R/S型甲基苯丙胺藥理活性差異的分子對接比較

崔露丹

摘 ? ? ?要： 甲基苯丙胺（MA）有一個手性碳原子，形成了R和S型分子。它們的物理性質(zhì)（除偏振光外）、化學性質(zhì)（除手性環(huán)境外）和分子光譜性質(zhì)相同，但是它們的藥理活性差異性大。用分子對接軟件（Autodock 4.2.6）探討手性R/S型甲基苯丙胺（MA）分子與單氧化聚合酶（DAT）結(jié)合能和結(jié)合位。結(jié)果表明：S-MA與DAT對接平均結(jié)合能量值為-34.03 kJ·mol-1，最低結(jié)合能量是-33.41 kJ·mol-1;而R-MA與DAT酶對接平均結(jié)合能量為-6.86 kJ·mol-1，最低結(jié)合能量是-5.60 kJ·mol-1，S-MA較R-MA對接DAT酶后形成的氫鍵數(shù)量多且強度大，而且結(jié)合能更負。與DAT結(jié)合效果最好的是S-MA，與DAT酶結(jié)合不穩(wěn)定是R-MA。

關 ?鍵 ?詞：R-甲基苯丙胺（R-MA）、S-甲基苯丙胺（S-MA）;分子對接;單氧化聚合酶

中圖分類號：TQ013 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）10-2213-04

Abstract： Methamphetamine（MA） has a chiral carbon atom， forming R-type and S-type molecules. Their physical properties （except for polarized light）， chemical properties （except for chiral environment） and molecular spectral properties are the same， but their pharmacological activities are quite different. Using Autodock 4.2.6 software and molecular docking software， the binding energy and binding sites of chiral R/S-methamphetamine （MA） with DAT enzyme were studied. The results showed that the average binding energy of S-MA to DAT was -34.03 kJ·mol-1， and the lowest binding energy was -33.41 kJ·mol-1， while the average binding energy of R-MA to DAT enzyme was -6.86 kJ·mol-1， and the lowest binding energy was -5.60 kJ·mol-1. Hydrogen bonds formed with S-MA were more and stronger than those formed with R-MA. The S-MA had the best binding effect with DAT， and the R-MA had unstable binding with DAT enzyme.

Key words： R-methamphetamine（R-MA）; S-methamphetamine （S-MA）; Molecular docking; DAT

甲基苯丙胺（MA）是一種新型的成癮毒品，目前人們對其成癮機制認知比較缺乏，治療手段非常有限，涉及多種神經(jīng)遞質(zhì)、受體和轉(zhuǎn)運體，危害程度很高。20世紀70年代，美國、日本、德國等開始從行為學、形態(tài)學、分子水平對MA的作用機制進行了大量的研究，但一些機制并沒有完全弄清楚，目前國內(nèi)外的研究主要集中在氧化應激、神經(jīng)元凋亡、膠質(zhì)細胞活化等方面。王存新等對藥物分子對接方法和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫進行細致的介紹，列舉可以用于反向虛擬篩選的網(wǎng)絡服務器，并列舉該方法在藥物設計領域的一些具體應用，最后對該方法目前所存在的問題進行討論[1];謝治深等闡述了常用計算機合理藥物設計方法及其在新藥研發(fā)中的應用，為加快新藥研發(fā)速度提供理論指導[2]。汪祺等考察芹菜素對UGT1A1酶活性的影響，從而預測其在臨床用藥時潛在的藥物間相互作用，提示黃酮類母核結(jié)構具有與酶蛋白UGT1A1結(jié)合的特殊結(jié)構[3];袁鳳珠等基于分子對接的HIV-1 RT抑制劑虛擬篩選的方法，探討了核糖核酸酶活性[4];劉志強等就現(xiàn)階段常用的網(wǎng)絡藥理學分析服務器、中藥化學成分數(shù)據(jù)庫、靶標預測技術等數(shù)據(jù)平臺的使用方法、細節(jié)要點進行對比分析，并對其在中藥網(wǎng)絡藥理學研究中的應用現(xiàn)狀進行綜述，以供研究人員參考[5];楊欣等基于網(wǎng)絡藥理學及分子對接分析熊果酸抗類風濕性關節(jié)炎的分子機制[6];白啟峰介紹了Schrodinger藥物虛擬篩選的基本原理、流程和使用方法，提高了藥物發(fā)現(xiàn)的效率[7];肖澤云等從天然產(chǎn)物中篩選人類免疫缺陷病毒（HIV）非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑（NNRTI）和整合酶鏈轉(zhuǎn)移抑制劑作用位點的雙靶點抑制劑[8];劉景陶和柳耀花通過分子對接篩選出大量具有生理活性的藥物小分子，這些小分子作為先導化合物再經(jīng)過多輪反復與受體靶標分子進行對接，不斷優(yōu)化結(jié)構，最終產(chǎn)生可能成藥的候選物[9-10];劉燕茹針對當前甲狀腺亢進癥藥物治療存在的治愈時間長、且毒副作用大等問題，提出并實現(xiàn)了一種基于現(xiàn)有過氧化酶抑制劑甲亢平、甲巰咪唑、丙硫氧嘧啶以及甲硫氧嘧啶的新型TPO抑制劑的計算機輔助設計和虛擬篩選方法[11];黃溪等基于分子對接的選擇性激素類藥物的毒副作用研究，采用Sybyl-X軟件中Surflex-Dock分子對接模塊，評價選擇性激素類藥物與雌激素受體、孕激素受體、甲狀腺激素受體、糖皮質(zhì)激素受體、雄性激素受體的結(jié)合模式，以打分函數(shù)為標準，評價激素類藥物與受體之間的親和強弱關系，探討藥物與靶標的作用機制[12];史海龍等基于藥物靶點從傳統(tǒng)中藥庫中高通量虛擬篩選抑制劑，運用計算機虛擬篩選技術從傳統(tǒng)中藥數(shù)據(jù)庫中尋找表皮生長因子受體激酶的中藥小分子抑制劑[13];杜冉峰通過分子對接技術，以與衰老相關的雷帕霉素靶蛋白為對接受體，以茯苓、桑枝、木瓜、薏苡仁和厚樸5味祛濕藥中的化學成分為對接小分子，初步篩選祛濕藥中的抗衰老活性成分[14]。手性分子的物理性質(zhì)完全相同（除了對偏振光的作用不同外），化學性質(zhì)也完全相同（除了對手性試劑的作用不同外），但是它們的生物藥理和毒理性差別很大，這個可能跟生物酶等大分子的手性有關，人們理解為手性差別導致空間位阻不同，導致化學性質(zhì)不同。手性分子的這種性質(zhì)差異，是否可以用第一性原理來計算出來呢？本文采用分子對接的方式來模擬小分子甲基苯丙胺手性配體與受體生物大分子ADT酶之間的相互作用，通過計算得知兩者之間的最佳結(jié)合構象和最低結(jié)合能量，進行比較。寧中軍等闡述了手性藥物的概念、藥理作用類型及研究制備方法[15]。奇云在《世界科學》雜志上介紹了2001年度諾貝爾化學獎的獲獎成果對人們?nèi)绾胃哌x擇性地引入和構建新的手性中心、以及如何控制產(chǎn)物的立體化學方面包括手性藥物的研制與開發(fā)所起到的推動作用[16]。田四琦等說明了手性藥物對映體藥效學的立體選擇性[17]。芮建中等闡述了手性藥物對映體選擇性的藥物動力學和藥效學與臨床合理用藥[18];曾蘇等陳述了手性藥物的藥理及其體內(nèi)對映體的測定方法[19];汪兵陳述了手性藥物對藥效的影響及立體選擇性合成[20]。進一步探究它們之間的相互作用可為臨床特異靶向治療MA成癮提供理論依據(jù)，也可為研發(fā)高效戒毒藥物提供新思路。

1 ?實驗部分

1.1 ?軟件與模型

Chem3D、ChemDraw8.0、GaussView5.0.9、Gaussian09、AutoDockToos1.5.6等軟件。Autodock是一款開源的免費分子對接模擬軟件，AutoDock軟件由 AutoGrid 和 AutoDock兩個程序組成。其中 AutoGrid 主要負責格點中相關能量的計算，而 AutoDock 則負責構象搜索及評價。S型手性甲基苯丙胺的結(jié)構如圖1所示。使用Chem3D軟件，構建1個手性C原子模型，并使用ChemDraw8.0進行其能量最低化;在 GaussView 5.0.9 軟件中，對其進行構型優(yōu)化，并保存其 mol格式和gif 格式。突觸前膜多巴胺轉(zhuǎn)運體（DAT）酶3D結(jié)構式見圖2。

1.2 ?分子骨架結(jié)構和性質(zhì)對比

手性藥物小分子MA的結(jié)構采用 Chemdraw 8.0進行建構與優(yōu)化得到2D結(jié)構，再導入ChemBio3D軟件得到3D結(jié)構，然后使用GaussView 5.0.9軟件在B3LYP/-31G水平上進行結(jié)構優(yōu)化。隨后導入 AutoDockTools1.5.6 軟件進行對接準備;突觸前膜經(jīng)多巴胺轉(zhuǎn)運體（DA transporter，DAT）DAT酶的x線晶體結(jié)構是從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（PDB）中提取的，刪除PDB文件中所有的結(jié)晶水和配體分子。在對接之前我們需要將極性氫原子加上，與此同時科爾曼全原子電荷也要添加到酶的部分原子上，在進行對接時，需對酶進行剛性處理，而藥物分子的鍵要設置為可自由旋轉(zhuǎn)，以便進行半剛性對接。我們對每個體系都進行100次的對接，采用拉瑪克遺傳算法（LGA），最大能量評估為25 000 000。對于對接的結(jié)果處理，我們是根據(jù)均方根偏離標準 ? ? RMS= 2.0 ? 進行歸類成簇，因為軟件可以給出小分子與蛋白的結(jié)合自由能值;運用GaussView 5.0.9軟件，分別選中兩個原子進行鍵長計算，選中3個原子進行鍵角計算，S型甲基苯丙胺的鍵長鍵角計算結(jié)果見表1。由表1中數(shù)據(jù)可知，MA分子最長鍵長為碳碳單鍵1.42，最短鍵長為氧氫單鍵0.96 ?。最大鍵角為120.18，最小鍵角為109.86°。R-MA藥物分子的骨架結(jié)構與其他性質(zhì)完全相同（見表2）。多巴胺轉(zhuǎn)運蛋白（DAT）是一種完整的膜蛋白，可從突觸間隙中去除多巴胺并將其沉積到周圍細胞中，從而終止神經(jīng)遞質(zhì)的信號。它是由604個氨基酸殘基構成，它含17個氨基殘基的信號肽。它的C端有一個特異的18個氨基酸片段，能夠使得其與膜結(jié)合（圖2）。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?S-MA與DAT酶的對接結(jié)果

藥物與蛋白質(zhì)結(jié)合的穩(wěn)定性跟其結(jié)合自由能大小有著緊密的聯(lián)系，其結(jié)合自由能越負，小分子與蛋白的結(jié)合越牢靠;結(jié)合自由能越正，則小分子與蛋白結(jié)合越不牢靠，可以用來評價對接結(jié)果，使結(jié)果更具有可靠性。用AutoDock4.2.6軟件進行分子對接。首先第一步打開AutoDockToos 1.5.6軟件，在File菜單欄下找到Preferences Set打開文件夾用Make Default建立屬于AutoDock的文檔。第二步在Analyze菜單欄下找到Dockings Open打開小分子R/S MA的pdb格式文件，用Macromolecule Open打開大分子DAT的文件，用Clusterings Show進行分子結(jié)合。第三步是用Dockings Show Interactions進行分子對接。第四步選擇最高能量柱，在Hydrogen Bonds菜單欄下找到Display As Lines得出分子對接氫鍵消息，根據(jù)氫鍵判斷結(jié)合穩(wěn)定性。根據(jù)對接軟件得到的 S-MA與DAT酶對接圖像如圖3所示，S-MA分子與DAT對接后總共形成3個氫鍵。其中一個是S-MA分子上的氫與ILE20羰基上的氧形成的氫鍵;一個氫鍵是S-MA分子的氧與GLY20羰基上的氫所形成的， 另一個氫鍵是S-MA分子氧與IE80羰基上的氫所形成的。

通過Autodock軟件計算可以得出它的具體對接數(shù)據(jù)見表3。由表3可以看出，數(shù)量最多的簇級是9號簇級，數(shù)量為12，平均結(jié)合能量為-8.07 kJ·mol-1，最低結(jié)合能量是 -8.14 kJ·mol-1，說明在S-MA與DAT酶對接中該簇級對接效果最好。通過對S-MA與酶的氫鍵數(shù)以及具體的對接數(shù)據(jù)分析，我們可以發(fā)現(xiàn)S-MA與DAT對接過程中第2簇族與第9簇族對接效果也是比較好的，說明S-MA藥物對DAT酶具有較好的抑制作用。

2.2 ?R-MA與DAT酶對接結(jié)果

由圖4可見，R-MA分子與DAT酶對接后總共只形成1個氫鍵。這個氫鍵是R-MA分子上的氫與DAT上的ALA96羰基上的氧形成的。而通過分子對接軟件模擬計算得出的具體對接能的數(shù)據(jù)見表4。

由表4 可以看出，數(shù)量最多的簇級是2號簇級，數(shù)量為1，平均結(jié)合能量為-5.60 kJ·mol-1，最低結(jié)合能量是-6.85 kJ·mol-1，說明R-MA與DAT酶對接中該簇級對接效果好。

通過以上2組R/S手性分子MA虛擬對接實驗，可以初步得出S-MA與DAT對接平均結(jié)合能量值為：34.03 kJ·mol-1，最低結(jié)合能是-33.73 kJ·mol-1;而R-MA與DAT酶對接平均結(jié)合能為： ? ? ? -6.86 kJ·mol-1，最低結(jié)合能量是-5.60 kJ·mol-1。

3 ?結(jié) 論

計算機輔助藥物設計是計算機技術、分子生物學以及分子藥理學等多學科交叉發(fā)展的基礎上的一種藥物研發(fā)新技術。將該方法應用于藥物設計，這在很大程度上加快了藥物設計和開發(fā)的速度。本文以計算機輔助藥物設計的方法研究了兩種手性藥物分子S-MA型和R-M的物理化學性質(zhì)差異以及它們分別與DAT單胺氧化酶的結(jié)合模式：

1）用AutoDock4.2.6軟件進行分子對接，根據(jù)氫鍵以及最低結(jié)合能判斷結(jié)合穩(wěn)定性，最后得出MA分子與單氧化聚合DAT酶結(jié)合能與結(jié)合構象。將手性藥物R/S-MA分別與轉(zhuǎn)用DAT酶蛋白分子進行分子對接，通過分子動力學軟件Autodock4.2.6模擬探究兩復合物在真實環(huán)境中的穩(wěn)定性差異。

2）選擇AutoDockTools1.5.6分子對接程序，考察兩種MA分子藥物與ADT的結(jié)合構象。分子虛擬對接研究表明，S-MA和R-MA與DAT酶對接的兩種情況中，S-MA存在3個氫鍵，R-MA只存在一個氫鍵。前者與DAT對接時所需要的最低結(jié)合能量最低，結(jié)合最穩(wěn)定;S-MA與DAT酶對接時所需要的最低結(jié)合能量大，結(jié)合不穩(wěn)定。所得結(jié)果為理解手性藥物分子藥理活性差異提供依據(jù)。利用對接方法研究新的抑制劑分子的對接結(jié)合模式以及對其結(jié)合能力進行分析的作用機制，將為防治吸毒的效用新靶點提供參考。

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