识别潜在的草药相关的乙酰胆碱酯酶抑制剂阿尔茨海默疾病使用分子对接和分子动力学模拟

文摘

胆碱酯酶抑制剂(ChE-Is)是标准的广告相关的疾病和治疗的唯一批准的药品类的食品和药物管理局(FDA)。此外,乙酰胆碱酯酶(疼痛)是许多阿尔茨海默氏痴呆药物的目标块疼痛的功能,但有一些副作用。因此,本文试图阐明了胆碱酯酶抑制潜在的次生代谢物大麻植物可以忽略或没有副作用。500年草药化合物的分子对接,对疼痛,使用Autodock 4.2按照标准执行协议。分子动力学模拟也进行了检查绑定在水中复杂1000 ps的稳定。我们的分子对接和模拟预测高亲和力的次生代谢物()疼痛。此外,分子动力学模拟1000 ps与残留Asp72表明配体相互作用,tyr70 - 121 - 334,和Phe288疼痛,所有这些都属于活性部位/子站或绑定的口袋里,对于疼痛的抑制活动可能是至关重要的。这种方法可能有助于理解给定的药物分子的选择性治疗阿尔茨海默氏症。考虑的研究提供了证据作为一个有价值的小分子配体在治疗和预防进一步失调和相关的广告在体外和在活的有机体内调查可能的治疗潜力。

1。介绍

丢失的神经元在中枢神经系统和神经细胞功能障碍导致神经退行性疾病的德国科学家在1907年首次被发现,阿洛伊斯•阿尔茨海默,命名为阿尔茨海默病(AD)。阿尔茨海默病和其他与年龄相关的记忆障碍一直保持全球主要的研究兴趣。广告是一种慢慢进步的障碍和神经原纤维缠结的特点是外观,神经炎的斑块,突触迅速流失,和基底胆碱能神经元的变性1)和干扰在推理、规划、感知、和理性思考2,3]。广告在美国的人的数量在2050年有望达到1400万(4]。因此,有必要开发新型治疗来减少风险。

乙酰胆碱酯酶(EC 3.1.1.7),也称为疼痛,是家庭中最重要的酶的丝氨酸水解酶,它在记忆和认知中扮演着重要角色5,6]。胆碱酯酶是唯一的目标,导致一些镇静药物的设计目前市场上治疗广告(7]。最近的报告在广告疾病治疗方法的假设是基于胆碱能机制,特别强调疼痛抑制(8]。不可否认的是,许多科学试验进行为了发现药物治疗AD的象征。到目前为止,只有七个药物Caproctamine、多奈哌齐加兰他敏、石杉碱甲、美金刚胺,卡巴拉汀,他克林(9,10)已经批准的食品和药物管理局(FDA或USFDA)治疗广告。此外,由于很多副作用,比如肝毒性,肠胃障碍、头晕、腹泻、呕吐、恶心、药代动力学缺点(11,有限的治疗选择广告,有一个叫发现新的更有效的化合物。

天然化合物一直是作为一个有用的来源对疼痛的抑制作用研究活动。大量的植物化学物质,即生物碱、孕烷苷(cynanchoides),对称二苯代乙烯,三萜12],ursane [13),氧杂蒽酮,表明疼痛抑制活动。然而,四氢大麻醇(THC)是一个药物活性次级代谢物大麻植物,是最古老的迷幻药,发现比商业销售药物更有效地抑制疼痛(14,15]。

新药的开发需要说服丰富的临床应用丰富的疾病的影响。如今,科学家们目前正在生产大量的三维结构数据和治疗铅化合物的数量。因此,处理如此大量的数据和设计新的治疗化合物、药物发现过程需要药物虚拟筛选、分子对接和分子动力学模拟研究。

虚拟筛选和分子建模和对接正在帮助设计积极的新型酶抑制剂和药效基因受体结合的网站。在这项研究中,我们已经确定了定性和定量药效团自然分子基于收集的疼痛抑制ChemBank数据库。结果是最好的抑制剂相比铅化合物被确定。获得的潜在化合物从这个研究可以进一步评估在体外和在活的有机体内生物测试。

2。材料和方法

2.1。蛋白质的选择和准备

PDB结构unliganded疼痛(PDB id: 2 w9i)检索从RCSB蛋白质数据银行(PDB) (http://www.rcsb.org/)。蛋白质分子对接的准备由水分子,金属离子,代数余子式和增加费用和使用SPDBV氢原子(http://spdbv.vital-it.ch/)和能量最小化的三维结构是由使用另一个科学人工现实应用程序(YASARA) [16]。描述在活的有机体内交互,能量最小化的目标蛋白质之前执行对接和分子动力学模拟。

2.2。乙酰胆碱酯酶的结构特点

的生化和生物活性乙酰胆碱酯酶取决于疏水活性部位可分为若干子站如oxyanion洞(Gly121、Gly122和Ala204),阴离子子站(Trp86, Tyr133, Glu202、Gly448 Ile451),和酰基绑定口袋(Trp236, Phe295、Phe297 Phe338)。催化三分子(Ser203 His447, Glu334)位于狭窄的峡谷深处的活性部位17]。外围阴离子网站(PAS)组成的芳香残留物(Tyr72、Asp74 Tyr124, Ser125, Trp286, Tyr337,和Tyr341)位于峡谷的边缘并提供一个结合位点变构调节器,ω集团的抑制剂,和其他残留物(Thr83、Asn87 Pro88) (18]。ω组残留形成二硫化物与循环(Cys69-Cys96),位于底部的中心分子和求职的酶的活性部位19]。残留物Trp286起着非常重要的作用在PAS的配体结合。配体结合到不影响/抑制酶活性通过结合配体的空间封锁穿过峡谷和变构催化三分子构象的改变和效率(20.,21]。

2.3。配体的虚拟筛选和对接

AutoDock4.2套件被用作分子对接工具以进行对接模拟(22,23]。最近,药效基因的分子对接3 d模型的蛋白质药物发现过程是一个很好的选择。四氢大麻醇的各种衍生品(Δ-9-THC)训练集允许大型ChemBank数据库的筛选(http://chembank.broadinstitute.org/chemistry/search/input/userList.htm)。配体几乎是筛选的基础上,利平斯基的“五原则”,设置标准药物类属性(24]。结构用ACDLABS (http://www.acdlabs.com/)和利用OPENBABEL软件转换成PDB坐标文件。氢原子被添加到目标蛋白质氨基酸残基的正确电离和互变异构的州和极性的氢被合并。Kollman联合原子电荷和溶解参数被分配到Gasteiger电荷的蛋白质和配体被分配。修改后的结构获得被转换为PDBQT AutoDock ADT的计算格式。拉马克学说的遗传算法实现拥有150人口规模的对接和250万年能源评估所有对接实验。所有其他参数使用默认设置运行,如交叉率和变异率。指定搜索空间的网格大小是设定在60×60×60集中在高分子默认的网格点间距为0.375 a。预先计算的网格地图获得使用AutoGrid,存储网格的相互作用能基于配体原子探针与受体之间的相互作用的目标。对接结构的相似性构象被计算之间的均方根偏差测量原子的坐标和创建集群的构象基于RMSD值和最低的结合能构象在所有集群被认为是最有利的对接构成(图3)。

2.4。对接结果的分析和确认

输出从AutoDock和分子动力学模拟研究以及图像生成与PyMol [25]。对接日志分析汽车码头的图形用户界面工具(ADT)和Python脚本在球型工具包被用来分析对接结果(26]。氢键长度测量其约束力的合作伙伴使用Ligplot软件(http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/software/LIGPLOT/)。

2.5。MD模拟在水里

Gromacs4.5.5包(http://www.gromacs.org/)被用来准备蛋白质和配体文件以及分子动力学(MD)模拟。GROMACS是高端,高绩效的研究工具用于蛋白质动力学的研究使用经典分子动力学理论[27,28]。绑定的疼痛/ CID1990283 (C₂₈H₃₄N₂O₆)获得使用AutoDock4.2模拟在中性条件通过增加适当数量的钠counter-ions和溶剂化在一个八面体盒SPC / E水模型(29日1.0)与蛋白质表面和框之间的距离边界(30.]。coulombtype下,中外代表“粒子网格埃瓦尔德“静电学(31日]。中外职业是最好的方法,计算远程静电学(提供更可靠的能量估计等系统中反离子特别是Na⁺,Cl⁻、钙^{2 +}使用等)。这是更有利于我们使用反离子平衡电荷和设置系统网络中立,如果不是,中外不会给可靠的结果。修复系统中所有债券的长度的线性约束算法已经被使用所有债券选项约束下(重要时使用此选项> 0.001 ps) [32]。系统平衡的蛋白质原子约束模拟有100 ps平衡溶剂分子动力学在300 K。溶质分子的平衡与固定配置的溶剂分子下一步参与系统在慢慢加热的温度从50到300 K在60间隔每个涉及加热5公里增加2.5 ps紧随其后的是一个平等时间平衡。整个系统是平衡在300 K 100 ps在足够长的MD模拟(1000 ps)在室温下。MD模拟进行的周期性边界条件在《不扩散核武器条约》系综5 K为298.15 K温度Berendsen温度耦合和恒压基于51 atm与各向同性分子扩展。我们使用一个时间步的ps和nonbond交互截止半径为10。MD模拟进行Ubuntu11.0 Linux操作系统的生物技术、瓜廖尔Madhav理工学院和科学。

3所示。结果与讨论

分子的排列是根据静电活性部位的疼痛和结构属性。经过、静电和疏水字段映射到活跃绑定口袋疼更好地理解疼痛和配体的相互作用。早期抑制的研究主要是集中在配体结合在活性部位。最近的努力都集中在寻找新颖的配体结合两个站点为了寻找更强有力的可逆的抑制剂。预测小分子和蛋白质之间的相互作用是一个关键的一步解释许多生物过程和在药物发现中起着至关重要的作用。

前十名500年草药铅化合物配体随后分析绑定模式与疼痛使用AutoDock方法结合能得分的基础上,进一步分析了可能的分子与疼痛使用LigPlot程序和可视化交互Python分子观众(PyMol)(表1),按照我们以前的研究33]。大麻植物的次生代谢物C₂₈H₃₄N₂O₆(CID: 1990283)被发现与活性部位残留Phe288交互的疼痛通过一个与2.98和9个疏水相互作用,氢键服从五利平斯基的统治,在最低最低结合能−12.61千卡/摩尔,= 2.91,抑制常数= 570.38 nM,总分子间能量−13.49千卡/摩尔而二秩导数(CID: 1991460)是通过两个氢键相互作用和八个疏水相互作用活性部位残留Phe288 Asp121,服从关颖杉的统治,在第二个最低最低的能量−11.18千卡/摩尔,值= 1.24,抑制常数= 6.40 nM,总分子间能量−11.75千卡/摩尔(图1和表1)。复杂的基础上与活性部位残留和绑定的得分和交互能力是破译THC导数专门CID: 1990283可能是有前途的抑制剂的疼痛。

由于分子对接只提供了一个静态视图protein-ligand交互,因此我们也进行了分子动力学模拟在切/ C28H34N2O6复合物为了研究的交互运动,波动残留物,运动在任何特定领域或分离的蛋白质配体复杂。这个模拟的步骤的总体目标是占蛋白质的灵活性和运动,无法实现对接仿真也检查复杂的相互作用的稳定性(34]。图2显示了交互对接的C₂₈H₃₄N₂O₆1000 ps与疼痛模拟快照。两个氢键与Ser343 Lys346 5疏水键相互作用形成了在模拟水(表2和图2)。仔细观察,调整两个对接结构,1000 ps的presimulated一个模拟快照,发现配体明显走向这些残留物形成额外的H-bonds。此外,观察到配体是滑下到峡谷深处腔稳定接触活性部位残留,避免进一步的波动结构确认。

详细检查疼痛/ C中的相互作用₂₈H₃₄N₂O₆复杂和估计的动态稳定性氢键促进抑制剂的活性部位疼痛,我们计算的时间演变相关的原子间的距离和联系人。对于这个复杂,两个氢键Ser343 Lys346 5疏水观察,整个模拟的入住率超过50百分比。最低结合能降低从12.61−−8.64千卡/摩尔但更重要的是两个氢键被发现,而不是一个(数字1和2)。我们也计算rmsd C之间α疼痛的轨迹记录每1000 ps和Cα他们的x射线晶体结构。疼痛在复杂的轨迹的rmsd C₂₈H₃₄N₂O₆也利用其计算初始对接结构作为参考。整个研究中使用的模拟长度足够长的时间来允许侧链的重排本地以及药物复杂蛋白质从而促进最稳定的绑定模式。生物大分子的折叠是分子生物学和生物物理学的主要问题虽然有大量可能的构象;蛋白质是其独特的一段时间内稳定的空间结构。氨基酸残基的分子空间包装是蛋白质稳定性的一个重要方面,评估的计算回转半径。回转的价值越高,越少的密实度(34]。在水环境条件回转疼痛/ C值达到0.40海里₂₈H₃₄N₂O₆复杂(图4)。因此,疼痛结构被发现更紧凑,更可访问性配体C绑定的口袋残留₂₈H₃₄N₂O₆。更大程度的运动一直在疼,当模拟水条件下。

基于疼痛的结果/ C28H34N2O6复杂分子的相互作用似乎C28H34N2O6残留Ser343, Ser340, Lys346疼痛抑制活动很重要。构象之间的比较从对接和分子动力学模拟显示获得实质性的结合构象的变化。这些结果表明初始receptor-ligand交互中观察到的对接可以有限的刚性对接算法,但由于受体构象变化和交互模拟运行后观察到更多的大力支持和更好的表征衍生品带来的受体。

4所示。结论

我们有进行对接和分子动力学模拟研究,以阐明潜在的草药药物C的绑定机制₂₈H₃₄N₂O₆到疼痛的结构。此外,长1 ns模拟表明,配体与残留Asp72交互,tyr70 - 121 - 334,和Phe288疼,所有的活性位点/子站或绑定衣袋里掉出来,可能是其抑制活性的关键。目前的MD模拟支持假设C₂₈H₃₄N₂O₆很可能和价值目标/抑制乙酰胆碱酯酶的小分子配体。这些结果将有价值的进一步设计共价型抑制剂具有高特异性和强有力的活动。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

作者感谢生物学系,Madhav理工学院和科学,瓜廖尔,提供计算设施和支持来完成目前的研究工作。

引用

1. g·沃尔德Dubois, m .埃姆雷et al .,”阿尔茨海默病的诊断和管理的建议和其他与痴呆有关的障碍:外汇基金指南,”欧洲神经病学杂志,14卷,不。1,pp. e1-e26, 2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. h·杉”anti-Alzheimer疾病药物的发展基于β-淀粉样蛋白假说,”Yakugaku Zasshi,卷130,不。4、521 - 526年,2010页。视图:谷歌学术搜索
3. d·o·肯尼迪,f·l·多德公元前罗伯逊et al .,“Monoterpenoid鼠尾草提取物(鼠尾草lavandulaefolia)和胆碱酯酶抑制属性提高认知能力和情绪健康的成年人,“精神药理学杂志》上,25卷,不。8,1088 - 1100年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. f·m·n·艾克塔k . w . Lam打倒et al .,“新类乙酰胆碱酯酶抑制剂的干树皮Knema laurina和结构的见解。”生物有机和药物化学字母,21卷,不。13日,4097 - 4103年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. y, j . p . Colletier h .江Silman, j·l·苏斯曼和m . Weik“诱导契合或先前存在的动态平衡?教训蛋白质晶体学和MD模拟乙酰胆碱酯酶和对基于结构的药物设计,“蛋白质科学,17卷,不。4、601 - 605年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. c·g·巴拉德,格雷格,a . l . Guillozet-Bongaarts a .劳动部和s . Darvesh“大脑中乙酰胆碱酯酶:角色在健康和疾病中,“目前老年痴呆症研究,卷2,不。3、307 - 318年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. j . a . Guevara-Salazar m . Espinoza-Fonseca h . i——j . Correa-Basurto d .问:Zavala和j·g . Trujillo-Ferrara”电子影响活动定点乙酰胆碱酯酶的抑制N-aryl-substituted琥珀酰亚胺,”墨西哥化学学会杂志》上,51卷,不。4、222 - 227年,2007页。视图:谷歌学术搜索
8. A·格罗弗·A·Shandilya诉Agrawal v . s . Bisaria d·桑达尔,“计算证据人类乙酰胆碱酯酶的抑制withanolide治疗老年痴呆症,”生物分子结构和动力学杂志》上卷,29号4、651 - 662年,2012页。视图:谷歌学术搜索
9. x p .营地,福尔摩沙,c . Galdeano t·戈麦斯d . Munoz-Torrero l·拉米雷斯et al .,“Tacrine-based双重结合位点乙酰胆碱酯酶抑制剂作为潜在疾病修饰anti-Alzheimer药物候选人,”Chemico-Biological交互,卷187,不。1 - 3、411 - 415年,2010页。视图:谷歌学术搜索
10. 诉Stefanou, d . Matiadis g . Melagraki et al .,“功能化4-hydroxy香豆素类:新颖的合成、晶体结构和DFT计算,”分子,16卷,不。1,第402 - 384页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. d d s Pisoni j·s·达·科斯塔d .大阪钢巴,c . l . Petzhold a·c·d·a·博尔赫斯m a提供et al .,“合成和疼痛抑制活性的新的手性tetrahydroacridine类似物萜烯的cyclanones,”欧洲药物化学杂志》上,45卷,不。2、526 - 535年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. m . s . v . Gurovic m·j·卡斯特罗诉里士满m . b . Faraoni m . s .麦尔和a·p·穆雷”常用药用chuquiraga乙酰胆碱酯酶抑制erinacead .堂。无性系种群。erinacea(菊科),“足底》,卷76,不。6,607 - 610年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. p . k .慕克吉诉Kumar m .发作和p . j .霍顿,“从植物中乙酰胆碱酯酶抑制剂,植物学期刊,14卷,不。4、289 - 300年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. l·m·尤班克斯,c·j·罗杰斯,A . e . Beuscher IV et al .,“分子之间的联系将大麻的活性成分和阿尔茨海默病病理,”分子制药学,3卷,不。6,773 - 777年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. 诉a·坎贝尔和a . Gowran“阿尔茨海默病;带着减弱大麻类?”英国药理学杂志》上的报告,卷152,不。5,655 - 662年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. e . Krieger k Joo) j·李et al .,“改善物理现实主义、立体化学和侧链在同源性建模准确性:四种方法在CASP8表现良好,”蛋白质:结构、功能和生物信息学,卷77,不。9日,第122 - 114页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. a . Ordentlich d·巴拉克珂容曼c . et al .,“解剖人类乙酰胆碱酯酶的活性中心底物专一性的决定因素。残留的识别阴离子构成,疏水性网站,酰基口袋里。”《生物化学》杂志上,卷268,不。23日,第17095 - 17083页,1993年。视图:谷歌学术搜索
18. 珂容曼c·d·巴拉克,a Ordentlich et al .,“乙酰胆碱酯酶周围阴离子网站简并授予由氨基酸数组共享一个共同的核心,“《生物化学》杂志上,卷269,不。9日,第6305 - 6296页,1994年。视图:谷歌学术搜索
19. j•威斯纳,z . Křižk . Kuča d .小君和j . Koča“Acetylcholinesterases-the结构异同,”酶抑制和药物化学杂志》上,22卷,不。4、417 - 424年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. t . Szegletes w·d·Mallender p . j . Thomas和t . l . Rosenberry衬底结合外围的乙酰胆碱酯酶酶催化。底物抑制出现作为一个二级效应”,生物化学,38卷,不。1,第133 - 122页,1999。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. 伯恩y, p·泰勒,z Radić,p . Marchot”结构的见解在乙酰胆碱酯酶周围阴离子配体相互作用的网站,“EMBO杂志,22卷,不。1、1 - 12,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. g·m·莫里斯·h·露丝,w . Lindstrom et al .,“软件新闻和更新AutoDock4 AutoDockTools4:自动对接与选择性受体的灵活性,”计算化学杂志,30卷,不。16,2785 - 2791年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. c·a·利平斯基”——和药物类化合物:rule-of-five革命,”今天药物发现:技术,1卷,不。4、337 - 341年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. c·a·利平斯基”——和药物类化合物:rule-of-five革命,”今天药物发现:技术,1卷,不。4、337 - 341年,2004页。视图:谷歌学术搜索
25. m·f·塞纳“Python:编程语言软件集成与发展”杂志分子图形和造型,17卷,不。1,57 - 61,1999页。视图:谷歌学术搜索
26. b·赫斯c . Kutzner d·范德Spoel和大肠林达尔”GRGMACS 4:算法高效、负载均衡和可伸缩的分子模拟”理论和计算化学杂志》上,4卷,不。3、435 - 447年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. 大肠林达尔赫斯,和d·范德Spoel”GROMACS 3.0:一个包分子模拟和轨迹分析,“《分子建模,7卷,不。8,306 - 317年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. h . j . c . Berendsen j . r . Grigera, t·p·斯特“失踪的术语在有效势,”《物理化学》杂志上,卷91,不。24日,第6271 - 6269页,1987年。视图:谷歌学术搜索
29. b·赫斯和n·f·a·范德Vegt“水化氨基酸类似物的热力学性质:生物分子力场和水的系统比较模型,”物理化学学报B,卷110,不。35岁,17616 - 17626年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. t·达顿d, l·皮德森”粒子网格埃瓦尔德:N·埃瓦尔德和log (N)方法在大型系统中,“《物理化学》杂志上,卷98,不。12日,第10092 - 10089页,1993年。视图:谷歌学术搜索
31. 美国Essmann, l·佩雷拉,m·l·伯科威茨t·达顿·h·李,彼得森和l . g .“光滑粒子网格埃瓦尔德方法,”《物理化学》杂志上,卷103,不。19日,8577 - 8593年,1995页。视图:谷歌学术搜索
32. b·赫斯h . Bekker h . j . c . Berendsen和j . Fraaije”的距离:约束求解一个线性分子模拟,”计算化学杂志18卷,第1472 - 1463页,1997年。视图:谷歌学术搜索
33. c . Seniya g·j·汗,r . Misra等。”In-silico建模和识别可能的抑制剂的H1N1病毒,”亚洲太平洋热带疾病杂志》上补充1卷。4日,S467-S476, 2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
34. a,赛尔凡来到c . Seniya n .哈斯。s . n•钱德拉塞卡兰s Anishetty和g . Pennathur”分子动力学模拟人类和狗的胃脂酶:洞察域运动,”2月的信,卷584,不。22日,第4605 - 4599页,2010年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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