酞菁鋅衍生物摻雜人血白蛋白的分子模擬研究

江蘇衛(wèi)生健康職業(yè)學(xué)院 江蘇 南京 211800

酞菁鋅衍生物（Znic phthalocyanine derivatives，ZnPc）具有高熒光量子產(chǎn)率、高單線態(tài)氧生成率、高效細(xì)胞吞噬以及體外高效抗癌活性[1-3]。因此，ZnPc被作為光敏劑廣泛應(yīng)用于光動(dòng)力學(xué)治療（光療，PDT），并在光療方面具有很大潛力。光療時(shí)，ZnPc通過靜脈注射進(jìn)入體內(nèi)，通過血漿蛋白運(yùn)輸后被體內(nèi)的正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞吸收。因此，ZnPc進(jìn)入體內(nèi)后與血漿中生物大分子的相互作用對(duì)其在體內(nèi)的吸收、分布和代謝有著極其重要的影響。人血漿中約有100種不同的蛋白質(zhì)，但與其他蛋白質(zhì)組分相比，僅13種蛋白質(zhì)含量＞1g/L，其中，僅人血白蛋白（HSA，35-40 mg/mL），α-1酸性糖蛋白（α-1 acid glycoprotein），低密度脂蛋白（VLDL，0.2-0.4 mg/mL），和高密度脂蛋白（HDL，0.35-0.85 mg/mL）五種蛋白質(zhì)具有藥物結(jié)合能力[4]，藥物在體內(nèi)能夠與其中一種多種蛋白質(zhì)結(jié)合而被運(yùn)輸?shù)缴眢w各部位，但是ZnPc與血漿蛋白質(zhì)的相互作用研究甚少。因此，ZnPc與血漿蛋白質(zhì)的相互作用研究對(duì)藥物在體內(nèi)的結(jié)合、運(yùn)輸、分布、藥物穩(wěn)定性及藥物安全劑量等方面具有重要的指導(dǎo)意義。

本章以血漿中含量最豐富的人血白蛋白(HSA)為模型，研究酞菁鋅衍生物(ZnPc)與HSA的相互作用。HSA是人體循環(huán)系統(tǒng)中含量最為豐富的一種蛋白質(zhì)（約占血漿濃度的52～60%），主要承擔(dān)許多氨基酸分子、藥物分子、脂肪酸和代謝物等的結(jié)合運(yùn)輸。從結(jié)構(gòu)上看，HSA是由585個(gè)氨基酸殘基組成的單多肽鏈，且僅在其IIA結(jié)構(gòu)域中存在一個(gè)特征色氨酸殘基（Trp214）。HSA分子中包含了3個(gè)結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)域：α-螺旋結(jié)構(gòu)域I，II和III（I：1～195；II：196～383；III：384～585）α-螺旋，每個(gè)結(jié)構(gòu)域又分別包含了2個(gè)由4～6個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)組成的亞結(jié)構(gòu)域（IA，IB；IIA，IIB；IIIA，IIIB）[4-6]。HSA能夠結(jié)合多種光敏劑（PS），如華法令、地高辛、布洛芬、紫紅素18、吩噻嗪和二氫卟吩 p6等，并且PS在HSA分子中的兩個(gè)高效結(jié)合位點(diǎn)分別是I和II結(jié)構(gòu)域[7-8]，但是大多數(shù)研究?jī)H側(cè)重于PS與HSA的結(jié)合位置，沒有深入研究其相互作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

人血白蛋白（HSA）晶體結(jié)構(gòu)從PDB蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫獲得(PDB ID:1N5U)。HSA晶體結(jié)構(gòu)（圖1）由一條具有585個(gè)氨基酸殘基的肽鏈組成，主要為α螺旋結(jié)構(gòu)，其空間結(jié)構(gòu)由三個(gè)結(jié)構(gòu)域組成：domain I、domain II、domain III，每個(gè)結(jié)構(gòu)域又含有A、B兩個(gè)亞結(jié)構(gòu)域，以槽口相對(duì)的方式形成圓筒狀結(jié)構(gòu)，幾乎所有疏水性氨酸殘基都包埋在圓筒內(nèi)部，構(gòu)成疏水腔。大多數(shù)藥物在HSA上的結(jié)合部位為亞結(jié)構(gòu)域IIA 和 IIIA，即site I和 site II。使用Discovery Studio 2.5軟件除去晶體結(jié)構(gòu)中的配體分子、結(jié)晶水分子和其他無關(guān)的共因子(cofactor)，并對(duì)受體蛋白進(jìn)行加氫、加GASTEIGER電荷處理。

圖1 人血白蛋白（HSA）晶體結(jié)構(gòu)和酞菁鋅衍生物（ZnPC）結(jié)構(gòu)

酞菁鋅分子的結(jié)構(gòu)模型采用量子化學(xué)半經(jīng)驗(yàn)方法PM6優(yōu)化酞菁鋅分子ZnPc的結(jié)構(gòu)（圖1）。然后基于優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在m062x/6-31g*水平下計(jì)算這些酞菁鋅分子的ESP電荷，用于分子對(duì)接和靜電勢(shì)分析。所有計(jì)算使用Gaussian 09軟件完成。

本章使用Autodock Vina軟件對(duì)酞菁鋅小分子和受體HSA作用過程進(jìn)行研究。由于酞菁鋅分子與HSA的結(jié)合位點(diǎn)可能位于HSA的IIA 和 IIIA區(qū)域，即site I 和 site II，故本文將酞菁鋅分子與HSA的IIA 和 IIIA區(qū)域進(jìn)行對(duì)接。受體對(duì)接區(qū)域分別包含IIA和IIIA兩個(gè)空腔，中心坐標(biāo)分別為23.589，5.710，7.870和3.419，5.808，17.517，大小均為40×40×40，保留對(duì)接的優(yōu)勢(shì)構(gòu)像10個(gè)，其他參數(shù)采用默認(rèn)值。對(duì)接得到的酞菁鋅小分子和受體HSA所形成的復(fù)合物體系，采用雜化的量子力學(xué)/分子力學(xué)(QM/MM)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化（Gaussian 09計(jì)算關(guān)鍵字為ONIOM）。復(fù)合物體系中，酞菁鋅小分子被設(shè)置為高層并以半經(jīng)驗(yàn)的PM6方法進(jìn)行處理，剩余部分則分別由低水平AMBER力場(chǎng)處理。此外，在優(yōu)化含HSA蛋白體系前，均加入適當(dāng)數(shù)量的Na+離子，使HSA蛋白維持電中性。酞菁鋅分子與HSA的結(jié)合能ΔE 的計(jì)算如式（4.3）所示：

式中，EHSA 為HSA能量，EZnPc為酞菁鋅分子能量，Ecomplex 為復(fù)合物能量。

2 結(jié)果與討論

圖2是ZnPc與HSA的IIA域?qū)咏Y(jié)果。由圖可看出ZnPc衍生物進(jìn)入了HSA的IIA域疏水口袋，并形成了穩(wěn)定的復(fù)合物。酞菁分子都呈風(fēng)車型，有一個(gè)中心平面酞菁環(huán)和四條柔性側(cè)鏈，其中三個(gè)分子的中心酞菁環(huán)部分相同，而側(cè)鏈基團(tuán)不同。分析三個(gè)酞菁鋅分子與HSA的結(jié)合模型，三個(gè)小分子的中心平面酞菁環(huán)均插入HSA的同一位置，而四條柔性的側(cè)鏈則在相應(yīng)結(jié)合區(qū)域與氨基酸殘基產(chǎn)生相互作用而發(fā)生一定的彎曲扭轉(zhuǎn)。三個(gè)酞菁鋅分子結(jié)合到HSA的IIA位點(diǎn)后：小分子的酞菁環(huán)結(jié)合到HSA的IIA與IIIA兩個(gè)區(qū)域之間；小分子上的四條側(cè)鏈中的兩個(gè)側(cè)鏈插入HSA的空腔，其中一個(gè)側(cè)鏈插入site I位點(diǎn)，另一個(gè)結(jié)合插入到HSA的IIA與IIIA兩個(gè)區(qū)域之間；小分子的另外兩個(gè)側(cè)鏈則向HSA外伸展并結(jié)合在HSA的其他疏水表面。三個(gè)酞菁鋅分子插入HSA內(nèi)部的兩個(gè)側(cè)鏈基團(tuán)所處的位置一致，由于插入空腔較小，而側(cè)鏈基團(tuán)較大，兩者的空間位阻作用使柔性的側(cè)鏈無法向其他位置伸展，發(fā)生一定彎曲扭轉(zhuǎn)結(jié)合在HSA內(nèi)部。

圖2(A)ZnPc與HSA分子對(duì)接結(jié)果示意圖，(A’) ZnPc在HSA活性口袋的界面圖（HSA用界面圖表示，紅色表示負(fù)電荷，藍(lán)色表示正電荷），表面電荷范圍為–0.1～ 0.1 e.

為進(jìn)一步研究酞菁鋅分子與HSA的結(jié)合機(jī)制，我們對(duì)酞菁鋅分子與HSA結(jié)合后與其周圍氨基酸殘基的相互作用進(jìn)行分析（圖3）：酞菁鋅分子結(jié)合到HSA的site I位點(diǎn)后,酞菁環(huán)的中心位于氨基酸殘基GLU292，VAL293,GLU294前方；插入site I位點(diǎn)的側(cè)鏈，結(jié)合到含Trp 214的螺旋附近，插入到IIA與IIIA之間的側(cè)鏈結(jié)合到Tyr 150所在的螺旋附近。表1列出了與酞菁鋅分子作用距離為3 ?的內(nèi)部氨基酸殘基和空腔外部氨基酸殘基，可以看出隨著側(cè)鏈基團(tuán)體積的增加，與酞菁鋅分子作用的氨基酸殘基數(shù)目也增加。此外，隨著酞菁分子與HSA的相互作用的基團(tuán)增多，兩者間的空間位阻也會(huì)不斷增大，反而可能會(huì)削弱了酞菁鋅分子與HSA的結(jié)合，導(dǎo)致結(jié)合能降低。而向外伸展的兩個(gè)側(cè)鏈基團(tuán)則空間位阻相對(duì)較小，側(cè)鏈基團(tuán)可以柔性伸展，結(jié)合位置有所不同。

圖3(A)HSA分子IIA域內(nèi)Trp214殘基周圍氫鍵；(B）ZnPc摻雜后HSA分子IIA域內(nèi)Trp214殘基周圍氫鍵變化情況

表1 ZnPc3?范圍內(nèi)的氨基酸殘基

Trp 214位于HSA中IIA空腔中的一個(gè)α螺旋中部，是HSA中唯一的色氨酸殘基，實(shí)驗(yàn)中可通過測(cè)定Trp 214光譜變化來測(cè)定小分子與HSA的site I位點(diǎn)的相互作用。因此通過分子模擬研究ZnPc衍生物與Trp 214的相互作用可以很好地解釋光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖3上可以看出，在ZnPc-HSA復(fù)合物中，酞菁鋅中插入site I的側(cè)鏈與HSA上的疏水氨基酸Trp 214相鄰，表明酞菁鋅小分子的疏水側(cè)鏈與HSA的Trp 214殘基之間可能存在疏水作用。另外，由于Trp 214殘基側(cè)鏈N原子帶負(fù)電荷，而與之相鄰的酞菁鋅側(cè)鏈上的季銨陽離子帶正電荷，表明酞菁鋅小分子與HSA的Trp 214殘基之間可能存在靜電作用。此外，在ZnPc-HSA復(fù)合物體系結(jié)構(gòu)中，小分子和HSA之間沒有形成氫鍵。綜上所述，根據(jù)ZnPc-HSA復(fù)合物結(jié)構(gòu)可知，小分子與HSA的Trp 214之間可能主要存在疏水作用和靜電作用。

酞菁鋅的四條側(cè)鏈均帶有正電荷的季銨陽離子（圖4）。故ZnPc與Trp 214殘基之間的產(chǎn)生了靜電作用，可能對(duì)Trp 214殘基的熒光光譜產(chǎn)生影響。Trp 214殘基與酞菁鋅分子相鄰部分的分子表面帶較大負(fù)電荷。與HSA結(jié)合后，Trp 214靜電勢(shì)的分布并沒有明顯變化，但其最小負(fù)電勢(shì)在不斷增加，HSA、HSA-體系中Trp 214殘基的最小負(fù)電勢(shì)分別為-47.104和-46.587。表明HSA與酞菁鋅分子結(jié)合后，酞菁鋅與Trp 214殘基相互之間存在靜電作用。

圖4 ZnPc分子的靜電勢(shì)圖

綜上所述，酞菁鋅衍生物分子摻雜人血白蛋白時(shí)主要通過一條側(cè)鏈插入人血白蛋白HSA的IIA位點(diǎn)，使得Trp 214殘基附近的結(jié)構(gòu)和環(huán)境發(fā)生改變。兩者間有較強(qiáng)的相互作用，主要包括疏水作用和靜電作用。此外，結(jié)合能計(jì)算結(jié)果表明酞菁鋅分子可結(jié)在HAS的IIA和IIIA區(qū)域，且摻雜后形成了穩(wěn)定的復(fù)合物。