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)院生物治療國家重點實驗室;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’-二萘基骨架的探針分子對氨基酸/氨基酸衍生物識別的研究

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)院生物治療國家重點實驗室;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1，1’-二萘基骨架的3個探針分子，采用Hyperchem和Gaussian 03先后進行分子力學(xué)優(yōu)化、分子動力學(xué)模擬、半經(jīng)驗和HF/STO-3G水平幾何構(gòu)型優(yōu)化。用AutoDock Vina將優(yōu)化后的探針分子、配體分子α-氨基酸/α-氨基酸衍生物進行對接實驗，獲得相應(yīng)的復(fù)合物的最佳作用模式并計算它們之間的親和能。結(jié)果表明，理論計算所獲得的探針分子與配體分子α-氨基酸/α-氨基酸衍生物之間的結(jié)合模式，與根據(jù)實驗數(shù)據(jù)所推斷的作用模式幾乎完全相同;所計算的復(fù)合物之間的親和能，也與實驗測定的結(jié)合常數(shù)間有相同的變化趨勢。

分子識別;分子力學(xué);分子動力學(xué);分子模擬;分子對接

由于Brown，F(xiàn)arthing［1］以及Cram和Steinberg等［2-6］人的開創(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個芳環(huán)上有2個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)引入功能團后因為空間位阻所致的不對稱性、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個環(huán)引入吸電子基團在另1個環(huán)引入供電子基團可能形成分子內(nèi)分子配合物等。因而，環(huán)芳的研究備受關(guān)注。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，從環(huán)芳化學(xué)的研究中，已衍生出主客體化學(xué)、手性識別［7-11］、超分子［12］等眾多新興領(lǐng)域。

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

在這類化合物中，探針分子(見圖1)S1能高度識別其中一種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)合強度;而探針分子S3對色氨酸的識別，尤其值得深究。與其他同類探針分子不同的是，S3能區(qū)分D型和L-型色氨酸，并對D-型色氨酸表現(xiàn)出有較強的親和性。然而，由于實驗條件的限制，從實驗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。因此，從分子力學(xué)、分子動力學(xué)和量子化學(xué)的層面對探針分子與氨基酸/氨基酸衍生物的相互作用進行理論研究，是十分必要和很有意義的。

圖1 對某些α-氨基酸/α-氨基酸衍生物高度選擇性識別的探針分子

1 研究方法

1.1 探針分子結(jié)構(gòu)的獲取

本文首先用ChemBio3D構(gòu)建了圖1中的探針分子。對S1和S2依次在Hyperchem程序中用分子力學(xué)和半經(jīng)驗方法作構(gòu)型優(yōu)化，然后用Gaussian 03［16］在HF/STO-3G水平作進一步優(yōu)化。用分子力學(xué)優(yōu)化時采用OPLS［17］力場，半經(jīng)驗優(yōu)化采用AM1［18］方法。在分子力學(xué)和半經(jīng)驗水平，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別的小分子的結(jié)構(gòu)，也用上述方法獲取。探針分子S3的優(yōu)化過程略微不同。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，用分子動力學(xué)方法先把探針分子S3進行10 ps的升溫模擬，溫度從0 K升到600 K;然后在600 K進行100 ps的高溫動力學(xué)模擬;之后再將溫度降低到300 K，動力學(xué)模擬退火的時間為100 ps。繼而在300 K進一步作100 ps動力學(xué)平衡模擬。最后，對動力學(xué)模擬的分子依次進行半經(jīng)驗優(yōu)化和HF/STO-3G水平的幾何構(gòu)型優(yōu)化。

1.2 研究方法的驗證

為了保證理論研究所獲得的探針分子S3對色氨酸識別的研究結(jié)果的可靠性，本文從2個方面對研究方法進行驗證。首先研究了探針分子S1對D-型絲氨酸衍生物的識別。S1對D-型絲氨酸衍生物具有非常高的選擇性識別能力，它們間的相互作用也有相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)支撐。然后進一步研究探針分子S2與L-型色氨酸、L-纈氨酸、L-型絲氨酸之間的相互作用。實驗表明，S2與L-型色氨酸之間有非常強的相互作用;與L-纈氨酸間的相互作用較弱;而與絲氨酸幾乎沒有相互作用。

在對上述體系進行研究的過程中，被識別的分子作為配體，探針分子為受體，整個探針分子的所有部位都被處理成潛在的結(jié)合位點。用AutoDock Vina［19］進行對接實驗，并計算受體—配體間相互作用的強弱。在重現(xiàn)實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，再對探針分子S3與D-型色氨酸間的相互作用進行同樣的研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 作用模式的重現(xiàn)

在其相應(yīng)的同類分子中，探針分子S1對D-型絲氨酸衍生物的選擇性識別能力是最強的。在經(jīng)過由低到高不同層面的方法對S1進行幾何結(jié)構(gòu)的貫序優(yōu)化后，用AutoDock Vina進行分子對接實驗所得到的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O，分別與探針分子中其中一個萘基的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，都有和探針分子χ位的羥基氧形成氫鍵的可能。這與通過實驗觀察所推斷的作用模式幾乎完全一致。此外，分子對接實驗結(jié)果還顯示，D-型絲氨酸衍生物上面的苯環(huán)，與探針分子中另一個χ位的苯環(huán)之間，存在π-π相互作用。該作用是用實驗手段沒有發(fā)現(xiàn)的。這表明，本文所采用的一系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略和隨之進行的分子對接實驗，能夠正確地預(yù)測該探針分子與D-型絲氨酸衍生物間的相互作用模擬。

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

2.2 相互作用強度的區(qū)分

探針分子S2與L-型色氨酸、L-纈氨酸、L-型絲氨酸間的相互強度，呈現(xiàn)出不同的梯度變化。其結(jié)合常數(shù)如表1所示。用分子對接方法，尋找它們間的最佳結(jié)合模式并計算其間的親和能。

結(jié)果表明，采用本文的研究方法所計算的S2與各L-型氨基酸間的相互作用強度，其變化趨勢與實驗測定的結(jié)果是一致的。

表1 探針分子S2與不同氨基酸間的結(jié)合常數(shù)及所計算的親和能

2.3 探針分子S3對D-色氨酸的識別作用

由于探針分子S3結(jié)構(gòu)相對復(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。因為短時間大幅度的升溫和高溫模擬，可以對分子的初始狀態(tài)產(chǎn)生高強度的擾動，幫助分子克服勢能能壘，從而獲取更多的分子構(gòu)象;而長時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，讓分子進入一個更低的能量狀態(tài)。

對探針分子S3進行一系列的分子動力學(xué)模擬過程所對應(yīng)的部分結(jié)果如圖3所示。在經(jīng)歷了升溫、高溫動力學(xué)模擬、模擬退火后，分子體系的溫度穩(wěn)定在300 K左右。而在進行了100 ps的動力學(xué)平衡模擬過程中，體系的總能也趨于恒定。

圖3 探針分子S3的溫度隨時間變化關(guān)系圖(a)和體系的總能隨時間變化關(guān)系圖(b)。

圖2(b)為探針分子S3經(jīng)動力學(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-OCH2OCH3基團分別處于4個萘環(huán)及2個咪唑環(huán)所圍成的分子骨架的兩側(cè)，骨架與這4個-OCH2OCH3基團形成了一個既有疏水作用位點，又有極性作用位點的空腔?？涨坏某叽绮⒉淮?。由于4個-OCH2OCH3基團都是與萘基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一步的限制。因此，很難有氨基酸分子能很“舒坦”地進入腔中。這與文獻［13］所作出的4個-OCH2OCH3基團采取同一取向，與分子骨架形成1個口袋，被識別分子在口袋中與探針相互作用的推測不一致。

分子對接實驗所獲得的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探針分子對D-型色氨酸的識別，作用位點在4個-OCH2OCH3基團與分子骨架所圍成的空腔之外。1個萘基、1個咪唑環(huán)和1條-OCH2OCH3鏈狀基團構(gòu)成了S3探針分子識別D-型色氨酸的作用域。除了采取空間互補的構(gòu)型外，色氨酸的側(cè)鏈基團與探針分子作用域里的萘基的2個芳香環(huán)，形成了2對π-π相互作用，同時，也是2對芳香疏水相互作用。而對圖2(c)的仔細觀察不難發(fā)現(xiàn)，在探針分子S3中，這樣的作用位點應(yīng)該不止1個。其它氨基酸中沒有這樣的基團，因而也就沒有這樣強烈的π-π相互作用和芳香疏水相互作用。這可能是探針分子S3對D-型色氨酸表現(xiàn)出較強的親和性的原因。

3 結(jié)語

對1，1’-二萘基骨架的探針分子，采用Hyperchem和Gaussian 03先后進行分子力學(xué)優(yōu)化、半經(jīng)驗和HF/STO-3G水平幾何構(gòu)型優(yōu)化并結(jié)合分子動力學(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)化后的探針分子和配體分子α-氨基酸/α-氨基酸衍生物分子，用AutoDock Vina進行對接實驗，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)實驗數(shù)據(jù)所推斷的作用模式，而且還觀察到實驗中沒有注意到的π-π相互作用。根據(jù)對接實驗所計算的復(fù)合物之間的親和能，與實驗測定的結(jié)合常數(shù)間有相同的變化趨勢。理論研究表明，探針分子S3與D-型色氨酸間的高強度結(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)與探針分子的萘基間形成了2對π-π相互作用。這2對π-π相互作用也同時是兩對疏水芳香相互作用。

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目(批準(zhǔn)號: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:分子模擬與計算機輔助藥物設(shè)計。