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HIV-1蛋白酶与抑制剂相互作用的理论研究

作　者: 时术华
导　师: 张庆刚
学　校: 山东师范大学
专　业: 原子与分子物理
关键词: HIV-1蛋白酶(PR) HIV-1蛋白酶抑制剂(PIs) 分子动力学模拟分子力学/泊松–玻耳兹曼溶剂可接近表面积(MM-PBSA) 结合自由能
分类号: R96
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

获得性免疫缺陷综合症(acquired immunodeficiency syndrome, AIDS)简称艾滋病,主要由Ⅰ型人类免疫缺陷性病毒(Human immunodeficiency virus I,HIV-1)引起,是一种跨种属传播的、死亡率很高的疾病,已成为世界第四大死亡原因,艾滋病在世界范围内的迅速传播严重威胁着人类的生命健康,对其的有效治疗已成为医学界最具挑战性的课题,针对艾滋病的药物设计在目前和将来都是相关理论研究的热点领域。在HIV-1基因组复制过程中,有三种关键的酶,分别是HIV-1逆转录酶(reverse transcriptase, RT)、蛋白酶(protease, PR)和整合酶(intergrase, IN)。其中PR是一个具有C2对称性的同源二聚体,每一条肽链由99个氨基酸组成,它在病毒生命周期中的功能是把HIV-1加工为能感染宿主细胞的成熟的病毒颗粒,因此PR成为研发治疗艾滋病药物的一个重要靶点。PR抑制剂(protease inhibitors,PIs)是一些具有抑制PR活性的化合物,其作用机理是模拟肽链与PR的结合部位结合,从而抑制PR的活性,阻断艾滋病毒的复制,因此PIs是一类重要的抗艾滋病药物。本文专门针对PR与PIs的相互作用来进行理论研究,这对于针对PR的抗艾滋病药物的设计和研发具有重要意义。在过去20多年里,人们针对艾滋病的治疗从理论到实验都做了大量的研究工作,取得了不小的进步。但由于实验测定PR及其PIs复合物结构存在较大的困难,因此这一领域的理论研究显得尤为重要。而计算机数据处理能力的不断增强以及各种理论模拟方法的不断发展和改进,又为理论研究提供了从技术到方法的支持。目前分子动力学(molecular dynamics, MD)模拟和自由能计算已成为研究生物大分子结构、动力学和热力学性质的重要工具。MD模拟不仅可给出生物大分子在原子水平上的运动细节,而且能够提供大分子位置涨落和构象变化的详细信息。准确的自由能预测,可以使我们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。目前分子力学/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。本文利用MD模拟和MM-PBSA方法进行PR及其PIs相互作用的理论研究,主要由以下三部分内容组成:1、BEC和BEG两种PIs与PR相互作用机理的研究本文选择了两种最近被美国食品药品管理局批准使用的PIs BEC和BEG来进行相关研究,采用的方法是MD模拟结合MM-PBSA方法。我们计算分析了BEC-PR和BEG-PR两种复合物PR主链上的Cα原子在整个MD过程中相对于其原始结构的均方根偏差(root-mean-squared deviation,RMSD)值;进行了两种复合物的晶体结构和MD轨迹中最后1ns平均结构的叠加分析;使用单轨迹拓扑的MM-PBSA方法计算了两种复合物的结合自由能;用自由能分解方法计算了PI-残基相互作用谱线。结果表明:这两种复合物的动力学稳定性是可信的;并且范德华能量是这类PIs与PR结合的主要推动力;对这两种复合物,主要的相互作用来自Gly27、Ala28/Ala28′、Gly49、Ile50/Ile50′和Ile84/Ile84′残基,两种复合物的相互作用能主要由三种类型的相互作用产生:氢键相互作用、C–H…π相互作用和C–H…H–C相互作用,它们在BEC和BEG与PR的结合方面发挥着重要作用,这些相互作用的改进和优化可以极大地推动对抗艾滋病的高效PIs的研究。2、质子化态在PR-Indinavir复合物中作用的研究茚地那韦(IDV N-[2(R)-HYDROXY-1(S)-INDANYL]-5-[(2(S)-TERTIARY BUTYLAMINOCARBONYL)- 4(3-PYRIDYLMETHYL) PIPERAZINO]-4(S)-HYDROXY- 2(R)-PHENYLMETHYLPENTANAMIDE )是较早被用来抑制PR的PI,PR和IDV的相互作用受两个天冬氨酸残基质子化态的影响很大,而实验提供的PR-IDV复合物的晶体结构不能直接给出有关质子化的信息,因此,确定PR-IDV复合物中天冬氨酸的质子化态有助于设计与IDV相关的PIs,有助于理论上研究PR的变异对其与IDV结合的影响。本文中我们对PR-IDV复合物的六种可能的质子化态分别进行了5ns的分子动力学模拟,分析了这六种不同的质子化状态对动力学特征和结构的影响,并用MM-PBSA方法计算了PR和IDV在各种质子化状态下的结合自由能。计算结果说明A链的Asp25的OD2的质子化是最为可能的状态。同时,我们对PR-IDV复合物中起媒介作用的水分子与PR-IDV复合物形成的氢键进行了分析,结果表明不同的质子化态对水分子在PR-IDV复合物中所起的媒介作用没有影响。3、PR与PI TMC114结合口袋内水分子作用的研究水分子在生物分子的稳定、动力学、功能和识别方面发挥着重要作用,许多研究表明水分子不仅能充当PIs和PR之间的桥梁,而且能稳定PR的结构。TMC114是一种相当有效的阻止PR发挥作用的第二代非肽PIs,在PR与TMC114结合口袋内发现有五个水分子(Wat301、Wat2、Wat5、Wat89和Wat211)。我们分别进行了带有和不带有5个水分子的PR-TMC114复合物的3ns分子动力学模拟,计算了PR主链上的Cα原子在MD轨迹过程中相对于原始最小能量结构的RMSD值,将复合物的晶体结构和MD轨迹最后1ns的平均结构进行叠加,并分析了描述结合特性的氢键。计算结果表明:结合口袋内的水分子可以维持PR-TMC114复合物结构的稳定;Wat301,Wat2和Wat5在MD模拟过程中保持稳定;Wat301可以稳定PR与TMC114柔性区域的结构;与5个水分子有关的氢键引起的约束使得PR的残基和TMC114在模拟过程中在它们的原始位置保持不动。我们期待这一研究可以增进人们对PR-PI复合物中水分子作用的深入了解,并且对高效PIs的设计提供有用的帮助。

全文目录

中文摘要  7-10
Abstract  10-13
第一章 HIV-1 蛋白酶(PR)与抑制剂(PIs)的相互作用概述  13-27
  1.1 HIV-1  13-17
    1.1.1 HIV-1 形态与结构  14-15
    1.1.2 HIV-1 的生命周期  15-17
  1.2 PR  17-21
    1.2.1 PR 的结构  17-18
    1.2.2 PR 的功能  18
    1.2.3 PR 的作用机制  18-21
      1.2.3.1 酶的作用机制  18-20
      1.2.3.2 PR 的作用机制  20-21
  1.3 PIs  21-23
    1.3.1 PIs 的种类  21-23
    1.3.2 PIs 的功能  23
  1.4 PR 与PIs 的相互作用  23-27
    1.4.1 库仑形式的静电相互作用  24
    1.4.2 范德华相互作用  24-25
    1.4.3 氢键相互作用  25
    1.4.4 疏水相互作用  25-27
第二章理论和方法  27-53
  2.1 量子化学计算  27-36
    2.1.1 从头算法  27-28
    2.1.2 Born –Oppenheimer 近似  28
    2.1.3 Hartree 自洽场近似  28-30
    2.1.4 Hartree-Fock 自洽场近似  30-31
    2.1.5 密度泛函理论  31-36
      2.1.5.1 Hohenberg-Kohn 定理  32-33
      2.1.5.2 Kohn-Sham 方程  33-34
      2.1.5.3 局域密度近似  34-36
  2.2 分子力学方法  36-38
  2.3 分子动力学（molecular dynamics，MD）模拟  38-44
    2.3.1 MD 模拟的基本原理  38-39
    2.3.2 积分法  39-41
      2.3.2.1 Verlet 算法  39-40
      2.3.2.2 蛙跳算法  40
      2.3.2.3 Velocity-Verlet 算法  40
      2.3.2.4 Beeman 算法  40-41
      2.3.2.5 Gear 算法  41
    2.3.3 MD 模拟的初始化  41-43
      2.3.3.1 粒子坐标的初始化  41-43
        2.3.3.1.1 重新加氢  42
        2.3.3.1.2 加入中和离子  42
        2.3.3.1.3 选择溶剂模型  42
        2.3.3.1.4 进行能量优化  42-43
      2.3.3.2 粒子速度的初始化  43
    2.3.4 SHAKE 算法  43-44
  2.4 自由能计算  44-51
    2.4.1 FEP 方法  45-46
    2.4.2 TI 方法  46
    2.4.3 LIE 方法  46-47
    2.4.4 MM-PBSA 方法  47-51
  2.5 PIs 和残基的相互作用计算  51-53
    2.5.1 基于残基的能量分解方法  51
    2.5.2 氢键动力学分析  51-53
第三章 BEC 和BEG 两种PIs 与PR 相互作用机理的研究  53-65
  3.1 计算过程  54-55
  3.2 结果分析及讨论  55-63
    3.2.1 动力学模拟的平衡  55-56
    3.2.2 叠加分析  56-57
    3.2.3 结合自由能分析  57-58
    3.2.4 结构-相关性关系分析  58-63
  3.3 结论  63-65
第四章质子化态在PR-Indinavir 复合物中作用的研究  65-75
  4.1 计算过程  66-68
  4.2 结果分析及讨论  68-73
    4.2.1 动力学特征  68
    4.2.2 结合自由能分析  68-69
    4.2.3 结构分析  69-72
    4.2.4 质子化态对水分子作用的影响  72-73
  4.3 结论  73-75
第五章 PR与PI TMC114 结合口袋内水分子作用的研究  75-85
  5.1 计算过程  77-78
  5.2 结果分析及讨论  78-84
    5.2.1 PR-TMC114 复合物在两种模拟中的稳定性  78-79
    5.2.2 结构叠加的分析  79-80
    5.2.3 结合特性的分析  80-82
    5.2.4 氢键分析  82-84
  5.3 结论  84-85
第六章总结与展望  85-87
  6.1 论文工作总结  85
  6.2 论文创新点  85-86
  6.3 展望  86-87
参考文献  87-101
攻读博士学位期间所发表的学术论文目录  101-103
致谢  103

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