申 濤 杜鳳沛 劉 婷 姚廣偉 吳 崢 方萌萌

徐筱杰2 路慧哲1,*

(1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,北京100193;2北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,北京100871)

咪唑甘油磷酸酯脫水酶與含氮雜環(huán)磷酸酯類抑制劑作用方式的分子模擬

申 濤1杜鳳沛1劉 婷1姚廣偉1吳 崢1方萌萌1

徐筱杰2路慧哲1,*

(1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,北京100193;2北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,北京100871)

國(guó)際上依據(jù)咪唑甘油磷酸酯脫水酶(IGPD)底物結(jié)構(gòu)篩選,成功獲得了一系列含氮雜環(huán)磷酸酯類化合物作為IGPD抑制劑,然而IGPD與含氮雜環(huán)磷酸酯類抑制劑間的作用模式尚不清楚.本研究利用Gaussian 03程序,基于密度泛函理論B3LYP方法,選擇6-31G＊＊基組優(yōu)化含氮雜環(huán)磷酸酯類化合物,在確定其穩(wěn)定構(gòu)象的基礎(chǔ)上利用分子對(duì)接、力學(xué)優(yōu)化構(gòu)建IGPD與其含氮雜環(huán)磷酸酯類抑制劑相互作用的復(fù)合物結(jié)構(gòu),基于化合物的電子結(jié)構(gòu)(前線軌道能級(jí)及組成、原子電荷、自然鍵軌道等)、復(fù)合物的空間結(jié)構(gòu)(抑制劑識(shí)別IGPD的功能域、分子間氫鍵、van der Waals相互作用等)探討了IGPD與含氮雜環(huán)磷酸酯類抑制劑作用方式,確定了含氮雜環(huán)電荷分布、磷酸根離子電荷分布、前線軌道LUMO能級(jí)是影響抑制劑活性的內(nèi)在因素,為進(jìn)一步篩選、優(yōu)化高效的新型除草劑提供了重要信息.

咪唑甘油磷酸酯脫水酶;抑制劑;分子對(duì)接;力學(xué)優(yōu)化;密度泛函理論;前線軌道

1 引言

作為植物和微生物體內(nèi)組氨酸生物合成的關(guān)鍵酶——咪唑甘油磷酸酯脫水酶(IGPD)已成為目前日益受到關(guān)注的除草劑潛在靶標(biāo),通過抑制酶的生物學(xué)活性即阻斷組氨酸的合成可致植物死亡而達(dá)到除草的目的.IGPD位于組氨酸生物合成反應(yīng)的第七步.由咪唑甘油磷酸酯(IGP)經(jīng)脫水反應(yīng)生成咪唑丙酮醇磷酸酯(IAP),可能的催化機(jī)理如圖所1示,1該酶是植物和微生物體內(nèi)組氨酸生物合成的關(guān)鍵酶之一.大量的研究表明,在植物和微生物體內(nèi),組氨酸的生物合成是至關(guān)重要的,而哺乳動(dòng)物體內(nèi)卻不具備這種氨基酸的生物合成能力,即體內(nèi)并無此酶.因此通過抑制IGPD的活性從而阻斷雜草體內(nèi)組氨酸的生物合成,可使雜草死亡而對(duì)人畜無害.1隨著Tada等2進(jìn)一步確認(rèn)IGPD位于植物細(xì)胞葉綠體內(nèi),特別是Sinha等3報(bào)道IGPD催化亞基及其三聚體X射線晶體衍射結(jié)果后,IGPD成為近年來研究除草劑的潛在靶標(biāo)酶.

Mori等4-6以IGPD的底物IGP(圖1)為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),通過生物合理設(shè)計(jì)的方法確認(rèn)了以IGPD為靶標(biāo)的一系列先導(dǎo)化合物,并測(cè)定了其IC50(圖2).

一系列的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)表明,以IGP為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)獲得的IGPD抑制劑具有類似的母核結(jié)構(gòu):(1)含有氮原子的雜環(huán);(2)鄰位羥基;(3)磷酸根離子,然而其IC50值偏差很大.5本研究中利用上述抑制劑結(jié)構(gòu),通過密度泛函理論,選擇6-31G**基組優(yōu)化其構(gòu)象,并通過振動(dòng)頻率計(jì)算確定其穩(wěn)定結(jié)構(gòu).基于IGPD晶體結(jié)構(gòu),通過分子對(duì)接、力學(xué)優(yōu)化搭建穩(wěn)定的抑制劑與IGPD相互作用的復(fù)合物結(jié)構(gòu),通過分析抑制劑的電子結(jié)構(gòu)以及復(fù)合物集合結(jié)構(gòu)特點(diǎn),從宏觀和微觀的角度探討了基于IGP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一系列IGPD抑制劑與IGPD作用的可能模式,確定了抑制劑核心區(qū)域的結(jié)構(gòu)特征,為進(jìn)一步的IGPD抑制劑的篩選及優(yōu)化提供了理論依據(jù).

2 計(jì)算方法

2.1 量子化學(xué)計(jì)算

圖1 IGPD可能的催化機(jī)理Fig.1 Proposed catalytic mechanism of IGPD1IGPD:imidazole glycerol phosphate(IGP)dehydratase;B:XHHXE,potential binding motif in IGPD

圖2 基于IGP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)篩選的一系列先導(dǎo)化合物4-6Fig.2 Aseries of designed lead compounds based on IGPstructure4-6

IGPD抑制劑分子a-g(圖2)及IGP的結(jié)構(gòu)(圖1)均采用Gaussian 03程序包7進(jìn)行如下次序的優(yōu)化:所有分子的幾何構(gòu)型先采用Hartree-Fock方法在3-21G基組水平條件下進(jìn)行初步優(yōu)化,在預(yù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上采用密度泛函理論中B3LYP方法8在6-31G**基組9,10水平下對(duì)抑制劑進(jìn)行分子構(gòu)型的全優(yōu)化計(jì)算,并通過振動(dòng)頻率的計(jì)算對(duì)其熱穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià).計(jì)算的收斂精度采用Gaussian 03程序的內(nèi)定值,在此優(yōu)化的基礎(chǔ)上得到了抑制劑的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、電子結(jié)構(gòu)參數(shù)以及靜電勢(shì)等信息.

2.2 分子力學(xué)優(yōu)化

基于Filobasidiella neoformans IGPD酶的晶體結(jié)構(gòu)(PDB庫(kù)號(hào):1RHY),在Amber力場(chǎng)下,通過賦氫原子坐標(biāo)確定IGPD酶構(gòu)象的力場(chǎng)參數(shù).利用Insight II 2003程序包11分子力學(xué)優(yōu)化軟件Discover12對(duì)IGPD酶空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理:選擇Amber力場(chǎng),依次利用最陡下降(收斂判據(jù)0.08 kJ·mol-1,收斂步長(zhǎng)15000)、共軛梯度(收斂判據(jù)0.04 kJ·mol-1,收斂步長(zhǎng)20000)優(yōu)化方法,在考慮溶劑(水)效應(yīng)的情況下,設(shè)定溶劑(水)的介電常數(shù)為80,采用GBMV(Generalized Born with Molecular Volume)模型進(jìn)行分子力學(xué)優(yōu)化,最終確定IGPD酶的理論空間構(gòu)象.

2.3 分子對(duì)接及常溫動(dòng)力學(xué)優(yōu)化

基于密度泛函方法優(yōu)化獲得的抑制劑a-g的穩(wěn)定構(gòu)象(圖2),以及通過分子力學(xué)模擬獲得的IGPD酶優(yōu)化穩(wěn)定構(gòu)象,在考慮溶劑效應(yīng)的情況下,通過對(duì)IGPD酶構(gòu)象進(jìn)行網(wǎng)格分析,借助Discovery studio 2.1中分子對(duì)接模塊Ligand_fit13對(duì)抑制劑a-g與IGPD作用復(fù)合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,對(duì)接研究范圍設(shè)定為0.80 nm.對(duì)接過程中,IGPD的格點(diǎn)盒子設(shè)定為6.30 nm×6.70 nm×7.40 nm,格點(diǎn)間距為0.05 nm,利用Lamarckian遺傳算法,通過局域能量搜索與遺傳算法相結(jié)合,以半經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)作為能量打分函數(shù),對(duì)IGP及小分子抑制劑作用位置進(jìn)行全局搜索,通過van der Waals作用能、靜電作用能以及分子間氫鍵確認(rèn)復(fù)合物的初始結(jié)構(gòu).

在Amber力場(chǎng)下,考慮溶劑(水)效應(yīng),首先對(duì)確定的復(fù)合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分子力學(xué)優(yōu)化(條件同上);進(jìn)而進(jìn)行常溫分子動(dòng)力學(xué)模擬分析:14設(shè)定模擬溫度為300 K,溶劑采用TIP3P水模型,利用分子力學(xué)優(yōu)化獲得的模型進(jìn)行20 ns的分子動(dòng)力學(xué)模擬使體系達(dá)到平衡,收集20 ns的分子動(dòng)力學(xué)模擬數(shù)據(jù).在數(shù)據(jù)收集過程中,每隔20 ps記錄一次模擬體系的構(gòu)象.模擬中,采用Shake方法來約束體系中與氫原子有關(guān)的鍵伸縮,范德華相互作用的閾值(cut off)設(shè)定為1.00 nm,而靜電相互作用采用Ewald加和法處理.在考察體系骨架的均方根偏差(RMSD)值的變化趨于穩(wěn)定后,最終確定抑制劑與IGPD酶作用的結(jié)構(gòu)特征.

3 結(jié)果與討論

3.1 IGP及IGPD抑制劑分子的幾何結(jié)構(gòu)特征

化學(xué)分子的幾何構(gòu)型對(duì)分子中各原子的電荷分布、分子極性等均有較大的影響,進(jìn)而將影響化合物的藥效.15在沒有化學(xué)分子構(gòu)型的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的情況下,通常采用對(duì)化合物的低能態(tài)優(yōu)勢(shì)構(gòu)象進(jìn)行討論.本研究中對(duì)IGP及IGPD抑制分子a-g進(jìn)行優(yōu)化,并經(jīng)過振動(dòng)頻率分析無虛頻,表明優(yōu)化獲得的上述分子構(gòu)型確為可能的最低能優(yōu)勢(shì)構(gòu)象.幾何優(yōu)化表明IGP及IGPD抑制分子a-g的分子結(jié)構(gòu)具有類似的幾何特征,即呈椅式,化合物IGP的構(gòu)型示意圖如圖3所示.含有氮原子的芳香性五元環(huán)位于椅式構(gòu)象的頭部,烴鏈為椅背,而磷酸根位于椅式構(gòu)象的底部.

3.2 IGPD構(gòu)象優(yōu)化及活性位點(diǎn)的構(gòu)象特征

蛋白質(zhì)中帶電氨基酸的側(cè)鏈在溶劑作用下容易發(fā)生電離,如Asp和Glu中的羧基、Lys和Arg中的氨基和胍基,His中的氨基.不同物種的IGPD蛋白多序列結(jié)構(gòu)比對(duì)結(jié)果3表明,IGPD的C端包含(D/ N)XHHXXE模體,構(gòu)成其與底物作用的核心區(qū)域.通過力學(xué)優(yōu)化獲得的IGPD構(gòu)象如圖4所示.進(jìn)一步通過主鏈碳原子均方根位移對(duì)理論構(gòu)象進(jìn)行評(píng)判,其與晶體結(jié)構(gòu)下的IGPD主鏈碳原子RMSD為0.029 nm,結(jié)果表明選擇的分子力場(chǎng)以及相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)是合適的.

圖3 利用B3LYP方法在6-31G＊＊基組下獲得的IGP構(gòu)象示意圖Fig.3 Conformation schematic diagram of IGPunder 6-31G＊＊basis set using B3LYPdensity functional theory

借助Delphi程序?qū)GPD的C端模體(D/N)XHHXXE的表觀靜電分布情況進(jìn)行了計(jì)算.圖5給出了在考慮溶劑效應(yīng)的前提下獲得的IGPD的C端模體(D/N)XHHXXE的表觀靜電分布模式.可以看出, XHHX表觀靜電分布表現(xiàn)為正電;盡管谷氨酸(E)帶有很強(qiáng)的負(fù)電,然而由于周圍環(huán)境的影響,使得其負(fù)電性很弱,表觀趨于中性,在靠近XHHX處擁有正電性.進(jìn)而提示,對(duì)于抑制劑而言,磷酸根離子強(qiáng)的負(fù)電荷會(huì)與XHHX接觸,而雜環(huán)部分與XE接觸.

3.3 IGPD抑制劑與IGPD通過非鍵作用形成復(fù)合物的作用模式分析

基于IGPD優(yōu)化的理論構(gòu)象以及通過量化計(jì)算獲得的IGPD抑制劑穩(wěn)定構(gòu)象,利用分子對(duì)接程序獲得了IGPD與其抑制劑相互作用的復(fù)合物結(jié)構(gòu),并通過常溫動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)獲得的復(fù)合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化.圖6(a)給出了抑制劑g與IGPD相互作用的復(fù)合物構(gòu)象.

蛋白與抑制劑的作用主要是蛋白活性位點(diǎn)殘基與抑制劑的相互作用.16抑制劑a、d由于其連接含氮雜環(huán)及PO(OH)2的脂肪鏈較b、c、e、f、g長(zhǎng),不能很好地識(shí)別C端模體,而是通過空間位阻效應(yīng)阻斷IGPD的活性,而b、c、e、f、g的脂肪鏈長(zhǎng)度剛好嵌在T129R130(T、R分別代表蛋白IGPD的129、130位氨基酸)與E164

-H168之間,磷酸根離子主要識(shí)別IGPD的而含氮雜環(huán)與T129R130作用.T129R130位置的表觀靜電勢(shì)為正,含氮雜環(huán)的原子電荷越負(fù),二者的結(jié)合越好.

圖4 基于IGPD晶體結(jié)構(gòu)(PDB庫(kù)號(hào)：1RHY),通過分子模擬、力學(xué)優(yōu)化獲得的三維理論IGPD空間構(gòu)象飄帶結(jié)構(gòu)Fig.4 Three dimensional(3D)theoretical ribbonstructure of IGPD obtained by molecular simulation and mechanical optimization based on its crystal structure (PDB code:1RHY)

圖5 用Delphi軟件得到的IGPD蛋白C-端模體(D/N) XHHXXE的表觀靜電分布示意圖Fig.5 Surface electrostatic distribution map of C-terminal motif(D/N)XHHXXE in IGPD protein using Delphi softwareThe red is the negative,the blue is the positive and the white was the neutral region.The green line denotes the main-chain carbon atom orientation of the IGPD,and the ball and stick modal denote the heavy atoms of the motif.

為了更準(zhǔn)確地反映IGPD抑制劑與IGPD作用的情況,利用距離幾何學(xué)、分子間氫鍵形成理論以及復(fù)合物相互作用的結(jié)合能對(duì)抑制劑a-g與IGPD相互作用模式進(jìn)行了分析.定義距離IGPD抑制劑周圍0.50 nm范圍內(nèi)的氨基酸為IGPD抑制劑識(shí)別IGPD的關(guān)鍵區(qū)域(圖6(b)給出了抑制劑g識(shí)別IGPD的關(guān)鍵位置).表1給出了抑制劑a-g與IGPD相互作用過程中的結(jié)合能、分子間氫鍵形成數(shù)目、抑制劑識(shí)別IGPD的關(guān)鍵區(qū)域.

從圖6及表1可以看出,IGPD抑制劑識(shí)別IGPD的活性口袋的氨基酸組成包含T129、R130、E164、N165、N166、H167、H168等,與晶體結(jié)構(gòu)提示的活性區(qū)域一致.3從表1可以看出,抑制劑a、d由于其脂肪鏈長(zhǎng)度一致而識(shí)別區(qū)域類似,而b、c、e、f、g的識(shí)別區(qū)域相似.

圖6 IGPD蛋白與抑制劑g相互作用的復(fù)合物結(jié)構(gòu)Fig.6 The 3D complex structure of IGPD protein and inhibitor g(a)The ribbon struture denotes the main-chain carbon atom orientation of the IGPD and the stick model denotes the heavy atoms of g, displaying with pymol software based on the optimized complex structure of IGPD and compound g;(b)The local model of the IGPD-g complex,where the pink line denotes the compound g,the green line denotes the main-chain carbon atom orientation of the IGPD and the yellow line denotes the identified domain in IGPD by compound g.The identified domain in IGPD was determined using distance geometry method and intermolecular hydrogen bond forming theory under InsightII 2003 software.

為了更清楚地分析抑制劑與IGPD的作用,圖7給出了抑制劑a、g與IGPD作用的局域模式圖.

從圖7可以看出,抑制劑與IGPD相互作用以分子間氫鍵作用為主,van der Waals等疏水作用為輔.抑制劑a與IGPD作用中,抑制劑a的N4與IGPD中E171的羧酸根離子OE1形成距離為0.31 nm氫鍵,抑制劑a的磷酸根離子中的O18與IGPD中N165的側(cè)鏈酰胺的氮原子N12形成距離為0.30 nm氫鍵;抑制劑a的脂肪鏈與IGPD中的H167存在弱的疏水作用;抑制劑g與IGPD相互作用的分子間氫鍵形成情況:抑制劑g的N2與IGPD的K132的氧原子O形成距離為0.29 nm的氫鍵;N165的酰胺氧原子OD1與抑制劑g的O20形成距離為0.31 nm的氫鍵;N166的酰氨基氮原子ND2與抑制劑g的O19形成距離為0.31 nm的氫鍵;N166的主鏈氨基氮原子N與抑制劑g的O19形成距離為0.33 nm的氫鍵;H167的主鏈氨基氮原子N與抑制劑g的O20形成距離為0.29 nm的氫鍵;抑制劑g的O20與H167的咪唑環(huán)氮原子ND1形成距離為0.29 nm的氫鍵;同時(shí)抑制劑g與IGPD中的V133、H168、L105存在疏水作用,從以上結(jié)果可以看出,氫鍵形成數(shù)目、疏水作用與抑制劑活性增長(zhǎng)是一致的.

表1 IGPD抑制劑a-g與IGPD相互作用能和相互作用模式分析Table 1 The calculated interaction energies and interaction mode analysis between IGPD and its inhibitors a-g

圖7 IGPD與其抑制劑a(a)、g(b)作用模式Fig.7 Interaction information between IGPD and its inhibitor a(a)and g(b)Hydrogen bond lengths are in nm.

3.4 IGPD抑制劑與IGPD可能的親電反應(yīng)基礎(chǔ)

按照量子化學(xué)前線分子軌道理論,化學(xué)小分子的前線分子軌道(最高占據(jù)分子軌道HOMO、最低非占據(jù)分子軌道LUMO)及其附近的分子軌道對(duì)化學(xué)分子的反應(yīng)活性影響最大.17一般的,如果HOMO及其附近的占據(jù)分子軌道的能級(jí)較高,表明HOMO附近的占據(jù)軌道具有強(qiáng)的供電子能力,有利于親核反應(yīng);18如果LUMO及其附近的空軌道的能級(jí)較低,表明LUMO附近的空軌道具有強(qiáng)的受電子能力,有利于親電反應(yīng).19IGPD與其底物IGP作用機(jī)制(圖1)的設(shè)想提示我們,當(dāng)IGP或抑制劑與IGPD發(fā)生作用時(shí),電子的流向是從IGPD的HOMO及其附近軌道流向IGP或抑制劑的LUMO及其附近的軌道.因此,對(duì)于IGP及其抑制劑應(yīng)具有強(qiáng)的受電子能力,才能保證IGPD與其發(fā)生作用進(jìn)而引發(fā)之后的反應(yīng).

依據(jù)密度泛函B3LYP方法選擇6-31G**優(yōu)化獲得的抑制劑a-g穩(wěn)定構(gòu)象的前線分子軌道能量分布如表2所示.從表2可以看出,隨著IGPD抑制劑結(jié)構(gòu)的變化,其LUMO及其附近軌道的能級(jí)隨著其IC50的降低而降低,而HOMO及其附近軌道的能量則隨著IC50的降低而升高,表明電子的流向與設(shè)想一致,即抑制劑與IGPD發(fā)生作用時(shí),電子從IGPD的HOMO及附近軌道流向抑制劑的LUMO及其附近軌道,而抑制劑的HOMO及其附近軌道的電子將穩(wěn)定存在于抑制劑分子中,這可能是抑制劑對(duì)IGPD產(chǎn)生抑制活性的分子基礎(chǔ),同時(shí)也提示我們?cè)诤Y選高活性的抑制劑過程中,其前線軌道的能級(jí)占據(jù)重要地位.20

表2 IGPD抑制劑的HOMO-1,HOMO,LUMO, LUMO+1軌道能量Table 2 The HOMO-1,HOMO,LUMO,LUMO+1 orbital energies of IGP(IGPD?S substrate)inhibitors

表4 IGPD抑制劑含氮五元芳香環(huán)原子電荷布居分析Table 4 Atomic charge population analysis of nitrogen-containing five-ring in IGPD inhibitor

表3 IGPD-抑制劑(a-g)作用復(fù)合物中抑制劑的HOMO-1,HOMO,LUMO,LUMO+1軌道能量Table 3 The HOMO-1,HOMO,LUMO,LUMO+1 orbital energies of IGPD inhibitors from the complex of IGPD and its inhibitors(a-g)

圖8 IGPD抑制劑a(a)、g(b)最低空軌道電子云密度空間分布情況Fig.8 Electronic clouds density distribution in the lowest unoccupied molecular orbital of the IGPD?s inhibitor a(a)and g(b)

為了更清晰地判別IGPD抑制劑與IGPD可能的親電反應(yīng),我們利用獲得的穩(wěn)定復(fù)合物(抑制劑與IGPD作用)結(jié)構(gòu),提取抑制劑構(gòu)象,利用密度泛函B3LYP方法選擇6-31G**基組對(duì)其進(jìn)行單點(diǎn)計(jì)算,確定其前線軌道數(shù)據(jù)(表3),并對(duì)IGPD抑制劑a、g的LUMO軌道的空間分布進(jìn)行了分析,見圖8.

從表3可以看出,在抑制劑與IGPD作用后, LUMO軌道的能級(jí)相對(duì)于抑制劑的穩(wěn)定構(gòu)象下的LUMO軌道能級(jí)進(jìn)一步降低,有利于電子的流入; HOMO軌道能級(jí)變化不大.以抑制劑IC50對(duì)應(yīng)的濃度取常用對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo),以表3列出的LUMO與HOMO能級(jí)比值(ELUMO/EHOMO)為橫坐標(biāo),建立擬合關(guān)系,確定的方程為y=-0.5296x＋4.0457(R2=0.9698).

從圖8給出的抑制劑a、g的LUMO軌道分布可以看出,抑制劑的最低空軌道(LUMO)中電子云密度集中于含氮雜環(huán),抑制劑g的電子云密度分布更為集中,更易于親電反應(yīng).

為進(jìn)一步探討IGPD抑制劑分子中電荷分布狀況對(duì)其活性的影響,利用Gaussian 03程序在密度泛函B3LYP方法下,選擇6-31G**基組對(duì)IGPD抑制劑a-g的Mulliken電荷、自然鍵軌道電荷、21約束靜電勢(shì)方法(RESP)22下的原子電荷分布進(jìn)行了研究.為了避免電荷分配中的任意性因素,綜合考慮了Mulliken電荷布居、23自然鍵軌道(NBO)、24RESP下的電荷布居,22結(jié)果見表4.

從表4可以看出,隨著IGPD抑制劑中的官能團(tuán)——含氮五元芳香環(huán)中N原子的數(shù)目增多,含氮雜環(huán)的原子電荷布居(Mulliken、NBO、RESP)從正電荷向負(fù)電荷變化,IGPD抑制劑的活性提高.對(duì)于官能團(tuán)PO(OH)2一側(cè),原子電荷分布類似,無論連接脂肪鏈,還是通過氧原子連接,均不影響整體電荷的分布.結(jié)果表明,官能團(tuán)PO(OH)2在與酶作用中,識(shí)別位置是固定的,而另外一側(cè)的含氮五元環(huán)由于電荷分布的差異而識(shí)別的位置稍有變化并進(jìn)而影響其功能.

4 結(jié)論

借助IGPD的晶體結(jié)構(gòu)(PDB庫(kù)號(hào):1RHY),通過牛頓力學(xué)優(yōu)化、分子對(duì)接以及量子化學(xué)密度泛函理論研究了IGPD與其抑制劑之間的相互作用.依據(jù)計(jì)算結(jié)果以及含氮五元環(huán)芳香族抑制劑的活性(IC50)分析可以看出,抑制劑的LUMO及其附近軌道能級(jí)、活性官能團(tuán)原子電荷分布(Mulliken電荷、自然鍵軌道電荷、考慮RESP的電荷分布)、IGPD活性位點(diǎn)的靜電性質(zhì)、抑制劑與IGPD的結(jié)合方式對(duì)于IGPD與其抑制劑的相互作用發(fā)揮重要的作用.基于此,對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的高通量篩選結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)判及合成具有重要的指導(dǎo)意義,并將有利于發(fā)現(xiàn)并設(shè)計(jì)新型的靶向IGPD的抑制劑.

(1) Xiao,Y.J.;Wang,J.G.;He,F.Q.;Li,Z.M.Pesticides 2005,44 (10),433.[肖勇軍,王建國(guó),何鳳琦,李正名.農(nóng)藥,2005,44 (10),433.]

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January 26,2011;Revised:May 5,2011;Published on Web:June 13,2011.

Molecular Simulation of the Interaction between Imidazole Glycerol Phosphate Dehydrase and Nitrogen-Containing Heterocyclic Phosphate Inhibitors

SHEN Tao1DU Feng-Pei1LIU Ting1YAO Guang-Wei1WU Zheng1FANG Meng-Meng1XU Xiao-Jie2LU Hui-Zhe1,*
(1Institute of Science and Technology,China Agricultural University,Beijing 100193,P.R.China;2Institute of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871,P.R.China)

A series of nitrogen-containing heterocyclic compounds as imidazole glycerol phosphate dehydrase(IGPD)inhibitors were successfully screened based on IGPD substrates;however,the mechanism is not clear.In this study,the B3LYP density functional theory method with the 6-31G＊＊basis set as implemented in the Gaussian 03 program was selected to optimize the nitrogen-containing heterocyclic phosphates.These complex structures were constructed using molecular docking and optimization.The mode of interaction was discussed with regards to their electronic structures(frontier orbital energies and composition,the atomic charges,the natural bond orbital,etc.)and complex spatial structures(recognition functional domains of the inhibitor of IGPD,intermolecular hydrogen bonding,van der Waals interactions,etc.).The charge distribution of the nitrogen-containing heterocycle,the phosphate ion charge distribution,and the frontier orbital LUMO energy levels of the inhibitor were determined to be intrinsic factors that affect inhibitor activity.The conclusion of our study will provide valuable information for the screening and optimization of new herbicides targeted at IGPD.

Imidazole glycerol phosphate dehydratase;Inhibitor;Molecular docking;Mechanical optimization; Density functional theory;Frontier orbital

O641

*Corresponding author.Email:luhz2008@yahoo.com.cn;Tel:+86-10-62732507.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(20972184)and Chinese Universities Scientific Fund(2009JS38, 2011JS036).

國(guó)家自然科學(xué)基金(20972184)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2009JS38，2011JS036)資助項(xiàng)目