覃初新　李天恩　戴康

摘要：指出了MurB 酶是细菌合成细胞壁的重要的合成酶，可以作为抗菌药物的新的靶点。为了开发新的MurB 酶的抑制剂，选取了16个3，5-吡唑烷二酮衍生物作为配体，应用计算机辅助药物设计技术，对靶标MurB 酶进行了分子对接分析。结果显示：16个化合物和MurB 酶都有较强的结合，其中12个化合物的对接打分函数超过了对照已知抑制剂；化合物中的3，5-吡唑烷二酮的结构能够和MurB 酶形成较强的氢键连接；而且分子中的芳基取代基也能够和MurB 酶形成疏水性结合。

关键词：肽聚糖；MurB 酶；分子对接；3，5-吡唑烷二酮衍生物

中图分类号：R91

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）20019003

1引言

肽聚糖是细菌细胞壁的重要组成部分[1]，在重量上占细菌细胞壁的50%～80%。肽聚糖主要有双糖单位交联聚合而成[2]，在组成肽聚糖的双糖单位中，N-乙酰胞壁酸是主要的组成成分之一。细菌一般自己合成N-乙酰胞壁酸的活性形式，UDP-N-乙酰胞壁酸[3]。在该物质的生物合成中，MurB 酶即（UDP-N-乙酰葡萄糖胺丙酮酸烯醇醚还原酶）起了非常关键的作用[4]。该酶通过还原烯醇醚结构中的双键，将UDP-N-乙酰葡萄糖胺丙酮酸烯醇醚转化为UDP-N-乙酰胞壁酸[5，6]。而抑制该酶将减少或阻断肽聚糖的合成，从而导致细菌细胞壁的结构不完整，最终会导致细菌在渗透的压力下产生溶菌[7]。因此，MurB酶是抗菌药物开发的非常有价值的潜在靶标。尤其是现今各种抗生素的耐药菌泛滥，抗生素的效力大大下降的时候，寻找类似MurB的新抗菌靶标和抗菌药物，有着重大的临床意义。

MurB是一种在细菌中广泛分布的还原酶，笔者所讨论的MurB来自于大肠杆菌K12（E. Coli. K12），由342个氨基酸组成。近年来一些合成的抑制剂见之于报导，其结构主要为3， 5-吡唑烷二酮的衍生物[8]。其活性主要在μM量级。为了获得活性更加理想的化合物，有必要对现有的抑制剂的结构进行优化。应用SYBYL软件对MurB酶和小分子化合物的相互作用进行模拟。在此基础上，获得活性小分子的结构模型以及相应的取代基模式，也包括MurB酶的活性中心的相关信息。本研究将为建立MurB酶抑制剂的虚拟筛选模型打下基础，并为将来开发新的MurB酶抑制剂提供有益的帮助。

2实验部分

2.1对接软件工具

SYBYL-X是美国 Tripos 公司开发的一个大型专业药物设计软件，涵盖多个药物设计的方面，可以进行基于配体结构的定量构效关系，三维定量构效关系以及药效团等建模方法，也可以进行基于生物大分子结构的分子对接和虚拟筛选等多个方面的研究，笔者采用SYBYL-X 2.0版本的Surflex-Dock模块进行分子对接。该方法可以进行常规的半柔性（蛋白质保持刚性）以及全柔性（蛋白质的氨基酸残基和小分子做柔性处理，其中的原子都可以变动）对接。

2.2配体分子的准备

从相关文献[9]上获取已知16个大肠杆菌Mur B抑制剂的分子结构，均为取代的3，5吡唑烷二酮的结构。在SYBYL中对选取的分子进行3D-concord结构修复和能量最小化。

2.3Mur B靶点的获取和预处理

从PDB下载蛋白质（code：2Q85）的晶体结构，在SYBYL-X 2.0中使用biopolymer模块对蛋白晶体结构进行预处理，包括抽出原有小分子抑制剂结构，除去蛋白晶体中的自由水分子，对蛋白质的氨基酸残基添补氢原子，修补肽链结构等，随后生成活性口袋。

2.4分子对接

应用SYBYL-X 2.0/surflex-dock模板进行分子对接，研究选取的16个化合物和MurB酶的相互作用模型。在经过适当的预处理以后，将这16个小分子化合物与酶的三维结构进行分子对接，通过对接的打分函数以及所产生的复合物的三维和二维图来分析MurB酶与小分子化合物的相互作用。

3结果与讨论

表1 显示了16个化合物的结构和分子对接的打分函数。打分函数表示小分子化合物和蛋白质结合的能力。数值越大，表示结合越牢固。同时也做了在2Q85的三维结构中所包含的抑制剂（3-（4氯苯基）-4-羟基-5-（萘甲烯基）-呋喃2（5H）-酮）作为对照（图1），其对接的打分函数为4.87，在选择的16个分子中，发现有12小分子的打分函数高于对照分子，其中化合物1的打分函数最高，为7.51。

结果表明，该类化合物与MurB酶有较好的亲和活性。该类抑制剂分子的结构主要由3，5-吡唑烷二酮组成，在1，2位各有一个取代苯基的取代基，在4位有一个酰基的取代基。其中吡唑烷二酮母核（图2）可以形成烯醇式的互变异构，这个结构是和MurB酶形成氢键的关键结构。1，2位的取代苯环上的取代基主要以4位的氯取代为主，通过比较打分函数，发现1，2位的取代苯基上以单氯取代为优。4位的取代基需要有一定的体积和极性，以氟取代或者三氟甲基取代为优。

从复合物的三维模拟图（图3）上可以看出，氢键主要形成在ASN233，ARG159和TYR190这三个氨基酸残基上，由此说明，这三个氨基酸残基在相互作用中起到了關键性的影响。在二维图（图4）中发现，除了上述三个氨基酸残基参与形成氢键以外，TYS158也参与形成氢键，并且LYS262参与和4位的取代基形成芳环的疏水性结合。另外活性中心存在三个疏水性口袋分别结合吡唑环上的三个取代基。通过对其它15个分子的对接结果进行分析也得到了相似的结果（文中未列出）。

生物与化工

4结论

本文选取了16个合成MurB酶抑制剂，并将其与MurB酶的三维结构（PDB：2Q85）进行了分子对接。通过分析对接的结果，发现这些抑制剂分子中的大部分和MurB酶有较强的结合，其结合能力强于已知的抑制剂分子3-（4氯苯基）-4-羟基-5-（萘甲烯基）-呋喃-2（5H）-酮。在小分子和MurB酶的相互作用中，强烈的氢键结合主要发生在3，5吡唑二酮的烯醇式结构和活性中心的ASN233，ARG159和TYR190氨基酸残基上，另外在活性中心上还有三个疏水性的结合口袋可以结合5-羟基-3-吡唑酮上的三个取代基。这种多点结合的模型表明该类化合物能够较好的抑制MurB酶的活性。endprint

根據分子对接的结果，还发现，3，5-吡唑烷二酮中的这种烯醇式的结构对于小分子和MurB酶相互作用非常关键，这个结构和对照抑制剂分子中的4-羟基呋喃-2-酮的结构非常相似。另外，在活性的分子中，也应该具有一些芳环结构的取代基，这样将有利于小分子和MurB酶之间形成疏水性的结合。

本文的3，5-吡唑烷二酮衍生物和MurB酶的分子对接研究，有助于建立MurB酶抑制剂的虚拟筛选模型。在MurB酶抑制剂作用机制研究以及新药研发中有指导意义。

参考文献：

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Molecular Docking Study for the Derivatives of 3， 5-Pyrazole Dione to MurB

Qin Chuxin， Li Tianen， Dai Kang

（School of Pharmacy， South-Central University for Nationalities， Wuhan， Hubei，430074， China）

Abstract： UDP-N-acetyl-enol pyruvate glucosamine reductase （MurB） is a key enzyme in the synthesis of cell wall and it is known as a new target of antibacterial. In order to develop novel MurB inhibitors， 16 derivatives of 3， 5-pyrazole dione were chosen as ligands and the molecular docking were processed to the active site of MurB. The results showed that most of chosen chemicals have strong binding to MurB and the docking scores of 12 chosen molecules are higher than reported inhibitor. The presented docking models show that the substructure of 3， 5-pyrazole dione in the chosen molecules play a key role in interaction between MurB and ligands and the substitutions in molecules can form the hydrophobic interaction to MurB.

Key words： peptidoglycans；MurB； molecular ocking； 3， 5-Pyrazole Dione Derivativesendprint