第一章 研究背景
1.1 蛋白质的基本单元
蛋白质从结构上看，是一系列氨基酸通过羧基和氨基缩合失水（即肽键）连接而成的长肽链。在描述蛋白质的一级结构时，我们以氨基酸残基（-NH-CHRi-CO-）为单位；而在研究蛋白质立体结构时，必须用肽平面（-CHRi-CO-NH-CHRi+1-）为基本单位（图 1-1）。用两面角 ω 来描述肽键的刚性和可变程度；用 ψ 和 φ 来定量描述 α 碳原子和肽平面间单键旋转情况：α 碳原子与氨基一侧成角用 φ 表示，而与羧基一侧用 ψ 表示；另一些两面角 χi 来定量描述氨基酸侧链中一些碳原子（如 α碳原子和 β 碳原子）间单键旋转的参数。由于氨基酸残基侧链基团体积变化，其位阻效应影响着 ψ 和 φ 的可变动范围。Ramachamdran 及其同事以肽键的刚性为基础，计算出 ψ 和 φ 的所有可能值并以此为坐标绘制了在肽链骨架中各种氨基酸残基 ψ 和 φ 的许可值的二维图，被称之为拉氏作图。这为我们在模建蛋白时，对评价模型结果提供了判断依据。甘氨酸在 α 碳原子上是 2 个氢原子，不产生任何位阻效应但在蛋白质的立体结构形成中起着特定的作用，通常出现在蛋白质的转角区域或构象柔性区域，严重破坏 α 螺旋的形成；丙氨酸残基倾向形成 α 螺旋；半胱氨酸在侧链有高度的化学反应活性，而且位置合适的两个半胱氨酸能形成稳定的二硫键，这对蛋白质的立体结构及其重要；脯氨酸是环状的亚氨基酸，易于变成顺式的肽键，在多肽链中缺少酰胺氢而不能形成骨架氢键；天冬酰胺的侧链体积较小多出现于转角中，还常是 N 糖基化的位点；带电荷氨基酸侧链上带正电荷可与带负电荷的基团产生静电相互作用。氨基酸和一些氨基酸的衍生物是重要的神经递质，包括谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸、源自组氨酸的组胺、源自色氨酸的 5-羟色胺、源自天冬氨酸的 N 乙酰天冬氨酸、多巴胺、源于酪氨酸的去甲肾上腺素、精氨酸的代谢产物一氧化氮、蛋氨酸系列反应后生成的乙烯。
1.2 蛋白质的结构
蛋白质的一级结构、二级结构和三级结构的概念是由丹麦蛋白质化学家Linderstrom-Lang 于 1953 年提出；英国晶体学家 Bernal 在 1978 年提出了蛋白质四级结构概念。近年来，蛋白质化学家提出了超二级结构和结构域。蛋白质的二级、三级和四级结构又称为高级结构。蛋白质由其一级结构折叠成三级结构的过程被认为是动力学过程；而形成的三级结构蛋白质能够稳定存在是由热力学决定的。蛋白质结构中，原子和基团间的错综复杂而又有级联次序的相互作用可归结为类似化学中常见的成键缔合和非成键作用。主要有以下几种类型：氢键：蛋白质中存在有大量的电离的羧基和质子化的氨基及亚氨基，它们是很好的氢原子的受体和供体，在特定的几何构型和适宜的距离时，彼此相互作用形成氢键。如果氢受体和供体本身再带有电荷，通常是碱性和酸性氨基酸残基间的氢键，则强度更大。形成氢键的能量变化不大，但从其在形成蛋白质的二级结构中来看，尤其重要。静电作用：蛋白质内氨基酸残基上带电的基团间能产生静电相互作用，也称为盐桥；而一些极性基团周围环境的影响下可以被诱导成一种稳定的偶极也能产生静电作用。这些静电作用严格服从库伦定律。范德华力：蛋白质中所有的原子都在不停地运动，原子上的电子也时刻都在绕着原子核做运动。由于一些原子在某一瞬间的正负电荷发生相对偏移形成瞬间偶极而产生的相互作用称为色散力，也就是我们熟知的范德华力。疏水作用[29]：生物体本身就是疏水和亲水物质平衡统一的产物。组成蛋白质的疏水性氨基酸残基间聚集而形成的相互作用被称为疏水作用，其在形成和稳定蛋白质的立体构象中的作用极其重要。疏水作用的本质是一种熵驱动的作用。配位键：在一些金属蛋白质中，一些参与形成氢键的氨基酸上的基团也能和金属铁、钙、锌、铜、锰、镁、钼等形成配位键，从而稳定蛋白质的结构和实现一些功能作用。二硫键：在真核生物新生肽链合成后，两个半胱氨酸残基的侧链疏基氧化成胱氨酸，而形成的非常强的共价键，此键称为二硫键，它是蛋白质翻译后修饰的结果。二硫键的形成使得肽链的空间结构更紧密，很好地稳定了蛋白质的结构，常常作为蛋白质折叠过程中的限速步骤。其他作用：糖基化可以明显改变蛋白质表面的亲水和疏水平衡；磷酸化对参与细胞内信号传导的蛋白质的功能十分重要；蛋白质 N 和 C 端的修饰，据推测与蛋白质的防降解有关。
第二章 研究方法
本章首先介绍基于配体分子的药物设计的定量构效关系方法，CoMFA 和CoMSIA，从两种方法的基本原理可以获知，在不清楚药物作用受体结构的情况下，通过构建药物分子的定量构效关系模型，对先导化合物结构的修饰及改造。接着我们对基于受体结构的药物设计的分子对接方法，Glide 和 Induced Fit，并从 Glide的原理来可以得知，通过不同方式和精度的对接，可以寻找到药物分子与蛋白受体的最适结合状态。最后，我们对计算机模拟实验室真实溶液中分子运动的分子动力学模拟做了详细的介绍，从理论上解释模拟的可靠性。
2.1 定量构效关系
定量构效关系（QSAR）是采用数理统计方法，将化合物的某种生命活性表示成化合物结构的函数，研究和揭示两者之间的定量变化规律。最早是在 1868 年由Crum-Brown 和 Fraser 提出，直到 1964 年，在 Hansch 法[65]和模式识别 Free-Wilson法[66]的发表，定量构效关系的研究才进入实质性发展。1988 年，R.D.Cramer 又发表了比较分子力场分析法 (CoMFA)[67]，及 1994 年 G.Klebe 提出的比较分子相似性法（CoMSIA）[68]。这将分子的三维结构考虑进模型中，而统称为 3D-QSAR，其间接反映药物分子作用过程中底物和受体之间的非键相互作用。通常实验上的生物活性相关量度有：半数抑制浓度(IC50)、半数有效浓度(EC50)、半数致死浓度(LC50)、半数有效剂量(ED50)、半数致死剂量（LD50）和最小抑制浓度（MIC）等。另外，还有距离几何学(DG)[69]、分子形状分析(MSA)[70]和虚拟受体方法(FR)[71]等三维定量构效关系。
第三章 定量构效关系 ...........23
3.1 数据准备 ...........23
3.2 标准 CoMFA 模型及其等势图分析 ...........28
3.3 区域集中优化 CoMFA 模型及其等势图...........33
3.4 CoMSIA 模型及其等势图分析 ...........36
3.5 结论 ...........38
第四章 分子对接...........41
4.1 数据准备 ...........41
4.2 分子对接分析 ...........43
4.3 结论 ...........48
第五章 分子动力学 ...........49
5.1 数据准备 ...........49
5.2 分子动力学模拟结果分析...........50
5.3 结论 ...........56
结论
GPCRs 是目前新药研究与开发的重要靶标，通过配体小分子与 GPCRs 绑定下的计算机分子动力学模拟，研究药物小分子与蛋白质的相互作用机制和作用过程，可以探索在不同药物分子的作用下蛋白质结构与功能关系，进一步探讨人类疾病机理，及时作出预防、诊断和治疗，为改进药效和研制新药提供了重要的信息和依据。在利用计算机辅助进行药物设计中，我们通常采用基于配体的药物设计和基于受体的药物设计方法。对于前者，可以在不清楚药物作用靶蛋白的情况下对现有的大量药物分子的结构和药效等信息进行定量构效关系的研究，如利用 CoMFA和 CoMSIA 工具，用于对先导化合物结构的修饰及改造。对于后者，一般是在已知受体蛋白质三维结构的条件下将药物小分子绑定到蛋白质活性位点来研究两者的结合模式，如利用 Glide 和 Induced Fit 工具，用于寻找药物分子-蛋白受体的最适结合状态。通过以上方法的研究，我们基本确定了吡唑-噁二唑类衍生物中的 R1 和 R2 取代基位置上的基团的电性、体积和朝向对其在S1P1受体中的生物活性值特别重要，这是我们以后进行药物改进要注意的关键点；S1P1 受体跨膜螺旋上残基 L1283.36、L2726.51、F2736.52、L2766.55、C2067.43、T2077.44、C2067.43、F2107.47和 A3007.43围成的疏水区域与配体上的疏水尾巴形成致密的疏水相互作用对提高药物小分子的生物活性值至关重要；同时被广泛认为是激活开关的残基 W2696.48，在高活性激动剂化合物 81 的绑定下，所特有的与 F2656.44和 F2736.52三者之间形成大的 π-π 共轭体系对配体绑定下的 S1P1 受体处于稳定的激活态十分重要。在国务院《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》中重点发展生物产业政策的支持下，创新药物的研发和靶标 GPCRs 的结构与功能研究将处于快速发展期。这将为我们提供更多的实验数据，有利于实验技术与计算机模拟的有机结合，从而进一步推动药物恩子设计和开发的发展。
参考文献
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