基于黨參有效成分的凝血酶抑制劑的分子模擬

楊 春,陳盼盼, 張靜曉, 張麗雷

(湖北民族學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

基于黨參有效成分的凝血酶抑制劑的分子模擬

楊 春,陳盼盼, 張靜曉, 張麗雷*

(湖北民族學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

以中藥黨參有效成分為研究對象，使用ADME特性篩選，分子對接和分子動力學(xué)方法，研究了與凝血酶的抑制作用。結(jié)果表明，篩選出的灌木遠(yuǎn)志酮A和川芎哚具有較好的對接結(jié)果。通過分子動力學(xué)方法分別獲取了灌木遠(yuǎn)志酮A和川芎哚與凝血酶結(jié)合的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。兩種化合物分別與凝血酶的殘基形成了疏水作用和強(qiáng)度不同的氫鍵，這些基團(tuán)之間的相互作用是化合物可能具有相應(yīng)活性的關(guān)鍵因素。川芎哚的抑制能力強(qiáng)于灌木遠(yuǎn)志酮A，形成氫鍵的數(shù)目及氫鍵存活率是其穩(wěn)定性的主要原因。結(jié)果可為發(fā)現(xiàn)高效的直接凝血酶抑制劑，以及結(jié)構(gòu)改良提供理論參考。

黨參；凝血酶；ADME篩選；分子對接；分子動力學(xué)

血液凝固是生理性止血功能的重要組成部分[1]。對人體健康具有重要意義，然而在病態(tài)下引起的凝血會形成血栓，造成心肌缺血、心肌梗塞和腦血栓等疾病[2]。凝血酶與血小板表面的凝血酶受體N端結(jié)合并將其水解切斷，產(chǎn)生出新N端，新N端通過分子內(nèi)反應(yīng)與凝血酶受體自身結(jié)合，從而激活凝血酶受體，引發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號的傳遞，最終導(dǎo)致血小板聚集，產(chǎn)生凝血[3]。中藥黨參具有調(diào)節(jié)血糖，促進(jìn)造血機(jī)能，降壓，抗缺氧，耐疲勞，增強(qiáng)機(jī)體免疫力，延緩衰老，調(diào)節(jié)胃收縮及抗?jié)兊榷喾N作用[4-5]。本文以黨參為研究對象，從中篩選有效成分，研究其與凝血酶靶點的相互作用，為直接凝血酶抑制劑的研究和黨參的藥用機(jī)理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 黨參有效成分的篩選

在中藥數(shù)據(jù)庫TCMSP中獲取黨參的有效化學(xué)成分，根據(jù)類藥性(DL)、口服可利用度(OB)和Caco-2滲透性，設(shè)定閾值進(jìn)行篩選。同時，利用HIT數(shù)據(jù)庫和SEA數(shù)據(jù)庫對其對應(yīng)靶點進(jìn)行預(yù)測，獲取與凝血酶靶點相關(guān)的活性成分，作為凝血酶的配體。

1.2 初始結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)備

從蛋白晶體數(shù)據(jù)庫(PDB)中得到含有UBTHR104的凝血酶晶體結(jié)構(gòu)(PDB號：3SI4)，除去UBTHR104和晶體水，對其進(jìn)行加氫，作為分子模擬的凝血酶模型。配體分子從化學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(http://www.chemspider.com/)中獲取。

1.3 分子對接

配體分子與凝血酶的對接采用AutoDock Vina程序進(jìn)行，使用半柔性對接方法，凝血酶被視為一個剛體和配體分子所有的可旋轉(zhuǎn)鍵進(jìn)行對接。最有可能的結(jié)合位點采用搜索全局優(yōu)化法(Iterated Local Search Globule Optimizer)搜索。最佳的結(jié)合位點設(shè)定為涵蓋凝血酶整個活性口袋大小為30×30×40?3的盒子內(nèi)，盒子的網(wǎng)格間距為1.0?，以藥物分子的幾何中心為中心。

1.4 分子動力學(xué)模擬

分子動力學(xué)模擬在NAMD(版本2.11)程序中進(jìn)行，將分子對接得到的復(fù)合物結(jié)構(gòu)用做MD模擬的初始構(gòu)象，采用CHARMM 27全原子力場。在復(fù)合物的周圍建立超出蛋白分子8 ?的立方體水模型。在進(jìn)行分子動力學(xué)模擬之前，先使整個體系松弛。優(yōu)化結(jié)束后，采取緩慢升溫的方法，體系溫度在220ps內(nèi)由0K緩慢加熱至310K，之后進(jìn)行10ns的NPT模擬，使用PME(particle mesh Ewald)方法用來計算長程靜電相互作用，范德華相互作用的截斷值為12?。

2 結(jié)果與討論

2.1 篩選結(jié)果

以化合物的類藥性(DL)、口服可利用度(OB)、Caco-2滲透性參數(shù)進(jìn)行黨參有效成分的篩選。其中，DL閾值設(shè)定為DL≥0.18。代表化合物具有一定的成藥潛力；OB閾值設(shè)定為OB≥30%，代表化合物具有一定的在胃腸道的吸收能力、小腸和肝臟的初級代謝能力；Caco-2滲透性設(shè)定閾值為Caco-2≥-0.4，代表化合物具有一定的腸道吸收能力。通過篩選，從黨參的134個化學(xué)成分中篩選出了19個潛在的活性成分。利用數(shù)據(jù)庫，從黨參的19種活性成分中，篩選出四種與凝血酶相關(guān)的活性成分：川芎哚、異黃酮、灌木遠(yuǎn)志酮A和3-羥基亞甲基丹參醌。

2.2 對接結(jié)果

以篩選所得到的與凝血酶相關(guān)的化合物為研究對象，分別與凝血酶進(jìn)行對接，并通過Autodock vina程序的函數(shù)進(jìn)行對接結(jié)果打分。川芎哚、異黃酮、灌木遠(yuǎn)志酮A和3-羥基亞甲基丹參醌四種物質(zhì)的打分分別為-8.1、-7.1、-8.5和-7.9，灌木遠(yuǎn)志酮A 和川芎哚打分相對較高，結(jié)合能量較高，表明它們可能與凝血酶具有較好的結(jié)合能力。對接位置如圖1所示，均對接于凝血酶的活性口袋內(nèi)。

圖1 灌木遠(yuǎn)志酮A(A)和川芎哚(B)與凝血酶的對接位置

2.3 分子動力學(xué)

將灌木遠(yuǎn)志酮A和川芎哚與凝血酶對接的結(jié)果用作初始構(gòu)象，進(jìn)行10ns的分子動力學(xué)模擬。為了檢測MD軌跡的穩(wěn)定性，對其均方根偏差(root mean square deviation, RMSD)進(jìn)行了計算，結(jié)果如圖2所示。從圖中可見，這兩個體系的骨架原子在經(jīng)過約5000ps的運(yùn)動之后，RMSD值趨于穩(wěn)定，最后灌木遠(yuǎn)志酮A與凝血酶結(jié)合的構(gòu)象，穩(wěn)定在0.7?在左右，川芎哚與凝血酶結(jié)合的構(gòu)象，穩(wěn)定在0.5?左右，體系達(dá)到平衡結(jié)構(gòu)。

圖3 灌木遠(yuǎn)志酮A(A)和川芎哚(B)與凝血酶的相互作用網(wǎng)絡(luò)

從5000ps的運(yùn)動軌跡中，取出最低能量結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相互作用分析。使用軟件Ligplot+[6]計算得到灌木遠(yuǎn)志酮A和川芎哚分別與凝血酶模型的相互作用網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果如圖3所示。從圖中可見，灌木遠(yuǎn)志酮A和川芎哚均與凝血酶形成疏水相互作用。其中，灌木遠(yuǎn)志酮A與凝血酶的Leu99、Trp96、Try94、Ala56等四個氨基酸殘基有疏水作用，川芎哚與凝血酶的Cys42、Hsd57、Cys58、Glu192、Gly219等5個氨基酸殘基有疏水作用，與凝血酶的氨基酸殘基Ser195形成了1個氫鍵。由于蛋白質(zhì)和藥物分子之間形成的氫鍵有利于它們的結(jié)合，說明川芎哚與凝血酶的結(jié)合能力強(qiáng)于灌木遠(yuǎn)志酮A與凝血酶的結(jié)合能力。對其氫鍵進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氫鍵的存活率為32.53%。

分別對灌木遠(yuǎn)志酮A和川芎哚與凝血酶的相互作用力進(jìn)行了分析，灌木遠(yuǎn)志酮A與凝血酶之間的范德華力平均值為-15.94kcal/mol，靜電力平均值為-3.56kcal/mol，主要作用力為范德華力，川芎哚與凝血酶之間的范德華力的平均值為 -25.38kcal/mol，靜電力的平均值為-21.87kcal/mol，主要作用力為范德華力。

由于灌木遠(yuǎn)志酮A和川芎哚的抗凝血是通過抗血小板凝聚，而達(dá)到抗凝血酶作用?？箍鼓饔眠^強(qiáng)，則可能導(dǎo)致出血并發(fā)癥的發(fā)生[7]。在整個MD過程中，灌木遠(yuǎn)志酮A和川芎哚與凝血酶形成的氫鍵較少，且較為不穩(wěn)定，說明其抗凝血過程中，既能達(dá)到抗凝血作用，又不至于因為抗凝血作用過強(qiáng)，而導(dǎo)致大出血及出血并發(fā)癥的發(fā)生，是潛在的有效直接凝血酶抑制劑。

3 結(jié)論

以中藥黨參的化學(xué)成分為研究對象，通過ADME性質(zhì)預(yù)測和篩選，獲得四種與凝血酶相關(guān)的有效成分，并通過分子對接發(fā)現(xiàn)灌木遠(yuǎn)志酮A和川芎哚與凝血酶具有較好的對接結(jié)果，并對其對接后的復(fù)合物進(jìn)行了動力學(xué)模擬，得到了灌木遠(yuǎn)志酮A、川芎哚與凝血酶的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，和與凝血酶作用的關(guān)鍵氨基酸。范德華作用力是它們之間的主要作用力。通過對MD過程的分析發(fā)現(xiàn)川芎哚與凝血酶的結(jié)合更穩(wěn)定，這可能是由于川芎哚不但與凝血酶的氨基酸殘基有疏水作用，并且與殘基Ser195形成了1個氫鍵。這些基團(tuán)中的相互作用是這兩個配體作為潛在的凝血酶抑制劑的主要因素。結(jié)果不僅可為中草藥黨參的作用機(jī)理的研究提供參考，并且可為凝血酶靶點抑制劑的設(shè)計和結(jié)構(gòu)改良提供理論參考，從而研發(fā)出有效的凝血酶抑制劑。

[1] 王鴻利.止血與凝血機(jī)制研究進(jìn)展[J].繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育,2006,20(26):13-19.

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[3] 孫政華，邵 晶，郭 玫.黨參化學(xué)成分及藥理作用研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).2015,43(33):174-176

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ThrombinInhibitorsMolecularModelingBasedonCodonopsisIngredients

YangChun，ChenPanpan,ZhangLilei*

(Science and Technology College of Hubei University for Nationalities, Enshi 445000, China)

The interaction between the active components of codonopsis and thrombin was studied by ADME screening, molecular docking and molecular dynamics. The results showed that the selected Frutinone A and Perlolyrine have better docking results. By molecular dynamics method, the stable structure of the combination of Frutinone A and Perlolyrine with thrombin were obtained. Two compounds with thrombin formed hydrophobic interactions and different strength hydrogen bonding respectively. The interaction between these groups is the key factor that compounds may have corresponding activity. The result shows that the strength of Perlolyrine is higher than that of Frutinone A. The results can provide theoretical reference for the discovery of efficient thrombin inhibitors and structural improvement.

codonopsis pilosula; thrombin; ADME screening; molecular docking; molecular dynamics

2017-07-07

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃項目 (B2016095)

張麗雷(1985—)，講師，博士。

R973.3

A

1008-021X(2017)18-00007-02

(本文文獻(xiàn)格式楊春,陳盼盼,張靜曉,等.基于黨參有效成分的凝血酶抑制劑的分子模擬[J].山東化工，2017，46(18)：7-8.)