分子對接技術對二酮哌嗪類物質抑菌機制研究

陳 雨，武 藝，唐祉娟，王雨昕，劉欣宇，賈永平，劉 冰，陳 寧

(1. 哈爾濱商業大學 英才學院， 哈爾濱150076； 2.哈爾濱商業大學 藥學院， 哈爾濱150076)

現代藥理學研究表明，二酮哌嗪類化合物具有一定的抑菌活性[1-4].我國沿海分布十分廣泛的海星綱動物海燕備受關注.近些年，由于不斷繁衍，數量急劇增多，給沿海經濟發展帶來了巨大壓力[5].為提高海燕的利用度，將采自海星化學成分二酮哌嗪類化合物進行抑菌機制研究.

PBP5為青霉素結合蛋白，它是細菌生長非必需蛋白[6]；FabI為烯酰-?；d體蛋白還原酶，大部分細菌脂肪酸合成都需此酶；FabH為結核分枝桿菌脂肪酸合成酶，細菌脂肪酸生物合成的啟動由它掌控，在病原微生物中普遍存在且人體中未發現同源蛋白；FtsZ為細胞骨架蛋白，是一種由細菌ftsZ基因編碼的蛋白質[7].將根據受體的特征及受體和藥物間的相互作用來設計出某種藥物的方法稱為分子對接，主要對配體和受體間的相互作用和結合模式進行有關研究.分子對接作為計算機輔助藥物研究方向的一項關鍵技術，已被廣泛使用[8].抗菌藥物的篩選越來越受到國內外學者的重視[9].因此將PBP5、FabI、FabH、FtsZ四種蛋白作為靶蛋白，二酮哌嗪類的氫鍵結合位點[10]，利用分子對接技術研究二酮哌嗪類化合物的抑菌作用，開發新抑菌藥物或降低傳統藥物的副作用成是今后的研究方向.

1 儀器與材料

晶體結構：PBP5(4K9I)、FabI(4ALM)、FabH(5BNS)、FtsZ(2VAM).均從RCSB Protein Data Bank下載.本部分所有計算均采用安裝在Dell T5820工作站上的Autodock 4.2程序完成的.

2 實驗方法

1) PBP5、FabI、FabH、FtsZ受體蛋白模型的建立.在蛋白質數據庫中尋找抑菌關鍵靶點蛋白晶體結構的 PDB-ID：PBP5(4K9I)、FabI(4ALM)、FabH(5BNS)、FtsZ(2VAM).

2) 配體結構模型的建立.采用ChemDraw 3D繪制二酮哌嗪類化合物立體結構，導出，配體分子通過預處理與天然構象接近，再做一定的處理，作為分子對接的配體結構使用.配體結構編號1～14.左氧氟沙星具有良好的抑菌活性[11]，15號為陽性對照藥左氧氟沙星.

3) 對接過程.在AutoDock 4.2中導入PDB-ID SDF文件，對接技術采用AutoDock 4.2軟件的半柔性方法[12].第一步，在受體活性位點的周圍尋找一個區域更大的“盒子”，原子的格點能量由 AutoGrid計算.將4個靶蛋白與二酮哌嗪類化合物分子分別進行對接，對接時配體呈柔性，受體呈剛性.AutoDock參照配體在“盒子”范圍內進行構象搜索，按照配體的不同特征進行結合模式評分[13-15].在此之前，應將陽性對照藥左氧氟沙星與4種靶蛋白的活性位點進行對接，使對接程序有效.蛋白質的活性區域即為對接過程中的“盒子”.

4) 以左氧氟沙星的打分函數值為閾值，篩選出對接總評分值接近或高于左氧氟沙星的化合物，尋找二酮哌嗪類化合物中與受體作用較強的化合物.

3 篩選結果及分析

見圖1、表1.

圖1 左氧氟沙星與PBP5對接圖

表1 配體與PBP5受體對接結果

續表1

左氧氟沙星與PBP5受體的作用模式為左氧氟沙星的羥基能夠與PBP5受體的氨基酸殘基的異亮氨酸胺基形成氫鍵作用.

化合物9與PBP5靶蛋白的作用模式為化合物可以與PBP5受體的氨基酸殘基的酪氨酸、天冬酰胺產生氫鍵相互作用.見表2、圖2.

表2 配體與FabI受體對接結果

續表2

續表2

圖2 化合物9與PBP5對接圖

左氧氟沙星與FabI受體的作用模式為左氧氟沙星的羥基能夠與FabI受體的氨基酸殘基的纈氨酸、異亮氨酸、絲氨酸胺基形成氫鍵作用.見圖3.

圖3 左氧氟沙星與FabI對接圖

化合物2與FabI受體的作用模式為化合物的羥基能夠與 FabI受體的氨基酸殘基的甘氨酸胺基產生氫鍵作用.見表3、圖4.

圖4 化合物2與FabI對接圖

表3 配體與FabH受體對接結果

續表3

左氧氟沙星與FabH受體的結合模式為左氧氟沙星的羥基FabH受體的氨基酸殘基的絲氨酸、蘇氨酸、谷氨酰胺產生氫鍵相互作用.見圖5.

化合物2與FabH靶蛋白的對接模式為化合物可以和 FabH受體的氨基酸殘基的丙氨酸、蘇氨酸、天冬酰胺胺基形成氫鍵作用， FabH受體活性口袋處α螺旋被收緊，底物乙酰-CoA無法進入，使化合物與FabH受體穩定結合.見表4、圖6.

續表4

圖6 化合物2 與FabH對接圖

左氧氟沙星與FtsZ受體的作用模式為左氧氟沙星的羥基能夠與FtsZ受體的氨基酸殘基的天冬酰胺、丙氨酸、蘇氨酸、甘氨酸的胺基形成氫鍵作用.見圖7.

圖7 左氧氟沙星與FtsZ對接圖

化合物2與FtsZ受體的作用模式為化合物的羥基能夠與FtsZ受體的氨基酸殘基的甘氨酸、天冬酰胺胺基形成氫鍵作用，進而與FtsZ蛋白緊密結合.見圖8.

圖8 化合物2與FtsZ對接圖

4 結 語

本研究利用分子對接技術，以PBP5、FabI、FabH、FtsZ為4個靶點，通過對接結果篩選出二酮哌嗪類化合物中抑菌效果良好的物質.綜上所述，二酮哌嗪類化合物中化合物2與PBP5、FabI、FabH、FtsZ受體對接打分函數值接近或高于陽性對照藥左氧氟沙星，可考慮進行下一步抗菌應用研究.隨著醫療水平的不斷發展，越來越多的藥物被研究，但是藥物研制的目的大多只是為了治療某種疾病，為了開發資源同時治療疾病的藥物開發可能還沒有被廣泛應用.