两种雌激素受体与抑制剂作用机制的分子动力学研究

摘要

分子动力学(molecular dynamics，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。
　　混合量子经典方法(Hybrid QM/MM)既包括了量子力学的精确性，又利用了分子力学的高效性。对于体系中重要的、涉及到化学键变化的部分使用量子力学方法来处理。而对于体系中次要的、不直接涉及到化学键变化的部分使用分子力学方法来描述。这样既能较准确地反映电子结构的变化(相对于单纯的分子力学力场方法)，而且使得计算开销没有使用全量子力学方法那么大。QM/MM方法中研究蛋白质这样的生物大分子所用的QM理论主要有半经验方法，密度泛函理论等。
　　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(molecular mechanics/Poisson-Boltzman surface area，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。
　　雌激素(estrogens response)在雌性生殖系统的发育和生理过程中扮演着关键的角色，在控制血脂水平和保持骨骼的钙密度上也有重要的作用。雌激素通过和雌激素受体(estrogen receptor，ER)之间的相互作用来发挥作用。现在发现有ERα和ERβ两种雌激素受体，通过对两种雌激素受体与抑制剂结合的结晶结构的大量研究发现，ERα和ERβ在各自的活性区域的结构非常相似，只是在结合口袋附近有两个残基不同，ERα中的Leu384和Met421在ERβ中分别对应 Met336和Ile373，这些微小的差别导致 ERα和ERβ与抑制剂作用机制的不同，研究两种受体与抑制剂作用的机制对设计高选择性的抑制剂有重要意义。
　　本文对ERα和ERβ两个复合物体系进行了水溶液环境下的12ns的分子动力学模拟，研究了在模拟过程中两个体系构象的变化。用MM-PBSA方法得到两个雌激素受体与抑制剂244的结合自由能分别为-30.11 kJ/mol和-37.87 kJ/mol，表明ERβ体系中的抑制剂和蛋白质更易于结合，形成的复合结构更稳定。ERα中Met421侧链原子与抑制剂间的静电排斥作用使活性口袋周围的残基构象发生变化，导致活性区域中结合空穴变大，从而使ERα与抑制剂的亲和性降低。本文还对ERα和ERβ两个复合物体系进行了水溶液环境下的1ns的QM/MM模拟。通过和分子动力学计算的结果进行对比研究可以发现，QM/MM方法计算的结果更准确一些。
　　论文共分为四章:第一章为前言部分，简单介绍了雌激素受体(ER)的结构、功能和雌激素受体抑制剂研究的发展状况；第二章为理论和方法部分，介绍了所使用的分子力学方法、混合经典量子力学、分子动力学模拟方法和自由能计算方法；第三章描述了分子动力学模拟方法对雌激素受体 ERα和ERβ体系进行的分子动力学研究的过程；第四章研究了分子动力学过程中ERα和ERβ体系构象的变化；第五章用QM/MM方法对两个雌激素受体和抑制剂结合的体系进行了模拟。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第一章 综 述

1.1 研究雌激素受体的背景

1.2 雌激素受体与抑制剂的作用机理

1.3 研究雌激素受体抑制剂的意义

第二章 理论计算和方法

2.1 分子力学

2.2 混合量子经典方法

2.3 分子动力学模拟

2.4 自由能计算

2.5 构象变化

2.6 范德华作用

2.7 受体蛋白结构的特异性

第三章 两种雌激素受体与抑制剂结合的分子动力学模拟

3.1 初始化复合物

3.2 MM-PBSA 方法计算结合自由能

3.3 两个体系的分子动力学行为

3.4 小 结

第四章 两个体系在分子动力学过程中的变化

4.1 蛋白构型变化分析

4.2 小结

第五章 抑制剂受体体系的 QM/MM 模拟

参考文献

攻读硕士学位期间完成的论文

致谢