环十肽包合作用的分子模拟研究

【摘要】：在分子识别的研究方面,环肽作为一种新型的主体分子能与很多药物分子发生包合作用。环肽不仅具有大的空腔,而且与其他刚性结构的主体分子环糊精、冠醚和杯芳烃等相比,环肽构象柔性的特点使其能够根据不同的情况调整自身的构象,有利于药物分子包合进入其空腔。分子模拟方法能够直观地预测药物分子进入环肽空腔的动力学微观过程、主-客体体系包合过程中自由能的变化、以及自由能极小值附近包合物的构象、热力学稳定性等,为相关的实验提供理论上的指导。 本论文应用分子对接方法和分子动力学模拟方法对甘氨酸环十肽及其修饰物与一系列药物小分子的结合模式、构象特征和稳定性、包合过程中自由能的变化以及包合的驱动力等方面分别进行了深入地研究,主要内容包括： 1.用分子对接技术研究了甘氨酸环十肽(Gly)10及其10种修饰物分别与15种药物小分子的包合作用。对接结果表明,这一系列药物分子均能与甘氨酸环十肽及其修饰物形成稳定的包合物,并且药物分子的芳环被环肽包裹越多,结合能越大。 2.运用平均力势方法,即伞状取样模拟和权重处理方法研究了5个药物分子扑热息痛、氨基马尿酸、苯坐卡因、甲苯丙胺、R-脉律定进入甘氨酸环十肽(G1y)10空腔的动力学微观过程,得到了每种包合体系自由能随反应坐标(主-客体质心间距离)变化的曲线。5种包合体系的曲线图形状相似,药物分子从远处逐渐接近甘氨酸环十肽直到两者质心重叠在一起,自由能有一个先降低又升高的过程。将每种曲线图中自由能极小值处的包合物结构用于10ns的平衡态动力学模拟,模拟结果发现这5种包合物结构都具有一定的热力学稳定性。 3.采用平均力势方法研究了两对药物药物对映体利胆醇和安非他命分别进入甘氨酸环十肽修饰物(Gly)9-Thr空腔的动力学微观过程,得到了R(S)-利胆醇、R(S)-安非他命与(Gly)9-Thr的四种包合体系自由能随反应坐标(主-客体质心间距离)变化的曲线。每种包合体系的曲线图中,自由能都存在一个降低又升高的过程。且在整个包合区间中,S-利胆醇与(G1y)9-Thr的自由能一直低于R-利胆醇,S-安非他命与(Gly)9-Thr的自由能也一直略低于R-安非他命。对每种曲线图中自由能极小值处的包合物结构进行10ns的平衡态动力学模拟发现,四种包合物结构在热力学上都能够稳定存在,S-利胆醇与(Gly)9-Thr有着最好的结合模式。 4.运用分子动力学方法模拟了甘氨酸环十肽(Gly)10与5个药物分子扑热息痛、氨基马尿酸、苯坐卡因、甲苯丙胺、R-脉律定的包合物,探索了模拟过程中这5个药物分子能否分别与(Gly)10稳定包合的模拟条件。探索结果表明动力学模拟中(Gly)10和药物分子均被给予0.5kcal·mol-1的约束力时,两者才能稳定地包合。这种模拟条件一方面可以克服(Gly)10自身的柔性,另一方面药物分子不会离开(Gly)10的空腔,药物分子与(G1y)10的结合模式不会发生太大变化。如果模拟中只给予(G1y)10约束力(0.5kcal·mol-1),随着模拟时间的增长,氨基马尿酸、苯坐卡因和R-脉律定逐渐脱离了(Gly)10的空腔而单独存在,失去了与(Gly)10的包合作用,而扑热息痛、甲苯丙胺与(Gly)10在模拟中一直存在包合作用,但两种包合物的稳定性较弱。最后,运用MM_PBSA方法计算了甘氨酸环十肽(G1y)10与5种药物分子的结合能。计算结果表明范德华能和非极性溶剂化能是甘氨酸环十肽与5个药物分子包合的驱动力。 5.运用分子动力学方法模拟了甘氨酸环十肽修饰物(Gly)9-Thr与三对药物对映体利胆醇、安非他命、妥卡胺的包合物,探索了这三对对映体与甘氨酸环十肽修饰物(Gly)9-Thr稳定包合的模拟条件。探索结果同样表明(Gly)9-Thr和对映体分子均被给予0.5kcal·mol-1的约束力时,模拟过程中两者才能稳定地包合。运用MM_PBSA方法处理模拟结果发现范德华能和非极性溶剂化能是甘氨酸环十肽修饰物(Gly)9-Thr与利胆醇、安非他命和妥卡胺这三对对映体包合的驱动力。