艾滋病毒蛋白酶异位抑制剂体系的分子动力学研究

摘要

获得性免疫缺陷综合症(AIDS),即艾滋病,是一种跨种属传播的死亡率很高的疾病,艾滋病主要由Ⅰ型人类免疫缺陷病毒(HIV-1)引起,在艾滋病毒的生命周期中有多种酶起了重要的生化和生理作用,其中受到现代药物开发关注的有三种酶,分别是逆转录酶(RT)、蛋白酶(PR)和整合酶(IN).HIV蛋白酶在适当的位置产生具有传染性HIV病毒粒子的成熟蛋白成分,缺少HIV蛋白酶,HIV病毒粒子就不具有传染性。改变HIV蛋白酶活性位点或抑制其活性,会影响HIV的复制及传染其他细胞,因此抑制HIV蛋白酶成为制药研究的重点.HIV-1蛋白酶属于天冬氨酸酶类,是一个C2对称的同质二聚体,每一条肽链由99个氨基酸组成.一对天冬氨酸-苏氨酸-甘氨酸(Aspartyl-Threonine-Glycine)残基序列构成了HIV-1蛋白酶的活性中心.甘氨酸(Glycine)和异亮氨酸(Isoleucine)组成的β结构(flap)延伸到活性部位上面并将活性部位遮盖.flap对底物或抑制剂的进出起作用.当没有底物与蛋白酶结合时,flap打开,底物进入其内部,然后flap关闭,当蛋白酶将底物分解加工完毕后,flap再次打开,将底物从活性位点释放出去,再让新的底物进入,开始新的加工周期.
　　2009年底,Scripps研究所的A. Perryman等针对HIV蛋白酶用片段筛选的方法发现两个在活性位之外的新的结合位点(allosteric binding sites,异位结合位点),exo位和outside/top位,并发现了结合在这二个异位结合位点上的两种化合物,2-甲基环乙醇和6-吲哚甲酸.X射线晶体学实验证实:第一,片段确实结合到了蛋白酶的新位点;第二,这些片段改变了蛋白酶的位形.这两种化合物既能结合到新位点又能稳定活性位抑制剂的构象,虽然它们尚未表现出抑制作用,但可以成为开发针对耐药性艾滋病病毒的新药的出发点.
　　分子动力学(MD)模拟是研究生物分子的结构和性质的重要工具.对一个由具有相互作用的大量原子构成的分子体系,分子动力学用势函数表示原子间的相互作用,认为体系中各原子的运动服从牛顿方程,通过求解关于体系中各原子的动力学方程组,得到体系在相空间的一段演化轨迹,再运用统计力学的方法得到体系的有关信息,如能量、密度等.只要知道相互作用的势函数,分子动力学就可以模拟具有复杂多体相互作用的生物分子的运动.分子动力学模拟的结果有助于理解生物分子的结构和功能.
　　结合自由能计算对研究抑制剂和蛋白质之间的作用机制十分重要.准确的自由能预测可以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.分子力学/泊松–玻耳兹曼溶剂可接近表面积(MM-PBSA)方法是应用很广的一种基于经验方程的自由能计算方法.自由能的正负决定了结合的可能性,其大小决定了反应的程度.
　　本文对HIV-1蛋白酶异位抑制剂体系和活性位抑制剂体系分别进行8ns的分子动力学模拟,对两个模拟的动力学轨迹进行对比分析,用MM-PBSA方法分别计算了两体系抑制剂与蛋白酶的结合自由能.异位抑制剂体系中抑制剂与蛋白酶的结合自由能为-90.30 kcal/mol,活性位抑制剂体系中为-59.58 kcal/mol.在异位抑制剂体系中分子片段4DX卡在蛋白酶的exo位,使蛋白酶活性位点附近残基的活动范围减小,有利于抑制剂被束缚在活性位点附近.分子动力学结果证实异位抑制剂使体系刚性更强,更稳定,抑制剂与蛋白酶的结合更为牢固.所得结果对于研究开发艾滋病新药物提供了有价值的线索.

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第一章 综述

1.1 研究艾滋病的背景

1.2 人类免疫缺陷病毒

1.3 HIV-1结构

1.4 HIV-1的生命周期

1.5 HIV-1蛋白酶

第二章 理论与方法

2.1 力场方法

2.2 分子动力学模拟

2.3 Langevin算法

2.4优化技术

2.5 周期性边界条件

2.6 SHAKE算法

2.7 自由能计算

第三章 艾滋病毒蛋白酶异位抑制剂体系的分子动力学模拟

3.1 MD模拟的初始化

3.2 分子动力学模拟

第四章 艾滋病毒蛋白酶异位抑制剂体系的分子动力学模拟结果分析

4.1 均方根偏差

4.2 温度因子

4.3 两体系的分子动力学行为

4.4 MM-PBSA方法计算结合自由能

4.5 小结

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢