布洛芬與人血白蛋白位點II動態結合過程的分子模擬：一種結合途徑分析

徐詩文 林東強 姚善涇

(浙江大學化學工程與生物工程學院，生物質化工教育部重點實驗室，杭州310027)

布洛芬與人血白蛋白位點II動態結合過程的分子模擬：一種結合途徑分析

徐詩文 林東強*姚善涇

(浙江大學化學工程與生物工程學院，生物質化工教育部重點實驗室，杭州310027)

人血白蛋白(HSA)主要有兩個藥物結合位點，位點I和位點II，許多小分子優先結合在位點II上，包括抗炎類藥物布洛芬。本文采用分子模擬方法研究了布洛芬小分子與HSA位點II結合的動態過程，探討了二者的結合機制。首先構建了50個隨機分布的布洛芬與HSA復合物體系，經50 ns分子動力學模擬，其中一個布洛芬分子穩定結合于位點II。基于該分子的運動軌跡分析，發現布洛芬的結合可分為四個階段，即遠程吸引、表面結合調整、進入位點II空腔和穩定結合。比較范德華和靜電相互作用能，發現初期以靜電吸引為主，中期在HSA表面的兩個極性區域間調整，逐步轉移至位點II附近；然后在位點II入口處的極性殘基和附近疏水殘基的共同作用下，布洛芬進入位點II空腔；進入空腔后，靜電和疏水共同作用形成穩定結合。在結合過程中，位點II附近的蛋白表面發生明顯改變，體現出一定的“誘導契合”作用，同時分子模擬得到的結合模式和布洛芬-HSA結合的晶體結構類似。結果表明，分子模擬可以輔助研究小分子和蛋白結合的動態過程，從分子水平闡述相關結合機制。

人血白蛋白；位點II；布洛芬；動態結合；分子模擬

1 引言

人血白蛋白(HSA)，是人血漿中含量最豐富的一種蛋白質，占血漿總蛋白含量的60%。HSA能與許多內源性和外源性化合物結合，是一種重要的存儲和轉運蛋白，還具有維持血液滲透壓、組成緩沖體系和為細胞提供原料等諸多生理功能。HSA由585個氨基酸殘基組成，單鏈，呈心形，其中α螺旋約占67%，無β折疊，含有35個半胱氨酸，組成17對二硫鍵，結構穩定。HSA分子含有三個結構類似的α螺旋區域，分別稱為域I、域II和域III，每個結構域又可分為兩個亞域，見圖1。Sudlow等1指出HSA分子主要有兩個疏水性藥物結合位點，分別為位于域IIA的位點I(華法令結合位點)和位于域IIIA的位點II(吲哚結合位點)。其中位點II更接近分子表面，且活性較高，易于與小分子結合，許多藥物如布洛芬、洋地黃毒苷等優先結合在位點II上2。位點II由六個α螺旋構成一個獨特的空腔結構，入口處由極性殘基組成，可提供靜電相互作用和氫鍵；空腔中部為疏水性殘基，可提供疏水作用；空腔底部可針對不同分子提供疏水、氫鍵和靜電等雜合作用。對于較大分子量的藥物，如地西泮，位II還存在一個由LEU387等側鏈偏轉形成的亞腔3。

布洛芬，化學名為α-甲基-4-(2-甲基丙基)苯乙酸，分子結構式見圖1，是世界衛生組織、美國FDA唯一共同推薦的兒童退燒藥，也是兒童首選抗炎藥，還適用于骨關節炎、類風濕性關節炎和神經炎等治療4。布洛芬的羧基在pH中性條件下解離，帶一個單位負電荷。布洛芬與HSA結合的晶體結構已經解析，蛋白質數據庫編號(PDB ID)為2BXG，存在兩個結合位點，其中位點II最為常見，結合模式見圖1，由位點II入口到空腔內部形成靜電、疏水和雜合的典型三層相互作用分布5。帶負電荷的羧基可與位點II空腔入口處三個帶正電荷的殘基發生靜電相互作用；布洛芬的苯環與空腔中部環狀分布的4個亮氨酸形成強疏水相互作用；布洛芬分子尾部的異丁基鏈可與空腔底部的疏水殘基發生作用。布洛芬與HSA位點II的穩定結合，取決于布洛芬分子和位點II空腔的獨特結構6－8，雖然最終結合方式目前已經了解，但結合的動態過程仍舊未知，HSA是如何吸引布洛芬分子，布洛芬分子又是如何進入位點II的空腔口袋，這些信息的獲得將提高人們對HSA-小分子結合過程的機制認識，有助于結合配基的優化設計。

圖1 HSA(a),布洛芬(b)以及二者結合(c)示意圖Fig.1 HSA(a),ibuprofen(b),and the ibuprofen-HSA binding(c)

近些年來，隨著分子模擬技術的不斷發展，越來越多的蛋白與小分子的結合模式和機理可以在分子水平上得到闡述，同時分子模擬的結果也為配基設計提供了理論依據，遺憾的是蛋白-小分子結合的動態過程研究很少9－12。本文采用分子動力學模擬的方法，以布洛芬與HSA位點II的動態結合過程為研究對象，分析結合途徑，考察結合過程的分子識別、分子相互作用、結合能量和蛋白構象變化，探討主要作用力、關鍵殘基和結合機制，并與結合的晶體結構進行比較，獲得規律性認識，為基于HSA位點II的配基設計和HSA分子改造提供指導。

2 分子模擬方法

HSA的晶體結構從蛋白數據庫(Protein Data Bank，http://www.rcsb.org/pdb/)下載，包括未結合小分子的HSA晶體結構(PDB ID：1AO6)和HSA-布洛芬復合物的晶體結構(PDB ID：2BXG)。采用H++在線平臺13(http://biophysics.cs.vt.edu/)計算HSA氨基酸殘基在pH 7.4生理條件下的質子化狀態，鹽濃度設為0.15 mol·L－1，蛋白質內部介電常數為10，外部介電常數為80，其它參數為默認。布洛芬分子由Discovery Studio 3.0(DS 3.0)14構建，采用Dreiding力場優化15，各原子的質子化狀態依據Marvinsketch計算的pKa值確定16。

為了讓本文分子模擬工作更具有意義和挑戰，采用1AO6作為HSA的起始構象，探討其與隨機分布的布洛芬分子的自由結合過程。布洛芬分子的隨機分布由packmol軟件17實現，以HSA為中心，在邊長12 nm的立方體中隨機分布50個布洛芬分子構建復合物體系，見Supporting Information中圖S1所示。

分子動力學模擬采用Gromacs 4.5.4軟件18，溫度設為300 K，采用周期性邊界。具體模擬過程如下：首先添加GROMOS96的43a1力場，采用spc水模型進行溶劑化19，最小邊界厚度為1 nm，添加Na+以中和系統中的負電荷；其次，采用最陡下降法(steepest descent)進行5×104步能量最小化，再分別進行100 ps的等溫等容平衡(NVT)和等溫等壓平衡(NPT)；最后，在常溫常壓下進行50 ns的分子動力學模擬，前15 ns為50個布洛芬分子和HSA的完整體系模擬，后35 ns集中于位點II結合的布洛芬分子模擬。

分子模擬的參數設置如下：體系溫度采用V-rescale算法20，壓力采用Parrinello-Rahman算法21。遠程范德華力(VDW)的閥值為1.4 nm，靜電相互作用采用Partical Mesh Ewald(PME)算法22，截斷半徑值為1.4 nm。采用LINCS算法23固定共價鍵，相對偏差為10－4。體系時間步長為0.002 ps，每隔10 ps取一次坐標和能量值。非鍵能量用g_energy模塊計算，其中LJ-(SR)和Coulomb-(SR)分別代表范德華能(ELJ)和靜電作用能(ECoul)，非鍵總能量(Etotal)為二者之和。

布洛芬與HSA晶體結構(PDB ID：2BXG)的分子動力學模擬步驟和參數同上，模擬時長為5 ns，計算二者的ELJ、ECoul和Etotal，并與隨機分布的HSA-布洛芬模擬結果進行比較。

所有分子模擬均在曙光工作站A620r-G上進行。前15 ns，由于50個隨機分布的布洛芬-HSA模擬體系較大，共有近70萬個分子，分子動力學模擬運行的速度約為0.2 ns/天；后期35 ns，單一布洛芬分子結合的模擬體系約有10萬個分子，運算速度約1 ns/天。一個批次50 ns分子模擬總耗時約110天。

3 結果和討論

3.1HSA分子的結構分析

首先將未結合小分子的1AO6與結合有布洛芬的2BXG兩個HSA域IIIA結構進行比較，結果發現位于位點II空腔入口處的殘基差異較大，如Supporting Information中圖S2所示。對于1AO6，組成空腔入口處的殘基為ARG410、LEU387、SER489和LYS414等四個殘基，由于受ARG410殘基阻擋，空腔入口較小；而對于2BXG，ARG410殘基發生位移，增加兩個殘基ASN391和GLN390共同形成空腔入口，因此入口顯著增大，有利于小分子的結合。

為了讓本文布洛芬-HSA結合的分子模擬更加具有普遍性，以1AO6作為HSA的起始構象，探討隨機分布的布洛芬分子的自由結合過程。

3.2布洛芬與HSA結合的動態過程解析

分析50個隨機分布于HSA周圍的布洛芬分子在前15 ns分子模擬過程的運動軌跡，可以發現有6個分子結合到HSA表面，分別位于域IA(2個)，域IIIA(2個)和域IIIB(2個)，其中一個布洛芬分子從HSA位點II距離3 nm外開始接近并最終結合于位點II。比較上述6個布洛芬分子在14－15 ns之間的平均結合能，發現結合于域IA的一個分子和位點II附近布洛芬的結合能較大，絕對值大于200 kJ·mol－1，但前者波動較大，后者結合較為穩定。因此，后續以該布洛芬分子運動軌跡作為一種可能的位點II結合途徑，進行系統分析。

對于結合于位點II的布洛芬分子，其與位點II中心的距離、結合過程的靜電作用能、范德華能和總能量變化見圖2。仔細分析該布洛芬分子進入位點II的運動軌跡和能量變化，可以發現布洛芬與HSA的結合過程可分為四個階段：遠程吸引、表面結合調整、進入位點II空腔和位點II穩定結合。在前5.5 ns內，二者間的距離波動較劇烈，結合能較小，約4.8 ns時靜電作用能開始出現并持續增大，表明布洛芬分子受靜電吸引而接近HSA表面，即第一階段的遠程吸引；5.5－16 ns之間，距離略有波動然后穩定，相互作用能也相應持續負值增大后穩定在－200 kJ·mol－1左右，形成第一個能量穩定平臺，即第二階段的表面結合調整；16－18 ns之間，二者間的距離小幅持續增大，靜電作用能發生突變，由－200 kJ·mol－1變化到－400 kJ· mol－1后回落至－250 kJ·mol－1左右，分析軌跡發現此階段布洛芬分子進入HSA位點II的空腔；18 ns后，二者間的距離基本穩定，能量波動較小，最后平穩在更低的能量平臺上，約－280 kJ·mol－1。以下具體分析四個階段的動態結合過程。

3.3階段I：遠程吸引

圖2 布洛芬分子與位點II中心的距離及其與HSA結合的能量變化Fig.2 Distance between ibuprofen and the center of Site II and the interaction energies of ibuprofen on to Site II of HSA

分子模擬的初始階段(0－5.5 ns)，開始時HSA和布洛芬分子沒有明顯接觸，無明顯的非鍵相互作用，靜電作用能和范德華能基本為0。5.0 ns左右，布洛芬分子已經接近HSA表面。從圖3中可以發現，pH 7.4時，雖然HSA整個分子帶有6個凈負電荷，但是表面電荷分布不均勻，位點II附近存在明顯的正電區域。分析表明，布洛芬分子帶有負電荷，帶正電的LYS545可通過與布洛芬分子羧基的靜電吸引作用，將其“吸引”至HSA蛋白表面，因此靜電作用能急劇增大。當布洛芬分子到達HSA表面后，位點II附近帶正電的LYS541同時發揮作用，靜電作用能持續增大，范德華能也逐步增大，促進布洛芬分子穩定結合于HSA表面。分析能量貢獻，可以發現該階段主要以長程的靜電吸引力為主。

圖3 HSA表面電勢分布(pH 7.4)以及不同分子模擬時刻布洛芬的相對位置Fig.3 Isopotential surface of HSAat pH 7.4 and the position of ibuprofen molecule at different simulation time

3.4階段II：表面結合調整

該階段(5.5－16 ns)布洛芬分子已經結合到HSA域III的表面，不過在兩個極性區域(域IIIB的LYS541/LYS545和域IIIA的ARG410/LYS414)之間波動，范德華能和靜電能總體呈現逐步增大后趨于平穩。

分析該階段不同氨基酸殘基和布洛芬分子的靜電相互作用能，發現4個殘基最為重要，分別為ARG410、LYS414、LYS541和LYS545，均帶正電荷，其中LYS541和LYS545位于域IIIB，ARG410和LYS414位于域IIIA，形成兩個極性正電區域。分別計算兩個極性區域的靜電作用能，結果見圖4。可以發現，初期(5.5－8 ns)主要由域IIIB的LYS541和LYS545控制，其中LYS545還可與布洛芬分子形成氫鍵(見圖5(a))；后期(8－16 ns)由域IIIA的ARG410和LYS414主導，ARG410也與布洛芬分子形成氫鍵(見圖5(b))。也就是說，布洛芬分子由域IIIB遷移到了域IIIA，接近位點II的空腔入口。該階段范德華能貢獻較大的殘基為ARG410、 LEU407、 LEU394、 GLN390 和ALA406，其中疏水殘基ALA406、LEU407和LEU394可與布洛芬的苯環發生疏水性作用；12 ns后，范德華能起主導作用為疏水殘基LEU407和LEU394。從圖2可以發現，6 ns時總結合能為－100 kJ·mol－1左右，6－16 ns期間持續負值增大，16 ns時達到－200 kJ·mol－1，說明經過局部調整達到了更有利于布洛芬結合的狀態。此外，靜電作用能和范德華能同步負值增大，表面靜電和疏水相互作用共同促進了布洛芬分子的表面結合調整。

3.5階段III：進入位點II空腔

圖4 兩個極性區域的靜電相互作用能比較Fig.4 Comparition on the electrostatic interaction energies of two polar regions

圖5 6 ns(a)和16 ns(b)時布洛芬分子與HSA表面的結合示意圖Fig.5 Binding modes of ibuprofen on the surface of HSAat 6 ns(a)and 16 ns(b)

該階段主要集中于16－18 ns，布洛芬分子進一步從ⅢA極性區域進入到HSA位點II的空腔。從圖2可以看出，結合能量進一步增大，其中靜電作用能變化劇烈，說明布洛芬分子的結合再次調整，而范德華能持續增大，從而形成更穩定的結合。

分析該階段不同氨基酸殘基的靜電作用貢獻，發現位于前三位的是ARG410、LYS414和 TYR411，均位于位點II空腔的入口處。不過，三個殘基的靜電作用能變化體現出不同的規律，具體見圖6。ARG410帶有正電荷，與布洛芬分子的靜電作用能相對穩定，平均約－73.2 kJ·mol－1，不過波動較大，在－167.6到－10.4 kJ·mol－1范圍內變動，ARG410還可與布洛芬分子形成較穩定的氫鍵；LYS414也帶有正電荷，靜電作用能變化劇烈，16.7 ns之前約為0 kJ·mol－1，16.7 ns時突然變化到－200 kJ·mol－1，18 ns左右又趨于－50 kJ·mol－1左右；而TYR411僅在17.8 ns左右開始發揮作用，由0突然變到－80 kJ·mol－1左右。仔細分析這些殘基的空間分布，可以詳細了解布洛芬分子如何從HSA表面進入到位點II的空腔中。該階段3個關鍵時間點(16.5、17.3和18 ns)的典型結合見圖7，可以發現ARG410、LYS414和TYR411的空間位置依次深入空腔內部。前期為最外側的ARG410主導，布洛芬開始接近空腔；中期以LYS414主導，布洛芬逐步進入空腔；后期TYR411貢獻的能量開始增大，同時布洛芬與ARG410的氫鍵斷裂并開始與TYR411形成氫鍵，促使布洛芬進入了空腔的深處。

此外，范德華能貢獻較大殘基有LEU387、LEU394、LEU407和LEU430等4個亮氨酸和PHE488，其中LEU387和PHE488的范德華能逐漸增大并起主導作用。比較該階段的靜電作用能和范德華能數值，可以發現二者波動較大，且絕對值均較第二階段變大，靜電作用變化更明顯，說明靜電作用和疏水作用共同促使小分子從位點II入口處進入空腔。總能量也達到了更低的平臺，結合更加穩定。

3.6階段IV：位點II穩定結合

圖6 階段III中三個關鍵殘基的靜電作用能變化Fig.6 Electrostatic interaction energies of three key residues at the binding phase III

圖7 階段III中三個關鍵時間點(16.5 ns(a)、17.3 ns(b)和18 ns(c))布洛芬與位點II入口殘基的結合示意圖Fig.7 Binding modes of ibuprofen on the entrance of site II atthebindingphaseIII(16.5ns(a),17.3ns(b),and18ns(c))

18 ns后，布洛芬分子進入位點II的空腔，經細微調整，形成了穩定的結合。分析該階段布洛芬分子運動軌跡，發現波動很小，說明了結合較為穩定；靜電作用能和范德華能變化不大，基本保持在－150和－130 kJ·mol－1。

分析不同氨基酸殘基貢獻，發現靜電作用的主要殘基有ARG410、TYR411、ARG485和SER489，布洛芬分子的羧基與上述除ARG485外的三個殘基均形成了氫鍵，使結合更為穩定。從范德華能貢獻上看，主要疏水殘基有LEU387、LEU407、VAL426、LEU430、LEU453、PHE488等6個。具體分析這些關鍵殘基的空間分布，可以發現靜電相互作用集中于位點II空腔的入口，而疏水作用分布于空腔的中部和深處，具體見圖8(a)。 ARG410、TYR411、ARG485和SER489等位于空腔入口處的極性殘基與布洛芬的羧基發生靜電相互作用；空腔中部的LEU387、LEU407和LEU430等疏水殘基主要與苯環發生疏水作用；而深處的VAL426、LEU453和PHE488等疏水殘基可與布洛芬的異丁基發生疏水作用。

對HSA-布洛芬結合的晶體結構(PDB ID：2BXG)也進行5 ns的分子動力學模擬，并與前文布洛芬分子自由結合的分子模擬結果進行比較，結果如圖8(b)。發現晶體結構中HSA-布洛芬結合能為－392.8 kJ·mol－1，其中靜電作用能－291.3 kJ· mol－1，范德華能－101.5 kJ·mol－1，總能量值絕對值比前文的模擬結果大，其中靜電作用能偏大，但范德華能稍小。不過，總相互作用能量排名前10位的殘基中有8個與前文分子模擬體系相同，其中提供靜電作用有4個相同(分別為ARG410、TYR411、ARG485和SER489)，主要與布洛芬的羧基發生靜電作用；范德華能中4個相同，分別為LEU387、LEU407、LEU430和LEU453，圍繞在布洛芬的苯環周圍，主要貢獻了疏水作用。

圖8 布洛芬-HSA位點II結合比較Fig.8 Comparison on the binding modes of ibuprofen on site II of HSA

比較穩定結合布洛芬后1AO6模擬體系和2BXG的HSA-布洛芬晶體結構，發現二者位點II的均方根偏差在0.2 nm之內，仔細比對空腔內的殘基分布，發現基本一致。進一步比較布洛芬分子發現，布洛芬頭部羧基均位于位點II空腔入口處的極性區域，但苯環及尾部側鏈的位置不同。晶體結構中布洛芬分子的苯環進入由4個LEU組成的環內，而模擬體系的布洛芬分子則“停靠”在外側，4個LEU并沒有形成可以容納布洛芬苯環的環狀分布，而是處于4個LEU和VAL426、PHE488等疏水殘基組成的另一個疏水腔中，該疏水腔的疏水性略大于晶體結構中四個LEU圍城的環狀疏水區域，因此也是一個潛在的結合狀態。

3.7結合過程中HSA分子的“誘導契合”效應

在模擬體系的四個階段中，HSA域III多個殘基通過改變空間位置以適應布洛芬分子的結合，Rehman等24也報道了HSA在結合小分子時結合部位殘基發生一定程度的結構變化。第一階段，位于域IIIB極性區域的LYS541和LYS545帶正電的側鏈波動較大，與布洛芬的羧基形成了靜電吸引作用，通過動態調整而牽引布洛芬分子至蛋白表面，并與LYS545形成氫鍵；第二階段，域IIIA極性區域的帶正電殘基(ARG410和LYS414)開始與域IIIB極性區域競爭布洛芬分子，此時ARG410、LYS414、LYS541和LYS545四個帶正電的殘基共同競爭與布洛芬羧基的結合機會，通過側鏈的擺動使布洛芬在域IIIB(LYS541和LYS545)和域IIIA (ARG410和LYS414)間不斷調整，最后IIIA極性區域起主導作用，布洛芬分子靠近位點II；第三階段，位點II空腔入口的3個帶正電殘基ARG410、LYS414和TYR411依次起到靜電吸引作用，三個殘基通過自身空間位置的變化以適應布洛芬的結合，引導布洛芬分子逐步進入空腔口袋，此時空腔深處的PHE488等疏水性殘基通過側鏈調整使空腔容積變大，促使布洛芬更容易進入空腔；第四階段，結合能量趨于穩定，位點II周圍的殘基運動幅度減小，布洛芬和位點II形成穩定結合，布洛芬分子頭部的羧基與ARG410、TYR411、ARG485和SER489發生靜電作用，苯環與LEU387、LEU407、VAL426、LEU430、LEU453和PHE488等疏水殘基發生疏水作用。結合過程的熱點殘基與Dantas等25通過密度泛函理論計算出的布洛芬與位點II結合可能的關鍵殘基類似。布洛芬分子和HSA結合四個階段的動態過程見視頻文件(Supporting Information)。整體而言，在布洛芬的動態結合過程中，HSA位點II附近的氨基酸殘基通過不斷的動態調整，適應布洛芬分子的結合、遷移和進入位點II空腔，體現一定的“誘導契合”作用。

4 結論

經隨機分布的布洛芬分子動力學模擬，發現一個布洛芬分子與HSA位點II結合的可能途徑，通過分析運動軌跡，比較了范德華和靜電相互作用能，了解二者結合的動態過程。發現布洛芬-HSA位點II結合可分為四個階段：遠程吸引、表面結合調整、進入位點II空腔和位點II穩定結合，初期以長程靜電吸引為主，中期在HSA域Ⅲ的兩個極性區域間波動，逐步轉移至位點II附近；然后在位點II入口處的極性殘基和附近疏水殘基的共同作用下，布洛芬進入位點II空腔；進入空腔后，靜電和疏水共同作用形成穩定結合。在結合過程中，位點II附近的關鍵氨基酸殘基波動較大，蛋白表面發生明顯改變，通過“誘導契合”作用促使布洛芬分子進入位點II空腔。比較發現，分子模擬得到的結合模式和布洛芬-HSA結合的晶體結構類似。結果表明，分子模擬可以用于探究小分子和蛋白結合的動態過程，深入了解結合過程的微觀變化，從分子水平闡述結合機制，同時也可為特定位點的藥物和分離配基設計提供指導。

Supporting Information:50 ibuprofen molecules around HSA at the initial state of molecular simulation,the comparison on the surface of Site II of HSA(1AO6 and 2BXG)and a video of ibuprofen binding on Site II of HSA in 30 ns have been included.This information is available free of charge via the internet at http://www.whxb.pku.edu.cn.

(1) Sudlow,G.;Birkett,D.J.;Wade,D.N.Mol.Pharmacol.1975, 11(6),824.

(2) He,X.M.;Carter,D.C.Nature 1992,358(6683),209. doi:10.1038/358209a0

(3) Ghuman,J.;Zunszain,P.A.;Petitpas,I.;Bhattacharya,A.A.; Otagiri,M.;Curry,S.J.Mol.Biol.2005,353(1),38. doi:10.1016/j.jmb.2005.07.075

(4) Bradley,J.D.;Brandt,K.D.;Katz,B.P.;Kalasinski,L.A.; Ryan,S.I.New Engl.J.Med.1991,325(2),87.doi:10.1056/ NEJM199107113250203

(5) Xu,S.W.;Lin,D.Q.;Yao,S.J.Acta Phys.-Chim.Sin.2016,32 (7),1819.[徐詩文,林東強,姚善涇.物理化學學報,2016,32 (7),1819.]doi:10.3866/PKU.WHXB201604151

(6) Gustafsson,S.S.;Vrang,L.;Terelius,Y.;Danielson,U.H.Anal. Biochem.2011,409(2),163.doi:10.1016/j.ab.2010.10.028

(7) Yang,F.;Zhang,Y.;Liang,H.Int.J.Mol.Sci.2014,15(3), 3580.doi:10.3390/ijms15033580

(8) Varshney,A.;Sen,P.;Ahmad,E.;Rehan,M.;Subbarao,N.; Khan,R.H.Chirality 2010,22(1),77.doi:10.1002/chir.20709

(9) Aghaee,E.;Ghasemi,J.B.;Manouchehri,F.;Balalaie,S.2014, 20(10),1.doi:10.1007/s00894-014-2446-7

(10) Guo,Q.L.;Pan,L.L.;Yang,L.Y.;He,H.;Zhang,Y.Z.;Liu, Y.Acta Phys.-Chim.Sin.2016,32(1),274.[郭清蓮,潘凌立,楊立云,何 歡,張業中,劉 義.物理化學學報,2016,32(1), 274.]doi:10.3866/PKU.WHXB201511021

(11)Wu,S.G.;Gao,X.T.;Li,Q.;Liao,J.;Xu,C.G.Acta Phys.-Chim.Sin.2015,31(9),1803.[伍紹貴,高曉彤,李 權,廖 杰,徐成剛.物理化學學報,2015,31(9),1803.] doi:10.3866/PKU.WHXB201508062

(12) Zhang,J.W.;Zhou,J.G.;Lü,H.;Huang,Q.Acta Phys.-Chim. Sin.2015,31(6),1169.[張俊威,周峻崗,呂 紅,黃 強.物理化學學報,2015,31(6),1169.]doi:10.3866/PKU. WHXB201504151

(13) Anandakrishnan,R.;Aguilar,B.;Onufriev,A.V.Nucl.Acids Res.2012,40(W1),W537.doi:10.1093/nar/gks375

(14) Discovery Studio 3.0;Accelrys Inc.:San Diego,CA.

(15) Mayo,S.L.;Olafson,B.D.;Goddard,W.A.J.Phys.Chem. 1990,94(26),8897.doi:10.1021/j100389a010

(16) MarvinSketchv 5.3.2;ChemAxon Ltd.:Hungary.

(17) Martinez,L.;Andrade,R.;Birgin,E.G.;Martinez,J.M.J. Comput.Chem.2009,30(13),2157.doi:10.1002/jcc.21224

(18) Pronk,S.;Pall,S.;Schulz,R.;Larsson,P.;Bjelkmar,P.; Apostolov,R.;Shirts,M.R.;Smith,J.C.;Kasson,P.M.;Van der Spoel,D.Bioinformatics 2013,29(7),845.doi:10.1093/ bioinformatics/btt055

(19) Berendsen,H.J.C.;Postma,J.P.M.;van Gunsteren,W.F.; Hermans,J.Intermolecular Forces Springer Netherlands: Jerusalem,Israel,1981,11;pp 331－342.

(20) Bussi,G.;Donadio,D.;Parrinello,M.J.Chem.Phys.2007,126 (1),014101.doi:10.1063/1.2408420

(21) Parrinello,M.;Rahman,A.J.Appl.Phys.1981,52(12),7182. doi:10.1063/1.328693

(22) Darden,T.;York,D.;Pedersen,L.J.Chem.Phys.1993,98(12), 10089.doi:10.1063/1.464397

(23) Ryckaert,J.P.;Ciccotti,G.;Berendsen,H.J.C.J.Comput. Phys.1977,23(3),327.doi:10.1016/0021-9991(77)90098-5

(24) Rehman,M.T.;Shamsi,H.;Khan,A.U.Mol.Pharm.2014,11 (6),1785.doi:10.1021/mp500116c

(25) Dantas,D.S.;Oliveira,J.I.N.;Neto,J.X.L.;Costa,R.F.D.; Bezerra,E.M.;Freire,V.N.;Caetano,W.S.E.;Fulco,U.L.; Albuquerque,E.L.RSC Adv.2015,5(61),49439.doi:10.1039/ c5ra04395f

Molecular Simulations on Dynamic Binding of Ibuprofen onto Site II of Human Serum Albumin:One Potential Way Analysis

XU Shi-Wen LIN Dong-Qiang*YAO Shan-Jing
(Key Laboratory of Biomass Chemical Engineering of Ministry of Education,College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University,Hangzhou 310027,P.R.China)

Human serum albumin(HSA)has two main drug binding sites termed SiteIand SiteII.Most small molecules like ibuprofen(a well-known anti-inflammatory drug)bind to SiteIIpreferentially.In this study, molecular simulation methods were used to investigate the dynamic binding process of ibuprofen to SiteII.A system of 50 ibuprofen molecules distributed randomly around HSAwas constructed.After a 50-ns molecular dynamics simulation,one ibuprofen molecule bound stably to SiteII.Based on trajectory analysis of this ibuprofen molecule,the binding process of ibuprofen onto SiteIIcan be divided into four phases:(i)long-range attraction;(ii)adjustment on the surface;(iii)entering to SiteIIpocket;and(iv)stable binding at SiteII.After evaluating van der Waals′and electrostatic interaction energies during the binding process,it was found that the initial major driving force involves electrostatic attractions.Subsequently,ibuprofen locks between two polar regions on the surface near SiteIIand then moves to SiteII.Ibuprofen then enters the pocket of SiteIIby combinatorial effects of polar and hydrophobic residues nearby the entrance of SiteII.Electrostatic and hydrophobic interactions form the stable binding of ibuprofen in SiteII.The molecular surface near SiteIIwas observed to change significantly during binding,which indicates an induced fit mechanism.The binding mode obtained with molecular simulations is consistent with the crystal structure of the ibuprofen-HSAcomplex.Theresults show that molecular simulations would help to evaluate the dynamic binding processes of small molecules to proteins and improve our understanding of the binding mechanisms at the molecular level.

Human serum albumin;SiteII;Ibuprofen;Dynamic binding;Molecular simulation

O641

10.3866/PKU.WHXB201609131

Received:May 25,2016;Revised:September 13,2016;Published online:September 13,2016.

*Corresponding author.Email:lindq@zju.edu.cn;Tel:+86-571-87951982.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21476198,21276228,21576233).

國家自然科學基金(21476198,21276228,21576233)資助項目