抗癌药物紫杉醚的结构、性质及其对接机制研究

发布时间：2020-06-02 03:10

【摘要】：研究目的:紫杉醇(Paclitaxel)是一种具有较强抗癌活性的抗癌药物,经过广大学者的长期研究,在机制、药物靶点等方面有了较好的进展,所以紫杉醇在目前的癌症治疗中应用广泛。但是紫杉醇也存在着水溶性小,毒副作用大,病人依赖性强的问题。紫杉醚(Docetaxel)又名多西他赛,它是紫杉醇的一种类似物,与紫杉醇在结构上只有两点不同之处,相比较紫杉醇来说,紫杉醚的毒副作用比紫杉醇要小,水溶性和药效也比紫杉醇要好。所以探究紫杉醚的结构性质、作用机制和作用位点成为药物研究学者的研究热点。本文通过对紫杉醚结构的优化,相关性质的探讨,紫杉醚与微管蛋白作用机制的分析,并对紫杉醚与微管蛋白结合的微观动态作用过程进行分子动力学模拟,得到抗癌药物紫杉醇类似物紫杉醚详细的结构参数、理化性质和其具体的作用位点。对紫杉醚药物分子做一个全方位的研究,该研究可为其他紫杉类药物研究学者提供相对完整且详细的数据,提供有力参考,并有助于节省探索时间,节约实验费用。研究方法:通过物理分析和化学结构观察,先以母环为基础得到最初的试探结构,之后将所得稳定结构通过考虑C-13侧链所有可能的旋转自由度得到3888种紫杉醚结构。首先,通过MOPAC软件利用PM7方法进行最初结构筛选,得到648种结构;其次,先后使用B3LYP/3 21G*方法和B3LYP/6 311G*方法,用Gaussian09对结构进一步优化,对所得稳定结构进行最终优化后共得到31种势能面上能量最低的紫杉醚结构,并进行了红外振动谱的分析;然后在M06L/6-311G(2df,p)//B3LYP/6-311G*水平下计算了单点能,利用CPCM溶剂化模型在M06-L/6-311G(2df,p)//B3LYP/6-311G*下得到了溶剂化能;最后,使用TDDFT/CAM-B3LYP/6-31+G(d)方法分析了紫杉醚分子的紫外吸收谱。在得到实验模拟结构之后,使用Autodock 4.2(分子对接软件)分别对31种结构进行了分子对接,结合的微管蛋白为1tub,对接盒子为126*126*126的全局对接与60*60*60的局部对接,均产生100个对接结果。通过对微管蛋白和紫杉醚配体的对接发现其药物靶点,整理出31种紫杉醚结构分别对接α和β微管蛋白信息,统计分析得到结合效果较好的结构;选择部分对接结构进行Gromacs 5.0(分子动力学模拟软件)的分子动力学模拟研究,蛋白质拓扑使用Gromos96(43A1)力场,小分子配体拓扑由PRODRG 2.5自动化服务器得到,模拟1000 ps的NVT与NPT,进行10 NS的完整分子动力学模拟。研究结果:我们用从头算方法通过系统寻找,在3888种试探结构中得到了势能面上能量最低的31种全局最稳定结构,并得到了31种结构的单点能,相对能量,溶剂化能,零点振动能,转动常数,偶极矩等参数,分析了最低31种紫杉醚结构的红外振动谱和紫外吸收谱。紫杉醚分子相关的价层轨道主要有π,n和σ轨道激发,文中1号紫杉醚分子的HOMO,HOMO-3,HOMO-6,HOMO-7都属于π轨道激发。n和σ轨道的激发主要集中于氧原子和氮原子处,HOMO,HOMO-3,HOMO-4,HOMO-5,HOMO-7,HOMO-12都属于n或σ轨道激发。LUMO,LUMO+1,LUMO+3为π*和σ*轨道激发,π*轨道激发一般是集中于苯环处,σ*轨道一般是氧原子或氮原子处。通过分子对接的模拟,发现紫杉醚分子与微管蛋白对接主要集中于3个药物作用靶点,我们在此命名为N1,N2,N3位点。分析发现N2位点与文献报道的紫杉醚药物靶点高度吻合,但N3位点却并未见文献报道。其中N1位点堆叠1个紫杉醚结构,N2位点堆叠9个紫杉醚结构,N3位点堆叠21个紫杉醚结构。N2位点的关键性残基有Arg369,Leu371,Leu217,Phe272,Pro274,Leu219,Lys218,Pro360,Asp226。N3位点的关键性残基有lys299,Arg215,Gln294,Leu275,Thr216,Glu290,Pro274和Thr276,N3位点平均结合能为-5.65 kcal/mol,N2位点的平均结合能为-4.49 kcal/mol,且N3位点的关键性残基经分析符合锁-钥理论,残基可形成口袋包裹紫杉醚分子。我们认为发现N3位点的主要原因在于前期系统分析并探索到了紫杉醚势能面上所有的稳定结构。对于分子对接能量较低的抗癌药物紫杉醚与微管蛋白的复合物,我们进行了进一步的分子动力学分析,结果显示N3位点的蛋白质与紫杉醚分子的RMSD和配体自身的RMSD均优于N2位点。最后,我们分析了紫杉醚与紫杉醇的溶剂可及表面积,证明了紫杉醚的水溶性要优于紫杉醇。
【图文】：

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天津医科大学硕士学位论文一、前言1.1 研究背景在医学上，癌（cancer）[1, 2]是指起源于上皮组织的恶性肿瘤，是恶中最常见的一类。癌症现已成为威胁人类健康的头号杀手，有研究学者如不采取有效措施，预计到 2030 年全世界每年将有 2300 万新增案例，死于癌症，其中典型的恶性肿瘤有肺癌，胃癌等。现行治疗方案中手术和药物治疗（化疗）是治疗恶性肿瘤的三种最主要的方法，但是都存在度的副作用。其中药物治疗在临床中应用最为广泛。然而，随着环境恶作压力的增加，癌症患者变得越来越多，寻求有效，副作用小的抗癌药得非常迫切[3, 4]，其中又以紫杉醇[5, 6]，，紫杉醚[7, 8]，埃博霉素[9]等最为重

吸收光谱,紫杉,课题组,侧链

抗病毒，抗寄生虫的药作为靶点。合理的药潜在的药物靶点，受体，离子通道等来设计社会所辅助药物设计因耗费少，精度高的优点正越来越受推断紫杉醚详细的结构信息，相应的理论研究非常结构特征的详细测定在文献中似乎并没有过多的报道醚的结构、性质及其作用机制进行详细的探索。及意义目标是通过软件模拟出所有可能的紫杉醚构象，并获知识，找到最稳定的紫杉醚构象，并计算不同构象异数[34]，偶极矩[35]，零点振动能[36]，红外（IR）振动V）吸收光谱和紫杉醚的溶剂化能，这些信息对以后论意义。基于通过 Gaussian 09 软件获得的最低能量构ck 4.2 分子对接和 Gromacs 5.0 分子动力学模拟软件对[37]。
【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R914

【参考文献】