（微生物与生化药学专业论文）小分子肽抑制血管紧张素转化酶的分子动力学模拟研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 r 9 学科分类号 3 5 0 2 5 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 1 2 4 0 密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名周敏学号 2 0 0 8 0 0 1 2 4 0 获学位专业名称微生物与生化药学获学位专业代码 1 0 0 7 0 5 课题来源自选研究方向分子动力学模拟 论文题目小分子肽抑制血管紧张素转化酶的分子动力学模拟研究 关键词血管紧张素转化酶 抑制剂 动力学模拟 高斯 r e s p 论文答辩日期 2 0 1 1 一0 5 2 4 论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 冯嵬教授北京化工大学生物化工 评阅人l马淑兰 副教授 北京师范大学无机化学 评阅人2张泽廷 教授 北京化工大学化学工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员会蛳 谭天伟 教授北京化工大学生物化工 答辩委员l苏海佳教授北京化工大学生物材料 答辩委员2罗施中副教授北京化工大学生物化工 答辩委员3 邓利 副教授北京化工大学生物催化 答辩委员4张栩副教授北京化工大学生物化工 答辩委员5 注 一 论文类型 1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二 中图分类号在 中国图书资料分类法 查询 三 学科分类号在中华人民共和国国家标准 g b t1 3 7 4 5 9 学科分类与代码 中 查询 四 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 伽舢 y 18 7 7 7 6 7 小分子肽抑制血管紧张素转化酶的分子动力学模拟研究 摘要 血管紧张素转化酶是一种外肽酶 主要功能有以下两个 催化血 管紧张素i 转化为血管紧张素i i 和使缓激肽失活 血管紧张素转化酶 因这两种功能而成为治疗高血压 心力衰竭 2 型糖尿病和糖尿病肾 病等疾病的理想靶点 血管紧张素转化酶抑制剂能减少血管紧张素i i 的生成 并增加缓激肽的活性 本课题采用分子动力学的方法模拟了三种抑制剂分别在血管紧 张素转化酶两个结构域中的动力学过程 主要分为以下三个方面 1 蛋白质大分子的预处理及小分子的产生 优化及对接 由于 结晶结构某些残基以及某些残基的原子缺失 因此采用了 s w i s s p d b v i e w e r 分别对血管紧张素转化酶的两个结构域进行了预处理 三种抑制剂均为多肽l k p i k p l 心 由l e u i l e l y s a l a p r o 等氨基酸构成 小分子由p r o d r g 2 服务器产生 生成的p d b 文件经过g r o m a c s 优化处理后得到最终的动力学模拟初始结构 优化 过程采用9 1 1 1 立场 能量最小化后的小分子抑制剂采用 a u t o d o c k 4 2 对接到蛋白酶的靶位点 活性位点 结果显示这三 种多肽抑制剂均很好地对接到了靶位点 2 蛋白酶活性位点的量化计算 由于血管紧张素转化酶的两个 结构域的活性位点中都含有一个z n 离子 因此使用g a u s s i a n 软件对 i 摘要 与z n 离子形成配合物的蛋白酶活性位点附近的结构进行了量化计算 包括r e s p 电荷的分配 电荷分配的结果与文献中报道的基本一致 3 动力学模拟过程 模拟全过程采用g r o m a c s 4 o 5 对三种 药物六大体系做了2 0 n s 的模拟 模拟结果表明 在模拟过程中对于 n d o m a i n 三种药物 l k p i 时 l a p 与蛋白酶的结合自由能的结果 与实验结果一致 关键词 血管紧张素转化酶 抑制剂 动力学模拟 高斯 r e s p a b s t r a c t s t u d yo na n g i o t e n s i n co n v e r t i n g e n z y m ei n h i b i t o r sb ym o l e c u l a r d y n a m i css i m u l a t i o n a b s t r a c t a n g i o t e n s i n c o n v e r t i n ge n z y m ei s ak i n do fo u t s i d ep e p t i d a s e i t s m a i n如n c t i o n si n d l u c e c a t a l y z i n g c o n v e r s i o no fa n g i o t e n s i nit o a n g i o t e n s i ni ia n dt h ei n a c t i v a t i o no f b r a d y k i n i n ni s a l li d e at a 略e tf o r t h et r e a t m e n to f h p e n e n s i o n h e 缸f a i l u r e t y p e 2d i a b e t e sa n dd i a b e t i c k i d n e yd i s e a s e a n g i o t e n s i n c o i e r t i n ge r 匕e y l n ei n h i b i t o r sc a nr e d u c et h ef o m a t i o no f a n g i o t e n s i ni i 锄di n c r e a s eb r a d 姆n i na c t i v 诹t 1 1 ei m l i b i t o r sh a v eb e e n s t u d i e do nm e i ri n l l i b i t i n ge m c i e n c yb yn l o l e c u l a rd y l l a m i cs i m u l a t i o n m e t h o d n er e s u l t so fb i n d i n ge n e 玛yh a v eb e e ni na c c o r d a n c ew i t ht h e k 0 y w o r d s a i l g i o t e n s i n c o n v e n i n g e i l z y m e i n h i b i t o r s d y l l a m i c s i i n u l a t i o n g a u s s i a n r e s p m 目录 目录 第一章绪论 1 1 1 血管紧张素转化酶简介 1 1 1 1 高血压与血管紧张素转化酶的关系 1 1 1 2 血管紧张素转化酶的结构和类型 2 1 2 血管紧张素转化酶抑制剂 4 1 2 1 常见的血管紧张素转化酶抑制剂及其结构 4 1 2 2 血管紧张素转化酶抑制剂的作用机制 5 1 3 分子对接简介 6 1 3 1 分子对接原理 6 1 3 2a u t o d o c k 简介 7 1 3 3 常用对接软件介绍 9 1 4g a u s s l n 简介 9 1 4 1g a u s s 认n 计算原理 1 0 1 4 2g a u s s l 蝌功能介绍 1 0 1 4 3 常用量化程序介绍 1 0 1 5 分子动力学模拟简介 l l 1 5 1 分子动力学原理 1 l 1 5 2g r o m a c s 简介 1 3 1 5 3 常用的动力学模拟软件 1 5 1 6 本论文研究的主要内容和思路 1 5 第二章蛋白质大分子和多肽抑制剂的预处理及对接过程 1 7 2 1 前言 1 7 2 2 计算方法 1 8 2 2 1 总体方法 1 8 2 2 2 酶的预处理 1 8 2 2 3 小分子的生成与结构优化 1 9 2 2 4 分子对接方法 1 9 2 3 结果和讨论 1 9 2 3 1 酶预处理结果 1 9 2 3 2 分子对接结果 2 l 2 4 结论 2 4 第三章蛋白酶活性位点的量化计算 2 5 3 1 前言 2 5 3 2 计算方法 2 5 3 2 1g a u s s 认n 计算方法 2 5 3 2 2i 迮s p 电荷拟合方法 2 6 3 3 结果与讨论 2 6 3 3 1 活性位点的高斯优化结果 2 6 日录 3 3 2r e s p 电荷拟合结果 2 8 3 3 3 动力学模拟过程中的平均键长 2 9 3 3 4 动力学模拟过程中的平均键角 2 9 3 3 5 动力学模拟过程中键长随时间的变化 3 0 3 3 6 动力学模拟过程中角度随时间的变化 3 0 3 4 结论 3 4 第四章分子动力学模拟 3 5 4 1 前言 3 5 4 2 计算方法 3 6 4 2 1 总体计算方法 3 6 4 2 2 动力学模拟参数设置 3 7 4 2 3 蛋白酶二级结构分析方法 3 7 4 2 4 蛋白酶与抑制剂相互作用能分析方法 3 8 4 2 5 多肽抑制剂与活性位点氨基酸残基的相互作用的分析 3 9 4 3 结果和讨论 3 9 4 3 1 模拟过程中r m s d 的分析 3 9 4 3 2 蛋白酶回转半径的分析 4 2 4 3 3 模拟过程中蛋白酶a 螺旋半径随时间变化的分析 4 3 4 3 4 蛋白质模拟过程中总体二级结构的变化 4 4 4 3 5 蛋白酶与多肽抑制剂的相互作用能 4 8 4 3 6 多肽抑制剂各个氨基酸残基与蛋白酶的相互作用能 4 9 4 3 7 与抑制剂有相互作用的氨基酸残基的分析 5 0 4 4 结论 5 4 第五章结论 5 5 致谢 6 1 研究成果及发表的学术论文 6 3 作者和导师简介 6 5 2 第一章绪论 1 1 血管紧张素转化酶简介 第一章绪论 1 1 1 高血压与血管紧张素转化酶的关系 目前世界上超过数以百万计的人患有高血压 调查显示 这种疾病的患病率 比此前估计的要更高 北美地区2 8 欧洲地区4 4 l 关于高血压的起因目前 仍然不是很清楚 常见的治疗方法有 通过使用利尿剂来减少血容量 使用肾上 腺素阻断剂促使交感紧张 使用血管扩张剂阻止动脉充血 肾素一血管紧张素系统 r a s 是四种体液调节高血压机制中的一种 尽管初 步的研究工作最早可以追溯至1 8 9 8 年 但是直到美国科学家p a g e 的研究小组和 阿根廷的b r a 叽在这个领域做出了开创性的工作后 我们才逐渐了解到这种血压 调节机制的分子基础 2 j 肾素是一种蛋白水解酶 主要由肾脏的近血管球体产生 可以作用于由肝脏 产生的在血液中不断循环的一种a 球蛋白 血管紧张素原 这个过程中产生了血 管紧张素i 血管紧张素i 是一种几乎没有生理活性多肽 由肺部和其他器官分 泌的血管紧张素转化酶 a c e 可以作用于血管紧张素i 使得这个十肽的c 末端 的两个氨基酸残基脱落 形成八肽的血管紧张素i i 这种八肽是一种非常强效的 血管紧缩剂 同时 它还可以刺激肾上腺分泌醛固酮 这种盐皮质激素可以依次 引起钠和水的固位 从而导致由 容积机制 产生的血压升高 3 r a s 系统在正常人体和病态条件下调控血压的相关性一直在该领域存在争 议 通过对动物模型的研究和对高血压病人的临床观察 发现r a s 系统在由肾 血管引起的高血压中作用非常明显 4 1 但是 这个系统在由其它未知因素引起的 高血压和动物模型中 仍然是一个充满争议的研究对象 通过测定体内不同组分的循环水平来解释说明i u s 系统在患高血压动物模 型中所起的作用一直是该领域的研究目标 然而 循环水平和存在于内部组织或 器官内的组分水分的相关性目前还尚不清楚 肾素和血管紧张素转化酶都存在于 血管壁上 3 1 因此 在血管内形成的血管紧张素 比由存在于血浆中的肾素水解 产生的在体液内循环的血管紧张素i i 起的作用要更强 5 血管紧张素i i 的形成是激活r a s 系统的关键 这是因为由这个系统产生的 血管紧张素i 是一种在生理学上没有活性的物质 而负责这种转化的血管紧张素 转化酶在血压升高的过程中起了非常重要的作用 然而 血管紧张素并不是这种 酶的唯一底物 它还可以使得缓激肽失活 北京化丁人学硕i 学位论文 1 1 2 血管紧张素转化酶的结构和类型 基于对肾脏和高血压之间的关系的推测 g 0 1 d b l a t t h o u s s a y p a g e 等人在上 世纪三四十年代发现了存在于肾脏中的肾素和促使血压升高的血管紧张素 6 7 上世纪五十年代中期 s k e g g s 和他的同事们纯化出了血管紧张素 发现有两种 形式 十肽的血管紧张素i a n 硝 和八肽的血管紧张素i i a n g i i 两年后 一种 来源于马血浆的 可以把a n g i 转化为a n g i i 的酶被纯化出来 被称作a c e 血管 紧张素转化酶1 8 a c e 也被称作缩氨酸二肽酶a e c3 4 1 5 1 属于z n 离子金属蛋白酶的 m a 超家族的m 2 家族 在体外专一性水解分裂各种多肽c 末端的二肽 9 o 其主 要功能是通过催化水解在血浆中循环的a n g i d r i h p f h l c 端二肽h i s l e u 形成强效的血管加压剂 a n g i i a n g i 主要由肾素催化水解血管紧张素原的肽键 l e u l o v r a l l l 得到 血管紧张素原是一种由肝脏产生的 分子量5 5 l a 的血浆 恕 n 一a n g m l a t t 岫 l 8 2 饥仞肋觇仞饥仞饥仞 强d o d 散附 翻姗域c 珏o n n 踟埔氍 s s删f e f a 蹴l n h y 硝神 撕 v f 8 s c 鳃蜘 f h 敷x 赋旌豳辩 a r 悃3 n f e r a 涵l n a p o p t 麟 8 k1 刁 图1 l 血管紧张素转化酶在体内的催化血管紧张素转化酶和缓激肽的机制 a m gi i 到a n g l 7 的转化可以有a c e 2 来完成 其中a p 代表氨基蛋白酶 n e p 代表中性肽内切酶 f 蟾 1 lm e t a l 0 l i s mo f 姐g i o t e n s i np 印t i d 锶a n db d y k i n i nb ya c ea n do t l l 盯v a s 0 p c p t i i 妇s 鹪 a l s os h o na 豫t h ep f i i l c i p a la n g i o t 饥s i l l a n 蓟锄db m d 灿i l l b k r e c e p t o 琏a n dt h e i r d o w n s 廿e 蛐e 丘 t s t h eb r o k a 玳 w 舶ma i l 百o t e m i nc o n v e r t i n ge 叼 m e a c e t ob 2b k r e c e p t o fd 饥0 t e se v i d e n c cf 0 rc r o s s t a l kb e t l e e nt h em e m b 忸n e 勘吼dp r o t e i 邶 t h ec v e 塔i o no f a n g u t 0 a n g l 7c 觚b e m 础a t c d b y a c e 2 a p 妇脚t i d 镐e n e p 鹏u 乜m e n d o p 印t i d a 蛋白 a c e 还可以通过断裂缓激肽 b k r p p g f s p f r 影响血压 由于这个功能 a c e 有时也被归类为激肽酶i i b k 通过血浆激肽释放酶作用于激肽原前体而生 2 护专 丁警燃0 崦 l k 触 筒 第一章绪论 成 过程类似于a n g i 的形成过程 见图1 1 l 人类a c e 是一个由1 3 0 6 个氨基酸合成的单体锌金属酶 以1 2 7 7 个成熟残 基 3 0 重量糖基化 的形式定位于内皮细胞 1 1 1 吸收上皮细胞和神经上皮细胞 一个2 2 个疏水氨基酸的序列定位在蛋白羧基端附近作为a c e 到细胞表面的跨膜 域 这形成了一个2 8 个残基的细胞内域和由1 2 2 7 个残基组成的糖基化胞外域 人内皮细胞a c e 的氨基酸序列提供了一个在其进化历史中基因重复事件的明确 证据 它由含约6 1 2 个氨基酸的n 末端结构域 1 5 个残基的域间序列和一个含 6 5 0 个残基的c 端结构域组成 n 末端结构域的3 5 7 个氨基酸片段有多达6 0 的序列等同于c 末端结构域的相应片段 l0 1 每个结构域的活性位点由五个氨基酸残基和z n 离子共同构成 这个特征在 胞内蛋白酶的家族中很常见 详细的动力学实验和基因突变实验证实这两个以 z n 离子为中心的位点都具有催化活力 1 2 某些关于n d o m a i n 和c d o m a i n 活性 位点的差别已经被发现 n d o m a i n 对血红素多肽链 a c s d k p 的作用比c d o m a i n 的要强5 0 倍 1 3 对抑制剂鼢 p 4 0 7 的敏感度比c d o m a i n 强1 0 0 0 倍 1 4 1 5 对抑 制剂r x p 3 0 8 的敏感度比c d o m a i n 弱3 0 0 0 倍 1 6 1 丌 另外 c d o m a i n 的活力高 度依赖于氯离子的浓度 而对n d 伽a i n 的影响却小得多 埔 人类内皮细胞a c e 也被称作体细胞a c e 是有一段由2 6 个外显子编码的 蛋白质 这其中除了外显子1 3 其它外显子均被转录成了相应的m r n 1 9 一 类发现与人类睾丸中的a c e 认c e 也是由相同的基因编码 但是包含了外显子 1 3 随后这段i n j 烈a 翻译成具有7 0 1 个氨基酸的a c e 它与体细胞的c d o m a i n 的差别仅在于的初始的3 6 个残基 2 0 与a c e 同源的有a c e 2 主要存在于人类和啮齿类动物中 是一种专一性 水解c 端疏水或碱性氨基酸残基的羧肽酶 主要表达 分布在心脏 肾脏和睾 丸中 对血压的调节和心脏的功能具有重要的作用 有趣的是 a c e 2 并不被与 a c e 结合的抑制剂所抑制 比如 赖诺普利 甲巯丙脯酸等药物 2 n d o m a i n 和c d o m a i n 的结晶结构分别用x 射线衍射的方法测定出来 分辨 率分别为3 a 和2 a 2 2 1 这两个结构域结晶结构的差别主要有以下几点 1 0 1 一 在由a l a 2 和a 3 三个螺旋结构组成的类似于盖子的结构中存在显著的疏水性和 电荷的差别 这个差别对两个结构域的底物特异性有影响 二 由z n 离子和 h e x h 基本结构组成的活性位点是保守的 三 c d o m a i n 对氯离子的依赖程度 要大于n d o m a i l l 不论是在底物水解过程中还是与抑制剂的结合 四 n d o m a i l l 和c d o m a i n 的活性位点的与赖诺普利结合的氨基酸残基大部分都是保守的 说 明这两个结构域和这种抑制剂的亲和力是一致的 五 n d o m a i l l 的s 2 位点有a 蛳 和1 1 1 r 组成 而c d o m a i l l 的这个位点由一个s e r 和一个v i i l 组成 这个差别可 3 北京化丁人学硕 学位论义 能是导致这两个结构域与特异性抑制剂结合的原因 例如 n d o m a i n 与抑制剂 鼢 p 4 0 7 特异性结合 c d o m a i n 与抑制剂r x p 3 8 0 特异性结合 1 2 血管紧张素转化酶抑制剂 1 2 1 常见的血管紧张素转化酶抑制剂及其结构 第一代用于口服的强效a c e 抑制剂是现代药物化学史上的一个非常成功的 案例 被称为 合理药物设计 的典范 尽管这个说法在我们现在的人看来并不 是特别准确 但这个发现于上世纪七八十年代的抑制剂确实是基于一系列的重大 发现和设计者的灵感设计出来的 甲巯丙脯酸 c 印t o p r n 赖诺普利 l i s i n o 州1 依那普利拉 e n a l 印m a t 作为后来研发出来的复合物的基础被称作第一代血管转 换酶抑制剂 自从该蛋白酶被发现以来 其中的z n 离子的作用就已经受到了关注 直到 7 0 年代才最终确认 2 3 1 这个作用机制和羧肽酶a c p a 的很相似 因此当时人们 把a c e 归为羧肽酶a 类 但是 现在的研究发现除了z n 离子的配位层结构 h e h 以外 c p a 的是h 她 a c e 与羧肽酶a 家族的蛋白酶没有关联 2 4 尽管如此 科学家们仍然使用了c p a 的模型作为关键抑制剂的设计 因为c p a 的结构更好分析 而且结晶的结构在当时也已经得到 c l l s h m 姐和o n 批i 发现 是一种类似于c p a 的外肽酶 差别仅在于a c e 水解断裂多肽链的倒数第二个肽 键 抑制剂设计的第二个重大突破是来源于一个早期的实验观察 南美蝰蛇的毒 液提取物 被称作缓激肽增强因子 b p f 对a c e 有抑制作用 2 5 b p f 是一种多 肽混合物 是a c e 的强效特异性抑制剂 构效关系研究表明最优的c 端抑制剂 序列为p 1 1 e a l a p r 0 这个发现表明来源于蛇毒的多肽可以竞争性地和a c e 的底 物结合位点结合 从而发挥了抑制作用 药物学家所做的就是把这种多肽改造成 一种可以口服的非多肽类似物 b y e r s 和w r 0 1 f e n d e l l 根据苯甲基琥珀酸的结构阐述了关于c p a 抑制剂的新概 念 这是a c e 抑制剂设计的第三个重要发现 2 6 1 c u s h m 锄和o n d e t t i 发现苯甲 基琥珀酸与c p a 的亲和力部分来源于其羰基氧和z n 离子的配位作用 并且预 测了一个苯甲基琥珀酸的衍生物能特异性的抑制a c e 前提是这种衍生物的结 构类似于a c e 作用的c 端的二肽 基于来源于b p f 的多肽序列p h e 捌a p r 0 他们合成了一种甲基琥珀酸 p r 0 发现是一种i c 5 0 值为2 2 心嗄的特异性抑制剂 4 第一章绪论 羧基被巯基替换之后 就是甲巯丙脯酸 c a p t o 埘1 i c 5 0 值为2 3 i l m 2 7 甲巯丙脯 酸是第一个在1 9 8 1 年被批准上市的 用于临床治疗高血压和心力衰竭的强效新 型a c e 抑制剂 在临床使用甲巯丙脯酸的过程中 会出现味觉丧失 皮肤出疹等副作用 这 些现象促使p a t h e t t 和他的同事们把重点放在设计无巯基a c e 抑制剂的设计上 方法是重新用羧基替换掉巯基 此外 还引入了另外的一些官能团 甲巯丙脯酸 至少没有和蛋白酶的活性中心的两个位点结合 因此 通过构效关系研究方法对 n 羧基烷烃二肽 结构通式为 r c h c 0 2 h a 1 a 2 r 主要为苯甲基 可以占据 s l 位点 a 1 a 2 可以是灿a p r o 或者l y s p r o 分别对应于依那普利拉和赖诺普利 这两种抑制剂的抑制常数都在纳摩尔级 2 引 依那普利拉和赖诺普利本质上都是三肽类似物 其羧基和z n 离子形成配位 键 依那普利拉与在蝰蛇毒液中发现的多肽混合物中的p h e a l a p r o 序列很相似 a c e 的结晶结构则显示了赖诺普利通过其l y s 和c 端羧基与a c e 的s l s l s 2 口袋 z n 离子很好的结合 其亲和力大约是依那普利拉的两倍 2 9 1 可能是因 为l y s 与s l 口袋紧密结合的缘故 这其中还包括一个l y s 的n 原子和e 1 6 2 形 成的弱氢键作用 从此以后 药物化学家又对以上的三种药物做了改进 目前在临床中使用的 主要有1 7 种a c e 抑制剂 之后的都是这三种抑制剂的变体 主要的差别仅在于 与活性位点的z n 离子 s 2 口袋结合的官能团不一致 3 0 1 2 2 血管紧张素转化酶抑制剂的作用机制 1 9 8 1 年以来 a c e 抑制剂已经被广泛的应用 而且是高血压 充血性心力 衰竭 左心室心脏收缩膨胀失调 心肌梗死等疾病的首要治疗方法 此外还可以 减缓糖尿病 非糖尿病肾病的发病过程 最近的研究结果表明a c e 抑制剂还可 以减缓动脉粥样硬化的发生 原因是a c e 抑制剂具有抗动脉粥样硬化和保护血 管的功能 这种效果即便是在正常人群中也有发现 3 a c e 抑制剂的究竟是通过怎样的机制来保护心血管的一直是研究的一个热 点 一般认为a n 百i 不仅对血管有直接加压作用 而且还刺激肌细胞增生 通过 使内皮细胞机能失调和引发血管炎的方式导致动脉粥样化 然而 也有证据表明 除了a c e 抑制剂抑制a n g i i 的作用以外 a c e 抑制作用也可以通过b k 信号传 导增强的方式达到 这个作用可以刺激血管扩张剂一氧化氮和血纤维蛋白溶酶原 催化剂的产生 最近的研究成果表明 i 认s 系统比人们此前了解的要复杂得多 北京化 t 人学硕l 学位论文 在人体内存在着各种各样的血管紧张素多肽 其中三到四种具有抗高血压的作用 例如 主要的a n g i i 受体 a t l 主要调控体内的a n g i i 的活动 但是a t 2 受体与 a t l 受体的作用正好相反 a n 9 1 7 主要由a c e 和a c e 2 等蛋白酶水解产生 与a n g i i 的效果正好相反 3 2 1 另外 a c e 还可以作用于除了血管紧张素之外的 多肽 包括b k 物质p 黄体化激素释放因子 l h r h 血红素a c s d k p 等 除了b k 其它多肽对心血管的效果与a c e 抑制剂之间的关系还尚不清楚 a c e 抑制剂虽然可以抑制a n g i i 的生成 但是在临床使用的过程中也存在一 些典型的副作用 比如咳嗽和血管性水肿 最近的研究表明由a c e 抑制剂引起 的血管性水肿和血浆中低浓度的氨基态酶p 一种与b k 代谢有关的酶 有关联 从而证实了使用a c e 抑制剂确实会有引起血管性水肿的风险 因此 目前抑制 剂的设计主要倾向于对n 二和c 结构域的选择性方面 1 3 分子对接简介 分子对接是指经过对活性位点的氨基酸残基的电荷 空间位阻 库仑作用力 氢键作用力 l j 相互作用能等的综合考虑 把小分子药物或多肽抑制剂对接至 活性位点的过程 本小节主要介绍了分子对接的原理 以及简单介绍了在实验中 主要用到的对接软件a u t o d o c k 1 3 1 分子对接原理 分子对接依据的基本原理是 锁钥学说 1 0 c k 锄dk e y 研n c i p l e 即蛋白酶 的活性位点与底物或者抑制剂之间的关系如同钥匙和锁的关系 是特异性的 对 接过程就是实现小分子药物或者抑制剂与蛋白酶活性位点特异性结合的一个过 程 分子对接的基本方法有刚性分子对接法 柔性对接法 刚性对接法认为在对接过程中 配体小分子和蛋白质大分子都是刚性的 可 以认为这种匹配是形状上互补或相互作用如氢键的互补 解决的方法主要有基于 最大基团搜索法 基于几何哈希技术 g e o m e t r i ch 邪l l i n g 法 基于p o s ec l u s t e r 法 3 3 刚性对接没有考虑到配体小分子的柔性 而柔性对接解决了这样的一个问题 主要采用的方法有构象系综法 片段法 遗传算法以及基于分子模拟的方法 其 中分子模拟法又可以分为模拟退火法 分子动力学法和蒙特卡罗 m o n t ec 砌o 法等 遗传算法是一种模拟自然界自然选择和遗传进化的计算模型 是由美国密歇 6 第一章绪论 根大学的h o l l 锄d 教授与上世纪7 0 年代提出来的 主要是通过模拟生物界 优 胜劣汰 的自然法则搜索出最优解 对数据库进行组合交叉 变异后产生新一代 群体 通过这样的循环过程不断演化出越来越好的近似解 模拟退火算法 s i i n u l a t e d 枷e a l i n g 是指在活性位点出随机的不间断的改变 配体的位置 取向及构象 通过这样的方式来比较上一个配体和新产生出的配体 在相互作用能方面的差异 如果新构象的能量小于原来产生的构象 则接受新构 象 如果能量高于原来的构象 则继续搜寻新构象 如此反复循环 最终得到能 量最优的构象 通过计算 最终可以得到配体小分子和受体大分子之间的一些参数 主要有 结合自由能 k i 值 分子间作用能 分子内能 扭转能等 结合自由能的计算目前仍然是计算化学领域中的一个难点 采用的方法有自 由能微扰法和m m p b s g b s a 法 其中后者是最近发展的计算自由能的方法 该方法认为自由能为真空分子力学能 溶剂化能 熵的贡献三部分之和 g e m m g s o l t s 式 1 1 g s o l g p l g n p 式 1 2 式中 e 埘表示分子力学能 包括分子内能 范德华作用和真空静电能 g 为溶剂化能 主要包括极性溶剂化能g p l 和非极性溶剂化能g n p 1 3 2a u t o d o c k 简介 a u t o d o c k 是一款由s c r 口p s 研究所开发的对接工具套件 主要用于研究小 分子底物或抑制剂和已知三维结构的大分子的对接过程 现在的软件主要由 a u t o d o c k 4 和a 1 l t o d o c k n a 构成 a u t o d o c k 4 主要由两部分构成 a u t o d o c k 和a u t o 鲥d 其中a u t o d o c k 用于 对接小分子配体到表示蛋白质的一系列的格点中 而a u t o 舒d 用于预先计算和 处理这些格点 a u t o d o c 4 采用的搜索方法有遗传算法 模拟退火以及本地搜索方法 a l l t o d o c k 4 的评价函数包括经验势能函数和经验结合自用制3 4 1 其中经验势能函 数包括 静电作用 范德华作用和氢键作用 经验结合自由能包括5 项 静电作用的计算公式为 7 北京化t 人学硕i 学位论文 子之 电相 第五 蒜 枷 为介电常数 是距离的函数 公式为 占 厂 彳 1 恐一兄肼 式 1 4 其中 b 一彳 7 8 4 么 一8 5 5 2 5 兄 0 0 0 3 6 2 7 七 7 7 8 3 9 范德华作用的公式为 第一章绪论 1 3 3 常用对接软件介绍 常用的对接软件主要有s u m e x d o c k d o c l i n g f 1 e x x 等 下面分别介绍一 下这三个软件各自的特点 1 s 咖e x d o c k 可以用来计算配体大分子和受体小分子之间的相互作用能 也可 以用于复合物的优化 它是s y b y l 中的一个模块 d o c k i n g 采用网格计算 但是 并不是计算每个配体原子与所有受体原子的相互作用能 因为这样的话会耗费很 多的时间 而是将活性位点分割成不同的网格 然后计算配体原子在每个网格点 与受体的相互作用能 作用能的公式如下 e l r q g q i a g a i b g b i 式 1 8 式中右边第一项为静电作用 二 三项分别为配体大分子与配体小分子之间 的范德华作用的吸引项和排斥项 q j 表示原子电荷 a i 为2 o 振 何r j b i 为 广 k 俪r k 为范德华常数 r 为范德华半径 q g 为网格点的静电势 2 d o c k 是分子对接领域的第一个程序 是有加州大学旧金山分校的k u n t z 小组 的研发人员于1 9 8 2 年开发的 对接的原理主要包括 形状匹配 分簇匹配和柔 性对接三个部分 形状匹配分为受体及配体结构的表征 匹配以及位置优化三个 部分 分簇匹配是把蛋白质的表面分为不同的部分 把小分子分别和蛋白质表面 进行匹配的过程 柔性对接要区分刚性片段和柔性片段 刚性片段中原子之间的 键不能旋转 柔性片段的则可以 旋转键也可以由操作者自己来设定 3 f 1 e x x n e x i b l ed o c k i n 蓟是一种快速精准的柔性对接方法 对接的方法是首先选 取配体小分子的一个核心官能团对接到蛋白的活性位点 然后通过树搜寻的方式 连结其余片段 1 4g a u s s i a n 简介 g a u s s n n 是一款功能强大的量子化学计算软件 可以用来预测气相和液 相条件下 分子和化学反应的诸多性质 第一款高斯软件包 g a u s s i 吼7 0 最初 是由卡内基梅隆大学的j o l l i lp o p l e 教授和他的研究小组于1 9 7 0 年发布的 自从 那时高斯开始有了连续的更新 p o p l e 教授采用了高斯轨道函数来进行量化计算 当进行h 列吨争f o c k 计算的时候 这个方法提升了电脑硬件的计算效率 相对于 斯莱特类型的轨道函数 它加速了整个计算的过程 而这也是高斯软件名称的由 9 北京化工大学硕f j 学位论义 来 3 5 1 g a u s s i a n 0 9 是目前最新的版本 它具备了更多的新特点 计算效率和精确 度也得到提高 它可以帮助你模拟更宽范围的真实实验条件下的分子体系 1 4 1g a u s s i a n 计算原理 g a u s s n n 的计算方法主要有单点能计算和结构优化计算 单点能计算是 指计算某一特定构象的电子能量和排斥能的总和 计算结果包括总体能量 分子 轨道的预测和轨道的能量 电荷分布 主要是m u l l i k e i l 电荷和e s p 电荷 其中 e s p 可以拟合成r e s p 电荷 g a u s s i a n 的结构优化计算是寻找分子能量最小值的优化过程 首先对小 分子的坐标做一阶导数 找出驻点 优化方法中一般还要计算二阶导数 构造力 常数矩阵等 优化过程为 读入坐标一计算能量一计算各种性质一判断是否收敛 一改变坐标一计算能量一计算各种性质一判断是否收敛 如此循环往复最终 直至达到收敛 1 4 2g a u s s i a n 功能介绍 g a u s s i 觚可以通过计算预测气 液相条件下 分子和化学反应的诸多性质 例如 可以预测分子的能量 结构 振动频率 原子电荷以及在各种化学反应条 件下的分子的各种性质和反应特征 高斯不仅可以应用于结构稳定的化合物 而 且还适用于试验中难以观察到的复合物 反应中间体和过渡态结构等 因此 g a u s s i 觚可以作为功能强大的工具 用于研究许多化学领域的课题 例如取代基 的影响 化学反应机理 势能曲面和激发能等等 1 4 3 常用量化程序介绍 用于量子化学计算的软件很多 较常用的有m o p a c g a m e s s 等 下面主 要介绍一下这两种量化软件 1 m o p a c 是m o l e c u l a ro 而i t a lp a c k a g e 的缩写 这款软件编自德克萨斯州的奥 斯汀 由j 锄e sj p s t e w a n 等人编写 是一款对学术用户免费的量化软件 主要 采用半经验的计算方法来研究分子的结构和反应 其中半经验的哈密尔顿函数 m n d o a m l p m 3 p m 6 m o d o d 用来计算电子轨道计算分子的生成热的 到分子结构的信息 根据以上的计算 m o p a c 可以计算振动光谱 热力学性质 同位素替代效应 分子的力学常数等 对于化学反应的计算 可以使用m o p a c 1 0 第一章绪论 的过渡态定位流程和过渡态优化流程 3 引 2 g a m e s s 1 1 1 eg e i l e r a la t o m i c 锄dm o l e c u l a re l e c 怕n i cs t m c t u 旧s y s t e m 是一 款免费的普通从头算量子化学计算软件包 由爱荷华州立大学的g o r d o n 研究小 组开发和维护 可以计算s c f 波函数 波函数包括构象相互作用 二级微扰理 论 和密度泛函近似等 对于自动的结构优化过程 首先是得到原子梯度 然后 可以进行过渡态和反应路径搜寻 通过对能量矩阵的计算可以预测红外光谱和拉 曼光谱的振动频率 分子的各种性质包括从简单的偶极矩到依赖于频率的超极化 率也可以通过g a m e s s 计算得到 1 5 分子动力学模拟简介p 7 1 分子动力学模拟是根据分子力学建立的适用于生化体系 聚合物 金属或非 金属材料的力场和牛顿的运动力学原理发展出来的计算方法 分子力学方法 m o l 咖1 a rm e c h a i l i c s 最早出现在上世纪7 0 年代 主要依据b o m o p p e i l l l e i m c r 近 似的原理 计算系统的能量 计算过程中忽略电子运动 把系统能量视为原子核 的函数 分子力场 f o r c cf i e l d 中的各项参数 包括键长 键角 电荷分布等都可 以通过量子化学计算得到 与量化计算相比 分子力学在速度方面具有明显的优 势 而且计算结果与量化计算得到的也基本一致 自上世纪7 0 年代起 科学家们开始根据分子力学所确定各项参数分别建立 了不同体系的立场 由于各种复杂体系分子立场的建立 分子动力学模拟在计算 复杂体系的精度和准确度方面都有很大的提升 随着计算方法和计算机硬件设备 的改进 动力学模拟已经日趋成熟 在科学研究 药物设计等领域都有了广泛的 应用 但是在动力学模拟过程中 由于组成模拟体系的原子数较多 体系较大 只能对体系进行较短时间的模拟 长时间模拟 如蛋白质的折叠过程 还是会受到 计算方法及硬件的限制 如今 计算化学家们正在研究和不断改进各种算法 以 期能提高准确度和应用范围 相信随着计算机科学的不断发展和硬件设备的不断 提升 动力学模拟方法一定会成为理论研究领域内的主要研究方法之一 1 5 1 分子动力学原理 分子动力学基本原理的基础是牛顿运动定律 计算过程主要是先计算由分子 的位置决定的系统的能量 再计算分子中每个原子在特定时刻所受的力及加速度 然后再计算下一时刻的各个分子的位置及速度 经过这样一个不断地循环过程 北京化 t 人学硕 学位论文 最后得到每个分子中的原子在各个时刻所对应的位置 速度及加速度 称为 轨 迹 若系统中含有n 个原子或分子 则系统的能量可以表示为动能与系统总势 能的总和 其中势能是各个原子位置的函数 分为范德华作用和分子内能两部分 即 u u v d w u i n t u v d w 又为个原子对之间的范德华作用 分子内能则为内 坐标势能的和 分子动力学与分子力学的差别在于 分子力学描述的是静止状态下各分子及 原子位置 速度 受力情况等 而动力学过程描述的是在每一个时刻的分子及原 子所受的力 速度 位置等 在蛋白质的模拟过程当中 动力学可以描述整个体 系的能量随时间的变化规律 这些能量包括有 库伦作用能 范德华作用 u 势能等 在结构方面 它可以描述蛋白质的二级结构随时间的变化 二级结构的 变化本质上是原子坐标及位置的变化 二级结构的变化主要包括0 螺旋的变化 p 折叠的变化 模拟的时间越长 二级结构的变化就越明显 也越接近真实的情 况 一般在动力学模拟过程中最常用的方法为 d e t 方法 3 4 1 这种方法最早是由 v 矾e t 于1 9 6 7 年提出 这种方法的缺点是容易导致误差 经过改进 又发展出 了一种新的l e 印 舶g 蛙跳法 计算公式如下 式中r 和v 表示原子的位置和速 度 a 和f 代表原子的加速度和所受到的力 如图1 2 是一般的动力学模拟流程图 图中所示的原子数n 容积 能量均 不随着时间变化 称为n v e 系综 1 1 f 万f 卜一 万fi 万f 口 f 二 1 f 万f f 万f 1 lf 万fi 口 f 万f 厂 f 万f 厂 f 万f 式 1 9 一d 矿 d 厂 f 万f 第 章绪论 图1 2 动力学模拟流程图 f i 9 1 2t h en o wd 斌o f t l l em o l e c u l a rd y n 锄i c ss i i n u l a t i 1 5 2g r o m a c s 简介p 3 l g 砌m a c s 是由荷兰格罗宁根大学编写的一款动力学模拟软件 可以对蛋白质 体系 d n a 体系及各种聚合物材料体系进行动力学模拟 计算化学 顾名思义 就是对从量子化学到大分子复合物的分子动力学进行模拟 分子建模就是用原子 北京化t 大学硕l 学位论文 模型描述复杂化学系统的过程 目的是基于原子级别理解系统的宏观性质 而 g m m a c s 就是基于原子级别描述大分子复合物体系的软件包 现在最新版 g r o m a c s 软件已经更新至4 5 3 并且已经集成了其他动力学软件包的力场 包括 a n l b e r 的一些列力场 c h a i 洲m 2 7 力场 o p l s 力场 这些力场的加入让g m m a c s 软件的兼容性更强 应用范围更广 为不同的复合物体系提供了多种多样的解决 方案 与其它的动力学软件相比 g r o m a c s 有以下的几个优点 1 与其它的动力学软件相比 g r o m a c s 的计算效率相当高 因为g m m a c s 力场采用的是粗粒化的方法 碳原子上的氢原子不予考虑 和碳原子一并被考虑 成一个粗粒 这样做可以大大减少计算过程中所消耗的硬件资源 2 用户友好界面 拓扑文件和参数文件都以文本文档的形式给出 可以自 己修改拓扑文件中关于原子之间的键长 键角 二面角等重要结构参数 具有一 致性检查功能 如果结构文件中的内容和拓扑文件不一致 g r o m a c s 会在模拟的 终端自动给出错误信息 告诉使用者出现的错误类型 这样使用者可以有目的的 调试计算过程中出现的错误 你还可以在拓扑文件中写入想要设定的限制条件 例如限制键长 键角等 这个功能可以使研究者对所想要重点研究的对象做特殊 化处理 3 没有脚本语言 程序的使用简单方便 通过每个程序的 h 选项可以获知 该程序的主要功能和用法 包括输入文件和输出文件的格式及意义 4 觚m a c s 还能给出计算所需的时间和已经运算的时间 g m m a c s 对轨迹 文件有很好的兼容性 用不同版本和精度计算出来的轨迹文件都能被不同版本的 c 衲m c s 软件读取 5 c 衲m a c s 支持有损耗压缩 就是把跑完的轨迹文件中的无用的数据删掉 仅保留重要数据 这样可以有效节约磁盘空间 6 g r o m a c s 的分析工具众多 不必自己编程序写脚本 输出文件可以直接 通过g r a c e 等转换成图片 7 g r o m a c s 中含有轨迹文件图形浏览器 可以很直观的查看每个时刻体系 的状态 也可以用其他图形显示软件观察 例如v m d e w e r p r o 等 8 g m m a c s 为各种大分子体系 例如蛋白质 多聚体等提供了自动的拓扑 构建器 可以自动识别蛋白质的常见2 0 种氨基