環(huán)糊精包結(jié)作用的分子模擬研究.pdf

1、環(huán)糊精(cyclodextrin，CD)“內(nèi)疏水，外親水”的特性使得許多客體分子可全部或部分嵌入環(huán)糊精的空腔，并與其形成包結(jié)化合物。由于環(huán)糊精的包結(jié)行為，使得環(huán)糊精及其衍生物在生物醫(yī)藥、手性分離以及超分子構(gòu)筑等領(lǐng)域內(nèi)都有重要的應(yīng)用。但是由于目前實(shí)驗(yàn)方法的不足以及實(shí)驗(yàn)條件的限制，人們對(duì)環(huán)糊精包結(jié)作用的研究中仍然存在著許多未知或不是十分清楚的問題。而分子模擬的方法可以擺脫某些實(shí)驗(yàn)條件的限制，直觀地預(yù)測(cè)環(huán)糊精與客體分子形成包結(jié)物的三維結(jié)構(gòu)，包

2、結(jié)物的穩(wěn)定性，并能對(duì)包結(jié)物形成的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析。本論文應(yīng)用分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)環(huán)糊精包結(jié)體系進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括： 1.介紹了環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)特性，研究方法以及環(huán)糊精在幾個(gè)重要領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了分子模擬方法中的分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)方法，及其在環(huán)糊精化學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展。 2.將自行研制的柔性對(duì)接算法FDOCK用于9對(duì)芳香性手性化合物的手性識(shí)別研究。在手性分子與β-CD形成包結(jié)物的過程中同時(shí)考慮了手性分子的兩種包結(jié)

3、取向，并用一個(gè)非線性經(jīng)驗(yàn)自由能關(guān)系模型計(jì)算了包結(jié)物的穩(wěn)定常數(shù)，得出了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的穩(wěn)定性順序。對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析表明，形成的包結(jié)物盡管有優(yōu)勢(shì)取向的存在，但另一種取向?qū)ΠY(jié)穩(wěn)定常數(shù)也有一定的貢獻(xiàn)。通過分析包結(jié)物最低能量結(jié)構(gòu)的能量組成可以得出β-CD與手性化合物形成包結(jié)物的主要驅(qū)動(dòng)力是范德華力。進(jìn)一步分析對(duì)映體間兩取向平均相互作用能的差值可以得出： β-CD對(duì)手性化合物的識(shí)別是范德華相互作用、靜電相互作用以及疏水效應(yīng)相互補(bǔ)償或協(xié)作的

4、結(jié)果。此項(xiàng)研究為環(huán)糊精在手性識(shí)別中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。 3.環(huán)糊精可以從細(xì)胞膜中提取磷脂組分形成包結(jié)物，從而引起細(xì)胞膜的溶血現(xiàn)象。其中，磷脂極性頭部基團(tuán)的性質(zhì)是影響環(huán)糊精從細(xì)胞膜中提取磷脂的一個(gè)重要因素。為此，用剛性對(duì)接和柔性對(duì)接相結(jié)合的方法研究了磷脂酰肌醇(PI)，磷脂酰絲氨酸(PS)，磷脂酰乙醇氨(PE)的頭部基團(tuán)與α-，β-及γ-CD形成包結(jié)物的過程。文中考察了磷脂頭部穿過環(huán)糊精空腔的兩種包結(jié)取向：磷脂頭部從小口端(取向

5、Ⅰ)或大口端(取向Ⅱ)進(jìn)入環(huán)糊精的空腔。兩種對(duì)接方法分別快速地給出了包結(jié)過程中可能存在的能量勢(shì)壘及能量分布的信息。進(jìn)一步研究包結(jié)過程的能量分布以及每一包結(jié)位點(diǎn)的包結(jié)結(jié)構(gòu)，可以很清楚地得出，范德華力是形成包結(jié)物的主要驅(qū)動(dòng)力。在PI頭部與α-CD形成的包結(jié)物中，由于能量勢(shì)壘的作用，可能出現(xiàn)多種包結(jié)結(jié)構(gòu)共存的現(xiàn)象。比較兩種取向的穩(wěn)定包結(jié)結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，PI頭部在α-CD空腔中的完全包結(jié)狀態(tài)只發(fā)生在取向I中。PS和PE頭部與α-CD形成的包結(jié)物中

6、，完全包結(jié)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)具有全局最低的能量，應(yīng)是最穩(wěn)定的包結(jié)結(jié)構(gòu)。比較不同磷脂頭部與環(huán)糊精的包結(jié)能力，得到的順序?yàn)椋篜I頭部＞PS頭部＞PE頭部。 4.利用柔性對(duì)接算法FDOCK和分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法對(duì)α-CD與三種磷脂(PI，PS，PE)單分子模型下的相互作用進(jìn)行了研究。其中，磷脂分子中飽和的sn-1碳鏈及不飽和的sn-2碳鏈分別由16和18個(gè)碳原子組成。用柔性對(duì)接算法具體考察了α-CD與PI分子形成包結(jié)物的過程中每一包結(jié)狀態(tài)的

7、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的能量，并對(duì)其中幾種典型的包結(jié)狀態(tài)做了詳細(xì)的討論。分子動(dòng)力學(xué)方法用來驗(yàn)證FDOCK算法得到的最低能量結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。結(jié)果再次證明環(huán)糊精與磷脂頭部的作用是從細(xì)胞膜中提取磷脂的關(guān)鍵因素。與極性頭部形成的包結(jié)物相比，磷脂中疏水碳鏈部分與α-CD形成的包結(jié)物能量更低，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。而且不飽和的sn-2碳鏈與α-CD形成的包結(jié)物較飽和的sn-1碳鏈形成的包結(jié)物更具有優(yōu)勢(shì)。整個(gè)包結(jié)過程中，范德華能始終是α-CD與磷脂形成包結(jié)物的主要驅(qū)動(dòng)

8、力。同時(shí)對(duì)α-CD與PS及PE的相互作用進(jìn)行了研究，并把所得結(jié)果與PI的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，具有不同頭部基團(tuán)的PS和PE與α-CD形成包結(jié)物的過程與PI相似，只是其頭部形成的包結(jié)物具有不同的穩(wěn)定性，且穩(wěn)定性順序與第三章考慮單獨(dú)的磷脂頭部時(shí)得到的結(jié)果一致。 5.采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了細(xì)胞膜中的另一重要組分膽固醇與β-CD，羥丙基-β-CD(HP-β-CD)和2,6-二甲基-β-CD(DM-β-CD)的相互作用。采用自適應(yīng)偏置

9、力(ABF)方法研究了膽固醇穿過環(huán)糊精空腔時(shí)自由能隨反應(yīng)坐標(biāo)的變化。平均力勢(shì)(PMF)在反應(yīng)區(qū)間內(nèi)的積分得到了膽固醇與環(huán)糊精形成包結(jié)物的結(jié)合常數(shù)和結(jié)合自由能。研究結(jié)果表明包結(jié)過程中存在兩個(gè)局部穩(wěn)定的包結(jié)點(diǎn)，DM-β-CD對(duì)膽固醇具有最強(qiáng)的提取能力，三種環(huán)糊精對(duì)膽固醇的結(jié)合能力次序得到了與實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果：DM-β-CD＞HP-β-CD＞β-CD。將PMF分解為不同自由能組分項(xiàng)隨反應(yīng)坐標(biāo)的變化得到了在不同包結(jié)階段驅(qū)動(dòng)力的變化，即驅(qū)動(dòng)膽固醇從

10、口端進(jìn)入β-CD空腔的主要是靜電相互作用，而驅(qū)動(dòng)膽固醇深入β-CD空腔并與其形成穩(wěn)定包結(jié)物的主要是范德華相互作用及溶劑效應(yīng)。最后用分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步研究了每種環(huán)糊精在兩個(gè)包結(jié)點(diǎn)處包結(jié)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，所有環(huán)糊精在包結(jié)點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)都是熱力學(xué)穩(wěn)定的。與β-CD和HP-β-CD相比，DM-β-CD在第一個(gè)包結(jié)點(diǎn)形成的結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。 6.近年來，輪烷分子以其特殊的性質(zhì)和應(yīng)用潛力引起了人們強(qiáng)烈的興趣。一個(gè)或幾個(gè)環(huán)糊精穿

11、在鏈狀分子上形成了基于環(huán)糊精的輪烷。由于實(shí)驗(yàn)條件下只能得出關(guān)于輪烷中環(huán)糊精排列取向的宏觀平均性質(zhì)，所以輪烷分子中環(huán)糊精的取向問題一直不是很清楚。本論文用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了真空和水溶液兩種環(huán)境下由兩個(gè)α-CD分子與包含5個(gè)乙二醇單元的聚乙二醇(PEG)鏈構(gòu)成的輪烷。由于α-CD具有兩個(gè)不同的羥基端，其在PEG鏈上的排列存在三種不同的取向：大口端—大口端(HH)，大口端—小口端(HT)，小口端—小口端(TT)。文中從分子間相互作用和氫鍵兩

12、個(gè)方面重點(diǎn)考察了不同環(huán)境及α-CD的不同排列取向?qū)喭樾再|(zhì)的影響，并用自由能微擾(FEP)方法考察了α-CD三種取向間的自由能之差。研究結(jié)果表明，環(huán)境的不同只體現(xiàn)在靜電相互作用能量項(xiàng)上，且兩α-CD在真空中的靜電相互作用要比在水溶液中強(qiáng)。分子間的氫鍵只存在于兩個(gè)α-CD之間或α-CD與水分子之間，而PEG幾乎不與任何分子形成氫鍵。不同取向間及不同環(huán)境間兩α-CD靜電能的差異主要來自于分子間氫鍵的差異。通過分析三種取向間的結(jié)構(gòu)和自由能之差