肽脫甲?；讣捌湟种苿┑睦碚撗芯恳约爸?輕-重反應(yīng)體系的共振研究.pdf

1、本論文包括兩部分工作。第一部分：用分子對接和分子動力學模擬方法研究肽脫甲酰化酶(Peptidc deformylase，PDF)及其抑制劑的相互作用和性質(zhì)；第二部分：用量子化學方法構(gòu)建三原子及多原子體系的偏分勢能面并研究散射共振態(tài)的形成機理，分述如下： 第一部分 本論文從PDF晶體結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用對接和分子動力學模擬方法，研究了抑制劑與PDF之間的結(jié)合模式，探討了結(jié)構(gòu)與活性之間的關(guān)系。另外我們還考察了抑制劑的結(jié)合自由能，通

2、過與抑制劑測定活性的比較，證明了分子動力學模擬的結(jié)果具有較高的參考價值。主要內(nèi)容摘要如下： 第一章(緒論)。第一部分簡要敘述了PDF及其抑制劑的研究現(xiàn)狀。主要涉及到尋找新型抗菌藥物的意義，PDF的發(fā)現(xiàn)史，PDF在細菌中的功能，PDF晶體結(jié)構(gòu)和分類，PDF抑制劑類型和構(gòu)效關(guān)系，臨床藥物的進展以及計算機輔助藥物設(shè)計的概況。第二部分簡要介紹了散射共振態(tài)研究的歷史背景，共振態(tài)的分類，以及散射共振態(tài)的實驗研究和理論研究的現(xiàn)狀、最新動態(tài)及發(fā)

3、展前景。 第二章，用對接的方法研究了異羥肟酸類衍生物與大腸桿菌PDF的結(jié)合模式和構(gòu)效關(guān)系。抑制劑包括脯氨酸-3-烷基琥珀酰異羥肟酸類衍生物，N-烷基脲異羥肟酸類衍生物等四類異羥肟酸類衍生物。首先將所有的抑制劑與PDF進行對接，然后選取18個抑制劑建立起打分函數(shù)與IC50的線性方程，并用該方程預測剩余5個抑制劑的抑制活性。通過比較結(jié)合模式，分析了它們的結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系。第三章，用對接方法研究了不同類型的抑制劑與大腸桿菌PDF的結(jié)合模

4、式和構(gòu)效關(guān)系。抑制劑包括異羥肟酸類衍生物和N-甲酰羥胺類衍生物等四類PDF抑制劑。對接的結(jié)果顯示，抑制劑復合物結(jié)合自由能的估算值與實驗值具有很好的線性相關(guān)性。通過分析結(jié)合模式，發(fā)現(xiàn)一些新的結(jié)合口袋可用于抑制劑的設(shè)計。 第四章，用對接和分子動力學模擬方法研究了大環(huán)抑制劑與大腸桿菌PDF的結(jié)合模式。具有大環(huán)結(jié)構(gòu)的模擬肽類抑制劑對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均表現(xiàn)出潛在的抑制作用。重點分析了環(huán)的大小對抑制劑的結(jié)合模式及結(jié)合自由能的影響，

5、各復合物結(jié)合自由能的計算值接近于其實驗值。 第五章，用對接和分子動力學模擬方法研究了BB-83698與嗜熱脂肪芽孢桿菌PDF的結(jié)合模式。BB-83698是第一個進入臨床測試的PDF抑制劑，而嗜熱脂肪芽孢桿菌PDF被認為是最具有代表性的II型PDF，因此討論BB-83698與嗜熱脂肪芽孢桿菌PDF之間的結(jié)合模式對于新型抑制劑的設(shè)計有著重要的意義。首先將BB-83698與PDF進行對接得到三種主要的結(jié)合模式，再用分子動力學模擬和結(jié)合

6、自由能計算判斷出最有利的結(jié)合模式，并與晶體結(jié)構(gòu)進行比較。 第六章，用對接和分子動力學模擬方法研究了巰基肽類抑制劑與大腸桿菌PDF的結(jié)合模式。巰基肽立體異構(gòu)體對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均表現(xiàn)出了一定的抑制活性，其中L型抑制荊具有更大的抑菌活性。模擬的結(jié)果顯示結(jié)合自由能的計算值與實驗值具有很好的線性相關(guān)性，從結(jié)合模式和能量兩個方面分析了L型抑制劑與D型抑制劑結(jié)合能力的區(qū)別。 第七章，用對接和靶向動力學模擬方法研究了問號鉤體

7、PDF的底物口袋的變化。在放線酰胺素結(jié)合的PDF晶體復合物中，酶的底物口袋為半開狀態(tài)。由于CD-loop環(huán)的限制，較小的開口使得抑制劑分子難以進入底物口袋。為了了解抑制劑與口袋結(jié)合的過程，我們對游離的以及放線酰胺素結(jié)合的PDF晶體復合物分別進行了分子動力學模擬。 第八章，用對接和分子動力學模擬的方法研究了底物、產(chǎn)物與大腸桿菌PDF結(jié)合的情況。在PDF參與的催化循環(huán)過程中，涉及到底物與PDF的結(jié)合以及產(chǎn)物的生成和釋放，因此了解該過

8、程中底物、產(chǎn)物與PDF的相互作用機理對于設(shè)計新型的PDF抑制劑有著重要的意義。 第一部分的創(chuàng)新性研究成果表現(xiàn)在以下幾個方面： 1.不同類型的異羥肟酸類衍生物其抑菌活性表現(xiàn)出較大差異。 2.不同類型的抑制劑與大腸桿菌PDF進行對接時，發(fā)現(xiàn)位于活性位點附近的口袋A、B、C和D可用來容納抑制劑的側(cè)鏈。 3.詳細分析了環(huán)的大小對抑制劑結(jié)合模式的影響。模擬顯示大環(huán)側(cè)鏈都能不同程度地進入S1'口袋并與疏水殘基作用。

9、 4.探討B(tài)B-83698與嗜熱脂肪芽孢桿菌PDF的結(jié)合模式將有助于更好地設(shè)計新型的抑制劑。模擬結(jié)果顯示，模式2發(fā)生了較大的構(gòu)型變化，抑制劑分子嚴重地偏離了晶體中配體的位置，不過最負的相對結(jié)合自由能暗示模式2可能是一個新的結(jié)合模式。模式3的結(jié)合模式和相對結(jié)合自由能表明該模式不利于抑制劑與酶的結(jié)合。模式1顯示抑制劑與Ile59和Gly109之間的氫鍵增強了復合物的穩(wěn)定性。另外，哌嗪環(huán)取代基與Pro57和Ile59之間的范德華作用以及

10、苯并1，3-二氧雜戊烷取代基與Pro57、Ile59和Leu146之間的范德華作用對于抑制劑的結(jié)合是非常重要的。若在苯并1，3-二氧雜戊烷取代基上引入一些親水性的基團則會顯著地提高抑制劑的結(jié)合能力。 5.研究了巰基肽類立體異構(gòu)體與大腸桿菌PDF的結(jié)合模式。動力學模擬顯示，L型抑制劑能與酶產(chǎn)生更多的氫鍵、范德華作用和疏水作用。在P2'位置，L型抑制劑與Leu91產(chǎn)生范德華作用并與Cys90、Ile93、Glu95和Gln96形成氫

11、鍵。而在P3'位置，L型抑制劑不僅能與疏水性的Ile44、Val62、Ile86、Leu125和Ile128作用，還能與親水性的Glu42和Glu87作用。L型抑制劑的P2'和P3'側(cè)鏈可以被修飾成多功能的基團以便與上述殘基作用。盡管疏基肽類抑制劑的活性不如異羥肟酸類和N-甲酰羥胺類衍生物，立體選擇性結(jié)合情況同樣適用于這兩類抑制劑。 6.采用對接和靶向動力學模擬方法分析了問號鉤體PDF的構(gòu)型變化。結(jié)果顯示，Tyr71扮演了調(diào)節(jié)C

12、D-loop環(huán)運動的作用,所得復合物的動力學平均結(jié)構(gòu)接近于晶體結(jié)構(gòu)。在游離酶中，Tyr71和Arg108之間氫鍵的形成導致了底物口袋的關(guān)閉。當放線酰胺素與酶結(jié)合時，Tyr71首先與放線酰胺素形成氫鍵，并在疏水簇的影響下，穿過整個底物口袋與Arg108形成氫鍵。最后，由于Tyr71離開Arg108導致了CD-loop環(huán)遠離Arg108并形成半開的底物口袋。Tyr71的作用意味著，新的抑制劑的設(shè)計可以根據(jù)不同的目的對P3'側(cè)鏈進行修飾。

13、 7.底物、產(chǎn)物與PDF的動力學模擬結(jié)果顯示，柔性的CD-loop區(qū)域有利于底物的結(jié)合和產(chǎn)物的釋放。為使底物能順利地進入活性位點，CD-loop與Glu42和Glu64等殘基作用，使活性口袋入口的殘基能向CD-loop方向移動，增大了活性口袋。同時，原先松散的疏水殘基Ile86、Leu125和Ile128向底物方向靠近。 本論文對若干反應(yīng)體系的散射共振態(tài)做了動力學理論研究，主要內(nèi)容包括以下幾個方面： 第九章，詳細介紹

14、了目前研究散射共振態(tài)的理論方法。理論研究主要包括勢能面的構(gòu)建和量子反應(yīng)散射理論對散射共振態(tài)的計算。然后介紹了偏分勢能面的理論基礎(chǔ)和構(gòu)建方法以及如何利用偏分勢能面研究化學反應(yīng)的散射共振態(tài)。 第十章，對H+NO、X+CH4(X=H，F(xiàn)，Cl，Br)和OH+H2O等若干反應(yīng)體系，通過構(gòu)建偏分勢能面詳細討論了散射共振態(tài)壽命等重要特性，并將計算結(jié)果與文獻報道的數(shù)據(jù)對照分析，對這類體系的分子束散射實驗結(jié)果給出了較好的理論解釋。 這一

15、部分創(chuàng)新性的成果包括： 1.偏分勢能面的建立。偏分勢能面不同于傳統(tǒng)意義上簡單的減維勢能面。我們所構(gòu)建的偏分勢能面是將垂直于反應(yīng)坐標的振動模式(采用振動絕熱近似)耦合到反應(yīng)坐標上，結(jié)果是在勢能中只包含反應(yīng)坐標，于是可將比較復雜的反應(yīng)體系得到合理的簡化。偏分勢能面過渡區(qū)域里的動力學勢阱可以合理地解釋散射共振態(tài)的形成機理，同時偏分勢能面還提供了共振能數(shù)據(jù)。所以，偏分勢能面是一個研究散射共振態(tài)的有利工具。 2. 對H+NO→N+

16、OH或D+NH反應(yīng)體系的散射共振態(tài)進行了研究。將各垂直于反應(yīng)坐標的振動模式(采用振動絕熱近似)耦合到反應(yīng)坐標上，每一條反應(yīng)路徑的兩個過渡態(tài)區(qū)域均出現(xiàn)不對稱勢阱。正是由于這些勢阱俘獲了反應(yīng)體系才形成準束縛態(tài)，該共振為Feshbach共振。利用偏分勢能面我們估算出該體系的共振壽命為0.85 ps，與韓克利和Schatz的計算結(jié)果接近。 3.對重一輕一重X+CH4→HX+CH3(X=N，F(xiàn)，Cl，Br)反應(yīng)體系的散射共振態(tài)進行了系統(tǒng)研

17、究，總結(jié)出了相關(guān)的規(guī)律性。該類反應(yīng)都屬于不對稱性的態(tài)態(tài)反應(yīng)，沿反應(yīng)路徑的勢能曲線具有不對稱性，這些反應(yīng)的偏分勢能面曲線簇具有一定的相似性。但由于重原子的質(zhì)量的不同，而使各反應(yīng)的勢能曲線上勢阱的深度和寬度相差很大，從而生成的散射共振態(tài)的壽命也隨著原子質(zhì)量的增加而增加。其中Cl+CH4→HCl+CH3和Br+CH4→HBr+CH3兩個反應(yīng)屬于共振態(tài)壽命較長的反應(yīng)。 4.對重一輕一重反應(yīng)體系OH+H2O→H2O+OH的散射共振態(tài)進行了