1，1’-二萘基骨架的探針?lè)肿訉?duì)氨基酸/氨基酸衍生物識(shí)別的研究

范文杰，雷 凱，向明禮，楊明理

(1.四川大學(xué)化工學(xué)院，成都 610065;2.四川大學(xué) a.華西醫(yī)院生物治療國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.華西醫(yī)院納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)與膜生物學(xué)研究所，成都 610041)

1，1’-二萘基骨架的探針?lè)肿訉?duì)氨基酸/氨基酸衍生物識(shí)別的研究

范文杰1，2a，雷 凱2a，向明禮2a，楊明理2b

(1.四川大學(xué)化工學(xué)院，成都 610065;2.四川大學(xué) a.華西醫(yī)院生物治療國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.華西醫(yī)院納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)與膜生物學(xué)研究所，成都 610041)

對(duì)1，1’-二萘基骨架的3個(gè)探針?lè)肿?，采用Hyperchem和Gaussian 03先后進(jìn)行分子力學(xué)優(yōu)化、分子動(dòng)力學(xué)模擬、半經(jīng)驗(yàn)和HF/STO-3G水平幾何構(gòu)型優(yōu)化。用AutoDock Vina將優(yōu)化后的探針?lè)肿?、配體分子α-氨基酸/α-氨基酸衍生物進(jìn)行對(duì)接實(shí)驗(yàn)，獲得相應(yīng)的復(fù)合物的最佳作用模式并計(jì)算它們之間的親和能。結(jié)果表明，理論計(jì)算所獲得的探針?lè)肿优c配體分子α-氨基酸/α-氨基酸衍生物之間的結(jié)合模式，與根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所推斷的作用模式幾乎完全相同;所計(jì)算的復(fù)合物之間的親和能，也與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的結(jié)合常數(shù)間有相同的變化趨勢(shì)。

分子識(shí)別;分子力學(xué);分子動(dòng)力學(xué);分子模擬;分子對(duì)接

由于Brown，F(xiàn)arthing［1］以及Cram和Steinberg等［2-6］人的開(kāi)創(chuàng)性研究工作，環(huán)芳化學(xué)得以創(chuàng)立和發(fā)展，環(huán)芳(cyclophane)的概念也逐步清晰。它是一種1個(gè)芳環(huán)上有2個(gè)以上的原子并入更大環(huán)形體系的分子。環(huán)芳分子有諸多潛在特性。譬如在苯環(huán)引入功能團(tuán)后因?yàn)榭臻g位阻所致的不對(duì)稱性、可能存在的某種隙間共振效應(yīng)而引起的芳香性改變以及在其中1個(gè)環(huán)引入吸電子基團(tuán)在另1個(gè)環(huán)引入供電子基團(tuán)可能形成分子內(nèi)分子配合物等。因而，環(huán)芳的研究備受關(guān)注。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，從環(huán)芳化學(xué)的研究中，已衍生出主客體化學(xué)、手性識(shí)別［7-11］、超分子［12］等眾多新興領(lǐng)域。

近年來(lái)，以1，1’-二萘基為骨架的探針?lè)肿?，成為環(huán)芳化學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)［13-15］。這類(lèi)分子已廣泛應(yīng)用于分子識(shí)別、不對(duì)稱合成和生物學(xué)研究。因?qū)δ承│?羥基羧酸、α-氨基酸及其衍生物進(jìn)行高度選擇性識(shí)別的性質(zhì)，使其有望被開(kāi)發(fā)成為一種手性化合物對(duì)映體組成的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)，從而極大地促進(jìn)手性催化劑的高通量篩選和手性分子的快速檢測(cè)。由于這類(lèi)分子的生物相關(guān)性和潛在的應(yīng)用價(jià)值，因而引發(fā)了越來(lái)越廣泛的注意。

在這類(lèi)化合物中，探針?lè)肿?見(jiàn)圖1)S1能高度識(shí)別其中一種D-型絲氨酸衍生物;S2與一系列L-型氨基酸間有不同的結(jié)合強(qiáng)度;而探針?lè)肿覵3對(duì)色氨酸的識(shí)別，尤其值得深究。與其他同類(lèi)探針?lè)肿硬煌氖牵琒3能區(qū)分D型和L-型色氨酸，并對(duì)D-型色氨酸表現(xiàn)出有較強(qiáng)的親和性。然而，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，從實(shí)驗(yàn)上去深層次地探究它與D-型色氨酸的相互作用還不現(xiàn)實(shí)。因此，從分子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)和量子化學(xué)的層面對(duì)探針?lè)肿优c氨基酸/氨基酸衍生物的相互作用進(jìn)行理論研究，是十分必要和很有意義的。

圖1 對(duì)某些α-氨基酸/α-氨基酸衍生物高度選擇性識(shí)別的探針?lè)肿?/p>

1 研究方法

1.1 探針?lè)肿咏Y(jié)構(gòu)的獲取

本文首先用ChemBio3D構(gòu)建了圖1中的探針?lè)肿印?duì)S1和S2依次在Hyperchem程序中用分子力學(xué)和半經(jīng)驗(yàn)方法作構(gòu)型優(yōu)化，然后用Gaussian 03［16］在HF/STO-3G水平作進(jìn)一步優(yōu)化。用分子力學(xué)優(yōu)化時(shí)采用OPLS［17］力場(chǎng)，半經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化采用AM1［18］方法。在分子力學(xué)和半經(jīng)驗(yàn)水平，都是先用DS算法優(yōu)化，然后用Fetcher-Roovers算法優(yōu)化直到收斂。

分子探針?biāo)R(shí)別的小分子的結(jié)構(gòu)，也用上述方法獲取。探針?lè)肿覵3的優(yōu)化過(guò)程略微不同。鑒于S3分子本身更大更復(fù)雜，本文采用上述的方法，把構(gòu)建好的分子先在分子力學(xué)水平優(yōu)化。為了得到構(gòu)型更合理、能量更低的分子構(gòu)象，用分子動(dòng)力學(xué)方法先把探針?lè)肿覵3進(jìn)行10 ps的升溫模擬，溫度從0 K升到600 K;然后在600 K進(jìn)行100 ps的高溫動(dòng)力學(xué)模擬;之后再將溫度降低到300 K，動(dòng)力學(xué)模擬退火的時(shí)間為100 ps。繼而在300 K進(jìn)一步作100 ps動(dòng)力學(xué)平衡模擬。最后，對(duì)動(dòng)力學(xué)模擬的分子依次進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化和HF/STO-3G水平的幾何構(gòu)型優(yōu)化。

1.2 研究方法的驗(yàn)證

為了保證理論研究所獲得的探針?lè)肿覵3對(duì)色氨酸識(shí)別的研究結(jié)果的可靠性，本文從2個(gè)方面對(duì)研究方法進(jìn)行驗(yàn)證。首先研究了探針?lè)肿覵1對(duì)D-型絲氨酸衍生物的識(shí)別。S1對(duì)D-型絲氨酸衍生物具有非常高的選擇性識(shí)別能力，它們間的相互作用也有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。然后進(jìn)一步研究探針?lè)肿覵2與L-型色氨酸、L-纈氨酸、L-型絲氨酸之間的相互作用。實(shí)驗(yàn)表明，S2與L-型色氨酸之間有非常強(qiáng)的相互作用;與L-纈氨酸間的相互作用較弱;而與絲氨酸幾乎沒(méi)有相互作用。

在對(duì)上述體系進(jìn)行研究的過(guò)程中，被識(shí)別的分子作為配體，探針?lè)肿訛槭荏w，整個(gè)探針?lè)肿拥乃胁课欢急惶幚沓蓾撛诘慕Y(jié)合位點(diǎn)。用AutoDock Vina［19］進(jìn)行對(duì)接實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算受體—配體間相互作用的強(qiáng)弱。在重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，再對(duì)探針?lè)肿覵3與D-型色氨酸間的相互作用進(jìn)行同樣的研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 作用模式的重現(xiàn)

在其相應(yīng)的同類(lèi)分子中，探針?lè)肿覵1對(duì)D-型絲氨酸衍生物的選擇性識(shí)別能力是最強(qiáng)的。在經(jīng)過(guò)由低到高不同層面的方法對(duì)S1進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)的貫序優(yōu)化后，用AutoDock Vina進(jìn)行分子對(duì)接實(shí)驗(yàn)所得到的S1與D-型絲氨酸衍生物間的相互作用模式，如圖2(a)所示。

絲氨酸衍射物中羧基上的兩個(gè)O，分別與探針?lè)肿又衅渲幸粋€(gè)萘基的2-位羥基以及δ位氨基上的氫形成氫鍵。而其側(cè)鏈上的羥基氫或α位的氨基氫，都有和探針?lè)肿应治坏牧u基氧形成氫鍵的可能。這與通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察所推斷的作用模式幾乎完全一致。此外，分子對(duì)接實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，D-型絲氨酸衍生物上面的苯環(huán)，與探針?lè)肿又辛硪粋€(gè)χ位的苯環(huán)之間，存在π-π相互作用。該作用是用實(shí)驗(yàn)手段沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的。這表明，本文所采用的一系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略和隨之進(jìn)行的分子對(duì)接實(shí)驗(yàn)，能夠正確地預(yù)測(cè)該探針?lè)肿优cD-型絲氨酸衍生物間的相互作用模擬。

圖2 分子探針S1識(shí)別D-型絲氨酸衍生物的作用模式(a)。經(jīng)分子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、半經(jīng)驗(yàn)和HF/STO-3G水平處理后的探針?lè)肿覵3的幾何構(gòu)型(b)。S3與D-型色氨酸間的作用模擬(c).

2.2 相互作用強(qiáng)度的區(qū)分

探針?lè)肿覵2與L-型色氨酸、L-纈氨酸、L-型絲氨酸間的相互強(qiáng)度，呈現(xiàn)出不同的梯度變化。其結(jié)合常數(shù)如表1所示。用分子對(duì)接方法，尋找它們間的最佳結(jié)合模式并計(jì)算其間的親和能。

結(jié)果表明，采用本文的研究方法所計(jì)算的S2與各L-型氨基酸間的相互作用強(qiáng)度，其變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果是一致的。

表1 探針?lè)肿覵2與不同氨基酸間的結(jié)合常數(shù)及所計(jì)算的親和能

2.3 探針?lè)肿覵3對(duì)D-色氨酸的識(shí)別作用

由于探針?lè)肿覵3結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，用普通的幾何構(gòu)型優(yōu)化很難保證得到較低能量的幾何構(gòu)型。而采用動(dòng)力學(xué)的升溫、高溫模擬、退火、平衡等模擬策略，可以得到能量更低的分子幾何構(gòu)型。因?yàn)槎虝r(shí)間大幅度的升溫和高溫模擬，可以對(duì)分子的初始狀態(tài)產(chǎn)生高強(qiáng)度的擾動(dòng)，幫助分子克服勢(shì)能能壘，從而獲取更多的分子構(gòu)象;而長(zhǎng)時(shí)間的小幅度退火和平衡模擬，可以讓克服能壘后的合理的高能構(gòu)象，緩慢釋放由于高溫模擬所導(dǎo)致的張力，讓分子進(jìn)入一個(gè)更低的能量狀態(tài)。

對(duì)探針?lè)肿覵3進(jìn)行一系列的分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程所對(duì)應(yīng)的部分結(jié)果如圖3所示。在經(jīng)歷了升溫、高溫動(dòng)力學(xué)模擬、模擬退火后，分子體系的溫度穩(wěn)定在300 K左右。而在進(jìn)行了100 ps的動(dòng)力學(xué)平衡模擬過(guò)程中，體系的總能也趨于恒定。

圖3 探針?lè)肿覵3的溫度隨時(shí)間變化關(guān)系圖(a)和體系的總能隨時(shí)間變化關(guān)系圖(b)。

圖2(b)為探針?lè)肿覵3經(jīng)動(dòng)力學(xué)模擬和HF/STO-3G水平優(yōu)化后的幾何構(gòu)型。從圖2可知，在萘基2-位上的4個(gè)-OCH2OCH3基團(tuán)分別處于4個(gè)萘環(huán)及2個(gè)咪唑環(huán)所圍成的分子骨架的兩側(cè)，骨架與這4個(gè)-OCH2OCH3基團(tuán)形成了一個(gè)既有疏水作用位點(diǎn)，又有極性作用位點(diǎn)的空腔?？涨坏某叽绮⒉淮?。由于4個(gè)-OCH2OCH3基團(tuán)都是與萘基2-位碳上的sp2雜化軌道成鍵，缺乏柔性，故而空腔的尺寸受到進(jìn)一步的限制。因此，很難有氨基酸分子能很“舒坦”地進(jìn)入腔中。這與文獻(xiàn)［13］所作出的4個(gè)-OCH2OCH3基團(tuán)采取同一取向，與分子骨架形成1個(gè)口袋，被識(shí)別分子在口袋中與探針相互作用的推測(cè)不一致。

分子對(duì)接實(shí)驗(yàn)所獲得的S3與D-型色氨酸間的相互作用模式如圖2(c)所示。從圖2中可以看到，S3探針?lè)肿訉?duì)D-型色氨酸的識(shí)別，作用位點(diǎn)在4個(gè)-OCH2OCH3基團(tuán)與分子骨架所圍成的空腔之外。1個(gè)萘基、1個(gè)咪唑環(huán)和1條-OCH2OCH3鏈狀基團(tuán)構(gòu)成了S3探針?lè)肿幼R(shí)別D-型色氨酸的作用域。除了采取空間互補(bǔ)的構(gòu)型外，色氨酸的側(cè)鏈基團(tuán)與探針?lè)肿幼饔糜蚶锏妮粱?個(gè)芳香環(huán)，形成了2對(duì)π-π相互作用，同時(shí)，也是2對(duì)芳香疏水相互作用。而對(duì)圖2(c)的仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn)，在探針?lè)肿覵3中，這樣的作用位點(diǎn)應(yīng)該不止1個(gè)。其它氨基酸中沒(méi)有這樣的基團(tuán)，因而也就沒(méi)有這樣強(qiáng)烈的π-π相互作用和芳香疏水相互作用。這可能是探針?lè)肿覵3對(duì)D-型色氨酸表現(xiàn)出較強(qiáng)的親和性的原因。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)1，1’-二萘基骨架的探針?lè)肿?，采用Hyperchem和Gaussian 03先后進(jìn)行分子力學(xué)優(yōu)化、半經(jīng)驗(yàn)和HF/STO-3G水平幾何構(gòu)型優(yōu)化并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，可以為得到能量較低的合理的分子結(jié)構(gòu)提供保證。將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的探針?lè)肿雍团潴w分子α-氨基酸/α-氨基酸衍生物分子，用AutoDock Vina進(jìn)行對(duì)接實(shí)驗(yàn)，所獲得的相應(yīng)的復(fù)合物的最佳作用模式，能夠重現(xiàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所推斷的作用模式，而且還觀察到實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有注意到的π-π相互作用。根據(jù)對(duì)接實(shí)驗(yàn)所計(jì)算的復(fù)合物之間的親和能，與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的結(jié)合常數(shù)間有相同的變化趨勢(shì)。理論研究表明，探針?lè)肿覵3與D-型色氨酸間的高強(qiáng)度結(jié)合，不僅是它們之間的空間匹配，更主要源于色氨酸側(cè)鏈的吲哚環(huán)與探針?lè)肿拥妮粱g形成了2對(duì)π-π相互作用。這2對(duì)π-π相互作用也同時(shí)是兩對(duì)疏水芳香相互作用。

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Theoretical Investigation on the Recognition of 1，1’-binaphthol-based Chemosensors for α-amino acids and α-amino acid Derivative

FAN Wenjie1，2a，LEI Kai2a，XIANG Mingli2aand YANG Mingli2b
(1.Chemical Engineering College，Sichuan University，Chengdu 610065，China;2.a.National Key Laboratory of Biotherapy，West China Hospital;b.Institute of Nanobiomedical Technology and Membrane Biology，West China Hospital，Sichuan University，Chengdu 610041，China)

Three 1，1’-binaphthol-based Chemosensors were at first treated sequentially with geometry optimization at molecular mechanics level and molecular dynamics simulation，and optimized at semiempirical and HF/STO-3G levels by employing Hyperchem and Gaussian 03 softwares.Ligands，the αamino acids，and α-amino acid derivative were then docked to the optimized chemosensors by the aid of docking software AutoDock Vina.The optimal interaction modes of complexes and their relevant binding affinity were gained.It is encouraged to note that the predicted interaction mode is almost the same as the proposed one according to experimental results and the changing tendency of calculated binding affinities is consistent with that of experimental determined association constants.It means that the research strategy adopted here is suitable to investigate the interaction between the 1，1’-binaphtholbased chemosensors and their ligands.

Molecular recognition;molecular mechanics;molecular dynamics;molecule simulation;molecule docking

O621.25

A

1008-5440(2012)01-0005-05

2011-12-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):20873088)

范文杰(1986-)，男(漢族)，四川射洪人，碩士研究生，研究方向:應(yīng)用有機(jī)化學(xué)。

雷凱(1988-)，男(漢族)，山東泰安人，碩士研究生，研究方向:分子模擬與計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)。