摘 要

乙酰胆碱酯酶（AChE）是胆碱能神经系统的一种水解酶，与阿尔茨海默症的治疗息息相关。本文使用分子对接、分子动力学模拟以及结合自由能分析在分子水平上对1,7-二氮杂咔唑抑制剂与乙酰胆碱脂酶的结合模式及相互作用机理进行了深入探究。模拟结果表明，复合物AChE/M1的药物-残基间的相互作用比复合物AChE/M2间的相互作用更强，抑制剂M1对AChE表现出了更高的生物活性。本文的工作对设计合成新型抗AD的抑制剂类药物提供了理论指导。

关键词：乙酰胆碱脂酶 1,7-二氮杂咔唑抑制剂 分子动力学模拟

On the binding mechanism between AChE and 1,7-Diazacarbazole inhibitors by molecular dynamics simulation

Abstract

Acetylcholinesterase (AChE) is a protease of the cholinergic nervous system, which is closely related to the treatment of Alzheimer's disease. In this work, molecular docking, molecular dynamics simulation and binding free energy analysis are used to investigate the binding mode and interaction mechanism of 1,7-diazocarbazole inhibitor and acetylcholine lipase at the atomic level. The results demonstrate that the interaction between AChE / M1 and AChE / M2 is stronger than that of AChE / M2. Inhibitor M1 exhibits higher bioactivity to AChE. The current work will provide a theoretical guide for the design of new anti-AD inhibitors.

Key Words：AChE; 1,7-Diazocarbazole inhibitors; Molecular dynamics simulation

目 录

摘要 I

ABSTRCAT I

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.1.1 阿尔茨海默病 1

1.1.2 AD发病机制 1

1.1.3 乙酰胆碱脂酶 1

1.1.4 AChE抑制剂 1

1.2 前人的工作 1

1.3 本文的工作 1

第二章 计算方法 1

2.1 初始结构准备 1

2.2 分子对接 1

2.3 分子动力学模拟 1

2.4 结合自由能计算 1

第三章 结果与讨论 1

3.1 结合模式 1

3.2 体系的稳定性和柔性 1

3.3 AChE与抑制剂的结合机理及抑制剂的生物活性 1

第四章 结论 1

参考文献 1

致谢 1

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.1.1 阿尔茨海默病

阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）是一种进行性的神经退行性疾病，主要特征就是逐步丧失认知能力，严重的行为异常甚至最终导致死亡^[1]。阿尔茨海默病人初期只有识别能力略受影响，很难察觉已经染病，但在时间推移的过程中，阿尔茨海默症症状不断加重，阿尔茨海默病人会逐步下降甚至丧失其记忆力、识别力，饮食起居也会无法自理，存在着极大的安全隐患。

阿尔茨海默病如今已成为威胁老年人身体健康的“四大杀手”之一，其发病率随年龄的增高而增高，65岁以上的人群患病率约10%，而85岁以上的患者人数达到50%^[2]。基于国际阿尔茨海默症协会调查显示，当下世界各国AD病人人数已经多于5000万，按照目前的增长速率，保守估计2050年患病人数会增加至1.32亿，而这些病人中相当一部分都是来自于中低收入国家。

1.1.2 AD发病机制

目前，阿尔茨海默症的病因以及发病机制尚未完全明确，可能的原因有病毒感染、神经递质损伤、细胞衰老、免疫功能障碍、遗传基因等。有关阿尔茨海默症的发病原理，当今存在多种学说，其中比较合理的β淀粉样多肽（Aβ）的沉积，Tau蛋白过度磷酸化，金属离子失衡以及胆碱能假说等^[3]。在这些病因研究中，胆碱能假说被大家普遍接受，被认为是主要的病因。

1.1.3 乙酰胆碱脂酶

乙酰胆碱酯酶（Acetylcholinesterase，AChE）是一种丝氨酸水解酶，主要存在于胆碱能神经末梢突触间隙，在进行正常神经传导活动中起到十分重要的作用，它的基本生理功能是将胆碱能突触间隙内的乙酰胆碱水解，从而起到终止神经冲动传递的作用^[4]。AChE具有非常高的催化效率，具有10³-10⁴s^-1的周转速度^[5]。

AChE是一种多分子型糖蛋白，由537个氨基酸组成，包括14个α螺旋和12个β折叠的蛋白质^[6]。AChE由峡谷底部的催化阴离子位点（CAS）以及入口附近的外围阴离子位点（PAS）^[7]这两个近20 Å的窄峡连接的结合位点组成。催化活性位点（CAS）的峡谷底部被分配给Ser-His-Glu催化三联体（AChE中的Ser200-His440-Glu327）。在AChE峡谷的中间，有5个氨基酸残基，即包含阴离子结合位点的Trp84，Tyr130，Glu199，Phe330和Tyr442。此外，高效抑制剂如他克林和多奈哌齐之间的相互作用和酶的特征在于质子化的氮和色氨酸（Trp84）和苯丙氨酸（Phe330）残基之间的阳离子-π相互作用。在AChE峡谷的入口处，存在外周阴离子位点（PAS），是由残基Tyr70，Asp72，Tyr121，Glu278，Trp279和Tyr334组成^[8]，此类PAS位于峡谷的外口，其中Trp279是胆碱酯酶PAS中重要部分，此类位点负责底物的抑制，也是AChE本身具有的独特的性质。

1.1.4 AChE抑制剂

胆碱能假说被普遍接受使得AD药品研究的方向侧重于健全AD病人脑胆碱能系统，因此胆碱酶抑制剂成为了研发的重点。经过美国食品和药物管理局允许的治疗老年痴呆的药物只有乙酰胆碱脂酶抑制剂（AChEI），包括Tacrine（他克林）、Donepezil（多奈哌齐）、Rivastigmine（利凡斯的明）、Ga-lantamine （加兰他敏）4种药物^[9]。

他克林作为首类获得FDA许可的特别用来治疗轻中度AD的药品，是当今许多地区治疗AD使用最频繁、效果最好的药品^[6]。它主要对血浆及组织里存在的胆碱酯酶起抑制作用。这种药物最明显的副作用就是对肝脏有毒性，并有呕吐、恶心、心动过缓和低血压等症状。由于其较大的副作用，美国已于2013年停止使用他克林。

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