除草劑靶酶AHAS和KARI與抑制劑的相互作用及虛擬篩選研究.pdf

1、分子間的相互作用在超分子體系、生物大分子體系及生理過程中起著重要的作用。超分子體系主體．客體的識別、酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、配體一受體的識別與結(jié)合等過程都與分子間的相互作用有關(guān)。配體一受體相互作用的研究有助于闡明藥物的作用機(jī)理，為合理藥物設(shè)計(jì)提供線索。對配體．受體相互作用進(jìn)行計(jì)算機(jī)分子模擬和計(jì)算化學(xué)研究，是理解配體一受體相互作用的重要手段。 在新農(nóng)藥的創(chuàng)制領(lǐng)域，新型除草劑的研發(fā)是一個富有挑戰(zhàn)性并對國民經(jīng)濟(jì)有重大實(shí)際意義的

2、課題。AHAS和KARI是植物支鏈氨基酸生物合成途徑的關(guān)鍵酶，可以作為除草劑設(shè)計(jì)的靶標(biāo)。近年來，植物AHAS和KARI的抑制劑復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被成功測定，使在分子水平上理解配體-受體相互作用和基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)成為可能。 本論文以抑制劑-除草劑靶酶問的相互作用和超分子體系的弱相互作用為研究對象，以多種計(jì)算化學(xué)和基于結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)方法為手段展開研究，進(jìn)行了以下三個方面的研究工作： (1)靶酶AHAS與抑制劑

3、問相互作用及虛擬篩選研究基于單嘧磺隆晶體構(gòu)象和活性構(gòu)象的結(jié)構(gòu)差異，采用密度泛函理論和分子動力學(xué)模擬方法對藥物與靶酶作用過程中細(xì)胞膜傳輸時的構(gòu)象轉(zhuǎn)換問題進(jìn)行研究。結(jié)果表明，藥物與靶酶作用過程的構(gòu)象轉(zhuǎn)換主要受溶劑作用的誘導(dǎo)而非受靶酶作用的誘導(dǎo)，轉(zhuǎn)換過程主要在細(xì)胞液中完成。 通過分子對接方法研究雜環(huán)單取代磺酰脲與靶酶AHAS的相互作用，闡明了嘧啶雜環(huán)上的取代基在靶酶作用位點(diǎn)的空間取向是由取代基的性質(zhì)以及構(gòu)成大、小“口袋”殘基的性質(zhì)這兩

4、方而因素共同決定。 采用MD模擬和MM-PBSA/GBSA方法比較研究了雙取代磺酰脲和單取代磺酰脲與靶酶復(fù)合物體系的相互作用。研究指出，雙取代磺酰脲的嘧啶環(huán)與靶酶的Trp574能有效形成π-π作用，而單取代磺酰脲由于取代基的減少導(dǎo)致了嘧啶環(huán)與靶酶的Trp574的π-π作用破壞，使其與靶酶的結(jié)合能力降低。抑制劑與靶酶的VDW相互作用和非極性溶劑化能是抑制劑與靶酶結(jié)合的主要驅(qū)動力。 基于靶酶與抑制劑復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，通過eH

5、iTs軟件包對ZINC/drug-like數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索，得到一系列打分較高的分子，為發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)新穎的AHAS抑制劑提供了有用的信息。還通過Pocket v.2程序得到了靶向AHAS抑制劑的基于受體結(jié)構(gòu)藥效團(tuán)模犁，為進(jìn)一步基于藥效團(tuán)模犁的數(shù)據(jù)庫搜索奠定了基礎(chǔ)。 (2)靶酶KARl與抑制劑間相互作用及虛擬篩選研究首先應(yīng)用多種分了模擬手段，從計(jì)算化學(xué)角度闡明了靶酶KARI活性位點(diǎn)的兩分子Mg<'2+>和血分子晶體J<,2>O的作用，指

6、出了Mg<'2+>和晶體H<,2>O在決定活性位點(diǎn)性質(zhì)、配體的結(jié)合、活性位點(diǎn)構(gòu)象的構(gòu)建和維持過程中起著重要的作用，因而研究抑制劑與靶酶的作用必須考慮活性位點(diǎn)的Mg<'2+?和晶體H<,2>O的作用； 基于上述的研究結(jié)論，在考慮Mg<'2+>和晶體H<,2>O的情況下進(jìn)一步應(yīng)用分子對接及密度泛函理淪研究了抑制劑與靶酶的相互作用，并對潛在抑制劑的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了預(yù)測，指出可電離酸性基團(tuán)可能是潛在抑制劑的重要結(jié)構(gòu)特征； 基于靶酶

7、活性位點(diǎn)的性質(zhì)，采用活性位點(diǎn)包含Mg<'2+>和晶體H<,2>O的受體結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用eHiTS軟件包對ZINC/drug-like數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索，得到約1000個潛在的KARI抑制劑，并選擇其中部分化合物進(jìn)行合成及生物測定，初步結(jié)果表明有個別化合物具有較好的活性，驗(yàn)證了基于活性位點(diǎn)性質(zhì)虛擬篩選的合理性。 (3)此外，作為研究抑制劑與靶酶間弱相互作用方法的探索，還將密度泛函理論分別應(yīng)用到杯[4]吡咯-鹵素離子和吖啶基金屬配位兩個典