（工程力学专业论文）烟碱样乙酰胆碱受体门控机制的动力学研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 自从2 0 世纪7 0 年代，分子动力学模拟首次在蛋白质分子应用以来，尤其在生物科 学领域变得越来越普遍。它提供了一种用计算机在原子水平上动态地研究分子内和分子 间反应的途径。直到今天，不仅是模拟体系的规模一直在快速增长，而且分子动力学方 法本身也一直在发展。例如，拉伸分子动力学( s t e e r e dm o l e c u l a rd y n a m i c s ，s m d ) 作为 分子动力学的一个分支，2 0 世纪9 0 年代以来在研究配体的结合解离过程中起到了重要 的作用。在本文中共有三部分的工作。首先，用长时间( 3 0 纳秒) 的常规分子动力学模 拟了探索烟碱样乙酰胆碱受体( n i c o t i n i ca c e t y l c h o l i n er e c e p t o r ，n a c h r ) 的门控机制，并 且我们发展了一种新的方法一一拉伸转动分子动力学( s t e e r e dr o t a t i o nm o l e c u l a r d y n a m i c s ，s r m d ) ，来模拟在生理时程里发生的运动。接着，为了进一步研究在上面工 作中揭示的烟碱样乙酰胆碱受体( h a c h r ) 的细胞外结构区域转动的成因，我们使用自 己设计的三个拉伸模型，分别使用拉伸分子动力学在可以作为烟碱样乙酰胆碱受体 ( n a c h r ) 的细胞外结构区域的唯一替代物的乙酰胆碱结合蛋白( a c e t y l c h o l i n eb i n d i n g p r o t e i n , a c l l b p ) 上模拟研究。最后，我们提出了一种改进的拉伸分子动力学方法，并 应用在解离细胞色素p 4 5 03 a 4 - 甲吡酮的复合物上，比较结果显示优于传统的拉伸分子 动力学方法。 论文由五个部分组成，概述如下： 第一章概述了分子动力学理论和配体门控离子通道( 1 i g a n d g a t e di o nc h a n n e l ) 的发 展现状和基本概念。此外，也简要地陈述了本文的主要工作和发现。 第二章作为预备知识，介绍了分子动力学的理论和应用。首先是回顾了分子动力学 的简史，并提到了牛顿方程、原子间势函数和有限差分算法。拉伸分子动力学和自由能 对计算也包括在这一章中。接着总结了使用和发展分子动力学的原因，并且对力场和算 法的进展都做了介绍。在这一章的最后部分，回顾了在生物科学领域内分子动力学已取 得的成果，并展望了在生物大分子模拟中分子动力学的前景。 烟碱样乙酰胆碱受体( n a c h r ) 是在中枢神经系统和外围突触中信号传导的关键分 子。虽然已经对它做了大量计算研究和实验研究，但是仍然不清楚它在门控机制下的结 构的动态变化。在第三章中我们对嵌入在磷脂双层分子和水分子的烟碱样乙酰胆碱受 体，使用了常规分子动力学模拟和拉伸转动分子动力学模拟，来研究它的门控的力学基 础。为了模仿乙酰胆碱( a c h ) 的推动作用，我们提出并使用了一种非平衡的分子动力 学模拟拉伸转动分子动力学。结果不仅证实了由3 0 纳秒的常规分子动力学和正态 模式分析所得到的运动，还显示出通道可能经历着一种张开一闭合的运动。分子动力学 烟碱样乙酰胆碱受体门控机制的动力学研究 模拟不仅探究了在门控过程中受体的结构的动态变化，而且在原子水平上对乙酰胆碱受 体的门控机制提供了新的观察。 配体的结合解离过程对于理解烟碱样乙酰胆碱受体( n a c h r ) 和乙酰胆碱结合蛋 白( a c h b p ) 的药理学作用都很重要。在第四章中，拉伸分子动力学模拟来提供了了解 激动剂尼古丁分子的解离过程。三个不同的拉伸模型径向、切向和混合模型，被设 计用来寻找可能的解离途径。在这三个模型中，切向拉伸模型最终也没使尼古丁从配体 结合口袋中解离。混合拉伸模型比起切向拉伸模型，拉伸作用力的效率高，c 1 0 0 p 的张 开程度小。对于类胆碱的激动剂尼古丁来说，进入或离开结合口袋的最合适的途径就是 沿一条曲线的轨迹穿过主结合侧面。需要指出的是，已经观察到了尼古丁的解离伴随着 蛋白一配体的复合物的一种整体转动，这可能由配体和蛋白在切向上相互作用引起的。 第五章是本文最后一章。在这一章中，一种带有拉伸方向优化的拉伸分子动力学方 法被用来从受体中解离配体小分子。使用基于信息熵的多种群遗传算法来搜索最优的拉 伸方向。通过在传统的拉伸分子动力学模拟中加入一个优化阶段，对于深埋的活性位点 可以得到一个更好的底物出口通道。新方法应用在细胞色素p 4 5 03 a 4 - 甲吡酮的复合物 的解离上，结果显示比传统的方法，得到的通道具有更低的能垒、需要更少的解离时间 和更短的运动轨迹；甚至对于传统方法不能解离的拉伸方向，新方法通过优化和调整也 可以找到一个合理的出口。 关键词：分子动力学；拉伸分子动力学；配体门控离子通道；方向优化 大连理工大学博士学位论文 d y n a m i c sr e s e a r c ho nt h eg a t i n gm e c h a n i s mo f n i c o t i n i ca c e t y l c h o l i n e r e c e p t o r a b s t r a c t s i n c em o l e c u l a rd y n a m i c sm 仍) m e t h o dw a sf i r s tp e r f o r m e do nt h ep r o t e i nm o l e c u l ei n 19 7 0 s m ds i m u l a t i o nh a sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a ri nb i o l o g i c a ls c i e n c ef i e l d s p a r t i c u l a l l y i tp r o v i d e saw a yi n s i l i c ot os t u d yt h ei n t r a - a n di n t e r m o l e c u l a rr e a c t i o n d y n a m i c a l l ya ta t o m i cl e v e l t od a t en o to n l yt h es c a l eo fs i m u l a t i o ns y s t e mk e e p si n c r e a s i n g r a p i d l y ，b u ta l s ot h ed e v e l o p m e n t sh a v eb e e ng a i n e di nm dm e t h o di t s e l f f o re x a m p l e ， s t e e r e dm o l e c u l a rd y n a m i c s ( s m d ) a sab r a n c ho fm d p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h er e s e a r c h o fl i g a n db i n d i n g u n b i n d i n gp r o c e s sa f t e rt h el a t e19 9 0 s t h e r ea r et h r e er e l a t e dw o r k i n g s p r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y t h em e c h a n i s mo ft h en i c o t i n i ca c e t y l c h o l i n er e c e p t o r ( n a c h r ) g a t i n gi si n v e s t i g a t e db yal o n g - t i m e ( 3 0 - n s ) c o n v e n t i o n a lm d ( c m d ) s i m u l a t i o n f u r t h e r m o r e ，t oa d d r e s st h em o t i o n so c c u r r e di nt h ep h y s i o l o g yt i m e s c a l ean o v e ls t e e r e d r o t a t i o nm d ( s i u 压d ) i sd e v e l o p e d s e c o n d y ，t of u r t h e rs t u d yt h ec a u s eo fr o t a t i o no ft h e n a c h re x t r a c e l l u l a r ( e c ) d o m a i nr e v e a l e di nt h ep r e v i 0 u sw o r k , s m ds i m u l a t i o n sa r e c a r r i e do u tt ot h ea c e t y l c h o l i n eb i n d i n gp r o t e i n ( a c h b p ) ，w h i c hi sa nu n i q u es u r r o g a t ef o rt h e e cd o m a i no fn a c h r , u s i n gt h r e ep u l l i n gm o d e l sd e s i g n e db yu s ，r e s p e c t i v e l y a tl a s t , a n i m p r o v e ds m dm e t h o di sp r o p o s e da n dac o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec o n v e n t i o n a ls m da n dt h e i m p r o v e ds m d r e v e a l st h ea d v a n t a g e so ft h el a t t e rb ya p p l y i n gt od i s s o c i a t et h ec y t o c h r o m e p 4 5 03 a 4 m e t y r a p o n ec o m p l e x t h ed i s s e r t a t i o ni sm a d eu po ff i v ec h a p t e r s w h i c hi ss u m m a r i z e d 硒f o l l o w s ： i nc h a p t e ri ，t h ea c t u a l i t ya n db a s i cc o n c e p t so fm dm e t h o d ，蹈w e l la sl i g a n d - 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l i g a n dc o m p l e xw h i c hc o u l db cc a l l s e db yt h ei n t e r a c t i o n so ft h e l i g a n dw i t hp r o t e i na tt h et a n g e n td i r e c t i o n 。 i n c h a p t e rv a st h ef i n i a lc h a p t e r , a l li m p r o v e ds m dm e t h o dw i t hd i r e c f i o n o p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e dt od i s s o c i a t el i g a n dm o l e c u l ef r o mr e c e p t o r am u l t i p o p u l a t i o n g e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do nt h ei n f o r m a t i o ne n t r o p yi sd e v e l o p e dt os e a r c ht h eo p t i m a lp u l l i n g d i r e c t i o n b yi m p o s i n ga no p t i m i z a t i o np h a s ei nt h ec o n v e n t i o n a ls m ds i m u l a t i o n , ab e t t e r s u b s t r a t e e x i tc h a n n e lf o rt h eb u r i e da c t i v es i t ec a l lb ef o u n d n 圮n o v e ls i m u l a t i o nm e t h o d h a sb e e nu s e dt od i s s o c i a t et h es u b s t r a t e b o u n dc o m p l e xs t r u c t u r eo fc y t o c h r o m ep 4 5 0 3 a 4 一m e t y r a p o n e n er e s u l t ss h o wt h a tt h en e wp a t h w a yo b t a i n e db yt h ep r o p o s e dm e t h o d h a sa d v a n t a g e ss u c ha sl o w e re n e r g yb a r r i e r ，l e s sd i s s o c i a t i o nt i m ea n ds h o r t e rm o t i o n t r a j e c t o r yt h a nt h a tb yt h ec o n v e n t i o n a ls m d a d d i t i o n a l l y t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h e m e t h o dc a nd i s s o c i a t es u c c e s s f u l l ye v e na l o n ga r e j e c t e dd i r e c t i o n k e yw o r d s ：m o l e c u l a rd y n a m i c s ；s t e e r e dm o l e c u l a rd y n a m i c s ；l i g a n d - g a t e di o nc h a n n e l ； d i r e c t i o no p t i m i z a t i o n i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定升，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文 作者签名： 导师签名： 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 引言 分子力学( m o l e c u l a rm e c h a n i c s ，m m ) 是依据经典力学( c l a s s i c a lm e c h a n i c s ) 用简 单势能函数，例如简谐振荡或库仑势函数，来构建分子系统的模型，计算中将电子的运 动忽略，根据分子的力场( f o r c ef i e l d ) 计算分子的各种性质。计算机模拟方法 ( c o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o nm e t h o d ) 中的蒙特卡罗法( m o n t ec a r l om e t h o d ，m c ) 和分子 动力学方法( m o l e e u l a rd y n a m i c sm e t h o d ，m d ) 都采用的是这种非量子计算的分子力学 方法。【1 ，2 1 分子动力学方法最初是由理论物理学家们在上个世纪5 0 年代提出来的。和蒙特卡 罗法相比，分子动力学方法模拟的系统中不仅粒子的运动有正确的物理意义，并且可以 得到蒙特卡罗法模拟无法得到的粒子的速度信息，进而可以给出系统动态的变化和热力 学性质，所以分子动力学方法得到了广泛地应用。随着分子动力学方法的许多计算方法 的改进和计算机计算能力的提升，分子动力学方法无论在研究的对象的大小上，还是在 模拟的时间尺度上，都发生了翻天覆地的变化【3 】。最初的模拟只涉及真空里的单个分子， 比如原始的牛胰岛素抑制剂模拟只包含大约5 0 0 个原子【4 ，5 】，而今天模拟一个有10 4 一1 0 6 个原子的体系是很稀松平常的，并且，模拟的目标正从研究分子和超分子体系向细胞水 平发展。目前已经开始用分子动力学方法模拟蛋白质聚合物等复杂生物体系，如对乙酰 胆碱受体【6 ，7 1 、a t p 合酶【8 】和核糖体等构象变化进行分子动力学模拟；另一方面，最初 的牛胰岛素模拟时间尺度也只有9 2 皮秒，而现在的模拟中仅例行的所谓平衡过程的预 处理就远远超过这个时间，一般的模拟时间尺度都是在1 0 纳秒的数量级上，甚至在1 9 9 8 年报道了对蛋白质折叠途径的微秒级的分子动力学模拟【9 】。时至今日，分子动力学模拟 作为一种常规的手段已经得到广泛地使用，尤其是在材料科学【1 0 ，1 1 1 和生物物理【1 2 1 3 】领域 内。 烟碱样乙酰胆碱受体是配体门控离子通道家族中最具有代表性的，也是研究得最多 的一个蛋白，由于受限于当前的实验手段，虽然已经得到受体的一些结构信息，对配体 门控机制的过程也有所了解【1 4 】，但是还不能在原子水平上揭示配体门控机制的动态过 程，进而逼真地再现这个复杂生理过程的时间演变图像，阐明配体和受体的结合与解离 作用是怎么控制离子通道的开合运动的。用分子动力学方法模拟乙酰胆碱受体的动态的 构象变化，以及用拉伸分子动力学方法模拟配体分子从受体的结合结构区域中解离的过 程，都在研究配体门控离子通道机制中发挥了重要作用。 烟碱样乙酰胆碱受体门控机制的动力学研究 1 2 分子动力学原理和发展现状 分子动力学是在分子力学基础上描述分子运动时间演化的方法，属于经典力学的范 畴。按照量子力学理论，一个分子体系及其动力学特征可以用时间依赖的薛定谔方程表 示，能量是由每个粒子( 电子和原子核) 的动能项和各粒子之间相互作用的势能项组成。 由于电子质量比原子核的质量小的多，因而运动速度要快得多，所以在实际应用中往往 采用b o r n o p p e n h e i m e r 近似【1 5 j ，把电子运动和核的运动分开来处理。但对于成百上千 个原子的生物大分子体系，目前还不能有效处理电子的运动。更进一步的简化是把复杂 的分子体系看作是在有效势场( 也称势能面，p o t e n t i a le n e r g ys u r f a c e ) 中质点的运动， 所有电子的运动以及电子运动对核运动的影响都被忽略。这样就可以用经典力学来描述 每个原子的运动。 经典分子动力学模拟是利用牛顿力学基本原理，体系里的所有粒子都遵循牛顿运动 方程，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粒子的各种性质。 分子动力学的基本思想是根据分子的势能函数，得到作用在每个原子上的力，利用牛顿 第二定律求解运动方程，得到原子在势能面上的运动轨迹。分子动力学中的运动方程可 以表示如下： a 2 一 m ，苦= m i 磊= e = 一v f v ( 1 1 ) 仞 上式中，m ，为一个包含个原子的体系内任一原子f 的质量；亏为位置矢量；霞为施加 在原子f 上所受力；矿为整个体系的势能函数( 简称势函数) 。 以广泛应用的c h a r m m 2 2 力场【1 6 ，1 7 1 为例，势能函数矿可分解为键伸缩振动势 v b o d 、u r e y b r a d l e y 势、键角弯折势础、二面角旋转势删、非正常二面角势， 和非键相互作用势砷训等之和： y 【r ) = 圪鲥+ k 忉一占胜柳+ k 咄+ k 胁砌谢+ k + k 肼删 = x d ( d - d o ) 2 + k “8 ( s = s o ) 2 + k o ( 0 - 0 0 ) 2 + ，。乏，k z ( 1 + e o s ( n x 一6 ) ) + e k ( 9 一) 2 ( 1 2 ) + 五州( 等 1 2 - ( 等) 6 + 嚣 其中训用谐振势函数和m o r s e 势函数模拟； 可以用f o u r i e r 级数模拟，其中甩为势垒周期， 一2 一 咖也可以用谐振势函数表征；虼龇删 z 为二面角，硝相位差；只有在需要和 大连理工大学博士学位论文 可观测的振动频谱做拟合时才考虑u r e y b r a d l e y 和k 这两项；非键相互作用砌o n d 可分解为范德华相互作用( 可用l e n n a r d j o n e s 公式表示) 和静电相互作用( 可用库仑 相互作用势表示) 。c h a r m m 力场适用于各种分子性质粒子的计算和模拟，包括结构 的计算、相互作用能和构象能、局部极小、旋转势垒、时间相关的动力学行为、自由能 以及振动频率等。它对于从孤立的小分子到溶剂化的生物大分子的各种模拟体系都可以 给出较好的结果，但是不适用于有机金属配合物。【l 8 j 初始模拟时，体系中原子位置由蛋白质或其他生物大分子晶体结构中坐标给出，根 据原子位置可由方程1 2 计算体系的势能，而原子所受的力又可以通过方程1 1 计算得 到。原子的初始速度依赖体系的初始温度，可以根据波尔兹曼分布赋值。运用牛顿第一 运动方程可以计算得到原子下一时刻的新速度和新位置，然后重复这一过程，使体系随 着时间的推演，从而得到体系随时间变化的相空间轨迹。因此，分子动力学模拟可以提 供单个粒子随时间变化的最基本的细节，它们可以用来描述关于模型体系性质的特定问 题，而且往往比实验容易实现。 分子动力学模拟广泛地应用于获取蛋白质和其它生物大分子的构象随时间演化的 信息【1 2 】，以及动力学和热力学的信息。在结构生物化学、生物物理、酶学、分子生物学、 药物化学和生物工艺学等领域有着广泛的应用。此外，分子动力学模拟还可以描述体系 的平衡状态，如检测生物大分子结构的稳定性【1 9 1 、计算体系的自由能差值【2 0 】等。最后， 分子动力学模拟还可以用于研究分子设计( 药物设计 2 0 , 2 1 】和蛋白质设计t ：2 , 2 3 1 ) 和结构测 定和精修( x 射线【2 1 1 、核磁共振【冽和建模 2 3 1 ) 。 随着时间的发展，有关分子动力学模拟的文献报道的数量保持着增长。i s iw e bf o r s c i e n c e 的数据显示，在2 0 0 6 年有大约有6 , 2 3 3 篇直接涉及分子动力学的文献。从1 9 9 0 年起至2 0 0 6 年的统计数据如图1 1 所示。 烟碱样乙酰胆碱受体门控机制的动力学研究 6 ，0 0 0 5 ，0 0 0 4 0 0 0 籁 3 ，0 0 0 濮 2 0 0 0 1 0 o 1 9 9 01 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 7 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 2 0 0 52 0 0 6 年份 图1 1 在i s iw e bo fs c i e n c e 上按“t s = ( “m o l e c u l a rd y n a m i c s ，) ”检索到的文章篇数。 f i g 1 1 a r t i c l e sm a t c h i n gi s iw e bo fs c i e n c eq u e r y “t s = ( “m o l e c u l a rd y n a m i c s ，) ” 此外，对于分子不同的运动行为，模拟需要的时间尺度也是不同的。以蛋白质分子 的运动为例，在表1 1 中列出了特征时间尺度。为了研究分子的各种运动，除了常规分 子动力学模拟外，拉伸分子动力学( s t e e r e dm o l e c u l a rd y n a m i c s ，s m d ) 2 7 - 2 9 、靶向分子 动力学( t a r g e t e dm o l e c u l a rd y n a m i c s ，t m d ) 3 0 - 3 2 j 、主成分分子动力学( e s s e n t i a ld y n a m i c s ， e d ) 2 4 】和构象涨跃方法( c o n f o r m a t i o n a lf l o o d i n gm e t h o d ) 2 5 】等模拟方法中通过引入外 力和减少蛋白质构象空间自由度等策略，使模拟的时间范围比常规分子动力学宽，因而 可以模拟配体和受体结合、蛋白质的折叠和去折叠等生物现象。 表1 1蛋白质分子运动的特征时间尺度【3 】 t a b 1 1c h a r a c t e f i s t i ct i m es c a l e sf o rp r o t e i nm o t i o n s p l 事件空间范围( 纳米)运动幅度( 纳米) 时间( 秒) 键长振动0 2 0 5 0 0 0 14 ) o l10 1 4 - 10 q 3 箩：球袄结构区域的弹挂振动霉i 瀑一i 、o 2 菇麓i 鬟霎i 鬻i i j o ：0 0 5 - o 西i 雾薹囊j 话1 2 i 矿i 鬈 。暴露在溶剂童的侧链的转劫“。“2 j = “j 5 1 舻一“一o 5 1 o 1 0 。1 1 1 0 - 1 0 鬣毫奥璺集群的垫转撼蓬囊i 薹嚣囊事? 弹薹鬟薹翼蔑| 1 ，：o i o s 。：i i ! i 霾l 鬈! ：知d 。：蛾薹 铰链弯曲i 0 - 2 0 0 0 - 0 51 0 1 1 1 0 。7 匿；挚藏夸内奔的侧链印抟趋；菱霾霾鼍够薹荔嚣餮霪鍪萋哆j i ? i 薹鋈篓鋈j 一粤鍪 构象变化 0 5 - 4 00 1 0 5 1 0 - 5 - 1 霪鍪蒌嫠麴势萼避! 琵薰强妻? i 蘸鬟篓鬻缒麴薹誊篱鬣。i l i l o 5 一i 熊蠢 一4 一 大连理工大学博士学位论文 环的运动1 0 5 01 0 - 5 0 1 0 - 9 1 0 。5 鬟鬟蒸镖旋的刚体鑫劫i 羲囊溪嚣荔囊囊磊囊囊i i 囊i 溪，碧徊3 李毳! i 囊；塑6 拳，j 哆蠹j 螺旋一卷曲的转变 5 01 0 - 7 - 1 0 4 匿鍪兰皇壁垒= 蒌薹篓登塑鳖薹蒌銎嚣銎薹薹蒌薹薹鋈 1 3 配体门控离子通道 细胞膜上的离子通道主要分为三种：电压驱动式( v o l t a g e g a t e d ) 、配体驱动式 ( l i g a n d g a t e d ) 和机械驱动式( m e c h a n i c a l g a t e d ) 。 一些可以和生物大分子通过范德华作用和静电作用这些非键作用而结合的小分子 或离子叫做配体( 1 i g a n d ) ，对应的生物大分子叫受体( r e c e p t o r ) ，受体因结合或释放 配体而开放或闭合离子通道就是配体门控离子通道。在配体门控离子通道受体的类型 中，离子通道是整个受体的一部分，位于受体的跨膜结构区域。离子通道的作用是允许 离子流过细胞膜，特定的离子通道有钠、钾、钙和氯离子通道。因为许多酶催化反应依 赖于离子的浓度，没有离子通道，离子不能通过脂溶性的细胞膜，这将对细胞产生损坏 作用。然而离子通道不能永久地开放，因为任意地让离子通过细胞膜可能会产生无任何 离子通过细胞膜一样的破坏作用。离子通道通常情况下是关闭的，只有在收到信号时才 开放。 在静止的状态下( r e s t i n g ) ，离子通道是关闭的，受体的结合位点未被占据。开启 离子通道的信号来自配体分子，配体分子与受体的结合，就会引起受体构象的变化。这 种构象的变化是类似多米诺骨牌效应的开端，这种效应会传遍整个离子通道。一旦配体 与受体结合，导致通道的开放，然后，离子便可以经通道流入。这时，受体处于一种活 化的状态( e x c i t e d ) 。当配体与受体解离时，受体和离子通道回复原来的构象，阻断离 子的流动。因此，整个过程是由配体引发的，其作用是打开隐藏离子通道的“大门”， 这种受体被称作配体门控离子通道受体。 1 4 , 2 6 1 4 分子动力学模拟离子通道门控机制 电信号为神经功能所必需，它们由离子通过细胞膜水相孔道的流动所传递，这些由 跨膜蛋白所形成的孔道即离子通道。离子通道主要有以下三个特征：不同激活模式调节 其开放和关闭( 门控) ，电压依赖性通道开放和关闭的频率取决于膜电位，这类通道的 典型例子是钾离子通道；另一类通道( 如烟碱样乙酰胆碱受体) 的门控则受神经递质或 细胞内信使的调控；具有明显的选择性，存在阳离子通道和阴离子通道；离子通过方式 不同，一种是以单纯扩散的方式，另一种是离子和通道内的结合位点相互作用，从一点 烟碱样乙酰胆碱受体门控机制的动力学研究 到另一点以跳跃的方式通过通道。相应地分子动力学模拟对离子通道的研究也主要集中 在这几方面：研究离子通道开放和关闭的构象变化；研究离子通道的离子选择性以及离 子通过通道的时间和方式；研究离子通道的药理学性质，对能阻滞通道( 阻滞剂) 或者 影响通道其他性质的各种化合物与离子通道作用模式进行研究。【2 7 】下面主要介绍分子动 力学模拟烟碱样乙酰胆碱受体离子通道，其他离子通道的模拟参见s a n s o m 和t i e l e m a n 两个研究小组的网站( h t t p ：i n d i 9 0 1 b i o p o x , a c u k 一和h t t p ：m o o s 金b i o , u c a l g a r y c a ) 。 烟碱样乙酰胆碱受体( n i c o t i n i ca c e t y l c h o l i n er e c e p t o r ，n a c h r ) 是一类分子动力学模 拟研究较多的离子通道，也是本篇论文中第三章的研究对象。烟碱样乙酰胆碱受体的结 构信息主要来自u n w i n 等的电镜研列2 8 ，2 9 1 ，一直到2 0 0 3 年m i y a z a w a 等才得到烟碱样 乙酰胆碱受体的跨膜通道的电镜结构( 但是分辨率较低，4 0a ) 【3 0 】。所以，在此之前 主要是对烟碱样乙酰胆碱受体跨膜通道中的m 2 跨膜螺旋或者相似模型的分子动力学模 拟。l a w 等对单个m 2 和m 2 五聚体分别在水溶液中和p o p c ( 1 - p a l m i t o y l 一2 o l e o y l s 刀一g l y c e r o l - 3 一p h o s p h a t i d y l c h o l i n e ) 磷脂双层中进行了短时间的模 拟( 少于5 纳秒)