煙堿樣乙酰膽堿受體門控機(jī)制的動力學(xué)研究.pdf

1、自從20世紀(jì)70年代，分子動力學(xué)模擬首次在蛋白質(zhì)分子應(yīng)用以來，尤其在生物科學(xué)領(lǐng)域變得越來越普遍。它提供了一種用計算機(jī)在原子水平上動態(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，而且分子動力學(xué)方法本身也一直在發(fā)展。例如，拉伸分子動力學(xué)(steered molecular dynamics，SMD)作為分子動力學(xué)的一個分支，20世紀(jì)90年代以來在研究配體的結(jié)合/解離過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，用長時間(30納秒)的常規(guī)分子動力學(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)動分子動力學(xué)(steered rotation moleculardynamics，SRMD)，來模擬在生理時程里發(fā)生的運(yùn)動。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)動的成因，我們使用自

3、己設(shè)計的三個拉伸模型，分別使用拉伸分子動力學(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)的拉伸分子動力學(xué)方法。 論文由五個部分組成，概述如下： 第一章概述了分子動力學(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，介紹了分子動力學(xué)的理論和應(yīng)用。首先是回顧了分子動力學(xué)的簡史，并提到了牛頓方程、原子間勢函數(shù)和有限差分算法。拉伸分子動力學(xué)和自由能對計算也包括在這一章中。接著總結(jié)了使用和發(fā)展分子動力學(xué)的原因，并且對力場和算法的進(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)和外圍突觸中信號傳導(dǎo)的關(guān)鍵分子。雖然已經(jīng)對它做了大量計算研究和實(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)的動態(tài)變化。 在第三章中我們對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)分子動力學(xué)模擬和拉伸轉(zhuǎn)動分子動力學(xué)模擬，來研究它的門控的力學(xué)基礎(chǔ)。為了模仿乙酰膽堿(ACh)的推動作用，我們提出并使用了一

6、種非平衡的分子動力學(xué)模擬--拉伸轉(zhuǎn)動分子動力學(xué)。結(jié)果不僅證實(shí)了由30納秒的常規(guī)分子動力學(xué)和正態(tài)模式分析所得到的運(yùn)動，還顯示出通道可能經(jīng)歷著一種張開-閉合的運(yùn)動。分子動力學(xué)模擬不僅探究了在門控過程中受體的結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，而且在原子水平上對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/解離過程對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，拉伸分子動力學(xué)模擬來提供了了解

7、激動劑尼古丁分子的解離過程。三個不同的拉伸模型--徑向、切向和混合模型，被設(shè)計用來尋找可能的解離途徑。在這三個模型中，切向拉伸模型最終也沒使尼古丁從配體結(jié)合口袋中解離。混合拉伸模型比起切向拉伸模型，拉伸作用力的效率高，C-loop的張開程度小。對于類膽堿的激動劑尼古丁來說，進(jìn)入或離開結(jié)合口袋的最合適的途徑就是沿一條曲線的軌跡穿過主結(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，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)化的拉伸分子動力學(xué)方法被用來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搜索最優(yōu)的拉伸方向。通過在傳統(tǒng)的拉伸分子動力學(xué)模擬中加入一個優(yōu)化階段，對于深埋的活性位點(diǎn)可以得到一個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、需要更少的解離時間和更短的運(yùn)動軌跡；甚至對