设为首页
加入收藏
求医中医药网
www.qe.cn
站内搜索
Study on the Dock of Cyclooxygenase-2 Inhibitors
Zhu Qiqing,Qu Lingbo,Lei xinsheng,Guo Zongru
institute of Materia Medica,Chinese Academy of Medical Sciences
and Peking Union Medical College,Beijing 100050
AbstractSelective cyclooxygenase-2(COX-2) inhibitors contain varions structure skeletons.It is more difficult to construct their three dimensional quantitative structure-activity relationship by using the comparative molecular field analysis.In order to bulid their QSAR model and guide the design of a new inhibitor,in this thesis，12 selective COX-2 inhibitor were selected to dock into COX-2 enzyme by using the Dock program.The results showed that there existed a good correlation between activity-logIC50 and binding energy,the relative coefficient r=0.857.In addition Dock mimiced the binding of nS-398 analogueed to COX-2，and the results indicated that NS-398 analogues possessed higher activity because of the presence of additional hydrogen-bonding.
Key wordscyclooxygenase-2;QSAR molecular graphics;Dock
研究环氧合酶-2(COX-2)特异性抑制剂，是创新新型抗炎药物的重要内容.对于三环类抑制剂，通过比较分子力场分析，已经建立了有效的三维定量构效关系模型.然而，在已有的环氧合酶抑制剂中，除了三环类化合物外，双环类化合物尼美舒利(Nimisulide)和NS-398〔1〕等也是典型的环氧合酶-2抑制剂，这些化合物结构差别较大，分子中起主要或次要作用的力场在三维空间中有可能发生位置上的改变.对于整个分子而言，由于空间性质上的涨落现象，这种场的变化未必会造成分子活性的降低，但是采用原有的叠合方式进行力场比较已经失去意义，使用CoMFA，回归力场与活性的相关性分析往往难以得到有效的QSAR方程.
由于环氧合酶-2的晶体结构已经确定，并已知与抑制剂的结合位点〔2，3〕，本文利用对接程序(Dock)，通过计算系列抑制剂与环氧合酶-2的结合能，建立结构变化较大的抑制剂与活性之间的相关方程，同时探求不同结构类型抑制剂结合环氧合酶-2的特征，为环氧合酶-2抑制剂的设计提供有关结构信息.
所有计算工作都是在中国医学科学院中国协和医科大学药物研究所合成室工作站Silicon Graphics IRIS indigo R40000计算机工作站上完成，应用程序为Tripos公司最新提供的SYBYL6.4分子软件包〔4〕。计算过程中除特别指明外，所选用的参数均为缺省值，环氧合酶-2与抑制剂的复合物晶体结构从PDB数据库中获得〔5〕.
1计算方法
1.1基本原理
药物分子发挥药效必须结合受体形成复合物，生物效应经构成复合物的药物的内在活性引发，药物的作用强度与形成复合物的数目相关，复合物的数目越多，药物的药理作用就越强〔6〕.该过程可简单描述为：］，［R］为游离受体分子浓度，［D］为游离药物分子浓度，［RD］为药物-受体复合物浓度，E为生物效应.由此可知，药物与受体结合是一个化学平衡，复合物的数目与该平衡的平衡常数K=k1／k2有关.根据热力学原理，在等温等压条件下，系统自由能变ΔG与平衡常数K的关系为：ΔG=-2.303RTlogK〈1〉，而根据自由能方程：ΔG=ΔH-TΔS〈2〉，一系列抑制剂与同一受体结合过程中，假定熵变为一常数，自由能变ΔG与焓变ΔH相等，而焓变近似等于系统内能的变化，配体与受体的结合能Eb定义为系统自由能变ΔG，于是可得方程：ΔEb=ΔG=ΔH=ΔE=Ecomplex-ER-EL〈3〉，Ecomplex为复合物的能量，ER为游离受体的能量，EL为配体的药效构象能.又由于药效与平稳常数的关系为：药效=B*K*IC50〈4〉，B是比例因子，K为平衡常数，在测定某个系列化合物的活性时，式〈4〉的左侧是常数，因此-logIC50与logK线性相关，而logK又与ΔG线性相关，于是-logIC50与结合能Eb线性相关.显然，通过回归分析-logIC50与Eb相关性可建立如下具有预测能力的关系式：-logIC50=aEb+c〈5〉，对接程序(Dock)利用经典分子力学原理通过优化受体和配体的相互作用，计算出复合物的能量，并模拟药物分子与受体分子的结合.因此，通过对接操作，根据自由能原理，将可建立-logIC50与结合能Eb的相关方程.
fig.1The compounds used for Dock analysis
1.2对接化合物的选择
进行对接研究的12个活性已知但结构不同的化合物结构如图1所示.这12个化合物根据亚结构特征分属于三种不同的结构类型，即三环类、双环类和吲哚美辛.考虑到对接分子的多样性，虽然吲哚美辛对于环氧合酶-2的选择性不高，但其结合COX-2的能力较高并且结构变化更大，因此选其为对接分子.所有12个化合物的活性都具有相同的测试标准，活性之间具有可参比性，活性IC50值列于图1中.
三环类的NC-398和吲哚美辛结合受体的晶体结构的解析为该类化合物的活性构象确立了实验基础(2，7～9).NC-398类化合物虽然与三环系化合物的结构有所区别，但是，药效团的分布是相似的，本文通过代表性的抑制剂NS-398的有限制条件的构象搜索，来寻找该类抑制剂的活性构象.
1.3NS-398类化合物的构象分析
NS-398类化合物与三环系化合物的最大区别在于缺少联结两个芳环的中间环，醚键相连的两个苯环与砜基则与三环系中的两个芳环和砜基相对应.显然，NS-398中的这些基团在三维空间的配置应与三环系化合物一致，这两类化合物理应有相同的结合位点.如图2所示，以SC-558为例，定义该类抑制剂的药效团为砜基的硫原子(C)以及两个苯环中心(A)和(B)，三个药效团原子间的距离分别表示为d1，d-2,d-3,在SC-558活性构象中，d1，d2，d3分别为6.993，4.696，3.177，这将作为NS-398构象搜索的限定条件.由于在构象搜索时单键的旋转并不影响S-298中A，B之间和B，C之间的距离变化，因此仅以d1作为限制条件对NS-398类化合物的构象进行系统搜索.NS-398的起始构象以Sybyl6.4中的“Build／Edit”构建，d1距离限制的分辨率为d1=6.993±0.2，四个旋转单键如图2所示，旋转步长为30°.在进行系统搜索时，同时计算构象能但不进行能量优化，计算使用Tripos力场，原子电荷为PM3计算的MOPAC电荷，最大能差设为10.0 kcal／mol，因此在搜索过程中能量大于最低能量10 kcal／mol的构象将被删除.对所得构象最后都进行构型优化，最小化选用Minmize2分子力学程序，力场为Tripos力场，能量收敛限为0.05 kcal／mol.最后以SC-558分子为模板，通过分子叠合二者的最大相似性，为NS-类化合物对接确定药效构象.
fig.2Distance constraints used for conformational search
1.4已知化合物的对接及构效方程的建立
对接操作的关键步骤是确定配体分子的初始位置.三类已知抑制剂中，三环类抑制剂的定位以复合物中配体分子SC-558为模板进行分子叠合定位，吲哚美辛的晶体结构则是已知的，经过加氢、荷载电荷直接可以进行对接.NS-398类化合物的定位则通过它的活性构象与三环系的分子叠合来进行.对接过程中选用Tripos力场优化配体和受体之间的相互作用，COX-2荷载Kollman all-atom电荷，配体分子带PM3计算的MOPAC电荷，介电常数与距离相关ε=4rij，能量收敛限为0.1 kcal/mol，计算仅考虑配体分子4
