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39560字硕士毕业论文GPCRs配体小分子和药物构型的计算机模拟

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:39560字
论点:蛋白质,结构,疏水
论文概述:

通过比较分析不同同源性蛋白质间和同种蛋白质在不同状态下结构和功能,来揭示蛋白质的作用机制。这为我们研究GPCRs 受体的结构和功能及其关系提供了强有力的实验数据,也为验证以前的理

论文正文:

第一章研究背景

1.1蛋白质的基本单位
蛋白质在结构上是由一系列氨基酸通过羧基和氨基缩合脱水(即肽键)形成的长肽链。在描述蛋白质的一级结构时,我们以氨基酸残基(-NH-CHRi-CO-)为单位。然而,在研究蛋白质的立体结构时,肽平面(-CHRi-CO-NH-CHRi+1-)必须用作基本单位(图1-1)。肽键的刚性和可变性程度用二面角ω来描述。ψ和φ用于定量描述α碳原子和肽平面之间的单键旋转:α碳原子用φ表示,与氨基成一定角度,ψ与羧基成一定角度;其他二面角χi定量描述了氨基酸侧链中一些碳原子(如α碳原子和β碳原子)之间单键旋转的参数。由于氨基酸残基侧链基团的体积变化,其空间位阻效应影响ψ和φ的变化范围。Ramachamdran和他的同事基于肽键的刚性计算了ψ和φ的所有可能值,并用这个坐标绘制了肽链骨架中各种氨基酸残基ψ和φ的允许值的二维图,这被称为拉普拉斯映射(Laplace mapping)。这为我们在蛋白质建模时评估模型的结果提供了基础。甘氨酸是α碳原子上的两个氢原子,它不产生任何空间位阻效应,但在蛋白质立体结构的形成中起着特殊作用。甘氨酸通常出现在蛋白质的角区或构象柔性区,严重破坏α螺旋的形成。丙氨酸残基倾向于形成α螺旋;半胱氨酸在侧链上有很高的化学反应性,两个位置合适的半胱氨酸可以形成稳定的二硫键,这对蛋白质的三维结构很重要。脯氨酸是一种环状亚氨基酸,容易转变成顺式肽键。多肽链中缺乏酰胺氢,不能形成骨架氢键。天冬酰胺的侧链大多位于体积较小的角落,通常是糖基化的位点。带电氨基酸侧链上的正电荷会与负电荷基团产生静电相互作用。氨基酸和一些氨基酸的衍生物是重要的神经递质,包括谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸、组氨酸衍生的组胺、色氨酸衍生的5-羟色胺、天冬氨酸衍生的N-乙酰天冬氨酸、多巴胺、酪氨酸衍生的去甲肾上腺素、精氨酸代谢物一氧化氮和蛋氨酸系列反应后产生的乙烯。

1.2蛋白质的结构
蛋白质的一级结构、二级结构和三级结构的概念是由丹麦蛋白质化学家林德斯特罗姆-朗在1953年提出的。英国晶体学家伯纳尔在1978年提出了蛋白质四级结构的概念。近年来,蛋白质化学家提出了超二级结构和领域。蛋白质的二级、三级和四级结构也被称为高级结构。蛋白质从一级结构折叠到三级结构的过程被认为是一个动力学过程。形成的三级结构蛋白的稳定存在由热力学决定。在蛋白质的结构中,原子和基团之间错综复杂的级联相互作用可以归因于类似化学中常见的成键结合和非成键作用。主要有以下类型:氢键:蛋白质中有大量离子化的羧基、质子化的氨基和亚氨基,它们是氢原子很好的受体和供体,相互作用形成特定几何构型和适当距离的氢键。如果氢受体和供体本身被再次充电,通常是碱性和酸性氨基酸残基之间的氢键,强度更大。形成氢键的能量变化不大,但对蛋白质的二级结构的形成尤为重要。静电相互作用:蛋白质氨基酸残基上带电基团之间可能发生静电相互作用,也称为盐桥。然而,一些极性基团在周围环境的影响下会被诱导成稳定的偶极子,并且还会产生静电效应。这些静电作用严格遵守库仑定律。范德瓦尔斯力(Van der Waals Force):蛋白质中的所有原子都在不断运动,原子上的电子总是围绕原子核运动。某些原子在某一时刻正负电荷相对移动而形成瞬时偶极子所引起的相互作用称为色散力,也称为范德瓦尔斯力(Van der Waals force)。疏水效应[29]:生物体本身是疏水和亲水性物质平衡统一的产物。由构成蛋白质的疏水氨基酸残基聚集形成的相互作用称为疏水相互作用(疏水相互作用),在蛋白质三维构象的形成和稳定中起着极其重要的作用。疏水作用的本质是熵驱动的作用。配位键(Coordination bond):在一些金属蛋白质中,参与氢键的一些氨基酸上的基团也可以与金属铁、钙、锌、铜、锰、镁、钼等形成配位键。从而稳定蛋白质的结构并实现一些功能功能。二硫键:真核新生肽链合成后,由两个半胱氨酸残基的侧链疏水基团氧化成胱氨酸而形成的非常强的共价键。这个键被称为二硫键,是蛋白质翻译后修饰的结果。二硫键的形成使得肽链的空结构更加紧密,这稳定了蛋白质的结构,并且经常被用作蛋白质折叠过程中的限速步骤。其他作用:糖基化能明显改变蛋白质表面的亲水性和疏水性平衡;磷酸化对参与细胞内信号传递的蛋白质的功能非常重要。蛋白质氮和碳末端的修饰被认为与防止蛋白质降解有关。

第二章研究方法

本章首先介绍了基于配体分子、CoMFA和CoMSIA的药物设计定量构效关系方法。从这两种方法的基本原理可以看出,先导化合物结构的修饰和修饰可以通过构建药物分子定量构效关系模型来实现,而不需要知道药物作用受体的结构。其次,基于受体结构、滑动配合和诱导配合,从滑动原理出发,通过分子对接的方法,找出药物分子与蛋白质受体之间的最佳结合状态。最后,详细介绍了计算机模拟实验室真实溶液中分子运动的分子动力学模拟,从理论上说明了模拟的可靠性。

2.1定量结构-活性关系
定量结构-活性关系(QSAR)是化合物结构的函数,通过运用数理统计来研究和揭示二者之间的定量变化规律。这是克鲁姆·布朗和弗雷泽在1868年首次提出的。直到1964年,定量构效关系研究才进入实质性发展,直到汉斯方法[65]和模式识别自由威尔逊方法[66]出版。1988年,克莱默发表了克莱伯在1994年提出的比较分子力场分析(CoMMA)[67]和比较分子相似性方法(CoMSIA)[68)。这在模型中考虑了分子的三维结构,统称为3D-QSAR,间接反映了药物分子作用过程中底物和受体之间的非键相互作用。一般来说,实验中生物活性的相关度量包括:50%抑制浓度(IC50)、50%有效浓度(EC50)、50%致死浓度(LC50)、50%有效剂量(ED50)、50%致死剂量(LD50)和最小抑制浓度(MIC)等。此外,还有三维定量构效关系,如距离几何(DG)[69)、分子形状分析(MSA)[70]和虚拟受体法(FR)[71]。

第三章数量结构-活动关系……23
3.1数据准备……23
3.2标准CoMFA模型及其等电位图分析……28
3.3区域集中优化CoMFA模型及其等电位图……33
3.4 CoMSIA模型及其等电位图分析……36
3.5结论……38
第四章分子对接……41
4.1数据准备……41
4.2分子对接分析……43[/br/ ]4.3结论……48
第五章分子动力学……49
5.1数据准备……49
5.2分子动力学模拟结果分析……50
5.3结论……56

结论

gpcr是目前新药研发的重要目标。通过配体小分子与GPCRs结合下的计算机分子动力学模拟,可以研究药物小分子与蛋白质的相互作用机理和过程,探索不同药物分子作用下蛋白质结构与功能的关系,进一步探索人类疾病的机制,及时进行预防、诊断和治疗,为提高药效和开发新药提供重要信息和依据。在使用计算机辅助药物设计时,我们通常采用基于配体的药物设计和基于受体的药物设计方法。前者可以在不知道药物作用的靶蛋白的情况下,对大量现有药物分子的结构和功效信息进行定量构效关系研究,例如CoMFA和CoMSIA工具用于修饰和改造先导化合物的结构。对于后者,在已知受体蛋白的三维结构来研究两者的结合模式的条件下,小药物分子通常与蛋白活性位点结合。例如,滑动和诱导配合工具用于寻找药物分子和蛋白质受体的最佳结合状态。通过对上述方法的研究,我们已经基本确定吡唑-噁二唑衍生物中R1和R2取代基基团的电学性质、体积和取向对它们在S1P1受体中的生物活性值特别重要,这是今后药物改进中应该注意的重点。S1P1受体跨膜螺旋上由残基L1283.36、L2726.51、F2736.52、L2766.55、C2067.43、T2077.44、C2067.43、F2107.47和A3007.43界定的疏水区域与配体上的疏水尾形成紧密的疏水相互作用,这对于提高小药物分子的生物活性值至关重要。同时,人们普遍认为激活开关的残基W2696.48在高活性激动剂化合物81的结合下与F2656.44和F2736.52形成大π -π共轭体系,这对被配体结合的S1P1受体处于稳定的激活状态非常重要。在国务院以生物产业发展为重点的“国家战略性新兴产业发展第十二个五年计划”的支持下,创新药物的研发和目标通用药物研发中心(GPCRs)的结构和功能研究将处于快速发展时期。这将为我们提供更多的实验数据,有利于实验技术和计算机模拟的有机结合,从而进一步促进药物设计和开发的发展。

参考
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