农药分子与靶标相互作用计算化学的研究

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1、摘要摘要我国作为农业大国，农药对国民经济的健康发展起着举足轻重的作用。为了使农药能够适应现代社会中诸如环境、安全等方面高标准的要求，并且解决好农药的抗性问题，新农药的创制是一项需要长期坚持的事业。尽管新农药创制是一项十分复杂的系统工程，但是农药分子的设计无疑仍然是其中最为核心的环节，本文的选题目的正是着眼于这一核心环节，希望通过多种计算化学方法相结合，分别从配体和受体结构信息出发，在分子层次上理解农药分子与其靶标之间的相互作用机理，理解靶酶突变产生抗性的机理，为设计新农药，特别是反抗性农药，提供理论指导。

2、该研究工作不论是在基础理论研究方面还是在实际的新农药创制方面都具有非常重要的意义。本文主要分为两个部分，其中第一部分是论文的主要研究内容，使用了三维定量构效关系(3D-QSAR).基于密度泛函理论计算的定量构效关系(DFTQSAR)以及分子动力学模拟(MD)三种计算方法，对磺酞服类除草剂与其靶酶乙酞轻基酸合成酶AHAS进行了计算化学研究.第二部分包括对Sparsomycin类似物进行DFTQSAR研究，对娃儿藤碱B与TMVRNA起始组装中关键序列进行分子对接(DOCK)建模，帮助理解娃儿藤碱B抑制TMV病

3、毒的分子机制。我们对74个磺PAR化合物进行了3D-QSAR研究，通过对分子叠合方式、分子空间取向、网格间距、场组合方式、衰减因子等重要参数进行系统优化，在最佳条件之下得到两个高质量的3D-QSAR模型，并通过分析得到了磺酞服化合物与AHAS相互作用的精细模型。与此同时，我们将3D-QSAR与AHAS突变酶对除草剂的抗性问题结合起来进行研究，希望以生物活性小分子与生物大分子的相互作用为桥梁，将传统中孤立式的生物活性小分子QSAR研究、靶蛋白突变(可以理解为生物大分QSAR)研究有机结合起来，更清晰地理解分

4、子设计及分子作用机制。据此，我们针对靶蛋白突变氨基酸残基的变化，定义了一个除草剂抗性酶相对活性指数RAI，并分别在3个突变位点上将RAI值与实验抗性数据进行比较，发现结构较刚性区域突变位点上的RAI值的顺序能够与实验抗性数据的顺序很好的吻合起来;而当突变位点位于结构比较柔性的区域时，摘要理论预测值与实验值的次序比较有些差别。这种差异性有助于我们预测突变位点所处的局部环境，区分不同突变位点上产生抗性的分子机制是否相同，进而发现可能存在的新的抗性机制。这种基于配体3D-QSAR与受体突变之间的定量相关分析方法

5、可以较为准确地帮助我们理解靶酶结构的变化对除草剂的敏感性，同时帮助我们预测靶酶作用过程中蛋白质残基的构象变化。利用这种方法，通过对生物活性小分子的QSAR以及靶酶定点突变研究，能够较为准确地预测生物活性小分子与靶酶的相互作用的关键点。这种研究方法首次将基于配体的3D-QSAR结果用于研究受体突变后的抗性问题，为研究抗性问题指出了一种新思路和新策略。经典QSAR研究建立在分子的化学结构决定其性质及活性这一信仰上。如果我们问:什么决定分子的化学结构呢?分子的电子结构!所以说，更接近化学本质的应该是分子的电子结

6、构决定分子的性质。DFT理论计算是目前描述分子电子结构较为快速、精确的方法。考虑到DFT计算的精确性、非主观性及利于自动化、规模化计算等特点，基于DFT的QSAR研究应该是有发展前途的分子间相互作用研究的方法。在DFT-QSAR研究中，我们使用B3LYP交换相关泛函和6-31G(d)基组，在Gaussian03软件中对45个磺酞脉化合物进行了DFT量化计算，主要涉及到几何结构优化、频率计算、布居分析、分子不同电子云密度等势面所包围的体积计算等方面。从量化计算结果中为每个化合物得到75个量化描述符，这其中包

7、括我们自己提出的一种局域化的取代基电子云密度体积参数。经过大量的MonteCarlo模拟退火的变量选择之后，得到一个高质量的DFTQSAR方程，其中各个参数的物理意义明确。该研究中我们从电子结构层次上找出了磺酞服化合物与AHAS酶相互作用过程中的关键元素，进一步理解了其相互作用机理。同时所定义的直接表征空间体积效应的量化描述符也得到成功应用，弥补了量子化学参数应用于QSAR分析中被公认的“不能直接表征空间体积效应”缺陷。在MD研究中，我们从最新报道的拟南芥AHAS催化亚基与磺酸服除草剂复合物的晶体结构出发

8、，以磺酞脉分子为中心选取离其20人距离的所有残基构成MD研究体系，在MD模拟中对离其15人^20人这一壳层中的残基加上微弱的约束力。通过MD模拟和MD后期分析处理，包括热力学稳定性、结构稳定性、原子波动性、氢键、结合自由能以及结合自由能的分解，我们发现W574L突变体与磺酸脉结合时，其复合物构象与野生型复合物晶体结构的构象有一定摘要差别，同时其稳定性要稍微降低一些。W574L突变后特定残基与磺酞脉分子脉桥上的碳基O原子和磺酞基