李愛靜 謝 煒 王 明 徐四川

(云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程·藥學(xué)學(xué)院，自然資源藥物化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650091)

多巴胺在其第三受體蛋白結(jié)構(gòu)中的分子通道上傳輸動(dòng)力學(xué)

李愛靜 謝 煒 王 明 徐四川*

(云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程·藥學(xué)學(xué)院，自然資源藥物化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650091)

本文基于多巴胺與其第三受體復(fù)合蛋白(D3R)結(jié)構(gòu)，采用分子動(dòng)力學(xué)技術(shù)Gromacs 4.5程序中的傘形樣本方法，研究多巴胺在多巴胺第三受體蛋白結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)軌跡及其過程中自由能變化，探討多巴胺在其分子通道上傳輸運(yùn)動(dòng)機(jī)制動(dòng)力學(xué)。分子模擬表明，處在發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用部位的多巴胺，通過D3R結(jié)構(gòu)中的功能分子通道沿著y+軸朝細(xì)胞外方向傳輸運(yùn)動(dòng)的自由能變化數(shù)值為134.6 kJ·mol－1，沿著y－軸朝細(xì)胞內(nèi)傳輸運(yùn)動(dòng)的自由能變化為211.5 kJ·mol－1。在D3R結(jié)構(gòu)中，多巴胺沿著x+、x－、z+、z－軸朝細(xì)胞雙層膜方向傳輸運(yùn)動(dòng)的自由能變化分別為65.8、245.0、551.4、172.8 kJ·mol－1，數(shù)值說明DOP更容易沿著x+軸方向從TM5(第五跨膜螺旋)與TM6(第六跨膜螺旋)縫隙之間離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。處在細(xì)胞間隙空間的自由多巴胺，在等溫等壓條件下沿著逆y+軸方向通過多巴胺第三受體內(nèi)功能分子通道，到達(dá)發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用的部位是一個(gè)自發(fā)過程，因?yàn)樵谠撥壽E上多巴胺分子與受體相互作用是一個(gè)負(fù)自由能變化(－134.6 kJ·mol－1)。所以，多巴胺與多巴胺受體很容易相互結(jié)合，發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用。發(fā)揮了神經(jīng)遞質(zhì)功能作用的多巴胺分子，沿著x+軸方向的保護(hù)分子通道從TM5與TM6縫隙之間離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免過度發(fā)揮多巴胺神經(jīng)遞質(zhì)功能作用。根據(jù)多巴胺功能和保護(hù)分子通道觀點(diǎn)，我們提出帕金森病新病理和精神分裂癥新病理。論文還探討多巴胺分子通道理論及其新病理應(yīng)用于治療控制這兩種病癥及其相關(guān)藥物研究開發(fā)。

多巴胺；多巴胺受體；分子通道；分子模擬；帕金森?。痪穹至寻Y

1 引言

帕金森病目前被認(rèn)為是一種不可治愈的致殘性疾病，不可治愈性和病理被認(rèn)為與中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元不可逆的進(jìn)行性凋亡密切相關(guān)，因?yàn)榈蛲龅纳窠?jīng)元細(xì)胞無法被修復(fù)。中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性凋亡會(huì)導(dǎo)致腦內(nèi)多巴胺減少。多巴胺(DA)是腦內(nèi)一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，通過不同亞型多巴胺受體調(diào)控生命體運(yùn)動(dòng)功能、認(rèn)知活動(dòng)、情感等生理或病理過程，與帕金森病等病理密切相關(guān)1－4。目前，最有效緩解帕金森病的方法還是外源補(bǔ)充多巴胺，口服左旋多巴與芐絲肼混合物(藥名：美多芭)，約10%的左旋多巴能通過血腦屏障進(jìn)入細(xì)胞，在細(xì)胞中脫羧生成多巴胺，之后通過囊泡釋放到細(xì)胞突觸間隙，提高多巴胺含量。但是，即使將突觸間隙多巴胺濃度增加至超過正常水平，依然不能控制帕金森病病情，在一些病例中甚至絲毫不能起到緩解作用。

在細(xì)胞突觸間隙的自由多巴胺分子需要與后膜上的不同亞型多巴胺受體結(jié)合，才能真正發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用。在不同亞型多巴胺受體蛋白結(jié)構(gòu)內(nèi)部，存在著與多巴胺分子結(jié)合的部位，以及用于運(yùn)輸多巴胺發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用的分子通道5,6。對(duì)多巴胺受體的研究開始于20世紀(jì)70年代末，起初確認(rèn)了D1、D2兩類多巴胺亞型受體7。20世紀(jì)90年代初，通過分子生物學(xué)技術(shù)相繼克隆了5種亞型多巴胺受體分子，分別為D1R、D2R、D3R、D4R和D5R8－12。D1R、D5R屬于D1樣受體，D2R、D3R、D4R屬于D2樣受體。各種亞型多巴胺受體膜蛋白都是七個(gè)跨膜區(qū)域(7-GM)組成的G蛋白偶聯(lián)受體家族。受體蛋白中七個(gè)跨膜螺旋區(qū)域可以構(gòu)成空間部位，與多巴胺分子結(jié)合使其發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用，同時(shí)也構(gòu)成分子通道運(yùn)輸多巴胺分子。

各種亞型多巴胺受體都是跨膜蛋白，膜蛋白的結(jié)晶以及解析晶體結(jié)構(gòu)都是比較困難的課題。截止目前，只有一個(gè)多巴胺第三受體蛋白突變體的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)表在Science期刊上13，其它多巴胺受體晶體蛋白結(jié)構(gòu)包括其突變體結(jié)構(gòu)都沒有報(bào)道。在該蛋白晶體結(jié)構(gòu)中，含有多巴胺受體拮抗劑依替必利(ETQ)分子。在國(guó)家自然科學(xué)基金支持下，我們研究了多巴胺第三受體膜蛋白結(jié)構(gòu)與應(yīng)用。我們通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究獲得了兩個(gè)人體生物型的多巴胺第三受體與多巴胺復(fù)合精細(xì)蛋白結(jié)構(gòu)14,15。在這兩個(gè)復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)中，多巴胺分子的結(jié)合部位是相似的，起著關(guān)鍵作用的各種活性位點(diǎn)氨基酸也是相似的，而且多巴胺的結(jié)合部位與依替必利(ETQ)在多巴胺第三受體蛋白晶體結(jié)構(gòu)中的部位也相似。多巴胺與D3R蛋白結(jié)合的活性位點(diǎn)氨基酸殘基為Asp75、His349、Phe345、Phe346、Thr34214，除Asp75外，其余四個(gè)殘基都位于ETQ分子0.6 nm范圍內(nèi)。多巴胺分子0.6 nm范圍內(nèi)的氨基酸殘基共有33個(gè)，其中16個(gè)與ETQ分子0.6 nm范圍內(nèi)的殘基相同，相似度為48.5%，列在表1中。

圖1也比較了它們的相似性。依替必利是一種抗精神分裂癥藥物，在多巴胺第三受體蛋白晶體結(jié)構(gòu)中的部位可顯示其藥物作用活性空腔13，該腔靶點(diǎn)也應(yīng)該是多巴胺分子與多巴胺第三受體結(jié)合的部位發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用。

在前期研究工作的基礎(chǔ)上，本文研究多巴胺在其第三受體蛋白結(jié)構(gòu)中的分子通道上傳輸動(dòng)力學(xué)。基于多巴胺與其第三受體復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)和POPC磷脂雙層膜14，我們采用最新的分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，研究獲得多巴胺在其第三受體分子通道上運(yùn)動(dòng)軌跡及其自由能變化，探討多巴胺在分子通道上傳輸運(yùn)動(dòng)機(jī)制動(dòng)力學(xué)，建立多巴胺分子通道理論，探討帕金森病和精神分裂癥的新病理。

表1 多巴胺和ETQ分子為中心選出的0.6 nm范圍內(nèi)多巴胺受體的殘基Table 1 The residues within 0.6 nm of the D3Rstructure around ETQ and DOP

圖1 (a)ETQ與多巴胺第三受體突變體復(fù)合蛋白晶體結(jié)構(gòu)圖13；(b)ETQ和DOP分子結(jié)構(gòu)圖；(c)人體生物型多巴胺與多巴胺第三受體復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)14Fig.1(a)Originalgraph of mutated protein crystalstructure of dopamine third receptor with ETQ13;(b)molecular structures of ETQand DOP;(c)human′s dopamine third receptor complex structure with dopamine14

2 材料與方法

本文的基礎(chǔ)材料是多巴胺第三受體與多巴胺復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)，來自于我們先前報(bào)道的研究結(jié)果14。這個(gè)復(fù)合蛋白是基于多巴胺第三受體突變體蛋白晶體結(jié)構(gòu)(晶體編號(hào)3PBL)13，采用對(duì)接技術(shù)和分子動(dòng)力學(xué)獲得。原蛋白晶體結(jié)構(gòu)的突變點(diǎn)氨基酸，已經(jīng)突變回到人類多巴胺第三受體氨基酸序列，多巴胺分子被對(duì)接到七個(gè)跨膜螺旋區(qū)域構(gòu)成的空間部位，該部位相似于依替必利(ETQ)在多巴胺第三受體蛋白晶體結(jié)構(gòu)中的部位，只是稍稍偏里面一些，結(jié)果顯示在圖1中。

生物膜是膜蛋白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要外部條件.基于先前研究工作基礎(chǔ)14，本文同樣選用含量最多的一種磷脂酰膽堿分子，1-棕櫚酰-2-油酰-卵磷脂(POPC)分子，構(gòu)建生物雙層膜。在POPC尾端中含有未飽和的C＝C雙鍵，與飽和尾端磷脂脂質(zhì)分子相比，被優(yōu)先選用于模擬生物細(xì)胞膜16－23。選用POPC磷脂分子構(gòu)建POPC膜-水模型是文獻(xiàn)報(bào)道的16，水分子是SPC模型水24,25。圖2是研究體系結(jié)構(gòu)圖，除了多巴胺第三受體和多巴胺以外，還有82個(gè)POPC磷脂質(zhì)分子、5450個(gè)水分子和8個(gè)Cl－離子用于中和體系的正電荷，體系總共含有23416個(gè)原子。

2.1 D3R-DOP復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)分子動(dòng)力學(xué)模擬

采用Gromacs 4.5程序?qū)3R-DOP復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，并且采用VMD程序分析模擬結(jié)果26－29。DOP分子力場(chǎng)參數(shù)采用Gromos 96力場(chǎng)格式自己設(shè)定30,31，其力學(xué)參數(shù)已經(jīng)報(bào)道14,32,33，POPC分子力場(chǎng)參數(shù)源自文獻(xiàn)16，改寫成Gromacs格式數(shù)據(jù)。先用最陡下降法進(jìn)行最大40000步(Fmax＜100 kJ·mol－1·nm－1)能量?jī)?yōu)化來排除體系原子坐標(biāo)重疊問題，然后在允許水分子移動(dòng)的情況下，使用Berendsen溫度耦合算法和Berendsen壓力耦合算法，分別設(shè)定時(shí)間常數(shù)為0.1和5 ps，采用LINCS約束算法進(jìn)行200 ps的位置限定模擬，將體系的溫度和壓強(qiáng)分別調(diào)整至310 K和101325 Pa。應(yīng)用周期邊界條件于體系，分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間是20 ns，耦合方法和參數(shù)與位置限定模擬相同，每步2 fs時(shí)長(zhǎng)，每2000步(4 ps)輸出一個(gè)體系文件，用于計(jì)算體系的各種能量和分析結(jié)構(gòu)變化。

圖2 研究材料：多巴胺第三受體與多巴胺復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)包括雙層磷脂POPC-H2O膜結(jié)構(gòu)Fig.2 Research materials:the complex structure of D3R with DOP including the double layer phospholipid POPC-H2O membrane

2.2 DOP分子在D3R結(jié)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能勢(shì)能面

基于上述優(yōu)化的D3R-DOP-POPC-H2O系統(tǒng)，采用Gromacs 4.5程序中的傘形樣本(umbrella sampling)方法34，計(jì)算模擬DOP分子在D3R結(jié)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能勢(shì)能面。自由能勢(shì)能面模擬計(jì)算原理是基于公式ΔG=－RT ln K，其中ΔG是自由能，而K是平衡常數(shù)，通過分子模擬計(jì)算獲得34。類似相關(guān)的計(jì)算步驟已經(jīng)多次報(bào)道發(fā)表在相關(guān)研究論文中35－40，所以在本文中不詳細(xì)介紹模擬計(jì)算步驟，只是簡(jiǎn)單給出一些計(jì)算要點(diǎn)。本工作采用分子動(dòng)力學(xué)模擬優(yōu)化之后的體系結(jié)構(gòu)文件為軌跡動(dòng)力學(xué)起始結(jié)構(gòu)體系的輸入文件，所需要的DOP動(dòng)力學(xué)軌跡模擬體系的拓?fù)湮募c其分子動(dòng)力學(xué)模擬的拓?fù)湮募嗤?。設(shè)定DOP為運(yùn)動(dòng)組，力常數(shù)(harmonic force constant)設(shè)定為2000 kJ·mol－1· nm－2，并限制DOP最大運(yùn)動(dòng)速度為10 nm·ns－1。使用Nose-Hoover溫度耦合算法和Parrinello-Rahman壓力耦合算法，分別設(shè)定時(shí)間常數(shù)為0.2和1 ps，設(shè)定參考溫度為310 K，參考?jí)毫?01325 Pa，在x、z和y正負(fù)方向，分別進(jìn)行步長(zhǎng)為2 fs的500000步軌跡動(dòng)力學(xué)模擬。選取與運(yùn)動(dòng)方向相反的合適殘基作為參考系，在結(jié)果與討論章節(jié)中分別給出具體的參考系。根據(jù)0.05 nm規(guī)則，從軌跡數(shù)據(jù)文件中挑選合適的傘形樣本計(jì)算。由于生成DOP在D3R結(jié)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)軌跡過程中，通過外界給力使DOP分子運(yùn)動(dòng)，造成DOP分子結(jié)構(gòu)變形，DOP分子和D3R結(jié)構(gòu)體系偏離了平衡；因此，需要做傘形樣本模擬計(jì)算，在限定的運(yùn)動(dòng)組和參考系質(zhì)心距離上，使DOP分子和體系重新實(shí)現(xiàn)平衡。傘形樣本模擬計(jì)算輸入文件分別是挑選出來的傘形樣本文件，拓?fù)湮募椭羔樜募?，以及傘形樣本模擬參數(shù)文件。傘形樣本模擬參數(shù)與軌跡模擬參數(shù)基本上相同，只是運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為0 nm· ns－1，表明DOP分子不在軌跡上運(yùn)動(dòng)，而是在給定的兩個(gè)組結(jié)構(gòu)質(zhì)心距離上，做分子動(dòng)力學(xué)模擬達(dá)到再平衡，模擬步數(shù)設(shè)定為40萬步(800 ps)，步長(zhǎng)2 fs，采用均方根偏差(RMSD)測(cè)定體系平衡性。最后，采用Gromacs 4.5程序中的加權(quán)柱狀圖分析法(WHAM)41，把有偏采樣的結(jié)果轉(zhuǎn)換為無偏采樣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從一系列傘形樣本模擬計(jì)算的結(jié)果中抽出平均力勢(shì)(PMF)，計(jì)算誤差偏差為10－6kJ· mol－1(收斂計(jì)算標(biāo)準(zhǔn))。PMF面即為自由能勢(shì)能面，基于該自由能勢(shì)能面，就可以計(jì)算出自由結(jié)合能的變化(ΔGbind)。g_wham計(jì)算輸出另外一個(gè)文件是柱狀圖型數(shù)據(jù)。如果柱狀圖型重疊程度不好，就會(huì)產(chǎn)生鋸齒型PMF勢(shì)能面，反之，我們多次研究的結(jié)果表明沒有鋸齒形的PMF勢(shì)能面，柱狀圖型重疊程度較好35－37。因此，柱狀圖型結(jié)果可以顯示傘形樣本重疊程度，較好的重疊說明WHAM方法計(jì)算ΔG的可靠性。另外，雖然沒有實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行直接比較，但是可以通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算的自由能可靠性。文獻(xiàn)報(bào)道，采用PMF方法，模擬計(jì)算水分子在卵磷脂脂質(zhì)分子生物膜中透過自由能能壘是16.8－29.4 kJ·mol－142－47，而實(shí)驗(yàn)測(cè)定水分子透過細(xì)胞膜自由能能壘是16.8－37.8 kJ·mol－148－51，分子模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果很好的保持一致。文獻(xiàn)還報(bào)道，同樣采用PMF方法計(jì)算Na+-Cl－離子對(duì)、Cl－離子和Na+離子透過卵磷脂脂質(zhì)分子生物膜的自由能能壘分別是115.0、99.1和92.0 kJ·mol－152，而實(shí)驗(yàn)測(cè)定Cl－離子和Na+離子透過磷脂酰絲氨酸生物膜的自由能能壘分別是(98.7±11.3)和(87.4±1.7)kJ· mol－153，數(shù)據(jù)顯示分子模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果也具有很好的一致性。既然在上述兩個(gè)生物膜體系中，分子模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果具有很好的一致性，對(duì)于本文使用的生物膜體系，分子模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果也應(yīng)該具有很好的一致性。

圖3 (A)DOP在D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)的六個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，y+軸方向設(shè)定往細(xì)胞外運(yùn)動(dòng)，y－軸方向往細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動(dòng)，x+、x－、z+、z－軸方向從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞雙層膜運(yùn)動(dòng)；(o,a,b,c)DOP在y+軸方向上運(yùn)動(dòng)軌跡上四個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)圖像圖；(B)DOP在D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)y+軸方向運(yùn)動(dòng)的自由能變化圖Fig.3(A)Six orientations for DOPto move within D3R,and the tracks to move toward the outside of cellsupposed along the y+axis and toward the inside of cellalong the y－axis,along the x+,x－,z+,z－axes for DOP from the interior of D3R to move into the POPC phospholipid bilayer membrane;(o,a,b,c)four pictures of the tracks along the y+axis for DOP to move;(B)the potentialof mean force(PMF)of the track along the y+axis for DOP to move

3 結(jié)果與討論

3.1 DOP在D3R結(jié)構(gòu)中功能分子通道上運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能勢(shì)能面

在優(yōu)化的D3R-DOP系統(tǒng)中，多巴胺分子被認(rèn)為處在該受體蛋白中七個(gè)跨膜螺旋區(qū)域構(gòu)成的空間部位(發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用的部位)14,54。以此復(fù)合蛋白結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，我們要研究DOP分子在D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)六個(gè)方向運(yùn)動(dòng)軌跡(圖3)。y+軸方向設(shè)定是DOP分子從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞外運(yùn)動(dòng)方向，其相反方向的線路就可以被認(rèn)為多巴胺從突觸間隙到達(dá)發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用的部位的運(yùn)輸路線。y－軸方向設(shè)置為DOP分子從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞里運(yùn)動(dòng)方向。x+、x－、z+、z－軸方向是DOP分子從D3R內(nèi)部進(jìn)入到細(xì)胞雙層膜中間方向?？紤]了四個(gè)方向，基本覆蓋DOP分子運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到細(xì)胞雙層膜空間最可能的運(yùn)動(dòng)方向。

在y+軸方向，選定了Leu95作為運(yùn)動(dòng)參考組。參考組的選定是基于反運(yùn)動(dòng)方向盡量靠近DOP分子的氨基酸殘基基團(tuán)。由于在該體系中水分子和磷脂分子有相對(duì)較大的運(yùn)動(dòng)空間，故不適合作為參考組。設(shè)定一個(gè)外力最大值是2000 kJ· mol－1，推動(dòng)運(yùn)動(dòng)組DOP分子沿著y+軸方向，往細(xì)胞外方向運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際過程中，程序會(huì)根據(jù)體系情況，提供小于2000 kJ·mol－1合適的外力，使DOP運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生軌跡坐標(biāo)，在圖3中顯示了軌跡上四個(gè)點(diǎn)體系的多巴胺與其受體結(jié)構(gòu)圖像。其中O點(diǎn)是起始點(diǎn)體系，經(jīng)過a、b點(diǎn)軌跡體系，到達(dá)c點(diǎn)軌跡體系，顯示多巴胺分子通過分子通道離開了受體蛋白的軌跡。

在y+軸方向，從DOP分子運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)文件中，挑選了56個(gè)樣本(表2)，用于樣本體系再平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬和計(jì)算DOP分子運(yùn)動(dòng)自由能變化。在DOP運(yùn)動(dòng)軌跡文件中，不同方向上都保存了1001個(gè)軌跡點(diǎn)構(gòu)象數(shù)據(jù)，無需全部用來做傘形樣本分子模擬計(jì)算。1001個(gè)軌跡點(diǎn)構(gòu)象數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于1000 ps分子模擬時(shí)長(zhǎng)，每1 ps取出一個(gè)軌跡點(diǎn)構(gòu)象數(shù)據(jù)。所以樣本編號(hào)與軌跡分子模擬時(shí)長(zhǎng)(ps單位)相對(duì)應(yīng)。采用軌跡點(diǎn)體系構(gòu)象數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出不同編號(hào)樣本中，參考系質(zhì)心與運(yùn)動(dòng)組質(zhì)心距離。按照DOP運(yùn)動(dòng)組與參考系質(zhì)心距離等間隔增加約0.05 nm規(guī)則挑選傘形樣本。在不同區(qū)域，由于給力變化，DOP除了平移運(yùn)動(dòng)還有轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，參考系與運(yùn)動(dòng)組質(zhì)心距離變化大，即使相鄰的傘形樣本，質(zhì)心距離變化也會(huì)大于0.05 nm。而且在分子運(yùn)動(dòng)過程中，體系的參考系與運(yùn)動(dòng)組質(zhì)心位置都會(huì)改變，實(shí)際間隔距離不會(huì)嚴(yán)格按照0.05 nm整數(shù)倍出現(xiàn)，因此樣本間隔并非完全符合0.05 nm間隔距離。對(duì)于挑選出的56個(gè)樣本，運(yùn)動(dòng)組和參考組被分別限定在固定質(zhì)心距離上，通過800 ps分子動(dòng)力學(xué)模擬，使DOP分子和整個(gè)體系重新實(shí)現(xiàn)平衡。采用體系RMSD數(shù)值表征體系重新實(shí)現(xiàn)平衡。本研究與以前的多個(gè)類似研究結(jié)果相似，從700到800 ps之間，各自樣本體系的RMSD數(shù)值都保持在本值±0.02 nm變化之間，說明通過40萬步分子動(dòng)力學(xué)模擬，實(shí)現(xiàn)了樣本體系重新平衡，它們的數(shù)據(jù)沒有給出。由于做軌跡時(shí)候給予外力，造成體系稍微偏離平衡，但是這種偏離與原先的體系差別不大，所以很快就能達(dá)到再平衡。

盡管兩個(gè)軌跡上挑選了很多傘形樣本，并且通過分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)現(xiàn)樣本再平衡，但是還是屬于有偏采樣的結(jié)果。所以采用Gromacs 4.5程序中的加權(quán)柱狀圖分析法41，把有偏采樣的結(jié)果轉(zhuǎn)換為無偏采樣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從一系列傘形樣本模擬計(jì)算的結(jié)果中抽出平均力勢(shì)，得到圖3的自由能變化圖。

表2 DOP分子沿著y+軸方向通過D3R蛋白內(nèi)分子通道軌跡上的傘形樣本Table 2 Umbrella samplings obtained by dopamine moving within D3R along the y+axis

采用VMD程序顯現(xiàn)和分析DOP運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)表2中軌跡上的傘形樣本與參考系的距離(起始參考組與運(yùn)動(dòng)組空間中心距離已經(jīng)歸為零)，并且結(jié)合考慮DOP在軌跡坐標(biāo)上的自由能變化，就能確定DOP在D3R內(nèi)部的位置。為了分析簡(jiǎn)便起見，在每個(gè)軌跡圖中只給出四個(gè)DOP運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵位置的圖像。在y+軸方向，圖3中DOP軌跡從起點(diǎn)O點(diǎn)開始，經(jīng)過a點(diǎn)(0.58 nm)和b點(diǎn)(1.41 nm)到達(dá)c點(diǎn)(2.65 nm)位置，離開了D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖中顯示DOP在該軌跡上的自由能變化為134.6 kJ·mol－1。

在圖4中，選擇Ser156作為參考系，選擇了54個(gè)樣本體系(表3)，沿著y－軸方向，DOP從起點(diǎn)o點(diǎn)開始，經(jīng)過a點(diǎn)(0.24 nm)和b點(diǎn)(1.24 nm)到達(dá)c點(diǎn)(2.49 nm)位置，從TM5-TM6之間的下端部位，離開了D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于D3R內(nèi)環(huán)的影響，使得DOP不能從細(xì)胞正內(nèi)端離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖4數(shù)據(jù)顯示，DOP分子從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞里運(yùn)動(dòng)，離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要的自由能變化為211.6 kJ·mol－1。

y+、y－軸方向自由能數(shù)值差異原因之一，可能源自于最初始的D3R晶體蛋白結(jié)構(gòu)構(gòu)象，因?yàn)樵摰鞍准?xì)胞外端結(jié)合了拮抗分子造成了一種開狀態(tài)的蛋白結(jié)構(gòu)。另外一個(gè)原因可能是該分子通道本身不是用于把DOP分子從細(xì)胞外輸送到細(xì)胞內(nèi)。

3.2 DOP在D3R結(jié)構(gòu)中保護(hù)分子通道上運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能勢(shì)能面

圖4 (o,a,b,c)DOP在y－軸方向運(yùn)動(dòng)軌跡上四個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)圖像圖；(A)DOP在D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)y－軸方向運(yùn)動(dòng)的自由能變化圖Fig.4(o,a,b,c)Four pictures of the tracks along the y－axis for DOP to move; (A)potentialof mean force(PMF)of the track along the y－axis for DOPto move within D3R

DOP在D3R結(jié)構(gòu)中保護(hù)分子通道上運(yùn)動(dòng)軌跡和自由能勢(shì)能面，通過x+、x－、z+、z－軸四個(gè)方向進(jìn)行研究。從這四個(gè)方向，DOP分子都有可能從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞膜方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入到細(xì)胞雙層膜空間。

圖5是DOP分子沿著x+軸方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞雙層膜空間運(yùn)動(dòng)軌跡圖，參考組是Leu15殘基，選擇了35個(gè)樣本體系列在表4中。結(jié)合運(yùn)動(dòng)軌跡圖5的主視圖和俯視圖中，可以看出，沿著x+軸方向，DOP從起點(diǎn)o點(diǎn)開始，經(jīng)過a點(diǎn)(0.41 nm)和b點(diǎn)(0.69 nm)到達(dá)c點(diǎn)(1.16 nm)位置，從TM5-TM6之間，兩個(gè)跨膜螺旋之間，離開了D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。沿著x+軸方向運(yùn)動(dòng)軌跡，該過程自由能變化為65.8 kJ·mol－1。

表3 DOP分子沿著y－軸方向通過D3R蛋白內(nèi)分子通道軌跡上的傘形樣本Table 3 Umbrella samplings obtained by dopamine moving within D3R along the y－axis

表5是DOP分子沿著x－軸方向運(yùn)動(dòng)軌跡上挑選的50個(gè)樣本，參考系組是Val173殘基。圖6是DOP分子沿著x－軸方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞雙層膜空間運(yùn)動(dòng)軌跡圖。結(jié)合運(yùn)動(dòng)軌跡圖6的主視圖和俯視圖，可以看出，沿著x－軸方向，DOP從起點(diǎn)o點(diǎn)開始，經(jīng)過a點(diǎn)(0.73 nm)和b點(diǎn)(1.75 nm)到達(dá)c點(diǎn)(1.93 nm)位置，從TM1-TM2跨膜螺旋之間，離開了D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。沿著x－軸方向運(yùn)動(dòng)軌跡的自由能變化為245.0 kJ·mol－1。

圖7是DOP分子沿著z+軸方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞雙層膜空間運(yùn)動(dòng)軌跡圖，參考組是Leu220殘基，選擇了46個(gè)樣本體系列在表6中。結(jié)合運(yùn)動(dòng)軌跡圖7的主視圖和俯視圖中，可以看出，沿著z+軸方向，DOP從起點(diǎn)o點(diǎn)開始，經(jīng)過a點(diǎn)(0.62 nm)和b點(diǎn)(1.47 nm)到達(dá)c點(diǎn)(2.26 nm)位置，從TM2-TM3跨膜螺旋之間，離開了D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。DOP分子沿著z+軸方向運(yùn)動(dòng)軌跡的自由能變化為551.4 kJ·mol－1。

圖8是DOP分子沿著z－軸方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞雙層膜空間運(yùn)動(dòng)軌跡圖，參考組是Leu51殘基，選擇了35個(gè)樣本體系列在表7中。結(jié)合運(yùn)動(dòng)軌跡圖8的主視圖和俯視圖中，可以看出，沿著z－軸方向，DOP從起點(diǎn)o點(diǎn)開始，經(jīng)過a點(diǎn)(0.92 nm)和b點(diǎn)(1.60 nm)到達(dá)c點(diǎn)(2.39 nm)位置，從TM5-TM6之間離開了D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)。DOP分子沿著z－軸方向運(yùn)動(dòng)軌跡的自由能變化為172.8 kJ·mol－1。

圖5 (o,a,b,c)DOP在x+軸方向上從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞雙層膜運(yùn)動(dòng)軌跡四個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)主視圖和俯視圖；(A)DOP在D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)x+軸方向運(yùn)動(dòng)的自由能變化圖Fig.5(o,a,b,c)Four pictures of the tracks along the x+axis for DOP to move from within D3Rinto the POPC phospholipid bilayer membrane on the main view and top view respectively;(A)PMF of the track along the x+axis for DOPto move

表4 DOP分子沿著x+軸方向通過D3R蛋白內(nèi)分子通道軌跡上的傘形樣本Table 4 Umbrella samplings obtained by dopamine moving within D3Ralong the x+axis

表5 DOP分子沿著x－軸方向通過D3R蛋白內(nèi)分子通道軌跡上的傘形樣本Table 5 Umbrella samplings obtained by dopamine moving within D3R along the x－axis

圖6 (o,a,b,c)DOP在x－軸方向上從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞雙層膜運(yùn)動(dòng)軌跡四個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)主視圖和俯視圖；(A)DOP在D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)x－軸方向運(yùn)動(dòng)的自由能變化圖Fig.6(o,a,b,c)Four pictures of the tracks along the x－axis for DOP to move from within D3R into the POPCphospholipid bilayer membrane on the main view and top view respectively;(A)PMF of the track along the x－axis for DOP to move

DOP在D3R結(jié)構(gòu)中的分子通道運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有一定程度上的柔性，在一定范圍內(nèi)DOP分子總是朝著能量比較小的方向上運(yùn)動(dòng)。從四個(gè)軌跡圖可以看出，DOP分子并不是沿某一個(gè)固定方向運(yùn)動(dòng)，而是以某一軸為初始方向，沿著最低能量方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)前面有跨膜螺旋擋住，它就稍微改變方向，從跨膜螺旋柱間隙中運(yùn)動(dòng)。如果沿著y軸方向，那最可能方向是盡可能不要通過跨膜螺旋柱間隙，在中間空間運(yùn)動(dòng)，除非受到環(huán)結(jié)構(gòu)的影響。所以我們通過x+、x－、z+、z－軸四個(gè)方向進(jìn)行研究，就應(yīng)該能覆蓋DOP運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到細(xì)胞雙層膜空間最可能的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，對(duì)于DOP在D3R結(jié)構(gòu)中保護(hù)分子通道運(yùn)動(dòng)，DOP最可能的軌跡是沿著x+軸方向從TM5與TM6縫隙之間離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其自由能變化數(shù)值是65.8 kJ·mol－1。

當(dāng)處在細(xì)胞突觸間隙的自由多巴胺分子，與鑲嵌在后膜上的不同亞型多巴胺受體結(jié)合，啟動(dòng)信號(hào)傳遞，真正發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用，調(diào)控生命體運(yùn)動(dòng)功能、認(rèn)知活動(dòng)、情感等過程。在多巴胺傳輸運(yùn)動(dòng)過程中，根據(jù)本文研究表明，在多巴胺第三受體中有兩種分子通道。一種通道提供給還未發(fā)揮作用多巴胺分子，使其到達(dá)結(jié)合部位以發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用，稱之為功能分子通道。在該通道上，多巴胺分子運(yùn)動(dòng)軌跡是y+軸負(fù)方向路線；在該軌跡上多巴胺分子與多巴胺受體相互作用自由能為－134.6 kJ·mol－1，是一個(gè)負(fù)值。等溫等壓條件下，該過程可自發(fā)進(jìn)行，多巴胺與多巴胺受體很容易相互結(jié)合，發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用。另外一種通道提供給已發(fā)揮功能作用的多巴胺分子，使其離開受體。在D3R結(jié)構(gòu)中，多巴胺分子最可能是沿著x+軸方向從TM5與TM6縫隙之間離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其自由能變化數(shù)值是65.8 kJ·mol－1。如果沒有離開的通道，或者離開通道的自由能在一定條件下變大了，多巴胺分子就一直與其受體結(jié)合發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用。為了避免多巴胺分子過度發(fā)揮經(jīng)遞質(zhì)功能作用，需要在自由能變化較小的軌跡上運(yùn)動(dòng)，這樣的分子通道起著保護(hù)機(jī)體功能作用，稱之為保護(hù)分子通道?；诙喟桶肥荏w中這樣兩種分子通道的存在，就可構(gòu)建多巴胺分子通道理論的模型。

圖7 (o,a,b,c)DOP在z+軸方向上從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞雙層膜運(yùn)動(dòng)軌跡四個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)主視圖和俯視圖；(A)DOP在D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)z+軸方向運(yùn)動(dòng)的自由能變化圖Fig.7(o,a,b,c)Four pictures of the tracks along the z+axis for DOP to move from within D3Rinto the POPC phospholipid bilayer membrane on the main view and top view respectively;(A)PMF of the track along the z+axis for DOP to move

表6 DOP分子沿著z+軸方向通過D3R蛋白內(nèi)分子通道軌跡上的傘形樣本Table 6 Umbrella samplings obtained by dopamine moving within D3R along the z+axis

表7 DOP分子沿著z－軸方向通過D3R蛋白內(nèi)分子通道軌跡上的傘形樣本Table 7 Umbrella samplings obtained by dopamine moving within D3Ralong the z－axis

圖8 (o,a,b,c)DOP在z－軸方向上從D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)往細(xì)胞雙層膜運(yùn)動(dòng)軌跡四個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)主視圖和俯視圖；(A)DOP在D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)z－軸方向運(yùn)動(dòng)的自由能變化圖Fig.8(o,a,b,c)Four pictures ofthe tracks along the z－axis for DOPto move from within D3Rinto the POPC phospholipid bilayer membrane on the main view and top view respectively;(A)PMF of the track along the z－axis for DOP to move

基于該理論模型，我們可以探討帕金森病新病理。前面已經(jīng)說道，美多芭可以使細(xì)胞突觸間隙的多巴胺濃度超過人體正常水平，卻不能控制帕金森病，在一些病例中，特別是腦梗(或者心梗)與帕金森病共存情況下，甚至絲毫不能緩解帕金森病病癥?；诙喟桶贩肿油ǖ烙^點(diǎn)，我們認(rèn)為這是由于纖維蛋白堵塞在多巴胺受體細(xì)胞外端起始通道部位，阻礙了多巴胺功能分子通道，阻止了多巴胺與其受體相互作用，妨礙了多巴胺分子成為功能多巴胺，抑制多巴胺分子發(fā)揮經(jīng)遞質(zhì)功能作用。所以，盡管在細(xì)胞突觸間隙自由的多巴胺分子含量高，但是功能多巴胺分子數(shù)量很少。因此，我們提出帕金森病發(fā)病新機(jī)制是神經(jīng)系統(tǒng)多巴胺功能分子通道被纖維蛋白堵塞，發(fā)病危險(xiǎn)因素是高含量的纖維蛋白。根據(jù)這種新機(jī)制，對(duì)于不同病情和病齡的帕金森病患者的神經(jīng)元細(xì)胞總是可以區(qū)分為凋亡、變性但還未凋亡和正常細(xì)胞。神經(jīng)元細(xì)胞凋亡(例如腦萎縮)是一種不可治愈的致殘性疾病病理，確實(shí)能引起功能多巴胺減少引起帕金森病，嚴(yán)重摧殘患者健康，使患者生命生活異常艱難。帕金森病的不可治愈性與其病理被認(rèn)為是中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性凋亡密切相關(guān)，因?yàn)榈蛲龅纳窠?jīng)元細(xì)胞無法被修復(fù)。但是，基于我們提出的新機(jī)制，對(duì)于變性細(xì)胞和正常細(xì)胞，由于被堵塞的多巴胺功能通道可以重新被疏通，高水平的纖維蛋白含量可以被降低，減少的多巴胺可以通過治療和康復(fù)以及外源補(bǔ)充方式得到恢復(fù)和提高含量，所以基于發(fā)病新機(jī)制，帕金森病期望能被控制治愈。新舊帕金森病病理是相互包容、相互補(bǔ)充，當(dāng)然，相互不沖突，相互不否定，只是舊有的帕金森病病理，強(qiáng)調(diào)細(xì)胞凋亡的屬性，新病理則強(qiáng)調(diào)未凋亡細(xì)胞的性質(zhì)和功能。如果把帕金森病完全或過于歸咎于舊病理，直到大量的神經(jīng)元細(xì)胞凋亡的情況真正出現(xiàn)，大量的患者將喪失被治愈的時(shí)機(jī)。最新文獻(xiàn)報(bào)道，在神經(jīng)系統(tǒng)中注射單一纖維蛋白就可引發(fā)帕金森病55，該研究結(jié)果可以看成是帕金森病發(fā)病新機(jī)制一個(gè)強(qiáng)有力的支持，而且帕金森病病人的血清中的纖維蛋白含量是正常人含量82倍56，且纖維蛋白含量與帕金森病人年齡、性別無相關(guān)性，與帕金森病病齡以及不同病程沒有關(guān)聯(lián)性。同時(shí)患有腦梗(或者心梗)病癥的帕金森病患者的血清中纖維蛋白含量更高56，多巴胺功能通道被纖維蛋白堵塞應(yīng)該更嚴(yán)重。因此，發(fā)揮功能作用的多巴胺缺少是該病癥的關(guān)鍵因素，基于此基礎(chǔ)，我們可以科學(xué)定義該病癥為“功能多巴胺缺少綜合癥”。過去200年，用英國(guó)醫(yī)生名叫帕金森來命名該病癥，因?yàn)?817年他首先仔細(xì)觀察并發(fā)表論文描述該病癥?；谂两鹕⌒虏±砗投喟桶贩肿油ǖ览碚撃Ｐ?，我們發(fā)現(xiàn)了定向優(yōu)先通過多巴胺功能通道的分子，具有治療帕金森病的藥效，并且開展了大量的基礎(chǔ)研究和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，證明了其治療帕金森病的效果。

基于多巴胺分子通道理論模型，我們還可以探討精神分裂癥病理。目前，主要有三種假說解析精神分裂癥，分別是多巴胺能假說、谷氨酸能假說和5-羥色胺能假說33。這三種假說最終都會(huì)導(dǎo)致多巴胺功能亢進(jìn)，即多巴胺分子過度發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)功能作用。所以，主要的抗精神分裂癥藥物都是通過阻斷多巴胺功能分子通道起著控制精神分裂癥。第一代抗精神分裂癥代表藥物氟哌啶醇阻斷多巴胺第二受體(D2R)多巴胺功能分子通道，第二代抗精神分裂癥藥物代表氯氮平能阻斷D4受體多巴胺功能分子通道，第三代抗精神分裂癥代表藥物利培酮也是通過阻斷D2受體多巴胺功能分子通道發(fā)揮藥效作用，起著控制患者的精神分裂癥癥狀的作用。長(zhǎng)期采用氟哌啶醇治療的精神分裂癥患者，大約30%成為帕金森病患者，服用氯氮平藥物也很容易導(dǎo)致精神分裂癥患者產(chǎn)生顫抖等帕金森病病征，而利培酮因?yàn)樵谶@些副作用方面具有很大的改進(jìn)而成為第三代抗精神分裂癥藥物。它們與各自受體相互作用的部位沒有晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，但是推測(cè)類似于圖1左圖中依替必利(ETQ)結(jié)合的部位。根據(jù)多巴胺分子通道觀點(diǎn)，如果多巴胺在保護(hù)分子通道上運(yùn)動(dòng)自由能變化增大，或者由于受體蛋白本身構(gòu)象變異造成多巴胺保護(hù)分子通道被堵塞，也會(huì)導(dǎo)致精神分裂癥。因此，保持多巴胺保護(hù)分子通道足夠的暢通，應(yīng)該可以避免多巴胺功能亢進(jìn)，避免多巴胺分子過度發(fā)揮經(jīng)遞質(zhì)功能作用?；谠摼穹至寻Y新病理和多巴胺分子通道理論，我們發(fā)現(xiàn)了定向優(yōu)先通過多巴胺保護(hù)通道的分子，具有治療控制精神分裂癥的藥效，也開展了大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，證明了其控制精神分裂癥的效果。

由于本研究體系中水分子是比較容易自由運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，采用本文的研究方法，水分子不能作為參考體系，因此，我們不能模擬計(jì)算多巴胺逆y+方向軌跡和自由能變化。但是，自由能是體系的狀態(tài)函數(shù)，只要始終態(tài)確定，它就具有確定的變化數(shù)值，理論上具有以下的關(guān)系：ΔG(reversible process)=－ΔG(positive process)。所以，我們首先模擬計(jì)算了y+方向軌跡和自由能變化數(shù)值，然后采用上述關(guān)系得到逆y+方向軌跡和自由能變化。Gromacs程序目前已具備了比較吻合的可逆軌跡和自由能變化的模擬功能28。而且在本研究體系，逆向自由能變化是一個(gè)負(fù)值的絕對(duì)值很大的數(shù)值，從而完全能支持功能通道的建立和作用。

本研究體系含有23416個(gè)原子，采用精確的量子力學(xué)計(jì)算方法是無法實(shí)現(xiàn)模擬軌跡和計(jì)算體系的自由能變化。只能采用分子力學(xué)方法模擬和計(jì)算，對(duì)于這么一個(gè)大體系的計(jì)算總是存在著一定的誤差，更何況還要考慮晶體蛋白結(jié)構(gòu)與實(shí)際的多巴胺第三受體蛋白的體系不同。實(shí)際多巴胺受體蛋白的體系還有環(huán)境各種因素的影響，這些因素本文的體系還沒有能完全考慮。因此，實(shí)際體系要大很多，作用時(shí)間可能在毫秒數(shù)量級(jí)，而且還受多個(gè)多巴胺分子連續(xù)作用。在神經(jīng)細(xì)胞元中還有其它多巴胺受體，盡管D1R、D2R、D3R、D4R和D5R同源性強(qiáng)，但是總存在一定的差異，所以D3R體系模擬結(jié)果是否與實(shí)際體系的結(jié)果相吻合呢？是否能指導(dǎo)實(shí)際實(shí)踐呢？

考慮能透過血腦屏障的分子，采用與本文完全相同的方法模擬和計(jì)算(具體結(jié)果以后將報(bào)道)，我們發(fā)現(xiàn)了三個(gè)分子在y+軸方向，在功能通道上的自由能變化比在保護(hù)通道上的自由能變化數(shù)值小50－60 kJ·mol－1。這些分子進(jìn)入細(xì)胞里可以選擇性的通過多巴胺功能通道，具有疏通多巴胺功能通道的功能。通過帕金森病鼠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明它們?nèi)烤哂兄委熍两鹕〉墓δ苄Ч?。模擬和計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐完全吻合。

采用同樣的方法，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)分子在保護(hù)通道上的自由能變化比在功能通道上的自由能變化數(shù)值小60 kJ·mol－1。精神分裂癥老鼠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明該分子具有治療控制精神分裂癥的功能效果，因?yàn)樵摲肿泳哂羞x擇性的通過多巴胺保護(hù)通道的能力，具有疏通多巴胺保護(hù)通道的功能。模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際實(shí)踐也完全一致。同時(shí)，與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相一致性的結(jié)果證明和支持本文的模擬軌跡和計(jì)算自由能變化結(jié)果的合理性。因此，采用本文研究方法模擬軌跡和計(jì)算自由能變化的結(jié)果具有較好的理論指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

處在多巴胺第三受體蛋白中發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用部位的多巴胺，通過D3R結(jié)構(gòu)中的功能分子通道，朝細(xì)胞外方向傳輸運(yùn)動(dòng)的自由能變化數(shù)值為134.6 kJ·mol－1，朝細(xì)胞內(nèi)方向傳輸運(yùn)動(dòng)的自由能變化數(shù)值為211.5 kJ·mol－1。多巴胺通過D3R結(jié)構(gòu)中的保護(hù)分子通道，在x+、x－、z+、z－方向朝細(xì)胞雙層膜方向傳輸運(yùn)動(dòng)的自由能變化數(shù)值分別為65.8、245.0、551.4、172.8 kJ·mol－1，說明在保護(hù)分子通道上DOP更容易從TM5與TM6縫隙之間離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其自由能變化數(shù)值是65.8 kJ· mol－1。處在突觸間隙的自由多巴胺，在等溫等壓條件下，通過功能通道到達(dá)發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用的部位是一個(gè)自發(fā)過程，因?yàn)樵谠撥壽E上多巴胺分子與多巴胺受體相互作用自由能為－134.6 kJ· mol－1。所以，多巴胺與多巴胺受體很容易相互結(jié)合，發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用。發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)功能作用的多巴胺分子，沿著x+軸方向的保護(hù)分子通道從TM5與TM6縫隙之間離開D3R內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免發(fā)揮過度的神經(jīng)遞質(zhì)功能?；诙喟桶饭δ芎捅Ｗo(hù)分子通道觀點(diǎn)，我們認(rèn)為帕金森病新病理是細(xì)胞間隙的纖維蛋白堵塞了多巴胺功能分子通道，發(fā)病因素是高含量的纖維蛋白，與目前帕金森病病理被認(rèn)為是中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性凋亡病理相互包容、相互補(bǔ)充。而精神分裂癥發(fā)病機(jī)制之一可能是多巴胺保護(hù)分子通道被堵塞。多巴胺分子通道理論及其帕金森病新病理和精神分裂癥新病理，可應(yīng)用于治療控制這兩種病癥及其藥物研究開發(fā)。

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Molecular Dynamics of Dopamine to Transmit through Molecular Channels within D3R

LIAi-Jing XIE Wei WANG Ming XU Si-Chuan*
(Key Laboratory of Education Ministry for Medicinal Chemistry of Natural Resource,College of ChemicalScience and Technology and Pharmacy,Yunnan University,Kunming 650091,P.R.China)

In this paper,based on the complex protein structure ofthird dopamine receptor(D3R)with dopamine (DOP),we have studied the trajectories with the free energy changes of D3Rfor DOP to move along its molecular channels and then probed the molecular dynamics mechanism of DOP transmitting along molecular channels, using molecular dynamics techniques including the potentialmean force(PMF)ofumbrella samplings from the GROMACS program(version 4.5).Simulation results show thatfor DOP located in the space region of D3R to actas a neurotransmitter transmitting toward the outside ofcell,the free energy change is 134.6 kJ·mol－1along the functionalmolecular channelof y+axis within D3R,and 211.5 kJ·mol－1along the y－axis towards the intracellular part.Within the structure of D3R,the free energy changes are 65.8,245.0,551.4,172.8 kJ·mol－1for DOP to transmitalong the x+,x－,z+,z－axes,respectively,towards cellbilayer membrane,indicating that DOP leaves more easily along the x+axis through the gap between TM5(the fifth transmembrane helix)and TM6(the sixth transmembrane helix)from the internalstructure of D3R.When free DOP molecules are locatedin the intercellular spaces,once they startmoving along the inverse y+axis direction under constantpressure and temperature,they spontaneously pass through the functionalmolecular channelto reach the space region of D3R to actas a neurotransmitter,because the free energy change between DOP and D3R along the inverse y+axis direction is negative(－134.6 kJ·mol－1).Therefore,DOP interacting with D3R can easily play the role ofa neurotransmitter.After DOP molecules have performed the actions ofa neurotransmitter,they leave the internalstructure of D3Ralong the x+axis ofa protective molecular channelthrough the gap between TM5 and TM6 to avoid excessive function as transmitter.According to dopamine functionaland protective molecular channels,we suggestnew pathologies and the finding and developmentofnew drugs for Parkinson′s disease and schizophrenia.

Dopamine;Dopamine receptor;Molecular channel;Molecular simulation;Parkinson′s disease;Schizophrenia

O641

Jansen,M.;Blume,A.Biophys.J.1995,68,997.

10.1016/ S0006-3495(95)80275-4

doi:10.3866/PKU.WHXB201702211

Received:October19,2016;Revised:February 21,2017;Published online:February 21,2017.

*Corresponding author.Email:sichuan@ynu.edu.cn;Tel:+86-871-65039937.

The projectwas supported from the National Natural Science Foundation of China(21163024,21563032).國(guó)家自然科學(xué)基金(21163024,21563032)資助項(xiàng)目?Editorialoffice ofActa Physico-Chimica Sinica