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甲羟戊酸途径存在于所有高等真核生物和许多病毒中,该途径中间产物对细胞信号传导通路蛋白的翻译后修饰十分重要,并对细胞生长、分化和表达起关键性作用。法尼基焦磷酸合酶(FPPS)是甲羟戊酸途径中的关键酶,也是抗肿瘤药物研究的重要靶标。目前,常用的FPPS抑制剂主要为双膦酸类化合物,该类药物广泛应用于多种疾病的治疗,主要包括过度骨吸收引起的骨相关疾病,如骨质疏松、佩吉特骨病、癌症骨转移,以及由寄生虫引起的感染性疾病等。近来研究表明,双膦酸类药物特别是第三代双膦酸药物还具有直接或间接抗肿瘤作用,如多发性骨髓瘤、乳腺癌、肺癌等。唑来膦酸作为第三代双膦酸类药物的典型代表,表现出较其它临床应用的双膦酸类药物更优的生物活性,因而被广泛应用于骨质疏松及其它骨相关疾病的治疗。然而,由于唑来膦酸长期用药的耐受性尚不明确,加之亲水性较高,导致其细胞膜透过率和口服生物利用度较差,进入体内后迅速被骨吸收,其它未吸收的部分则以原形通过肾脏排出体外,从而影响了药物对非骨组织的疗效。因此,急需寻求亲水性较低的新型FPPS抑制剂,提高其在非骨组织中的血药浓度和生物利用度,从而提高药物对非骨组织疾病的疗效。本文利用计算机辅助药物设计方法对第三代双膦酸类化合物的构效关系及其作用机制进行系统研究,以期筛选出极性低、活性高且毒副作用小的新型FPPS抑制剂,从而为新型FPPS抑制剂的设计合成提供指导。采用4种密度泛函方法和4种基组对唑来膦酸单斜(IM)与三斜(IT)晶系的质子化和非质子化状态4种构象进行几何优化与频率计算。通过分析比较理论计算的几何参数、红外、拉曼光谱与实验值的偏差,筛选出计算唑来膦酸非质子化与质子化构象的最佳方法分别为B3LYP/6-31+G*和B3LYP/6-311++G**。能量分析表明,质子化构象更为稳定,且几何参数与光谱性质更接近实验值。在B3LYP/6-311++G**水平下对唑来膦酸质子化构象进行溶剂化计算,发现溶剂化作用使得唑来膦酸结构参数更接近实验值,且形成分子内氢键作用。分子内氢键使唑来膦酸羟基的红外吸收峰红移,单斜与三斜晶系波数分别移动12-22 cm-1和24-26 cm-1。此外,通过分析比较气液两相中热力学性质、分子表面静电势和前沿分子轨道等,揭示了唑来膦酸理化性质与其生物活性关系,并结合NBO和AIM分析等方法对唑来膦酸分子内氢键本质进行探讨。对唑来膦酸二聚体的结构和性质进行研究。采用不同密度泛函方法和基组,对9种唑来膦酸二聚体构象进行几何优化,筛选出最优方法为B3LYP/6-311++G**,并在此基础上对分子间氢键、红外光谱、相互作用能和热力学性质等进行深入研究。结果表明,单斜与三斜晶系的唑来膦酸二聚体稳定性顺序分别为:IM-Dimer II≈IM-Dimer IV>IM-Dimer I>IM-Dimer III和IT-Dimer II>IT-Dimer V>IT-Dimer IV>IT-Dimer I>IT-Dimer III,影响二聚体稳定性的因素主要有氢键个数、氢键强度及结构单元的对称性。分子间及分子内氢键作用使唑来膦酸羟基红外吸收发生红移,吸收强度变大。此外,NBO和AIM分析结果表明唑来膦酸分子内氢键强度高于分子间氢键,且分子内氢键对化合物稳定性起关键性作用。采用比较分子场分析法(Co MFA)对53个含氮双膦酸类化合物对人FPPS酶(hFPPS)抑制活性进行三维定量构效关系(3D-QSAR)研究。结果显示,训练集化合物的理论预测值与实验值线性关系为Y=0.975X+0.179,r2=0.975,测试集化合物线性方程为Y=0.806X+1.245,r2=0.753,表明构建的3D-QSAR模型具有良好的预测能力。根据Co MFA模型得到的三维系数等势图,并充分考虑双膦酸化合物在生物体内的脂溶性需求,设计了系列新型含氮双膦酸抑制剂,并对其生物活性进行了理论预测。结果表明,氨基取代基的引入可明显增强该类化合物的生物活性,新设计的含氮双膦酸化合物中pIC50(pIC50=-logIC50)值高于8.00的化合物有15个,其中活性高于唑来膦酸的有1个,高于利塞膦酸的有10个。采用分子对接、分子动力学和ONIOM等方法,对新型含氮双膦酸类化合物与hFPPS酶之间的作用机制进行研究,从而为新型含氮双膦酸类FPPS抑制剂的设计合成提供指导。分子对接研究不仅得到双膦酸与hFPPS酶的最佳结合模式,而且发现含氮双膦酸通过氢键作用、疏水作用和阳离子-π相互作用结合于hFPPS酶活性位置,其中hFPPS酶活性区域的氨基酸Arg126、Lys214、Thr215、Gln254、Asp257和Lys271以及镁离子Mg2+909与含氮双膦酸类抑制剂的相互作用最为重要。分子动力学模拟结果显示,经过4 ns MD模拟后体系均达到平衡,配体与受体氨基酸残基Arg126、Lys214和Lys271对配受体相互作用能的贡献最大,其次为Thr215和Gln254。此外,配体与氨基酸残基的氢键作用计算结果表明体系中氢键个数及氢键强度对化合物的抑制活性起着决定性作用,其中Arg126、Lys214和Lys271能与配体形成氢键。ONIOM(B3LYP/6-31+G*:PM6:Amber)计算结果显示,配体分子构象的变动较小,主要受周围氨基酸和水分子的氢键作用影响;配体与受体之间的结合能大小与药物分子的抑制活性相一致,而分子间氢键作用和疏水作用对化合物的抑制活性起决定性作用,且参与相互作用的氨基酸残基与分子对接和分子动力学模拟结果相一致。