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环糊精包结作用的分子模拟研究

作　者: 于艳敏
导　师: 蔡文生
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 分析化学
关键词: 环糊精包结物中国科学技术大学客体分子静电相互作用自由能计算博士学位论文分子动力学手性识别相互作用能
分类号: O636.1
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

环糊精(cyclodextrin，CD)“内疏水，外亲水”的特性使得许多客体分子可全部或部分嵌入环糊精的空腔，并与其形成包结化合物。由于环糊精的包结行为，使得环糊精及其衍生物在生物医药、手性分离以及超分子构筑等领域内都有重要的应用。但是由于目前实验方法的不足以及实验条件的限制，人们对环糊精包结作用的研究中仍然存在着许多未知或不是十分清楚的问题。而分子模拟的方法可以摆脱某些实验条件的限制，直观地预测环糊精与客体分子形成包结物的三维结构，包结物的稳定性，并能对包结物形成的驱动力进行分析。本论文应用分子力学和分子动力学方法对环糊精包结体系进行了研究，主要内容包括： 1．介绍了环糊精的结构特性，研究方法以及环糊精在几个重要领域内的应用，重点阐述了分子模拟方法中的分子力学和分子动力学方法，及其在环糊精化学中的应用进展。 2．将自行研制的柔性对接算法FDOCK用于9对芳香性手性化合物的手性识别研究。在手性分子与β-CD形成包结物的过程中同时考虑了手性分子的两种包结取向，并用一个非线性经验自由能关系模型计算了包结物的稳定常数，得出了与实验结果一致的稳定性顺序。对计算结果的分析表明，形成的包结物尽管有优势取向的存在，但另一种取向对包结稳定常数也有一定的贡献。通过分析包结物最低能量结构的能量组成可以得出β-CD与手性化合物形成包结物的主要驱动力是范德华力。进一步分析对映体间两取向平均相互作用能的差值可以得出：β-CD对手性化合物的识别是范德华相互作用、静电相互作用以及疏水效应相互补偿或协作的结果。此项研究为环糊精在手性识别中的应用提供了理论基础。 3．环糊精可以从细胞膜中提取磷脂组分形成包结物，从而引起细胞膜的溶血现象。其中，磷脂极性头部基团的性质是影响环糊精从细胞膜中提取磷脂的一个重要因素。为此，用刚性对接和柔性对接相结合的方法研究了磷脂酰肌醇(PI)，磷脂酰丝氨酸(PS)，磷脂酰乙醇氨(PE)的头部基团与α-，β-及γ-CD形成包结物的过程。文中考察了磷脂头部穿过环糊精空腔的两种包结取向：磷脂头部从小口端(取向Ⅰ)或大口端(取向Ⅱ)进入环糊精的空腔。两种对接方法分别快速地给出了包结过程中可能存在的能量势垒及能量分布的信息。进一步研究包结过程的

全文目录

摘要  4-7
英文摘要  7-16
第一章综述  16-49
  1.1 引言  16-17
  1.2 环糊精的结构特性  17-18
  1.3 环糊精形成包结物的条件  18-20
  1.4 环糊精包结作用的应用  20-23
    1.4.1 医药方面的应用  20-21
    1.4.2 在分离对映体中的应用  21
    1.4.3 超分子方面的应用  21-23
  1.5 分子模拟方法  23-30
    1.5.1 分子力学  24-25
    1.5.2 分子动力学(Molecular Dynamics，MD)  25-28
    1.5.3 自由能计算  28-30
  1.6 分子模拟方法在环糊精化学中的应用  30-34
    1.6.1 包结物结合能的计算  30-31
    1.6.2 主-客体分子识别的研究  31-34
  1.7 研究内容和研究前景  34-36
  参考文献  36-49
第二章柔性对接算法用于β-环糊精对芳香化合物的手性识别研究  49-69
  2.1 引言  49
  2.2 理论和方法  49-55
    2.2.1 分子模型  49-52
    2.2.2 柔性对接算法  52-53
    2.2.3 包结自由能函数  53-55
    2.2.4 双模式包结物的稳定性  55
  2.3 结果与讨论  55-66
    2.3.1 形成包结物的驱动力及客体分子在β-CD空腔中的包结位点  55-56
    2.3.2 包结常数及优势取向的预测  56-59
    2.3.3 手性识别的驱动力  59-61
    2.3.4 结构特性对手性识别的影响  61-66
  2.4 结论  66
  参考文献  66-69
第三章环糊精与磷脂头部包结作用的模拟研究  69-88
  3.1 引言  69-70
  3.2 理论和方法  70-72
    3.2.1 分子模型和模拟  70-71
    3.2.2 对接算法  71-72
  3.3 结果与讨论  72-82
    3.3.1 刚性对接得到的α-CD包结物的能量曲线  72-73
    3.3.2 柔性对接得到的α-CD包结物形成过程中的能量分布  73-75
    3.3.3 α-CD与PI头部形成包结物的结构分析  75-79
    3.3.4 α-CD与PS及PE头部形成的包结物  79-81
    3.3.5 磷脂头部与β-及γ-CD的相互作用  81-82
  3.4 结论  82
  参考文献  82-88
第四章 α-环糊精与磷脂相互作用的分子力学和分子动力学研究  88-102
  4.1 引言  88
  4.2 理论和方法  88-90
    4.2.1 分子模型  88-90
    4.2.2 柔性对接算法  90
  4.3 结果与讨论  90-99
    4.3.1 α-CD与POPI包结过程中的能量分布  90-93
    4.3.2 α-CD与POPI的头部形成的包结物  93-96
    4.3.3 α-CD与POPI的尾部形成的包结物  96-97
    4.3.4 α-CD与POPI包结结构的分子动力学模拟  97-99
  4.4 结论  99
  参考文献  99-102
第五章胆固醇与环糊精包结作用的分子动力学模拟  102-119
  5.1 引言  102
  5.2 理论和方法  102-105
    5.2.1 分子模型  103-104
    5.2.2 分子动力学模拟  104
    5.2.3 自由能计算  104-105
  5.3 结果与讨论  105-113
    5.3.1 沿反应坐标变化的自由能曲线  105-108
    5.3.2 结合常数和结合自由能  108-110
    5.3.3 结合的驱动力  110-111
    5.3.4 包结物的结构稳定性  111-113
  5.4 结论  113
  参考文献  113-119
第六章 α-环糊精轮烷的分子动力学模拟  119-133
  6.1 引言  119
  6.2 理论与方法  119-122
    6.2.1 分子模型  119-120
    6.2.2 分子动力学模拟  120-121
    6.2.3 自由能微扰方法  121-122
  6.3 结果与讨论  122-128
    6.3.1 真空和水溶液两种环境下氢键及相互作用的差异  122-124
    6.3.2 三种取向间氢键及相互作用的差异  124-126
    6.3.3 三种取向的结构及自由能差  126-128
  6.4 结论  128
  参考文献  128-133
致谢  133-134
学位论文期间完成的论文目录  134

环糊精包结作用的分子模拟研究

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