GPCRs配體小分子的計算機模擬與藥物構設

來源: www.bnzqvc.live 作者:lgg 發布時間:2013-11-18 09:26 論文字數:39560字
論文編號: sb201311171451459086 論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文 論文價格: 150
通過比較分析不同同源性蛋白質間和同種蛋白質在不同狀態下結構和功能,來揭示蛋白質的作用機制。這為我們研究GPCRs 受體的結構和功能及其關系提供了強有力的實驗數據,也為驗證以前的理

第一章 研究背景


1.1 蛋白質的基本單元
蛋白質從結構上看,是一系列氨基酸通過羧基和氨基縮合失水(即肽鍵)連接而成的長肽鏈。在描述蛋白質的一級結構時,我們以氨基酸殘基(-NH-CHRi-CO-)為單位;而在研究蛋白質立體結構時,必須用肽平面(-CHRi-CO-NH-CHRi+1-)為基本單位(圖 1-1)。用兩面角 ω 來描述肽鍵的剛性和可變程度;用 ψ 和 φ 來定量描述 α 碳原子和肽平面間單鍵旋轉情況:α 碳原子與氨基一側成角用 φ 表示,而與羧基一側用 ψ 表示;另一些兩面角 χi 來定量描述氨基酸側鏈中一些碳原子(如 α碳原子和 β 碳原子)間單鍵旋轉的參數。由于氨基酸殘基側鏈基團體積變化,其位阻效應影響著 ψ 和 φ 的可變動范圍。Ramachamdran 及其同事以肽鍵的剛性為基礎,計算出 ψ 和 φ 的所有可能值并以此為坐標繪制了在肽鏈骨架中各種氨基酸殘基 ψ 和 φ 的許可值的二維圖,被稱之為拉氏作圖。這為我們在模建蛋白時,對評價模型結果提供了判斷依據。甘氨酸在 α 碳原子上是 2 個氫原子,不產生任何位阻效應但在蛋白質的立體結構形成中起著特定的作用,通常出現在蛋白質的轉角區域或構象柔性區域,嚴重破壞 α 螺旋的形成;丙氨酸殘基傾向形成 α 螺旋;半胱氨酸在側鏈有高度的化學反應活性,而且位置合適的兩個半胱氨酸能形成穩定的二硫鍵,這對蛋白質的立體結構及其重要;脯氨酸是環狀的亞氨基酸,易于變成順式的肽鍵,在多肽鏈中缺少酰胺氫而不能形成骨架氫鍵;天冬酰胺的側鏈體積較小多出現于轉角中,還常是 N 糖基化的位點;帶電荷氨基酸側鏈上帶正電荷可與帶負電荷的基團產生靜電相互作用。氨基酸和一些氨基酸的衍生物是重要的神經遞質,包括谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸、源自組氨酸的組胺、源自色氨酸的 5-羥色胺、源自天冬氨酸的 N 乙酰天冬氨酸、多巴胺、源于酪氨酸的去甲腎上腺素、精氨酸的代謝產物一氧化氮、蛋氨酸系列反應后生成的乙烯。


1.2 蛋白質的結構
蛋白質的一級結構、二級結構和三級結構的概念是由丹麥蛋白質化學家Linderstrom-Lang 于 1953 年提出;英國晶體學家 Bernal 在 1978 年提出了蛋白質四級結構概念。近年來,蛋白質化學家提出了超二級結構和結構域。蛋白質的二級、三級和四級結構又稱為高級結構。蛋白質由其一級結構折疊成三級結構的過程被認為是動力學過程;而形成的三級結構蛋白質能夠穩定存在是由熱力學決定的。蛋白質結構中,原子和基團間的錯綜復雜而又有級聯次序的相互作用可歸結為類似化學中常見的成鍵締合和非成鍵作用。主要有以下幾種類型:氫鍵:蛋白質中存在有大量的電離的羧基和質子化的氨基及亞氨基,它們是很好的氫原子的受體和供體,在特定的幾何構型和適宜的距離時,彼此相互作用形成氫鍵。如果氫受體和供體本身再帶有電荷,通常是堿性和酸性氨基酸殘基間的氫鍵,則強度更大。形成氫鍵的能量變化不大,但從其在形成蛋白質的二級結構中來看,尤其重要。靜電作用:蛋白質內氨基酸殘基上帶電的基團間能產生靜電相互作用,也稱為鹽橋;而一些極性基團周圍環境的影響下可以被誘導成一種穩定的偶極也能產生靜電作用。這些靜電作用嚴格服從庫倫定律。范德華力:蛋白質中所有的原子都在不停地運動,原子上的電子也時刻都在繞著原子核做運動。由于一些原子在某一瞬間的正負電荷發生相對偏移形成瞬間偶極而產生的相互作用稱為色散力,也就是我們熟知的范德華力。疏水作用[29]:生物體本身就是疏水和親水物質平衡統一的產物。組成蛋白質的疏水性氨基酸殘基間聚集而形成的相互作用被稱為疏水作用,其在形成和穩定蛋白質的立體構象中的作用極其重要。疏水作用的本質是一種熵驅動的作用。配位鍵:在一些金屬蛋白質中,一些參與形成氫鍵的氨基酸上的基團也能和金屬鐵、鈣、鋅、銅、錳、鎂、鉬等形成配位鍵,從而穩定蛋白質的結構和實現一些功能作用。二硫鍵:在真核生物新生肽鏈合成后,兩個半胱氨酸殘基的側鏈疏基氧化成胱氨酸,而形成的非常強的共價鍵,此鍵稱為二硫鍵,它是蛋白質翻譯后修飾的結果。二硫鍵的形成使得肽鏈的空間結構更緊密,很好地穩定了蛋白質的結構,常常作為蛋白質折疊過程中的限速步驟。其他作用:糖基化可以明顯改變蛋白質表面的親水和疏水平衡;磷酸化對參與細胞內信號傳導的蛋白質的功能十分重要;蛋白質 N 和 C 端的修飾,據推測與蛋白質的防降解有關。


第二章 研究方法


本章首先介紹基于配體分子的藥物設計的定量構效關系方法,CoMFA 和CoMSIA,從兩種方法的基本原理可以獲知,在不清楚藥物作用受體結構的情況下,通過構建藥物分子的定量構效關系模型,對先導化合物結構的修飾及改造。接著我們對基于受體結構的藥物設計的分子對接方法,Glide 和 Induced Fit,并從 Glide的原理來可以得知,通過不同方式和精度的對接,可以尋找到藥物分子與蛋白受體的最適結合狀態。最后,我們對計算機模擬實驗室真實溶液中分子運動的分子動力學模擬做了詳細的介紹,從理論上解釋模擬的可靠性。


2.1 定量構效關系
定量構效關系(QSAR)是采用數理統計方法,將化合物的某種生命活性表示成化合物結構的函數,研究和揭示兩者之間的定量變化規律。最早是在 1868 年由Crum-Brown 和 Fraser 提出,直到 1964 年,在 Hansch 法[65]和模式識別 Free-Wilson法[66]的發表,定量構效關系的研究才進入實質性發展。1988 年,R.D.Cramer 又發表了比較分子力場分析法 (CoMFA)[67],及 1994 年 G.Klebe 提出的比較分子相似性法(CoMSIA)[68]。這將分子的三維結構考慮進模型中,而統稱為 3D-QSAR,其間接反映藥物分子作用過程中底物和受體之間的非鍵相互作用。通常實驗上的生物活性相關量度有:半數抑制濃度(IC50)、半數有效濃度(EC50)、半數致死濃度(LC50)、半數有效劑量(ED50)、半數致死劑量(LD50)和最小抑制濃度(MIC)等。另外,還有距離幾何學(DG)[69]、分子形狀分析(MSA)[70]和虛擬受體方法(FR)[71]等三維定量構效關系。


第三章 定量構效關系 ...........23
3.1 數據準備 ...........23
3.2 標準 CoMFA 模型及其等勢圖分析 ...........28
3.3 區域集中優化 CoMFA 模型及其等勢圖...........33
3.4 CoMSIA 模型及其等勢圖分析 ...........36
3.5 結論 ...........38
第四章 分子對接...........41
4.1 數據準備 ...........41
4.2 分子對接分析 ...........43
4.3 結論 ...........48
第五章 分子動力學 ...........49
5.1 數據準備 ...........49
5.2 分子動力學模擬結果分析...........50
5.3 結論 ...........56


結論


GPCRs 是目前新藥研究與開發的重要靶標,通過配體小分子與 GPCRs 綁定下的計算機分子動力學模擬,研究藥物小分子與蛋白質的相互作用機制和作用過程,可以探索在不同藥物分子的作用下蛋白質結構與功能關系,進一步探討人類疾病機理,及時作出預防、診斷和治療,為改進藥效和研制新藥提供了重要的信息和依據。在利用計算機輔助進行藥物設計中,我們通常采用基于配體的藥物設計和基于受體的藥物設計方法。對于前者,可以在不清楚藥物作用靶蛋白的情況下對現有的大量藥物分子的結構和藥效等信息進行定量構效關系的研究,如利用 CoMFA和 CoMSIA 工具,用于對先導化合物結構的修飾及改造。對于后者,一般是在已知受體蛋白質三維結構的條件下將藥物小分子綁定到蛋白質活性位點來研究兩者的結合模式,如利用 Glide 和 Induced Fit 工具,用于尋找藥物分子-蛋白受體的最適結合狀態。通過以上方法的研究,我們基本確定了吡唑-噁二唑類衍生物中的 R1 和 R2 取代基位置上的基團的電性、體積和朝向對其在S1P1受體中的生物活性值特別重要,這是我們以后進行藥物改進要注意的關鍵點;S1P1 受體跨膜螺旋上殘基 L1283.36、L2726.51、F2736.52、L2766.55、C2067.43、T2077.44、C2067.43、F2107.47和 A3007.43圍成的疏水區域與配體上的疏水尾巴形成致密的疏水相互作用對提高藥物小分子的生物活性值至關重要;同時被廣泛認為是激活開關的殘基 W2696.48,在高活性激動劑化合物 81 的綁定下,所特有的與 F2656.44和 F2736.52三者之間形成大的 π-π 共軛體系對配體綁定下的 S1P1 受體處于穩定的激活態十分重要。在國務院《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》中重點發展生物產業政策的支持下,創新藥物的研發和靶標 GPCRs 的結構與功能研究將處于快速發展期。這將為我們提供更多的實驗數據,有利于實驗技術與計算機模擬的有機結合,從而進一步推動藥物恩子設計和開發的發展。


參考文獻
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