芳香硫胺抑制劑對人類碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的分子動力學(xué)分析

劉愛鵬

華北電力大學(xué)，北京 102206

芳香硫胺抑制劑對人類碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的分子動力學(xué)分析

劉愛鵬

華北電力大學(xué)，北京 102206

本文運(yùn)用分子動力學(xué)方法來分析芳香硫胺抑制劑對人類碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的關(guān)聯(lián)作用影響，首先是介紹抑制劑的選擇機(jī)理，然后分子動力學(xué)模擬對比了芳香硫胺抑制劑兩個異構(gòu)酶的作用，而后在對抑制劑進(jìn)行改良來。得出結(jié)論：因亞甲基少一個，hCA II的支鏈不能和抑制劑Z的溴原子之間形成氫鍵，導(dǎo)致結(jié)合自由能比hCAVII大。而對抑制劑Z做了改良，結(jié)合自由能的計算顯示改良抑制劑可能具有更大的異構(gòu)酶選擇性。

芳香硫胺抑制劑；hCAII；hCAVII；分子動力學(xué)

碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase， CA）是一族含鋅金屬酶，催化二氧化碳與碳酸氫根離子之間的相互轉(zhuǎn)化及一些酯的水解和醛的水化，這過程簡單但非常重要。到目前為止，在哺乳動物中，已有七種催化性質(zhì)不同、組織分布各異的CA同工酶被發(fā)現(xiàn)，形成一個族群。在機(jī)體的多種生理過程中，有他們的參與，達(dá)到不同的效果。他們參與到包括了呼吸、代謝及酸堿平衡等多種生理過程。長期以來，CAs在作為包括青光眼、骨質(zhì)疏松癥、高血壓、癲癇、睡眠性呼吸暫停和癌癥等多項(xiàng)藥物的開發(fā)靶標(biāo)。

目前研究中，人類碳酸酐酶II（hCA II）作為一種異構(gòu)酶，在哺乳動物CAs中研究也是最多最徹底的，也是在發(fā)現(xiàn)中，催化效率最為突出的一種酶，表現(xiàn)出具有近擴(kuò)散速度的催化速率。相互比較而言，人類碳酸酐酶VII（hCA VII）的研究較少，研究內(nèi)容也不算豐富。它也是具有非常高的催化效率，hCA VII與hCA II的序列一致性約有56%。針對人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII，選擇了抑制劑的研究來進(jìn)一步探索該酶的不同作用表現(xiàn)。

1 抑制劑與兩個異構(gòu)酶的選擇機(jī)理

自上世紀(jì)40年代以來，芳基硫胺類化合物對碳酸酐酶的抑制作用得到了廣泛的研究，該類化合物的研究也不斷在豐富，是焦點(diǎn)所在。據(jù)最新Güzel等的研究成果中，有幾個是新合成的hCAVII選擇性芳香硫胺類抑制劑。本研究分析選擇了其中一個，是具有選擇性最高特性的化合物，命名為Inhibitor Z。下面是該抑制劑對人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII的選擇機(jī)理。

1.1 抑制劑與兩個異構(gòu)酶相互作用的表現(xiàn)

分子動力學(xué)模擬中，首先在對接之后，總共10ns在模擬中顯示出了穩(wěn)定的復(fù)合物構(gòu)象。進(jìn)入NPT模擬時，全原子RMSD的穩(wěn)定性表現(xiàn)具體為：人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII表現(xiàn)分別在1.6和2.1小波動。在該階段，發(fā)現(xiàn)抑制劑Z在人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII中的全原子RMSD穩(wěn)定在0.6和0.9附近。通過上述的觀察，發(fā)現(xiàn)抑制劑Z參與構(gòu)成的復(fù)合物的構(gòu)象比原物更具有穩(wěn)定性。通過分子動力學(xué)分析獲得的穩(wěn)定構(gòu)象，采用MM/PBSA方法來計算結(jié)合自由能，即抑制劑Z與hCA II和hCA VII之間的作用情況。從上述階段的研究看，結(jié)合自由能的表現(xiàn)：與hCAII和hCA VII的結(jié)合自由能分別為-42.12kcal mol-1、-52.17kcal mol-1。從結(jié)合自由能的不同表現(xiàn)來看，抑制劑Z與hCAII的作用變現(xiàn)與hCAVII的不同，抑制劑Z針對這兩個酶表現(xiàn)出了選擇性，即該抑制劑是一個hCAVII選擇性抑制劑。

1.2 自由能差別的進(jìn)一步解釋

通過檢查抑制劑在人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII之間的相互作用，hCA II活性位點(diǎn)處的催化鋅離子被蛋白質(zhì)殘基H94、H96、H119和芳香硫胺抑制劑的NH-基團(tuán)四匹配，此外，抑制劑給出了一個氫原子與蛋白殘基T199的支鏈氧原子生成氫鍵。而殘基T199經(jīng)過主鏈氨基和支鏈羥基上的氫原子與抑制劑硫胺基團(tuán)上的氧生成氫鍵。除此之外，人類碳酸酐酶hCA II的殘基Q92又提供了該支鏈氨基上的兩個氫原子與抑制劑Z的酰胺氧原子和溴原子生成兩條氫鍵，而殘基Asn67因和抑制劑的距離遠(yuǎn)，氫鍵未能生成。但相對hCA VII而言，hCA VII結(jié)果不一樣，即與hCA II相對應(yīng)的殘基在該匹配中全部表現(xiàn)出來，不同的殘基號是唯一的不同點(diǎn)。因此，在hCA VII中，抑制劑Z與在hCA II中結(jié)合過程中，所有的氫鍵在抑制劑與hCA VII的復(fù)合物中的得以發(fā)現(xiàn)，且在復(fù)合物中發(fā)現(xiàn)了一條氫鍵。該條氫鍵是在hCAVII的殘基Gln64支鏈氨基氫原子與抑制劑Z的溴原子中的。上述表明，在人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII的殘基的支鏈長度是與抑制劑Z形成一氫鍵原因所在。對于hCA VII來說，多出來的這個氫鍵必然加強(qiáng)它與抑制劑Z之間的相互作用。抑制劑Z對兩個異構(gòu)酶選擇性可能是最為主要原因。綜上可得，抑制劑Z被修飾或改良后，可能會變成更具有選擇性的一種抑制劑。

2 改良抑制劑Z與人類碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的作用影響

對抑制劑Z做了改良，增加了一個羥丙基，通過分子動力學(xué)來觀察人類碳酸酐酶與其的相互作用情況。

2.1 改良抑制劑與hCAII和hCAVII的作用分析

基于上述對接結(jié)果的分析，采用De novo Link模塊，修飾抑制劑Z，命名為Inhibitor A，相對抑制劑Z而言，經(jīng)過修飾的抑制劑A的不同是唯一在圖中標(biāo)記星號的碳上增加了一個羥丙基，這就構(gòu)成了S構(gòu)型的手性碳原子。通過相同的分子動力學(xué)分析過程我們得到了抑制劑A與人類碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的結(jié)合構(gòu)象的顯示。顯示結(jié)果如下：與hCAII的復(fù)合構(gòu)象相對，修飾改良后的復(fù)合構(gòu)象不存在太大的差距。抑制劑A與hCAII的結(jié)合自由能為-48.22kcal mol-1，比抑制劑Z與hCA II的結(jié)合自由能（-42.12kcal mol-1）小，推測是新增基團(tuán)同hCA II臨近殘基之間作用影響的原因。結(jié)合自由能的結(jié)果表示出抑制劑A比抑制劑Z對hCAII的抑制能力更強(qiáng)。

采用MM/PBSA方法，獲得了抑制劑A與hCA VII的結(jié)合自由能為-69.84kcal mol-1，這個結(jié)合自由能值比上述其他情況都小得多。分析得出，新形成的氫鍵提升修飾后的抑制劑與hCA VII之間的作用關(guān)系，這是MM/PBSA結(jié)合自由能結(jié)果變小的主因。

2.2 改良抑制劑Z與hCAII和hCAVII的作用結(jié)論

上述結(jié)果表示在選擇性上，修飾后的抑制劑A對hCAVII比原抑制劑Z更強(qiáng)。在改良修飾后的分析過程中，發(fā)現(xiàn)了其他的問題，

需要進(jìn)一步明確。第一是，由于hCA II的殘基Asn67的支鏈長度僅比hCAVII的支鏈Gln64短了一個亞甲基，即修飾后的抑制劑的新加基團(tuán)（在抑制劑A中是羥丙基）不能長短過量。若在過于長的情況下，氫鍵也會在修飾后產(chǎn)生；若在過于短的情況下，氫鍵則會失去。這兩種情況都會使改良抑制劑對兩個異構(gòu)酶的選擇性降低或消失，因此，需要注意新加基團(tuán)的長短問題。第二，在抑制劑A加羥丙基后，帶有該基團(tuán)的碳原子成了一個手性碳。在屬性不同的情況下，產(chǎn)生的影響作用也是不一樣的，改良抑制劑與人類碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的結(jié)合。最后，對于抑制劑的修飾和改良不能引進(jìn)太大的和太多的取代基，否則將會導(dǎo)致結(jié)合方式的改變，從而有可能改變設(shè)計抑制劑的選擇性。

3 結(jié)論

綜上所述，研究的對象抑制劑Z對人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII的選擇性是依據(jù)殘基Asn67的支鏈長度的不同來表現(xiàn)的，因?yàn)閔CA II長度比hCA VII短。因亞甲基少一個，hCA II的支鏈不能和抑制劑Z的溴原子之間形成氫鍵，導(dǎo)致結(jié)合自由能比hCAVII大。而對抑制劑Z做了改良，結(jié)合自由能的計算顯示改良抑制劑可能具有更大的異構(gòu)酶選擇性。

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1674-6708（2011）53-0091-02