生物大分子的量子和经典的理论计算研究

论文摘要

生物大分子的动力学模拟计算研究随着计算机计算能力的快速发展越来越受到人们的重视。分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟计算可以通过力场得到生物大分子在原子水平上的相互作用,重现分子运动的微观过程,可以得到生物大分子构象变化的详细信息以及系统静态和动态的动力学性质和热力学性质。在近几十年里,分子动力学模拟已经成为研究生物大分子的一个重要工具和活跃的前沿课题。准确的自由能预测,可以使我们更好地理解生物大分子的结构和功能关系,为合理的药物设计提供依据。热休克蛋白（heat shock proteins, Hsps）是1962年由遗传学家Ritossa发现。热休克蛋白是一类在生物进化过程中高度保守的蛋白质。近年来的研究认为Hsp90是许多癌基因通路的重要组成部分,在肿瘤细胞的成长过程中有着非常重要的作用,Hsp90已成为抗肿瘤药物的新靶点,Hsp90及其抑制剂是目前抗肿瘤研究的热点和前沿。4BH、2E1和2D9是基于吡唑而设计的Hsp90抑制剂。2E1由4BH的位置P1上添加乙基乙酰胺（ethylacetamide）基团而形成,在位置P2用甲磺酰基-苯基（methylsulfonyl-benzene）基团替代了原有基团抑制剂4BH变为抑制剂2D9。两个取代都包含了疏水基团—烷基和苯基,这可能是导致疏水相互作用加强的原因,本论文目的是评价两个取代基团对结合自由能的影响。本论文中,我们对4BH-Hsp90,2E1-Hsp90,2D9-Hsp90三种复合物做了2ns的动力学模拟,结果显示,三种复合物的RMSD几乎相同,我们用MM-PBSA方法计算了三种复合物的结合自由能,结果显示,范德华作用是抑制剂与蛋白相互作用的主要驱动力,抑制剂与每个残基的相互作用谱显示2D9中甲磺酰基-苯基（methylsulfonyl-benzene）替代导致抑制剂2D9与热休克蛋白产生一个新的且比较重要的作用区。通过构效关系的分析发现,P1和P2位置的替代使2E1和2D9比4BH更有利于与热休克蛋白结合。这些结果为开发更高效抗癌药物提供了有价值的信息。获得性免疫缺陷综合症（acquired immunodeficiency syndrome, AIDS）简称艾滋病,主要由I型人类免疫缺陷病毒（Human immunodeficiency virus I,HIV-1）引起。在HIV-1基因组复制过程中,有三种关键的酶,分别是HIV-1逆转录酶（reversetranscriptase, RT）、蛋白酶（protease, PR）和整合酶（intergrase, IN）。其中蛋白酶是一个具有C2对称性的同源二聚体,每一条肽链由99个氨基酸组成,它的功能是在病毒生命周期中把HIV-1加工为能感染宿主细胞的成熟病毒颗粒,HIV-1蛋白酶中Asp25/Asp25’的质子化状态对于蛋白酶抑制剂的研发以及氨基酸变异对抗药性的影响有重要意义,HIV-1蛋白酶已成为治疗艾滋病药物的重要靶点之一。因此针对这一靶点的药物设计在目前和将来都是相关理论研究的热点领域。本文还研究了HIV-1蛋白酶抑制剂P1/P1’位置的苄基上一系列氟取代抑制剂的结构活性关系。BE4, BE5和BE6是三个分别在P1/P1’位置的苄基上2,4-、2,3-和2,5-氟取代形成的具有对称性结构的蛋白酶抑制剂。在三个抑制剂中,P1/P1’位置的疏水性苄基和P2/P2’位置的基团2-茚烷醇分别与HIV-1蛋白酶的疏水性口袋相结合。本文对抑制剂BE4、BE5和BE6与HIV-1蛋白酶的复合物分别进行了2ns的分子动力学模拟,模拟过程中位于蛋白酶残基Ile50/Ile50’和抑制剂间的结晶水分子Wat301维持的很好,Wat301分别与残基Ile50/Ile50’和抑制剂形成了稳定的氢键,构建起抑制剂与HIV-1蛋白酶相互作用的桥梁。用MM-PBSA方法计算了三个抑制剂与HIV-1蛋白酶的结合自由能,所获得的结合自由能预测值的排序与实验值的排序吻合得很好。同时,使用GBSA方法得到的能量分解表明,对结合能做出重要贡献的残基形成了以Ala28、Ile50、Ile84、Ala28’、Ile50’和Ile84’为中心6个相互作用群,并且三个抑制剂以相同的作用模式与HIV-1蛋白酶结合,抑制剂与蛋白酶的作用模式为新型蛋白酶抑制剂的设计提供一些理论上的指导。GRL02031（031,（3aS,5R,6aR）-hexahydro-2H-cyclopenta[b]furan-5-yl[（1S,2R）-1-benzyl-2-hydroxy-3-（[（4-methoxyphenyl）sulfonyl]{[（2R）-5-oxopyrrolidin-2-yl]methyl}amino）propyl]carbamate）是最新研制的有较好抗变异能力的抑制HIV-1病毒的药物。本论文中,我们用动力学模拟计算并结合自由能计算的方法研究了HIV-1蛋白酶中Asp25/Asp25’的不同质子化状态对于PR-031相互作用的影响。在PR-031的复合物中,抑制剂GRL02031分别与Asp25/Asp25’形成氢键,,PR与抑制剂GRL02031的相互作用受到两个天冬氨酸残基质子化状态的影响,然而天冬氨酸残基的质子化状态取决于抑制剂的结构以及复合物所处的环境,PR-031复合物的晶体结构中没有提供有关质子化的信息。天冬氨酸质子化态的确定有助于相关药物的设计,有助于HIV-1 PR的变异对抑制剂GRL02031抗药性影响的理论研究。本研究对PR-031复合物的四种最可能的质子化态进行了5ns的分子动力学模拟,并用MM- PBSA方法计算了PR-031复合物在各种质子化态下的结合自由能,同时用GBSA方法计算了抑制剂GRL02031与蛋白酶各残基的相互作用能。结果显示,不同的质子化态对动力学特征、结合自由能以及PR-031作用机制有较大的影响。综合分析表明A链中Asp25的OD2的质子化是最为可能的质子化态。氢键分析表明不同的质子化态对水分子所起的桥梁作用也有一定的影响。这些研究结果能够对设计更高效的蛋白酶抑制剂以及抗变异药物的研究有理论上的指导意义。本论文的主要工作可分三部分:第一部分,研究了Hsp90与三个吡唑类抑制剂的作用机制;第二部分,研究了HIV-1蛋白酶与P1/P1’位置的苄基上氟位置不同抑制剂的构效关系;第三部分,研究了Asp25/Asp25’的不同质子化状态对HIV-1蛋白酶和抑制剂GRL02031相互作用的影响。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 生物大分子动力学研究的背景和意义
• 1.2 研究生物大分子和配体小分子相互作用的意义
• 第二章 理论基础和计算方法
• 2.1 量子化学计算
• 2.1.1 从头算法
• 2.1.2 波恩-奥本海默近似
• 2.1.3 哈特利自洽场近似
• 2.1.4 哈特利-福克近似
• 2.1.5 密度泛函理论
• 2.2 分子力学方法
• 2.2.1 分子力场
• 2.2.2 分子力学
• 2.3 分子动力学模拟
• 2.3.1 分子动力学模拟的基本原理
• 2.3.2 牛顿运动方程的数值解法
• 2.3.3 分子动力学模拟的基本步骤
• 2.3.4 SHAKE 算法
• 2.4 自由能
• 2.4.1 FEP 方法
• 2.4.2 TI 方法
• 2.4.3 LIE 方法
• 2.4.4 MM-PBSA 方法
• 2.4.5 抑制剂和残基的相互作用
• 2.5 氢键动力学分析
• 第三章 Hsp90 与抑制剂4BH、2E1 和2D9 相互作用的模拟计算
• 3.1 Hsp90 与三个抑制剂作用体系简介
• 3.1.1 Hsp90 的功能及其抑制剂简介
• 3.1.2 4BH、2E1 和2D9 与Hsp90 作用体系简介
• 3.2 计算模拟过程
• 3.3 结果分析及讨论
• 3.3.1 动力学模拟的平衡分析
• 3.3.2 MM-GBSA 方法计算的结合自由能
• 3.3.3 构效关系分析
• 3.4 结论
• 第四章 HIV-1 蛋白酶与抑制剂BE4，BE5 和BE6 相互作用的模拟计算
• 4.1 HIV-1 与HIV-1 蛋白酶-抑制剂体系简介
• 4.1.1 HIV-1 与HIV-1 蛋白酶
• 4.1.2 HIV-1 蛋白酶与三个抑制剂作用体系简介
• 4.2 计算模拟过程
• 4.3 结果分析及讨论
• 4.3.1 动力学模拟的平衡分析
• 4.3.2 桥接水分子稳定性的分析
• 4.3.3 自由能计算
• 4.3.4 能量分解
• 4.4 结论
• 第五章 HIV-1 PR- GRL02031 复合物中Asp25/Asp25'质子化状态的研究
• 5.1 HIV-1 PR- GRL02031 复合物简介
• 5.2 模型与计算
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 质子化状态对动力学特征的影响
• 5.3.2 质子化状态对结合自由能的影响
• 5.3.3 质子化状态对PR-031 作用机制的影响
• 5.3.4 质子化态对水分子作用的影响
• 5.4 结论
• 第六章 论文意义与展望
• 6.1 论文总结和意义
• 6.2 论文的创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢