芳香硫胺抑制剂对人类碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的分子动力学分析

刘爱鹏

华北电力大学，北京 102206

芳香硫胺抑制剂对人类碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的分子动力学分析

刘爱鹏

华北电力大学，北京 102206

本文运用分子动力学方法来分析芳香硫胺抑制剂对人类碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的关联作用影响，首先是介绍抑制剂的选择机理，然后分子动力学模拟对比了芳香硫胺抑制剂两个异构酶的作用，而后在对抑制剂进行改良来。得出结论：因亚甲基少一个，hCA II的支链不能和抑制剂Z的溴原子之间形成氢键，导致结合自由能比hCAVII大。而对抑制剂Z做了改良，结合自由能的计算显示改良抑制剂可能具有更大的异构酶选择性。

芳香硫胺抑制剂；hCAII；hCAVII；分子动力学

碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase， CA）是一族含锌金属酶，催化二氧化碳与碳酸氢根离子之间的相互转化及一些酯的水解和醛的水化，这过程简单但非常重要。到目前为止，在哺乳动物中，已有七种催化性质不同、组织分布各异的CA同工酶被发现，形成一个族群。在机体的多种生理过程中，有他们的参与，达到不同的效果。他们参与到包括了呼吸、代谢及酸碱平衡等多种生理过程。长期以来，CAs在作为包括青光眼、骨质疏松症、高血压、癫痫、睡眠性呼吸暂停和癌症等多项药物的开发靶标。

目前研究中，人类碳酸酐酶II（hCA II）作为一种异构酶，在哺乳动物CAs中研究也是最多最彻底的，也是在发现中，催化效率最为突出的一种酶，表现出具有近扩散速度的催化速率。相互比较而言，人类碳酸酐酶VII（hCA VII）的研究较少，研究内容也不算丰富。它也是具有非常高的催化效率，hCA VII与hCA II的序列一致性约有56%。针对人类碳酸酐酶hCA II和hCA VII，选择了抑制剂的研究来进一步探索该酶的不同作用表现。

1 抑制剂与两个异构酶的选择机理

自上世纪40年代以来，芳基硫胺类化合物对碳酸酐酶的抑制作用得到了广泛的研究，该类化合物的研究也不断在丰富，是焦点所在。据最新Güzel等的研究成果中，有几个是新合成的hCAVII选择性芳香硫胺类抑制剂。本研究分析选择了其中一个，是具有选择性最高特性的化合物，命名为Inhibitor Z。下面是该抑制剂对人类碳酸酐酶hCA II和hCA VII的选择机理。

1.1 抑制剂与两个异构酶相互作用的表现

分子动力学模拟中，首先在对接之后，总共10ns在模拟中显示出了稳定的复合物构象。进入NPT模拟时，全原子RMSD的稳定性表现具体为：人类碳酸酐酶hCA II和hCA VII表现分别在1.6和2.1小波动。在该阶段，发现抑制剂Z在人类碳酸酐酶hCA II和hCA VII中的全原子RMSD稳定在0.6和0.9附近。通过上述的观察，发现抑制剂Z参与构成的复合物的构象比原物更具有稳定性。通过分子动力学分析获得的稳定构象，采用MM/PBSA方法来计算结合自由能，即抑制剂Z与hCA II和hCA VII之间的作用情况。从上述阶段的研究看，结合自由能的表现：与hCAII和hCA VII的结合自由能分别为-42.12kcal mol-1、-52.17kcal mol-1。从结合自由能的不同表现来看，抑制剂Z与hCAII的作用变现与hCAVII的不同，抑制剂Z针对这两个酶表现出了选择性，即该抑制剂是一个hCAVII选择性抑制剂。

1.2 自由能差别的进一步解释

通过检查抑制剂在人类碳酸酐酶hCA II和hCA VII之间的相互作用，hCA II活性位点处的催化锌离子被蛋白质残基H94、H96、H119和芳香硫胺抑制剂的NH-基团四匹配，此外，抑制剂给出了一个氢原子与蛋白残基T199的支链氧原子生成氢键。而残基T199经过主链氨基和支链羟基上的氢原子与抑制剂硫胺基团上的氧生成氢键。除此之外，人类碳酸酐酶hCA II的残基Q92又提供了该支链氨基上的两个氢原子与抑制剂Z的酰胺氧原子和溴原子生成两条氢键，而残基Asn67因和抑制剂的距离远，氢键未能生成。但相对hCA VII而言，hCA VII结果不一样，即与hCA II相对应的残基在该匹配中全部表现出来，不同的残基号是唯一的不同点。因此，在hCA VII中，抑制剂Z与在hCA II中结合过程中，所有的氢键在抑制剂与hCA VII的复合物中的得以发现，且在复合物中发现了一条氢键。该条氢键是在hCAVII的残基Gln64支链氨基氢原子与抑制剂Z的溴原子中的。上述表明，在人类碳酸酐酶hCA II和hCA VII的残基的支链长度是与抑制剂Z形成一氢键原因所在。对于hCA VII来说，多出来的这个氢键必然加强它与抑制剂Z之间的相互作用。抑制剂Z对两个异构酶选择性可能是最为主要原因。综上可得，抑制剂Z被修饰或改良后，可能会变成更具有选择性的一种抑制剂。

2 改良抑制剂Z与人类碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的作用影响

对抑制剂Z做了改良，增加了一个羟丙基，通过分子动力学来观察人类碳酸酐酶与其的相互作用情况。

2.1 改良抑制剂与hCAII和hCAVII的作用分析

基于上述对接结果的分析，采用De novo Link模块，修饰抑制剂Z，命名为Inhibitor A，相对抑制剂Z而言，经过修饰的抑制剂A的不同是唯一在图中标记星号的碳上增加了一个羟丙基，这就构成了S构型的手性碳原子。通过相同的分子动力学分析过程我们得到了抑制剂A与人类碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的结合构象的显示。显示结果如下：与hCAII的复合构象相对，修饰改良后的复合构象不存在太大的差距。抑制剂A与hCAII的结合自由能为-48.22kcal mol-1，比抑制剂Z与hCA II的结合自由能（-42.12kcal mol-1）小，推测是新增基团同hCA II临近残基之间作用影响的原因。结合自由能的结果表示出抑制剂A比抑制剂Z对hCAII的抑制能力更强。

采用MM/PBSA方法，获得了抑制剂A与hCA VII的结合自由能为-69.84kcal mol-1，这个结合自由能值比上述其他情况都小得多。分析得出，新形成的氢键提升修饰后的抑制剂与hCA VII之间的作用关系，这是MM/PBSA结合自由能结果变小的主因。

2.2 改良抑制剂Z与hCAII和hCAVII的作用结论

上述结果表示在选择性上，修饰后的抑制剂A对hCAVII比原抑制剂Z更强。在改良修饰后的分析过程中，发现了其他的问题，

需要进一步明确。第一是，由于hCA II的残基Asn67的支链长度仅比hCAVII的支链Gln64短了一个亚甲基，即修饰后的抑制剂的新加基团（在抑制剂A中是羟丙基）不能长短过量。若在过于长的情况下，氢键也会在修饰后产生；若在过于短的情况下，氢键则会失去。这两种情况都会使改良抑制剂对两个异构酶的选择性降低或消失，因此，需要注意新加基团的长短问题。第二，在抑制剂A加羟丙基后，带有该基团的碳原子成了一个手性碳。在属性不同的情况下，产生的影响作用也是不一样的，改良抑制剂与人类碳酸酐酶（hCAII、hCAVII）的结合。最后，对于抑制剂的修饰和改良不能引进太大的和太多的取代基，否则将会导致结合方式的改变，从而有可能改变设计抑制剂的选择性。

3 结论

综上所述，研究的对象抑制剂Z对人类碳酸酐酶hCA II和hCA VII的选择性是依据残基Asn67的支链长度的不同来表现的，因为hCA II长度比hCA VII短。因亚甲基少一个，hCA II的支链不能和抑制剂Z的溴原子之间形成氢键，导致结合自由能比hCAVII大。而对抑制剂Z做了改良，结合自由能的计算显示改良抑制剂可能具有更大的异构酶选择性。

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R96

A

1674-6708（2011）53-0091-02