左苯丙胺在多巴胺第三受體分子通道中傳輸分子動(dòng)力學(xué)模擬

謝　煒　徐澤人　王　明　徐四川(云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，自然資源藥物化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650091)

左苯丙胺在多巴胺第三受體分子通道中傳輸分子動(dòng)力學(xué)模擬

謝煒徐澤人王明徐四川*
(云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，自然資源藥物化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650091)

左旋苯丙胺(又稱左苯丙胺，RAT)在臨床上被用于治療多種病癥，作用在中樞神經(jīng)細(xì)胞多巴胺受體上，同時(shí)它具有依賴性和成癮性。為了探討RAT被用作藥物的藥理和成癮機(jī)制，本文用分子模擬獲得RAT與多巴胺第三受體(D3R)復(fù)合蛋白優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并且采用傘形樣本平均力勢(shì)(PMF)方法和卵磷脂脂質(zhì)分子模擬生物膜，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得RAT在D3R結(jié)構(gòu)中分子通道運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能變化。RAT通過D3R結(jié)構(gòu)中的功能分子通道，朝細(xì)胞外方向傳輸運(yùn)動(dòng)的自由能變化為91.4 kJ?mol－1。RAT通過D3R結(jié)構(gòu)中的保護(hù)分子通道，朝細(xì)胞雙層膜方向傳輸運(yùn)動(dòng)的自由能變化為117.7 kJ?mol－1。自由能數(shù)值表明RAT分子更容易通過D3R結(jié)構(gòu)中的功能分子通道，發(fā)揮其功能作用，增大功能多巴胺分子的釋放，導(dǎo)致包括依賴性和成癮性多種功能效果。研究結(jié)果證明RAT被用作藥物的藥理和成癮機(jī)制與它在多巴胺受體中的分子通道上傳輸動(dòng)力學(xué)和機(jī)制有密切關(guān)聯(lián)。

左苯丙胺；多巴胺第三受體；1-棕櫚酰基-2-油?；蚜字?；分子動(dòng)力學(xué)模擬；自由能

[Article]

www.whxb.pku.edu.cn

1　引言

左旋苯丙胺(又稱左苯丙胺，RAT)，分子結(jié)構(gòu)顯示在圖1中，是一種中樞興奮藥，作用在中樞神經(jīng)細(xì)胞多巴胺受體上。在臨床上，左苯丙胺被用于治療發(fā)作性睡病、麻醉及其它中樞抑制藥中毒、精神抑郁癥等。同時(shí)，左苯丙胺具有精神愉快的作用，濫用可引起依賴性和成癮。

中樞神經(jīng)細(xì)胞中的多巴胺受體膜蛋白有5種亞型，都是由七個(gè)跨膜區(qū)域(7-GM,or TM)組成的G蛋白偶聯(lián)受體家族。20世紀(jì)90年代初，隨著生物學(xué)克隆技術(shù)的發(fā)展，相繼克隆了5種亞型多巴胺受體分子，分別為D1R、D2R、D3R、D4R和D5R1－5。其中，D2R、D3R、D4R屬于D2樣受體，而D1樣受體包括D1R和D5R。D1R、D2R腦內(nèi)含量豐富，研究比較多，對(duì)其生理功能意義的了解也比較多6。而腦內(nèi)含量遠(yuǎn)低于前兩者的亞型受體D3R、D4R和D5R，目前對(duì)于它們的結(jié)構(gòu)、功能和藥物是研究的重點(diǎn)7－9。因?yàn)椴煌瑏喰投喟桶肥荏w調(diào)控多巴胺，與生物體的運(yùn)動(dòng)功能、認(rèn)知活動(dòng)和藥物成癮等生理、病理過程有關(guān)，因此精神分裂癥、帕金森病的病理以及成癮機(jī)制都與多巴胺系統(tǒng)密切相關(guān)10－13。

圖1　左苯丙胺分子結(jié)構(gòu)Fig.1　Molecular structure of L-benzedrine(RAT)

在人腦組織中，存在著數(shù)千億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，左苯丙胺分子通過細(xì)胞膜滲透進(jìn)入神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)，類似于在神經(jīng)細(xì)胞里生產(chǎn)的多巴胺分子，只有通過定向跨膜傳遞，才能發(fā)揮其功能作用。由于神經(jīng)細(xì)胞與神經(jīng)細(xì)胞之間存在間隙，左苯丙胺分子通過神經(jīng)細(xì)胞上突出的小山崖名叫突觸(synapse)，就像兩道山崖中的一道縫，跳過這道縫傳遞過去才能發(fā)揮功能作用。突觸主體成分包括各種亞類型的多巴胺受體。而在多巴胺受體蛋白結(jié)構(gòu)內(nèi)部中存在分子通道14－16。分子通道分為兩類，分別是：(1)功能分子通道，起著傳遞分子，發(fā)揮功能作用的通道；(2)保護(hù)分子通道，防止過量分子發(fā)揮功能，免遭分子破壞作用，起著保護(hù)機(jī)體功能作用的通道14－16。既然左苯丙胺作用在中樞神經(jīng)細(xì)胞多巴胺受體上，它也應(yīng)該通過多巴胺受體功能分子通道發(fā)揮功能作用，或者通過保護(hù)分子通道，防止過量分子發(fā)揮功能作用。因此，研究左苯丙胺在多巴胺受體分子通道上的傳輸運(yùn)動(dòng)，有助于理解左苯丙胺作用在中樞神經(jīng)細(xì)胞多巴胺受體中的藥理機(jī)制和動(dòng)力學(xué)。

本文采用左苯丙胺在多巴胺受體分子通道上運(yùn)動(dòng)自由能變化來表征其傳輸運(yùn)動(dòng)。多巴胺受體分子通道上運(yùn)動(dòng)自由能改變值可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定和分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得。我們基于多巴胺第三受體蛋白結(jié)構(gòu)和POPC磷脂雙層膜，采用最新的分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，研究獲得左苯丙胺在多巴胺第三受體蛋白結(jié)構(gòu)中的分子通道上運(yùn)動(dòng)過程中自由能變化數(shù)值，探討左苯丙胺在分子通道上傳輸運(yùn)動(dòng)機(jī)制和動(dòng)力學(xué)。

圖2　(A)多巴胺第三受體突變體復(fù)合蛋白晶體結(jié)構(gòu)圖; (B)人體生物型多巴胺與多巴胺第三受體復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)Fig.2　(A)Original graph of mutated protein crystal structure of dopamine third receptor;(B)human′s dopamine third receptor complex structure with dopamine

2　材料與方法

由于多巴胺膜蛋白穩(wěn)定性和結(jié)晶性問題，目前只有多巴胺第三受體(D3R)膜蛋白晶體結(jié)構(gòu)被報(bào)道，蛋白晶體編號(hào)為3PBL17－21。事實(shí)上，3PBL蛋白晶體只能被認(rèn)為是一個(gè)D3R突變體蛋白晶體，因?yàn)樵谠摰鞍字?，存在著多點(diǎn)突變，是為了獲得穩(wěn)定的D3R蛋白晶體，另外還外聯(lián)一些基團(tuán)，如圖2 (A)中右下角部分所示，并且添加了拮抗試劑分子，進(jìn)一步穩(wěn)定D3R膜蛋白晶體。

為了獲得人體生物原型的D3R蛋白結(jié)構(gòu)，在我們先前的研究工作22中，基于3PBL晶體的D3R突變體蛋白結(jié)構(gòu)，采用對(duì)接技術(shù)和分子動(dòng)力學(xué)模擬研究獲得多巴胺(DA)與D3R復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖顯示在圖2(B)中。由于5種亞型多巴胺受體具有很高的同源性，D3R蛋白結(jié)構(gòu)可以作為多巴胺受體的代表，用于研究左苯丙胺在多巴胺受體蛋白結(jié)構(gòu)中的分子通道上運(yùn)動(dòng)過程中自由能變化。因此，先前我們報(bào)道的多巴胺與D3R復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)22，作為本文研究的初始結(jié)構(gòu)材料。

生物膜是膜蛋白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要外部條件。類似于以前我們的研究工作22，本文也是采取含量最多的一種磷脂酰膽堿分子，1-棕櫚?；?2-油?；蚜字?POPC)分子，構(gòu)建生物雙層膜。在POPC尾端中含有未飽和的C＝C雙鍵，與飽和尾端磷脂脂質(zhì)分子相比，被優(yōu)先選用于模擬生物細(xì)胞膜23－38。我們選用POPC磷脂質(zhì)分子構(gòu)建POPC膜-水模型是文獻(xiàn)39,40報(bào)道的，內(nèi)含128個(gè)POPC分子23，水分子是SPC模型水。

2.1RAT分子與D3R對(duì)接

分子對(duì)接類似于文獻(xiàn)報(bào)道的方法和步驟，采用MP2/6-31G(d,p)優(yōu)化了RAT分子結(jié)構(gòu)41，應(yīng)用Dock6程序?qū)⑵鋵?duì)接到D3R蛋白中取代其中的多巴胺分子42。

2.2D3R-RAT復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)分子動(dòng)力學(xué)模擬

通過對(duì)接獲得的D3R-RAT復(fù)合蛋白，采用相同于文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道的步驟鑲嵌到POPC膜-水模型中22。采用Gromacs 4.5.3程序結(jié)合VMD程序分析D3R-RAT-POPC-H2O系統(tǒng)43－50。分子動(dòng)力學(xué)模擬步驟也類似于我們先前的工作43－46,51。RAT分子力場(chǎng)參數(shù)采用Gromos 96力場(chǎng)格式自己設(shè)定(設(shè)定的參數(shù)附在Supporting Information里)52,53，POPC分子力場(chǎng)參數(shù)源自文獻(xiàn)23。用鈉離子中和體系電荷，因此體系含有2個(gè)Na+，10255個(gè)H2O，85個(gè)POPC分子，279個(gè)殘基和1個(gè)RAT分子，共37936個(gè)原子。先用最陡下降法進(jìn)行40000步(Fmax<100 kJ?mol－1?nm－1)能量?jī)?yōu)化來排除體系原子坐標(biāo)重疊問題，然后在允許水分子移動(dòng)的情況下，采用LINCS算法約束進(jìn)行200 ps的模擬。應(yīng)用周期邊界條件于體系，分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間是10 ns，每步2 fs時(shí)長(zhǎng)，每2000步(4 ps)輸出一個(gè)體系文件，用于計(jì)算體系的各種能量和分析結(jié)構(gòu)變化。

2.3RAT分子在D3R結(jié)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能勢(shì)能面

基于分子動(dòng)力學(xué)模擬優(yōu)化的D3R-RAT-POPCH2O系統(tǒng)，采用gromacs 4.5中的傘形樣本(umbrella sampling)方法54，計(jì)算RAT分子在D3R結(jié)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能勢(shì)能面。傘形樣本模擬方法的原理基于公式?G=－RTlnK，其中?G是自由能，而K是平衡常數(shù)，通過分子模擬計(jì)算獲得16,55,56。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬優(yōu)化之后的體系結(jié)構(gòu)文件為軌跡動(dòng)力學(xué)起始結(jié)構(gòu)體系的輸入文件，所需要的RAT動(dòng)力學(xué)模擬體系的拓?fù)湮募c其分子動(dòng)力學(xué)模擬的拓?fù)湮募嗤?10 K時(shí)，在x、z和y正負(fù)方向，分別進(jìn)行步長(zhǎng)為2 fs的500000步軌跡動(dòng)力學(xué)模擬。設(shè)定RAT為運(yùn)動(dòng)組，施加不超過2000 kJ?mol－1的外力，并限制RAT最大運(yùn)動(dòng)速度為10 nm?ns－1，其他力場(chǎng)參數(shù)與體系模擬參數(shù)相同。選取與運(yùn)動(dòng)方向相反的合適殘基作為參考系。根據(jù)0.05 nm規(guī)則，從軌跡數(shù)據(jù)文件中挑選合適的傘形樣本計(jì)算。由于生成RAT在D3R結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡過程中，通過外界給力使RAT分子運(yùn)動(dòng)，造成RAT分子結(jié)構(gòu)變形，RAT分子和D3R結(jié)構(gòu)體系偏離了平衡；因此，需要做傘形樣本模擬計(jì)算，在限定的運(yùn)動(dòng)組和參考系質(zhì)心距離上，使RAT分子和體系重新實(shí)現(xiàn)平衡。傘形樣本模擬計(jì)算輸入的文件分別是挑選出來的傘形樣本文件、拓?fù)湮募椭羔樜募?，以及設(shè)定另外一個(gè)傘形樣本模擬參數(shù)文件。傘形樣本模擬參數(shù)與軌跡模擬參數(shù)基本上相同，只是運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為0 nm?ns－1，表明RAT分子不在軌跡上運(yùn)動(dòng)，而是在給定的兩個(gè)組結(jié)構(gòu)質(zhì)心距離上，做分子動(dòng)力學(xué)模擬達(dá)到再平衡，模擬步數(shù)設(shè)定為40萬步(800 ps)，每步步長(zhǎng)2 fs，采用均方根偏差(RMSD)測(cè)定體系平衡性。最后，采用gromacs 4.5程序中的加權(quán)柱狀圖分析法(WHAM)57，把有偏采樣的結(jié)果轉(zhuǎn)換為無偏采樣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從系列傘形樣本模擬計(jì)算的結(jié)果中抽出平均力勢(shì)(PMF)，計(jì)算誤差偏差為10－6kJ?mol－1(收斂計(jì)算標(biāo)準(zhǔn))。PMF面即為自由能勢(shì)能面，基于該自由能勢(shì)能面，就可以計(jì)算出自由結(jié)合能的變化(ΔGbind)。g_wham計(jì)算輸出另外一個(gè)文件是柱狀圖型數(shù)據(jù)。柱狀圖型結(jié)果可以顯示傘形樣本重疊程度，較好的重疊說明WHAM方法計(jì)算ΔG的可靠性。

3　結(jié)果與討論

3.1RAT分子與D3R對(duì)接

圖3是分子對(duì)接結(jié)果。正視圖和俯視圖都顯示RAT分子被對(duì)接到由7個(gè)跨膜螺旋區(qū)包圍的空腔中間靠近外細(xì)胞區(qū)域。這個(gè)部位與多巴胺在D3R蛋白中的內(nèi)部位置相似22。RAT分子與受體蛋白最低能量構(gòu)象對(duì)接能量為－27.9 kJ?mol－1。如果采用RAT正離子分子與D3R對(duì)接，獲得的最低能量構(gòu)象對(duì)接能量為11.8×103kJ?mol－1，是一個(gè)正能量，一個(gè)排斥能。分子對(duì)接研究結(jié)果指出，D3R蛋白內(nèi)的通道不適合離子分子，不是離子分子通道，而是分子通道。因此，本文采用電荷中性RAT的分子態(tài)，而在跨雙層膜非蛋白研究體系中，采用RAT的離子分子態(tài)58。

圖3　RAT與D3R蛋白分子對(duì)接的復(fù)合結(jié)構(gòu)Fig.3　Complex structure of RAT docked into D3R

3.2D3R-RAT復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)分子動(dòng)力學(xué)模擬

圖4是研究體系的RMSD數(shù)值隨分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間變化曲線。從6 ns開始，D3R蛋白的RMSD數(shù)值在(0.45±0.02)nm范圍，體系RMSD數(shù)值在(5.11±0.02)nm范圍，都在本值±0.02 nm范圍內(nèi)波動(dòng)。從分子動(dòng)力學(xué)模擬角度來看，這些RMSD數(shù)值表明該體系達(dá)到了平衡，可以作為研究RAT在D3R蛋白內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的起始結(jié)構(gòu)。在類似的研究體系中，先前我們報(bào)道的，采用牛視紫紅質(zhì)蛋白同源模建的D3R與DA復(fù)合膜蛋白，以及基于3PBL晶體蛋白結(jié)構(gòu)構(gòu)建的D3R與DA復(fù)合膜蛋白結(jié)構(gòu)，經(jīng)過10 ns分子動(dòng)力學(xué)模擬研究體系都達(dá)到了平衡22。本體系平衡后D3R的疏水核厚度為2.32 nm。

圖4(A)RMSD隨模擬時(shí)間變化曲線，(B)研究體系(包括D3R、POPC膜、水和RAT分子)示意圖Fig.4　(A)Curves of RMSD vs simulation time,(B)scheme of the studied system including D3R,POPC membrane,H2O,and RAT RMSD:root mean square deviation

3.3RAT分子在D3R結(jié)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能勢(shì)能面

3.3.1RAT在D3R結(jié)構(gòu)中功能分子通道上運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能勢(shì)能面

對(duì)于外源分子，通常都是依賴于分子自身對(duì)細(xì)胞膜滲透能力，通過細(xì)胞膜到達(dá)細(xì)胞內(nèi)，所以通常情況下首先具有較強(qiáng)滲透細(xì)胞膜能力的分子才具有作為藥物的潛質(zhì)58。例如，左旋多巴是緩解帕金森病的主要藥物，但是透過細(xì)胞膜能力低，只有吸入量的1%能夠滲透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞膜內(nèi)，其余部分被細(xì)胞外的脫羧酶分解。所以，左旋多巴配上芐絲肼能抑制外周多巴脫羧酶活性(商品藥名：美多芭)，使得吸入量的10%左旋多巴能夠滲透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞膜內(nèi)。具有手性性質(zhì)的RAT分子進(jìn)入細(xì)胞，需要通過受體蛋白內(nèi)部分子通道(類似起著手性分離柱的作用)，被識(shí)別和發(fā)揮功能作用?；诜肿訉?duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得D3R與RAT復(fù)合蛋白優(yōu)化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們要研究RAT分子在D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)六個(gè)方向運(yùn)動(dòng)軌跡(圖5)。+y軸方向設(shè)定是RAT分子從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞外運(yùn)動(dòng)方向，－y軸方向設(shè)置為RAT分子從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞里運(yùn)動(dòng)方向。+x、－x、+z、－z軸方向是RAT分子從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞膜運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)入到細(xì)胞雙層膜中間?？紤]了四個(gè)方向，基本覆蓋RAT分子運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到細(xì)胞雙層膜空間最可能的運(yùn)動(dòng)方向。

在+y軸方向，選定了Leu129作為運(yùn)動(dòng)參考組。參考組的選定是基于反運(yùn)動(dòng)方向盡量靠近RAT分子的氨基酸殘基基團(tuán)。由于在該體系中水分子和磷脂分子有相對(duì)較大的運(yùn)動(dòng)空間，故不適合作為參考組。設(shè)定一個(gè)外力，最大值是2000 kJ?mol－1，推動(dòng)運(yùn)動(dòng)組RAT分子沿著+y軸方向，往細(xì)胞外方向運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際模擬計(jì)算過程中，模擬程序則根據(jù)體系情況，提供小于2000 kJ?mol－1合適的外力，使RAT運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生軌跡坐標(biāo)，顯示在圖5中。在－y軸方向，選定了Ser242作為運(yùn)動(dòng)參考組，在外力作用下，使RAT分子沿著－y軸方向，即往細(xì)胞里模擬運(yùn)動(dòng)方向，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)，也顯示在圖5中。

圖5　RAT在D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)的六個(gè)運(yùn)動(dòng)方向Fig.5　Six orientations for RAT to move within D3Rthe tracks to move toward the outside of cell supposed along the+y axis and toward the inside of cell along the－y axis

在+y軸方向，從RAT分子運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)文件中，挑選了78個(gè)樣本，用于樣本體系再平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬和計(jì)算RAT分子運(yùn)動(dòng)自由能變化。在RAT運(yùn)動(dòng)軌跡文件中，不同方向上都保存了1001個(gè)軌跡點(diǎn)構(gòu)象數(shù)據(jù)，無需全部用來做傘形樣本分子模擬計(jì)算。1001個(gè)軌跡點(diǎn)構(gòu)象數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于1000 ps分子模擬時(shí)長(zhǎng)，每1 ps取出一個(gè)軌跡點(diǎn)構(gòu)象數(shù)據(jù)。所以樣本編號(hào)與分子模擬時(shí)長(zhǎng)(ps單位)相對(duì)應(yīng)。采用軌跡點(diǎn)體系構(gòu)象數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出不同編號(hào)樣本中，參考系質(zhì)心與運(yùn)動(dòng)組質(zhì)心距離。按照RAT運(yùn)動(dòng)組與參考系質(zhì)心距離等間隔增加約0.05 nm規(guī)則挑選傘形樣本。在不同區(qū)域，由于給外力變化，RAT除了平移運(yùn)動(dòng)還有轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，參考系與運(yùn)動(dòng)組質(zhì)心距離變化大，即使相鄰的傘形樣本，質(zhì)心距離變化也會(huì)大于0.05 nm。而且在分子運(yùn)動(dòng)過程中，體系的參考系與運(yùn)動(dòng)組質(zhì)心位置都會(huì)改變，實(shí)際間隔距離不會(huì)嚴(yán)格按照0.05 nm整數(shù)倍出現(xiàn)，因此增加0.05 nm間隔距離選擇樣本是一個(gè)總體規(guī)則。

在－y軸方向，從RAT分子運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)文件中，挑選了52個(gè)樣本。運(yùn)動(dòng)組和參考組被分別限定在固定質(zhì)心距離上，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，使RAT分子和體系重新實(shí)現(xiàn)平衡。采用體系RMSD數(shù)值表征體系重新實(shí)現(xiàn)平衡。每一個(gè)軸方向，我們選擇了四個(gè)樣本作為代表做體系RMSD數(shù)值分析。這四個(gè)樣本體系就是在圖5中的o、a、b、c四個(gè)點(diǎn)軌跡體系，或者是表1和表2中，用粗體顯示四個(gè)樣本體系。這些樣本的RMSD數(shù)值分析圖附在Supporting Information圖S1中。在+y和－y軸方向，從700到800 ps之間，各自四個(gè)代表性樣本體系的RMSD數(shù)值都保持在本值±0.02 nm范圍內(nèi)變化。數(shù)值說明通過40萬步分子動(dòng)力學(xué)模擬，實(shí)現(xiàn)了樣本體系重新平衡。其它樣本分子動(dòng)力學(xué)模擬的RMSD值隨模擬時(shí)間變化類似，但是它們的數(shù)據(jù)沒有給出。由于做軌跡時(shí)候給予外力，造成體系稍微偏離平衡，但是這種偏離與原先的體系差別不大，所以很快就能達(dá)到再平衡。

盡管兩個(gè)軌跡上挑選了很多傘形樣本，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)現(xiàn)樣本再平衡，但是還是屬于有偏采樣的結(jié)果。圖6是通過加權(quán)柱狀圖分析法獲得的自由能勢(shì)能面及其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)坐標(biāo)上的傘形樣本加權(quán)柱狀圖，分別是RAT分子沿著+y軸方向通過D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞外運(yùn)動(dòng)，和沿著－y軸方向往細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動(dòng)。傘形樣本加權(quán)柱狀圖顯示樣本窗口有比較好的重疊性，從而說明自由能勢(shì)能面數(shù)據(jù)的可靠性。

表1　RAT分子沿著+y軸方向通過D3R內(nèi)分子通道軌跡上的傘形樣本Table 1　Umbrella samplings for RAT to pass molecular channel within D3R along the+y axis

采用VMD程序顯現(xiàn)和分析RAT運(yùn)動(dòng)軌跡，并且結(jié)合考慮RAT在軌跡坐標(biāo)上的自由能變化，確定和分辨出RAT在D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不同的部位。為了分析簡(jiǎn)便起見，在每個(gè)軌跡圖中只給出四個(gè)RAT運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵位置的圖像，樣本編號(hào)和質(zhì)心距離列在表1和表2。而在圖6中是通過WHAM分析方法獲得的質(zhì)心距離，與通過gromacs工具計(jì)算的質(zhì)心距離，它們之間有一些偏差。在+y軸方向，圖6中通過WHAM分析方法獲得最小質(zhì)心距離是0.77 nm，對(duì)應(yīng)最小質(zhì)心距離0.89 nm為樣本3 (表1)。在軌跡圖5中，+y軸方向，RAT從起點(diǎn)O點(diǎn)(0.77 nm)開始，經(jīng)過a點(diǎn)(1.53 nm)和b點(diǎn)(2.50 nm)到達(dá)c點(diǎn)(3.87 nm)位置，離開了D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖6中顯示RAT軌跡過程的自由能變化為91.4 kJ?mol－1。在軌跡圖5中，－y軸方向，RAT從起點(diǎn)O點(diǎn)(1.77 nm)開始，經(jīng)過a點(diǎn)(3.15 nm)和b點(diǎn)(3.95 nm)到達(dá)c點(diǎn)(4.52 nm)位置，基本上離開了D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖6中顯示在－y軸方向RAT軌跡過程的自由能變化為348.0 kJ?mol－1。+y、－y軸方向自由能數(shù)值差異原因之一，可能源自于最初始的D3R晶體蛋白結(jié)構(gòu)構(gòu)象，因?yàn)樵摰鞍准?xì)胞外端結(jié)合了氯氮平分子造成了一種開狀態(tài)的蛋白結(jié)構(gòu)。另外原因可能是該分子通道本身更有利于從細(xì)胞內(nèi)往細(xì)胞外輸送分子。

表2　RAT分子沿著－y坐標(biāo)方向通過D3R內(nèi)分子通道軌跡上的傘形樣本Table 2　Umbrella samplings for RAT to pass molecular channel within D3R along the－y axis

3.3.2RAT在D3R結(jié)構(gòu)中保護(hù)分子通道上的運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能勢(shì)能面

RAT在D3R結(jié)構(gòu)中保護(hù)分子通道上的運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能勢(shì)能面，通過+x、－x、+z、－z軸四個(gè)方向進(jìn)行研究。從這四個(gè)方向，RAT分子都有可能從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞膜方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入到細(xì)胞雙層膜空間。

圖6　RAT沿著+y和－y軸方向，通過D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別往細(xì)胞外和往細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動(dòng)自由能勢(shì)能面(A,B)及其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)坐標(biāo)上的傘形樣本加權(quán)柱狀圖(C,D)Fig.6　Potential of mean force(PMF)for RAT to move toward the outside of cell along the+y axis and toward the inside of cell along the－y axis(A,B)with their histograms of umbrella samplings(C,D)

圖7是RAT分子沿著+x軸方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞雙層膜空間運(yùn)動(dòng)軌跡圖，參考組是Trp24殘基。圖8是RAT分子沿著－x軸方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞雙層膜空間運(yùn)動(dòng)軌跡圖，參考組是Ala137殘基。圖9是RAT分子沿著+z軸方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞雙層膜空間運(yùn)動(dòng)軌跡圖，參考組是Cys172殘基。圖10是RAT分子沿著－z軸方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞雙層膜空間運(yùn)動(dòng)軌跡圖，參考組是Val56殘基。

從+x軸方向的RAT分子運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)文件中，挑選了55個(gè)樣本，列在表3中。在－x軸方向，從RAT分子運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)文件中，挑選了56個(gè)樣本，列在表4中。在+z軸方向，從RAT分子運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)文件中，挑選了62個(gè)樣本，列在表5中。在－z軸方向，從RAT分子運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)文件中，挑選了50個(gè)樣本，列在表6中。這些樣本體系中的運(yùn)動(dòng)組和參考組分別被限定在固定質(zhì)心距離上，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，使RAT分子和體系重新實(shí)現(xiàn)平衡。采用體系RMSD數(shù)值表征體系重新實(shí)現(xiàn)平衡。每一個(gè)軸方向，我們都選了四個(gè)樣本作為代表做體系RMSD數(shù)值分析。這各自四個(gè)樣本體系就是在圖7－10中的o、a、b、c四個(gè)點(diǎn)軌跡體系，或者是表3－6中，各自用粗體顯示的四個(gè)樣本體系。它們的RMSD數(shù)值分析圖，分別附在Supporting Information圖S2－S5中。在這些RMSD數(shù)值分析圖中，從700到800 ps之間，各自四個(gè)代表性樣本體系的RMSD數(shù)值都保持在本值±0.02 nm范圍內(nèi)變化。數(shù)值說明通過40萬步分子動(dòng)力學(xué)模擬，都實(shí)現(xiàn)了樣本體系重新平衡。類似的其它樣本分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得的RMSD隨模擬時(shí)間變化圖沒有給出。

從系列傘形樣本模擬計(jì)算結(jié)果中抽出各自自由能勢(shì)能面，分別顯示在圖7－圖10中。相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)坐標(biāo)上的傘形樣本加權(quán)柱狀圖，顯示樣本窗口都具有比較好的重疊性，從而顯示自由能勢(shì)能面數(shù)據(jù)的可靠性。

在圖7中，RAT沿著+x軸方向運(yùn)動(dòng)，從起點(diǎn)O點(diǎn)(0.60 nm)開始，經(jīng)過a點(diǎn)(1.52 nm)和b點(diǎn)(2.51nm)到達(dá)c點(diǎn)(3.42 nm)位置，離開了D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從自由能變化曲線和RAT位置主視圖和俯視圖來看，RAT從TM2與TM3比較大的縫隙之間離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在圖中可以判斷b點(diǎn)(2.51 nm) RAT基本上脫離D3R蛋，其自由能數(shù)值為314.5 kJ?mol－1。從b點(diǎn)到達(dá)c點(diǎn)位置實(shí)際上是在磷脂雙層膜空間運(yùn)動(dòng)，其自由能數(shù)據(jù)50.9 kJ?mol－1，與RAT (離子分子狀態(tài))在純磷脂雙層膜空間分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果(30.3 kJ?mol－1)具有可比性58。

圖7　RAT分子沿著+x軸方向從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞雙層膜運(yùn)動(dòng)軌跡主視圖(A)和俯視圖(B)，和運(yùn)動(dòng)軌跡上的自由能勢(shì)能面(C)及其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)坐標(biāo)上的傘形樣本加權(quán)柱狀圖(D)Fig.7　Figures of tracks from main(A)and top(B)views for RAT to move along the+x axis from within D3R into the POPC phospholipid bilayer membrane,the PMF of the track(C),and the histograms of umbrella samplings for RAT to move(D)

在圖8中，RAT沿著－x軸方向運(yùn)動(dòng)，從起點(diǎn)o點(diǎn)(0.64 nm)開始，經(jīng)過a點(diǎn)(1.80 nm)和b點(diǎn)(2.88 nm)到達(dá)c點(diǎn)(3.30 nm)位置，完全離開了D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從自由能變化曲線和RAT位置主視圖和俯視圖來看，RAT從TM6與TM7縫隙之間離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)，處在a點(diǎn)RAT基本上脫離D3R蛋白，其自由能數(shù)據(jù)為174.4 kJ?mol－1。從b點(diǎn)到達(dá)c點(diǎn)位置是處在磷脂雙層膜中間空間層波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此其自由能數(shù)據(jù)比較小。

表3　RAT分子沿著+x坐標(biāo)方向通過D3R內(nèi)分子通道軌跡上的傘形樣本Table 3　Umbrella samplings for RAT to move pass the D3R interior molecular channel along the+x axis

在圖9中，RAT沿著+z軸方向運(yùn)動(dòng)，從起點(diǎn)o點(diǎn)(0.61 nm)開始，經(jīng)過a點(diǎn)(1.37 nm)和b點(diǎn)(2.07 nm)到達(dá)c點(diǎn)(3.23 nm)位置，完全離開了D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從RAT位置主視圖和俯視圖來看，RAT從TM1與TM7縫隙之間離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從自由能變化曲線來看，自由能基本上是均勻增大，直到c點(diǎn)(3.23 nm)位置，自由能數(shù)值達(dá)到最高點(diǎn)數(shù)值，數(shù)值為117.7 kJ?mol－1。

圖8　RAT分子沿著－x軸方向從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞雙層膜運(yùn)動(dòng)軌跡主視圖(A)和俯視圖(B)，和運(yùn)動(dòng)軌跡上的自由能勢(shì)能面(C)及其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)坐標(biāo)上的傘形樣本加權(quán)柱狀圖(D)Fig.8　Figures of tracks from main(A)and top(B)views for RAT to move along the－x axis from the D3R interior space into the POPC phospholipid bilayer membrane,the PMF of the track(C),and the histograms of umbrella samplings for RAT to move(D)

在圖10中，RAT沿著－z軸方向運(yùn)動(dòng)，從起點(diǎn)o點(diǎn)(0.41 nm)開始，經(jīng)過a點(diǎn)(1.50 nm)和b點(diǎn)(2.56 nm)到達(dá)c點(diǎn)(3.48 nm)位置，完全離開了D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從RAT位置主視圖和俯視圖來看，RAT從TM4與TM75縫隙之間離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從自由能變化曲線來看，自由能基本上是均勻增大，直到b點(diǎn)位置，自由能數(shù)值變化到達(dá)一個(gè)平臺(tái)，數(shù)值為327.8 kJ?mol－1。從RAT位置主視圖來看，b點(diǎn)位置，剛好處在TM4與TM75縫隙之間準(zhǔn)備離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。隨后從b點(diǎn)到達(dá)c點(diǎn)位置實(shí)際上也是在磷脂雙層膜空間運(yùn)動(dòng)，其自由能數(shù)據(jù)為51.4 kJ?mol－1，與純磷脂雙層膜分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果(30.3 kJ?mol－1)也具有可比性。

表4　RAT分子沿著－x坐標(biāo)方向通過D3R內(nèi)分子通道軌跡上的傘形樣本Table 4　Umbrella samplings for RAT to move pass the D3R interior molecular channel along the－x axis

RAT在D3R結(jié)構(gòu)中的分子通道軌跡上運(yùn)動(dòng)，具有一定程度上的柔性，在一定范圍內(nèi)RAT分子總是朝著能量比較小的軌跡上運(yùn)動(dòng)。RAT分子并不是沿某一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，而是以某一軸為初始方向，沿著最低能量方向運(yùn)動(dòng)，有斜著運(yùn)動(dòng)，這點(diǎn)從四個(gè)軌跡圖就可以看出。當(dāng)前面有跨膜螺旋擋住，它就稍微改變方向，從跨膜螺旋柱間隙中運(yùn)動(dòng)，從最低能量方向運(yùn)動(dòng)。如果沿著y軸方向，那最可能方向是盡可能不要通過跨膜螺旋柱間隙中運(yùn)動(dòng)。所以我們通過+x、－x、+z、－z軸四個(gè)方向進(jìn)行研究，就應(yīng)該能覆蓋RAT運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到細(xì)胞雙層膜空間最可能的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，對(duì)于RAT在D3R結(jié)構(gòu)中保護(hù)分子通道運(yùn)動(dòng)，RAT最可能的軌跡通道是從TM1與TM7縫隙之間離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其自由能變化數(shù)值是117.7 kJ?mol－1。

圖9　RAT分子沿著+z軸方向從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞雙層膜運(yùn)動(dòng)軌跡主視圖(A)和俯視圖(B)，和運(yùn)動(dòng)軌跡上的自由能勢(shì)能面(C)及其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)坐標(biāo)上的傘形樣本加權(quán)柱狀圖(D)Fig.9　Figures of tracks from main(A)and top(B)views for RAT to move along the+z axis from the D3R interior space into the POPC phospholipid bilayer membrane,the PMF of the track(C)and the histograms of umbrella samplings for RAT to move(D)

表5　RAT分子沿著+z坐標(biāo)方向通過D3R內(nèi)分子通道軌跡上的傘形樣本Table 5　Umbrella samplings for RAT to move pass the D3R interior molecular channel along the+z axis

采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，我們甚至可以模擬出RAT分子從不同TM縫隙之間運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能變化值。若用實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法，就不能實(shí)時(shí)看到RAT在D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)中分子通道上的運(yùn)動(dòng)軌跡。而且，分子動(dòng)力學(xué)模擬方法獲得的RAT在D3R結(jié)構(gòu)中分子通道上運(yùn)動(dòng)自由能變化與實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)值應(yīng)該相似，盡管沒有直接數(shù)值相比較，但是可以通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)值比較獲得部分的支持。在文獻(xiàn)中報(bào)道，采用PMF方法，模擬計(jì)算水分子在卵磷脂脂質(zhì)分子生物膜中透過自由能能壘是16.8－29.4 kJ?mol－159－63，而實(shí)驗(yàn)測(cè)定水分子透過細(xì)胞膜自由能能壘是16.8－37.8 kJ?mol－164－68，分子模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果很好地保持一致。最近文獻(xiàn)報(bào)道，同樣采用PMF方法，計(jì)算Na+-Cl－離子對(duì)、Cl－離子和Na+離子透過卵磷脂脂質(zhì)分子生物膜的自由能能壘分別是115.0、99.1和92.0 kJ?mol－169，而實(shí)驗(yàn)測(cè)定Cl－離子和Na+離子透過磷脂酰絲氨酸生物膜的自由能能壘分別是(98.7±11.3)和(87.4±1.7)kJ?mol－170，數(shù)據(jù)顯示分子模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果也具有很好的一致性。既然在純的磷脂酰絲氨酸生物膜體系，分子模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果具有很好的一致性，對(duì)于目前只是增加了純蛋白與磷脂酰絲氨酸生物膜體系，分子模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果也應(yīng)該具有很好的一致性。

圖10　RAT分子沿著－z軸方向從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞雙層膜運(yùn)動(dòng)軌跡主視圖(A)和俯視圖(B)，和運(yùn)動(dòng)軌跡上的自由能勢(shì)能面(C)及其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)坐標(biāo)上的傘形樣本加權(quán)柱狀圖(D)Fig.10　Figures of tracks from main(A)and top(B)views for RAT to move along the－z axis from the D3R interior space into the POPC phospholipid bilayer membrane,the PMF of the track(C)and the histograms of umbrella samplings for RAT to move(D)

表6　RAT分子沿著－z坐標(biāo)方向通過D3R內(nèi)分子通道軌跡上的傘形樣本Table 6　Umbrella samplings for RAT to move pass the D3R interior molecular channel along the－z axis

4　結(jié)論

RAT通過D3R結(jié)構(gòu)中的功能分子通道，朝細(xì)胞外方向傳輸運(yùn)動(dòng)的自由能變化數(shù)值為91.4 kJ?mol－1，朝細(xì)胞內(nèi)方向傳輸運(yùn)動(dòng)的自由能變化數(shù)值為340.0 kJ?mol－1。RAT通過D3R結(jié)構(gòu)中的保護(hù)分子通道，在+x、－x、+z、－z方向朝細(xì)胞雙層膜方向傳輸運(yùn)動(dòng)的自由能變化數(shù)值分別為314.5、174.4、117.7、327.8 kJ?mol－1，說明在保護(hù)分子通道上RAT更容易從TM1與TM7縫隙之間離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其自由能變化數(shù)值是117.7 kJ?mol－1。自由能變化數(shù)值表明RAT分子更容易通過D3R結(jié)構(gòu)中的功能分子通道。RAT分子通過疏通D3R結(jié)構(gòu)中的功能分子通道，可能改變蛋白結(jié)構(gòu)構(gòu)型構(gòu)象，減少其它分子的堵塞，增大多巴胺分子的釋放并且成為功能分子，發(fā)揮其分子功能作用，導(dǎo)致依賴性和成癮性等多種功能效果。因此，RAT被用作藥物的藥理和成癮機(jī)制與它在多巴胺受體中的分子通道上傳輸動(dòng)力學(xué)和機(jī)制有密切關(guān)聯(lián)。

Supporting Information:The values of RMSD from some samplings simulated with 800 ps have been included. This information is available free of charge via the internet at http://www.whxb.pku.edu.cn.

References

(1)Bunzow,J.R.;Van Tol,H.H.M.;Grandy,D.K.;Albert,P.; Salon,J.;Christie,M.Nature 1988,336,783.doi:10.1038/ 336783a0

(2)Dearry,A.;Gingrich,J.A.;Falardeau,P.;Fremeau,R.T.; Bates,M.D.;Caron,M.G.Nature 1990,347,72.doi:10.1038/ 347072a0

(3)Sokoloff,P.;Giros,B.;Martres,M.P.;Bouthenet,M.L.; Schwartz,J.C.Nature 1990,347,146.doi:10.1038/347146a0

(4)Van Tol,H.H.;Bunzow,J.R.;Guan,H.C.;Sunahara,R.K.; Seeman,P.;Niznik,H.B.;Civelli,O.Nature 1991,350,610. doi:10.1038/350610a0

(5)Sunahara,R.K.;Guan,H.C.;O'Dowd,B.F.;Seeman,P.; Laurier,L.G.;Ng,G.;George,S.R.;Torchia,J.;Van Tol,H. H.;Niznik,H.B.Nature 1991,350,614.doi:10.1038/ 350614a0

(6)Kebabian,J.W.;Calne,D.B.Nature 1979,277(5692),93. doi:10.1038/277093a0

(7)Xu,M.;Koeltzo,T.E.;Santiago,G.T.;Moratalla,R.;Cooper, D.C.;Hu,X.T.;White,N.M.;Graybiel,A.M.;White,F.J.; Tonegawa,S.Neuron 1997,19(4),837.doi:10.1016/S0896-6273(00)80965-4

(8)Bontempi,B.;Sharp,F.R.J.Neurosci.1997,17,8596.

(9)Plante-Bordeneuve,V.;Taussig,D.;Thomas,F.;Said,G.; Wood,N.W.;Marsden,C.D.Neurology 1997,48,1589.doi: 10.1212/WNL.48.6.1589

(10)Li,F.;Shu,S.Y.;Bao,X.M.Chinese Journal of Neuroscience 2003,19(6),405.

[李凡,舒斯云,包新民.中國(guó)神經(jīng)科學(xué)雜志,2003,19(6),405.]

(11)Carlsson,A.;Waters,N.;Waters,S.;Carlsson,M.L.Brain Research Reviews 2000,31,342.doi:10.1016/S0165-0173(99) 00050-8

(12)Suri,R.E.;Bargas,J.;Arbib,M,A.Neuroscience 2001,103, 65.doi:10.1016/S0306-4522(00)00554-6

(13)Salum,C.;Roque,S.A.;Pickering,A.Neurocomputing 1999, 26－27,845.doi:10.1016/S0925-2312(98)00129-5

(14)Xu,S.C.;Shi,G.J.;Chi,S.M.TheActive Site Residues and the Molecular Channels for Dopamine within D3R Membrane Protein.The 28thCCS(Chinese Chemical Society)Congress, Sichuan University,Chengdu,China,April 13－16,2012.

(15)Bian,F.Y.;Shi,G.J.;Chi,S.M.;Xu,S.C.The Perspective Insight into the Pathology of Parkinsonism Using the Molecular Channel Theory of Dopamine inside its Receptor Membrane Protein.Chinese Chemical Society at the Second National Conference on Bio-physical Chemistry(NCBPC2) and the International Forum on Development of Chinese Bio-physical Chemistry,Wuhan University,Wuhan,China, Oct 15－18,2012.

(16)Zhang,J.W.;Bian,F.Y.;Shi,G.J.;Xu,S.C.Acta Phys.-Chim.Sin.2014,30,183.

[張繼偉,卞富永,施國(guó)軍,徐四川.物理化學(xué)學(xué)報(bào),2014,30,183.]doi:10.3866/PKU. WHXB201311281

(17)Chien,E.Y.T.;Liu,W.;Zhao,Q.;Katritch,V.;Han,G.W.; Hanson,M.A.;Shi,L.;Newman,A.H.;Javitch,J.A.; Cherezov,V.;Stevens,R.C.Science 2010,330,1091.doi: 10.1126/science.1197410

(18)Roth,C.B.;Hanson,M.A.;Stevens,R.C.J.Mol.Biol.2008, 376,1305.doi:10.1016/j.jmb.2007.12.028

(19)Rosenbaum,D.M.;Cherezov,V.;Hanson,M.A.;Rasmussen, S.G.;Thian,F.S.;Kobilka,T.S.;Choi,H.J.;Yao,X.J.;Weis, W.I.;Stevens,R.C.;Kobilka,B.K.Science 2007,318,1266. doi:10.1126/science.1150609

(20)DePaulis,T.;Hall,H.;Ogren,S.Eur.J.Med.Chem.Chim. Ther.1985,20,273.

(21)Griffon,N.;Pilon,C.;Sautel,F.;Schwartz,J.C.;Sokoloff,P. J.Neural.Transm.1996,103,1163.doi:10.1007/BF01271201

(22)Jin,Y.;Wang,Y.;Bian,F.Y.;Shi,Q.;Ge,M.F.;Wang,S.; Zhang,X.K.;Xu,S.C.Acta Phys.-Chim.Sin.2011,27,2432.

[金毅,王悅,卞富永,史強(qiáng),葛茂發(fā),王樹,張興康,徐四川.物理化學(xué)學(xué)報(bào),2011,27,2432.]doi:10.3866/PKU. WHXB20111001

(23)Hoff,B.;Strandberg,E.;Ulrich,A.S.;Tieleman,D.P.;Posten, C.Biophys.J.2005,88,1818.doi:10.1529/ biophysj.104.052399

(24)Janosi,L.;Gorfe,A.A.J.Chem.Theory Comput.2010,6, 3267.doi:10.1021/ct100381g

(25)Su,Z.Y.;Wang,Y.T.J.Phys.Chem.B 2011,115,796.doi: 10.1021/jp107599v

(26)Dunkin,C.M.;Pokorny,A.;Almeida,P.F.;Lee,H.S.J.Phys.Chem.B 2011,115,1188.doi:10.1021/jp107763b

(27)Chen,R.;Poger,D.;Mark,A.E.J.Phys.Chem.B 2011,115, 1038.doi:10.1021/jp110002q

(28)Merlino,A.;Vitiello,G.;Grimaldi,M.;Sica,F.;Busi,E.; Basosi,R.;D′Ursi,A.M.;Fragneto,G.;Paduano,L.; D′Errico,G.J.Phys.Chem.B 2012,116,401. doi:10.1021/jp204781a

(29)Yamamoto,E.;Akimoto,T.;Shimizu,H.;Hirano,Y.;Yasui, M.;Yasuoka,K.J.Phys.Chem.B 2012,116,8989. doi:10.1021/jp303330c

(30)Polyansky,A.A.;Volynsky,P.E.;Nolde,D.E.;Arseniev,A. S.;Efremov,R.G.J.Phys.Chem.B 2005,109,15052. doi:10.1021/jp0510185

(31)Puri,A.;Jang,H.;Yavlovich,A.;Masood,M.A.;Veenstra,T. D.;Luna,C.;Aranda-Espinoza,H.;Nussinov,R.;Blumenthal, R.Langmuir 2011,27,15120.doi:10.1021/la203453x

(32)Manna,M.;Mukhopadhyay,C.Langmuir 2009,25,12235. doi:10.1021/la902660q

(33)Hartshorn,M.;Jewett,C.M.;Brozik,J.A.Langmuir 2010,26, 2609.doi:10.1021/la904308g

(34)Mondal,S.;Mukhopadhyay,C.Langmuir 2008,24,10298. doi:10.1021/la8015589

(35)Soemo,A.R.;Wirth,M.J.Langmuir 2010,26,2196.doi: 10.1021/la9038914

(36)Payandeh,J.;Gamal El-Din,T.M.;Scheuer,T.;Zheng,N.; Catterall,W.A.Nature 2012,486,135.doi:10.1038/ nature11077

(37)J?nsson,P.;Jonsson,M.P.;H??k,F.Nano Lett.2010,10, 1900.doi:10.1021/nl100779k

(38)Carr,R.;Weinstock,I.A.;Sivaprasadarao,A.;Müller,A.; Aksimentiev,A.Nano Lett.2008,8,3916.doi:10.1021/ nl802366k

(39)Marrink,S.J.;Lindahl,E.;Edholm,O.;Mark,A.E.J.Am. Chem.Soc.2001,123(35),8638.doi:10.1021/ja0159618

(40)Miyamoto,S.;Kollman,P.A.J.Comput.Chem.1992,13,952. doi:10.1002/jcc.540130805

(41)Frisch,M.J.;Trucks,G.W.;Schlegel,H.B.;et al.Gaussian 03,Revison B.01;Gaussian Inc.:Pittsburgh PA,2003.

(42)Lang,P.T.;Moustakas,D.;Brozell,S.;Carrascal,N.; Mukherjee,S.;Pegg,S.;Kuntz,I.DOCK 6.1;University of California:San Francisco,2006.

(43)Shi,G.J.;Wang,Y.;Jin,Y.;Chi,S.M.;Shi,Q.;Ge,M.F; Zhang,X.K.;Xu,S.C.J.Biomol.Struct.Dyn.2012,30(5), 559.doi:10.1080/07391102.2012.687522

(44)Wang,Y.;Bian,F.Y.;Deng,S.R.;Shi,Q.;Ge,M.F.;Wang, S.;Zhang,X.K.;Xu,S.C.J.Biomol.Struct.Dyn.2011,28 (6),881.doi:10.1080/07391102.2011.10508615

(45)Xu,S.C.;Chi,S.M.;Jin,Y.;Shi,Q.;Ge,M.F.;Wang,S.; Zhang,X.K.J.Mol.Model.2012,18(1),377.doi:10.1007/ s00894-011-1083-7

(46)Chi,S.;Xie,W.;Zhang,J.;Xu,S.C.J.Biomol.Struct.Dyn. 2015,33(10),2234.doi:10.1080/07391102.2014.999256

(47)Berendsen,H.J.C.;van der Spoel,D.;van Drunen,R. Computer Physics Communications 1995,91,43.doi:10.1016/ 0010-4655(95)00042-E

(48)Van der Spoel,D.;Lindahl,E.;Hess,B.;Groenhof,G.;Mark, A.E.;Berendsen,H.J.C.J.Comput.Chem.2005,26,1701. doi:10.1002/jcc.20291

(49)Hub,J.S.;de Groot,B.L.;Grubmüller,H.;Groenhof,G. J.Chem.Theory Comput.2014,10,381.doi:10.1021/ ct400626b

(50)Humphrey,W.;Dalke,A.;Schulten,K.J.Mol.Graph.Model. 1996,14,33.doi:10.1016/0263-7855(96)00018-5

(51)Xu,S.C.;Deng,S.R.;Ma,L.Y.;Shi,Q.;Ge,M.F.;Zhang,X. K.Acta Phys.-Chim.Sin.2009,25,1290.

[徐四川,鄧圣榮,馬麗英,史強(qiáng),葛茂發(fā),張興康.物理化學(xué)學(xué)報(bào),2009,25, 1290.]doi:10.3866/PKU.WHXB20090701

(52)Daura,X.;Mark,A.E.;Van Gunsteren,W.F.J.Comput. Chem.1998,19(5),535.doi:10.1002/(SICI)1096-987X (19980415)19:5<535::AID-JCC6>3.0.CO;2-N

(53)Van Gunsteren,W.;Billeter,S.;Eising,A.;Hunenberger,P.; Kruger,P.;Mark,A.;Tironi,I.Biomolecular Simulation:the Gromos 96 Manual and User Guide,1st ed.;Hochschulverlag AG an der ETH Zurich:Zurich,Switzerland,1996.

(54)Hess,B.;Kutzner,C.;van der Spoel,D.;Lindahl,E.J.Chem. Theory Comput.2008,4,435.doi:10.1021/ct700301q

(55)Bian,F.Y.;Zhang,J.W.;Wang,D.;Xu,S.C.Acta Phys.-Chim.Sin.2014,30,1947.

[卞富永,張繼偉,王丹,徐四川.物理化學(xué)學(xué)報(bào),2014,30,1947.]doi:10.3866/PKU. WHXB201408271

(56)Van der Spoel,D.;Lindahl,E.;Hess,B.;van Buuren,A.R.; Apol,E.;Meulenhoff,P.J.;Berendsen,H.J.Gromacs User Manual,version 4.5;www.gromacs.org,2013.

(57)Hub,J.S.;de Groot,B.L.;van der Spoel,D.J.Chem.Theory Comput.2010,6,3713.doi:10.1021/ct100494z

(58)Wang,D.The Molecular Dynamics Simulations for Benzedrine to Move through the Phospholipid Bilayer Membrane.M.S.Dissertation,Yunnan University,Kunming, 2015.

[王丹.苯丙胺分子透過磷脂雙層膜過程模擬研究[D].昆明:云南大學(xué),2015.]

(59)Marrink,S.J.;Berendsen,H.J.C.J.Phys.Chem.1994,98, 4155.doi:10.1021/j100066a040

(60)Marrink,S.J.;Jaehnig,F.;Berendsen,H.J.C.Biophys.J. 1996,71,632.doi:10.1016/S0006-3495(96)79264-0

(61)Zahn,D.;Brickmann,J.Chem.Phys.Lett.2002,352,441.doi: 10.1016/S0009-2614(01)01437-3

(62)Bemporad,D.;Essex,J.W.;Luttmann,C.J.Phys.Chem.B 2004,108,4875.doi:10.1021/jp035260s

(63)Shinoda,W.;Mikami,M.;Baba,T.;Hato,M.J.Phys.Chem.B 2004,108,9346.doi:10.1021/jp035998+

(64)Nichols,J.W.;Deamer,D.W.Proc.Nat.Acad.Sci.U.S.A. 1980,77,2038.doi:10.1073/pnas.77.4.2038

(65)Benga,G.;Pop,V.I.;Popescu,O.;Borza,V.J.Biochem. Biophys.Methods 1990,21,87.doi:10.1016/0165-022X(90) 90057-J

(66)Jansen,M.;Blume,A.Biophys.J.1995,68,997.doi:10.1016/ S0006-3495(95)80275-4

(67)Andrasko,J.;Forsén,S.Biochem.Biophys.Res.Commun. 1974,60,813.doi:10.1016/0006-291X(74)90313-1

(68)Graziani,Y.;Livne,A.J.Membr.Biol.1972,7,275.doi: 10.1007/BF01867920

(69)Khavrutskii,I.V.;Gorfe,A.A.;Lu,B.;McCammon,J.A. J.Am.Chem.Soc.2009,131,1706.doi:10.1021/ja8081704

(70)Papahadjopoulos,D.;Nir,S.;Ohki,S.Biochim.Biophys.Acta 1972,266,561.doi:10.1016/0005-2736(72)90354-9

Molecular Dynamics Simulation for Levo-Benzedrine to Transmit through Molecular Channels within D3R

XIE WeiXU Ze-RenWANG MingXU Si-Chuan*
(Key Laboratory of Education Ministry for Medicinal Chemistry of Natural Resource,College of Chemical Science and Technology,Yunnan University,Kunming 650091,P.R.China)

Levo-benzedrine(also known as L-benzedrine or RAT)acts in dopamine receptors of the central nerve cell.In a clinical setting,RAT is used to treat a variety of diseases;however,it can also result in physical dependence and addiction.To investigate the pharmacology and addiction mechanism of RAT as a medication, we have obtained the optimized structure of the dopamine III receptor(D3R)complex protein with RAT.On the basis of this structure,by using the method of potential mean force(PMF)with umbrella sampling and the simulated phospholipid bilayer membrane(also known as the POPC bilayer membrane),the molecular dynamics simulation was performed to obtain the trajectories with the changes of free energy on the structure for RAT to move along the molecular channels within D3R.The change of free energy for RAT to transfer toward the outside of the cell along the functioning molecular channel within D3R is 91.4 kJ?mol－1.The change of free energy for RAT to transfer into the POPC bilayer membrane along the protecting molecular channel within D3R is 117.7 kJ?mol－1.These results suggest that RAT is more likely to exert its molecular functions and to increase the release of functioning dopamine molecules by transferring along the functioning molecular channel within D3R, which result in a variety of functional effects by RAT including dependence and addiction.The obtained results show that the pharmacology and addiction mechanism of RAT as a medication are closely related to the molecular dynamics and mechanism for RAT to transfer along molecular channels within dopamine receptors.

November 4,2015;Revised:January 14,2016;Published on Web:January 14,2016.*Corresponding author.Email:sichuan@ynu.edu.cn;Tel:+86-871-65039937. The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21163024,21563032).

L-Benzedrine;D3R;POPC;Molecular dynamics simulation;Free energy

O641

10.3866/PKU.WHXB201601141

國(guó)家自然科學(xué)基金(21163024,21563032)資助項(xiàng)目