R/S型甲基苯丙胺藥理活性差異的分子對(duì)接比較

崔露丹

摘 ? ? ?要： 甲基苯丙胺（MA）有一個(gè)手性碳原子，形成了R和S型分子。它們的物理性質(zhì)（除偏振光外）、化學(xué)性質(zhì)（除手性環(huán)境外）和分子光譜性質(zhì)相同，但是它們的藥理活性差異性大。用分子對(duì)接軟件（Autodock 4.2.6）探討手性R/S型甲基苯丙胺（MA）分子與單氧化聚合酶（DAT）結(jié)合能和結(jié)合位。結(jié)果表明：S-MA與DAT對(duì)接平均結(jié)合能量值為-34.03 kJ·mol-1，最低結(jié)合能量是-33.41 kJ·mol-1;而R-MA與DAT酶對(duì)接平均結(jié)合能量為-6.86 kJ·mol-1，最低結(jié)合能量是-5.60 kJ·mol-1，S-MA較R-MA對(duì)接DAT酶后形成的氫鍵數(shù)量多且強(qiáng)度大，而且結(jié)合能更負(fù)。與DAT結(jié)合效果最好的是S-MA，與DAT酶結(jié)合不穩(wěn)定是R-MA。

關(guān) ?鍵 ?詞：R-甲基苯丙胺（R-MA）、S-甲基苯丙胺（S-MA）;分子對(duì)接;單氧化聚合酶

中圖分類號(hào)：TQ013 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）10-2213-04

Abstract： Methamphetamine（MA） has a chiral carbon atom， forming R-type and S-type molecules. Their physical properties （except for polarized light）， chemical properties （except for chiral environment） and molecular spectral properties are the same， but their pharmacological activities are quite different. Using Autodock 4.2.6 software and molecular docking software， the binding energy and binding sites of chiral R/S-methamphetamine （MA） with DAT enzyme were studied. The results showed that the average binding energy of S-MA to DAT was -34.03 kJ·mol-1， and the lowest binding energy was -33.41 kJ·mol-1， while the average binding energy of R-MA to DAT enzyme was -6.86 kJ·mol-1， and the lowest binding energy was -5.60 kJ·mol-1. Hydrogen bonds formed with S-MA were more and stronger than those formed with R-MA. The S-MA had the best binding effect with DAT， and the R-MA had unstable binding with DAT enzyme.

Key words： R-methamphetamine（R-MA）; S-methamphetamine （S-MA）; Molecular docking; DAT

甲基苯丙胺（MA）是一種新型的成癮毒品，目前人們對(duì)其成癮機(jī)制認(rèn)知比較缺乏，治療手段非常有限，涉及多種神經(jīng)遞質(zhì)、受體和轉(zhuǎn)運(yùn)體，危害程度很高。20世紀(jì)70年代，美國(guó)、日本、德國(guó)等開始從行為學(xué)、形態(tài)學(xué)、分子水平對(duì)MA的作用機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，但一些機(jī)制并沒有完全弄清楚，目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在氧化應(yīng)激、神經(jīng)元凋亡、膠質(zhì)細(xì)胞活化等方面。王存新等對(duì)藥物分子對(duì)接方法和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行細(xì)致的介紹，列舉可以用于反向虛擬篩選的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，并列舉該方法在藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一些具體應(yīng)用，最后對(duì)該方法目前所存在的問題進(jìn)行討論[1];謝治深等闡述了常用計(jì)算機(jī)合理藥物設(shè)計(jì)方法及其在新藥研發(fā)中的應(yīng)用，為加快新藥研發(fā)速度提供理論指導(dǎo)[2]。汪祺等考察芹菜素對(duì)UGT1A1酶活性的影響，從而預(yù)測(cè)其在臨床用藥時(shí)潛在的藥物間相互作用，提示黃酮類母核結(jié)構(gòu)具有與酶蛋白UGT1A1結(jié)合的特殊結(jié)構(gòu)[3];袁鳳珠等基于分子對(duì)接的HIV-1 RT抑制劑虛擬篩選的方法，探討了核糖核酸酶活性[4];劉志強(qiáng)等就現(xiàn)階段常用的網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析服務(wù)器、中藥化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、靶標(biāo)預(yù)測(cè)技術(shù)等數(shù)據(jù)平臺(tái)的使用方法、細(xì)節(jié)要點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)其在中藥網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，以供研究人員參考[5];楊欣等基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)及分子對(duì)接分析熊果酸抗類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的分子機(jī)制[6];白啟峰介紹了Schrodinger藥物虛擬篩選的基本原理、流程和使用方法，提高了藥物發(fā)現(xiàn)的效率[7];肖澤云等從天然產(chǎn)物中篩選人類免疫缺陷病毒（HIV）非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑（NNRTI）和整合酶鏈轉(zhuǎn)移抑制劑作用位點(diǎn)的雙靶點(diǎn)抑制劑[8];劉景陶和柳耀花通過(guò)分子對(duì)接篩選出大量具有生理活性的藥物小分子，這些小分子作為先導(dǎo)化合物再經(jīng)過(guò)多輪反復(fù)與受體靶標(biāo)分子進(jìn)行對(duì)接，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最終產(chǎn)生可能成藥的候選物[9-10];劉燕茹針對(duì)當(dāng)前甲狀腺亢進(jìn)癥藥物治療存在的治愈時(shí)間長(zhǎng)、且毒副作用大等問題，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于現(xiàn)有過(guò)氧化酶抑制劑甲亢平、甲巰咪唑、丙硫氧嘧啶以及甲硫氧嘧啶的新型TPO抑制劑的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和虛擬篩選方法[11];黃溪等基于分子對(duì)接的選擇性激素類藥物的毒副作用研究，采用Sybyl-X軟件中Surflex-Dock分子對(duì)接模塊，評(píng)價(jià)選擇性激素類藥物與雌激素受體、孕激素受體、甲狀腺激素受體、糖皮質(zhì)激素受體、雄性激素受體的結(jié)合模式，以打分函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)激素類藥物與受體之間的親和強(qiáng)弱關(guān)系，探討藥物與靶標(biāo)的作用機(jī)制[12];史海龍等基于藥物靶點(diǎn)從傳統(tǒng)中藥庫(kù)中高通量虛擬篩選抑制劑，運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬篩選技術(shù)從傳統(tǒng)中藥數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找表皮生長(zhǎng)因子受體激酶的中藥小分子抑制劑[13];杜冉峰通過(guò)分子對(duì)接技術(shù)，以與衰老相關(guān)的雷帕霉素靶蛋白為對(duì)接受體，以茯苓、桑枝、木瓜、薏苡仁和厚樸5味祛濕藥中的化學(xué)成分為對(duì)接小分子，初步篩選祛濕藥中的抗衰老活性成分[14]。手性分子的物理性質(zhì)完全相同（除了對(duì)偏振光的作用不同外），化學(xué)性質(zhì)也完全相同（除了對(duì)手性試劑的作用不同外），但是它們的生物藥理和毒理性差別很大，這個(gè)可能跟生物酶等大分子的手性有關(guān)，人們理解為手性差別導(dǎo)致空間位阻不同，導(dǎo)致化學(xué)性質(zhì)不同。手性分子的這種性質(zhì)差異，是否可以用第一性原理來(lái)計(jì)算出來(lái)呢？本文采用分子對(duì)接的方式來(lái)模擬小分子甲基苯丙胺手性配體與受體生物大分子ADT酶之間的相互作用，通過(guò)計(jì)算得知兩者之間的最佳結(jié)合構(gòu)象和最低結(jié)合能量，進(jìn)行比較。寧中軍等闡述了手性藥物的概念、藥理作用類型及研究制備方法[15]。奇云在《世界科學(xué)》雜志上介紹了2001年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)成果對(duì)人們?nèi)绾胃哌x擇性地引入和構(gòu)建新的手性中心、以及如何控制產(chǎn)物的立體化學(xué)方面包括手性藥物的研制與開發(fā)所起到的推動(dòng)作用[16]。田四琦等說(shuō)明了手性藥物對(duì)映體藥效學(xué)的立體選擇性[17]。芮建中等闡述了手性藥物對(duì)映體選擇性的藥物動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)與臨床合理用藥[18];曾蘇等陳述了手性藥物的藥理及其體內(nèi)對(duì)映體的測(cè)定方法[19];汪兵陳述了手性藥物對(duì)藥效的影響及立體選擇性合成[20]。進(jìn)一步探究它們之間的相互作用可為臨床特異靶向治療MA成癮提供理論依據(jù)，也可為研發(fā)高效戒毒藥物提供新思路。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?軟件與模型

Chem3D、ChemDraw8.0、GaussView5.0.9、Gaussian09、AutoDockToos1.5.6等軟件。Autodock是一款開源的免費(fèi)分子對(duì)接模擬軟件，AutoDock軟件由 AutoGrid 和 AutoDock兩個(gè)程序組成。其中 AutoGrid 主要負(fù)責(zé)格點(diǎn)中相關(guān)能量的計(jì)算，而 AutoDock 則負(fù)責(zé)構(gòu)象搜索及評(píng)價(jià)。S型手性甲基苯丙胺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用Chem3D軟件，構(gòu)建1個(gè)手性C原子模型，并使用ChemDraw8.0進(jìn)行其能量最低化;在 GaussView 5.0.9 軟件中，對(duì)其進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化，并保存其 mol格式和gif 格式。突觸前膜多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體（DAT）酶3D結(jié)構(gòu)式見圖2。

1.2 ?分子骨架結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)比

手性藥物小分子MA的結(jié)構(gòu)采用 Chemdraw 8.0進(jìn)行建構(gòu)與優(yōu)化得到2D結(jié)構(gòu)，再導(dǎo)入ChemBio3D軟件得到3D結(jié)構(gòu)，然后使用GaussView 5.0.9軟件在B3LYP/-31G水平上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。隨后導(dǎo)入 AutoDockTools1.5.6 軟件進(jìn)行對(duì)接準(zhǔn)備;突觸前膜經(jīng)多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體（DA transporter，DAT）DAT酶的x線晶體結(jié)構(gòu)是從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)（PDB）中提取的，刪除PDB文件中所有的結(jié)晶水和配體分子。在對(duì)接之前我們需要將極性氫原子加上，與此同時(shí)科爾曼全原子電荷也要添加到酶的部分原子上，在進(jìn)行對(duì)接時(shí)，需對(duì)酶進(jìn)行剛性處理，而藥物分子的鍵要設(shè)置為可自由旋轉(zhuǎn)，以便進(jìn)行半剛性對(duì)接。我們對(duì)每個(gè)體系都進(jìn)行100次的對(duì)接，采用拉瑪克遺傳算法（LGA），最大能量評(píng)估為25 000 000。對(duì)于對(duì)接的結(jié)果處理，我們是根據(jù)均方根偏離標(biāo)準(zhǔn) ? ? RMS= 2.0 ? 進(jìn)行歸類成簇，因?yàn)檐浖梢越o出小分子與蛋白的結(jié)合自由能值;運(yùn)用GaussView 5.0.9軟件，分別選中兩個(gè)原子進(jìn)行鍵長(zhǎng)計(jì)算，選中3個(gè)原子進(jìn)行鍵角計(jì)算，S型甲基苯丙胺的鍵長(zhǎng)鍵角計(jì)算結(jié)果見表1。由表1中數(shù)據(jù)可知，MA分子最長(zhǎng)鍵長(zhǎng)為碳碳單鍵1.42，最短鍵長(zhǎng)為氧氫單鍵0.96 ?。最大鍵角為120.18，最小鍵角為109.86°。R-MA藥物分子的骨架結(jié)構(gòu)與其他性質(zhì)完全相同（見表2）。多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（DAT）是一種完整的膜蛋白，可從突觸間隙中去除多巴胺并將其沉積到周圍細(xì)胞中，從而終止神經(jīng)遞質(zhì)的信號(hào)。它是由604個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成，它含17個(gè)氨基殘基的信號(hào)肽。它的C端有一個(gè)特異的18個(gè)氨基酸片段，能夠使得其與膜結(jié)合（圖2）。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?S-MA與DAT酶的對(duì)接結(jié)果

藥物與蛋白質(zhì)結(jié)合的穩(wěn)定性跟其結(jié)合自由能大小有著緊密的聯(lián)系，其結(jié)合自由能越負(fù)，小分子與蛋白的結(jié)合越牢靠;結(jié)合自由能越正，則小分子與蛋白結(jié)合越不牢靠，可以用來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)接結(jié)果，使結(jié)果更具有可靠性。用AutoDock4.2.6軟件進(jìn)行分子對(duì)接。首先第一步打開AutoDockToos 1.5.6軟件，在File菜單欄下找到Preferences Set打開文件夾用Make Default建立屬于AutoDock的文檔。第二步在Analyze菜單欄下找到Dockings Open打開小分子R/S MA的pdb格式文件，用Macromolecule Open打開大分子DAT的文件，用Clusterings Show進(jìn)行分子結(jié)合。第三步是用Dockings Show Interactions進(jìn)行分子對(duì)接。第四步選擇最高能量柱，在Hydrogen Bonds菜單欄下找到Display As Lines得出分子對(duì)接氫鍵消息，根據(jù)氫鍵判斷結(jié)合穩(wěn)定性。根據(jù)對(duì)接軟件得到的 S-MA與DAT酶對(duì)接圖像如圖3所示，S-MA分子與DAT對(duì)接后總共形成3個(gè)氫鍵。其中一個(gè)是S-MA分子上的氫與ILE20羰基上的氧形成的氫鍵;一個(gè)氫鍵是S-MA分子的氧與GLY20羰基上的氫所形成的， 另一個(gè)氫鍵是S-MA分子氧與IE80羰基上的氫所形成的。

通過(guò)Autodock軟件計(jì)算可以得出它的具體對(duì)接數(shù)據(jù)見表3。由表3可以看出，數(shù)量最多的簇級(jí)是9號(hào)簇級(jí)，數(shù)量為12，平均結(jié)合能量為-8.07 kJ·mol-1，最低結(jié)合能量是 -8.14 kJ·mol-1，說(shuō)明在S-MA與DAT酶對(duì)接中該簇級(jí)對(duì)接效果最好。通過(guò)對(duì)S-MA與酶的氫鍵數(shù)以及具體的對(duì)接數(shù)據(jù)分析，我們可以發(fā)現(xiàn)S-MA與DAT對(duì)接過(guò)程中第2簇族與第9簇族對(duì)接效果也是比較好的，說(shuō)明S-MA藥物對(duì)DAT酶具有較好的抑制作用。

2.2 ?R-MA與DAT酶對(duì)接結(jié)果

由圖4可見，R-MA分子與DAT酶對(duì)接后總共只形成1個(gè)氫鍵。這個(gè)氫鍵是R-MA分子上的氫與DAT上的ALA96羰基上的氧形成的。而通過(guò)分子對(duì)接軟件模擬計(jì)算得出的具體對(duì)接能的數(shù)據(jù)見表4。

由表4 可以看出，數(shù)量最多的簇級(jí)是2號(hào)簇級(jí)，數(shù)量為1，平均結(jié)合能量為-5.60 kJ·mol-1，最低結(jié)合能量是-6.85 kJ·mol-1，說(shuō)明R-MA與DAT酶對(duì)接中該簇級(jí)對(duì)接效果好。

通過(guò)以上2組R/S手性分子MA虛擬對(duì)接實(shí)驗(yàn)，可以初步得出S-MA與DAT對(duì)接平均結(jié)合能量值為：34.03 kJ·mol-1，最低結(jié)合能是-33.73 kJ·mol-1;而R-MA與DAT酶對(duì)接平均結(jié)合能為： ? ? ? -6.86 kJ·mol-1，最低結(jié)合能量是-5.60 kJ·mol-1。

3 ?結(jié) 論

計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、分子生物學(xué)以及分子藥理學(xué)等多學(xué)科交叉發(fā)展的基礎(chǔ)上的一種藥物研發(fā)新技術(shù)。將該方法應(yīng)用于藥物設(shè)計(jì)，這在很大程度上加快了藥物設(shè)計(jì)和開發(fā)的速度。本文以計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的方法研究了兩種手性藥物分子S-MA型和R-M的物理化學(xué)性質(zhì)差異以及它們分別與DAT單胺氧化酶的結(jié)合模式：

1）用AutoDock4.2.6軟件進(jìn)行分子對(duì)接，根據(jù)氫鍵以及最低結(jié)合能判斷結(jié)合穩(wěn)定性，最后得出MA分子與單氧化聚合DAT酶結(jié)合能與結(jié)合構(gòu)象。將手性藥物R/S-MA分別與轉(zhuǎn)用DAT酶蛋白分子進(jìn)行分子對(duì)接，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)軟件Autodock4.2.6模擬探究?jī)蓮?fù)合物在真實(shí)環(huán)境中的穩(wěn)定性差異。

2）選擇AutoDockTools1.5.6分子對(duì)接程序，考察兩種MA分子藥物與ADT的結(jié)合構(gòu)象。分子虛擬對(duì)接研究表明，S-MA和R-MA與DAT酶對(duì)接的兩種情況中，S-MA存在3個(gè)氫鍵，R-MA只存在一個(gè)氫鍵。前者與DAT對(duì)接時(shí)所需要的最低結(jié)合能量最低，結(jié)合最穩(wěn)定;S-MA與DAT酶對(duì)接時(shí)所需要的最低結(jié)合能量大，結(jié)合不穩(wěn)定。所得結(jié)果為理解手性藥物分子藥理活性差異提供依據(jù)。利用對(duì)接方法研究新的抑制劑分子的對(duì)接結(jié)合模式以及對(duì)其結(jié)合能力進(jìn)行分析的作用機(jī)制，將為防治吸毒的效用新靶點(diǎn)提供參考。

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