沈　文, 邵學(xué)廣,2, 蔡文生

(1. 南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院分析科學(xué)研究中心, 天津市生物傳感與分子識(shí)別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心, 天津 300071;2. 南開(kāi)大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300071)

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環(huán)糊精包結(jié)谷胱甘肽的機(jī)理

沈文1, 邵學(xué)廣1,2, 蔡文生1

(1. 南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院分析科學(xué)研究中心, 天津市生物傳感與分子識(shí)別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心, 天津 300071;2. 南開(kāi)大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300071)

使用分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合自由能計(jì)算的方法在原子水平上研究了谷胱甘肽與α-,β-和γ-環(huán)糊精的包結(jié)模式, 計(jì)算了谷胱甘肽與3種環(huán)糊精之間6種可能包結(jié)過(guò)程的自由能變化. 結(jié)果表明, 谷胱甘肽的谷氨酸殘基從α-環(huán)糊精大口端進(jìn)入空腔最終形成的包結(jié)復(fù)合物最穩(wěn)定; 在該復(fù)合物中, 谷氨酸殘基的亞甲基鏈部分被完全包結(jié)在疏水空腔中, 其氨基與羧基位于與α-環(huán)糊精的小口端, 并與環(huán)糊精的伯羥基形成了氫鍵, 同時(shí)半胱氨酸中的巰基位于環(huán)糊精的大口端, 得到了有效的保護(hù). 因此, 疏水相互作用和氫鍵相互作用構(gòu)成了包結(jié)的主要驅(qū)動(dòng)力.β-環(huán)糊精的優(yōu)勢(shì)包結(jié)模式與α-環(huán)糊精類似, 但形成復(fù)合物的穩(wěn)定性次之, 而γ-環(huán)糊精由于空腔較大, 優(yōu)勢(shì)的包結(jié)模式是谷氨酸殘基從γ-環(huán)糊精小口端進(jìn)入空腔, 但所形成的復(fù)合物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最弱.

谷胱甘肽; 環(huán)糊精; 分子動(dòng)力學(xué)模擬; 自由能計(jì)算

谷胱甘肽是一種由谷氨酸、 半胱氨酸與甘氨酸組成的天然活性肽[1,2]. 谷胱甘肽通常含有還原型谷胱甘肽(GSH)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)兩種存在形式. 通常, 只有GSH才具有生物活性, 因?yàn)镚SH中的半胱氨酸側(cè)鏈基團(tuán)上的巰基可以保護(hù)重要的酶蛋白不被氧化, 從而保證酶的生理活性, 如圖1(A)所示. 另一方面, 巰基與體內(nèi)的自由基結(jié)合,自由基將還原為容易代謝的酸類物質(zhì), 加速自由基的排泄, 從而減輕自由基對(duì)重要臟器的損害[1]. 因此GSH作為抗氧化劑, 在人體內(nèi)不僅可以保護(hù)重要蛋白質(zhì)不被氧化, 還可以清除人體新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生的自由基, 所以GSH被制備成口服液以作為保健品. 但是GSH的巰基在水溶液和空氣中極易被氧化, 成為GSSH, 從而失去生理活性, 人們希望利用合適的包結(jié)劑對(duì)GSH進(jìn)行包結(jié)以保證巰基不被氧化, 從而提高谷胱甘肽的生物利用度. Alonso等[3]實(shí)驗(yàn)證實(shí)α-環(huán)糊精(CD)與GSH能夠通過(guò)包結(jié)形成穩(wěn)定的復(fù)合物, 該復(fù)合物在25～37 ℃下穩(wěn)定存在, 然而實(shí)驗(yàn)上并未給出環(huán)糊精與谷胱甘肽的包結(jié)機(jī)理以及包結(jié)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié). 另外, 更大尺寸的β-和γ-CD對(duì)于GSH是否具有更高的結(jié)合能力, 目前并沒(méi)有系統(tǒng)的研究[4～7].

Fig.1　Initial structures of GSH(A) and α-CD(B)

本文采用分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬結(jié)合自由能計(jì)算的方法[8,9]研究了α-CD與GSH所有可能的包結(jié)模式以及形成穩(wěn)定復(fù)合物的過(guò)程, 從原子水平上對(duì)包結(jié)結(jié)構(gòu)和包結(jié)機(jī)理進(jìn)行了探索, 并進(jìn)一步研究了β-和γ-CD對(duì)GSH的包結(jié)過(guò)程, 比較不同尺寸的CD對(duì)GSH的包結(jié)能力, 進(jìn)一步揭示包結(jié)驅(qū)動(dòng)力和包結(jié)機(jī)理, 為設(shè)計(jì)基于環(huán)糊精的谷胱甘肽的包結(jié)劑提供了理論指導(dǎo).

1　理論和方法

1.1模型建立

GSH的初始構(gòu)象取自蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(PDB code: 4ZBA),α-,β-及γ-CD的初始構(gòu)象來(lái)自于其三維晶體結(jié)構(gòu)[10～12](圖1). 由于GSH的三叉結(jié)構(gòu), 3個(gè)氨基酸均有可能被CD的空腔包結(jié), 即GSH含有3個(gè)可能的包結(jié)位點(diǎn), 分別為甘氨酸殘基(Gly), 谷氨酸殘基(Glu)和半胱氨酸殘基(Cys). 而每一種包結(jié)又可能有2種取向, 即從CD的大口端或小口端進(jìn)入其空腔, 如圖2所示. 本文對(duì)α,β,γ3種CD共18種可能的包結(jié)模式進(jìn)行了模擬計(jì)算, 如表1所示. 首先建立每一種包結(jié)模式的初始模型, 進(jìn)行能量最小化后分別置于帶有周期性邊界條件的水立方盒子中, 水盒子邊緣與復(fù)合物任意一個(gè)原子的距離至少為1.5 nm. 在進(jìn)行自由能計(jì)算時(shí), 旋轉(zhuǎn)環(huán)糊精使其空腔的主軸與Z軸平行.

Fig.2　　　　Initial spacial arrangements of molecular systems with two orientations of GSH towards the CDs(A) Orien(Ⅰ); (B) Orien(Ⅱ). ξ: Projection onto the Z axis of the distance between the center of mass of Glu and that of CD.

SystemMethodNumberofatomsTime/nsGSH:α-CD[Gly(Ⅰ)]aMD724310GSH:α-CD[Gly(Ⅱ)]bMD714710GSH:α-CD[Glu(Ⅰ)]cMD+ABF724310+100GSH:α-CD[Glu(Ⅱ)]dMD+ABF757910+100GSH:α-CD[Cys(Ⅰ)]eMD709910GSH:α-CD[Cys(Ⅱ)]fMD722810GSH:β-CD[Gly(Ⅰ)]aMD754610GSH:β-CD[Gly(Ⅱ)]bMD775310GSH:β-CD[Glu(Ⅰ)]cMD+ABF727010+100GSH:β-CD[Glu(Ⅱ)]dMD+ABF777710+100GSH:β-CD[Cys(Ⅰ)]eMD716810GSH:β-CD[Cys(Ⅱ)]fMD775310GSH:γ-CD[Gly(Ⅰ)]aMD745010GSH:γ-CD[Gly(Ⅱ)]bMD800810GSH:γ-CD[Glu(Ⅰ)]cMD+ABF745010+100GSH:γ-CD[Glu(Ⅱ)]dMD+ABF800810+100GSH:γ-CD[Cys(Ⅰ)]eMD778310GSH:γ-CD[Cys(Ⅱ)]fMD766610

a. Inclusion of the Gly residue of GSH into CDs with Orien(Ⅰ);b. inclusion of the Gly residue of GSH into CDs with Orien(Ⅱ);c. inclusion of the Glu residue of GSH into CDs with Orien(Ⅰ);d. inclusion of the Glu residue of GSH into CDs with Orien(Ⅱ);e. inclusion of the Cys residue of GSH into CDs with Orien(Ⅰ);f. inclusion of the Cys residue of GSH into CDs with Orien(Ⅱ).

1.2模擬參數(shù)

采用NAMD 2.11軟件進(jìn)行MD模擬[13], 分別采用CHARMM36力場(chǎng)[14,15]和TIP3P模型[16]來(lái)描述復(fù)合物及水分子. 采用SHAKE/RATTLE算法[17,18]將非水分子中含有氫原子的共價(jià)鍵的長(zhǎng)度限制在其平衡值, 采用SETTLE算法[19]保持水分子的剛性. 對(duì)運(yùn)動(dòng)方程積分的時(shí)間步長(zhǎng)為2 fs, 利用Langevin動(dòng)力學(xué)和Langevin活塞方法[20]將溫度和壓力分別控制在300 K和1.01325×105Pa. 范德華截?cái)喟霃綖?.4 nm, 長(zhǎng)程靜電相互作用采用粒子網(wǎng)格埃瓦爾德(PME)方法計(jì)算[21]. 對(duì)于每個(gè)體系, 先約束溶質(zhì), 對(duì)溶劑進(jìn)行10000步優(yōu)化, 然后去除所有約束, 將經(jīng)過(guò)5000步的能量最小化和10 ns的MD模擬之后的結(jié)構(gòu)作為自由能計(jì)算的初始結(jié)構(gòu). 采用VMD軟件[21]進(jìn)行軌跡分析和可視化.

1.3自由能計(jì)算

MD模擬的結(jié)果表明, 18種可能的包結(jié)模式中只有GSH的Glu進(jìn)入CD空腔的包結(jié)模式是可能穩(wěn)定存在的. 因此只考察Glu分別從CD大口端和小口端進(jìn)入CD空腔的過(guò)程, 并計(jì)算相應(yīng)包結(jié)過(guò)程的自由能變化. 模擬反應(yīng)坐標(biāo)ξ定義為Glu的質(zhì)心(由Cα和側(cè)鏈上3個(gè)碳原子的質(zhì)心定義)與CD質(zhì)心(由其6個(gè)糖苷鍵上的氧原子的質(zhì)心定義)之間的距離在Z軸方向上的投影, 反應(yīng)坐標(biāo)初始值為-0.8 nm, 采用自適應(yīng)偏置力計(jì)算方法(ABF)計(jì)算[22～28]自由能沿模擬反應(yīng)坐標(biāo)的變化(Free-energy profile), 也稱為平均力勢(shì)(PMF)曲線. 為了保持CD空腔的中心軸在模擬過(guò)程中與Z軸方向一致, 在CD糖苷氧上施加了418 kJ·mol-1·nm-2的諧振約束. 為了提高采樣的均勻性與平均力的連續(xù)性, 路徑被分成了長(zhǎng)度為0.1 nm的連續(xù)窗口, 反應(yīng)路徑變化的步長(zhǎng)為0.01 nm. 每個(gè)窗口至少進(jìn)行15 ns的MD模擬.

2　結(jié)果與討論

2.1包結(jié)模式的探索

Fig.3　Distance between the center of residues of GSH and CD as a function of simulation time(A) GSH:α-CD; (B) GSH: β-CD; (C) GSH: γ-CD. The Gly residue of GSH and CD with Orien(Ⅰ); the Gly residue of GSH and CD with Orien(Ⅱ); the Glu residue of GSH and CD with Orien(Ⅰ); the Glu residue of GSH and CD with Orien(Ⅱ); the Cys residue of GSH and CD with Orien(Ⅰ); the Cys residue of GSH and CD with Orien(Ⅱ).

對(duì)谷胱甘肽與3種環(huán)糊精的18種包結(jié)模式分別進(jìn)行10 ns的MD模擬. 為了考察每種包結(jié)模式是否可能存在, 計(jì)算了GSH的包結(jié)殘基與CD質(zhì)心間距離隨模擬時(shí)間的變化情況, 每種包結(jié)模式初始時(shí), 質(zhì)心間距離為0.2～0.5 nm, 結(jié)果如圖3所示. 可見(jiàn), 在GSH:α-CD體系中, 谷胱甘肽的Glu與α-CD間的距離無(wú)論以哪種取向, 在模擬時(shí)間內(nèi)均始終保持穩(wěn)定, 大約在0.25 nm左右, 表明Glu可以被α-CD穩(wěn)定包結(jié). 而Gly和Cys與α-CD質(zhì)心間距離隨著模擬進(jìn)行逐漸增大且波動(dòng)劇烈, 表明GSH已處于游離狀態(tài), Gly與Cys不能被α-CD包結(jié).

在GSH:β-CD體系中, 3種殘基與β-CD質(zhì)心間距離隨模擬時(shí)間的演化與GSH:α-CD體系相似, 表明Glu可以被β-CD包結(jié). 值得一提的是, Gly和β-CD以Gly(Ⅱ)取向包結(jié)的模擬軌跡顯示, 3 ns后Gly從β-CD的小口端穿越空腔到達(dá)大口端, 同時(shí)Glu從小口端進(jìn)入并停留在CD空腔中, 最終形成穩(wěn)定的包結(jié)結(jié)構(gòu). 綜合6個(gè)模擬結(jié)果, 只有Glu可以被β-CD穩(wěn)定包結(jié).

GSH:γ-CD(Cys)的模擬結(jié)果與其它2種CD相應(yīng)的模擬結(jié)果類似, 2 ns后Cys迅速脫離空腔, 不能形成穩(wěn)定的復(fù)合物. GSH:γ-CD(Gly)的模擬結(jié)果顯示, 由于γ-CD空腔足夠大, GSH在CD腔內(nèi)也很容易調(diào)整姿態(tài), 最終形成的包結(jié)物結(jié)構(gòu)與GSH:γ-CD(Glu)模擬得到的結(jié)構(gòu)相似, 即Glu被完全包結(jié), 而Gly位于CD的口端, 被部分包結(jié).

綜上, 對(duì)18種GSH:CD體系的MD模擬結(jié)果表明, 由于Cys殘基最短, 不能深入CD的空腔, 因此, GSH:CD(Cys)包結(jié)模式是不存在的; 而Glu殘基無(wú)論以何種取向均可進(jìn)入3種CD的空腔并形成穩(wěn)定的復(fù)合物結(jié)構(gòu); CD對(duì)Gly的包結(jié)略有不同, 在α-CD中, Gly迅速解離, 在β-CD中, 觀察到其中一種取向的包結(jié)最終轉(zhuǎn)變成了對(duì)Glu的包結(jié), 而在γ-CD中, 2種取向的初始包結(jié)均轉(zhuǎn)變成了對(duì)Glu的包結(jié). 可見(jiàn), 與Gly相比, CD與Glu殘基的包結(jié)在能量上更具優(yōu)勢(shì). 因此, 本文只對(duì)GSH:CD[Glu(Ⅰ, Ⅱ)]的包結(jié)過(guò)程進(jìn)行自由能計(jì)算.

2.2自由能曲線

圖4描述了谷氨酸殘基以2種取向[Glu(Ⅰ)與Glu(Ⅱ)], 分別從距離環(huán)糊精質(zhì)心外0.8 nm處進(jìn)入環(huán)糊精空腔的自由能變化. 在GSH:α-CD體系中, Glu從α-CD大口端進(jìn)入, 穿越空腔的自由能曲線, Glu(Ⅰ)取向有2個(gè)能量極小值點(diǎn), 從小口端進(jìn)入空腔, 即Glu(Ⅱ)取向, 也有2個(gè)能量極小值點(diǎn), 2種取向下的第2個(gè)能量最低點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖5(A)所示, 從自由能曲線可見(jiàn), GSH從大口端進(jìn)入空腔, 形成的復(fù)合物更加穩(wěn)定. 但是在2種取向下, 形成最穩(wěn)定的復(fù)合物結(jié)構(gòu)前, 均經(jīng)歷了一個(gè)能壘最高點(diǎn), 這是由于α-CD空腔較小導(dǎo)致的, 而Glu通過(guò)α-CD小口端時(shí), 會(huì)導(dǎo)致一個(gè)較高的能壘, 這也解釋了Glu(Ⅱ)比Glu(Ⅰ)更早到達(dá)能壘最高點(diǎn)的現(xiàn)象.

Fig.4　　　　Free-energy profiles for the inclusion of the Glu of GSH into CDs in two orientations (A) GSH:α-CD; (B) GSH:β-CD; (C) GSH:γ-CD. a. Orien(Ⅰ); b. Orien(Ⅱ).

由圖4(B)可見(jiàn), 描述β-CD包結(jié)GSH的2種取向的自由能變化曲線上均僅含有一個(gè)能量最低點(diǎn). 對(duì)比2種取向下的自由能曲線, 與GSH:α-CD類似, GSH從β-CD的大口端進(jìn)入空腔[Glu(Ⅰ)]形成的復(fù)合物更穩(wěn)定. 由于β-環(huán)糊精空腔較大, GSH的Glu通過(guò)β-CD小口端時(shí)無(wú)空間位阻, 故無(wú)能壘. 在GSH:γ-CD體系中, 與β-CD類似, 因?yàn)榭涨坏脑龃蠖串a(chǎn)生能壘, 通過(guò)觀察圖4的自由能曲線, GSH從γ-CD的小口端進(jìn)入空腔[Glu(Ⅱ)]形成的復(fù)合物最穩(wěn)定. 可見(jiàn), 谷胱甘肽與3種環(huán)糊精分別以2種取向形成的6種復(fù)合物中, GSH從α-CD大口端進(jìn)入[Glu(Ⅰ)]形成的復(fù)合物結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定.

2.3包結(jié)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和氫鍵分析

為了研究谷胱甘肽與環(huán)糊精復(fù)合物在全局能量最小點(diǎn)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu), 提取出全局能量最低點(diǎn)的代表結(jié)構(gòu), 如圖5所示. 對(duì)應(yīng)于圖4中每個(gè)自由能變化曲線能量最低點(diǎn)處的代表性結(jié)構(gòu), 在圖5(A1和A2)中, Glu從α-CD大口端進(jìn)入[Glu(Ⅰ)], 頭部穿越小口端并停留在小口端附近, 疏水鏈被完全包結(jié)在環(huán)糊精的空腔中, Cys的巰基位于大口端附近, 形成了可以保護(hù)巰基的復(fù)合物. 由圖5可見(jiàn), [Glu(Ⅱ)]所有復(fù)合物的巰基都裸露在空腔外, 可見(jiàn), 谷胱甘肽的Glu從α-CD大口端進(jìn)入空腔所形成的復(fù)合物不僅結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定, 還起到了有效保護(hù)GSH巰基的作用.

Fig.5　　　　Structures of the inclusion complexes of GSH with CD near the global minima of the PMFs in Fig.4(A1) GSH with α-CD, Orien(Ⅰ): ξ=-0.02 nm, d=0.05 nm, θ=14°; (A2) Orien(Ⅱ): ξ=-0.04 nm, d=0.22 nm, θ=12°; (B1) GSH with β-CD, Orien(Ⅰ): ξ=-0.30 nm, d=0.31 nm, θ=28°; (B2) Orien(Ⅱ): ξ=-0.18 nm, d=0.28 nm, θ=22°; (C1) GSH with γ-CD, Orien(Ⅰ): ξ=-0.10 nm, d=0.49 nm, θ=43°; (C2) Orien(Ⅱ): ξ=-0.05 nm, d=0.44 nm, θ=37°. ξ: Reaction coordinate in Fig.4; d: distance between the center of mass of Glu and the principal axis of CD; θ: angle between the side chain of Glu and the principal axis of CD.

為了研究Glu從α-CD大口端進(jìn)入[Glu(Ⅰ)]形成復(fù)合物較為穩(wěn)定的原因, 探討了GSH與α-CD之間氫鍵的變化關(guān)系, 如圖6所示. 圖6(A)為GSH與α-CD沿反應(yīng)路徑的氫鍵數(shù)量變化趨勢(shì)圖. 對(duì)比GSH與α-CD自由能變化曲線可見(jiàn), 在自由能最低點(diǎn)時(shí), 氫鍵形成數(shù)目最多. 同時(shí), 圖6(B)為自由能最低點(diǎn)時(shí)GSH與α-CD之間形成的氫鍵示意圖. 可見(jiàn), 此包結(jié)模式最多可以形成3個(gè)氫鍵, 分別是α-CD小口端的羥基與Glu上的氨基和羧基形成2個(gè)氫鍵,α-CD大口端的羥基與Cys上的羧基形成第3個(gè)氫鍵. 氫鍵強(qiáng)有力的形成保證了包結(jié)模式的穩(wěn)定性. 而第3個(gè)氫鍵的形成保證了Cys上的巰基可以被保護(hù)在α-CD空腔內(nèi).

對(duì)比圖6(A)氫鍵數(shù)量變化趨勢(shì)圖與圖4(A)GSH:α-CD體系的自由能變化曲線發(fā)現(xiàn), 雖然在ξ為-0.2 nm處形成的氫鍵也較多, 但是此時(shí)的自由能曲線位置處于能量最高點(diǎn), 針對(duì)此現(xiàn)象, 繼續(xù)進(jìn)行了環(huán)糊精變形程度的分析.

2.4環(huán)糊精形變程度分析

圖7(A)為在GSH在穿梭過(guò)程中,α-CD小口端上的6個(gè)C原子所組成的六邊形的面積隨反應(yīng)路徑的變化趨勢(shì)圖; 圖7(B)為在GSH穿梭過(guò)程中,α-CD中心處的6個(gè)糖苷鍵氧原子所形成的六邊形的面積隨反應(yīng)路徑的變化趨勢(shì)圖. 由圖7(B)可知, 在ξ為-0.2 nm時(shí),α-CD中心處的形變達(dá)到極大值, 主要是因?yàn)镚SH上Glu的氨基與羧基位于環(huán)糊精中心處, 具有較大的空間位阻. 此時(shí), 雖然環(huán)糊精與谷胱甘肽之間形成較多氫鍵, 但依然有較高的自由能能壘. 在ξ為0～0.3 nm之間時(shí), 環(huán)糊精的小口端形變程度減小[見(jiàn)圖7(A)], 但是由于甘氨酸殘基進(jìn)入環(huán)糊精空腔, 造成了新的空間位阻[見(jiàn)圖7(B)], 因此導(dǎo)致自由能再次升高. 結(jié)合以上分析可見(jiàn), 在ξ為-0.2 nm處雖然可以形成較多的氫鍵, 但是環(huán)糊精中心處形變程度較大, 所以形成了一個(gè)較高的能壘.

Fig.7　Fluctuation of the area of the central plane formed by the six primary side carbon atoms(A) and the six glycosidic oxygen atoms(B) of the α-CD in the course of the threading process

2.5GSH與α-CD之間的疏水相互作用

Fig.8　Variation of the solvent-accessible surface area(SASA) for the hydrophobic chain of the Glu as a function of the model reaction coordinate

Fig.9　Structure of GSH-(A), free-energy profile for the inclusion of the Glu of GSH- into α-CD in Orien(I)(B) and structure of the inclusion complex of α-CD with GSH- near the global minima of the PMF(C)

為了研究GSH與α-CD之間的疏水相互作用, 探討了Glu從α-CD大口端穿越空腔過(guò)程中, 谷胱甘肽Glu中亞甲基鏈的溶劑可及表面隨反應(yīng)坐標(biāo)的變化趨勢(shì). 如圖8所示, 即ξ在-0.1～0 nm時(shí), 亞甲基鏈的溶劑可及表面最低, 此時(shí)恰好是自由能的最低點(diǎn)(圖4). 此時(shí), 亞甲基鏈被完全包結(jié)在α-CD的疏水空腔中, 亞甲基鏈與α-CD的疏水空腔之間有利的疏水相互作用, 不僅增強(qiáng)了包結(jié)復(fù)合物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性, 也是促進(jìn)GSH與α-CD包結(jié)的驅(qū)動(dòng)力之一.

2.6GSH電離狀態(tài)對(duì)包結(jié)結(jié)構(gòu)的影響

GSH共有16種不同的電離狀態(tài), 而在生理環(huán)境下主要以GSH-的形式存在[29], 如圖9(A)所示. 根據(jù)以上對(duì)α-CD與GSH各種可能包結(jié)模式的研究所得最優(yōu)取向的包結(jié)過(guò)程進(jìn)行自由能計(jì)算, 即計(jì)算Glu由環(huán)糊精大口端進(jìn)入空腔[Orien(Ⅰ)]的自由能變化, 結(jié)果如圖9(B)所示.

可見(jiàn), 該曲線與GSH從α-CD大口端進(jìn)入的自由能變化曲線的趨勢(shì)基本一致, 但只有一個(gè)明顯的穩(wěn)定態(tài), 對(duì)應(yīng)的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)如圖9(C)所示, 與圖5(A)[Orien(Ⅰ)]的結(jié)構(gòu)相似. 可見(jiàn), GSH的這種電離狀態(tài)對(duì)與α-CD形成的包結(jié)結(jié)構(gòu)的影響不大.

3　結(jié)　　論

利用分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合自由能計(jì)算研究了谷胱甘肽與3種天然環(huán)糊精的包結(jié)行為, 得到了最穩(wěn)定的包結(jié)結(jié)構(gòu), 揭示了相應(yīng)的包結(jié)機(jī)理. 結(jié)果表明, GSH的Glu殘基可以被環(huán)糊精空腔包結(jié)形成穩(wěn)定的復(fù)合物, 但由于β-CD與γ-CD的空腔相對(duì)較大, Glu的體積較小, GSH與β-CD或γ-CD形成的復(fù)合物沒(méi)有與α-CD形成的復(fù)合物穩(wěn)定. 進(jìn)一步分析了Glu與α-CD 2種不同取向包結(jié)過(guò)程的自由能變化以及包結(jié)過(guò)程中疏水和氫鍵相互作用, 結(jié)果表明, 當(dāng)Glu從α-CD大口端進(jìn)入空腔, 在疏水相互作用和靜電相互作用的驅(qū)動(dòng)下, 其疏水鏈被完全包結(jié)在環(huán)糊精空腔中, 同時(shí)GSH和α-CD之間形成多個(gè)氫鍵, 最終形成的復(fù)合物最穩(wěn)定. 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示, 在該復(fù)合物中GSH上的巰基被α-CD的大口端包結(jié), 從而得到有效的保護(hù), 達(dá)到了防止其被氧化的目的. 進(jìn)一步對(duì)GSH-與α-CD的包結(jié)進(jìn)行了計(jì)算, 結(jié)果表明, 所形成的包結(jié)結(jié)構(gòu)未受到GSH電離狀態(tài)的明顯影響, 說(shuō)明α-環(huán)糊精是一個(gè)很好的谷胱甘肽包結(jié)劑. 本文的研究結(jié)果為設(shè)計(jì)新的谷胱甘肽包結(jié)劑提供了理論依據(jù).

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(Ed.: Y, Z, S)

? Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.21373117).

Inclusion Mechanism of Cyclodextrins with Glutathione?

SHEN Wen1, SHAO Xueguang1,2, CAI Wensheng1*

(1.ResearchCenterforAnalyticalSciences,CollegeofChemistry,TianjinKeyLaboratoryofBiosensingandMolecularRecognition,CollaborativeInnovationCenterofChemicalScienceandEngineering(Tianjin),NankaiUniversity,Tianjin300071,China;2.StateKeyLaboratoryofMedicinalChemicalBiology,NankaiUniversity,Tianjin300071,China)

By using molecular dynamics simulations combined with free energy calculations, the inclusion modes ofα-,β-, andγ-cyclodextrins(CDs) with glutathione(GSH) in an aqueous environment were investigated at the atomic level. The free-energy changes for the six possible inclusion processes of the three types of CDs with GSH were calculated. The results show that the inclusion complex formed by GSH andα-CD with the orientation that the glutamic acid(Glu) residue entering from the secondary rim of the CD is the most energetically favored, wherein the methylene chain of the Glu is completely buried in the cavity ofα-CD, and three hydrogen bonds are formed betweenα-CD and GSH. It is worth noting that in this most stable complex structure, the sulfhydryl group of GSH is included at the secondary rim, thereby being protected byα-CD. Moreover, hydrophobic and hydrogen-bonding interactions constitute the main driving force responsible for the formation of the host-guest complex. The favorable inclusion mode of GSH withβ-CD is similar to that withα-CD, but the corresponding complex of the former is less stable than that of the latter. On the contrary, forγ-CD, the favorable orientation is that the Glu residue enters the cavity from the primary side of the CD. From the free-energy calculations reported herein, the relative binding affinity with GSH follows the ranking orderα-CD>β-CD>γ-CD.

Glutathione; Cyclodextrin; Molecular dynamics simulation; Free-energy calculation

10.7503/cjcu20160375

2016-05-25. 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-09-23.

國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): 21373117)資助.

O641

A

聯(lián)系人簡(jiǎn)介: 蔡文生, 女, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事分子模擬和化學(xué)信息學(xué)研究. E-mail: wscai@nankai.edu.cn