分子对接技术对二酮哌嗪类物质抑菌机制研究

陈 雨，武 艺，唐祉娟，王雨昕，刘欣宇，贾永平，刘 冰，陈 宁

(1. 哈尔滨商业大学 英才学院， 哈尔滨150076； 2.哈尔滨商业大学 药学院， 哈尔滨150076)

现代药理学研究表明，二酮哌嗪类化合物具有一定的抑菌活性[1-4].我国沿海分布十分广泛的海星纲动物海燕备受关注.近些年，由于不断繁衍，数量急剧增多，给沿海经济发展带来了巨大压力[5].为提高海燕的利用度，将采自海星化学成分二酮哌嗪类化合物进行抑菌机制研究.

PBP5为青霉素结合蛋白，它是细菌生长非必需蛋白[6]；FabI为烯酰-酰基载体蛋白还原酶，大部分细菌脂肪酸合成都需此酶；FabH为结核分枝杆菌脂肪酸合成酶，细菌脂肪酸生物合成的启动由它掌控，在病原微生物中普遍存在且人体中未发现同源蛋白；FtsZ为细胞骨架蛋白，是一种由细菌ftsZ基因编码的蛋白质[7].将根据受体的特征及受体和药物间的相互作用来设计出某种药物的方法称为分子对接，主要对配体和受体间的相互作用和结合模式进行有关研究.分子对接作为计算机辅助药物研究方向的一项关键技术，已被广泛使用[8].抗菌药物的筛选越来越受到国内外学者的重视[9].因此将PBP5、FabI、FabH、FtsZ四种蛋白作为靶蛋白，二酮哌嗪类的氢键结合位点[10]，利用分子对接技术研究二酮哌嗪类化合物的抑菌作用，开发新抑菌药物或降低传统药物的副作用成是今后的研究方向.

1 仪器与材料

晶体结构：PBP5(4K9I)、FabI(4ALM)、FabH(5BNS)、FtsZ(2VAM).均从RCSB Protein Data Bank下载.本部分所有计算均采用安装在Dell T5820工作站上的Autodock 4.2程序完成的.

2 实验方法

1) PBP5、FabI、FabH、FtsZ受体蛋白模型的建立.在蛋白质数据库中寻找抑菌关键靶点蛋白晶体结构的 PDB-ID：PBP5(4K9I)、FabI(4ALM)、FabH(5BNS)、FtsZ(2VAM).

2) 配体结构模型的建立.采用ChemDraw 3D绘制二酮哌嗪类化合物立体结构，导出，配体分子通过预处理与天然构象接近，再做一定的处理，作为分子对接的配体结构使用.配体结构编号1～14.左氧氟沙星具有良好的抑菌活性[11]，15号为阳性对照药左氧氟沙星.

3) 对接过程.在AutoDock 4.2中导入PDB-ID SDF文件，对接技术采用AutoDock 4.2软件的半柔性方法[12].第一步，在受体活性位点的周围寻找一个区域更大的“盒子”，原子的格点能量由 AutoGrid计算.将4个靶蛋白与二酮哌嗪类化合物分子分别进行对接，对接时配体呈柔性，受体呈刚性.AutoDock参照配体在“盒子”范围内进行构象搜索，按照配体的不同特征进行结合模式评分[13-15].在此之前，应将阳性对照药左氧氟沙星与4种靶蛋白的活性位点进行对接，使对接程序有效.蛋白质的活性区域即为对接过程中的“盒子”.

4) 以左氧氟沙星的打分函数值为阈值，筛选出对接总评分值接近或高于左氧氟沙星的化合物，寻找二酮哌嗪类化合物中与受体作用较强的化合物.

3 筛选结果及分析

见图1、表1.

图1 左氧氟沙星与PBP5对接图

表1 配体与PBP5受体对接结果

续表1

左氧氟沙星与PBP5受体的作用模式为左氧氟沙星的羟基能够与PBP5受体的氨基酸残基的异亮氨酸胺基形成氢键作用.

化合物9与PBP5靶蛋白的作用模式为化合物可以与PBP5受体的氨基酸残基的酪氨酸、天冬酰胺产生氢键相互作用.见表2、图2.

表2 配体与FabI受体对接结果

续表2

续表2

图2 化合物9与PBP5对接图

左氧氟沙星与FabI受体的作用模式为左氧氟沙星的羟基能够与FabI受体的氨基酸残基的缬氨酸、异亮氨酸、丝氨酸胺基形成氢键作用.见图3.

图3 左氧氟沙星与FabI对接图

化合物2与FabI受体的作用模式为化合物的羟基能够与 FabI受体的氨基酸残基的甘氨酸胺基产生氢键作用.见表3、图4.

图4 化合物2与FabI对接图

表3 配体与FabH受体对接结果

续表3

左氧氟沙星与FabH受体的结合模式为左氧氟沙星的羟基FabH受体的氨基酸残基的丝氨酸、苏氨酸、谷氨酰胺产生氢键相互作用.见图5.

化合物2与FabH靶蛋白的对接模式为化合物可以和 FabH受体的氨基酸残基的丙氨酸、苏氨酸、天冬酰胺胺基形成氢键作用， FabH受体活性口袋处α螺旋被收紧，底物乙酰-CoA无法进入，使化合物与FabH受体稳定结合.见表4、图6.

续表4

图6 化合物2 与FabH对接图

左氧氟沙星与FtsZ受体的作用模式为左氧氟沙星的羟基能够与FtsZ受体的氨基酸残基的天冬酰胺、丙氨酸、苏氨酸、甘氨酸的胺基形成氢键作用.见图7.

图7 左氧氟沙星与FtsZ对接图

化合物2与FtsZ受体的作用模式为化合物的羟基能够与FtsZ受体的氨基酸残基的甘氨酸、天冬酰胺胺基形成氢键作用，进而与FtsZ蛋白紧密结合.见图8.

图8 化合物2与FtsZ对接图

4 结 语

本研究利用分子对接技术，以PBP5、FabI、FabH、FtsZ为4个靶点，通过对接结果筛选出二酮哌嗪类化合物中抑菌效果良好的物质.综上所述，二酮哌嗪类化合物中化合物2与PBP5、FabI、FabH、FtsZ受体对接打分函数值接近或高于阳性对照药左氧氟沙星，可考虑进行下一步抗菌应用研究.随着医疗水平的不断发展，越来越多的药物被研究，但是药物研制的目的大多只是为了治疗某种疾病，为了开发资源同时治疗疾病的药物开发可能还没有被广泛应用.