胆碱酯酶及α-葡萄糖苷酶抑制剂的结合模式及输运机制的分子动力学研究
发布时间：2020-12-28 09:35
酶是由活细胞产生的一类具有催化作用的蛋白质,研究酶和底物的相互作用,不仅有助于了解其催化机理,而且对药物研发以及药物作用机制的研究也具有十分重要的意义。随着各类蛋白质数据库的不断丰富,一些传统的生物实验方法已经难以满足人们对生物酶结构和功能的预测和药物设计的需要。目前,分子动力学（Molecular Dynamics,MD）已经发展成为研究生物酶功能的有效手段,该方法主要根据牛顿力学来模拟分子体系的运动,从分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本来计算体系的构型积分,在构型积分的结果的基础上,计算体系的热力学性质和其他宏观性质。本论文主要采用分子动力学模拟,结合MM/GBSA、SMD、RAMD MD、伞形采样等多种方法和技术,对几类酶的底物输运及相关抑制剂作用机制进行理论研究,主要研究内容如下:1:丁酰胆碱酯酶（Butyrylcholinesterase,BCh E）是由肝脏合成的一种非特异性酯酶,在阿兹海默症发病后期对乙酰胆碱水解起着非常关键的作用,是一个潜在的阿兹海默症治疗靶标。他克林是一个经典的药效团,可以同时抑制丁酰胆碱酯酶和乙酰胆碱酯酶,它作为曾经治疗阿兹海默症的有效药物,现在...
【文章来源】：河南大学河南省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国食品和药物管理局(FDA)批准用于治疗AD的主要药物
3他克林在丁酰胆碱酯酶(BChE)中的抑制以及释放机制的理论计算13晶体结构数据给我们提供了直观的结构模型，理解BChE和他克林之间的相互作用也很重要，同时也仍然存在一些重要问题亟待解决：（i）关键残基在活性位点对他克林结合的具体贡献是什么;（ii）底物他克林释放的可能通道是什么，哪一条是最有利的；（iii）他克林释放过程中的热力学和动力学性质及机理如何；（iv）哪些残基在他克林释放过程中起关键作用。为了阐明这些问题，我们采用经典的分子动力学模拟，结合伞形采样等技术对该体系进行计算。该工作是探索新型潜在特异性BChE抑制剂的初始阶段，并为设计具有更好动力学性质的选择性新型BChE抑制剂提供了分子基矗图3-2BChE与他克林复合的X射线晶体结构（PDBID：4BDS）。其中关键残基和配体以棒状表示，水以青绿色球表示。3.2计算方法3.2.1酶-底物复合物模型的构建将BChE与他克林复合物的高分辨率晶体结构（PDBID：4BDS；分辨率：2.1）作为模拟的初始模型[83]。我们使用SYBYL-X2.1.1[12]软件中的Biopolymer模块补齐了蛋白的缺失残基片段，通过PROPKA3.0及周围环境判断蛋白质残基在pH=6.5的质子化状态[84]，利用Gaussian03软件[85]，在HF/6-31G(d)水平下，使用RESP（restranedelectrostaticpotential）[86]计算他克林的原子电荷。蛋白质和配体分别用AMBER99SB力场[87,88]和AmberGAFF力场[89]来描述。水分子通过TIP3P水分子模型[90]来描述。将整个蛋白复合物溶解在94×80×79大小的立方体水盒子中，水盒子边缘与最近的
几类酶抑制剂的结合模式及输运机制的分子动力学研究14溶质原子之间的缓冲距离设定为10，通过添加氯离子中和整个体系，使整个体系呈现电中性。使用AMBER12软件[91]的tleap模块生成整个系统的拓扑参数和初始坐标。模型构建的过程如图3-3所示。图3-3BChE蛋白的结构以及模型的构建过程。3.2.2分子力学水平的分子动力学模拟为了消除原子之间不良的相互作用，首先使用最速下降法将整个系统最小化，再使用共轭梯度法进行10000步最小化操作；随后，将系统从0K逐渐加热到300K，然后再进行100psNPTMD模拟，将密度弛豫至约1.0g/cm3；最后，在NPT系综下，使用周期性边界条件对整个体系进行50ns的经典MD模拟。采用Langevin方法将体系温度保持在300K[92]。为了平衡计算精度及所耗资源，将范德华和静电相互作用的截断值设置为12。所有与氢原子相连的键均通过SHAKE算法[93]来约束。BChE蛋白骨架的稳定性通过均方根偏差（RMSD）评估，并使用MMMD模拟的最后10ns轨迹来分析氢键。整个MD模拟是在AMBER12软件中完成的[91]。3.2.3MM/GBSA方法计算自由能MM/GBSA(MolecularMechanics/GeneralizedBornSurfaceArea)方法被广泛应用于计算蛋白质-配体体系、蛋白质-蛋白质体系和蛋白质-多肽体系的结合自由能。此外，MM/GBSA方法可以将自由能贡献分解为来自不同原子组或不同相互作用类型。蛋白质-配体之间的结合自由能计算公式如下:
【参考文献】：
期刊论文
[1]阿尔茨海默症的发病机理假说[J]. 陈光银,董长治,王静,杜志云. 广东化工. 2019(11)
[2]酶催化过程的全程模拟[J]. 赵媛,曹泽星. 物理化学学报. 2017(04)
[3]酶抑制剂筛选模型研究进展[J]. 王振,宋洋,彭坤. 中国当代医药. 2013(22)
[4]植物多糖降血糖作用机制研究[J]. 刘月冉,耿越. 食品与药品. 2012(01)
[5]油茶果壳多糖的抗氧化作用及单糖组成[J]. 康海权,陈亚琪,陈秋平,沈建福. 食品与发酵工业. 2010(04)
[6]茜草抑制α-葡萄糖苷酶活性成分研究[J]. 康文艺,张丽,宋艳丽. 中国中药杂志. 2009(09)
[7]配体和受体间的结合自由能的计算方法[J]. 杨忠志,刘慧波. 辽宁师范大学学报(自然科学版). 2008(04)
[8]酶与医学的关系[J]. 杨洁. 黑龙江科技信息. 2008(11)
本文编号：2943527
【文章来源】：河南大学河南省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国食品和药物管理局(FDA)批准用于治疗AD的主要药物
3他克林在丁酰胆碱酯酶(BChE)中的抑制以及释放机制的理论计算13晶体结构数据给我们提供了直观的结构模型，理解BChE和他克林之间的相互作用也很重要，同时也仍然存在一些重要问题亟待解决：（i）关键残基在活性位点对他克林结合的具体贡献是什么;（ii）底物他克林释放的可能通道是什么，哪一条是最有利的；（iii）他克林释放过程中的热力学和动力学性质及机理如何；（iv）哪些残基在他克林释放过程中起关键作用。为了阐明这些问题，我们采用经典的分子动力学模拟，结合伞形采样等技术对该体系进行计算。该工作是探索新型潜在特异性BChE抑制剂的初始阶段，并为设计具有更好动力学性质的选择性新型BChE抑制剂提供了分子基矗图3-2BChE与他克林复合的X射线晶体结构（PDBID：4BDS）。其中关键残基和配体以棒状表示，水以青绿色球表示。3.2计算方法3.2.1酶-底物复合物模型的构建将BChE与他克林复合物的高分辨率晶体结构（PDBID：4BDS；分辨率：2.1）作为模拟的初始模型[83]。我们使用SYBYL-X2.1.1[12]软件中的Biopolymer模块补齐了蛋白的缺失残基片段，通过PROPKA3.0及周围环境判断蛋白质残基在pH=6.5的质子化状态[84]，利用Gaussian03软件[85]，在HF/6-31G(d)水平下，使用RESP（restranedelectrostaticpotential）[86]计算他克林的原子电荷。蛋白质和配体分别用AMBER99SB力场[87,88]和AmberGAFF力场[89]来描述。水分子通过TIP3P水分子模型[90]来描述。将整个蛋白复合物溶解在94×80×79大小的立方体水盒子中，水盒子边缘与最近的
几类酶抑制剂的结合模式及输运机制的分子动力学研究14溶质原子之间的缓冲距离设定为10，通过添加氯离子中和整个体系，使整个体系呈现电中性。使用AMBER12软件[91]的tleap模块生成整个系统的拓扑参数和初始坐标。模型构建的过程如图3-3所示。图3-3BChE蛋白的结构以及模型的构建过程。3.2.2分子力学水平的分子动力学模拟为了消除原子之间不良的相互作用，首先使用最速下降法将整个系统最小化，再使用共轭梯度法进行10000步最小化操作；随后，将系统从0K逐渐加热到300K，然后再进行100psNPTMD模拟，将密度弛豫至约1.0g/cm3；最后，在NPT系综下，使用周期性边界条件对整个体系进行50ns的经典MD模拟。采用Langevin方法将体系温度保持在300K[92]。为了平衡计算精度及所耗资源，将范德华和静电相互作用的截断值设置为12。所有与氢原子相连的键均通过SHAKE算法[93]来约束。BChE蛋白骨架的稳定性通过均方根偏差（RMSD）评估，并使用MMMD模拟的最后10ns轨迹来分析氢键。整个MD模拟是在AMBER12软件中完成的[91]。3.2.3MM/GBSA方法计算自由能MM/GBSA(MolecularMechanics/GeneralizedBornSurfaceArea)方法被广泛应用于计算蛋白质-配体体系、蛋白质-蛋白质体系和蛋白质-多肽体系的结合自由能。此外，MM/GBSA方法可以将自由能贡献分解为来自不同原子组或不同相互作用类型。蛋白质-配体之间的结合自由能计算公式如下:
【参考文献】：
期刊论文
[1]阿尔茨海默症的发病机理假说[J]. 陈光银,董长治,王静,杜志云. 广东化工. 2019(11)
[2]酶催化过程的全程模拟[J]. 赵媛,曹泽星. 物理化学学报. 2017(04)
[3]酶抑制剂筛选模型研究进展[J]. 王振,宋洋,彭坤. 中国当代医药. 2013(22)
[4]植物多糖降血糖作用机制研究[J]. 刘月冉,耿越. 食品与药品. 2012(01)
[5]油茶果壳多糖的抗氧化作用及单糖组成[J]. 康海权,陈亚琪,陈秋平,沈建福. 食品与发酵工业. 2010(04)
[6]茜草抑制α-葡萄糖苷酶活性成分研究[J]. 康文艺,张丽,宋艳丽. 中国中药杂志. 2009(09)
[7]配体和受体间的结合自由能的计算方法[J]. 杨忠志,刘慧波. 辽宁师范大学学报(自然科学版). 2008(04)
[8]酶与医学的关系[J]. 杨洁. 黑龙江科技信息. 2008(11)
本文编号：2943527
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