多巴胺在其第三受體蛋白結構中的分子通道上傳輸動力學

李愛靜 謝 煒 王 明 徐四川

(云南大學化學科學與工程·藥學學院，自然資源藥物化學教育部重點實驗室，昆明650091)

多巴胺在其第三受體蛋白結構中的分子通道上傳輸動力學

李愛靜 謝 煒 王 明 徐四川*

(云南大學化學科學與工程·藥學學院，自然資源藥物化學教育部重點實驗室，昆明650091)

本文基于多巴胺與其第三受體復合蛋白(D3R)結構，采用分子動力學技術Gromacs 4.5程序中的傘形樣本方法，研究多巴胺在多巴胺第三受體蛋白結構中的運動軌跡及其過程中自由能變化，探討多巴胺在其分子通道上傳輸運動機制動力學。分子模擬表明，處在發揮神經遞質作用部位的多巴胺，通過D3R結構中的功能分子通道沿著y+軸朝細胞外方向傳輸運動的自由能變化數值為134.6 kJ·mol－1，沿著y－軸朝細胞內傳輸運動的自由能變化為211.5 kJ·mol－1。在D3R結構中，多巴胺沿著x+、x－、z+、z－軸朝細胞雙層膜方向傳輸運動的自由能變化分別為65.8、245.0、551.4、172.8 kJ·mol－1，數值說明DOP更容易沿著x+軸方向從TM5(第五跨膜螺旋)與TM6(第六跨膜螺旋)縫隙之間離開D3R內部結構。處在細胞間隙空間的自由多巴胺，在等溫等壓條件下沿著逆y+軸方向通過多巴胺第三受體內功能分子通道，到達發揮神經遞質作用的部位是一個自發過程，因為在該軌跡上多巴胺分子與受體相互作用是一個負自由能變化(－134.6 kJ·mol－1)。所以，多巴胺與多巴胺受體很容易相互結合，發揮神經遞質作用。發揮了神經遞質功能作用的多巴胺分子，沿著x+軸方向的保護分子通道從TM5與TM6縫隙之間離開D3R內部結構，避免過度發揮多巴胺神經遞質功能作用。根據多巴胺功能和保護分子通道觀點，我們提出帕金森病新病理和精神分裂癥新病理。論文還探討多巴胺分子通道理論及其新病理應用于治療控制這兩種病癥及其相關藥物研究開發。

多巴胺；多巴胺受體；分子通道；分子模擬；帕金森?。痪穹至寻Y

1 引言

帕金森病目前被認為是一種不可治愈的致殘性疾病，不可治愈性和病理被認為與中腦黑質多巴胺能神經元不可逆的進行性凋亡密切相關，因為凋亡的神經元細胞無法被修復。中腦黑質多巴胺能神經元進行性凋亡會導致腦內多巴胺減少。多巴胺(DA)是腦內一種重要的神經遞質，通過不同亞型多巴胺受體調控生命體運動功能、認知活動、情感等生理或病理過程，與帕金森病等病理密切相關1－4。目前，最有效緩解帕金森病的方法還是外源補充多巴胺，口服左旋多巴與芐絲肼混合物(藥名：美多芭)，約10%的左旋多巴能通過血腦屏障進入細胞，在細胞中脫羧生成多巴胺，之后通過囊泡釋放到細胞突觸間隙，提高多巴胺含量。但是，即使將突觸間隙多巴胺濃度增加至超過正常水平，依然不能控制帕金森病病情，在一些病例中甚至絲毫不能起到緩解作用。

在細胞突觸間隙的自由多巴胺分子需要與后膜上的不同亞型多巴胺受體結合，才能真正發揮神經遞質作用。在不同亞型多巴胺受體蛋白結構內部，存在著與多巴胺分子結合的部位，以及用于運輸多巴胺發揮神經遞質作用的分子通道5,6。對多巴胺受體的研究開始于20世紀70年代末，起初確認了D1、D2兩類多巴胺亞型受體7。20世紀90年代初，通過分子生物學技術相繼克隆了5種亞型多巴胺受體分子，分別為D1R、D2R、D3R、D4R和D5R8－12。D1R、D5R屬于D1樣受體，D2R、D3R、D4R屬于D2樣受體。各種亞型多巴胺受體膜蛋白都是七個跨膜區域(7-GM)組成的G蛋白偶聯受體家族。受體蛋白中七個跨膜螺旋區域可以構成空間部位，與多巴胺分子結合使其發揮神經遞質作用，同時也構成分子通道運輸多巴胺分子。

各種亞型多巴胺受體都是跨膜蛋白，膜蛋白的結晶以及解析晶體結構都是比較困難的課題。截止目前，只有一個多巴胺第三受體蛋白突變體的晶體結構發表在Science期刊上13，其它多巴胺受體晶體蛋白結構包括其突變體結構都沒有報道。在該蛋白晶體結構中，含有多巴胺受體拮抗劑依替必利(ETQ)分子。在國家自然科學基金支持下，我們研究了多巴胺第三受體膜蛋白結構與應用。我們通過分子動力學模擬研究獲得了兩個人體生物型的多巴胺第三受體與多巴胺復合精細蛋白結構14,15。在這兩個復合蛋白結構中，多巴胺分子的結合部位是相似的，起著關鍵作用的各種活性位點氨基酸也是相似的，而且多巴胺的結合部位與依替必利(ETQ)在多巴胺第三受體蛋白晶體結構中的部位也相似。多巴胺與D3R蛋白結合的活性位點氨基酸殘基為Asp75、His349、Phe345、Phe346、Thr34214，除Asp75外，其余四個殘基都位于ETQ分子0.6 nm范圍內。多巴胺分子0.6 nm范圍內的氨基酸殘基共有33個，其中16個與ETQ分子0.6 nm范圍內的殘基相同，相似度為48.5%，列在表1中。

圖1也比較了它們的相似性。依替必利是一種抗精神分裂癥藥物，在多巴胺第三受體蛋白晶體結構中的部位可顯示其藥物作用活性空腔13，該腔靶點也應該是多巴胺分子與多巴胺第三受體結合的部位發揮神經遞質作用。

在前期研究工作的基礎上，本文研究多巴胺在其第三受體蛋白結構中的分子通道上傳輸動力學?；诙喟桶放c其第三受體復合蛋白結構和POPC磷脂雙層膜14，我們采用最新的分子動力學模擬技術，研究獲得多巴胺在其第三受體分子通道上運動軌跡及其自由能變化，探討多巴胺在分子通道上傳輸運動機制動力學，建立多巴胺分子通道理論，探討帕金森病和精神分裂癥的新病理。

表1 多巴胺和ETQ分子為中心選出的0.6 nm范圍內多巴胺受體的殘基Table 1 The residues within 0.6 nm of the D3Rstructure around ETQ and DOP

圖1 (a)ETQ與多巴胺第三受體突變體復合蛋白晶體結構圖13；(b)ETQ和DOP分子結構圖；(c)人體生物型多巴胺與多巴胺第三受體復合蛋白結構14Fig.1(a)Originalgraph of mutated protein crystalstructure of dopamine third receptor with ETQ13;(b)molecular structures of ETQand DOP;(c)human′s dopamine third receptor complex structure with dopamine14

2 材料與方法

本文的基礎材料是多巴胺第三受體與多巴胺復合蛋白結構，來自于我們先前報道的研究結果14。這個復合蛋白是基于多巴胺第三受體突變體蛋白晶體結構(晶體編號3PBL)13，采用對接技術和分子動力學獲得。原蛋白晶體結構的突變點氨基酸，已經突變回到人類多巴胺第三受體氨基酸序列，多巴胺分子被對接到七個跨膜螺旋區域構成的空間部位，該部位相似于依替必利(ETQ)在多巴胺第三受體蛋白晶體結構中的部位，只是稍稍偏里面一些，結果顯示在圖1中。

生物膜是膜蛋白結構穩定性的重要外部條件.基于先前研究工作基礎14，本文同樣選用含量最多的一種磷脂酰膽堿分子，1-棕櫚酰-2-油酰-卵磷脂(POPC)分子，構建生物雙層膜。在POPC尾端中含有未飽和的C＝C雙鍵，與飽和尾端磷脂脂質分子相比，被優先選用于模擬生物細胞膜16－23。選用POPC磷脂分子構建POPC膜-水模型是文獻報道的16，水分子是SPC模型水24,25。圖2是研究體系結構圖，除了多巴胺第三受體和多巴胺以外，還有82個POPC磷脂質分子、5450個水分子和8個Cl－離子用于中和體系的正電荷，體系總共含有23416個原子。

2.1 D3R-DOP復合蛋白結構分子動力學模擬

采用Gromacs 4.5程序對D3R-DOP復合蛋白結構進行分子動力學模擬，并且采用VMD程序分析模擬結果26－29。DOP分子力場參數采用Gromos 96力場格式自己設定30,31，其力學參數已經報道14,32,33，POPC分子力場參數源自文獻16，改寫成Gromacs格式數據。先用最陡下降法進行最大40000步(Fmax＜100 kJ·mol－1·nm－1)能量優化來排除體系原子坐標重疊問題，然后在允許水分子移動的情況下，使用Berendsen溫度耦合算法和Berendsen壓力耦合算法，分別設定時間常數為0.1和5 ps，采用LINCS約束算法進行200 ps的位置限定模擬，將體系的溫度和壓強分別調整至310 K和101325 Pa。應用周期邊界條件于體系，分子動力學模擬時間是20 ns，耦合方法和參數與位置限定模擬相同，每步2 fs時長，每2000步(4 ps)輸出一個體系文件，用于計算體系的各種能量和分析結構變化。

圖2 研究材料：多巴胺第三受體與多巴胺復合蛋白結構包括雙層磷脂POPC-H2O膜結構Fig.2 Research materials:the complex structure of D3R with DOP including the double layer phospholipid POPC-H2O membrane

2.2 DOP分子在D3R結構中運動軌跡和自由能勢能面

基于上述優化的D3R-DOP-POPC-H2O系統，采用Gromacs 4.5程序中的傘形樣本(umbrella sampling)方法34，計算模擬DOP分子在D3R結構中運動軌跡和自由能勢能面。自由能勢能面模擬計算原理是基于公式ΔG=－RT ln K，其中ΔG是自由能，而K是平衡常數，通過分子模擬計算獲得34。類似相關的計算步驟已經多次報道發表在相關研究論文中35－40，所以在本文中不詳細介紹模擬計算步驟，只是簡單給出一些計算要點。本工作采用分子動力學模擬優化之后的體系結構文件為軌跡動力學起始結構體系的輸入文件，所需要的DOP動力學軌跡模擬體系的拓撲文件與其分子動力學模擬的拓撲文件相同。設定DOP為運動組，力常數(harmonic force constant)設定為2000 kJ·mol－1· nm－2，并限制DOP最大運動速度為10 nm·ns－1。使用Nose-Hoover溫度耦合算法和Parrinello-Rahman壓力耦合算法，分別設定時間常數為0.2和1 ps，設定參考溫度為310 K，參考壓力為101325 Pa，在x、z和y正負方向，分別進行步長為2 fs的500000步軌跡動力學模擬。選取與運動方向相反的合適殘基作為參考系，在結果與討論章節中分別給出具體的參考系。根據0.05 nm規則，從軌跡數據文件中挑選合適的傘形樣本計算。由于生成DOP在D3R結構中運動軌跡過程中，通過外界給力使DOP分子運動，造成DOP分子結構變形，DOP分子和D3R結構體系偏離了平衡；因此，需要做傘形樣本模擬計算，在限定的運動組和參考系質心距離上，使DOP分子和體系重新實現平衡。傘形樣本模擬計算輸入文件分別是挑選出來的傘形樣本文件，拓撲文件和指針文件，以及傘形樣本模擬參數文件。傘形樣本模擬參數與軌跡模擬參數基本上相同，只是運動速度設定為0 nm· ns－1，表明DOP分子不在軌跡上運動，而是在給定的兩個組結構質心距離上，做分子動力學模擬達到再平衡，模擬步數設定為40萬步(800 ps)，步長2 fs，采用均方根偏差(RMSD)測定體系平衡性。最后，采用Gromacs 4.5程序中的加權柱狀圖分析法(WHAM)41，把有偏采樣的結果轉換為無偏采樣的統計結果，從一系列傘形樣本模擬計算的結果中抽出平均力勢(PMF)，計算誤差偏差為10－6kJ· mol－1(收斂計算標準)。PMF面即為自由能勢能面，基于該自由能勢能面，就可以計算出自由結合能的變化(ΔGbind)。g_wham計算輸出另外一個文件是柱狀圖型數據。如果柱狀圖型重疊程度不好，就會產生鋸齒型PMF勢能面，反之，我們多次研究的結果表明沒有鋸齒形的PMF勢能面，柱狀圖型重疊程度較好35－37。因此，柱狀圖型結果可以顯示傘形樣本重疊程度，較好的重疊說明WHAM方法計算ΔG的可靠性。另外，雖然沒有實驗測定數據進行直接比較，但是可以通過相關實驗證明分子動力學模擬計算的自由能可靠性。文獻報道，采用PMF方法，模擬計算水分子在卵磷脂脂質分子生物膜中透過自由能能壘是16.8－29.4 kJ·mol－142－47，而實驗測定水分子透過細胞膜自由能能壘是16.8－37.8 kJ·mol－148－51，分子模擬結果與實驗測定結果很好的保持一致。文獻還報道，同樣采用PMF方法計算Na+-Cl－離子對、Cl－離子和Na+離子透過卵磷脂脂質分子生物膜的自由能能壘分別是115.0、99.1和92.0 kJ·mol－152，而實驗測定Cl－離子和Na+離子透過磷脂酰絲氨酸生物膜的自由能能壘分別是(98.7±11.3)和(87.4±1.7)kJ· mol－153，數據顯示分子模擬結果與實驗測定結果也具有很好的一致性。既然在上述兩個生物膜體系中，分子模擬結果與實驗測定結果具有很好的一致性，對于本文使用的生物膜體系，分子模擬結果與實驗測定結果也應該具有很好的一致性。

圖3 (A)DOP在D3R內部結構的六個運動方向，y+軸方向設定往細胞外運動，y－軸方向往細胞內運動，x+、x－、z+、z－軸方向從D3R內部結構往細胞雙層膜運動；(o,a,b,c)DOP在y+軸方向上運動軌跡上四個運動點圖像圖；(B)DOP在D3R內部結構y+軸方向運動的自由能變化圖Fig.3(A)Six orientations for DOPto move within D3R,and the tracks to move toward the outside of cellsupposed along the y+axis and toward the inside of cellalong the y－axis,along the x+,x－,z+,z－axes for DOP from the interior of D3R to move into the POPC phospholipid bilayer membrane;(o,a,b,c)four pictures of the tracks along the y+axis for DOP to move;(B)the potentialof mean force(PMF)of the track along the y+axis for DOP to move

3 結果與討論

3.1 DOP在D3R結構中功能分子通道上運動軌跡和自由能勢能面

在優化的D3R-DOP系統中，多巴胺分子被認為處在該受體蛋白中七個跨膜螺旋區域構成的空間部位(發揮神經遞質作用的部位)14,54。以此復合蛋白結構基礎，我們要研究DOP分子在D3R內部結構六個方向運動軌跡(圖3)。y+軸方向設定是DOP分子從D3R內部結構往細胞外運動方向，其相反方向的線路就可以被認為多巴胺從突觸間隙到達發揮神經遞質作用的部位的運輸路線。y－軸方向設置為DOP分子從D3R內部結構往細胞里運動方向。x+、x－、z+、z－軸方向是DOP分子從D3R內部進入到細胞雙層膜中間方向。考慮了四個方向，基本覆蓋DOP分子運動進入到細胞雙層膜空間最可能的運動方向。

在y+軸方向，選定了Leu95作為運動參考組。參考組的選定是基于反運動方向盡量靠近DOP分子的氨基酸殘基基團。由于在該體系中水分子和磷脂分子有相對較大的運動空間，故不適合作為參考組。設定一個外力最大值是2000 kJ· mol－1，推動運動組DOP分子沿著y+軸方向，往細胞外方向運動。在實際過程中，程序會根據體系情況，提供小于2000 kJ·mol－1合適的外力，使DOP運動，產生軌跡坐標，在圖3中顯示了軌跡上四個點體系的多巴胺與其受體結構圖像。其中O點是起始點體系，經過a、b點軌跡體系，到達c點軌跡體系，顯示多巴胺分子通過分子通道離開了受體蛋白的軌跡。

在y+軸方向，從DOP分子運動軌跡坐標文件中，挑選了56個樣本(表2)，用于樣本體系再平衡分子動力學模擬和計算DOP分子運動自由能變化。在DOP運動軌跡文件中，不同方向上都保存了1001個軌跡點構象數據，無需全部用來做傘形樣本分子模擬計算。1001個軌跡點構象數據對應于1000 ps分子模擬時長，每1 ps取出一個軌跡點構象數據。所以樣本編號與軌跡分子模擬時長(ps單位)相對應。采用軌跡點體系構象數據，可以計算出不同編號樣本中，參考系質心與運動組質心距離。按照DOP運動組與參考系質心距離等間隔增加約0.05 nm規則挑選傘形樣本。在不同區域，由于給力變化，DOP除了平移運動還有轉動現象，參考系與運動組質心距離變化大，即使相鄰的傘形樣本，質心距離變化也會大于0.05 nm。而且在分子運動過程中，體系的參考系與運動組質心位置都會改變，實際間隔距離不會嚴格按照0.05 nm整數倍出現，因此樣本間隔并非完全符合0.05 nm間隔距離。對于挑選出的56個樣本，運動組和參考組被分別限定在固定質心距離上，通過800 ps分子動力學模擬，使DOP分子和整個體系重新實現平衡。采用體系RMSD數值表征體系重新實現平衡。本研究與以前的多個類似研究結果相似，從700到800 ps之間，各自樣本體系的RMSD數值都保持在本值±0.02 nm變化之間，說明通過40萬步分子動力學模擬，實現了樣本體系重新平衡，它們的數據沒有給出。由于做軌跡時候給予外力，造成體系稍微偏離平衡，但是這種偏離與原先的體系差別不大，所以很快就能達到再平衡。

盡管兩個軌跡上挑選了很多傘形樣本，并且通過分子動力學模擬實現樣本再平衡，但是還是屬于有偏采樣的結果。所以采用Gromacs 4.5程序中的加權柱狀圖分析法41，把有偏采樣的結果轉換為無偏采樣的統計結果，從一系列傘形樣本模擬計算的結果中抽出平均力勢，得到圖3的自由能變化圖。

表2 DOP分子沿著y+軸方向通過D3R蛋白內分子通道軌跡上的傘形樣本Table 2 Umbrella samplings obtained by dopamine moving within D3R along the y+axis

采用VMD程序顯現和分析DOP運動軌跡，根據表2中軌跡上的傘形樣本與參考系的距離(起始參考組與運動組空間中心距離已經歸為零)，并且結合考慮DOP在軌跡坐標上的自由能變化，就能確定DOP在D3R內部的位置。為了分析簡便起見，在每個軌跡圖中只給出四個DOP運動關鍵位置的圖像。在y+軸方向，圖3中DOP軌跡從起點O點開始，經過a點(0.58 nm)和b點(1.41 nm)到達c點(2.65 nm)位置，離開了D3R內部結構。圖中顯示DOP在該軌跡上的自由能變化為134.6 kJ·mol－1。

在圖4中，選擇Ser156作為參考系，選擇了54個樣本體系(表3)，沿著y－軸方向，DOP從起點o點開始，經過a點(0.24 nm)和b點(1.24 nm)到達c點(2.49 nm)位置，從TM5-TM6之間的下端部位，離開了D3R內部結構。由于D3R內環的影響，使得DOP不能從細胞正內端離開D3R內部結構。圖4數據顯示，DOP分子從D3R內部結構往細胞里運動，離開D3R內部結構需要的自由能變化為211.6 kJ·mol－1。

y+、y－軸方向自由能數值差異原因之一，可能源自于最初始的D3R晶體蛋白結構構象，因為該蛋白細胞外端結合了拮抗分子造成了一種開狀態的蛋白結構。另外一個原因可能是該分子通道本身不是用于把DOP分子從細胞外輸送到細胞內。

3.2 DOP在D3R結構中保護分子通道上運動軌跡和自由能勢能面

圖4 (o,a,b,c)DOP在y－軸方向運動軌跡上四個運動點圖像圖；(A)DOP在D3R內部結構y－軸方向運動的自由能變化圖Fig.4(o,a,b,c)Four pictures of the tracks along the y－axis for DOP to move; (A)potentialof mean force(PMF)of the track along the y－axis for DOPto move within D3R

DOP在D3R結構中保護分子通道上運動軌跡和自由能勢能面，通過x+、x－、z+、z－軸四個方向進行研究。從這四個方向，DOP分子都有可能從D3R內部結構往細胞膜方向運動，進入到細胞雙層膜空間。

圖5是DOP分子沿著x+軸方向運動進入細胞雙層膜空間運動軌跡圖，參考組是Leu15殘基，選擇了35個樣本體系列在表4中。結合運動軌跡圖5的主視圖和俯視圖中，可以看出，沿著x+軸方向，DOP從起點o點開始，經過a點(0.41 nm)和b點(0.69 nm)到達c點(1.16 nm)位置，從TM5-TM6之間，兩個跨膜螺旋之間，離開了D3R內部結構。沿著x+軸方向運動軌跡，該過程自由能變化為65.8 kJ·mol－1。

表3 DOP分子沿著y－軸方向通過D3R蛋白內分子通道軌跡上的傘形樣本Table 3 Umbrella samplings obtained by dopamine moving within D3R along the y－axis

表5是DOP分子沿著x－軸方向運動軌跡上挑選的50個樣本，參考系組是Val173殘基。圖6是DOP分子沿著x－軸方向運動進入細胞雙層膜空間運動軌跡圖。結合運動軌跡圖6的主視圖和俯視圖，可以看出，沿著x－軸方向，DOP從起點o點開始，經過a點(0.73 nm)和b點(1.75 nm)到達c點(1.93 nm)位置，從TM1-TM2跨膜螺旋之間，離開了D3R內部結構。沿著x－軸方向運動軌跡的自由能變化為245.0 kJ·mol－1。

圖7是DOP分子沿著z+軸方向運動進入細胞雙層膜空間運動軌跡圖，參考組是Leu220殘基，選擇了46個樣本體系列在表6中。結合運動軌跡圖7的主視圖和俯視圖中，可以看出，沿著z+軸方向，DOP從起點o點開始，經過a點(0.62 nm)和b點(1.47 nm)到達c點(2.26 nm)位置，從TM2-TM3跨膜螺旋之間，離開了D3R內部結構。DOP分子沿著z+軸方向運動軌跡的自由能變化為551.4 kJ·mol－1。

圖8是DOP分子沿著z－軸方向運動進入細胞雙層膜空間運動軌跡圖，參考組是Leu51殘基，選擇了35個樣本體系列在表7中。結合運動軌跡圖8的主視圖和俯視圖中，可以看出，沿著z－軸方向，DOP從起點o點開始，經過a點(0.92 nm)和b點(1.60 nm)到達c點(2.39 nm)位置，從TM5-TM6之間離開了D3R內部結構。DOP分子沿著z－軸方向運動軌跡的自由能變化為172.8 kJ·mol－1。

圖5 (o,a,b,c)DOP在x+軸方向上從D3R內部結構往細胞雙層膜運動軌跡四個運動點主視圖和俯視圖；(A)DOP在D3R內部結構x+軸方向運動的自由能變化圖Fig.5(o,a,b,c)Four pictures of the tracks along the x+axis for DOP to move from within D3Rinto the POPC phospholipid bilayer membrane on the main view and top view respectively;(A)PMF of the track along the x+axis for DOPto move

表4 DOP分子沿著x+軸方向通過D3R蛋白內分子通道軌跡上的傘形樣本Table 4 Umbrella samplings obtained by dopamine moving within D3Ralong the x+axis

表5 DOP分子沿著x－軸方向通過D3R蛋白內分子通道軌跡上的傘形樣本Table 5 Umbrella samplings obtained by dopamine moving within D3R along the x－axis

圖6 (o,a,b,c)DOP在x－軸方向上從D3R內部結構往細胞雙層膜運動軌跡四個運動點主視圖和俯視圖；(A)DOP在D3R內部結構x－軸方向運動的自由能變化圖Fig.6(o,a,b,c)Four pictures of the tracks along the x－axis for DOP to move from within D3R into the POPCphospholipid bilayer membrane on the main view and top view respectively;(A)PMF of the track along the x－axis for DOP to move

DOP在D3R結構中的分子通道運動時，具有一定程度上的柔性，在一定范圍內DOP分子總是朝著能量比較小的方向上運動。從四個軌跡圖可以看出，DOP分子并不是沿某一個固定方向運動，而是以某一軸為初始方向，沿著最低能量方向運動，當前面有跨膜螺旋擋住，它就稍微改變方向，從跨膜螺旋柱間隙中運動。如果沿著y軸方向，那最可能方向是盡可能不要通過跨膜螺旋柱間隙，在中間空間運動，除非受到環結構的影響。所以我們通過x+、x－、z+、z－軸四個方向進行研究，就應該能覆蓋DOP運動進入到細胞雙層膜空間最可能的運動軌跡。因此，對于DOP在D3R結構中保護分子通道運動，DOP最可能的軌跡是沿著x+軸方向從TM5與TM6縫隙之間離開D3R內部結構，其自由能變化數值是65.8 kJ·mol－1。

當處在細胞突觸間隙的自由多巴胺分子，與鑲嵌在后膜上的不同亞型多巴胺受體結合，啟動信號傳遞，真正發揮神經遞質作用，調控生命體運動功能、認知活動、情感等過程。在多巴胺傳輸運動過程中，根據本文研究表明，在多巴胺第三受體中有兩種分子通道。一種通道提供給還未發揮作用多巴胺分子，使其到達結合部位以發揮神經遞質作用，稱之為功能分子通道。在該通道上，多巴胺分子運動軌跡是y+軸負方向路線；在該軌跡上多巴胺分子與多巴胺受體相互作用自由能為－134.6 kJ·mol－1，是一個負值。等溫等壓條件下，該過程可自發進行，多巴胺與多巴胺受體很容易相互結合，發揮神經遞質作用。另外一種通道提供給已發揮功能作用的多巴胺分子，使其離開受體。在D3R結構中，多巴胺分子最可能是沿著x+軸方向從TM5與TM6縫隙之間離開D3R內部結構，其自由能變化數值是65.8 kJ·mol－1。如果沒有離開的通道，或者離開通道的自由能在一定條件下變大了，多巴胺分子就一直與其受體結合發揮神經遞質作用。為了避免多巴胺分子過度發揮經遞質功能作用，需要在自由能變化較小的軌跡上運動，這樣的分子通道起著保護機體功能作用，稱之為保護分子通道?；诙喟桶肥荏w中這樣兩種分子通道的存在，就可構建多巴胺分子通道理論的模型。

圖7 (o,a,b,c)DOP在z+軸方向上從D3R內部結構往細胞雙層膜運動軌跡四個運動點主視圖和俯視圖；(A)DOP在D3R內部結構z+軸方向運動的自由能變化圖Fig.7(o,a,b,c)Four pictures of the tracks along the z+axis for DOP to move from within D3Rinto the POPC phospholipid bilayer membrane on the main view and top view respectively;(A)PMF of the track along the z+axis for DOP to move

表6 DOP分子沿著z+軸方向通過D3R蛋白內分子通道軌跡上的傘形樣本Table 6 Umbrella samplings obtained by dopamine moving within D3R along the z+axis

表7 DOP分子沿著z－軸方向通過D3R蛋白內分子通道軌跡上的傘形樣本Table 7 Umbrella samplings obtained by dopamine moving within D3Ralong the z－axis

圖8 (o,a,b,c)DOP在z－軸方向上從D3R內部結構往細胞雙層膜運動軌跡四個運動點主視圖和俯視圖；(A)DOP在D3R內部結構z－軸方向運動的自由能變化圖Fig.8(o,a,b,c)Four pictures ofthe tracks along the z－axis for DOPto move from within D3Rinto the POPC phospholipid bilayer membrane on the main view and top view respectively;(A)PMF of the track along the z－axis for DOP to move

基于該理論模型，我們可以探討帕金森病新病理。前面已經說道，美多芭可以使細胞突觸間隙的多巴胺濃度超過人體正常水平，卻不能控制帕金森病，在一些病例中，特別是腦梗(或者心梗)與帕金森病共存情況下，甚至絲毫不能緩解帕金森病病癥?；诙喟桶贩肿油ǖ烙^點，我們認為這是由于纖維蛋白堵塞在多巴胺受體細胞外端起始通道部位，阻礙了多巴胺功能分子通道，阻止了多巴胺與其受體相互作用，妨礙了多巴胺分子成為功能多巴胺，抑制多巴胺分子發揮經遞質功能作用。所以，盡管在細胞突觸間隙自由的多巴胺分子含量高，但是功能多巴胺分子數量很少。因此，我們提出帕金森病發病新機制是神經系統多巴胺功能分子通道被纖維蛋白堵塞，發病危險因素是高含量的纖維蛋白。根據這種新機制，對于不同病情和病齡的帕金森病患者的神經元細胞總是可以區分為凋亡、變性但還未凋亡和正常細胞。神經元細胞凋亡(例如腦萎縮)是一種不可治愈的致殘性疾病病理，確實能引起功能多巴胺減少引起帕金森病，嚴重摧殘患者健康，使患者生命生活異常艱難。帕金森病的不可治愈性與其病理被認為是中腦黑質多巴胺能神經元進行性凋亡密切相關，因為凋亡的神經元細胞無法被修復。但是，基于我們提出的新機制，對于變性細胞和正常細胞，由于被堵塞的多巴胺功能通道可以重新被疏通，高水平的纖維蛋白含量可以被降低，減少的多巴胺可以通過治療和康復以及外源補充方式得到恢復和提高含量，所以基于發病新機制，帕金森病期望能被控制治愈。新舊帕金森病病理是相互包容、相互補充，當然，相互不沖突，相互不否定，只是舊有的帕金森病病理，強調細胞凋亡的屬性，新病理則強調未凋亡細胞的性質和功能。如果把帕金森病完全或過于歸咎于舊病理，直到大量的神經元細胞凋亡的情況真正出現，大量的患者將喪失被治愈的時機。最新文獻報道，在神經系統中注射單一纖維蛋白就可引發帕金森病55，該研究結果可以看成是帕金森病發病新機制一個強有力的支持，而且帕金森病病人的血清中的纖維蛋白含量是正常人含量82倍56，且纖維蛋白含量與帕金森病人年齡、性別無相關性，與帕金森病病齡以及不同病程沒有關聯性。同時患有腦梗(或者心梗)病癥的帕金森病患者的血清中纖維蛋白含量更高56，多巴胺功能通道被纖維蛋白堵塞應該更嚴重。因此，發揮功能作用的多巴胺缺少是該病癥的關鍵因素，基于此基礎，我們可以科學定義該病癥為“功能多巴胺缺少綜合癥”。過去200年，用英國醫生名叫帕金森來命名該病癥，因為1817年他首先仔細觀察并發表論文描述該病癥?；谂两鹕⌒虏±砗投喟桶贩肿油ǖ览碚撃Ｐ?，我們發現了定向優先通過多巴胺功能通道的分子，具有治療帕金森病的藥效，并且開展了大量的基礎研究和動物實驗，證明了其治療帕金森病的效果。

基于多巴胺分子通道理論模型，我們還可以探討精神分裂癥病理。目前，主要有三種假說解析精神分裂癥，分別是多巴胺能假說、谷氨酸能假說和5-羥色胺能假說33。這三種假說最終都會導致多巴胺功能亢進，即多巴胺分子過度發揮神經遞質功能作用。所以，主要的抗精神分裂癥藥物都是通過阻斷多巴胺功能分子通道起著控制精神分裂癥。第一代抗精神分裂癥代表藥物氟哌啶醇阻斷多巴胺第二受體(D2R)多巴胺功能分子通道，第二代抗精神分裂癥藥物代表氯氮平能阻斷D4受體多巴胺功能分子通道，第三代抗精神分裂癥代表藥物利培酮也是通過阻斷D2受體多巴胺功能分子通道發揮藥效作用，起著控制患者的精神分裂癥癥狀的作用。長期采用氟哌啶醇治療的精神分裂癥患者，大約30%成為帕金森病患者，服用氯氮平藥物也很容易導致精神分裂癥患者產生顫抖等帕金森病病征，而利培酮因為在這些副作用方面具有很大的改進而成為第三代抗精神分裂癥藥物。它們與各自受體相互作用的部位沒有晶體結構數據，但是推測類似于圖1左圖中依替必利(ETQ)結合的部位。根據多巴胺分子通道觀點，如果多巴胺在保護分子通道上運動自由能變化增大，或者由于受體蛋白本身構象變異造成多巴胺保護分子通道被堵塞，也會導致精神分裂癥。因此，保持多巴胺保護分子通道足夠的暢通，應該可以避免多巴胺功能亢進，避免多巴胺分子過度發揮經遞質功能作用?；谠摼穹至寻Y新病理和多巴胺分子通道理論，我們發現了定向優先通過多巴胺保護通道的分子，具有治療控制精神分裂癥的藥效，也開展了大量的動物實驗，證明了其控制精神分裂癥的效果。

由于本研究體系中水分子是比較容易自由運動的質點，采用本文的研究方法，水分子不能作為參考體系，因此，我們不能模擬計算多巴胺逆y+方向軌跡和自由能變化。但是，自由能是體系的狀態函數，只要始終態確定，它就具有確定的變化數值，理論上具有以下的關系：ΔG(reversible process)=－ΔG(positive process)。所以，我們首先模擬計算了y+方向軌跡和自由能變化數值，然后采用上述關系得到逆y+方向軌跡和自由能變化。Gromacs程序目前已具備了比較吻合的可逆軌跡和自由能變化的模擬功能28。而且在本研究體系，逆向自由能變化是一個負值的絕對值很大的數值，從而完全能支持功能通道的建立和作用。

本研究體系含有23416個原子，采用精確的量子力學計算方法是無法實現模擬軌跡和計算體系的自由能變化。只能采用分子力學方法模擬和計算，對于這么一個大體系的計算總是存在著一定的誤差，更何況還要考慮晶體蛋白結構與實際的多巴胺第三受體蛋白的體系不同。實際多巴胺受體蛋白的體系還有環境各種因素的影響，這些因素本文的體系還沒有能完全考慮。因此，實際體系要大很多，作用時間可能在毫秒數量級，而且還受多個多巴胺分子連續作用。在神經細胞元中還有其它多巴胺受體，盡管D1R、D2R、D3R、D4R和D5R同源性強，但是總存在一定的差異，所以D3R體系模擬結果是否與實際體系的結果相吻合呢？是否能指導實際實踐呢？

考慮能透過血腦屏障的分子，采用與本文完全相同的方法模擬和計算(具體結果以后將報道)，我們發現了三個分子在y+軸方向，在功能通道上的自由能變化比在保護通道上的自由能變化數值小50－60 kJ·mol－1。這些分子進入細胞里可以選擇性的通過多巴胺功能通道，具有疏通多巴胺功能通道的功能。通過帕金森病鼠動物實驗證明它們全部具有治療帕金森病的功能效果。模擬和計算結果與實驗實踐完全吻合。

采用同樣的方法，發現了一個分子在保護通道上的自由能變化比在功能通道上的自由能變化數值小60 kJ·mol－1。精神分裂癥老鼠動物實驗證明該分子具有治療控制精神分裂癥的功能效果，因為該分子具有選擇性的通過多巴胺保護通道的能力，具有疏通多巴胺保護通道的功能。模擬計算的結果與實際實踐也完全一致。同時，與動物實驗相一致性的結果證明和支持本文的模擬軌跡和計算自由能變化結果的合理性。因此，采用本文研究方法模擬軌跡和計算自由能變化的結果具有較好的理論指導作用。

4 結論

處在多巴胺第三受體蛋白中發揮神經遞質作用部位的多巴胺，通過D3R結構中的功能分子通道，朝細胞外方向傳輸運動的自由能變化數值為134.6 kJ·mol－1，朝細胞內方向傳輸運動的自由能變化數值為211.5 kJ·mol－1。多巴胺通過D3R結構中的保護分子通道，在x+、x－、z+、z－方向朝細胞雙層膜方向傳輸運動的自由能變化數值分別為65.8、245.0、551.4、172.8 kJ·mol－1，說明在保護分子通道上DOP更容易從TM5與TM6縫隙之間離開D3R內部結構，其自由能變化數值是65.8 kJ· mol－1。處在突觸間隙的自由多巴胺，在等溫等壓條件下，通過功能通道到達發揮神經遞質作用的部位是一個自發過程，因為在該軌跡上多巴胺分子與多巴胺受體相互作用自由能為－134.6 kJ· mol－1。所以，多巴胺與多巴胺受體很容易相互結合，發揮神經遞質作用。發揮神經遞質功能作用的多巴胺分子，沿著x+軸方向的保護分子通道從TM5與TM6縫隙之間離開D3R內部結構，避免發揮過度的神經遞質功能?；诙喟桶饭δ芎捅Ｗo分子通道觀點，我們認為帕金森病新病理是細胞間隙的纖維蛋白堵塞了多巴胺功能分子通道，發病因素是高含量的纖維蛋白，與目前帕金森病病理被認為是中腦黑質多巴胺能神經元進行性凋亡病理相互包容、相互補充。而精神分裂癥發病機制之一可能是多巴胺保護分子通道被堵塞。多巴胺分子通道理論及其帕金森病新病理和精神分裂癥新病理，可應用于治療控制這兩種病癥及其藥物研究開發。

(1)Carlsson,A.;Waters,N.;Waters,S.;Carlsson,M.L.Brain Res. 2000,31,342.doi:10.1016/S0165-0173(99)00050-8

(2)Li,F.;Shu,S.Y.;Bao,X.M.Neurosci.Bull.2003,19(6),405. [李凡,舒斯云,包新民.神經科學通報,2003,19(6),405.]

(3)Suri,R.E.;Bargas,J.;Arbib,M.A.Neuroscience 2001,103, 65.doi:10.1016/S0306-4522(00)00554-6

(4)Salum,C.;Roque,S.A.;Pickering,A.Neurocomputing 1999, 26－27,845.doi:10.1016/S0925-2312(98)00129-5

(5)Bian,F.Y.;Shi,G.J.;Chi,S.M.;Xu,S.C.The Perspective Insightinto the Pathology of Parkinsonism Using the Molecular Channel Theory of Dopamine inside its Receptor Membrane Protein.Chinese Chemical Society atthe Second National Conference on Bio-physicalChemistry(NCBPC2)and the International Forum on Developmentof Chinese Bio-Physical Chemistry,Wuhan University,Wuhan,China,Oct15－18,2012.

(6)Xu,S.C.;Shi,G.J.;Chi,S.M.The Active Site Residues and the Molecular Channels for Dopamine within D3R Membrane Protein.The 28thCCS(Chinese Chemical Society)Congress, Sichuan University,Chengdu,China,April13－16,2012.

(7)Kebabian,J.W.;Calne,D.B.Nature 1979,277(5692),93. doi:10.1038/277093a0

(8)Bunzow,J.R.;Van Tol,H.H.M.;Grandy,D.K.;Albert,P.; Salon,J.;Christie,M.Nature 1988,336,783.doi:10.1038/ 336783a0

(9)Dearry,A.;Gingrich,J.A.;Falardeau,P.;Fremeau,R.T.;Bates, M.D.;Caron,M.G.Nature 1990,347,72.doi:10.1038/ 347072a0

(10)Sokoloff,P.;Giros,B.;Martres,M.P.;Bouthenet,M.L.; Schwartz,J.C.Nature 1990,347,146.doi:10.1038/347146a0

(11)Van Tol,H.H.;Bunzow,J.R.;Guan,H.C.;Sunahara,R.K.; Seeman,P.;Niznik,H.B.;Civelli,O.Nature 1991,350,610. doi:10.1038/350610a0

(12)Sunahara,R.K.;Guan,H.C.;O′Dowd,B.F.;Seeman,P.; Laurier,L.G.;Ng,G.;George,S.R.;Torchia,J.;Van Tol,H.H.; Niznik,H.B.Nature 1991,350,614.doi:10.1038/350614a0

(13)Chien,E.Y.T.;Liu,W.;Zhao,Q.;Katritch,V.;Han,G.W.; Hanson,M.A.;Shi,L.;Newman,A.H.;Javitch,J.A.; Cherezov,V.;Stevens,R.C.Science 2010,330,1091. doi:10.1126/science.1197410

(14)Jin,Y.;Wang,Y.;Bian,F.Y.;Shi,Q.;Ge,M.F.;Wang,S.; Zhang,X.K.;Xu,S.C.Acta Phys.-Chim.Sin.2011,27(10), 2432.[金毅,王悅,卞富永,史強,葛茂發,王樹,張興康,徐四川.物理化學學報,2011,27(10),2432.]doi:10.3866/ PKU.WHXB20111001

(15)Xu,S.C.;Deng,S,R.;Ma,L.Y.;Shi,Q.;Ge,M.F.;Zhang,X. K.Acta Phys.-Chim.Sin.2009,25,1290.[徐四川,鄧圣榮,馬麗英,史強,葛茂發,張興康.物理化學學報,2009,25, 1290.]doi:10.3866/PKU.WHXB20090701

(16)Hoff,B.;Strandberg,E.;Ulrich,A.S.;Tieleman,D.P.;Posten, C.Biophys.J.2005,88,1818.doi:10.1529/biophysj.104.052399

(17)Janosi,L.;Gorfe,A.A.J.Chem.Theory Comput.2010,6,3267. doi:10.1021/ct100381g

(18)Su,Z.Y.;Wang,Y.T.J.Phys.Chem.B 2011,115,796. doi:10.1021/jp107599v

(19)Merlino,A.;Vitiello,G.;Grimaldi,M.;Sica,F.;Busi,E.; Basosi,R.;D′Ursi,A.M.;Fragneto,G.;Paduano,L.;D′Errico, G.J.Phys.Chem.B 2012,116,401.doi:10.1021/jp204781a

(20)Polyansky,A.A.;Volynsky,P.E.;Nolde,D.E.;Arseniev,A.S.; Efremov,R.G.J.Phys.Chem.B 2005,109,15052. doi:10.1021/jp0510185

(21)Puri,A.;Jang,H.;Yavlovich,A.;Masood,M.A.;Veenstra,T. D.;Luna,C.;Aranda-Espinoza,H.;Nussinov,R.;Blumenthal, R.Langmuir 2011,27,15120.doi:10.1021/la203453x

(22)Payandeh,J.;Gamal El-Din,T.M.;Scheuer,T.;Zheng,N.; Catterall,W.A.Nature 2012,486,135.doi:10.1038/ nature11077

(23)J?nsson,P.;Jonsson,M.P.;H??k,F.Nano Lett.2010,10,1900. doi:10.1021/nl100779k

(24)Marrink,S.J.;Lindahl,E.;Edholm,O.;Mark,A.E.J.Am. Chem.Soc.2001,123,8638.doi:10.1021/ja0159618

(25)Miyamoto,S.;Kollman,P.A.J.Comput.Chem.1992,13,952. doi:10.1002/jcc.540130805

(26)Berendsen,H.J.C.;van der Spoel,D.;van Drunen,R.Comput. Phys.Commun.1995,91,43.doi:10.1016/0010-4655(95) 00042-E

(27)Van der Spoel,D.;Lindahl,E.;Hess,B.;Groenhof,G.;Mark,A. E.;Berendsen,H.J.C.J.Comput.Chem.2005,26,1701. doi:10.1002/jcc.20291

(28)Van der Spoel,D.;Lindahl,E.;Hess,B.;van Buuren,A.R.; Apol,E.;Meulenhoff,P.J.;Berendsen,H.J.Gromacs User Manual,version 4.5;www.gromacs.org.

(29)Humphrey,W.;Dalke,A.;Schulten,K.J.Mol.Graph.Model. 1996,14,33.doi:10.1016/0263-7855(96)00018-5

(30)Daura,X.;Mark,A.E.;Van Gunsteren,W.F.J.Comput.Chem. 1998,19(5),535.doi:10.1002/(SICI)1096-987X(19980415)19: 5＜535::AID-JCC6＞3.0.CO;2-N

(31)Van Gunsteren,W.;Billeter,S.;Eising,A.;Hunenberger,P.; Kruger,P.;Mark,A.;Tironi,I.Biomolecular Simulation:the Gromos 96 Manual and User Guide,1sted.;Hochschulverlag AG an der ETH Zurich:Zurich,Switzerland,1996.

(32)Bian,F.Y.;Zhang,J.W.;Wang,D.;Xu,S.C.Acta Phys.-Chim. Sin.2014,30,1947.[卞富永,張繼偉,王丹,徐四川.物理化學學報,2014,30,1947.]doi:10.3866/PKU.WHXB201408271

(33)Zhang,J.W.;Bian,F.Y.;Shi,G.J.;Xu,S.C.Acta Phys.-Chim. Sin.2014,30,183.[張繼偉,卞富永,施國軍,徐四川.物理化學學報,2014,30,183.]doi:10.3866/PKU.WHXB201311281

(34)Hess,B.;Kutzner,C.;van der Spoel,D.;Lindahl,E.J.Chem. Theory Comput.2008,4,435.doi:10.1021/ct700301q

(35)Wang,M.;Xie,W.;Li,A.J.;Xu,S.C.Chirality 2016,28(10), 674－685.doi:10.1002/chir.22630

(36)Xie,W.;Wang,M.;Li,AJ.;Xu,S.C.J.Biomol.Struct.Dyn. 2016,doi:10.1080/07391102.2016.1190947

(37)Xie,W.;Xu,Z.R.;Wang,M.;Xu,S.C.Acta Phys.-Chim.Sin. 2016,32,907.[謝煒,徐澤人,王明,徐四川.物理化學學報,2016,32,907.]doi:10.3866/PKU.WHXB201601141

(38)Shi,G.J.;Wang,Y.;Jin,Y.;Chi,S.M.;Shi,Q.;Ge,M.F.; Zhang,X.K.;Xu,S.C.J.Biomol.Struct.Dyn.2012,30(5), 559.doi:10.1080/07391102.2012.687522

(39)Xu,S.C.;Chi,S.M.;Jin,Y.;Shi,Q.;Ge,M.F.;Wang,S.; Zhang,X.K.J.Mole.Model.2012,18(1),377.doi:10.1007/ s00894-011-1083-7

(40)Chi,S.;Xie,W.;Zhang,J.;Xu,S.C.J.Biomol.Struct.Dyn. 2015,33(10),2234.doi:10.1080/07391102.2014.999256

(41)Hub,J.S.;de Groot,B.L.;van der Spoel,D.J.Chem.Theory Comput.2010,6,3713.doi:10.1021/ct100494z

(42)Marrink,S.J.;Berendsen,H.J.C.J.Phys.Chem.1994,98, 4155.doi:10.1021/j100066a040

(43)Marrink,S.J.;Jaehnig,F.;Berendsen,H.J.C.Biophys.J.1996, 71,632.doi:10.1016/S0006-3495(96)79264-0

(44)Zahn,D.;Brickmann,J.Chem.Phys.Lett.2002,352,441. doi:10.1016/S0009-2614(01)01437-3

(45)Bemporad,D.;Essex,J.W.;Luttmann,C.J.Phys.Chem.B 2004,108,4875.doi:10.1021/jp035260s

(46)Shinoda,W.;Mikami,M.;Baba,T.;Hato,M.J.Phys.Chem.B 2004,108,9346.doi:10.1021/jp035998+

(47)Nichols,J.W.;Deamer,D.W.Proc.Nat.Acad.Sci.U.S.A. 1980,77,2038.doi:10.1073/pnas.77.4.2038919

(48)Benga,G.;Pop,V.I.;Popescu,O.;Borza,V.J.Biochem.Bioph. Meth.1990,21,87.doi:10.1016/0165-022X(90)90057-J

(50)Andrasko,J.;Forsén,S.Biochem.Biophys.Res.Commun.1974, 60,813.doi:10.1016/0006-291X(74)90313-1

(51)Graziani,Y.;Livne,A.J.Membr.Biol.1972,7,275. doi:10.1007/BF01867920

(52)Khavrutskii,I.V.;Gorfe,A.A.;Lu,B.;McCammon,J.A.J. Am.Chem.Soc.2009,131,1706.doi:10.1021/ja8081704

(53)Papahadjopoulos,D.;Nir,S.;Ohki,S.Biochim.Biophys.Acta 1972,266,561.doi:10.1016/0005-2736(72)90354-9920

(54)Boateng,C.A.;Bakare,O.M.;Zhan,J.;Banala,A.K.; Burzynski,C.;Pommier,E.;Keck,T.M.;Donthamsetti,P. Javitch,J.A.;Rais,R.;Slusher,B.S.;Xi,Z.X.;Newman,A.H. J.Med.Chem.2015,58,6195.doi:10.1021/acs. jmedchem.5b00776

(55)Peelaerts,W.;Bousset,L.;Van der Perren,A.;Moskalyuk,A.; Pulizzi,R.;Giugliano,M.;Van den Haute,C.;Melki,R.; Baekelandt,V.Nature 2005,522,340.doi:10.1038/nature14547

(56)Su,W.;Chen,H.B.;Li,S.H.;Wu,D.Y.Chin.J.Gen.Pract. 2008,7,683.[蘇聞,陳海波,李淑華,吳冬穎.中華全科醫師雜志,2008,7,683.]doi:10.3760/cma.j.issn.1671-7368.2008.10.010

Molecular Dynamics of Dopamine to Transmit through Molecular Channels within D3R

LIAi-Jing XIE Wei WANG Ming XU Si-Chuan*
(Key Laboratory of Education Ministry for Medicinal Chemistry of Natural Resource,College of ChemicalScience and Technology and Pharmacy,Yunnan University,Kunming 650091,P.R.China)

In this paper,based on the complex protein structure ofthird dopamine receptor(D3R)with dopamine (DOP),we have studied the trajectories with the free energy changes of D3Rfor DOP to move along its molecular channels and then probed the molecular dynamics mechanism of DOP transmitting along molecular channels, using molecular dynamics techniques including the potentialmean force(PMF)ofumbrella samplings from the GROMACS program(version 4.5).Simulation results show thatfor DOP located in the space region of D3R to actas a neurotransmitter transmitting toward the outside ofcell,the free energy change is 134.6 kJ·mol－1along the functionalmolecular channelof y+axis within D3R,and 211.5 kJ·mol－1along the y－axis towards the intracellular part.Within the structure of D3R,the free energy changes are 65.8,245.0,551.4,172.8 kJ·mol－1for DOP to transmitalong the x+,x－,z+,z－axes,respectively,towards cellbilayer membrane,indicating that DOP leaves more easily along the x+axis through the gap between TM5(the fifth transmembrane helix)and TM6(the sixth transmembrane helix)from the internalstructure of D3R.When free DOP molecules are locatedin the intercellular spaces,once they startmoving along the inverse y+axis direction under constantpressure and temperature,they spontaneously pass through the functionalmolecular channelto reach the space region of D3R to actas a neurotransmitter,because the free energy change between DOP and D3R along the inverse y+axis direction is negative(－134.6 kJ·mol－1).Therefore,DOP interacting with D3R can easily play the role ofa neurotransmitter.After DOP molecules have performed the actions ofa neurotransmitter,they leave the internalstructure of D3Ralong the x+axis ofa protective molecular channelthrough the gap between TM5 and TM6 to avoid excessive function as transmitter.According to dopamine functionaland protective molecular channels,we suggestnew pathologies and the finding and developmentofnew drugs for Parkinson′s disease and schizophrenia.

Dopamine;Dopamine receptor;Molecular channel;Molecular simulation;Parkinson′s disease;Schizophrenia

O641

Jansen,M.;Blume,A.Biophys.J.1995,68,997.

10.1016/ S0006-3495(95)80275-4

doi:10.3866/PKU.WHXB201702211

Received:October19,2016;Revised:February 21,2017;Published online:February 21,2017.

*Corresponding author.Email:sichuan@ynu.edu.cn;Tel:+86-871-65039937.

The projectwas supported from the National Natural Science Foundation of China(21163024,21563032).國家自然科學基金(21163024,21563032)資助項目?Editorialoffice ofActa Physico-Chimica Sinica