分子模拟方法研究唾液酸酶与植物源抑制剂间的作用机制

论文摘要

黄芩（Scutellaria baicalensis Georgi）,常用于中药,其主要有效成分是黄酮类化合物。主要药理作用表现为抗菌、抗病毒、抗炎、抗免疫反应、抗氧化及抗肿瘤等。黄芩根中分离出的黄酮类化合物5,7,4′-三羟基-8-甲氧基黄酮（MF）可以有效地抑制流感病毒唾液酸酶活性,但其与唾液酸酶间的相互作用机制尚不清楚。本论文运用分子对接、分子动力学和密度泛函等理论方法,研究唾液酸酶内的杂原子(活性腔附近Ca2+和水分子)对唾液酸酶结构的影响、抑制剂的活性构象以及MF与唾液酸酶间的相互作用情况,为深入理解植物源抑制剂与唾液酸酶之间的作用机制提供重要的理论依据。结构分析表明活性腔附近Ca2+的缺失导致了唾液酸酶活性腔的消失,因此不能和抑制剂发生作用,这和活性腔搜索的结果一致;Ca2+的引入稳定了活性腔的空间结构,从而可以与植物源抑制剂发生作用,此时的唾液酸酶结构与实验得到的晶体结构相近;相对于Ca2+,水分子对活性腔的结构和性质影响较小。通过分析活性腔残基之间的位移,发现Ca2+或/和水分子对氨基酸侧链的影响大于骨架。Ca2+或/和水分子的引入导致活性腔关键肽段二级结构的变化,活性腔内各亚区域的电荷、亲疏水性、极性也重新分布。根据结构分析的结果,我们预测活性腔亚区域1和3决定了底物的作用位置,而底物的空间取向则受到亚区域2和4结构和性质的严重影响。这些结论得到了柔性分子对接实验的有力支持。密度泛函计算结果表明唾液酸酶抑制剂4-（氮-乙酰氨基）-5-胍基-3-（3-戊氧基）安息香酸（BA）在气相中以中性构象最为稳定,而在水溶液中,兼性构象最为稳定。中性和兼性构象在原子相对位置、电荷分布等方面有着显著的差异,如兼性构象中N-乙酰基与正电胍基距离较近,因而与唾液酸酶活性腔亚区域2和3吻合更好。柔性分子对接和分子动力学结果显示兼性构象与唾液酸酶的相互作用能和绝对结合自由能较大,因此形成的复合体系更加稳定,这表明唾液酸酶抑制剂的生物活性构象为兼性。分析发现兼性构象的作用较为集中于8个关键氨基酸残基,而中性构象则为13个氨基酸残基。运用柔性分子对接方法,深入研究了5,7,4′-三羟基-8-甲氧基黄酮（MF）兼性构象与N1、N9亚型唾液酸酶间的结合方式并阐明其作用机制。结果表明MF与N1亚型之间有一种作用模式,相互作用能为-70.26 kcal·mol-1;与N9亚型之间存在两种竞争性的结合模式,最大相互作用能为-83.51 kcal·mol-1。进一步分析发现MF与这两种亚型唾液酸酶相互作用的作用力类型、氢键作用及关键作用氨基酸残基等存在明显的区别。因此,MF可以与各种亚型的唾液酸酶发生很好地相互作用,是一种极具应用前景的新型抗流感病毒药物。结合前人的研究成果,我们还提出以MF为底物的流感药物的修饰方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 黄芩植物化学成分和药理作用的研究概况
• 1.3 流感病毒及唾液酸酶介绍
• 1.3.1 流感病毒
• 1.3.2 唾液酸酶
• 1.3.3 唾液酸酶活性腔和现有唾液酸酶抑制剂的结构信息
• 1.4 本论文涉及到的研究内容、研究目的和研究意义
• 1.4.1 研究方法和内容
• 1.4.2 研究目的
• 1.4.3 研究意义
• 2 理论计算方法简介
• 2.1 分子对接
• 2.1.1 分子对接定义及其热力学过程
• 2.1.2 分子对接的基本原理
• 2.1.3 配体与受体识别过程中的相互作用
• 2.1.4 分子对接的分类
• 2.1.5 分子对接的一般步骤
• 2.1.6 分子对接软件简介
• 2.2 蒙特卡罗基本思想
• 2.3 分子力学
• 2.3.1 分子力场
• 2.3.2 分子力学基本思想
• 2.3.3 分子力学优化算法
• 2.4 分子动力学
• 2.4.1 分子动力学基本原理
• 2.4.2 分子动力学几种常用积分算法
• 2.4.3 分子动力学统计系综
• 2+和结合水对酶活性腔的影响'>3 唾液酸酶内Ca²⁺和结合水对酶活性腔的影响
• 3.1 计算方法
• 3.1.1 体系准备
• 3.1.2 分子对接
• 3.1.3 结果分析
• 3.2 模拟结果和讨论
• 3.2.1 杂原子对唾液酸酶活性腔结构的影响
• 3.2.2 杂原子对唾液酸酶活性腔性质的影响
• 3.2.3 不同唾液酸酶结构与底物BA结合模式分析
• 3.2.4 唾液酸结构、性质变化对底物BA结合模式的影响
• 3.3 本章小结
• 4 唾液酸酶抑制剂生物活性构象研究
• 4.1 计算方法
• 4.1.1 量子化学计算
• 4.1.2 唾液酸酶结构优化
• 4.1.3 分子对接
• 4.1.4 分子动力学模拟
• 4.1.5 结果分析
• 4.2 结果和讨论
• 4.2.1 BA构象转化
• 4.2.2 对接模型分析
• 4.3 本章小结
• 5 唾液酸酶与5,7,4′-三羟基-8-甲氧基黄酮相互作用研究
• 5.1 分子对接方法
• 5.1.1 体系准备
• 5.1.2 分子对接
• 5.1.3 对接结果分析
• 5.2 分子模拟结果
• 5.2.1 MF与N9亚型唾液酸酶的分子对接
• 5.2.2 MF与N1亚型唾液酸酶的分子对接
• 5.2.3 MF应用前景分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢