铜(Ⅱ)抑制Aβ肽聚集机理及纳米管状类—离子通道结构的分子模拟.doc

铜（）抑制A肽聚集机理及纳米管状类离子通道结构的分子模拟【摘要】：日趋加快的人口老龄化步伐使以阿尔兹海默症(AlzheimersDisease，AD)为代表的神经退行性疾病成为世界范围内老年人健康的最大威胁之一。AD是发病率最高的神经退行性疾病，据不完全统计，仅2006年全球即新增患者约460万人。许多国家，特别是发达国家，面对老龄人口大幅增加、AD日渐流行的形势，已将其视为威胁公共健康和制约社会发展的重大战略问题而纳入了国家级研究计划。AD对人类健康的威胁与挑战引起了科学界的高度关注，目前已成为多学科攻关的热点课题。尽管早在1906年Alzheimer业已阐明AD的两大病理特征，老年斑(senileplaque，SP，亦称淀粉样斑)和神经纤维缠结(neurofibirilarytangle，NFT)，但是直至二十世纪八十年代中期，以SP的主要组分淀粉样肽(amyloid-peptide，A)的发现为标志，AD的分子机理研究才进入了一个迅速发展的新时期。近十余年的研究表明，大脑皮层中A斑和活性氧物种的积聚，可能都与金属-A作用有关。金属-A作用机理研究已成为AD分子机理的主流研究方向之一。大脑中A肽的聚集是AD的一个关键性病理事件。体外研究表明，A并不是自聚集的，某些外部因素，特别是金属离子是诱导A聚集的重要神经化学因子之一。本文在大量实验研究的基础上，利用分子模拟方法，主要开展了以下三方面的工作：1、铜()抑制A肽聚集机理的分子力学研究。体外实验发现，近生理浓度的Zn()即有很强的诱导A聚集的能力。Cu()仅在微酸性条件下表现出聚集诱导效应；在宽广的pH区间(7.0)，特别是在生理pH(7.4)和适当的浓度比(Cu()A=4左右)条件下，对A聚集表现出强烈的抑制效应，并且能够竞争性抑制Zn()的诱导效应。Cu()对A聚集的抑制效应具有潜在的神经生理保护意义，为揭示金属代谢失衡与AD致病机理的关系提供了重要线索。另外，Cu()作为体内Zn()的潜在抑制剂也引起了人们的关注。本文首次通过分子模拟法研究了Cu()抑制A聚集的机理。在水分子参与配位的单环模式中发现Y10残基有明显的促螺旋化作用，Cu-H13(N)-Y10(OH)配合物形成了局部准3.0_(10)螺旋结构。在侧链协同的多环模式中发现Q15和E11残基侧链的协同配位使体系能量大幅降低，变构效应显著。配合物Cu-3N-Q15(O)-E11(01)和Cu-H13(N)-Y10(OH)由于变构为准螺旋构象，极可能以可溶形式存在于溶液中。另外，发现氢键作用是A聚集的主要驱动力。以上结果将有助于进一步加深对Cu()与AD致病机制之间关系的理解并制定相应的“抗淀粉样沉积”的治疗策略。2、铜()与A肽键合机理的分子动力学模拟。研究表明，形成Cu()-A可溶复合物是Cu()在一定条件下强烈抑制A聚集的关键环节。Cu()的配位作用能使A发生显著的构象转变，并形成具有稳定可溶构象的Cu()-A复合物，从而实现对A聚集的抑制。所以，研究Cu()-A可溶复合物配位作用的动力学行为和构象转变机理对理解A的性质、金属介入下的变构效应以及对A聚集的影响具有重要意义。由于A的高聚集倾向及其聚集体的难溶性，在原子水平上研究Cu()-A可溶复合物的构象动力学行为是目前的实验手段所难以驾驭的。计算模拟因具有高时间分辨率和原子水平的表征优势而被本文应用于研究金属离子介入下AB的构象转变和聚集机理。通过分子动力学模拟，我们深入探讨了Cu()-A可溶复合物配位作用的动力学行为和构象转变机理，建立了基于径向分布函数分析的评价多齿柔性配体中原子配位作用的Q函数法，探明了金属配位壳层构筑的详细过程，在原子水平上揭示了Cu()-A可溶复合物的键合机理，阐明了A主链原子的配位竞争效应、侧链原子的配位互斥效应和Cu()的模板效应等配位行为的动力学特征。从轨迹分析中发现，由金属配位几何刚性导致的金属模板效应，以及由刚性几何单元导致的配位原子间的配位互斥效应，是影响原子能否配位以及配位优先性的重要因素。通过构象分析，发现了以水为桥的配位键-氢键协同驱动的构象突变现象。本文结果为深入理解Cu()的聚集抑制效应提供了理论基础，为揭示金属代谢失衡与AD致病机理的关系和基于金属-A作用机理的药物设计提供了有益线索。3、A纳米管状类-离子通道结构的分子模拟。AD分子机理的离子通道假说认为，A变构、组装成离子通道结构，嵌入膜双层，造成膜泄漏和钙稳态失衡，进而导致神经元的损伤和死亡。尽管越来越多的证据支持离子通道假说，然而，实验上迄今尚未得到A通道的高分辨结构。在实验基础上，利用理论方法模建A通道的结构模型，可以对A通道的形成和离子通透机理进行深入研究。本文首次模建了A肽纳米管状类离子通道的结构模型。结果显示，氢键网络是稳定结构的主要作用力之一。侧链的疏水性分布模式有利于形成嵌入脂双层的亲水性孔道。孔道区域受弱的连续分布的负电势控制，是其阳离子选择性的基础；而强的正负电势的间隔分布使结构骨架部分的静电均衡，是结构稳定的重要因素之一。另外，我们的研究发现，当Zn()进入负静电势分布的A管状结构的孔道后，能够与对其有较高亲合力的H13的咪唑氮原子和E11的羧基氧原子配位形成稳定的螯环结构。这样，被孔道螫合的Zn()，一方面自身占据了孔道的部分空间，另一方面，它所携带的正电荷对后续阳离子的进入形成静电推斥，从而堵塞孔道，封闭了通道的通透性。这与实验上发现的Zn()对A通道的阻断效应相一致。总之，研究结果为阐释纳米管状A通道的结构稳定性和离子通透性提供了理论依据。在多学科的协同攻关下，神经退行性疾病，这类困扰人类的疑难杂症，迎来了一个“分子与治疗”的新时代，包括AD在内的神经退行性疾病的致病机理研究，已进入分子水平并取得了一系列重大进展；同时，基于致病机理的治疗药物和治疗方案已陆续进入临床试验和应用，预防和治疗已露出一线曙光，相信通过人类的不懈努力，可望在不远的将来成为现实。【关键词】：阿尔兹海默症(AD)淀粉样肽(A)铜(II)离子通道纳米管结构分子模拟【学位授予单位】：山西大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2007【分类号】：R749.1【目录】：主要创新点11-12摘要12-15Abstract15-20第一章研究背景20-531.1引言20-211.2AD的定义性病理标志211.3基于金属-A作用的AD分子机理21-331.3.1A,金属与淀粉样斑22-241.3.2A聚集的金属离子效应24-281.3.3金属-A作用与氧化胁迫机理28-301.3.4金属-A作用对离子通道的影响30-321.3.5金属-A作用模型32-331.4AD的其他病理学说33-361.4.1tau蛋白过度磷酸化34-351.4.2家族性AD的遗传学说35-361.4.3胆碱激性神经传导理论361.5AD的治疗策略36-391.5.1阻断金属-A作用的治疗药物研究36-381.5.2其他的治疗策略38-391.6本文的工作39-41参考文献41-53第二章研究方法及其理论基础53-842.1引言53-542.2分子力学方法54-582.2.1分子力学的量子力学背景54-552.2.2分子力场55-562.2.3分子力场的参数化56-572.2.4常见的分子力场57-582.3分子动力学模拟58-672.3.1基本方程58-602.3.2数值算法60-622.3.3边界条件62-632.3.4初始设定63-642.3.5一般计算流程64-662.3.6分子性质的径向分布函数分析66-672.4分子结构优化方法67-712.4.1最陡下降法68-692.4.2共轭梯度法692.4.3牛顿-拉夫森法69-702.4.4构象搜索方法70-712.5静电势计算方法71-752.5.1引言71-722.5.2FDPB原理72-742.5.3FDPB方法的应用74-752.6ESFF力场75-822.6.1引言752.6.2原子类型75-762.6.3势函数76-802.6.4参数化80-812.6.5小结81-82参考文献82-84第三章铜()抑制A肽聚集机理的分子力学研究84-993.1引言84-853.2模型与方法85-863.3结果与讨论86-963.3.1水分子参与配位的单环作用模式87-913.3.2侧链协同的多环作用模式91-953.3.3A纤维化聚集的驱动力95-963.3.4聚集体系稳定性比较研究963.4小结96-97参考文献97-99第四章铜()与A肽键合机理的分子动力学模拟99-1234.1引言99-1004.2模拟方法100-1014.3结果与讨论101-1194.3.1原子配位优先性的径向分布函数分析101-1034.3.2Cu()-A可溶复合物的配位模式103-1084.3.3主链原子间的配位竞争与多种可能成键模式108-1104.3.4刚性几何单元与侧链原子间的配位互斥效应110-1124.3.5Cu()的模板效应112-1144.3.6Cu()诱导下A的构象转变及其驱动模式114-1194.4小结119参考文献119-123第五章A纳米管状类-离子通道结构的分子模拟123-1365.1引言123-1245.2模型与方法1245.3结果与讨论124-1345.3.1氢键作用与范德华作用124-1255.3.2疏水性分布的定量评价125-1325.3.3静电势分布研究132-1335.3.4锌()通道阻断效应的初步研究133-1345.4小结134参考文献134-136第六章结论与展