FKBP12蛋白与其抑制剂结合的分子动力学模拟和结合自由能计.docx
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FKBP12蛋白与其抑制剂结合的分子动力学模拟和结合自由能计
2009年第67卷化学学报Vol.67,2009第9期,1019~1025ACTACHIMICASINICANo.9,1019~1025
*E-mail:
slzhan@
ReceivedApril30,2008;revisedNovember24,2008;acceptedJanuary13,2009.
国家自然科学基金(Nos.10474060,10504017和山东省自然科学基金(No.Q2006A06资助项目.
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化学学报Vol.67,2009
acid-L-leucineethylester(简记作308和(3R-4-(p-Toluenesulfonyl-1,4-thiazane-3-carboxylicacid-L-phenyla-laninebenzylester(简记作107抑制剂,并与其它抑制剂进行了比较.FKBP12的活性位点如图1所示,抑制剂分子的分子结构见图2,结合模式见图3,FKBP12蛋白主要通过Ile56和Tyr82与抑制剂形成氢键,Tyr26,Phe46,Val55,Tyr59,His87和Ile90形成疏水作用区[15].了解FKBP12和抑制剂间原子水平上的作用模式,对于设计更有效的抑制剂具有重要的意义
.
图1FKBP12的活性位点
Figure1Theschematicrepresentationoftheactivesiteof
FKBP12
图2抑制剂GPI-1046(a,308(b和107(c的分子结构Figure2MolecularstructureoftheinhibitorsGPI-1046(a,308(band107(c
分子动力学(moleculardynamics,MD模拟和自由能计算是目前研究生物分子的结构及其动力学和热力学性质的重要工具.准确的自由能预测能更好地理解生物分子的结构和功能,有助于合理的药物设计.在过去的20多年中,人们对自由能计算方法进行了广泛的研究,提出了多种有效的计算方法,其中MM-PBSA/
GBSA方法是目前应用很广的一种基于经验方程的自由
图3GPI-1046(a,308(b,107(c和FKBP12的结合模式Figure3ThebindingmodelsofFKBP12andinhibitorsGPI-1046(a,308(band107(c
能计算方法[13,14].这种方法主要是利用动力学取样,把能量分解成真空下的范德华作用能、静电作用能、溶剂化能和构象变化引起熵变的作用.该方法已经广泛应用
到生物大分子与大分子以及大分子与小分子相互作用的体系.
本文采用分子动力学取样,用MM-GBSA方法计算了FKBP12蛋白和GPI-1046,308,107三个抑制剂的结合能,采用其他计算方法研究了蛋白和这三个抑制剂间的结合模式,研究结果和饶子和等[11]的结果很好符合.
1模型与计算
1.1分子动力学模拟
分子动力学(MD模拟的初始构象取自蛋白质库,分别是FKBP12单体[16](PDBID:
1FKS,FKBP12-GPI-1046
No.9
扈国栋等:
FKBP12蛋白与其抑制剂结合的分子动力学模拟和结合自由能计算
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复合物[12](PDBID:
1F40,FKBP12-308复合物[11](PDBID:
1J4I和FKBP12-107复合物[11](PDBID:
1J4I.FKBP12蛋白的参数取自Amber的FF03[17]力场,小分子抑制剂的参数取自Amber的GAFF[18]力场.小分子抑制剂各原子的部分电荷先用Gaussian03[19]
在HF/6-31G*水
平上计算静电势,再用Amber中的RESP[20]
电荷拟合程
序算出.
分子动力学(MD模拟采用Amber9
[21]中的sander程
序.先对四个模拟体系在真空中进行优化,以除去原子间过近的接触,再在四个模拟体系外加上1.2nm的TIP3P
[22]
水分子层以模拟溶剂,为使系统呈电中性,加
入了一个氯离子.在模拟过程中,先约束溶质[约束力常数为2.1×105
kJ/(mol•nm2
]对系统进行500步的最陡下降法,500步的共梯度法优化,然后在70ps内把系统从0K加热到300K,随后进行90ps的常温300K,常压101kPa的动力学平衡,最后是无限制的2.5ns的分子动力学演化.为了能以较长的步长进行模拟,采用SHAKE[23]法限制所有含氢原子键的伸缩,模拟使用的步长是2fs,PME
[24]
方法用来计算长程的静电相互作用,
使用了周期性边界条件,非键相互作用的截距(cutoff为1.2nm.在模拟过程中,监测了系统的总能量、温度、密度随时间波动的情况,计算了FKBP12主链原子相对于最初构象的均方根偏差(RMSD.1.2MM-GBSA自由能计算
用MM-GBSA方法计算了FKBP12和抑制剂的结合自由能.该方法从复合物的MD模拟轨迹中每隔一定的时间间隔取出体系的结构,通过式(1计算出平均结合自由能.
∆Gbind=Gcomplex-(Gprotein+Gligand(1其中∆Gbind是结合自由能,Gcomplex,Gprotein和Gligand分别是复合物、蛋白质和抑制剂的自由能.它们各自通过对气相下的内能Egas,溶剂化自由能Gsol和熵的贡献TS三项求和得到.
Egas=Ebond+Eangle+Etorsion+Evdw+Eele(2Egas是标准力场能,它包括成键的键伸缩能Ebond,键角弯折能Eangle和二面角扭转能Etorsion以及非成键的范德华能Evdw和静电能Eele.
Gsol=Gel+Gnonel
(3Gsol是溶剂化能,包括极性溶剂化能Gel和非极性溶剂化
能Gnonel,通过广义波恩(GeneralizedBorn,GB模型[25]
计
算了极性溶剂化能Gel,非极性部分Gnonel通过经验公式
Gnonel=γSASA+b[26]
得到,溶剂的可接触表面积(SASA
采用LCPO方法计算,本研究中γ=3.01kJ/(mol•nm2,b=0.T∆S项采用正则模分析法用Amber9程序中的Nmode模块计算.1.3能量分解
能量分解采用GBSA(generalizedBorn/surfacearea方法,这一方法把各个残基对能量的贡献近似分为分子力学方法计算的真空分子内能、GB模型计算的极性溶剂化能和LCPO[27,28]模型计算的非极性溶剂化能,并且把能量分解到残基的主链原子和侧链原子上.能量分解可以考察蛋白中各残基对结合抑制剂所做的贡献,以确定与抑制剂结合中起主要作用的残基,作用的强弱,作用的性质等,为更高效抑制剂的设计、筛选提供有益的帮助.
2结果和讨论
2.1动力学特征
为了评价MD模拟的质量,用Amber中的ptraj程序分析了系统的总能量和FKBP12主链原子的均方根偏差随时间的变化.图4显示了主链原子的均方根偏差(RMSD随时间变化的情况.总能量的平均波动量低于0.8%,说明系统在MD模拟过程中是稳定的[15].在模拟中,单体的均方根偏差比复合物的高(图4,说明FKBP12在结合抑制剂后柔性减弱了.
图4MD模拟中主链原子的均方根偏差FKBP12(a,FKBP12-GPI-1046(b和FKBP12-308(cFigure4Root-Mean-SquareD(RMSDofthebackboneatoms
onunboundedFKBP12(a,FKBP12-GPI-1046(bandFKBP12-308(cinMDsimulations
图5显示FKBP12-107复合物的晶体结构与分子动
力学模拟最后1ns轨迹的平均结构的对比,可以看到
MD模拟的结构和晶体结构基本复合.基于以上分析,
随后的MM-GBSA计算是从1500~2500ps的模拟轨迹
中每隔20ps抽取一个状态进行的.
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化学学报Vol.67,2009
图5FKBP12-107复合物的晶体结构和MD模拟最后1ns平均结构的对比
Figure5ThecrystalstructureoftheFKBP12-107superim-posedwiththeaveragedstructureobtainedfromthelast1nsMDtrajectory
2.2MM-GBSA结合自由能
复合物的结合能由公式(1计算得出,Gcomplex,Gprotein
和Gligand通过对动力学轨迹中51个构象的计算取平均得到,计算时,删掉了各个构象中的水分子.表1列出了抑制剂GPI-1046,308和107结合FKBP12蛋白时的结合自由能,分别是-24.88,-32.03和-49.47kJ/mol,这说明抑制剂结合蛋白时107结合最牢固,308优于GPI-1046,这一计算结果与饶子和小组[11]用AutoDock3.01中的SAR方法计算的结果一致(表1.表1中列出了结合自由能的各个组成部分的贡献,这有助于理解抑制剂和蛋白的结合模式,真空中的静电作用能分别是-53.57,-117.64和-72.31kJ/mol,真空中范德华作用能分别是-152.10,-154.07和-172.30kJ/mol,非极性溶剂化能分别是-22.08,-21.16和-22.92kJ/mol,真
表1MM-GBSA计算所得到的能量(kJ/molaTable1ResultsofMM-GBSAmethods(kJ/molItemFKBP12-GPI-1046FKBP12-308FKBP12-107
∆Eele-53.57-117.64-72.31∆Evdw-152.10-154.07-172.30∆Egas-205.67-271.71-244.61∆Gnonel-22.08-21.16-22.92∆Gel105.39172.47130.98
∆GTnonel-174.18
-175.23
-195.22
∆GTele51.8654.7858.63
∆Gtot-122.37-120.40-136.54
T∆S-97.48-88.37-87.07∆Gbind-24.88
-32.03-49.47Reference
[11]
-20.66
-34.71
-39.27
a
Eele为真空静电作用能,Evdw为真空范德华作用能,Egas为Eele+Evdw,Gnonel
为非极性溶剂化能,Gel为GB方法计算的极性溶剂化能,GTnonel为Evdw+Gnonel,GTele为Eele+Gel,Gtot为Egas+Gel+Gnonel,T∆S为构象熵乘温度,Gbind为GB方法计算的结合自由能.空下的静电作用能、真空中范德华作用能和非极性溶剂化能有利于结合抑制剂[29,30].计算发现对结合自由能贡献大的主要是非极性部分,分别是-174.18,-175.23和-195.22kJ/mol,而极性部分不利于抑制剂和蛋白的结合,作用能分别是51.86,54.78和58.63kJ/mol.2.3主要残基的贡献
为了更加深刻地理解FKBP12和抑制剂的相互作用模式,用GBSA方法计算了所有残基的贡献.由图6可知,实验中发现的作用较大的残基在我们的计算结果中都得到了体现,除此之外,计算结果还说明:
Phe99在结合三个抑制剂时作用明显;Ile91在结合308和107,Tyr59在结合GPI-1046中的作用也较明显.
对于FKBP12和GPI-1046抑制剂的复合物,Ile56的N和GPI-1046的O(3间有一个氢键,占有率是71.1%(表3,Tyr82侧链的O和GPI-1046的O(1之间形成的氢键,占有率是80.4%(表3,Val55,Ile56,Tyr82是GPI-1046作用的主要残基(图6.
图6FKBP12与抑制剂GPI-1046(a,308(b和107(c结合的
相互作用谱
标号的为总能量大于2kJ/mol的残基,标圆圈的为实验未发现的有较大贡献的残基
Figure6TheinteractionspectrumforFKBP12andinhibitors
GPI-1046(a,308(band107(c
Theresiduesoftotalenergymorethan2kJ/molaremarkedwithresiduesnumber,andtheresiduesmarkedwithcirclewerenotobservedintheexperi-ment
No.9扈国栋等:
FKBP12蛋白与其抑制剂结合的分子动力学模拟和结合自由能计算1023
对于FKBP12和308抑制剂的复合物,Asp37中的OD1,OD2带负电,308中的H(6,H(7带正电,Asp37和308间存在很大的静电吸引力(图7,Asp37侧链的真空静电作用能为-15.47kJ/mol,但Asp37的总的溶剂化能是21.37kJ/mol(表2;Glu54主链O和308中的O(4之间存在一个氢键,在模拟中,占有率为39.6%,这是因为Glu54中的O和308中O(3,O(5的距离较近且都带负电(图7,存在静电排斥力,降低了氢键的作用,Glu54真空中的总作用能为-23.86kJ/mol,总的溶剂化能是22.21kJ/mol(表2;Ile56的N和308的O(3间有一个稳定的氢键,占有率是99.6%(表3,图7,Tyr82侧链的O和308的O(1之间形成稳定的氢键,占有率是94.6%(表3,图7,表2中Ile56的主链的真空静电作用能和Tyr82的侧链的真空静电作用能也说明这一点.Asp37和Glu54真空中的总的作用能较大,有利于与抑制剂308结合,但Asp37和Glu54的溶剂化能也较大,与真空中的作用能相抵消;Ile56和Tyr82主要表现为氢键相互作用;Tyr26,Phe36,Phe46,Val55,Ile56,Trp59,Tyr82,Tyr87,Ile90,Ile91和Phe99形成疏水作用区
.
图7FKBP12-308复合物中308和关键残基的相对位置和距离(Å
Figure7Relativegeometriesanddistances(Åof308andkeyresiduesofFKBP12inFKBP12-308bindingcomplex
表2用GB方法进行能量分解的主要贡献残基各部分能量值(kJ/mola
Table2EnergycontributionofthekeyresiduescomputedbyGBmethod(kJ/mol
GPI-1046308107
No.
SeleBeleTvdwTgbsolSeleBeleTvdwTgbsolSeleBeleTvdwTgbsolTyr26-0.75-0.17-4.681.13-0.96-0.63-6.352.76-0.59-0.59-5.692.13Phe36-0.170.08-1.30-0.04-0.88-1.25-2.952.34-0.72-1.46-3.722.47Asp37-2.260.25-1.463.68-15.471.17-4.8121.37-13.300.88-4.9819.36Phe46-0.040.42-4.35-0.75-0.500.33-4.941.09-0.540.33-5.560.88Glu54-7.23-4.22-4.8517.94-4.93-17.19-1.7422.21-1.51-1.92-3.687.03Val55-0.88-2.55-11.713.93-0.38-4.52-8.751.42-1.97-2.89-10.661.30Ile56-1.21-4.52-10.334.52-1.76-6.65-6.183.80-2.30-7.36-9.334.10Trp59-0.75-0.25-6.480.96-1.50-0.38-8.503.43-0.88-0.67-8.452.97Tyr82-7.650.04-8.999.24-14.550.04-5.3914.01-11.210.04-6.3112.71His870.63
-0.17-3.180.50-0.790.67-6.392.51-0.500.88-5.311.59Ile90-0.59-0.04-1.050.75-0.540.42-4.07-0.840.420.33-3.43-1.34Ile91-0.840.79-0.920.13-1.250.75-2.410.46-0.750.17-3.260.42Phe99-0.080.13-2.55-0.92-2.050.17-4.401.05-2.050.17-4.100.71
aS
ele
代表侧链的真空静电作用能,Bele代表主链的真空静电作用能,Tvdw代表总的范德华作用能,Tgbsol代表总的溶剂化能.
表3主要残基的氢键分析
Table3Thehydrogenbondsofthekeyresidues
InhibitorDonoraAcceptorbDistancec/ÅAngled/(°Freq.e/%
Tyr82-OH-HHGPI-O(12.893±0.21157.44±12.4480.40GPI-1046
Ile56-N-HGPI-O(33.160±0.19153.62±11.5671.10
Tyr82-OH-HHTST-O(12.778±0.15159.52±10.7999.60308
Ile56-N-HTST-O(33.050±0.18160.19±9.6594.60
Tyr82-OH-HHSUB-O(42.814±0.16155.67±11.8399.30107
Ile56-N-HSUB-O(32.982±0.17155.89±11.7396.80
a供体原子,b受体原子,c距离,d角度,e占有率.
1024化学学报23Vol.67,2009Fischer,G.Angew.Chem.,Int.Ed.Engl.1994,33,1425.Schreiber,S.L.;Liu,J.;Albers,M.W.;Rosen,M.K.;Standaert,R.F.;Wandless,T.J.;Somers,P.K.Tetrahedron1992,48,2545.Lyons,W.E.;George,E.B.;Dawson,T.M.;Steiner,J.P.;Snyder,S.H.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.1994,91,3191.Gold,B.G.;Storm-Dickerson,T.;Austin,D.R.Restor.Neurol.Neurosci.1994,6,287.Gold,B.G.;Katoh,K.;Storm-Dickerson,T.J.Neurosci.1995,15,7509.Steiner,J.P.;Dawson,T.M.;Fotuhi,M.;Glatt,C.E.;Snowman,A.M.;Cohen,N.;Snyder,S.H.Nature1992,358,584.Steiner,J.P.;Connolly,M.A.;Valentine,H.L.;Hamilton,G.S.;Dawson,T.M.;Hester,L.;Snyder,S.H.Nat.Med.1997,3,421.Hamilton,G.S.;Huang,W.;Connolly,M.A.;Ross,D.T.;Guo,H.;Valentine,H.L.;Suzdak,P.D.;Steiner,J.P.Bioorg.Med.Chem.Lett.1997,7,1785.Hamilton,G.S.;Steiner,J.P.J.Med.Chem.1998,41,5119.Sun,F.;Li,P.;Ding,Y.;Wang,L.;Bartlam,M.;Shu,C.;Shen,B.;Jiang,H.;Li,S.;Rao,Z.Biophys.J.2003,85,3194.Steiner,J.P.;Hamilton,G.S.;Ross,D.T.;Valentine,H.L.;Guo,H.;Connolly,M.A.;Liang,S.;Ramsey,C.;Li,J.H.;Huang,W.;Howorth,P.;Soni,R.;Fuller,M.;Sauer,H.;Nowotnik,A.C.;Suzdak,P.D.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.1997,94,2019.Kollman,P.A.;Massova,I.;Reyes,C.;Kuhn,B.;Huo,S.;Chong,L.;Lee,M.;Lee,T.;Duan,Y.;Wang,W.;Donini,O.;Cieplak,P.;Srinivasan,J.;Case,D.A.;Cheatham,T.E.Acc.Chem.Res.2000,33,889.Wang,W.;Donini,O.;Reyes,C.
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