芳香硫胺抑制劑對人類碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的分子動力學分析

劉愛鵬

華北電力大學，北京 102206

芳香硫胺抑制劑對人類碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的分子動力學分析

劉愛鵬

華北電力大學，北京 102206

本文運用分子動力學方法來分析芳香硫胺抑制劑對人類碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的關聯作用影響，首先是介紹抑制劑的選擇機理，然后分子動力學模擬對比了芳香硫胺抑制劑兩個異構酶的作用，而后在對抑制劑進行改良來。得出結論：因亞甲基少一個，hCA II的支鏈不能和抑制劑Z的溴原子之間形成氫鍵，導致結合自由能比hCAVII大。而對抑制劑Z做了改良，結合自由能的計算顯示改良抑制劑可能具有更大的異構酶選擇性。

芳香硫胺抑制劑；hCAII；hCAVII；分子動力學

碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase， CA）是一族含鋅金屬酶，催化二氧化碳與碳酸氫根離子之間的相互轉化及一些酯的水解和醛的水化，這過程簡單但非常重要。到目前為止，在哺乳動物中，已有七種催化性質不同、組織分布各異的CA同工酶被發現，形成一個族群。在機體的多種生理過程中，有他們的參與，達到不同的效果。他們參與到包括了呼吸、代謝及酸堿平衡等多種生理過程。長期以來，CAs在作為包括青光眼、骨質疏松癥、高血壓、癲癇、睡眠性呼吸暫停和癌癥等多項藥物的開發靶標。

目前研究中，人類碳酸酐酶II（hCA II）作為一種異構酶，在哺乳動物CAs中研究也是最多最徹底的，也是在發現中，催化效率最為突出的一種酶，表現出具有近擴散速度的催化速率。相互比較而言，人類碳酸酐酶VII（hCA VII）的研究較少，研究內容也不算豐富。它也是具有非常高的催化效率，hCA VII與hCA II的序列一致性約有56%。針對人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII，選擇了抑制劑的研究來進一步探索該酶的不同作用表現。

1 抑制劑與兩個異構酶的選擇機理

自上世紀40年代以來，芳基硫胺類化合物對碳酸酐酶的抑制作用得到了廣泛的研究，該類化合物的研究也不斷在豐富，是焦點所在。據最新Güzel等的研究成果中，有幾個是新合成的hCAVII選擇性芳香硫胺類抑制劑。本研究分析選擇了其中一個，是具有選擇性最高特性的化合物，命名為Inhibitor Z。下面是該抑制劑對人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII的選擇機理。

1.1 抑制劑與兩個異構酶相互作用的表現

分子動力學模擬中，首先在對接之后，總共10ns在模擬中顯示出了穩定的復合物構象。進入NPT模擬時，全原子RMSD的穩定性表現具體為：人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII表現分別在1.6和2.1小波動。在該階段，發現抑制劑Z在人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII中的全原子RMSD穩定在0.6和0.9附近。通過上述的觀察，發現抑制劑Z參與構成的復合物的構象比原物更具有穩定性。通過分子動力學分析獲得的穩定構象，采用MM/PBSA方法來計算結合自由能，即抑制劑Z與hCA II和hCA VII之間的作用情況。從上述階段的研究看，結合自由能的表現：與hCAII和hCA VII的結合自由能分別為-42.12kcal mol-1、-52.17kcal mol-1。從結合自由能的不同表現來看，抑制劑Z與hCAII的作用變現與hCAVII的不同，抑制劑Z針對這兩個酶表現出了選擇性，即該抑制劑是一個hCAVII選擇性抑制劑。

1.2 自由能差別的進一步解釋

通過檢查抑制劑在人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII之間的相互作用，hCA II活性位點處的催化鋅離子被蛋白質殘基H94、H96、H119和芳香硫胺抑制劑的NH-基團四匹配，此外，抑制劑給出了一個氫原子與蛋白殘基T199的支鏈氧原子生成氫鍵。而殘基T199經過主鏈氨基和支鏈羥基上的氫原子與抑制劑硫胺基團上的氧生成氫鍵。除此之外，人類碳酸酐酶hCA II的殘基Q92又提供了該支鏈氨基上的兩個氫原子與抑制劑Z的酰胺氧原子和溴原子生成兩條氫鍵，而殘基Asn67因和抑制劑的距離遠，氫鍵未能生成。但相對hCA VII而言，hCA VII結果不一樣，即與hCA II相對應的殘基在該匹配中全部表現出來，不同的殘基號是唯一的不同點。因此，在hCA VII中，抑制劑Z與在hCA II中結合過程中，所有的氫鍵在抑制劑與hCA VII的復合物中的得以發現，且在復合物中發現了一條氫鍵。該條氫鍵是在hCAVII的殘基Gln64支鏈氨基氫原子與抑制劑Z的溴原子中的。上述表明，在人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII的殘基的支鏈長度是與抑制劑Z形成一氫鍵原因所在。對于hCA VII來說，多出來的這個氫鍵必然加強它與抑制劑Z之間的相互作用。抑制劑Z對兩個異構酶選擇性可能是最為主要原因。綜上可得，抑制劑Z被修飾或改良后，可能會變成更具有選擇性的一種抑制劑。

2 改良抑制劑Z與人類碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的作用影響

對抑制劑Z做了改良，增加了一個羥丙基，通過分子動力學來觀察人類碳酸酐酶與其的相互作用情況。

2.1 改良抑制劑與hCAII和hCAVII的作用分析

基于上述對接結果的分析，采用De novo Link模塊，修飾抑制劑Z，命名為Inhibitor A，相對抑制劑Z而言，經過修飾的抑制劑A的不同是唯一在圖中標記星號的碳上增加了一個羥丙基，這就構成了S構型的手性碳原子。通過相同的分子動力學分析過程我們得到了抑制劑A與人類碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的結合構象的顯示。顯示結果如下：與hCAII的復合構象相對，修飾改良后的復合構象不存在太大的差距。抑制劑A與hCAII的結合自由能為-48.22kcal mol-1，比抑制劑Z與hCA II的結合自由能（-42.12kcal mol-1）小，推測是新增基團同hCA II臨近殘基之間作用影響的原因。結合自由能的結果表示出抑制劑A比抑制劑Z對hCAII的抑制能力更強。

采用MM/PBSA方法，獲得了抑制劑A與hCA VII的結合自由能為-69.84kcal mol-1，這個結合自由能值比上述其他情況都小得多。分析得出，新形成的氫鍵提升修飾后的抑制劑與hCA VII之間的作用關系，這是MM/PBSA結合自由能結果變小的主因。

2.2 改良抑制劑Z與hCAII和hCAVII的作用結論

上述結果表示在選擇性上，修飾后的抑制劑A對hCAVII比原抑制劑Z更強。在改良修飾后的分析過程中，發現了其他的問題，

需要進一步明確。第一是，由于hCA II的殘基Asn67的支鏈長度僅比hCAVII的支鏈Gln64短了一個亞甲基，即修飾后的抑制劑的新加基團（在抑制劑A中是羥丙基）不能長短過量。若在過于長的情況下，氫鍵也會在修飾后產生；若在過于短的情況下，氫鍵則會失去。這兩種情況都會使改良抑制劑對兩個異構酶的選擇性降低或消失，因此，需要注意新加基團的長短問題。第二，在抑制劑A加羥丙基后，帶有該基團的碳原子成了一個手性碳。在屬性不同的情況下，產生的影響作用也是不一樣的，改良抑制劑與人類碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的結合。最后，對于抑制劑的修飾和改良不能引進太大的和太多的取代基，否則將會導致結合方式的改變，從而有可能改變設計抑制劑的選擇性。

3 結論

綜上所述，研究的對象抑制劑Z對人類碳酸酐酶hCA II和hCA VII的選擇性是依據殘基Asn67的支鏈長度的不同來表現的，因為hCA II長度比hCA VII短。因亞甲基少一個，hCA II的支鏈不能和抑制劑Z的溴原子之間形成氫鍵，導致結合自由能比hCAVII大。而對抑制劑Z做了改良，結合自由能的計算顯示改良抑制劑可能具有更大的異構酶選擇性。

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1674-6708（2011）53-0091-02