基于增強(qiáng)采樣分子動(dòng)力學(xué)模擬的蛋白質(zhì)和小分子相互作用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、蛋白質(zhì)和小分子相互作用的熱力學(xué)（結(jié)合自由能ΔGbind和平衡解離常數(shù)KD）是表征一個(gè)藥物小分子與其靶蛋白結(jié)合穩(wěn)定性的重要依據(jù)，也是評價(jià)一個(gè)藥物小分子與其靶蛋白親和力大小的重要指標(biāo)。而近些年來逐漸受到重視的蛋白質(zhì)和小分子之間的結(jié)合動(dòng)力學(xué)（解離速率常數(shù)koff和滯留時(shí)間）與藥物小分子的藥效和毒性等藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，所以在以靶蛋白和藥物小分子的熱力學(xué)性質(zhì)為依據(jù)進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮它們的結(jié)合動(dòng)力學(xué)性質(zhì)?；诘鞍踪|(zhì)和小分子熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)

2、的計(jì)算方法和預(yù)測熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的重要性，本論文的研究內(nèi)容主要有以下五個(gè)部分。
　　本論文第一章詳述了蛋白質(zhì)和小分子相互作用的重要性，從蛋白質(zhì)和小分子相互作用理論模型開始，介紹了二者相互作用的物理化學(xué)基礎(chǔ)以及二者結(jié)合的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。接著總結(jié)了研究蛋白質(zhì)和小分子相互作用的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法。對于熱力學(xué)性質(zhì)來說，主要有基于分子對接的打分函數(shù)和基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的自由能計(jì)算方法，如我們熟知的MM/PB(GB)和自由能微擾計(jì)算方

3、法。而針對動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算，目前比較成熟的有拉伸分子動(dòng)力學(xué)模擬、自適應(yīng)偏置力模擬以及meta動(dòng)力學(xué)模擬等增強(qiáng)采樣方法。
　　第二章通過常規(guī)分子動(dòng)力學(xué)模擬和拉伸動(dòng)力學(xué)模擬研究了B-RAF激酶的兩個(gè)高效抑制劑PLX4720和TAK-632解離機(jī)制的差異以及解離機(jī)制與滯留時(shí)間的關(guān)系。從兩個(gè)抑制劑與B-RAF激酶復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)出發(fā)，我們首先對常規(guī)分子動(dòng)力學(xué)模擬的平衡軌跡做了能量分解，發(fā)現(xiàn)B-RAF激酶結(jié)合兩個(gè)抑制劑的關(guān)鍵氨基酸殘基的能量

4、貢獻(xiàn)有明顯的差異，尤其在變構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)處。這說明變構(gòu)位點(diǎn)處的疏水作用對于提高B-RAF激酶抑制劑的藥效以及延長滯留時(shí)間有很重要的作用。之后我們用隨機(jī)加速分子動(dòng)力學(xué)模擬對多條平衡軌跡選擇不同的參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明抑制劑PLX4720是從ATP通道解離，而抑制劑TAK-632則有1/3的幾率從變構(gòu)通道解離。為了比較這兩個(gè)抑制劑解離的難易程度，我們用拉伸分子動(dòng)力學(xué)模擬對PLX4720沿ATP通道和TAK-632沿ATP通道和變構(gòu)通道做了解離

5、，結(jié)果表明TAK-632從變構(gòu)通道比從ATP通道解離困難的多，所以這兩個(gè)抑制劑都是從ATP通道解離的，這與實(shí)驗(yàn)值koff值的排序是一致的。
　　接著第三章我們研究了 ERK2激酶的四個(gè)抑制劑 SCH772984、VTX-11e、FR180204以及5-iTU解離機(jī)制的差異。我們用常規(guī)分子動(dòng)力學(xué)模擬和能量分解研究了ERK2激酶與四個(gè)抑制劑的結(jié)合差異，結(jié)果表明抑制劑SCH772984與其他三個(gè)抑制劑結(jié)合的最大差異是位于 P-loop和

6、αC-helix之間的變構(gòu)位點(diǎn)處的結(jié)合。隨后的拉伸分子動(dòng)力學(xué)模擬和自適應(yīng)偏置力模擬表明SCH772984與其它三個(gè)抑制劑有不同的解離機(jī)制。VTX-11e、FR180204和5-iTU在解離過程中都是只需要克服ATP結(jié)合位點(diǎn)處的疏水作用，而SCH772984需要先克服變構(gòu)位點(diǎn)處的π-π堆積作用，再克服ATP結(jié)合位點(diǎn)處的疏水作用，這明顯增加了SCH772984解離時(shí)需要克服的自由能勢壘。
　　第四章闡述了激酶抑制劑crizotinib

7、的鏡像異構(gòu)體對MTH1蛋白的抑制活性差異的原因。我們的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值有很好的吻合，分子動(dòng)力學(xué)模擬和氨基酸殘基能量分解表明，MTH1對(S)-crizotinib和(R)-crizotinib結(jié)合的差異來源于Tyr7, Phe27, Phe72和Trp117這些殘基的貢獻(xiàn)。進(jìn)一步的自適應(yīng)偏置力模擬表明(S)-crizotinib和(R)-crizotinib的解離路徑完全不同，這使得(S)-crizotinib解離時(shí)需要吸收的能量明顯

8、比(R)-crizotinib解離時(shí)吸收的能量高，也就是(S)-crizotinib要克服更大的自由能勢壘。
　　同樣第五章解釋了SETD7蛋白的對映異構(gòu)體(R)-PFI-2和(S)-PFI-2的抑制活性不同的原因。首先我們通過分子對接獲得了(S)-PFI-2和SETD7的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。靜態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)化合物與SETD7結(jié)合時(shí)的構(gòu)象完全不同。進(jìn)一步的分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，(S)-PFI-2與SETD7的結(jié)合很不穩(wěn)定，這是通過監(jiān)測模

9、擬體系的RMSD值發(fā)現(xiàn)的。另外靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的結(jié)果表明范德華相互作用力對(R)-PFI-2和SETD7的結(jié)合起了關(guān)鍵作用。我們提取了常規(guī)分子動(dòng)力學(xué)模擬平衡部分的平均結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，(S)-PFI-2/SETD7復(fù)合物中post-SET loop區(qū)域更向外移動(dòng)，這樣就使得(S)-PFI-2更多的暴露在溶劑中所以更加不穩(wěn)定。所以我們又對兩個(gè)體系做了自適應(yīng)偏置力模擬，與(R)-PFI-2解離相比，(S)-PFI-2解離時(shí)明顯要容易的多，最后得到的PM