论文总字数：21072字

摘 要

二肽基肽酶-IV（DPP-4）是与II型糖尿病相关的靶标，它是一类丝氨酸蛋白酶。本文通过分子对接、分子动力学模拟、自由能计算和能量分解的方法研究了三种β-氨基酰基吡咯烷抑制剂与DPP-4的相互作用机理。氢键和疏水相互作用分析表明抑制剂取代基的改变会影响它们的结合能。本文用MM-PBSA计算得到的结合自由能与抑制剂的实验抑制常数一致。结果表明，静电相互作用能对于区分抑制剂与DPP-4结合能力起关键作用。通过自由能分解揭示了关键残基和结合机理。本文的MD模拟在原子水平上加深了对抑制剂与DPP-4结合机理的认识，为设计新型DPP-4小分子抑制剂提供了理论依据。

关键词：二肽基肽酶-4 β-氨基酰基吡咯烷抑制剂 分子动力学模拟A study on interactions between DPP-4 and β-trizolopiperazine inhibitors

Abstract

Dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4), a member of serine kinases has been emerged as an attractive target for the treatment of type 2 diabetes. Here, we used molecular docking, molecular dynamics simulation, free-energy calculations and free-energy decomposition analysis to reveal the mechanism that the binding of three β-trizolopiperazine inhibitors and DPP-4. Hydrogen bonding and hydrophobic interaction analyses showed that the changed inhibitor substituents affect their binding energy. The simulated binding free energies of systems are in agreement with experimental inhibitory constants (IC50). Results show that the electrostatic energy plays a critical role in distinguishing the abilities of inhibitors/DPP-4 binding. Moreover, the key residues and binding mechanism are revealed via free energy decomposition analysis. The MD simulations make the interaction mechanism of inhibitor/DPP-4 more clear，which provides theoretical guide for the design of antidiabetic drugs.

Key Words: Dipeptidyl peptidase-4; β-trizolopiperazine inhibitors; Molecular dynamics simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究意义与背景 1

1.1.1传统降糖和抗糖药物 1

1.1.2 胰高血糖素样肽-1 1

1.1.3 DPP-4蛋白酶 1

1.1.4 DPP-4抑制剂 2

1.2 前人的研究工作 2

1.3 本文的工作 2

第二章 计算方法 3

2.1 分子对接 3

2.2 分子动力学模拟 5

2.3 结合自由能计算 5

2.4 本文的计算细节 7

2.4.1 初始结构 7

2.4.2 分子对接 7

2.4.3 分子动力学模拟 8

2.4.4 自由能计算 8

第三章 结果与讨论 9

3.1 体系的稳定性和柔性 10

3.2 药物与 DPP-4的相互作用 12

3.3 药物与DPP-4的结合机理 14

第四章 结论 16

参考文献 17

致谢 20

第一章 绪论

课题的研究意义与背景

1.1.1传统降糖和抗糖药物

糖尿病是一种以糖代谢紊乱为主的慢性进展性疾病，主要表现为胰岛功能进行性衰退，包括胰岛素抵抗、胰岛β细胞功能缺陷和肝葡萄糖过度分泌，进而导致胰岛素和胰高血糖素比例失调^[1-3]。糖尿病已成为继心血管疾病和肿瘤之后的第三大严重威胁人类健康的疾病^[4-6]。据世界卫生组织报道， 全球范围内约有24600万糖尿病患者，预计到2030年，糖尿病患者的熟练会上升至43800万^[7,8]。糖尿病分为I型、II型和妊娠型，其中II型糖尿病患者占90%^[9,10]。

1.1.2胰高血糖素样肽-1

胰高血糖素样肽-1（GLP-1）是由30个氨基酸多肽组成^[11]，是肠黏膜L细胞中分泌的胰高血糖素样肽^[12]，是一种肠降血糖素，可以激活G蛋白偶联的GLP-1受体，增加胰岛素分泌， 同时减少胰高血糖素的分泌，并且会对摄入的事物作出反应^[13,14]。此外，GLP-1还抑制胰高血糖素的分泌^[15]，延缓胃排空^[16,17]，降低食欲^[18]，这些都有利于控制血糖的升高。然而， 人体产生的GLP-1在血液中的半衰期很短，因此GLP-1会迅速被二肽基肽酶-4（DPP-4）^[19]所分解。所以， 只要对二肽基肽酶的活性进行抑制，就相当于增加了GLP-1的半衰期并延长其有利作用，而二肽基肽酶抑制剂也成为了极具前景的II型糖尿病的新的治疗方法^[20]。

1.1.3 DPP-4蛋白酶

二肽基肽酶一般是以二聚体的形式存在于晶体结构中，并作为可溶性蛋白和膜结合蛋白存在于血液之中^[21,22]。二肽基肽酶是拥有一个22个氨基酸的疏水横跨膜区域和一个在N端上只有6个氨基酸的胞质尾区的膜结合外蛋白酶。此外，每个二肽基肽酶单体还包括一个α/β水解酶区域，包括催化三联体Ser630-ASP708-His740和一个八片层β螺旋区域，它们对抑制剂的结合位点有着重要影响。

二肽基肽酶的活化位点位于β螺旋和水解酶交界处的一个大的凹形空腔内。活性区域包含一个P1疏水口袋和位于β螺旋处有着明显不同结构的三个部分。P1口袋由残基Y670，Y666, Y662, W659, Y631, V656, S631和V711所组成。

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