全 文 ：2014 年 第 11 期 化学工程与装备
2014 年 11 月 Chemical Engineering & Equipment 9

两类新型脲酶抑制剂与刀豆脲酶的分子对接研究
何宇健，周智聪，邓俊涛，杨皓东
（华南农业大学理学院，广东 广州 510642）

摘 要：本文将新合成出的 4 种铜金属配合物脲酶抑制剂，通过计算机模拟研究其对脲酶活性的抑制作用。
基于 AutoDock 分子对接软件平台，应用拉马克遗传算法模拟计算出各种脲酶抑制剂在刀豆脲酶双镍 II
活性部位附近的对接情况，在模型中选出结合能最低和形成氢键较多而结合能较低的对接结果、抑制常数、
对接位置，解释了铜金属配合物和棉酚 shiff 碱的抑制作用，以及氢键在抑制 Jack bean urease 活性过
程中起到关键的作用。
关键词：铜金属配合物；棉酚席夫碱；脲酶；抑制剂；分子对接


1 分子对接准备
分子对接准备包括：靶酶及对接小分子准备、靶酶（受
体蛋白）准备以及小分子准备。靶酶及对接小分子准备，即
运用软件分子对接软件 AutoDock 4.2 及图形用户界面
AutoDockTools 1.5.4，进行分子模拟对接，并得出三维结
构文件。靶酶（受体蛋白）准备，即利用软件
AutoDockTools(简称 ADT)平台对脲酶 pdb 文件进行处理。
小分子准备，即将已获得配体的 pdb 文件和配体（即抑制剂
的分子）pdb 文件，在 ADT 中转存为 pdbpt 格式的文件。
2 对接前参数设置
在标准对接过程中选用可弯曲的配体和刚性蛋白质的
选项， 对接选用受体格点盒子（Grid box）大小为 60 点×60
点×60 点，以 Jack bean Urease 蛋白质催化活性区域中的
氨基酸 MET637[1]上的原子的位置（x=-39.313，y=-45.739，
z= 82.076）为格点中心，网格的空间距离默认设置 0.375 Å，
即空间大小为 2.25 nm×2.25 nm×2.25 nm。其它设置默认，
其中使用的是拉马克遗传算法（Lamarckian Genetic
algorithm），先后生成后缀为.gpf 和.dpf 格式的文件。每
个小分子与脲酶蛋白大分子在对接过程中所需要的时间为
4-5h。在成功对接完成后，在后缀为.dpf 文件中会有 100
个对接构象模型，最终根据大分子与配体的结合构型，选取
以结合能最低的构象来分析对接模型来获得铜配合物和棉
酚 shiff 碱上哪个基团与脲酶蛋白大分子上的氨基酸残基
作用，并从.dlg 文件中获得各估计值。
3 对接结果与分析
根据对接成果，选择 100 个对象模型中能量最小或者能
量较小而成键较多的对接模型进行比较和分析。根据空间的
成键作用显示出空间障碍，证明出所用配体能够与受体蛋白
结合，从而抑制蛋白质的活性。以下分子对接模型数据
1-100 中按照能量由小到大排列，即模型（1）能量最小。
脲酶（3LA4）大分子存在的双镍 II 活性部位位于
AutoDock 默认显示蛋白质分子的底部，如下图 1所示。

图 1 刀豆脲酶整体分子图 图 2 双镍 II 表现形式
10 何宇健：两类新型脲酶抑制剂与刀豆脲酶的分子对接研究

由于 AutoDock 默认仅显示蛋白质的氨基酸基团和小
分子配体。刀豆脲酶上活性部位上的双镍 II 分子团并没有
得到显示，双镍 II 以单原子的形式空间孤立于氨基酸基团
的空隙当中，如上图 2所示。
对于分子对接中，最为理想的形式是配体直接作用在双
镍 II 上，起到了效果上最佳的抑制作用。如刀豆脲酶与 AHA
的分子对接模型，如下图 3 中显示 AHA 与 Ni(1)与 Ni(2)的
直接作用。
但实际的本分子对接的方案于此不同，配体并不能直接
作用在双镍上，而是配体与双镍相邻的氨基酸基团作用，形
成多个氢键相互作用，使配体的大小足够在空间上阻碍双镍
与尿素的催化反应，从而达到了抑制刀豆脲酶的活性。因此
整个实验对接的结果分析存在一定的偏差，与实物实验的结
果难免存在矛盾，分子对接结果分析仅供参考。

图 3 脲酶与 AHA 分子对接

3.1 HPB-Cu-ARG

图 4 构象 1 图 5 构象 25
（注：分子构象中线条灰色代表碳，红色代表氧，蓝色代表氮，黄色代表硫，
绿色代表铜，粉红色代表磷，绿色虚线代表氢键，下同）

表 1 HPB-Cu-ARG 对接结果
EFEOB. EIC. FIE. vdw+Hbond+desolv Energy Elect. FTIE. TFE. H-bond
构象 1 -8.8 0.357 -9.89 -6.4 -3.49 0.15 1.1 3
构象 25 -7.49 3.26 -8.58 -4.72 -3.87 0.08 1.1 3
平均 -8.15 1.81 -9.24 -5.56 -3.68 0.115 — —

构象 1为 HPB-Cu-ARG 铜配合物与刀豆脲酶结合的最优
构型，ARG 末端上的两个 NH2与谷氨酸 GLU493、天冬氨酸
ASP521 和谷氨酸 GLU525 上 O 分别共形成了 3个氢键，构象
1总体能量水平低于构象 25，构象 25 的 Elect 值（与刀豆
脲酶作用最低的估计结合能下的静电能）却更小，原因是构
象 25 中的 PO4上的一个 O原子连接有两个氢键，即一个 O
原子形成了两个氢键，使静电能更为集中而稳定，因此静电
能更小。
图 6为 HPB-Cu-ARG 与刀豆脲酶的 100 个对接模型中结
合能的个数分布图，其主要分布在-9.0~ -8.5 和-5.5 两个
区域，构象 1 属于 9.0~ -8.5 的区域，比构象 25（不在这
两个区域中）更贴近分子对接的稳定性。但是，结合能统计
图中 100 个对接模型中接近-5.5 的个数达到 56 个，占总数
的 14/25，因此最优结合能的模型并不能代表 HPB-Cu-ARG
与刀豆脲酶大分子的分子对接的实际情况。


图 6 HPB-Cu-ARG 结合能统计图

3.2 TPD-Cu-ASP

构象 1
构象 25
何宇健：两类新型脲酶抑制剂与刀豆脲酶的分子对接研究 11


图 7 构象 1 图 8 构象 9

表 2 TPD-Cu-ASP 对接结果
EFEOB. EIC. FIE. vdw+Hbond+desolv Energy Elect. FTIE. TFE. H-bond
构象 1 -8.74 0.395 -9.56 -3.41 -6.15 -1.33 0.82 1
构象 9 -8.38 0.720 -9.2 -5.0 -4.2 -1.33 0.82 4
平均 -8.56 0.558 -9.38 -4.205 -5.175 — — —

构象 1为 TPD-Cu-ASP 铜配合物与刀豆脲酶结合的最优
构型，但只形成了 1个氢键，从构象上看并不稳定。构象 9
虽在结合能上高于构象 1，但 TPD-Cu-ASP 铜配合物与刀豆
脲酶上的精氨酸 ARG439 形成 2个氢键、与 CME592 形成 1
个氢键、与 UNK1 形成 1个氢键，总共形成 4 个氢键，所形
成的范德华力、氢键和分解能量的加合能量比构象 1的更
低，更能稳定存在。从结合能分布图上观察可知，构象 1
和 9都属于-8.8~-8.3 的区域，该区域的能量占据总模型数
的 9/20，是主要的分布范围，因此，这能够反映 TPD-Cu-ASP
铜配合物的对接稳定性。


图 9 TPD-Cu-ASP 结合能统计图

3.3 HPB-Cu-MET

图 10 构象 1 图 11 构象 9

表 3 HPB-Cu-MET 对接结果
EFEOB. EIC. FIE. vdw+Hbond+desolvEnergy Elect. FTIE. TFE. H-bond
构象 1 -7.77 2.03 -8.59 -5.77 -2.82 -0.06 0.82 1
构象 9 -7.58 2.79 -8.40 -5.59 -2.81 -0.11 0.82 2
平均 -7.675 2.41 -8.455 -5.68 -2.815 0.085 — —

构象 1与构象 9在分子对接的情况上大致相同，各种能
量指标都相近。构象 9的 FTIE 总内能值-0.11 小于构象 1
的-0.06，是由于构象 9比构象 1多形成了 1个氢键，两者
总体区别不大，因此均能较好地反映了对接的稳定性。而从
结合能的统计图看，两者所属的-8.0 ~ -7.5 区域数量占总
数的 1/5，明显没有 TPD-Cu-ASP 的有效模型数量多，从对
接数量上可以粗略地推论出 TPD-Cu-ASP 对刀豆脲酶的抑制
能力要强于 HPB-Cu-MET 的抑制能力。
构象 1
构象 9
12 何宇健：两类新型脲酶抑制剂与刀豆脲酶的分子对接研究


图 12 HPB-Cu-MET 结合能统计图
3.4 HPB-Cu-ALA

图 13 构象 1 图 14 构象 5

表 4 HPB-Cu-ALA 对接结果
EFEOB. EIC. FIE. vdw+Hbond+desolvEnergy Elect. FTIE. TFE. H-bond
构象 1 -7.16 5.69 -7.16 -4.37 -2.79 0.0 0.0 1
构象 5 -7.09 6.39 -7.09 -4.56 -2.52 0.0 0.0 2
平均 -7.125 6.04 -7.125 -4.465 -2.655 — — —


图 15 HPB-Cu-ALA 结合能统计图

HPB-Cu-ALA 与刀豆脲酶的两个对接情况大致相近，构
象1与构象5都能符合对接要求，从构象图看出，HPB-Cu-ALA
中的 ALA 丙氨酸上的氨基都与刀豆脲酶中的 PO4 844 上的 O
形成氢键，构象 5中 HPB 又与刀豆脲酶的 ALA436 多形成 1
个氢键。构象 1和构象 5结合能所在区域-7.2~-7.0 占总量
的 1/3，两者差别不大，都能如实反映对接的稳定性。
4 结 语
本文对接工作总共进行了 4 种配体（脲酶抑制剂）与刀
豆脲酶的分子对接，这 4种为铜配合物抑制剂（环状有机物
-铜-氨基酸组成）。从分子对接的情况可以看出，铜配合物
与刀豆脲酶的对接具有良好的稳定性，双方形成了 1-4 个氢
键，确保了足够的分子间的作用力，这证明铜配合物都能对
脲酶产生具有一定的抑制作用，根据结合能最优模型和结合
能较低且形成氢键较多模型的折中对比，得出估计抑制常数
取平均值，这 4种配合物的抑制能力从模拟上应为：
TPD-Cu-ASP（2） > HPB-Cu-ARG（1） > HPB-Cu-MET（3） >
HPB-Cu-ALA（4）；Ki(1)=1.8085 μM ; Ki(2)=0.5575 μM ；
Ki(3)=2.41 μM ；Ki(4)=6.04 μM。实验结果表明，在超低浓
度的情况下，以上 4种铜配合物脲酶抑制剂通过了与刀豆脲
酶双镍活性部位附近的蛋白质进行了氢键的固定，形成了较
好的小分子网，能够有效地从空间位阻上阻止活性部位与尿
素的产生化学反应，显著地减少了尿素的分解。

参考文献

[1] Aslam M, Mahmood S U, Shahid M, et al. Synthesis,
biological assay in vitro and molecular docking
studies of new Schiff base derivatives as
potential urease inhibitors[J]. Eur J Med Chem,
2011, 46(11): 5473-5479.
[2] You Z L, Zhou P. Synthesis, characterization and
crystal structures of a pair of azido-bridged
polynuclear Schiff base copper(II) complexes with
urease inhibitory activity [J]. Transition Met
Chem, 2008, 33(4): 453-457.
[3] 吕婧, 蒋勇军, 俞庆森, 等. 洋刀豆脲酶与抑制剂相
互作用的分子对接和分子动力学研究[J]. 化学学报,
2011(20): 2427-2433.


构象 1
构象 9
构象 1
构象 5