膜蛋白是一类非常重要的蛋白质,可以执行很多重要的细胞生物学功能,包括参与细胞的能量交换、信息识别与传递和物质转运等。通过膜蛋白介导的细胞生物学反应异常涉及到许多危及人类健康的疾病,如肿瘤、心脑血管疾病和各种炎症反应等,因此膜蛋白是目前开发以及已经应用于临床的各种药物的主要靶点。深入研究膜蛋白与药物的相互作用可以从理论上了解药物与蛋白的相互作用机制,为开发新的高效低副作用的药物提供帮助。　　 本论文选取了两种典型的跨膜蛋白,即β2肾上腺素受体(β2AR)和内向整流型Kir6.2钾离子通道,通过分子对接和分子动力学手段详细研究了其与药物的相互作用,得出了药物与蛋白的作用机制。论文主要的研究内容及结论分为两大部分,如下所述。　　 1.β2肾上腺素受体与一系列药物的相互作用及其活化非活化构象转变机制研究　　 β2肾上腺素受体(β2AR)是一种非常重要的G蛋白偶和受体(GPCRs),其构象的活化或者非活化状念与哮喘和心血管疾病密切相关,因此研究其构象的转变及其与不同药物的作用机制意义重大。本论文基于最新(2007年)得到的第一个人类的膜蛋白β2肾上腺素受体的晶体结构,应用分子对接和分子动力学模拟方法系统地研究了其与一系列药物(激动药、半激动药、反激动药)的相互作用(见第二、三、四章)。主要内容和结论包括:　　 (1)将蛋白-药物复合体放入磷脂双分子层膜中模拟了较为真实的膜蛋白生物环境,以分子对接结果为复合物初始构象进行了一系列的动力学模拟,这些动力学模拟体系包括原蛋白体系(Apo-β2AR)、激动药-β2AR、半激动药-β2AR和反激动药-β2AR体系,得到了各种药物合理的结合位点,并深入探讨了药物诱导蛋白进行构象转变的机制,发现反激动药-β2AR和原蛋白两类体系没有明显的构象转变,激动药可以改变β2AR的构象并使其向活性状态转变,半激动药虽然也能够一定程度上改变蛋白的构象但比激动药所引起的构缘变化要弱。　　 (2)通过研究3种激动药对β2AR构象转变的诱导作用得出了β2AR由非活性构象向活性构象的转变机制,其中激动药中的原儿茶酚基团在β2AR变化中起重要的作用,活性位点附近的残基随着原儿茶酚基团构象的变化而变化;这些残基进一步带动其他离激动剂较远的残基进行构象变化;同时,一些重要的分子开关被破坏,新的氢键网络形成:原儿茶酚基团附近的水分子在构象变化中起到重要的辅助作用,在激动剂构象改变的同时,水分子辅助使得周围的残基进行构象改变,β2AR构象的变化是一个复杂并且分多步渐次进行的过程。　　 (3)长时间(500ns)的动力学模拟证实了激动药(去甲肾上腺素)诱导β2AR进行构象转变的重要因素,并得出了其构象由非活性到活性转变的一系列重要特征:高度保守残基序列E/DRY区域、构象旋转开关和离子锁的构象变化、跨膜螺旋的重排以及水分子协调的氢键网络的改变,并通过这一长时间的动力学模拟得到了β2AR的类活化构象,为研究开发新的激动药提供了更加合理的蛋白结构。　　 2.内向整流型钾离子通道Kir6.2与咪唑啉类药物的相互作用及其调控胰岛素分泌的机制研究　　 内向整流型钾离子通道Kir6.2是ATP敏感型钟离子通道KATP的内核,后者调节着各种复杂的生物功能,包括在胰腺β细胞中控制胰岛素分泌、在心肌细胞中保护心脏不受压迫等,因此Kir6.2的研究也具有非常重要的意义。本文第五章运用分子对接和分子动力学方法研究了Kir6.2与一系列咪唑啉类药物的相互作用,主要内容和结论包括:　　 (1)通过分子对接得到了8种咪唑啉药物与Kir6.2相互作用的活性位点,确定了Kir6.2与8种咪唑啉药物的具体结合模式,虽然它们的结合位点属于三个不同的区域,但可以不同程度地控制钾离子的传输。从结合能和药物分子不同结构方面说明了咪唑啉类药物与Kir6.2结合的规律性。　　 (2)分子动力学计算的结果给出了DOPC磷脂双层膜与Kir6.2的相互作用以及咪唑啉类药物与Kir6.2结合的稳定性,并得出了DOPC膜在稳定Kir6.2四聚体结构中的重要性。此外,通过8种咪唑啉类药物的结合模式推断出它们凋控胰岛素分泌的机制,为开发应用咪唑啉类药物治疗糖尿病提供了一定的理论依据。　　 本论文的创新点包括以下三个方面:　　 (1)基于2007年获得的高分辨率的β2AR品体结构,本论文首次系统地运用分子对接和分子动力学模拟方法研究了β2AR与激动药、半激动药和反激动药的作用机制和所形成的药物-蛋白复合物的构象变化,从原子水平上讨论了激动药、半激动药和反激动药的结构与其诱导能力之间的关系。　　 (2)通过长时间(500ns)的分子动力学模拟,系统地考察了β2AR与激动剂形成的复合物中一系列重要构象开关的构象变化规律。从三个激动剂体系的构象变化中总结提出了β2AR由非活性构象向活性构象转变的机制,并用长时间的动力学计算加以证实。此外,首次得到了类活化的β2AR的结构,为进一步的药物开发提供了更好的蛋白结构的模板。　　 (3)首次系统地研究了Kir6.2与一系列咪唑啉类药物的相互作用,得到了8种咪唑啉药物与Kir6.2相互作用的活性位点及结合模式。它们的结合位点属于三个不同的区域,可以不同程度地控制钾离子的传输,由此预测了咪唑啉类药物调控胰岛素分泌的机制,为进一步研究咪唑啉类抗糖尿病药物提供了一定的理论依据。