天然产物石杉碱甲抑制乙酰胆碱酯酶机理研究取得新进展

 

  最近中国科学院上海药物研究所药物发现与设计中心在石杉碱甲抑制乙酰胆碱酯酶机理的分子动力学模拟方面取得了新的进展,研究论文发表在国际著名化学刊物《J. Am. Chem. Soc.(20031251134011349)上。

  从中草药蛇足石杉中分离所得到的天然产物石杉碱甲是一种乙酰胆碱酯酶的可逆抑制剂,具有选择性高、毒性低和药效时间长等特点,是目前为止国际上治疗老年痴呆较为理想的候选药物。经实验发现,石杉碱甲结合乙酰胆碱酯酶的过程较快,但解离乙酰胆碱酯酶所需时间却比其结合过程长的多。石杉碱甲的这一快进慢出过程使得其在乙酰胆碱酯酶的结合口袋停留时间较长,即药效时间长。

  为了深入研究和解释为什么石杉碱甲具有药效持续时间长的特点,国家自然科学杰出青年基金获得者、中国科学院上海药物研究所药物发现与设计中心蒋华良研究员领导的课题组在以色列Weizmann 研究所Sussman教授研究小组所测定的石杉碱甲和乙酰胆碱酯酶的晶体结构基础上,运用拉伸动力学模拟方法在原子水平上再现了石杉碱甲结合和解离乙酰胆碱酯酶活性口袋的整个过程。

  采用该动力学模拟方法可以将石杉碱甲拉离和拉进乙酰胆碱酯酶结合口袋,并且得到这两个过程中所需的力的大小以及石杉碱甲和乙酰胆碱酯酶残基相互作用的详细信息。通过比较将石杉碱甲分别拉进和拉离乙酰胆碱酯酶结合口袋所需的力的大小,发现拉进所需的力远远小于拉出所需的力,这表明石杉碱甲进入乙酰胆碱酯酶结合口袋比其离开容易得多,从而与石杉碱甲与乙酰胆碱酯酶结合过程比其解离过程快得多的实验事实相吻合。

  分析结合和解离过程中石杉碱甲和乙酰胆碱酯酶残基之间形成的直接氢键、或通过一水分子形成的水桥、疏水相互作用以及卡口的位阻效应表明,打破直接氢键所需的力较大,而卡口的立体位阻导致了拉离石杉碱甲所需的力达到最大,但是同样的卡口却对石杉碱甲的进入位阻较小。相同的卡口之所以有利于石杉碱甲的进入而不利其解离的原因是:石杉碱甲是由三环组成的刚性分子,当其从乙酰胆碱酯酶的结合内口袋往外运动时,由于内口袋空间较小无法使石杉碱甲从容地采取最优构象通过卡口,其刚性结构和卡口的摩擦导致拉离所需的力达到最大;然而当石杉碱甲从外进入内口袋时则有较大的空间使其可以采用较优的构象通过卡口。

  他们除了对上述相互作用进行分析之外,还监测了整个结合和解离过程中的关键性残基的作用和变化。乙酰胆碱酯酶72位的天冬氨酸残基无论在石杉碱甲的结合还是解离过程中,一直与石杉碱甲保持相互作用(或通过水桥或直接形成盐桥),如同一夹子将石杉碱甲导入或导出乙酰胆碱酯酶活性口袋,从而解释了为什么突变该残基将导致石杉碱甲与乙酰胆碱酯酶亲合力大大减小。另外,在整个模拟过程中,117位甘氨酸和118位甘氨酸之间的肽键始终倾向于天然乙酰胆碱酯酶中该肽键的取向,表明该肽键的取向是乙酰胆碱酯酶的内在特性。

  最后,他们分别将石杉碱甲在水溶液中和真空中拉离乙酰胆碱酯酶的两个模拟过程进行比较,阐明了水分子在石杉碱甲结合和解离过程中所起的润滑作用和形成氢键网络捕获石杉碱甲的特殊作用。因此,整个拉伸动力学模拟过程,不但很好地解释了实验上石杉碱甲快进和慢出乙酰胆碱酯酶的现象,而且对该结合和解离过程中的卡口,关键性残基和水分子的作用都作了详细的阐述,从而为在原子水平上研究药物分子进入和离开其靶标分子提供了一种可靠有效的模拟方法。

 

作者:化学科学部 杜灿屏 陈拥军