酶活性位點非極性口袋的填充對增加結(jié)合力和選擇性的作用

1、酶活性位點非極性口袋的填充對增加結(jié)合力和選擇性的作用基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計：探索酶活性位點的非極性口袋的適當(dāng)?shù)奶畛渥x書報告姓名：孫芝琪學(xué)號： 0558061在藥物設(shè)計學(xué)課程的學(xué)習(xí)中，我了解到藥物設(shè)計是藥物研究開發(fā)的中心環(huán)節(jié)，其研究內(nèi)容主要是先導(dǎo)物的衍生和優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)的途徑主要有隨即或群集的篩選和基于靶點、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的合理藥物設(shè)計。 基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計，即從配體和靶點的三維結(jié)構(gòu)出發(fā)，以分子識別為基礎(chǔ)，引導(dǎo)先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)走向理性化，能直觀地進(jìn)行合理設(shè)計， 借助計算機(jī)，根據(jù)構(gòu)效關(guān)系（ SAR）直接設(shè)計藥物（根據(jù)靶點3D 結(jié)構(gòu)）和間接設(shè)計藥物（參考配體理化性質(zhì)和藥效基團(tuán)模型）。論文基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計：探索酶活性

2、位點的非極性口袋的適當(dāng)?shù)奶畛淅没诮Y(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計的方法研究酶活性位點的非極性口袋的填充。在藥物化學(xué)中， 酶活性位點的非極性口袋的適當(dāng)?shù)奶畛鋵τ谠黾咏Y(jié)合力和選擇性是很重要的。在藥物設(shè)計的學(xué)習(xí)中，我知道了靶點和配基的鎖鑰理論是藥物設(shè)計的基本原理，兩者之間須形狀互補(bǔ)， 或通過各自的變構(gòu)作用以適應(yīng)對方的構(gòu)象要求而契合，還需性質(zhì)互補(bǔ)，如靜電相互作用、氫鍵相互作用、 疏水性相互作用等。 此外還有溶劑效應(yīng)的影響，藥物與靶點的協(xié)調(diào)運(yùn)動等。這些都反映了靶點對配體的分子識別要求。藥物-受體相互作用方式有相互作用力契合，空間形狀契合和誘導(dǎo)契合。其中誘導(dǎo)契合是在藥物-受體相互作用時，具有柔性或可塑性的受體結(jié)合部位受

3、藥物的誘導(dǎo)而發(fā)生構(gòu)象的變化，產(chǎn)生可逆的、互補(bǔ)性的契合。藥物- 受體相互作用力的類型有范德華力，疏水鍵，氫鍵，離子鍵，偶極-偶極相互作用和誘導(dǎo)偶極作用等。受體結(jié)合部位是受體中含有的與配體發(fā)生分子間相互作用而結(jié)合的部位。首先對這篇論文的內(nèi)容概括一下。在對發(fā)現(xiàn)有效的酶抑制劑的基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法中，作者在通過占有這些口袋來獲得合適的結(jié)合親和力的過程中遇到了各種各樣的挑戰(zhàn)。三環(huán)凝血酶抑制劑的氟掃描發(fā)現(xiàn)了有利的直角偶極C- F··· C O相互作用。有效率的陽離子 - 鍵互相作用在 Xa因子（另一種通過血液階式凝固器的絲氨酸蛋白酶）的 S4口袋形成。 從兒茶酚O-轉(zhuǎn)甲基酶（一

4、種基于左旋多巴的治療帕金森病的靶點）的單到雙酶作用物抑制劑的轉(zhuǎn)變，使一個以前從未研究過的疏水口袋開始全面開發(fā)。酶活性位點的口袋的構(gòu)象預(yù)排列對得到結(jié)合的親和力是至關(guān)重要的。這由類異戊二烯生物合成的非甲戊二羥酸途徑的兩個酶IspE 和IspF 能證明， 這兩個酶是抗瘧的靶點。破壞進(jìn)入口袋的過程中的水網(wǎng)絡(luò)可能造成所有的結(jié)合釋放在占有時所獲得的焓，這在志賀氏菌病的靶點的tRNA鳥嘌呤轉(zhuǎn)糖基酶的研究中已揭示出來了。另一個抗瘧靶點plasmepsin II的活性位點的研究顯示了合適的非極性空穴的填充原則（原本是為合成的主- 客系統(tǒng)而開發(fā)的）對酶環(huán)境也適用?；诮Y(jié)構(gòu)的配體設(shè)計在先導(dǎo)物一代和最優(yōu)化中越來越多地

5、應(yīng)用，只要大量靶蛋白的結(jié)構(gòu)信息能通過 X射線結(jié)晶學(xué)或核磁共振（NMR）分析。先導(dǎo)物可能活性不強(qiáng)，作用特異性低，也可能藥物代謝動力學(xué)性質(zhì)不佳或存在不良作用、毒性較大而無效。 先導(dǎo)物的優(yōu)化是對先導(dǎo)物作結(jié)構(gòu)改造和修飾，以改善藥效學(xué)和藥動學(xué)性質(zhì)，獲得療效好、毒副作用小的新藥結(jié)構(gòu)。X射線晶體學(xué)和核磁共振是分子三維結(jié)構(gòu)測定的方法。X射線晶體學(xué)是通過對衍射的位置、強(qiáng)度計算，讀出原子坐標(biāo)值，解析結(jié)構(gòu)，得到晶體空間結(jié)構(gòu)。計算機(jī)分子模型技術(shù)可將上述數(shù)學(xué)數(shù)值和符號轉(zhuǎn)化為高分辨率的分子模型。X射線晶體學(xué)測得的是晶體狀態(tài)下的優(yōu)勢構(gòu)象。核磁共振技術(shù) (NMR)可測定溶液中分子結(jié)構(gòu)優(yōu)勢構(gòu)象及其動力學(xué)性質(zhì)，得到的三維結(jié)構(gòu)信息

6、更好代表生物環(huán)境下的分子，還能研究生物大分子內(nèi)部動力學(xué)的特點，也可測定蛋白質(zhì)或核酸與藥物相互作用的構(gòu)象。基于結(jié)構(gòu)的配體設(shè)計的成功與對原子確定的分子識別過程深刻的理解密切相關(guān)。 靶點與藥物相互作用的第一步是分子識別。分子識別是指生物分子之間發(fā)生的特殊的、 專一性的相互作用， 通過分子間相互作用力而結(jié)合形成復(fù)合體系。二十世紀(jì)九十年代初，研究人員對合成主- 客化學(xué)的研究項目從水溶液延伸到基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計的酶和小縮氨酸配體的復(fù)合體。 為了完成這一對于分子識別多維的方法，他們也開始了廣泛的數(shù)據(jù)庫開采，包括劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（CSD）和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（ PDB）。CSD是化學(xué)信息庫，包含了20多萬個結(jié)晶的 3

7、D結(jié)構(gòu)實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)。PDB是蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，是美國RCSB開發(fā)維護(hù)的多肽、酶、病毒、碳水化合物和核酸的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。個體結(jié)合相互作用的本性和它們對總的配位自由焓的貢獻(xiàn)在特殊的基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計研究中有著廣泛的應(yīng)用，也同樣對基于藥效團(tuán)的最優(yōu)化有著廣泛應(yīng)用。酶活性位點的非極性次口袋被配體部分適當(dāng)?shù)恼加惺窃谠S多先導(dǎo)物最優(yōu)化項目中獲得適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合效率的成功關(guān)鍵。這個問題早在以前就是水溶液中環(huán)芳受體的主- 客研究的中心。在那個工作中， 研究人員證明了環(huán)芳空穴的芳香或甾體客體的非極性緊絡(luò)合是以一種來源于在溶劑結(jié)合相互反應(yīng)中的相互作用和有利改變的強(qiáng)熱函驅(qū)動力（“非典型疏水效應(yīng)” ）為特征的。在課本中， 我

8、學(xué)習(xí)到疏水效應(yīng)是當(dāng)分子中烴基鏈與水接觸時，因不能被水溶劑化，界面水分子整齊地排列，導(dǎo)致系統(tǒng)熵值降低，能量增加，產(chǎn)生表面張力。為克服表面張力，疏水基團(tuán)會收縮、卷曲和結(jié)合，將原來規(guī)則排布于表面的水分子排擠出，使疏水表面減少，轉(zhuǎn)換出的水分子呈無序態(tài)，熵值回升，焓變值減少，從而降低系統(tǒng)能量。這種非極性的烴基鏈因能量效應(yīng)和熵效應(yīng)等熱力學(xué)作用使疏水基團(tuán)在水中的相互結(jié)合作用稱為疏水鍵。靶點分子的氨基酸殘基側(cè)鏈中的非極性烷基或芳基由于分子內(nèi)疏水鍵在空間相互接近，在靶點形成大大小小的疏水區(qū)，如疏水口袋。研究發(fā)現(xiàn)熱函驅(qū)動力部分被不利的熵條件補(bǔ)償。焓- 熵補(bǔ)償幾乎在化學(xué)和生物識別過程中普遍存在。單憑經(jīng)驗， 非極性緊

9、結(jié)合更是熱函驅(qū)動的，但松結(jié)合來源于更大的熵驅(qū)動力。 在后面那種情況中， 復(fù)合體中結(jié)合部分受限的動力活性所造成的熵丟失很小且不減少去溶劑化熵的獲得（例如：疏水效應(yīng)）。客體的大小也有關(guān)系：更大的表面積讓熵條件變得更有利，因為去溶劑化熵更大。這篇文章分了六個部分來具體描述他們的研究過程，包括繪制凝血酶活性位點的次口袋的親氟性和疏氟性的氟掃描；芳香盒中Xa因子：陽離子 - 鍵互相作用；兒茶酚- 轉(zhuǎn)O甲基酶 (COMT)：從單酶作用物到雙酶作用物抑制活化了一個未經(jīng)開發(fā)的疏水口袋的完全利用；口袋的預(yù)排列決定了其占有能獲的結(jié)合自由焓：用于類異戊二烯的生物合成的非甲羥二戊酸途徑的酶； tRNA-鳥嘌呤轉(zhuǎn)糖基酶

10、：在進(jìn)入親脂性口袋的過程中干擾水網(wǎng)絡(luò)的后果；抗瘧靶點 Plasmepsin II 的副翼口袋的最佳的填充：一個“55%規(guī)則”的例子。繪制凝血酶活性位點的次口袋的親氟性和疏氟性的氟掃描。酶抑制劑是限制酶催化底物的反應(yīng)能力的化學(xué)物質(zhì)。 很多藥物是通過抑制相應(yīng)的靶酶而使底物濃度增高或代謝產(chǎn)物濃度降低，通過限制酶催化達(dá)到癥狀的改善和治療目的。他們引入了兩種以剛性三環(huán)內(nèi)酰胺（如： (+)-1 ）和酰亞胺（如： ( ± )-2) 骨架為特征的抑制劑，分別把殘基定向三個活性位點的遠(yuǎn)距離次口袋： S1口袋、 D口袋和 P口袋。 S1口袋的苯基環(huán)很好地貼合了平坦的折疊片似的Glu217-Gly216-

11、Trp215骨干。這樣的結(jié)構(gòu)是常見的骨干- 芳香環(huán)相互作用的情況。課本中我已學(xué)習(xí)到在凝血酶活性位點處還存在兩個重要的疏水鍵合口袋，它們被稱為近端鍵合位點和末梢鍵合位點，分別為D口袋和 P口袋。 D口袋通常也稱為芳基鍵合位點，它為血纖維蛋白肽的A序列中 P9處的苯丙氨酸所占據(jù)。凝血酶的D口袋很大并已經(jīng)有研究顯示它可以容納大殘基，如二環(huán)己基甲基或二苯基甲基。三環(huán)骨架外的大體積的取代也有利于進(jìn)入此口袋，產(chǎn)生高度活性配體如 ( ± )-8和 ( ±)-9 ，它們對凝血酶有著高度的選擇性。指向D口袋的芳香和脂肪殘基得力于口袋底部Trp215 的吲哚環(huán)的相互作用。并且由于構(gòu)象原因，脂肪

12、族殘基卻更傾向于 CH-相互作用。 凝血酶活性位點的狹窄的疏水P口袋是由 Tyr60A ，Trp60D，His57 和Leu99構(gòu)成， 而在胰島素中并不存在。 因此這個口袋的最佳填充不僅提供了更大的結(jié)合親和力，而且提供了相對胰島素更高的選擇性。而酶抑制劑很重要的特征就是特異性，即其作用僅限于靶酶或具有高選擇性。他們準(zhǔn)備了一系列的三環(huán)內(nèi)酰胺抑制劑( ± )-19-(± )-27 ，這些抑制劑有著相似大小的外烷基，烯基和氟烷基團(tuán)， 用來探索在這樣一個電子充裕的環(huán)境中有機(jī)氟可能帶來的好處。研究顯示( ± )-25 的二氟甲基殘基指向遠(yuǎn)距離的Trp60D 的 電子充裕的吲

13、哚環(huán)。 生物學(xué)的結(jié)果證實了預(yù)期的相對胰島素極佳的選擇性。這個研究證實了，與相似大小的烷基和烯基殘基相比，氟烷殘基引入排列有芳香環(huán)的親脂性緊口袋不充分增加也不充分減少結(jié)合親和力。因此， 有機(jī)氟不僅可能用于配體來調(diào)節(jié)物理化學(xué)的和新陳代謝的特性，也可能用于獲得結(jié)合親和力和選擇性。HNNHOOONH2FOHNNHONH 2(+)-1HNOHONNHOO·HCL( ±)-2HN·HCLHNNHOONH 2( ±)-8HN·HCLRHHNNHONH 2( ±)-9HN·HCLOHNR( ±)-19 CHMe 2NH2NF( &

14、#177;)-20 CH 2MeH( ±)-21 HC=CH 2·HCLHNO( ±)-22 (CH 2)2MeR( ±)-23 CH 2CH=CH 2( ±)-24 CH 2F( ±)-28 R=NMe 3+Br-NH2( ±)-25 CHF 2( ±)-26 CH 2CH 2F( ±)-29 R=CMe3HN·HCL( ±)-27 CH 2 CHF 2芳香盒中 Xa因子：陽離子 - 鍵互相作用。 是生物配位中最強(qiáng)的驅(qū)動力之一。在藥物 -靶點相互作用力學(xué)習(xí)中，我學(xué)習(xí)到陽離子- 鍵相互

15、作用是電荷轉(zhuǎn)移作用的一種。電荷轉(zhuǎn)移作用通過供體分子的電子從最高占據(jù)分子軌道轉(zhuǎn)移到靶點分子的最低空缺分子軌道，造成電荷的偏離，生成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物。電子供體為含未共享電子對或負(fù)電荷的基團(tuán)，陽離子- 鍵互相作用中電子接受體為金屬離子，作用較強(qiáng)。為了建立凝血酶D口袋 Trp215 吲哚環(huán)的陽離子 - 鍵相互作用， 他們準(zhǔn)備了含有季銨離子的三環(huán)酰亞胺配體( ± )-28 ，和用于調(diào)節(jié)的含有叔丁基殘基的 ( ± )-29 。生物化驗顯示叔丁基取代的抑制劑( ± )-29 相對于 ( ± )-28 形成了更穩(wěn)定的凝血酶復(fù)合物。 另一方面， Xa因子（另一種血液階式凝固

16、器得來的絲氨酸蛋白酶并且是血栓形成疾病治療的熱門靶點）結(jié)合鎓離子配體( ± )-28強(qiáng)于烷基衍生物 ( ± )-29 。( ± )-28 的 X- 射線晶體結(jié)構(gòu)顯示：鎓離子內(nèi)含在Xa因子 S4口袋的由 Phe174, Tyr99和 Trp215側(cè)鏈組成的芳香盒子中。這個芳香盒子是非常有效的鎓離子結(jié)合位點。PDB搜索隨后顯示生物系統(tǒng)中更多相似的離子結(jié)合位點。這樣的芳香盒子不可能只能被季銨離子合適地填充。因為盒子的一邊是開放的，質(zhì)子化了的叔胺離子可以結(jié)合盒子里的三個烷基殘基，而N+-H殘基需要更多有效的溶劑化物來和蛋白質(zhì)的H-結(jié)合受體殘基直接作用。 芳香盒子用大量獲得

17、的結(jié)合親和力調(diào)節(jié)質(zhì)子化了的叔銨或季銨離子。在他們的探索中， 至今還未找到內(nèi)含在這樣的芳香盒子中的質(zhì)子化了的仲銨離子，估計是因為N+-H殘基的去溶劑化的代價太大。沿著這些最初的發(fā)現(xiàn)走下去，現(xiàn)在陽離子- 鍵在 Xa因子的 S4口袋的相互作用的全面研究正在進(jìn)行中。兒茶酚 - 轉(zhuǎn)甲基酶 (COMT)：從單酶作用物到雙酶作用物抑制活化了一個未經(jīng)開發(fā)的疏O水口袋的完全利用。 硝基取代的兒茶酚是潛在的COMT抑制劑。 硝基基團(tuán)長期被認(rèn)為在活性位點的酶作用物口袋的可逆緊結(jié)合中是不可或缺的：它們增強(qiáng)了兒茶酚和2+Mg 離子的結(jié)合，減少了兒茶酚 HO基團(tuán)的親核性。 酶抑制劑的類型可分為可逆性抑制劑和不可逆性抑制劑

18、。可逆性抑制劑與酶以弱的原子間力如范德華力、氫鍵、離子力和疏水力相結(jié)合， 形成的復(fù)合物可以部分解離回到游離的酶和抑制劑，兩者之間存在著一個可逆的平衡。作者開發(fā)了潛在的雙酶作用物抑制劑如 (-)-30 。腺苷和兒茶酚部分的連接物的正確長度和剛性是高結(jié)合親和力的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)的詳細(xì)檢查顯示了一個未曾發(fā)現(xiàn)的酶表面的疏水口袋，它位于 (-)-30硝基基團(tuán)附近，由 COMT的氨基酸殘基 Trp38 ，Leu198，Val173 和 Pro174 形成。計算機(jī)模擬顯示替換 (-)-30中NO基團(tuán)的合適的取代可以帶來和這個口袋有利的非極性相互作用。課程中我學(xué)習(xí)了計算2機(jī)輔助藥物 （CADD）設(shè)計是利用計算機(jī)的

19、計算、邏輯判斷、圖形顯示等功能進(jìn)行合理藥物設(shè)計。其在先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化中均有廣范應(yīng)用。CADD的意義在于指導(dǎo)有目的地開發(fā)新藥，減少盲目性和偶然性；加快研制新藥速度，節(jié)省人力、物力和財力；為研究者提供理論思維形象化的表達(dá)， 直觀設(shè)計，理解和解釋實驗結(jié)果；只是輔助性工具，仍需研究者的經(jīng)驗判斷和指導(dǎo)。 向新發(fā)現(xiàn)的口袋給予適當(dāng)?shù)牧Ⅲw電子補(bǔ)充是獲得結(jié)合自由焓的先決條件：4- 甲基苯基（ (-)-32中）相對 4- 甲基芐基（ (-)-36中）是更好的取代。異丙基基團(tuán)（(+)-37中）對于有效的相互作用和去溶劑化來說太小了，而二甲基氨基甲酰基團(tuán)（ (-)-38中）極性不對。通過開發(fā)酶表面與疏水裂開次口袋

20、有利的非極性相互作用，他們第一次達(dá)成了有效的抑制，盡管兒茶酚缺少了 NO 2的取代。這個結(jié)果有力地證實了雙酶作用物抑制的方法對尋找COMT 新抑制劑是很重要的一步。RNH 2ONNHNNNOHOHOR(-)-30 NO 2(-)-32OHOH(-)-36(+)-37O(-)-38N口袋的預(yù)排列決定了其占有能獲的結(jié)合自由焓：用于類異戊二烯的生物合成的非甲羥二戊酸途徑的酶。IspF 的 X射線晶體結(jié)構(gòu)顯示了每個鄰近組之間的界面處的活性位點。每個構(gòu)象相當(dāng)?shù)幕钚晕稽c擁有兩個口袋：“口袋”和“口袋”。 IspF 的十個最近可用的晶體結(jié)構(gòu)的覆蓋圖顯示了“口袋” 的疏水區(qū)域非常靈活，全體的構(gòu)象都能組裝。Is

21、pE 的活性位點是以三個口袋為特征的：腺苷，胞腚和ME/磷酸鹽口袋。他們發(fā)現(xiàn)了 IspE 的胞腚結(jié)合位置附近的疏水小口袋， 這種小口袋能充滿大量的結(jié)合自由焓。IspE 和 IspF 獲得的結(jié)果闡明了一個藥物發(fā)現(xiàn)研究中的綜合的發(fā)現(xiàn)：預(yù)排列的次口袋的適當(dāng)占有會產(chǎn)生大量的結(jié)合親和力。但如果口袋構(gòu)象高度靈活的話，就不是這樣了。 于是，對蛋白質(zhì)口袋形成區(qū)域靈活性的掌握就對基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計很重要。測試口袋的靈活性及其對獲能占有的適宜性也是很值得的。這既可以通過分子動力學(xué)模擬來完成，也可以通過更多的X射線晶體結(jié)構(gòu)的比較來完成，就像此文中所用的方法。 其中分子動力學(xué)模擬是原子在某一時刻由于運(yùn)動而其坐標(biāo)發(fā)生變化，

22、以原子的牛頓運(yùn)動方程計算每一原子的位置、作用力和加速度， 按照分子瞬時運(yùn)動狀態(tài)，模擬分子運(yùn)動的過程。 tRNA-鳥嘌呤轉(zhuǎn)糖基酶：在進(jìn)入親脂性口袋的過程中干擾水網(wǎng)絡(luò)的后果。tRNA鳥嘌呤轉(zhuǎn)糖基酶是一種修飾 tRNA的細(xì)菌酶，用于催化位點34的鳥嘌呤和 preQ1的交換。研究人員設(shè)計的方法是用結(jié)合到鳥嘌呤34/preQ1 位點的合適的核基的識別，然后引入載體， 該載體可延伸到 tRNA通道競爭性抑制核酸結(jié)合。 廣泛的結(jié)晶學(xué)研究顯示親脂性載體干擾了對兩個催化的Asp280 和Asp102 殘基起溶化作用的高度穩(wěn)定的水網(wǎng)絡(luò)。因此，占有疏水口袋的能量獲得全部靠對這個網(wǎng)絡(luò)不利的干擾和違背兩個催化的Asp邊

23、鏈的高溶化作用所要必備的條件所造成的損失補(bǔ)償。 這個研究顯示， 到達(dá)并占有更多的遠(yuǎn)距離口袋并獲得結(jié)合自由焓是非常困難的。水叢的干擾太消耗能量了，就如溶劑化 TGT中兩條高度極性的 Asp側(cè)鏈的網(wǎng)絡(luò)。 因此還需要更多的研究來知道如何適當(dāng)?shù)責(zé)o能耗地替換這種網(wǎng)絡(luò)。他們現(xiàn)在在探索更多的極性連接，可以在連接核基架和殘基時完全地或部分地復(fù)原失去的溶劑化物，來占有核糖 34位點附近的小口袋。他們希望從這個口袋的非極性相互作用獲得結(jié)合自由焓。抗瘧靶點 PlasmepsinII 的副翼口袋的最佳的填充：一個“55%規(guī)則”的例子。在保持殘基持續(xù)靶向 S1/S3次位點的同時，研究者系統(tǒng)地改變了烷基鏈的長度，從n- 丁基到 n- 十一烷基，并引入了末梢的環(huán)烷殘基。對于一系列靶向副翼口袋的n- 烷基鏈同源系列的