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几种氧化还原酶的结构、功能和调控的计算机模拟研究

作　者: 初燕燕
导　师: 唐赟
学　校: 华东理工大学
专　业: 药物化学
关键词: 氧化应激氧化还原酶同源模建虚拟筛选分子动力学
分类号: R914
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

机体的氧化与抗氧化间通常维持在某一个特定的氧化还原状态,从而维持内环境的稳定。当这种平衡被打破,机体向着氧化状态偏移,产生大量高活性分子如活性氧簇,其产生速度超出机体对这些氧化物的清除能力,从而导致组织损伤,这种现象称为氧化应激。氧化应激与许多重要的疾病有关,如动脉粥样硬化、糖尿病、心血管系统疾病、心力衰竭、肿瘤、帕金森氏病和阿尔兹海默病等。为了防止氧化应激引起机体氧化损伤,生物体在长期进化过程中,形成了一套完整的氧化-抗氧化系统。大量的氧化还原对NADH/NAD+, NADPH/NADP+,一系列响应细胞氧化还原状态的蛋白如硫氧还蛋白和转录抑制因子Rex等密切地参与了机体的氧化还原网络。本论文中,我们主要采用同源模建、分子对接、分子动力学模拟、以及结合自由能计算等计算机模拟技术,同时紧密结合生物学实验,对硫氧还蛋白家族中的几个关键酶,包括人体Erola和酵母菌Erolp,人体蛋白QSOX,以及对NADH/NAD+氧化还原对敏感的转录抑制因子Rex,进行了结构-功能关系及小分子调控研究。本论文还对环氧水解酶的催化选择性机制进行了研究。在论文的第一章,我们主要介绍了氧化应激及与氧化应激相关蛋白的背景知识,并简单介绍了所使用的计算机辅助药物设计技术。在论文的第二章,我们采用同源模建和分子对接技术,首次得到了人体Ero1蛋白Ero1α的结构模型,该模型与后来发表的晶体结构的RMSD值为1.09A。详尽地比较了酵母菌Ero1蛋白Erolp与Ero1α的结构特点,我们认为其热稳定性不及Ero1p,且碱性条件下更有利于Ero1α活性的发挥,这些预测得到了相关生物学实验的证实。通过活性位点预测,我们初步探讨了Ero1α的口袋位置和特征。在此基础上,我们对Ero1p进行了基于结构的虚拟筛选,最终,在筛选得到的81个化合物中,有12个显示了微摩尔浓度级别的Ero1p抑制活性,命中率接近15%,其中3个化合物对Ero1p和Ero1α具有明显的抑制选择性。在第三章中,我们通过同源模建、蛋白-蛋白对接以及结合自由能分析相结合的方法,研究了QSOX的功能特征、作用模式,最后提出了一条全新的电子传递途径。QSOX是硫氧还蛋白中的一种,它是一个多结构域蛋白,其TRX1结构域与PDI催化活性的a’结构域同源,其Erv/ALR结构域与Erv2p结构同源,Erv2p。因而,QSOX结合了Erv2p和PDI的结构和功能特征。它可以将电子由Erv/ALR结构域的二硫键通过辅酶FAD传递到氧气分子,而自身全新生成二硫键,用以氧化底物或通过二硫键-双巯基的传递,将二硫键传递到TRX1结构域,再氧化底物。论文的第四章中,我们着重研究了Sr-Rex与不同底物的相互作用模式,为其生物动力学研究提供线索。转录抑制因子Rex以NADH/NAD+为辅酶,通过结合NAD+或NADH,调节与呼吸相关的基因ROP的结合与否,进而控制着基因的转录情况。我们采用分子动力学模拟方法研究了Sr-Rex与ROP、NADH和NAD+的相互作用,计算其结合自由能,研究ROP与NADH/NAD+对Rex结合的相互影响。除了上述氧化还原酶外,我们在第五章中还对另一种倍受关注的蛋白质体系-环氧水解酶进行了研究。实验研究发现环氧水解酶水解环氧化合物过程中具有非常明显的对映选择性,然而,对于甲基苯缩水甘油醚或硝基苯缩水甘油醚,其对映选择性程度是不同的。本研究中,我们通过分子对接、距离和角度测量以及结合自由能计算等方法对环氧水解酶的对映选择性机制进行了阐明,发现其选择性强度与亲核进攻的天冬氨酸的羧基氧和催化活性C的距离密切相关。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第一章氧化应激及相关蛋白研究背景  14-29
  1.1 氧化应激  14-15
  1.2 与氧化应激相关的疾病  15-18
    1.2.1 氧化应激与动脉粥样硬化  15-16
    1.2.2 氧化应激与阿尔茨海默症  16-17
    1.2.3 氧化应激与高血压  17-18
  1.3 氧化应激相关蛋白  18-21
    1.3.1 蛋白质二硫键异构酶(PDI)  18-19
    1.3.2 内质网氧化还原酶1(Erol)  19
    1.3.3 静息巯基氧化酶(QSOX)  19-20
    1.3.4 转录抑制因子Rex  20-21
  1.4 计算机辅助药物设计方法简介  21-27
    1.4.1 同源模建(Homology Modeling)  21-23
    1.4.2 分子对接(Molecular Docking)  23
    1.4.3 虚拟筛选(Virtual Screening)  23-24
    1.4.4 分子动力学(Molecular Dynamics)  24-27
  1.5 本论文研究目标与总体安排  27-29
第二章 Ero1的结构与功能关系及抑制剂发现研究  29-50
  2.1 引言  29-32
    2.1.1 Ero1的结构  29-31
    2.1.2 二硫键传递机理  31-32
  2.2 Ero1α的结构与功能关系研究  32-42
    2.2.1 Ero1α的同源模建和生物活性测定  32-34
    2.2.2 结果分析与讨论  34-42
  2.3 基于对接的虚拟筛选寻找小分子抑制剂  42-48
    2.3.1 Ero1p的虚拟筛选及生物测试  42-43
    2.3.2 虚拟筛选结果及构效关系分析  43-48
  2.4 本章小结  48-50
第三章 QSOX中CXXC基序对底物巯基氧化的重要性研究  50-63
  3.1 背景介绍  50
  3.2 实验方法  50-53
    3.2.1 实验材料  50-51
    3.2.2 HsQSOX1b及其突变体的克隆  51
    3.2.3 QSOX及其突变体的表达和纯化  51-52
    3.2.4 QSOX活性测定以及与其它巯基氧化酶的活性比较  52
    3.2.5 QSOX的同源模建  52-53
  3.3 结果与讨论  53-61
    3.3.1 各巯基氧化酶的活性比较  53-56
    3.3.2 QSOX突变体的活性  56-57
    3.3.3 QSOX模型的构建及优化  57-58
    3.3.4 QSOX的结构特征  58-60
    3.3.5 QSOX的不同电子传递通路  60-61
  3.4 本章小结  61-63
第四章 Sr-Rex的同源模建和分子动力学模拟研究  63-85
  4.1 背景介绍  63-66
    4.1.1 Rex的结构  63-65
    4.1.2 Rex的研究意义和设计思路  65-66
  4.2 研究方法  66-69
    4.2.1 Sr-Rex的同源模建  66
    4.2.2 模型的准备  66-67
    4.2.3 分子动力学模拟  67-68
    4.2.4 结合自由能计算  68-69
  4.3 结果与讨论  69-84
    4.3.1 Sr-Rex的同源模建  69-71
    4.3.2 Sr-Rex的三维结构模型  71-73
    4.3.3 分子动力学模拟中Sr-Rex结构变化  73-75
    4.3.4 结合自由能计算  75-79
    4.3.5 结合自由能分解  79
    4.3.6 Sr-Rex构象的变化  79-82
    4.3.7 Sr-Rex与NADH/NAD+的相互作用  82-84
  4.4 本章小结  84-85
第五章新型环氧水解酶催化缩水甘油醚的对映选择性研究  85-97
  5.1 背景介绍  85-89
    5.1.1 环氧水解酶的生物学功能和分类  85-86
    5.1.2 环氧水解酶的结构  86-88
    5.1.3 环氧水解酶的催化机理  88-89
  5.2 实验方法  89-90
    5.2.1 BMEH的同源模建及结构优化  89-90
    5.2.2 分子对接  90
  5.3 结果与讨论  90-96
    5.3.1 同源模建  90-92
    5.3.2 BMEH的结构  92
    5.3.3 结合模式  92-96
  5.4 本章小结  96-97
第六章全文总结  97-99
参考文献  99-118
附录A NADH的结构、原子名、对应的原子类型和电荷  118-120
附录B NADH的参数文件  120-123
附录C NAD+的结构、原子名、对应的原子类型和电荷  123-125
附录D NAD+的参数文件  125-128
攻读博士期间发表的论文  128-129
致谢  129

几种氧化还原酶的结构、功能和调控的计算机模拟研究

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