γ-环糊精和波尼松龙的相互作用分子动力学模拟和自由能计算

运用分子动力学（Molecular dynamics,MD）和MM—PBSA（molecular mechanics／Poisson Boltzmann surfaeearea）相结合的方法预测了γ-环糊精（γ-cyclodextrin,γ-CD）和波尼松龙的包结模式．在MD模拟过程中,波尼松龙分别采用A环和D环两种取向从γ-CD大口端进入其空腔．在MD轨迹采样基础上,采用高效MM—PBSA方法计算了两种取向的包结自由能．结果表明,计算包结自由能值和实验包结自由能值非常吻合．进一步分析各个能量项,发现范德华相互作用能为包结的主要驱动力．通过比较两种取向的包结自由能大小,预测D环取向为优势包结模式．     

葡萄糖苷酶抑制剂作用机理的分子动力学模拟和自由能计算

含有锍离子的葡萄糖苷酶抑制剂如kotalanol (SK)和它除去磺酸基团后的衍生物(DSK), 是潜在的毒副作用较小的治疗II 型糖尿病的候选药物. α-葡萄糖苷酶抑制活性实验显示, DSK活性比SK略高, 而将二者环上的S原子替换成NH后(分别称为DSN和SN), DSN的活性要比SN高1500倍左右. 本文用分子动力学模拟, 结合自由能计算和自由能分解的方法对上述四个抑制剂的作用机理进行了研究. 研究结果表明活性的巨大差异是由NH基团取代效应和磺酸基团立体效应共同作用的结果, 由于N―C键长比S―C键长短, NH基团取代导致烷基链的翻转, 同时, 磺酸基团限制了链的翻转, 因此改变了抑制剂的结合模式. 计算结果与实验基本一致.本文的研究结果有助于进一步理解含锍离子的葡萄糖苷酶抑制剂的结合机理, 并为设计更有潜力的葡萄糖苷酶抑制剂提供了有价值的信息.     

谷氨酰胺结合蛋白的分子动力学模拟和自由能计算

谷氨酰胺结合蛋白(Glutamine-binding protein, GlnBp)是大肠杆菌透性酶系统中一个细胞外液底物专一性结合蛋白, 对于细胞外液中谷氨酰胺(Gln)的运输和传递至关重要. 本文运用分子动力学(Molecular dynamics, MD)模拟采样, 考察了GlnBp关键残基与底物Gln之间的相互作用和GlnBp两条铰链的功能差别; 并采用MM-PBSA方法计算了GlnBp与底物Gln的结合自由能. 结果表明: Ph13, Phe50, Thr118和Ile69与底物Gln的范德华相互作用和Arg75, Thr70, Asp157, Gly68, Lys115, Ala67, His156与底物Gln的静电相互作用是结合Gln的主要推动力; 复合物的铰链区85～89柔性大, 对构象开合提供了结构基础; 而铰链区181～185柔性小, 其作用更多是在功能上把底物Gln限制在口袋中; 自由能预测值与实验值吻合. 本研究很好地解释了GlnBp结构与功能的关系, 为进一步了解GlnBp的开合及转运Gln的机制提供了重要的结构信息.     

烷基芳基磺酸盐的分子动力学模拟与自由能微扰计算

为研究不同结构的表面活性剂分子在溶液中胶束化能力的差异, 采用分子动力学方法模拟三种烷基芳基磺酸盐在真空和水溶液环境下的结构与相互作用. 利用自由能微扰(FEP)方法计算了水合自由能, 发现与用传统热力学表面张力法测定自制的烷基芳基磺酸盐结果一致. 研究表明: 烷基芳基磺酸盐在水溶液中的胶束化过程是自发进行的, 随着分子结构中芳环向长烷基链中间位置移动, 胶束化能力和胶束稳定性均下降; 疏水基周围水分子的“冰山结构”会影响胶束的稳定性, 而水分子中氢键的生存周期是反映冰山结构变化的重要指标; 同时, 亲水基与水分子间形成氢键的数目会增强或减弱分子脱离胶束体的趋势, 从而影响胶束结构的稳定性.     

FKBP12蛋白与其抑制剂结合的分子动力学模拟和结合自由能计算

FKBP12 (FK506-binding protein-12)是一种具有神经保护和促神经再生作用的蛋白. 采用分子动力学模拟取样, 运用MM-GBSA方法计算了FKBP12和3个抑制剂(GPI-1046, 308和107)的绝对结合自由能, GPI-1046的结合能最小, 308小于107的结合能. 通过能量分解的方法考察了FKBP12蛋白的主要残基与抑制剂之间的相互作用和识别, 计算结果表明: 3个抑制剂具有相似的结合模式, Ile56和Tyr82主要表现为氢键作用, Tyr26, Phe46, Val55, Ile56, Trp59, Tyr82, Tyr87和Phe99形成疏水作用区. 计算结果和实验结果吻合.     

激酶ABL与肉豆蔻酰位点小分子作用机理的分子动力学模拟及自由能计算

采用分子动力学方法研究激酶ABL 与ATP 位点小分子imatinib、P16 及变构位点小分子STJ、MS7、MS9、3YY、MYR等的结合, 并用GBSA (generalized Born surface area)方法将结合自由能分解到各残基. 自由能计算结果表明, 小分子STJ、MS7、MS9 有利于imatinib 与ABL 结合; 小分子STJ、MS7、MS9 与激酶ABL的结合自由能接近, 绝对值均大于ABL 与3YY、MYR 的结合自由能. 能量分解表明, ABL 残基ILE502、VAL506、LEU510与STJ和MYR的相互作用是αI 螺旋处于弯曲状态的重要原因. 模拟过程中ABL肉豆蔻酰口袋残基均方根偏差(RMSD)变化值表明, STJ等小分子抑制剂与ABL结合后降低了肉豆蔻酰口袋残基的柔性.     

环糊精的理论计算*

环糊精对超分子化学的发展具有重要意义,其特殊的物理和化学性质已经在实验和理论研究中受到广泛关注。本文对近10年来环糊精的理论计算发展情况进行了综述。重点概述了分子动力学模拟结合自由能计算方法在环糊精识别和自组装行为中的应用,最后展望了环糊精未来的理论计算发展方向。     

新型二氟甲基磷酸类酪氨酸蛋白磷酸酯酶1B抑制剂的分子动力学模拟和结合自由能计算

通过分子对接建立了一系列含二氟甲基磷酸基团(DFMP)或二氟甲基硫酸基团(DFMS)的抑制剂与酪氨酸蛋白磷酸酯酶1B(PTP1B)的相互作用模式, 并通过1 ns的分子动力学模拟和molecular mechanics/generalized Born surface area (MM/GBSA)方法计算了其结合自由能. 计算获得的结合自由能排序和抑制剂与靶酶间结合能力排序一致; 通过基于主方程的自由能计算方法, 获得了抑制剂与靶酶残基间相互作用的信息, 这些信息显示DFMP/DFMS基团的负电荷中心与PTP1B的221位精氨酸正电荷中心之间的静电相互作用强弱决定了此类抑制剂的活性, 进一步的分析还显示位于DFMP/DFMS基团中的氟原子或其他具有适当原子半径的氢键供体原子会增进此类抑制剂与PTP1B活性位点的结合能力.     

基于几何约束的蛋白质-配体准确结合自由能计算

蛋白质-配体的结合过程伴随着复杂的结构变化,在分子模拟可及的时间尺度内难以完全捕获,这使得准确估计蛋白质-配体的结合自由能十分困难.一种有效的解决途径是采用几何约束减小需要采样的构象空间,再通过后处理方式扣除约束的影响.本文综述了三种几何约束策略——漏斗状约束、球形约束和七自由度约束与自由能计算算法结合准确计算结合自由能的原理和进展,重点概述理论严谨的七自由度约束的最新进展以及与Alchemistry或重要性采样方法的联用策略,最后,讨论了如何针对不同体系选择合适的计算策略以及蛋白质-配体准确结合自由能计算在药物设计等领域中的挑战和前景,并提出了将上述方法进一步运用于研究更复杂的蛋白质-蛋白质问题的可能性.     

基于分子动力学模拟和连续介质模型的自由能计算方法*

近些年,基于分子动力学模拟和连续介质模型的自由能计算方法受到了越来越多的关注,其中MM/PBSA就是最具代表性的方法.在MM/PBSA中,体系的焓变采用分子力学(MM)的方法计算得到;溶剂效应中极性部分对自由能的贡献通过解Poisson-Boltzmann(PB)方程的方法计算得到;溶液效应中非极性部分对自由能的贡献则通过分子表面积(SA)计算得到.本文结合我们科研组的工作,就近几年MM/PBSA方法的最新进展做了较为详细的阐述,同时对MM/PBSA的发展前景进行了展望.     

环糊精包结谷胱甘肽的机理

使用分子动力学模拟结合自由能计算的方法在原子水平上研究了谷胱甘肽与α-,β-和γ-环糊精的包结模式,计算了谷胱甘肽与3种环糊精之间6种可能包结过程的自由能变化.结果表明,谷胱甘肽的谷氨酸残基从α-环糊精大口端进入空腔最终形成的包结复合物最稳定;在该复合物中,谷氨酸残基的亚甲基链部分被完全包结在疏水空腔中,其氨基与羧基位于与α-环糊精的小口端,并与环糊精的伯羟基形成了氢键,同时半胱氨酸中的巯基位于环糊精的大口端,得到了有效的保护.因此,疏水相互作用和氢键相互作用构成了包结的主要驱动力.β-环糊精的优势包结模式与α-环糊精类似,但形成复合物的稳定性次之,而γ-环糊精由于空腔较大,优势的包结模式是谷氨酸残基从γ-环糊精小口端进入空腔,但所形成的复合物结构的稳定性最弱.     

新型二氟甲基磷酸类酪氨酸蛋白磷酸酯酶1B抑制剂的分子动力学模拟和结合自由能计算（英文）

通过分子对接建立了一系列含二氟甲基磷酸基团（DFMP）或二氟甲基硫酸基团（DFMS）的抑制剂与酪氨酸蛋白磷酸酯酶1B（PTP1B）的相互作用模式,并通过1ns的分子动力学模拟和molecular mechanics/generalized Born surface area（MM/GBSA）方法计算了其结合自由能.计算获得的结合自由能排序和抑制剂与靶酶间结合能力排序一致;通过基于主方程的自由能计算方法,获得了抑制剂与靶酶残基间相互作用的信息,这些信息显示DFMP/DFMS基团的负电荷中心与PTP1B的221位精氨酸正电荷中心之间的静电相互作用强弱决定了此类抑制剂的活性,进一步的分析还显示位于DFMP/DFMS基团中的氟原子或其他具有适当原子半径的氢键供体原子会增进此类抑制剂与PTP1B活性位点的结合能力.     

β-环糊精和甾类化合物的分子动力学模拟

运用分子动力学(molecular dynamics, MD)和MM-PBSA (molecular mechanics/Poisson Boltzmann surface area)相结合的方法预测了β-环糊精(cyclodextrin, CD)和甾类客体分子包结模式. 通过重原子均方根偏差(root mean square deviation, RMSD)分析可得, 两种包结模式下客体分子都可以和β-CD形成稳定的包结. 在MD轨迹采样基础上, 采用高效MM-PBSA方法计算了两种包结模式下的包结自由能. 计算结果显示, β-CD和三个甾类客体分子包结的主要驱动力为范德华相互作用, 而溶剂化能和熵变则不利于体系的包结. 进一步分析平均构象和包结自由能发现, 对于波尼松龙, D-up (D-ring up orientation)取向为优势包结模式; 而乙炔雌二醇和雌三醇的优势包结模式均为A-up (A-ring up orientation)取向. 通过比较β-CD和三个客体分子的理论包结自由能, 预测包结稳定性的次序为乙炔雌二醇＞雌三醇＞波尼松龙, 和实验结果相一致.     

重要性采样方法与自由能计算

分子动力学模拟与自由能计算已经在化学、生物学与材料学等领域得到广泛的应用。然而,由于在传统分子动力学模拟的时间尺度内,体系很难跨越较高的自由能能垒,在相空间内的采样大大受限,采样困难使自由能计算难以收敛。增强采样是解决这一问题的有效途径,重要性采样方法就是其中一类。本文综述了四种广泛应用的重要性采样方法--伞状采样方法、metadynamics方法、自适应偏置力方法和温度加速分子动力学方法的原理和进展,其中重点概述了自适应偏置力方法的最新发展--扩展自适应偏置力方法和扩展广义自适应偏置力方法,并对这四种重要性采样方法的优缺点进行了比较。最后,讨论和展望了重要性采样与自由能计算方法面临的挑战和前景,并提出了对自适应偏置力方法可能的改进,如与加速分子动力学（aMD）或弦方法结合以提高在高维度空间中的采样效率。     

CDK2-抑制剂结合自由能计算

细胞周期蛋白依赖性激酶Ⅱ(cyclin-dependent kinase 2,CDK2)是一种重要的治疗癌症的靶标.本文中采用分子动力学取样,运用MM-PBSA/GBSA两种方法计算了CDK2-NU6102复合物的绝对结合自由能.通过能量分解的方法考察了CDK2大分子主要残基与配体NU6102之间的相互作用和识别.     

HIV-1蛋白酶与抑制剂作用的结合自由能计算

HIV-1蛋白酶是治疗艾滋病的重要靶标酶之一. 采用分子动力学模拟, 运用MM-PBSA方法计算了HIV-1蛋白酶与三个抑制剂BE4, BE5和BE6的结合自由能, 结果表明抑制剂P₁/ 位置的苄基上双氟原子的不同位置对结合自由能产生不同的影响. 通过能量分解的方法考察了HIV-1蛋白酶的主要残基与三个抑制剂间的相互作用与识别, 结果表明三个抑制剂以相同的作用模式与HIV-1蛋白酶结合, 计算结果与实验结果基本吻合.     

直接计数法模拟聚合物链自由能

直接计数法模拟聚合物链自由能赵得禄，周学东（中国科学院化学研究所北京１０００８３关键词模拟计算，构象熵，自由能在高分子溶液和共混体系的模拟中，体系的自由能和熵的计算是一个长期未解决的问题．近年来我们建立了链构象的统计计数法，用来计算高分子无热体系的构...     

多巴胺在POPC磷脂双层膜中扩散和透过过程的分子动力学模拟

多巴胺作为脑组织内一种重要的神经递质在细胞膜内外需要做合适的迁移,发挥其功能.多巴胺在细胞膜中扩散和透过过程的分子动力学涉及到多巴胺分子保护通道的畅通,与精神分裂症等病症有关.本文采用1-棕榈酰-2-油酰-卵磷脂(POPC)双层膜模拟细胞膜,通过分子动力学模拟获得多巴胺分子在细胞膜中和透过细胞膜运动自由能变化,探讨多巴胺在细胞膜中扩散和透过过程的分子动力学.多巴胺分子在POPC磷脂双层膜中间层做扩散运动的自由能变化为10-54 kJ mol-1(310 K),显示多巴胺分子在细胞膜中间层很容易横向和纵向扩散,保持多巴胺保护通道的畅通.多巴胺分子不容易透过POPC磷脂双层膜,因为透过过程自由能能垒为117-125 kJ mol-1(310 K).因此,人脑组织神经细胞里生产的多巴胺分子可以储藏在生物细胞膜空间.而过量的多巴胺则可以通过保护通道进入磷脂双层膜结构中间,做横向和纵向扩散运动,并且透过细胞膜,避免精神分裂症的发生.生物细胞膜的正常功能对于保持多巴胺保护通道的畅通和避免精神分裂症的出现都是重要的.研究结果与其它实验观察和结果相一致.     

多肽抑制剂抑制淀粉质多肽42构象转换的分子动力学模拟和结合自由能计算

应用分子动力学模拟和结合自由能计算方法研究了多肽抑制剂KLVFF、VVIA和LPFFD抑制淀粉质多肽42 (Aβ42)构象转换的分子机理. 结果表明, 三种多肽抑制剂均能够有效抑制Aβ42的二级结构由α-螺旋向β-折叠的构象转换. 另外, 多肽抑制剂降低了Aβ42分子内的疏水相互作用, 减少了多肽分子内远距离的接触, 有效抑制了Aβ42的疏水塌缩, 从而起到稳定其初始构象的作用. 这些抑制剂与Aβ42之间的疏水和静电相互作用(包括氢键)均有利于它们抑制Aβ42的构象转换. 此外, 抑制剂中的带电氨基酸残基可以增强其和Aβ42之间的静电相互作用(包括氢键), 并降低抑制剂之间的聚集, 从而大大增强对Aβ42构象转换的抑制能力. 但脯氨酸的引入会破坏多肽的线性结构, 从而大大降低其与Aβ42 之间的作用力. 上述分子模拟的结果揭示了多肽抑制剂KLVFF、VVIA和LPFFD抑制Aβ42构象转换的分子机理, 对于进一步合理设计Aβ的高效短肽抑制剂具有非常重要的理论指导意义.