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计算机技术在天然产物结构和活性研究中的应用

张寿德  
【摘要】:结构和活性研究是天然产物研究的重点和难点。由于天然产物中成分复杂且作用机制不清楚,使得近年来天然产物在药物研究中的地位有所下降。本论文将一些新的计算机技术引入到天然产物结构和活性的研究中,对天然产物的研究提供了有力的工具。 随着核磁技术的发展,得到天然产物的平面结构较为容易,但是其绝对构型的确定一直是天然产物研究的难点。研究证明,很多手性化合物的活性与其手性息息相关,所以绝对构型的研究在药物发现中具有重要作用。目前用于确定天然产物绝对构型的方法有X-射线单晶衍射,Mosher反应,结构衍生化,旋光,CD谱等方法,但是这些方法都有一定的局限性,X-射线单晶衍射需要化合物能够形成单晶,Mosher反应和结构衍生化对化合物结构具有一定的要求,旋光和CD谱需要有已报道的类似物数据来进行比较,一些无法满足以上条件的化合物其绝对构型的确定仍然面临着困难。近年来通过量子化学计算来确定有机化合物绝对构型的方法已经成为一种可靠稳定的方法。本论文中通过此方法来确定一些无法通过以上方法确定构型的新天然产物的绝对构型。研究主要应用Gaussian软件计算了8个新天然产物的圆二色光谱(ECDs)和旋光值,通过比较它们的计算值和实验值,确定了这些新天然产物的绝对构型,并且总结了一些天然产物计算的规律,提出了天然柔性化合物和刚性化合物的不同算法,为以后天然产物绝对构型的确立提供了有力支持。 天然产物由于结构多样性和具有与人类同样的进化史而具有较好的活性,且毒副作用较小,由此天然产物一直是药物发现中的主要来源。但是作为天然产物主要来源的药用植物由于成分复杂,且近年来研究表明药用植物的治疗作用一般都是通过多成分多靶点的作用网络而起作用,所以如何从天然产物中发现活性较好的先导化合物以及阐述一个药用植物的作用机理一直是天然产物研究的难点也是热点,这也是中药现代化的研究方向。本课题将最新的正向对接和反向对接技术引入了天然产物的研究。通过正向对接发现新的活性化合物是近年来发现先导化合物的重要方法,但是在天然产物的研究领域由于缺乏庞大的化合物库而使得此方法局限于合成化合物库和组合化学库。本研究中收集了组内分离得到的4000多个天然产物,并通过ISISBase软件将其建立成一个天然产物数据库,用于高通量筛选和计算机虚拟筛选。在本研究中通过正向对接技术筛选了建立的天然产物数据库,并发现了一个作用于抗肿瘤靶点Bcl-2的天然活性小分子,通过分子水平实验荧光偏振实验和SPR实验验证发现此化合物具有较好的活性。在肿瘤细胞抑制活性的研究中发现此化合物对白血病细胞HL-60和K562具有较好的活性,通过诱导细胞凋亡机制的研究,发现化合物对K562细胞的活性更好。在皮下接种了K562细胞的白血病动物模型中,化合物52同样表现出一定的抑制活性。 通过反向对接技术可以预测一些活性天然产物的作用靶点,本研究将此技术结合生物技术应用于阐述药用植物的作用机理。研究中通过反向对接平台TarFisDock确定了两种药用植物假马齿苋和金边瑞香治疗糖尿病的活性成分及作用靶标DPP-IV,并通过相似性搜索发现了多个DPP-IV抑制剂,为糖尿病的治疗提供了依据。这种计算机技术结合生物学技术来阐述药用植物作用机理的方法为天然产物的研究提供了很好的研究思路。


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