分子對接技術(shù)對二酮哌嗪類物質(zhì)抑菌機(jī)制研究

陳 雨，武 藝，唐祉娟，王雨昕，劉欣宇，賈永平，劉 冰，陳 寧

(1. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 英才學(xué)院， 哈爾濱150076； 2.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院， 哈爾濱150076)

現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明，二酮哌嗪類化合物具有一定的抑菌活性[1-4].我國沿海分布十分廣泛的海星綱動物海燕備受關(guān)注.近些年，由于不斷繁衍，數(shù)量急劇增多，給沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了巨大壓力[5].為提高海燕的利用度，將采自海星化學(xué)成分二酮哌嗪類化合物進(jìn)行抑菌機(jī)制研究.

PBP5為青霉素結(jié)合蛋白，它是細(xì)菌生長非必需蛋白[6]；FabI為烯酰-酰基載體蛋白還原酶，大部分細(xì)菌脂肪酸合成都需此酶；FabH為結(jié)核分枝桿菌脂肪酸合成酶，細(xì)菌脂肪酸生物合成的啟動由它掌控，在病原微生物中普遍存在且人體中未發(fā)現(xiàn)同源蛋白；FtsZ為細(xì)胞骨架蛋白，是一種由細(xì)菌ftsZ基因編碼的蛋白質(zhì)[7].將根據(jù)受體的特征及受體和藥物間的相互作用來設(shè)計出某種藥物的方法稱為分子對接，主要對配體和受體間的相互作用和結(jié)合模式進(jìn)行有關(guān)研究.分子對接作為計算機(jī)輔助藥物研究方向的一項關(guān)鍵技術(shù)，已被廣泛使用[8].抗菌藥物的篩選越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視[9].因此將PBP5、FabI、FabH、FtsZ四種蛋白作為靶蛋白，二酮哌嗪類的氫鍵結(jié)合位點[10]，利用分子對接技術(shù)研究二酮哌嗪類化合物的抑菌作用，開發(fā)新抑菌藥物或降低傳統(tǒng)藥物的副作用成是今后的研究方向.

1 儀器與材料

晶體結(jié)構(gòu)：PBP5(4K9I)、FabI(4ALM)、FabH(5BNS)、FtsZ(2VAM).均從RCSB Protein Data Bank下載.本部分所有計算均采用安裝在Dell T5820工作站上的Autodock 4.2程序完成的.

2 實驗方法

1) PBP5、FabI、FabH、FtsZ受體蛋白模型的建立.在蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中尋找抑菌關(guān)鍵靶點蛋白晶體結(jié)構(gòu)的 PDB-ID：PBP5(4K9I)、FabI(4ALM)、FabH(5BNS)、FtsZ(2VAM).

2) 配體結(jié)構(gòu)模型的建立.采用ChemDraw 3D繪制二酮哌嗪類化合物立體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)出，配體分子通過預(yù)處理與天然構(gòu)象接近，再做一定的處理，作為分子對接的配體結(jié)構(gòu)使用.配體結(jié)構(gòu)編號1～14.左氧氟沙星具有良好的抑菌活性[11]，15號為陽性對照藥左氧氟沙星.

3) 對接過程.在AutoDock 4.2中導(dǎo)入PDB-ID SDF文件，對接技術(shù)采用AutoDock 4.2軟件的半柔性方法[12].第一步，在受體活性位點的周圍尋找一個區(qū)域更大的“盒子”，原子的格點能量由 AutoGrid計算.將4個靶蛋白與二酮哌嗪類化合物分子分別進(jìn)行對接，對接時配體呈柔性，受體呈剛性.AutoDock參照配體在“盒子”范圍內(nèi)進(jìn)行構(gòu)象搜索，按照配體的不同特征進(jìn)行結(jié)合模式評分[13-15].在此之前，應(yīng)將陽性對照藥左氧氟沙星與4種靶蛋白的活性位點進(jìn)行對接，使對接程序有效.蛋白質(zhì)的活性區(qū)域即為對接過程中的“盒子”.

4) 以左氧氟沙星的打分函數(shù)值為閾值，篩選出對接總評分值接近或高于左氧氟沙星的化合物，尋找二酮哌嗪類化合物中與受體作用較強(qiáng)的化合物.

3 篩選結(jié)果及分析

見圖1、表1.

圖1 左氧氟沙星與PBP5對接圖

表1 配體與PBP5受體對接結(jié)果

續(xù)表1

左氧氟沙星與PBP5受體的作用模式為左氧氟沙星的羥基能夠與PBP5受體的氨基酸殘基的異亮氨酸胺基形成氫鍵作用.

化合物9與PBP5靶蛋白的作用模式為化合物可以與PBP5受體的氨基酸殘基的酪氨酸、天冬酰胺產(chǎn)生氫鍵相互作用.見表2、圖2.

表2 配體與FabI受體對接結(jié)果

續(xù)表2

續(xù)表2

圖2 化合物9與PBP5對接圖

左氧氟沙星與FabI受體的作用模式為左氧氟沙星的羥基能夠與FabI受體的氨基酸殘基的纈氨酸、異亮氨酸、絲氨酸胺基形成氫鍵作用.見圖3.

圖3 左氧氟沙星與FabI對接圖

化合物2與FabI受體的作用模式為化合物的羥基能夠與 FabI受體的氨基酸殘基的甘氨酸胺基產(chǎn)生氫鍵作用.見表3、圖4.

圖4 化合物2與FabI對接圖

表3 配體與FabH受體對接結(jié)果

續(xù)表3

左氧氟沙星與FabH受體的結(jié)合模式為左氧氟沙星的羥基FabH受體的氨基酸殘基的絲氨酸、蘇氨酸、谷氨酰胺產(chǎn)生氫鍵相互作用.見圖5.

化合物2與FabH靶蛋白的對接模式為化合物可以和 FabH受體的氨基酸殘基的丙氨酸、蘇氨酸、天冬酰胺胺基形成氫鍵作用， FabH受體活性口袋處α螺旋被收緊，底物乙酰-CoA無法進(jìn)入，使化合物與FabH受體穩(wěn)定結(jié)合.見表4、圖6.

續(xù)表4

圖6 化合物2 與FabH對接圖

左氧氟沙星與FtsZ受體的作用模式為左氧氟沙星的羥基能夠與FtsZ受體的氨基酸殘基的天冬酰胺、丙氨酸、蘇氨酸、甘氨酸的胺基形成氫鍵作用.見圖7.

圖7 左氧氟沙星與FtsZ對接圖

化合物2與FtsZ受體的作用模式為化合物的羥基能夠與FtsZ受體的氨基酸殘基的甘氨酸、天冬酰胺胺基形成氫鍵作用，進(jìn)而與FtsZ蛋白緊密結(jié)合.見圖8.

圖8 化合物2與FtsZ對接圖

4 結(jié) 語

本研究利用分子對接技術(shù)，以PBP5、FabI、FabH、FtsZ為4個靶點，通過對接結(jié)果篩選出二酮哌嗪類化合物中抑菌效果良好的物質(zhì).綜上所述，二酮哌嗪類化合物中化合物2與PBP5、FabI、FabH、FtsZ受體對接打分函數(shù)值接近或高于陽性對照藥左氧氟沙星，可考慮進(jìn)行下一步抗菌應(yīng)用研究.隨著醫(yī)療水平的不斷發(fā)展，越來越多的藥物被研究，但是藥物研制的目的大多只是為了治療某種疾病，為了開發(fā)資源同時治療疾病的藥物開發(fā)可能還沒有被廣泛應(yīng)用.