ABEEMσπ/MM应用于酶与抑制剂自由能的计算及β-发夹水溶液的动力学模拟
在药物设计中,以酶作为药物的靶点历史悠久,至今仍是重要的研究对象。临床应用的许多药物是通过特异性地抑制或者少数是激活酶活性而起到作用的,统计表明,大约有三分之一的临床药物是酶抑制剂。所以对酶与配体间相互作用的探索和研究对新药物的开发与设计是至关重要的。与此同时,随着计算机科学的发展,也为对配体-受体相互作用进行高精度的理论计算(如结合自由能计算)提供了良好的硬件平台。因此,各种力场纷纷发展起来,并应用到了生物酶的结构研究以及计算机辅助药物分子设计当中。
计算机辅助药物设计是应用量子化学、分子动力学、构效关系等数据来研究药物对酶、受体等作用的药效模型,从而达到药物设计的目的。计算机辅助药物设计中常用的方法是分子对接方法,而分子对接的目的就是找到底物和受体分子的最佳结合位置。因此,分子对接面临两个重要的问题:如何找到最佳的结合位置以及如何评价对接分子之间的结合强度,这两个问题在对接计算中又是相互关联的。如何找到最佳的结合位置涉及到结构优化的问题。而第二个问题是底物分子和受体分子之间的结合能力的预测,它涉及到结合自由能(binding free energy)的预测问题。分子对接过程中的自由能的计算是基于结构的计算机辅助药物分子设计的核心问题之一。计算结合自由能的方法有很多种,但都存在着一些局限和问题,所以建立和发展一种准确和快速的计算结合自由能的方法是当前药物设计的关键性问题。
本论文基于Yang等人提出的原子-键电负性均衡方法融合进分子力学(ABEEMσπ／MM),结合广义波恩(GB)静电溶剂化模型,并将其融合进LIE方法,提出了一种计算酶与抑制剂结合自由能的方法。具体应用到一组训练集,24个抑制剂与HIV-1蛋白酶的自由能计算当中,拟合出了计算方法中的参数值。将该方法应用到7个结构不同的抑制剂与HIV-1蛋白酶的自由能计算中得到了很好的结果,证明了该方法计算的准确性和适应性。进一步我们又将该方法在原参数的情况下,直接应用到环氧化酶-2(COX-2)及Beta-分泌酶(BACE)与抑制剂的自由能计算中,对计算结果进行了分析和讨论。除此之外,我们还应用ABEEMσπ／MM模型对β-发夹水溶液进行了分子动力学模拟,以及对甲酸-水分子团簇的性质进行了研究。本文的工作主要包括以下几部分:
(1)ABEEMσπ／MM应用于HIV-1蛋白酶与抑制剂结合自由能的计算本文中,我们提出了一种计算结合自由能的方法,即将ABEEMσπ浮动电荷力场及GB静电溶剂化模型融合进线性相互作用能(LIE)方法来计算结合自由能。分别为三参数和两参数的模型,具体的公式如下:
ΔGbind=α(ΔEvdw)+β(ΔGelec)+ΔGtr,rotΔGbind=α(ΔEvdw)+β(ΔGelec)该方法参数的拟合是通过将其具体应用到一组训练集,24个抑制剂与HIV-1蛋白酶的自由能计算当中,并与实验的自由能值进行对比,线性相关系数达到了0.93和0.91,且自由能的计算值与实验值之间的均方根偏差(rmsd)仅为0.70和0.77 kcal／mol,绝对平均偏差仅为0.56和0.55 kcal／mol。进一步将该方法应用到7个结构不同的抑制剂与HIV-1蛋白酶的体系中,计算的自由能值与实验值之间的均方根偏差很小,充分地证明该方法计算的准确性和适应性。通过比较训练集中三个模型分子的回旋半径,以及三个模型分子与蛋白酶活性区域间的氢键距离,得出与自由能相一致的比较结果,进而证明了该方法结合结构分析可以应用到新的抑制剂与HIV-1蛋白酶相互作用的评价中。
(2)环氧化酶-2(COX-2)及Beta-分泌酶(BACE)与抑制剂相互作用的研究应用我们提出的结合自由能计算方法,先后对环氧化酶-2(COX-2)及Beta-分泌酶(BACE)与抑制剂之间的结合自由能进行计算,同时我们还计算了不同抑制剂与COX-2的相对结合自由能,并与实验值进行比较。一方面,通过对两个不同体系的底物与抑制剂间结合自由能的计算,对我们提出的计算自由能方法中参数的可转移性进行了检验；另一方面,我们结合相对结合自由能的计算以及电荷分布的分析来判断不同抑制剂的抑制能力。
(3)ABEEMσπ／MM应用于β-发夹水溶液的分子动力学模拟关于β-发夹在水溶液中的稳定性还存在着许多的争议。在我们的研究中,我们利用ABEEMσπ／MM模型及ABEEM-7P水模型,对G蛋白的B1区域的16个残基的β-发夹结构进行了温度为280 K、300 K、350 K和450 K的分子动力学模拟,并研究其动力学结构性质。此外,通过温度在300 K突变疏水残基为丙氨酸残基的动力学模拟,分析疏水以及亲水表面积来测定疏水相互作用在稳定水溶液中β-发夹结构中所起到的作用。我们发现当突变疏水残基为丙氨酸残基,在模拟过程中β-发夹出现了不稳定的现象,而且在1.5纳秒左右出现了解折叠的现象。进一步通过不同温度以及突变的模拟过程中氢键个数的变化也得出:在稳定β-发夹结构中,主链的氢键也起到了关键性的作用。除此之外,对比其他力场的模拟结果,进一步地得出我们力场参数的准确性和可转移性。
(4)甲酸-水分子团簇的性质研究及甲酸水溶液的分子动力学模拟基于ABEEMσπ／MM方法,我们对甲酸与水分子之间的相互作用进行了系统的研究。包括甲酸结合1～3个水分子共20个稳定构象优化的几何构型、ABEEMσπ电荷分布以及相互作用能。以上研究结果与高水平从头计算方法相比都显示了很好的一致性。对于20个稳定构象的相互作用能相对高水平从头计算方法(MP2／aug-cc-pVTZ)的均方根偏差仅为0.74 kcal／mol,而且线性相关系数达到了0.993。此外,我们利用动力学方法研究了甲酸分子在水溶液中的性质,对甲酸与水分子之间的氢键相互作用进行了分析。所有的计算与分析表明,ABEEMσπ浮动电荷模型能够给出甲酸与水分子之间相互作用的合理分析,并与高水平的从头计算方法有很好的一致性。
(5)采用自编的有关程序,有自主知识产权总之,基于原子-键电负性均衡方法融合进分子力学(ABEEMσπ／MM)以及GB溶剂化模型,并将其融合进LIE方法,我们提出了一种计算酶与抑制剂结合自由能的方法。该模型成功的计算了HIV-1蛋白酶与抑制剂的结合自由能,取得的结果都好于现存的其他方法的结果。此外,我们进一步的将该方法在原参数的情况下,计算了环氧化酶-2(COX-2)及Beta-分泌酶(BACE)与抑制剂之间的结合自由能,结果分析得出该方法的参数不具有可转移性。尽管此类方法还需要进一步的完善,但是可以成功的应用到HIV—1蛋白酶与新抑制剂相互作用的评价中,并且可以直接应用该方法准确地判断出其他体系中,不同抑制剂与底物间结合自由能的大小顺序。此方法的提出也为拓展ABEEMσπ浮动电荷力场的应用领域提供了一个新思路。
原子键电负性均衡;浮动电荷力场;结合自由能;生物酶抑制剂;β-发夹;甲酸;水团簇;药物设计
辽宁师范大学
博士
物理化学
杨忠志
2010
中文
R914.2;O641.121
162
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）