煙堿樣乙酰膽堿受體門控機(jī)制的動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、自從20世紀(jì)70年代，分子動(dòng)力學(xué)模擬首次在蛋白質(zhì)分子應(yīng)用以來(lái)，尤其在生物科學(xué)領(lǐng)域變得越來(lái)越普遍。它提供了一種用計(jì)算機(jī)在原子水平上動(dòng)態(tài)地研究分子內(nèi)和分子間反應(yīng)的途徑。直到今天，不僅是模擬體系的規(guī)模一直在快速增長(zhǎng)，而且分子動(dòng)力學(xué)方法本身也一直在發(fā)展。例如，拉伸分子動(dòng)力學(xué)(steered molecular dynamics，SMD)作為分子動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，20世紀(jì)90年代以來(lái)在研究配體的結(jié)合/解離過(guò)程中起到了重要的作用。在本文中共有三部分

2、的工作。首先，用長(zhǎng)時(shí)間(30納秒)的常規(guī)分子動(dòng)力學(xué)模擬了探索煙堿樣乙酰膽堿受體(nicotinic acetylcholine receptor，nAChR)的門控機(jī)制，并且我們發(fā)展了一種新的方法--拉伸轉(zhuǎn)動(dòng)分子動(dòng)力學(xué)(steered rotation moleculardynamics，SRMD)，來(lái)模擬在生理時(shí)程里發(fā)生的運(yùn)動(dòng)。接著，為了進(jìn)一步研究在上面工作中揭示的煙堿樣乙酰膽堿受體(nAChR)的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)的成因，我們使用自

3、己設(shè)計(jì)的三個(gè)拉伸模型，分別使用拉伸分子動(dòng)力學(xué)在可以作為煙堿樣乙酰膽堿受體(nAChR)的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)區(qū)域的唯一替代物的乙酰膽堿結(jié)合蛋白(acetylcholine bindingprotein，AChBP)上模擬研究。最后，我們提出了一種改進(jìn)的拉伸分子動(dòng)力學(xué)方法，并應(yīng)用在解離細(xì)胞色素P450 3A4-甲吡酮的復(fù)合物上，比較結(jié)果顯示優(yōu)于傳統(tǒng)的拉伸分子動(dòng)力學(xué)方法。 論文由五個(gè)部分組成，概述如下： 第一章概述了分子動(dòng)力學(xué)理論和

4、配體門控離子通道(Ligaad-gated ion channel)的發(fā)展現(xiàn)狀和基本概念。此外，也簡(jiǎn)要地陳述了本文的主要工作和發(fā)現(xiàn)。 第二章作為預(yù)備知識(shí)，介紹了分子動(dòng)力學(xué)的理論和應(yīng)用。首先是回顧了分子動(dòng)力學(xué)的簡(jiǎn)史，并提到了牛頓方程、原子間勢(shì)函數(shù)和有限差分算法。拉伸分子動(dòng)力學(xué)和自由能對(duì)計(jì)算也包括在這一章中。接著總結(jié)了使用和發(fā)展分子動(dòng)力學(xué)的原因，并且對(duì)力場(chǎng)和算法的進(jìn)展都做了介紹。在這一章的最后部分，回顧了在生物科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)分子動(dòng)力學(xué)

5、已取得的成果，并展望了在生物大分子模擬中分子動(dòng)力學(xué)的前景。 煙堿樣乙酰膽堿受體(nAChR)是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外圍突觸中信號(hào)傳導(dǎo)的關(guān)鍵分子。雖然已經(jīng)對(duì)它做了大量計(jì)算研究和實(shí)驗(yàn)研究，但是仍然不清楚它在門控機(jī)制下的結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。 在第三章中我們對(duì)嵌入在磷脂雙層分子和水分子的煙堿樣乙酰膽堿受體，使用了常規(guī)分子動(dòng)力學(xué)模擬和拉伸轉(zhuǎn)動(dòng)分子動(dòng)力學(xué)模擬，來(lái)研究它的門控的力學(xué)基礎(chǔ)。為了模仿乙酰膽堿(ACh)的推動(dòng)作用，我們提出并使用了一

6、種非平衡的分子動(dòng)力學(xué)模擬--拉伸轉(zhuǎn)動(dòng)分子動(dòng)力學(xué)。結(jié)果不僅證實(shí)了由30納秒的常規(guī)分子動(dòng)力學(xué)和正態(tài)模式分析所得到的運(yùn)動(dòng)，還顯示出通道可能經(jīng)歷著一種張開(kāi)-閉合的運(yùn)動(dòng)。分子動(dòng)力學(xué)模擬不僅探究了在門控過(guò)程中受體的結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，而且在原子水平上對(duì)乙酰膽堿受體的門控機(jī)制提供了新的觀察。配體的結(jié)合/解離過(guò)程對(duì)于理解煙堿樣乙酰膽堿受體(nAChR)和乙酰膽堿結(jié)合蛋白(AChBP)的藥理學(xué)作用都很重要。 在第四章中，拉伸分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)提供了了解

7、激動(dòng)劑尼古丁分子的解離過(guò)程。三個(gè)不同的拉伸模型--徑向、切向和混合模型，被設(shè)計(jì)用來(lái)尋找可能的解離途徑。在這三個(gè)模型中，切向拉伸模型最終也沒(méi)使尼古丁從配體結(jié)合口袋中解離?；旌侠炷Ｐ捅绕鹎邢蚶炷Ｐ?，拉伸作用力的效率高，C-loop的張開(kāi)程度小。對(duì)于類膽堿的激動(dòng)劑尼古丁來(lái)說(shuō)，進(jìn)入或離開(kāi)結(jié)合口袋的最合適的途徑就是沿一條曲線的軌跡穿過(guò)主結(jié)合側(cè)面。需要指出的是，已經(jīng)觀察到了尼古丁的解離伴隨著蛋白一配體的復(fù)合物的一種整體轉(zhuǎn)動(dòng)，這可能由配體和蛋白在

8、切向上相互作用引起的。 第五章是本文最后一章。在這一章中，一種帶有拉伸方向優(yōu)化的拉伸分子動(dòng)力學(xué)方法被用來(lái)從受體中解離配體小分子。使用基于信息熵的多種群遺傳算法來(lái)搜索最優(yōu)的拉伸方向。通過(guò)在傳統(tǒng)的拉伸分子動(dòng)力學(xué)模擬中加入一個(gè)優(yōu)化階段，對(duì)于深埋的活性位點(diǎn)可以得到一個(gè)更好的底物出口通道。新方法應(yīng)用在細(xì)胞色素P450 3A4-甲吡酮的復(fù)合物的解離上，結(jié)果顯示比傳統(tǒng)的方法，得到的通道具有更低的能壘、需要更少的解離時(shí)間和更短的運(yùn)動(dòng)軌跡；甚至對(duì)