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分子动力学模拟(MD)在生物体系的研究中发挥了很大的作用,经验力场的出现使生物分子的MD模拟得以实际应用。在过去几十年中,分子力学力场的发展取得了很大进步。其中,静电相互作用和溶剂效应在决定大分子的结构和功能方面起着重要作用,蛋白质的能量和动力学以及蛋白-配体的结合对这种效应都很敏感,因此量化静电相互作用对于定量描述蛋白质在溶液中的相互作用以及蛋白的构效关系非常重要。但由于当前标准力场没有包含极化效应,所以其准确性常受到限制。尽管肽和蛋白的极化力场已有很大发展,但由于各种困难,其发展和应用仍受到一定限制。一般认为,要从根本上解决理论方法的缺陷,需要将量子力学方法引入对生物体系的研究中,按照目前的计算条件,直接使用量子力学的方法计算蛋白质体系是不现实的。而一种可以替代的方法是线性标度量子化学,MFCC就是其中的一种。该方法通过把大分子的计算分成多个小分子片断,从而把精确的量子力学方法直接引入蛋白质体系的研究中。MFCC方法使用非常方便,可以自由选择计算方法和基组,并且与其他程序接口方便,这使其应用范围更广,更容易得到进一步发展。我们最近发展的MFCC-CPCM和PPC方法就是在MFCC的基础上发展起来的。已经证实,MFCC-CPCM方法可以准确的把极化效应加入蛋白的溶剂化能中,PPC可以正确描述蛋白的极化静电状态,能够在其天然结构附近提供精确的静电相互作用。特别是PPC,有着极为广阔的应用和发展前景。
本论文以MFCC-CPCM方法和PPC电荷的发展和应用为前提,研究了HIV-1蛋白酶/ABT538复合物的蛋白/配体相互作用,五个蛋白质(BPTI,GB1,Calbindin,IL4,Lysomyze)的骨架序参数以及avidin/biotin复合物的蛋白/配体相互作用。
HIV-1蛋白酶(PR)是抗HIV疗法中的主要靶标。W301是HIV-1蛋白酶中的一个非常保守的水分子,存在于几乎所有的PR/抑制剂复合物中,它在PR/抑制剂的结合中起着重要作用。由于PR/抑制剂相互作用很大程度上取决于包含一个裂隙位置的离子化状态,该裂隙包含了一对ASP(Asp25/Asp25),其质子化状态的确定对于药物设计来说非常重要。在第二章中,采用MFCC方法研究了PR/ABT538和W301在Asp25/Asp25的四种不同的单质子化状态下的相互作用。结果表明其质子化状态对于PR,ABT538和PR/ABT538和W301之间的相互作用影响不大。此外,通过使用MM/PBSA方法,首次把MFCC-CPCM方法用于结合亲和势的研究。和四个不同的Asp25/Asp25的质子化状态相对应,我们从四个不同的分子动力学轨迹中得到了四个能量最小的结构。与常用的MM/PBSA方法相比,这种方法的优点在于它包含了准确的极化效应,所以能够得到更为准确的结果。我们的结果和以前用FEP/TI方法得到的一致,表明保守的W301对于HIV-1PR/ABT538复合物的结合自由能有重要贡献,而且Asp25/Asp25的不同的质子化状态对于W301与PR/ABT538的结合自由能有明显影响。如果用更多的轨迹结构进行计算,其准确度可以进一步提高。
第三章中,我们把新发展的蛋白质极化电荷PPC应用于五个具有代表性的蛋白质(BPTI,GB1,Calbindin,ILE,Lysozyme)的动力学模拟中。与目前广泛应用的力场例如AMBER03,OPLA-AA,CHARMM22,CHARMM22/CMAP和AMBER/ff99SB相比,PPC能够正确描述天然结构附近蛋白的极化静电状态,是一种我们更需要的电荷模型。对于每一个蛋白我们进行了3.5 ns的分子动力学模拟,得到了其结构和动力学性质,如结构形变和骨架序参数。在这些模拟中,与标准力场相比,PPC能提供更稳定的分子动力学轨迹,和实验结构仅有很小的偏差,而得到的骨架序参数与的NMR数据有更好的一致性。本工作对于PPC蛋白模拟具有更高准确性提供了进一步的证据。
第四章中,通过计算生物素(biotin)及其同系物(2-iminobiotin或BTN2)同抗生物素蛋白的结合能,我们研究了蛋白的极化效应对抗生物素蛋白/生物素结合的影响。首先采用碎片法进行蛋白质的量子力学计算,并生成能准确表示蛋白-配体结合中的静电相互作用的蛋白极化电荷PPC。随后用PPC进行分子动力学模拟并结合MM/PBSA方法计算了结合自由能。结果表明在avidin/biotin的结合位点处,静电极化能够稳定氢键并使β折叠保持稳定。如果不包含极化效应,该β折叠则会变形,并在Asn118和Ile119附近变为一个无规则卷曲结构。当前研究也表明,如果包含极化效应,BTN1和BTN2与avidin的结合自由能的差值和实验值几乎一致。如果不包含极化效应,同样的自由能计算却不能区分这两个配体结合力的差别。进一步分析表明avidin-biotin的结合自由能差别几乎完全来自静电相互作用的贡献,这是极化效应的直接结果。