卤键、碳氢活化偶联机理的量子化学计算及药物结合口袋的识别与应用研究

发布时间：2017-12-18 17:20

  本文关键词：卤键、碳氢活化偶联机理的量子化学计算及药物结合口袋的识别与应用研究

  更多相关文章： 卤键 碳氢活化 蛋白质口袋 血吸虫 哮喘 虚拟筛选

【摘要】：药物的研发需要耗费大量的财力和时间,一个新药的上市大约需要花费18亿美元,耗时13年。过去药物的来源主要有这几种方式:1.根据经验对天然产物进行筛选;2.高通量筛选内部或者商业化合物库;3.化学合成。传统方式发现新药的效率低下,因此需要新的模式和策略来加速药物的研发速度。计算机科学的快速发展为药物研发带来了新的机遇。药物虚拟筛选极大地提高了先导化合物的发现效率。量子化学在计算分子间作用力、辅助化合物的手性鉴别、解释化学反应机理等方面发挥着重要作用。分子动力学能够模拟蛋白质的动态变化,解释生物机制并指导生物实验。计算和实验在药物研发中相互配合,降低药物研发成本,缩短药物研发周期。本论文的主要工作包括三个部分:1.运用量子化学研究卤键和化学反应机理;2.发展蛋白质口袋探寻新方法并开发相应的软件;3.通过虚拟筛选寻找活性化合物。第一部分包括第二章及第三章。第二章为药物-靶标间卤键作用的量子化学计算研究。卤键是一种非常重要的非共价作用,其强度和氢键相当,但具有更强的方向性。卤素原子头部存在正电势区域,称为σ-hole区域,通过该区域和其它原子的负电势区域发生吸引作用。我们先前的研究发现带有羧基的含卤小分子在去质子化后带有负电荷,σ-hole区域的表面静电势显示为负值,但仍然存在VS,max。在真空中,该类型卤键的相互作用能很弱为排斥作用,但仍具有能阱。在溶剂环境中,这种排斥作用转变为吸引作用。我们将这种类型的卤键称之为负电荷卤键。在本论文中,我们研究了负电荷到卤素原子的距离在不同溶剂环境下对负电荷卤键的影响。发现随着距离的增加,卤键强度逐渐变强,在真空中尤其明显。带负电荷的卤键强度可以通过所处的环境和距离来调节,在材料和药物设计中可利用这些特性来改善材料的功能和提高药物活性。第三章为铑催化的碳氢(C(sp~2)-H/C(sp~3)-H)活化偶联机理的量子化学计算研究。过渡金属配合物催化碳氢键活化构建碳碳、碳氧键等,被广泛应用于药物分子、天然产物、材料分子的合成。反应机理的理论研究可以了解反应过程,指导并设计反应。合作课题组Zhou等人利用萘胺化合物和重氮化合物在三价铑的催化下进行环化反应(annulation reaction)获得了1-氢-苯并[g]吲哚啉。在第三章中,我们利用量子化学的方法对其开展了理论研究。经过密度泛函(Density Functional Theory,DFT)计算分析,我们确定了其可能的反应路径,主要经过如下几个过程:1.通过金属化与质子化协同机理(CMD)进行第一次碳氢(C(sp~2)-H)活化;2.金属铑(Rh)和重氮化合物形成金属卡宾,金属卡宾介导插碳反应;3.通过类CMD机理进行第二次碳氢(C(sp~3)-H)活化;4.通过氧转移策略获得亚胺的中间体。通过对该反应的机理研究,加深了对该反应的理解和认识。第二部分为蛋白质口袋的探寻方法发展与应用软件开发。基于受体结构的药物设计,首先需要准确定位药物分子和蛋白质的结合位点。在第四章中我们对蛋白质口袋探寻的方法开展了研究。探寻蛋白质表面空腔的算法有格点法、球集法和Voronoi Diagram法等。在此基础上发展了新的算法——球集向量法。该方法首先采用滚动球集法,确定空腔的位置。然后使用向量法,排除一些非口袋格点,从而能够更加准确的确定口袋的边界和位置。根据该算法,我们开发了PyPocket插件及其命令行版本。和Fpocket、Py Roll等软件相比,Py Pocket对口袋边界的识别更加准确。我们对Py Pocket进行了测试,若以探测到配体中的一个原子作为探寻成功的标准,其成功率高达98.6%。配体和受体的结合强弱是由其形状和理化性质共同决定的,因此计算口袋的特征有助于判定该口袋能否被用于寻找高结合力的配体。在口袋探寻的基础上,我们接着开发了口袋描述符的计算工具Py Pocket-Descriptors,其计算的描述符包括几何特征(口袋的体积、表面积、深度和闭合度等)和理化特征(氨基酸的组成、电荷、氢键受体、疏水性等)。最后我们对56个药物口袋的特征进行了计算和分析,发现药物口袋的体积主要集中分布在500-1000?3,口袋中出现频率最高的氨基酸是亮氨酸,最低的是半胱氨酸。这为我们下一步预测口袋的可药性打下了基础。第三部分为药物虚拟筛选研究。药物虚拟筛选能够提高先导化合物的发现效率,目前已在学术界和工业界得到广泛使用。在第五章中,我们开展了抗血吸虫药物的虚拟筛选研究。本研究中选定了2个日本血吸虫氧化还原相关蛋白(醛糖还原酶和3-氧化酰基-酰基载体蛋白还原酶)进行虚拟筛选。在醛糖还原酶体系中,我们使用了Auto Dock Vina软件对内部化合物库和SPECS化合物库进行虚拟筛选。我们从内部化合物库中挑选了50个化合物进行活性测试,发现化合物ALD3和ALD45对血吸虫的醛糖还原酶有一定的抑制作用。我们对化合物ALD3和醛糖还原酶的作用模式进行了分析,发现其和Trp111、Leu295和Leu296形成氢键。在3-氧化酰基-酰基载体蛋白还原酶体系中,我们首先对其三维结构进行了同源模建;然后对其进行了虚拟筛选并挑选了167个化合物进行送样测试;最后对其作用模式进行了分析,发现多个化合物都和Ile18形成氢键作用。在第六章中,我们针对Trangelin-2蛋白开展了抗哮喘的药物虚拟筛选研究。首先挑选了4个典型的构象(1wym_5~(th)、1wym_7~(th)、1wym_9~(th)和1wym_13~(th))用于虚拟筛选。然后使用Glide软件对内部化合物库和SPECS化合物库进行虚拟筛选。合作者进行细胞水平的活性测试,发现化合物TSG11、TSG12、TSG15、TSG32在1μM浓度下表现出一定的活性。其中化合物TSG12的活性最优,经测定其EC50为10.2μM。接着利用表面等离子共振技术(surface Plasmon resonance assy,SPR)进行结合能力测试,发现化合物TSG12能够和Transgelin-2蛋白结合。分子对接表明化合物TSG12和靶标Transgelin-2的Lys57、Gln89以及Val42形成氢键。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海药物研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R91

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 ;Theoretical study of the interaction mechanism of single-electron halogen bond complexes H_3C…Br-Y(Y=H,CN,NC,CCH,C_2H_3)[J];Science China(Chemistry);2010年01期

，

本文编号：1305001