量最小化方法及其在分子对接的应 用 2 7 - 2 8 1 在最近的几年中取得了长足的进步，快速可靠的算法不断涌现，算法性 能提高很快。一般能量最小化方法分为随机算法和确定性( 解析) 算法两类方 法。随机算法具有适应范围广、实现简单、通常不需要计算导数等优点，是当 前分子对接普遍应用的方法，同时也是对接方法使用最多的搜索引擎，典型方 法有模拟退火算法，遗传算法，以及这些算法的各种修正变种。最近也出现了 一些其他随机算法，如t a b u 搜索，一种随机近似平滑方法和随机聚点搜索算法。 6 ! 里型兰垫查查堂堡主兰堡丝苎 下面我们将各种能量最小化方法在分子对接中的应用作一个简单的介绍。 模拟退火算法是解决组合优化问题的经典优化算法，已应用于各种分子对 接过程【2 9 “ ，如a u t o d o c k2 4 便是在构象搜索中应用模拟退火算法而由m o r r i s 【3 ” 等人开发出的，其组成部分为a u t o d o c k ，a u t o g r i d 及a u t o t o r s ，可有效地对接 多达8 个可旋转键的柔性配体，而w e n z e l ”1 等将模拟退火和分子对接中另外两 种随机优化算法( 随机通道算法和并行回火算法) 优化性能作了比较，将它们 各自的优缺点进行了分析。遗传算法作为一种启发式搜索算法而在随机数学中 兴起，也已成功地应用于1 分子对接，j u d s o ne ta 1 f 3 8 1 是最早将遗传算法应用于对 接问题的人之一，一些商业计算化学软件如g o l d i “，a u t o d o c k3 0 1 4 ”， d a r w i n 4 2 1 等分子对接模块中均用遗传算法进行能量最小化，而p a r r i l l 4 3 - 4 4 等将 遗传算法在药物设计方面的应用作了全面的介绍。很多人对以上两种算法作了 改进，并将它们应用于分子对接问题。进化算法和遗传算法很相似在优化过 程中有选择操作和突变操作，但与遗传算法不同的是没有交叉操作，人们对进 化算法的优化能力进行t n 试1 4 5 4 7 i 并将它用于分子对接过程中h “9 1 。 最近人们研制出一种新的搜索算法，t a b u 搜索1 5 0 - 5 1 1 ，用于解决能量最小化 问题，并将它与典型的优化算法，如遗传算法、进化算法和模拟退火算法的优 化效率作了比较1 。目前t a b u 搜索和遗传算法相结合，已被用于p r ol e a r s 5 2 - 5 3 1 对接程序中。新近出现的一种随机近似平滑方法( s t o c h a s t i ca p p r o x i m a t i o n w i t h s m o o t h i n g ，s a s ) ，采用随机近似势能平滑技术，在对接测试对比计算中有很好 的表现】。随机聚点算法最初由s t a n t o n ”等提出原型，后经李炜疆改进，表现 出较好的适应性和较高的全局极小搜索效率【5 6 1 ，并将它用于分子间相互作用能 量函数的全局最小化( ”】。 随机算法的主要缺点是需要在充分探索能量地形后才能找到全局极小，因 而计算量大，解析算法属于确定性算法，需要计算计分函数的导数甚至更复杂 的解析计算，其突出优点是速度快。近来引起特别注意的势能平滑搜索算法 ( p o t e n t i a ls m o o t h i n gs e a r c h ，p s s ) ”4 q ，在对接问题中已有可喜进展 6 0 l 。p s s 算法 的关键是平滑方案，由于实际问题都是多维的，所以不能采用数值平滑方法。 一个可行的平滑方案必须能够必须有比较简单便于计算的解析表达式。平滑方 案可以有多种【6 1 1 ，但物理意义清晰且计算效果好的是平滑积分变换 6 2 - 6 3 1 ，以这 类平滑方案为基础的p s s 算法已应用于对接问题m ，6 0 , “1 ，并取得了很好的计算 里型堂垫查查兰堡主堂垡婆塞 结果。目前主要问题有：平滑方案的改进，平滑后的势能函数解析计算困难， 极小追踪技术的改进等。 尽管使用全局最优化方法进行分子对接已经有了实质性的进展，算法性能 与药物设计的要求之间的距离已显著缩小，寻找便于计算的计分函数更好地近 似系统自由能，以及进一步改进优化算法，提高搜索效率，使得算法能够考虑 更多的柔性，仍是该领域的重要课题。 1 3 环糊精与客体分子相互作用的计算机模拟研究 近年来，随着计算机软硬件的迅速发展，各种计算化学方法用于环糊精和 客体分子相互作用的计算机模拟研究呈上升趋势。它们一般采用分子对接方法， 搜索包结物的最稳定结构，并计算其包结自由能，然后通过分析各能量项的值， 预测包结物的主要驱动力和结构稳定性，并将它们用于环糊精对客体分子的识 别研究。环糊精对客体分子的识别研究，对于基于结构的药物设计、蛋白质一 配体和酶和底物的分子识别研究都具有很大参考作用，因此理论研究环糊精和 客体分子的识别研究具有十分重要的意义。下面我们将对文献报道的环糊精对 客体分子的识别作用的计算机模拟研究作一个简单的介绍。 1 3 1 环糊精对客体分子的分子识别作用的模拟 由于环糊精主客体系的分子识别对于环糊精在分离科学、药物载体和食品 等领域的应用都具有一定的指导作用，因此对环糊精的分子识别机理研究很有 必要。近年来，随着各种计算化学软件的成熟，各种计算化学方法用于环糊精 主客体系的分子识别研究也越来越普遍。 t a b u s h i 和m i z u t a n i 6 5 1 将包结物驱动力划分成极性作用( 静电作用) 和非极 性( 色散力) 两类来研究分子识别过程中主要作用力的性质。其研究对象为对 硝基苯酚和对碘苯胺分子与a c d 形成的包结物，其相互作用能的计算是通过一 个经验力场进行计算的。通过结果分析发现范德华相互作用在上述两种包结物 中为主要作用力。但是在带有电荷的环糊精分子与带有相反电荷的客体小分子 之间形成的包结物中，库仑相互作用为包结物形成的主要作用力。并且发现在 中性环糊精与中性客体小分子之间形成的包结物中，即使它们都带有极性基团， 其主要作用力仍然是色散力而不是静电相互作用。关于这一点仍然存在着一些 8 主旦型兰垫苎查皇墅兰兰堡垒兰 争论。t a b u s h i 和m i z u t a i l i 还特地设计实验证实在包结物形成过程中补偿熵值的 改变。特别强调的是由于客体分子在环糊精腔内的自由度减少，从而会导致体 系熵值的降低。 也有论文将实验与理论相结合，研究取代基的体积大小、所带的电荷、极 性大小和疏水性常数大小等方面对主客体系分子识别的影响，从中确定哪些因 素为包结物形成的主要作用力。例如e l i s e e v 和s c h n e i d e r r “l 对核苷酸、核苷以 及糖与氨基取代环糊精分子之间的分子识别研究，阐明不但盐键而且亲脂性相 互作用能够导致它们的同时识别。其中包括有：磷酸基团的特性和位置的相互 识别：核苷碱基参与其相互识别；呋喃环上有无羟基对其识别也有影响。分子 力场计算不仅能描述分子内氢键的数目与类型，而且也能说明为什么盐键作用 要比预想的要小。 对于环糊精和药物分子激发态的研究，分子力学模拟则很难胜任。因此郭 庆祥【6 7 1 等将一种量子化学计算用于环糊精和基态和激发态的吨酮( 种杀虫刺) 的分子识别研究，采用p m 3 进行了量化计算，计算结果表明：基态的吨酮和环 糊精形成的包结物比激发态的吨酮要稳定得多。此外，b e a t 6 8 1 等用各种计算化学 方法对环糊精的衍生物进行分子识别研究，包括分子动力学( m d ) 、自由能微扰 ( f e e ) 、分子力学( m m ) 和泊松一玻尔兹曼表面积目标方法( p b s a ) 。发现分子识别 的主要影响因素为客体分子的疏水性，并且各客体分子的最低能量与实验趋势 相一致，表明以上各种计算化学方法均可用于分子识别的理论研究。 1 3 2 用于环糊精对客体分子的手性识别作用的模拟 为了进一步扩大环糊精在手性分离方面的应用，手性识别机理的研究也逐 渐受到了人们的重视。如k a n o l 6 9 - 7 7 1 等应用1 hn m r 和毛细电泳分离方法对环糊精 和手性客体分子的手性识别机理作了大量的研究。而i n o u ey 1 7 “7 ”等则采用热力 学方法对环糊精和各种客体分子的手性识别机制作了探讨。除了以上的实验研 究以外，随着计算机软硬件的发展，用计算化学方法对环糊精和客体分子的手 性识别研究也呈上升趋势。 如f o t i a d u ，f a t h a l l a h 和j a i m e t s o j 等用分子力学方法计算了顺式萘烷的两个光 学异构体与b c d 相互作用的结合自由能，其相对结合自由能与早期的d o d z i u k 的核磁共振研究结果相一致【8 l 】。但b l a c k t ”1 等用i n s i g h t d i s c o v e r 刚性对接松萜 9 ! 里型兰垫查盔兰堡圭兰堡丝茎 和环糊精衍生物研究中，发现五组客体分子中有组分子的最低能量与实验结 果 8 3 1 不一致，分析原因，可能是体系的构象变化对手性识别存在着影响。 除了用分子力学进行手性识别研究以外，其它的计算化学方法，如分子动 力学、蒙特卡罗方法和自由能微扰等也被用于环糊精的手性识别研究中。如 a m a t o 等用分子力学和分子动力学两种方式对p c d 与药物c 1 9 3 3 的手性识别作 了研究1 8 4 1 ，并对计算得到的能量和结构进行了比较，为环糊精分离手性药物分 子提供了理论依据。此外，s a l v a t i e r r a t 8 5 】等用分子动力学( m d ) 和自由能微扰( f e v ) 方法对环糊精和客体分子进行了手性识别研究，计算的结果和n m r 实验相一 致。而k i m “1 等用蒙特卡罗( m c ) 和分子动力学( m d ) 对环糊精和一种治疗心绞痛 的药心得安( p r o p r a n o l 0 1 ) 的手性识别进行了理论研究，通过分析异构体的能量差 异，和实验结果比较，得出m c 和m d 均能用于手性识别的理论研究。 从文献报道可知，l i p k o w i t z t 8 7 - 9 3 1 等对环糊精的分子识别机制进行了大量的 实验和理论研究。如其中一篇文献报道9 1 】将全一甲基一d 环糊精用作气相色谱的固 相成分对手性物质进行分离，然后用刚性的蒙特卡罗随机取样与柔性分子动力 学技术进行了模拟，发现刚性结构不能很好地预测保留时间的顺序。他们把这 种现象解释成是因为在主客体相互作用过程中结构的相互诱导契合，不仅能 加强包结物的形成，而且能够确定手性的识别。另一篇文献f 9 2 1 对全甲基一b 环糊 精和五个手性客体分子作了分子动力学模拟，在此基础上对客体分子的包结位 置、包结驱动力、手性识别的主要因素和最大的手性识别区域作了详细的讨论 和分析，提出了最大手性识别原则，为实验研究提供一定的理论依据。 1 4 研究内容和研究前景 在本文中我们将引进一种柔性对接算法研究环糊精和客体分子的识别机理 研究。该柔性对接算法将我们以前自行研制的全局优化算法，即快速退火演化 算法f a e a ，和一种局部优化算法l b f g s 算法相结合，同时还引进了一种快速 而高效的隐性溶剂模型用于模拟溶剂化效应。在该柔性分子对接中，不仅考虑 了客体分子在环糊精腔内的几何取向和空间取向变化，还考虑体系的构象变化 即包结过程中的分子的键长、键角和二面角的变化。 本文首先将该算法应用于环糊精和胆汁酸的结构稳定性预测，并和我们以 前所用的刚性对接作了比较，计算结果表明：以前的刚性对接已不再适合环糊 1 0 ! 里型堂垫查查兰堡主兰丝丝塞 精和分子量较大且柔性较强的客体分子的包结结构预测，而我们的柔性对接优 化的结构则和实验预测的结构一致。在此基础上，本文将该算法进一步用于环 糊精和甾类化合物的研究，发现优化得到的最低能量和实验包结常数具有很好 的线性关系，并且环糊精对结构相似的甾类化合物具有很好的手性识别功能。 为了更深x # i j t 解环糊精和客体分子的识别机理，本文还将该算法应用与环糊精 和氨基酸及苯的衍生物的手性识别研究，分析各个能量项得出静电作用能可能 为手性识别的主要因素。计算结果不仅预测了环糊精对客体分子的包结和手性 识别能力，而且还对其作用机制提供了理论分析。 环糊精由于结构上的特殊性能，可以包结大量的有机客体分子，其用途也 越来越广泛。其中最吸引人的地方在于环糊精和药物小分子的相互作用，环