1、隨著人們對人類基因作用的認(rèn)識，以功能基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)為主要研究對象的后基因組時代已經(jīng)到來。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究以及這些研究的實(shí)際應(yīng)用，已經(jīng)成為蛋白質(zhì)學(xué)科研究的重要組成部分。一些病毒蛋白在病毒的生命周期中起到關(guān)鍵作用，而病毒蛋白與藥物的相互作用和識別是有效抑制蛋白功能和治療疾病的重要途徑之一。因此，蛋白質(zhì)受體與藥物的相互作用研究對于藥物與蛋白受體的作用機(jī)制的理解與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識具有重要的意義，并為新藥靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和藥物設(shè)計(jì)

2、提供一定的理論基礎(chǔ)。藥物與受體的相互作用和識別研究一直是生命科學(xué)和藥物學(xué)領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)。本文所進(jìn)行的人類免疫缺陷病毒（HIV-1）蛋白酶與抑制劑相互作用的理論計(jì)算研究為抗艾滋病新藥的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。 艾滋病的流行嚴(yán)重威脅著人類生命健康，針對艾滋病的藥物設(shè)計(jì)是目前各國投入巨資研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。多年以來，HIV-1蛋白酶已經(jīng)成為研發(fā)抗HIV新藥的一個重要靶點(diǎn)。HIV-1蛋白酶的三維晶體結(jié)構(gòu)是一個具有C2對稱性的同質(zhì)二聚體，每

3、一條肽鏈均由99個氨基酸組成。在HIV的生命周期中，HIV-1蛋白酶功能是把HIV病毒加工為成熟的、能感染宿主細(xì)胞的病毒性顆粒。HIV-1蛋白酶抑制劑與蛋白酶結(jié)合可以抑制蛋白酶的活性，阻斷艾滋病毒的復(fù)制過程，達(dá)到治療艾滋病的目的。因而，研究HIV-1蛋白酶與抑制劑有效識別的作用機(jī)制對于針對蛋白酶的抗HIV藥物的設(shè)計(jì)具有重要的意義。 由于實(shí)驗(yàn)測定蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)存在較大的困難，近年來，隨著計(jì)算機(jī)處理能力的不斷增強(qiáng)以及理論模擬方法的

4、迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，分子動力學(xué)（Molecular dynamics，MD）和自由能計(jì)算等分子模擬方法已經(jīng)成為研究HIV-1蛋白酶與其抑制劑的相互作用機(jī)制及其動態(tài)過程的重要手段?；跉埢哪芰糠纸饽軌驈脑訉哟紊涎芯亢徒忉孒IV-1蛋白酶與其抑制劑的識別作用機(jī)制，以動力學(xué)模擬軌跡為基礎(chǔ)的氫鍵動力學(xué)分析有助于研究HIV-1蛋白酶與抑制劑的結(jié)合專一性，這為以蛋白酶為靶標(biāo)的抗HIV藥物的設(shè)計(jì)提供了理論上的指導(dǎo)。 在HIV-1蛋白酶與抑

5、制劑的復(fù)合物中，由于兩個天冬氨酸（Asp25和Asp25’）之間存在強(qiáng)烈的靜電排斥作用，所以Asp25和Asp25’的質(zhì)子化態(tài)是否合理對抑制劑與HIV-1蛋白酶結(jié)合的穩(wěn)定性有很大影響。Asp25和Asp25’的不同的質(zhì)子化態(tài)取決于蛋白酶抑制劑的結(jié)構(gòu)和抑制劑與蛋白酶復(fù)合物所處的具體環(huán)境，但是X—射線晶格實(shí)驗(yàn)又不能確定Asp25和Asp25’的質(zhì)子化態(tài)。所以我們使用動力學(xué)模擬和自由能計(jì)算取代傳統(tǒng)的pKa方法研究了抑制劑BEA369和HIV-

6、1蛋白酶復(fù)合物中Asp25和Asp25’的質(zhì)子化態(tài)，結(jié)果表Asp25和Asp25’的質(zhì)子化狀態(tài)對復(fù)合物的動力學(xué)行為、結(jié)合自由能和抑制劑—蛋白酶相互作用譜產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。Asp25/Asp25’的質(zhì)子化導(dǎo)致了Asp25和Asp25’所帶電荷的變化，反過來，這些電荷的變化會影響氫鍵作用、靜電相互作用和極性溶劑化能，這已經(jīng)為我們的計(jì)算研究所證實(shí)?？偠灾谒鶛z查的四個質(zhì)子化態(tài)中，Asp25的單質(zhì)子化最適合于目前所研究的復(fù)合物，這個研究能夠?yàn)?/p>

7、BEA369以及類似藥物同蛋白酶的結(jié)合自由能計(jì)算提供有利的貢獻(xiàn)，也能夠?yàn)楦哂H和能抗艾滋病藥物的設(shè)計(jì)提供理論上的啟示。 由于抗藥性變異的出現(xiàn)和臨床藥物的副作用，嚴(yán)重限制了目前所使用藥物的治療療效。因此，一些具有改良特性的HIV-1蛋白酶抑制劑也正在研發(fā)中。本文采用分子動力學(xué)模擬、自由能計(jì)算和氫鍵動力學(xué)分析研究了氟取代抑制劑的作用和功能。結(jié)果表明：單氟取代抑制劑與非氟取代抑制劑（BEB）產(chǎn)生了類似的動力學(xué)行為，而雙氟取代抑制劑所產(chǎn)生

8、的動力學(xué)行為卻有明顯的不同。使用MM—PBSA方法進(jìn)行的結(jié)合自由能計(jì)算表明：范德華作用能驅(qū)動了這類抑制劑與HIV蛋白酶的結(jié)合，而且氟取代導(dǎo)致了抑制劑與蛋白酶的范德華作用能的增加。使用GBSA方法計(jì)算的抑制劑與蛋白酶的相互作用譜表明5個氟取代抑制劑能夠與HIV-1白酶中的保守殘基相互作用，這有利于提高抑制劑與蛋白酶的結(jié)合?；趧恿W(xué)模擬的氫鍵動力學(xué)分析也證明氟取代對氫鍵產(chǎn)生較大的影響，與保守殘基形成的氫鍵有利于提高抑制劑的抗病毒活性。所以

9、氟取代可以作為一種策略來設(shè)計(jì)高效的抗艾滋病毒抑制劑。 抗藥性變異嚴(yán)重限制了目前臨床所使用藥物的藥效，它已經(jīng)成為艾滋病醫(yī)學(xué)治療過程中所面臨的最大挑戰(zhàn)。變異對藥物抗藥機(jī)理的闡述有助于研究能夠消除抗藥性的新型HIV蛋白酶抑制劑。由于單軌跡的MM—PBSA方法忽略了構(gòu)象變化（鍵長和鍵角等）對結(jié)合自由能的貢獻(xiàn)，又因?yàn)樽儺愑锌赡軐?dǎo)致蛋白酶構(gòu)象的變化，所以采用分離軌跡的MM—PBSA方法計(jì)算了抑制劑和變異蛋白酶復(fù)合物的結(jié)合自由能。研究結(jié)果表明

10、氣相中靜電相互作用能和范德華作用能的減少導(dǎo)致了變異D30N對TMC-114的抗藥性，而對于150V而言，靜電能的下降以及極性溶劑化能的增加驅(qū)動了I50V對TMC-114的抗藥性。同時來自分離動力學(xué)模擬方案的自由能計(jì)算表明變異D30N和150V產(chǎn)生了更為剛性的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。本文利用結(jié)構(gòu)與親和能的關(guān)系分析研究了抑制劑TMC-114與蛋白酶的作用模式以及變異D30N和150V對TMC-114抗藥機(jī)制。在三個復(fù)合物中，對結(jié)和自由能做出主要貢獻(xiàn)的殘

11、基來自Gly27，Ala28/Ala28’，Asp30’（Asn30'），Ile50/Ile50’或者Val50/Val50’和Ile84/Ile84'。研究表明對抑制劑與HIV-1蛋白酶結(jié)合有利的作用主要分為四種類型：氫鍵、C—H．．．π相互作用、C—H．．．O相互作用和C—H．．．H—C相互作用。PRD30N/TMC114和PR150v/TMC-114與WT/TMC-114間的結(jié)構(gòu)親和能關(guān)系的比較揭示了D30N和I50V對TMC-1

12、14的抗藥機(jī)制。在TMC-114與Asn30’側(cè)鏈間所形成氫鍵的丟失驅(qū)動了D30N對TMC-114的抗藥性，而I50V對TMC-114的抗藥性是由TMC-114與殘基Val50’和Asp30’間極性溶劑化能的增加導(dǎo)致的。利用結(jié)構(gòu)與親和能關(guān)系的分析對變異所產(chǎn)生的抗藥性進(jìn)行了定量的和力學(xué)的解釋，而且與實(shí)驗(yàn)分析相一致。這個研究有助于理解變異的本質(zhì)，能為高效蛋白酶抑制的合理設(shè)計(jì)提供理論上的指導(dǎo)。 論文共分為七章：第一章為前言部分，簡單介

13、紹了HIV蛋白酶的結(jié)構(gòu)、功能作用和目前臨床上已經(jīng)使用的HIV蛋白酶抑制劑；第二章主要介紹了抑制劑與受體相互作用的常見類型；第三章為理論和方法部分，介紹了所使用的量子理論、分子力學(xué)方法、動力學(xué)模擬方法和自由能計(jì)算方法；第四章使用動力學(xué)模擬和自由能計(jì)算研究了HIV蛋白酶質(zhì)子化的功能作用；第五章使用分子動力學(xué)模擬、自由能分解和氫鍵動力學(xué)分析研究了氟取代抑制劑的作用；第六章使用分離軌跡的MM—PBSA方法研究了變異D30N和I50V對抑制劑TM