葡萄糖苷酶抑制剂作用机理的分子动力学模拟和自由能计算

罗芳 ,  高剑 ,  成元华 ,  崔巍 ,  计明娟

引用本文: 罗芳, 高剑, 成元华, 崔巍, 计明娟. 葡萄糖苷酶抑制剂作用机理的分子动力学模拟和自由能计算[J]. 物理化学学报, doi: 10.3866/PKU.WHXB201207063 shu
Citation:  LUO Fang, GAO Jian, CHENG Yuan-Hua, CUI Wei, JI Ming-Juan. Interaction Mechanisms of Inhibitors of Glucoamylase by Molecular Dynamics Simulations and Free Energy Calculations[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, doi: 10.3866/PKU.WHXB201207063 shu

葡萄糖苷酶抑制剂作用机理的分子动力学模拟和自由能计算

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21173264) (21173264)

    科技部重大专项(2009ZX09501-011) (2009ZX09501-011)

    中国科学院知识创新工程基金(ZNWH-2011-011)资助项目 (ZNWH-2011-011)

摘要:

含有锍离子的葡萄糖苷酶抑制剂如kotalanol (SK)和它除去磺酸基团后的衍生物(DSK), 是潜在的毒副作用较小的治疗II 型糖尿病的候选药物. α-葡萄糖苷酶抑制活性实验显示, DSK活性比SK略高, 而将二者环上的S原子替换成NH后(分别称为DSN和SN), DSN的活性要比SN高1500倍左右. 本文用分子动力学模拟, 结合自由能计算和自由能分解的方法对上述四个抑制剂的作用机理进行了研究. 研究结果表明活性的巨大差异是由NH基团取代效应和磺酸基团立体效应共同作用的结果, 由于N―C键长比S―C键长短, NH基团取代导致烷基链的翻转, 同时, 磺酸基团限制了链的翻转, 因此改变了抑制剂的结合模式. 计算结果与实验基本一致.本文的研究结果有助于进一步理解含锍离子的葡萄糖苷酶抑制剂的结合机理, 并为设计更有潜力的葡萄糖苷酶抑制剂提供了有价值的信息.

English

    1. [1]

      (1) Nichols, B. L.; Avery, S.; Sen, P.; Swallow, D. M.; Hahn, D.;Sterchi, E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003, 100, 1432. doi: 10.1073/pnas.0237170100

      (1) Nichols, B. L.; Avery, S.; Sen, P.; Swallow, D. M.; Hahn, D.;Sterchi, E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003, 100, 1432. doi: 10.1073/pnas.0237170100

    2. [2]

      (2) Auricchio, S.; Semenza, G.; Rubino, A. Biochim. Biophys. Acta1965, 96, 498.(2) Auricchio, S.; Semenza, G.; Rubino, A. Biochim. Biophys. Acta1965, 96, 498.

    3. [3]

      (3) Semenza, G.; Auricchio, S.; Rubino, A. Biochim. Biophys. Acta1965, 96, 487.(3) Semenza, G.; Auricchio, S.; Rubino, A. Biochim. Biophys. Acta1965, 96, 487.

    4. [4]

      (4) Holman, R. R.; Cull, C. A.; Turner, R. C. Diabetes Care 1999,22, 960. doi: 10.2337/diacare.22.6.960(4) Holman, R. R.; Cull, C. A.; Turner, R. C. Diabetes Care 1999,22, 960. doi: 10.2337/diacare.22.6.960

    5. [5]

      (5) Silva, C. H.; Taft, C. A. J. Biomol. Struct. Dyn. 2004, 22, 59.doi: 10.1080/07391102.2004.10506981(5) Silva, C. H.; Taft, C. A. J. Biomol. Struct. Dyn. 2004, 22, 59.doi: 10.1080/07391102.2004.10506981

    6. [6]

      (6) Withers, S. G.; Namchuk, M.; Mosi, R. Potent GlycosideInhibitors: Transition State Mimics or Simply FortuitousBinders? In Iminosugars as Glycosidase Inhibitors; Arnold, E.S. Ed.;Wiley: New York, 2004; p 188.(6) Withers, S. G.; Namchuk, M.; Mosi, R. Potent GlycosideInhibitors: Transition State Mimics or Simply FortuitousBinders? In Iminosugars as Glycosidase Inhibitors; Arnold, E.S. Ed.;Wiley: New York, 2004; p 188.

    7. [7]

      (7) Matsuda, H.; Murakami, T.; Yashiro, K.; Yamahara, J.;Yoshikawa, M. Chem. Pharm. Bull. 1999, 47, 1725. doi: 10.1248/cpb.47.1725(7) Matsuda, H.; Murakami, T.; Yashiro, K.; Yamahara, J.;Yoshikawa, M. Chem. Pharm. Bull. 1999, 47, 1725. doi: 10.1248/cpb.47.1725

    8. [8]

      (8) Wang, P. Y.; Kaneko, T.;Wang, Y.; Sato, A. Hepatology 1999,29, 161. doi: 10.1002/hep.510290109(8) Wang, P. Y.; Kaneko, T.;Wang, Y.; Sato, A. Hepatology 1999,29, 161. doi: 10.1002/hep.510290109

    9. [9]

      (9) Yoshikawa, M.; Xu, F. M.; Nakamura, S.;Wang, T.; Matsuda,H.; Tanabe, G.; Muraoka, O. Heterocycles 2008, 75, 1397. doi: 10.3987/COM-07-11315(9) Yoshikawa, M.; Xu, F. M.; Nakamura, S.;Wang, T.; Matsuda,H.; Tanabe, G.; Muraoka, O. Heterocycles 2008, 75, 1397. doi: 10.3987/COM-07-11315

    10. [10]

      (10) Yoshikawa, M.; Murakami, T.; Shimada, H.; Matsuda, H.;Yamahara, J.; Tanabe, G.; Muraoka, O. Tetrahedron Lett. 1997,38, 8367. doi: 10.1016/S0040-4039(97)10270-2(10) Yoshikawa, M.; Murakami, T.; Shimada, H.; Matsuda, H.;Yamahara, J.; Tanabe, G.; Muraoka, O. Tetrahedron Lett. 1997,38, 8367. doi: 10.1016/S0040-4039(97)10270-2

    11. [11]

      (11) Matsuda, H.; Li, Y.; Murakami, T.; Matsumura, N.; Yamahara,J.; Yoshikawa, M. Chem. Pharm. Bull. 1998, 46, 1399. doi: 10.1248/cpb.46.1399(11) Matsuda, H.; Li, Y.; Murakami, T.; Matsumura, N.; Yamahara,J.; Yoshikawa, M. Chem. Pharm. Bull. 1998, 46, 1399. doi: 10.1248/cpb.46.1399

    12. [12]

      (12) Muraoka, O.; Xie,W. J.; Tanabe, G.; Amer, M. F. A.;Minematsu, T.; Yoshikawa, M. Tetrahedron Lett. 2008, 49,7315. doi: 10.1016/j.tetlet.2008.10.036(12) Muraoka, O.; Xie,W. J.; Tanabe, G.; Amer, M. F. A.;Minematsu, T.; Yoshikawa, M. Tetrahedron Lett. 2008, 49,7315. doi: 10.1016/j.tetlet.2008.10.036

    13. [13]

      (13) Minami, Y.; Kurlyarna, C.; Ikeda, K.; Kato, A.; Takebayashi, K.;Adachi, I.; Fleet, G.W. J.; Kettawan, A.; Karnoto, T.; Asano, N.Bioorg. Med. Chem. 2008, 16, 2734. doi: 10.1016/j.bmc.2008.01.032(13) Minami, Y.; Kurlyarna, C.; Ikeda, K.; Kato, A.; Takebayashi, K.;Adachi, I.; Fleet, G.W. J.; Kettawan, A.; Karnoto, T.; Asano, N.Bioorg. Med. Chem. 2008, 16, 2734. doi: 10.1016/j.bmc.2008.01.032

    14. [14]

      (14) Mohan, S.; Pinto, B. M. Carbohydr. Res. 2007, 342, 1551. doi: 10.1016/j.carres.2007.05.014(14) Mohan, S.; Pinto, B. M. Carbohydr. Res. 2007, 342, 1551. doi: 10.1016/j.carres.2007.05.014

    15. [15]

      (15) Sim, L.; Jayakanthan, K.; Mohan, S.; Nasi, R.; Johnston, B. D.;Pinto, B. M.; Rose, D. R. Biochemistry-Us 2010, 49, 443. doi: 10.1021/bi9016457(15) Sim, L.; Jayakanthan, K.; Mohan, S.; Nasi, R.; Johnston, B. D.;Pinto, B. M.; Rose, D. R. Biochemistry-Us 2010, 49, 443. doi: 10.1021/bi9016457

    16. [16]

      (16) Mohan, S.; Jayakanthan, K.; Nasi, R.; Kuntz, D. A.; Rose, D.R.; Pinto, B. M. Org. Lett. 2010, 12, 1088. doi: 10.1021/ol100080m(16) Mohan, S.; Jayakanthan, K.; Nasi, R.; Kuntz, D. A.; Rose, D.R.; Pinto, B. M. Org. Lett. 2010, 12, 1088. doi: 10.1021/ol100080m

    17. [17]

      (17) Yuasa, H.; Izumi, M.; Hashimoto, H. Curr. Top. Med. Chem.2009, 9, 76. doi: 10.2174/156802609787354270(17) Yuasa, H.; Izumi, M.; Hashimoto, H. Curr. Top. Med. Chem.2009, 9, 76. doi: 10.2174/156802609787354270

    18. [18]

      (18) Case, D.; Darden, T. A.; Cheatham, T. E.; Simmerling, C.;Wang, J.; Duke, R.; Luo, R.; Crowley, M.;Walker, R.; Zhang,W.; Merz, K. M.;Wang, B.; Hayik, S.; Roitberg, A.; Seabra, G.;Kolossváry, I.;Wong, K. F.; Paesani, F.; Vanicek, J.;Wu, X.;Brozell, S.; Steinbrecher, T.; hlke, H.; Yang, L.; Tan, C.;Mongan, J.; Hornak, V.; Cui, G.; Mathews, D. H.; Seetin, M.G.; Sagui, C.; Babin, V.; Kollman, P. Amber 11; University ofCalifornia: San Francisco, 2010.(18) Case, D.; Darden, T. A.; Cheatham, T. E.; Simmerling, C.;Wang, J.; Duke, R.; Luo, R.; Crowley, M.;Walker, R.; Zhang,W.; Merz, K. M.;Wang, B.; Hayik, S.; Roitberg, A.; Seabra, G.;Kolossváry, I.;Wong, K. F.; Paesani, F.; Vanicek, J.;Wu, X.;Brozell, S.; Steinbrecher, T.; hlke, H.; Yang, L.; Tan, C.;Mongan, J.; Hornak, V.; Cui, G.; Mathews, D. H.; Seetin, M.G.; Sagui, C.; Babin, V.; Kollman, P. Amber 11; University ofCalifornia: San Francisco, 2010.

    19. [19]

      (19) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 03,Revision B.03; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2004.(19) Frisch, M. J.; Trucks, G.W.; Schlegel, H. B.; et al. Gaussian 03,Revision B.03; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2004.

    20. [20]

      (20) Bayly, C. I.; Cieplak, P.; Cornell,W. D.; Kollman, P. A. J. Phys. Chem. 1993, 97, 10269. doi: 10.1021/j100142a004(20) Bayly, C. I.; Cieplak, P.; Cornell,W. D.; Kollman, P. A. J. Phys. Chem. 1993, 97, 10269. doi: 10.1021/j100142a004

    21. [21]

      (21) Wang, J. M.;Wolf, R. M.; Caldwell, J.W.; Kollman, P. A.; Case,D. A. J. Comput. Chem. 2004, 25, 1157. doi: 10.1002/jcc.20035(21) Wang, J. M.;Wolf, R. M.; Caldwell, J.W.; Kollman, P. A.; Case,D. A. J. Comput. Chem. 2004, 25, 1157. doi: 10.1002/jcc.20035

    22. [22]

      (22) Duan, Y.;Wu, C.; Chowdhury, S.; Lee, M. C.; Xiong, G. M.;Zhang,W.; Yang, R.; Cieplak, P.; Luo, R.; Lee, T.; Caldwell, J.;Wang, J. M.; Kollman, P. J. Comput. Chem. 2003, 24, 1999. doi: 10.1002/jcc.10349(22) Duan, Y.;Wu, C.; Chowdhury, S.; Lee, M. C.; Xiong, G. M.;Zhang,W.; Yang, R.; Cieplak, P.; Luo, R.; Lee, T.; Caldwell, J.;Wang, J. M.; Kollman, P. J. Comput. Chem. 2003, 24, 1999. doi: 10.1002/jcc.10349

    23. [23]

      (23) Jorgensen,W. L.; Chandrasekhar, J.; Madura, J. D.; Impey, R.W.; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926. doi: 10.1063/1.445869(23) Jorgensen,W. L.; Chandrasekhar, J.; Madura, J. D.; Impey, R.W.; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926. doi: 10.1063/1.445869

    24. [24]

      (24) Darden, T.; York, D.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993, 98,10089. doi: 10.1063/1.464397(24) Darden, T.; York, D.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993, 98,10089. doi: 10.1063/1.464397

    25. [25]

      (25) Eslami, H.; Mojahedi, F.; Moghadasi, J. J. Chem. Phys. 2010,133, 084105. doi: 10.1063/1.3474951(25) Eslami, H.; Mojahedi, F.; Moghadasi, J. J. Chem. Phys. 2010,133, 084105. doi: 10.1063/1.3474951

    26. [26]

      (26) Ryckaert, J. P.; Ciccotti, G.; Berendsen, H. J. C. J. Comput. Phys. 1977, 23, 327. doi: 10.1016/0021-9991(77)90098-5(26) Ryckaert, J. P.; Ciccotti, G.; Berendsen, H. J. C. J. Comput. Phys. 1977, 23, 327. doi: 10.1016/0021-9991(77)90098-5

    27. [27]

      (27) Wang, J.; Hou, T.; Xu, X. Curr. Comput. Aided. Drug. Des.2006, 2, 287. doi: 10.2174/157340906778226454(27) Wang, J.; Hou, T.; Xu, X. Curr. Comput. Aided. Drug. Des.2006, 2, 287. doi: 10.2174/157340906778226454

    28. [28]

      (28) Kuhn, B.; Kollman, P. A. J. Med. Chem. 2000, 43, 3786. doi: 10.1021/jm000241h(28) Kuhn, B.; Kollman, P. A. J. Med. Chem. 2000, 43, 3786. doi: 10.1021/jm000241h

    29. [29]

      (29) Huo, S.;Wang, J.; Cieplak, P.; Kollman, P. A.; Kuntz, I. D.J. Med. Chem. 2002, 45, 1412. doi: 10.1021/jm010338j(29) Huo, S.;Wang, J.; Cieplak, P.; Kollman, P. A.; Kuntz, I. D.J. Med. Chem. 2002, 45, 1412. doi: 10.1021/jm010338j

    30. [30]

      (30) Hou, T.; Yu, R. J. Med. Chem. 2007, 50, 1177. doi: 10.1021/jm0609162(30) Hou, T.; Yu, R. J. Med. Chem. 2007, 50, 1177. doi: 10.1021/jm0609162

    31. [31]

      (31) Kuhn, B.; Gerber, P.; Schulz-Gasch, T.; Stahl, M. J. Med. Chem.2005, 48, 4040. doi: 10.1021/jm049081q(31) Kuhn, B.; Gerber, P.; Schulz-Gasch, T.; Stahl, M. J. Med. Chem.2005, 48, 4040. doi: 10.1021/jm049081q

    32. [32]

      (32) Hou, T.;Wang, J.; Li, Y.;Wang,W. J. Comput. Chem. 2011, 32,866. doi: 10.1002/jcc.21666(32) Hou, T.;Wang, J.; Li, Y.;Wang,W. J. Comput. Chem. 2011, 32,866. doi: 10.1002/jcc.21666

    33. [33]

      (33) Hou, T. J.; Xu, Z.; Zhang,W.; McLaughlin,W. A.; Case, D. A.;Xu, Y.;Wang,W. Mol. Cell. Proteomics 2009, 8, 639. doi: 10.1074/mcp.M800450-MCP200(33) Hou, T. J.; Xu, Z.; Zhang,W.; McLaughlin,W. A.; Case, D. A.;Xu, Y.;Wang,W. Mol. Cell. Proteomics 2009, 8, 639. doi: 10.1074/mcp.M800450-MCP200

    34. [34]

      (34) Hou, T. J.; Zhang,W.; Case, D. A.;Wang,W. J. Mol. Biol. 2008,376, 1201. doi: 10.1016/j.jmb.2007.12.054(34) Hou, T. J.; Zhang,W.; Case, D. A.;Wang,W. J. Mol. Biol. 2008,376, 1201. doi: 10.1016/j.jmb.2007.12.054

    35. [35]

      (35) Hou, T. J.; Zhang,W.; Xu, X. J. J. Phys. Chem. B 2001, 105,5304. doi: 10.1021/jp0044476(35) Hou, T. J.; Zhang,W.; Xu, X. J. J. Phys. Chem. B 2001, 105,5304. doi: 10.1021/jp0044476

    36. [36]

      (36) Hou, T. J.; Zhu, L. L.; Chen, L. R.; Xu, X. J. J. Chem. Inf. Comp. Sci. 2003, 43, 273. doi: 10.1021/ci025552a(36) Hou, T. J.; Zhu, L. L.; Chen, L. R.; Xu, X. J. J. Chem. Inf. Comp. Sci. 2003, 43, 273. doi: 10.1021/ci025552a

    37. [37]

      (37) Wang, J. M.; Morin, P.;Wang,W.; Kollman, P. A. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 5221. doi: 10.1021/ja003834q(37) Wang, J. M.; Morin, P.;Wang,W.; Kollman, P. A. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 5221. doi: 10.1021/ja003834q

    38. [38]

      (38) Hou, T.;Wang, J.; Li, Y.;Wang,W. J. Chem. Inf. Model. 2011,51, 69. doi: 10.1021/ci100275a(38) Hou, T.;Wang, J.; Li, Y.;Wang,W. J. Chem. Inf. Model. 2011,51, 69. doi: 10.1021/ci100275a

    39. [39]

      (39) Still,W. C.; Tempczyk, A.; Hawley, R. C.; Hendrickson, T.J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 6127. doi: 10.1021/ja00172a038(39) Still,W. C.; Tempczyk, A.; Hawley, R. C.; Hendrickson, T.J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 6127. doi: 10.1021/ja00172a038

    40. [40]

      (40) Zhang,W.; Hou, T. J.; Qiao, X. B.; Xu, X. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2003, 19, 289. [章威, 侯廷军, 乔学斌, 徐筱杰. 物理化学学报, 2003, 19, 289.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20030401(40) Zhang,W.; Hou, T. J.; Qiao, X. B.; Xu, X. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2003, 19, 289. [章威, 侯廷军, 乔学斌, 徐筱杰. 物理化学学报, 2003, 19, 289.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20030401

    41. [41]

      (41) Weiser, J.; Shenkin, P. S.; Still,W. C. J. Comput. Chem. 1999,20, 217. doi: 10.1002/(SICI)1096-987X(19990130)20:2<217::AID-JCC4>3.0.CO;2-A(41) Weiser, J.; Shenkin, P. S.; Still,W. C. J. Comput. Chem. 1999,20, 217. doi: 10.1002/(SICI)1096-987X(19990130)20:2<217::AID-JCC4>3.0.CO;2-A

    42. [42]

      (42) Onufriev, A.; Bashford, D.; Case, D. A. Proteins 2004, 55, 383.doi: 10.1002/prot.20033(42) Onufriev, A.; Bashford, D.; Case, D. A. Proteins 2004, 55, 383.doi: 10.1002/prot.20033

    43. [43]

      (43) hlke, H.; Kiel, C.; Case, D. A. J. Mol. Biol. 2003, 330, 891.doi: 10.1016/S0022-2836(03)00610-7(43) hlke, H.; Kiel, C.; Case, D. A. J. Mol. Biol. 2003, 330, 891.doi: 10.1016/S0022-2836(03)00610-7

    44. [44]

      (44) Sim, L.; Quezada-Calvillo, R.; Sterchi, E. E.; Nichols, B. L.;Rose, D. R. J. Mol. Biol. 2008, 375, 782. doi: 10.1016/j.jmb.2007.10.069(44) Sim, L.; Quezada-Calvillo, R.; Sterchi, E. E.; Nichols, B. L.;Rose, D. R. J. Mol. Biol. 2008, 375, 782. doi: 10.1016/j.jmb.2007.10.069

    45. [45]

      (45) Hou, T.; Qiao, X.; Zhang,W.; Xu, X. J. Phys. Chem. B 2002,106, 11295. doi: 10.1021/jp025595u(45) Hou, T.; Qiao, X.; Zhang,W.; Xu, X. J. Phys. Chem. B 2002,106, 11295. doi: 10.1021/jp025595u

    46. [46]

      (46) Brady, G. P.; Sharp, K. A. J. Mol. Biol. 1995, 254, 77. doi: 10.1006/jmbi.1995.0600(46) Brady, G. P.; Sharp, K. A. J. Mol. Biol. 1995, 254, 77. doi: 10.1006/jmbi.1995.0600

    47. [47]

      (47) Yuasa, H.; Saotome, C.; Kanie, O. Trends Glycosci. Glycotechnol. 2002, 14, 231.(47) Yuasa, H.; Saotome, C.; Kanie, O. Trends Glycosci. Glycotechnol. 2002, 14, 231.

    48. [48]

      (48) Eskandari, R.; Jones, K.; Rose, D. R.; Pinto, B. M. Chem. Commun. 2011, 47, 9134. doi: 10.1039/c1cc13052h(48) Eskandari, R.; Jones, K.; Rose, D. R.; Pinto, B. M. Chem. Commun. 2011, 47, 9134. doi: 10.1039/c1cc13052h

    49. [49]

      (49) Rejto, P. A.; Verkhivker, G. M. Proteins 1997, 28, 313. doi: 10.1002/(SICI)1097-0134(199707)28:3<313::AID-PROT2>3.0.CO;2-D(49) Rejto, P. A.; Verkhivker, G. M. Proteins 1997, 28, 313. doi: 10.1002/(SICI)1097-0134(199707)28:3<313::AID-PROT2>3.0.CO;2-D

    50. [50]

      (50) Pujadas, G.; Palau, J. Protein Sci. 2001, 10, 1645. doi: 10.1110/ps.8201

      (50) Pujadas, G.; Palau, J. Protein Sci. 2001, 10, 1645. doi: 10.1110/ps.8201

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  816
  • 文章访问数:  3033
  • HTML全文浏览量:  90
文章相关
  • 发布日期:  2012-08-02
  • 收稿日期:  2012-05-07
  • 网络出版日期:  2012-07-06
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章