人肝细胞色素P450 2C金属酶与药物代谢*

由于人肝细胞色素P450 2C亚家族与临床药物代谢的密切关系,其研究已引起人们的广泛关注。本文综述了四种人肝细胞色素P450 2C,着重综述了其中的三种：CYP2C9,CYP2C8,CYP2C19的研究进展。评述了CYP2C9,CYP2C8和CYP2C19的某些氨基酸残基在催化过程中的作用,这三种酶的基因多态在不同人种中的分布及药物代谢的差异,以及它们与用药的特异性及某些疾病的易感性的联系,介绍了目前提出的CYP2C8的底物药效团模型,最后总结了CYP2C9,CYP2C8,CYP2C19,CYP2C18的主要特性。     

基于计算模拟与光谱法研究细胞色素CYP2C9与双酚A的相互作用

基于分子对接、分子动力学模拟、紫外吸收光谱法、荧光光谱法与红外光谱法,研究了细胞色素CYP2C9与双酚A (BPA)之间的相互作用。分子对接研究表明,对接位点位于Thr364附近的空腔,结合能为-7. 51 kcal/mol;分子动力学模拟观察了10 ns内蛋白的整体构象变化,发现Thr364也是BPA与CYP2C9发生相互作用时的结合位点。光谱学研究发现CYP2C9与双酚A结合发生荧光增强现象,并且它们间的相互作用力主要为疏水作用力;二级结构中β-转角、无规则卷曲与β-折叠等也发生明显变化;随着底物浓度增加紫外吸收峰有明显上升且伴随红移。模拟计算与光谱检测均表明CYP2C9与BPA间存在较强的相互作用。     

己烯雌酚与CYP2C9的计算模拟及多光谱法研究

为了研究己烯雌酚与CYP2C9的结合作用机制,结合分子模拟,荧光光谱等光谱实验多角度分析了两者的结合情况。首先从分子对接得到己烯雌酚与CYP2C9相互作用的最佳结合构象,然后通过动力学模拟研究了己烯雌酚与CYP2C9的复合物的稳定性以及构象变化,最后用多光谱法进行实验印证。对接结果表明己烯雌酚与CYP2C9反应可以自发进行,动力学模拟结果表明两者具有较强的结合能力。同时,荧光光谱实验得出两者的结合机制为静态猝灭且形成一个结合位点,热力学参数证明两者结合作用为疏水作用力;紫外光谱实验进一步证明两者结合后的CYP2C9的构象和周围环境发生改变。通过拟合分析酰胺I带,红外定量分析结果表明,与己烯雌酚作用后的CYP2C9蛋白质的二级结构发生改变。综上结果表明CYP2C9与己烯雌酚可以发生相互作用,理论与实验进行相互印证,为进一步研究CYP2C9的催化代谢机制提供参考。     

结合分子模拟探讨共聚酯PBSH在不同溶剂中的PC脂肪酶催化降解

采用固定化洋葱假单胞菌(PC)脂肪酶为催化剂,研究了在氯仿和四氢呋喃(THF)中不同摩尔比的聚(丁二酸丁二醇-co-丁二酸己二醇酯)(PBSH)的酶促降解规律及其差异性.通过PBSH降解前后的相对分子质量变化、降解产物的MALDI-TOF-MS分析研究了共聚酯降解规律,并以分子动力学(MD)及分子对接模拟分别研究了PC酶的溶剂效应及酶与底物的结合机制.研究结果表明,PC酶在2种溶剂中均可催化PBSH降解,但在氯仿中酶的活性较大,PBSH降解率大.分子动力学模拟数据表明,在THF中,PC酶整体氨基酸残基的涨落比氯仿中大,且THF会进入酶活性口袋中与催化残基Ser87结合,破坏了催化残基Ser87和His286之间的相互作用.分子对接结果分析发现,含丁二酸己二醇酯(HS)单元底物与PC酶活性位点的对接比含丁二酸丁二醇酯(BS)单元的更为稳定.     

漆酶与酚类模式底物的结合及反应活性的理论研究

通过生物信息学分析、分子动力学模拟及量子化学计算,对21种邻对位取代酚类模式底物与漆酶的结合能力以及反应活性进行了探讨.生物信息学结构比对分析发现漆酶的活性口袋含有Asp/Glu206,Asn/His208,Asn264,Gly392和His458等保守的氨基酸残基(氨基酸残基编号以Trametes versicolor漆酶为例,PDB:1KYA);采用MM-GBSA方法计算了21种酚类模式底物与T.versicolor漆酶的结合自由能.分子力学计算结果表明,漆酶与底物的结合力主要来自Asp206和Asn264等残基与底物分子形成的分子间氢键,并且Phe265残基和酚类底物的芳香环形成π-π相互作用.量子化学计算表明,芳环上取代基的推拉电子效应显著影响协同电子转移的底物去质子化过程,其中推电子能力较强的—NH2,—OH,—OCH3和—CH CHCH3等基团能够明显增强酚羟基反应活性,而吸电子的—CONH2和—Cl则具有相反的效应.     

青风藤有效化学成分与环氧合酶的对接研究

将青风藤中23个有效化学成分与COX-2酶对接,有四个化合物具有较低的结合自由能,其中以青藤碱为最低.进一步将这四个化合物与COX-1酶对接,发现这四个化合物与COX-1酶结合能力较弱,预示这四个化合物具有选择性抑制COX-2酶的能力.对青藤碱和COX-2以及COX-1酶的结合模式进行分析,发现青藤碱主要结合于COX-2酶的S′口袋,而COX-1酶的S′结合口袋中第523号残基由COX-2酶中的Val523变成了体积较大的Ile523,使得COX-1酶的S′结合口袋相对COX-2酶的结合口袋要小,从而导致青藤碱分子不能进入COX-1酶S′结合口袋.这成功解释了青藤碱选择性抑制COX-2酶的原因,与早期有关文献报道的实验结果相吻合,充分表明了对接模型的合理性,青藤碱等化合物可作为设计COX-2酶选择性抑制剂的先导化合物.     

液相色谱-质谱联用技术结合多探针底物法研究人参皂苷Rb1的体外代谢

以奥美拉唑、 苯妥英、 卡马西平和非那西丁为检测肝药酶细胞色素P450酶(CYP450)亚型的专属探针药物, 通过原型药物减少量测定法考察药物体外代谢的变化, 评价人参皂苷Rb1对CYP450不同亚型酶的作用. 结果表明, P2C9, P2C19和P3A4实验组与对照组差异不显著, P1A2实验组与对照组差异显著, 表明人参皂苷Rb1能诱导P1A2亚型酶的活性, 促进底物与酶反应, 加快底物的代谢, 而对P2C9, P2C19和P3A4三个亚型酶有弱的诱导或无诱导作用. 根据快速分离液相色谱-质谱联用(RRLC-MS/MS)检测结果推断, 人参皂苷Rb1在CYP450酶中的代谢产物可转化为人参皂苷Rb1氧化产物(Rb1+O)及人参皂苷Rd和F2.     

结核分枝杆菌EPSP合酶与草甘膦的分子对接研究

采用Autodock4.2分子对接软件包,对结核分枝杆菌5-烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶(5-Enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase,简称EPSP合酶)和草甘膦的相互作用机制进行了分子对接研究.研究结果表明,草甘膦与结核分枝杆菌EPSP合酶结合能为-28.27kcal/mol;结合位点位于该酶底物磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)的结合位点上,并与底物形成竞争性结合;草甘膦能与结核分枝杆菌EPSP合酶中位于活性空腔的Glu311,His340,Thr97及Arg124等11个氨基酸残基及酶底物S3P形成疏水作用;结核分枝杆菌EPSP合酶中Arg385,Arg344,His384,Lys23,Gly96,Arg124,Lys410,Glu341 8个氨基酸残基能与草甘膦上的羧基及磷酸基团形成10个氢键,推测草甘膦的羧基及磷酸基团是草甘膦对EPSP合酶抑制作用的物质基础;草甘膦与结核分枝杆菌EPSP合酶结合的主要推动力为氢键、疏水作用及静电作用力.研究结果可为草甘膦的结构改良及EPSP合酶基因的改造提供理论参考,并为通过对莽草酸途径的抑制作用这一崭新方法来研发新型抗结核药物提供科学依据.     

抑制剂BD2对PKA与PKCβⅡ的抑制选择性研究

蛋白激酶A(PKA)和蛋白激酶C(PKC)的过度表达导致细胞生长分化异常,是治疗肿瘤的潜在靶点.抑制剂BD2对PKA和PKC抑制作用存在高选择性.为了探讨BD2高选择性机制,本工作以PKA与BD2复合物的晶体结构为模板,通过同源模建结合分子对接的方法构建PKC βⅡ与BD2复合物的结构,并对PKA-BD2复合物和PKC-BD2复合物进行了2.5 ns的分子动力学模拟,运用MM-GBSA方法计算了结合自由能,通过能量分解的方法考察PKA和PKC的主要残基与BD2之间的相互作用和识别机制.结合能分析结果很好地描述了BD2对PKA抑制活性比其对PKC抑制活性高这一实验现象.氢键分析和能量分解结果共同说明了BD2的B环和酰胺链部分与PKA和PKC中相应位点的残基之间的相互作用存在差异,这是BD2存在选择性的内在因素.BD2高选择性作用机制的阐明为进一步基于结构的balanol类抑制剂的结构设计和优化提供了合理的指导.     

抑制剂BD2对PKA与PKC βII的抑制选择性研究

蛋白激酶A (PKA)和蛋白激酶C (PKC)的过度表达导致细胞生长分化异常, 是治疗肿瘤的潜在靶点. 抑制剂BD2对PKA和PKC抑制作用存在高选择性. 为了探讨BD2高选择性机制, 本工作以PKA与BD2复合物的晶体结构为模板, 通过同源模建结合分子对接的方法构建PKC βII与BD2复合物的结构, 并对PKA-BD2复合物和PKC-BD2复合物进行了2.5 ns的分子动力学模拟, 运用MM-GBSA方法计算了结合自由能, 通过能量分解的方法考察PKA和PKC的主要残基与BD2之间的相互作用和识别机制. 结合能分析结果很好地描述了BD2对PKA抑制活性比其对PKC抑制活性高这一实验现象. 氢键分析和能量分解结果共同说明了BD2的B环和酰胺链部分与PKA和PKC中相应位点的残基之间的相互作用存在差异, 这是BD2存在选择性的内在因素. BD2高选择性作用机制的阐明为进一步基于结构的balanol类抑制剂的结构设计和优化提供了合理的指导.     

分子力场发展的新趋势

分子模拟中的力场方法是用来精确计算分子结构和能量的计算方法,它通过原子核的位置来计算体系能量。最初的分子力场都是针对某一特定体系的,它们的许多参数要由观测数据拟合得到。当时要建立新的分子力场是十分困难的,因为实验归属振动谱带需要花费大量的时间。所以此后大多数工作者都致力于发展涵盖尽可能多体系的“求全”型分子力场,这种趋势一直延续至今。但是随着各个学科研究的不断深入,所需要研究的体系越来越复杂,要求的精度也越来越高。在保证相当精度的条件下,“求全”型的分子力场要想涵盖所有需要研究的体系常常是十分困难的事情。2003年问世的Direct Force Field软件包能够便捷的建立针对某一特定分子体系,并且有相当精度的分子力场。它的出现为分子力场从“求全”转为向“求精”发展提供了可能。     

I/V characteristics of a molecular switch

We present a study of the conduction properties of a class of aromatic compounds, whose conformation can be modulated with a transverse electric field, with strong effects on the molecular transport properties. The theoretical method includes the molecule–electrode interaction in a simple, although effective way: the coupling matrix elements are considered independent from the energy of the continuum spectrum of the lead. This results in a simple expression for the molecular Green’s function with a significant simplification in the expression of the transmission function. The effects of the voltage bias on the electronic molecular density is included through a uniform effective electric field. A simplified but accurate method for the evaluation of the molecular response to the field, which spares lengthy computations for each value of the voltage, is presented. The proposed method is calibrated on the widely studied benzene-1,4-dithiol molecule. The calculations on the selected molecular wire (a tetracyano derivative of 4,4′-di(mercaptoethynyl)tolan) show that conductivity is low for perpendicular rings, whereas conduction is allowed for the planar conformation, which corresponds to the equilibrium geometry in the absence of the transverse electric field.     

分子组装机器：纳米工厂

Molecular machines have attracted significant attentions as one of the most promising aspects of chemistry for their potential applications ever since receiving the 2016 Nobel Prize in Chemistry. The molecular assembler, also called the nanofactory, is a novel type of molecular machines that are capable of controlling the chemical reactions precisely at the microscopic level. As an analog to the macroscopic factories, nanofactories are comprised of a "transporting" part, the molecular walkers, and an "assembling" part, the molecular robotic arms. In this review, we provide a brief introduction of the research progress in recent years together with analysis on the principles of designing, constructing and operating molecular assemblers. We also summarize the prospects and challenges in the research area of molecular assemblers.     

浅谈2016年诺贝尔化学奖:分子机器

2016年诺贝尔化学奖颁给了Jean-Pierre Sauvage、Fraser Stoddart和Ben Feringa,以表彰他们在设计与合成分子机器领域的卓越贡献.分子机器是模拟自然界的生物大分子机器或宏观机器的分子,科学家通过精巧的设计,利用有机合成反应构建这些内部能相对运动的分子,实现从分子层面的精确控制.本次诺贝尔化学奖颁给了尚无实际应用的分子机器,给未来带来了无限可能.     

Interfacial nanoarchitectonics for molecular manipulation and molecular machine operation

The nanoarchitectonics concept enables us to produce functional systems and materials from nanoscale units through nanotechnological approaches together with the processes including chemical syntheses, atom/molecule manipulations, self-assemblies, self-organizations, field-induced material regulations, and bio-related processes. Especially, manipulations of molecules (molecular machines) and sophisticated organization would be attractive targets in interfacial nanoarchitectonics. In this short review, we introduce several typical examples on manipulations of functional molecules and molecular machines at interfacial media. The examples are classified roughly according to driving forces of manipulations; (i) manipulations through chemical reactions and interactions; (ii) light-driven manipulations; (iii) electrically controlled manipulations; (iv) mechanical manipulations. Future possibilities of molecular manipulations at interfaces such as usages in biological systems are discussed in perspective section.     

卟啉超分子化合物在分子器件中的应用

分子电子器件已成为近年来的一个研究热点，卟啉类化合物因为光敏性好、性能稳定、易于修饰等优点成为分子器件研究的理想模型化合物。本文着重介绍了它在分子器件中的最新应用进展。     

芬太尼类化合物与阿片μ受体相互作用的分子对接与分子动力学模拟

采用分子对接和分子动力学(MD)模拟方法研究了芬太尼类化合物与阿片μ受体的相互作用机制.先用AutoDock4.0程序将芬太尼类化合物对接到同源模建的阿片μ受体结构中,再用GROMACS程序包在水溶液体系中分别对12个芬太尼激动剂和阿片μ受体蛋白复合物进行了MD模拟研究,优化对接复合物的结构,最后利用MM-PBSA方法,在APBS程序中计算芬太尼类衍生物与阿片μ受体的结合自由能,计算出的受体配合物结合常数(Ki)与其实验值吻合较好,并预测了化合物的活性排序.结果表明,复合物蛋白结构与空载受体蛋白结构有较大差异,特别是胞内区IL2、IL3和跨膜区段TM4骨架构象变化较大,不同的化合物对受体结构影响也有差异,活性较好的化合物会增加蛋白特定区域结构的柔性.芬太尼类化合物可能是通过和受体结合后诱导阿片μ受体构象转变为活性构象,引起一系列的信号传导激活G蛋白,从而引发生理效应.     

分子纳米磁体的研究进展及应用

分子磁学主要研究无机配合物以及有机自由基的电子结构和磁性之间的关系。近些年发展起来的分子纳米磁体可以在单分子尺度上实现磁双稳态,独立作为一个磁功能单元,可能突破尺寸对传统磁性材料的制约,有望实现超高密度磁存储。分子纳米磁体中清晰的量子态也为量子退相干研究提供了化学调控的手段,这将为量子计算机提供物质基础。本文简要介绍了分子纳米磁体的概念和特征,并对研究进展进行了简要综述。     

Synthesis of covalently bonded nanostructure from two porphyrin molecular wires leading to a molecular tube

Molecular wire, diacetylene-linked porphyrin dimer 6 having terminal alkenes, was synthesized. Porphyrin dimer 6 formed the 1:1 double-stranded ladder complex with 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO). The co-planar stacked two porphyrin molecular wires in the ladder complex were connected by olefin metathesis in the presence of the Grubbs catalyst in order to make a covalently bonded tubular nanostructure. The obtained molecular tube 7 was characterized by ¹H, ¹³C NMR spectroscopy, and MALDI-TOF MS spectrometry.