1、2013化学诺贝尔奖化学诺贝尔奖-多尺度模型多尺度模型 由马丁由马丁 卡普拉斯、迈克尔卡普拉斯、迈克尔 莱维特、阿里耶莱维特、阿里耶 瓦谢勒创立的瓦谢勒创立的“多尺度复杂化学系统模型多尺度复杂化学系统模型”翻开翻开了化学史的了化学史的“新篇章新篇章”。在由这三位科学家研发。在由这三位科学家研发出的多尺度模型的辅助下，堪比光速的化学反应出的多尺度模型的辅助下，堪比光速的化学反应中电子的转移得以被追踪。例如，中电子的转移得以被追踪。例如，在模拟药物如在模拟药物如何同身体内的目标蛋白耦合时，计算机会对目标何同身体内的目标蛋白耦合时，计算机会对目标蛋白中与药物相互作用的原子执行量子理论计算蛋白中与药物
2、相互作用的原子执行量子理论计算；而使用要求不那么高的经典物理学来模拟其余；而使用要求不那么高的经典物理学来模拟其余的大蛋白，从而精确掌握药物发生作用的全过程的大蛋白，从而精确掌握药物发生作用的全过程。汇报人：汇报人：zyzy指导老师：指导老师：wsws引言引言计算机计算机辅助药物设计的概念辅助药物设计的概念 计算机辅助药物设计是药物化学发展的重要分计算机辅助药物设计是药物化学发展的重要分支，更是合理药物设计的重要手段。该方法认为药支，更是合理药物设计的重要手段。该方法认为药物分子与生物大分子如受体、酶、核酸、转运蛋白物分子与生物大分子如受体、酶、核酸、转运蛋白和离子通道等的相互作用是分子设计的
3、理论依据。和离子通道等的相互作用是分子设计的理论依据。药物配体分子与受体分子结构的三维结构信息是研药物配体分子与受体分子结构的三维结构信息是研究这种相互作用乃至药物设计的基础。究这种相互作用乃至药物设计的基础。 2.3 2.3 计算机辅助药物设计的意义计算机辅助药物设计的意义指导有目的地开发新药，减少盲目性和偶然性。加快研制新药速度，节省人力、物力和财力。为研究者提供理论思维形象化的表达，直观设计，理解和解释实验结果。 局限： 只是辅助性工具，仍需研究者的经验判断和指导。 第一个SBDDSBDD方法设计的新药碳酸酐酶抑制剂DorzolamideDorzolamide（多佐胺多佐胺） ( (治疗
4、青光眼疾病) )于19941994年上市WellcomeWellcome公司用CADDCADD方法设计的5 5HT1DHT1D受体激动剂 311C90 311C90 ( (治疗偏头痛) ) ，进入三期临床研究 美国EliEli LillyLilly公司开发的第一个高效、高选择性人体非胰腺分泌型磷脂酶抑制剂LY311727LY311727,进入临床研究4 4个已上市的HIVHIV- -1 1蛋白酶抑制剂类药物的研制过程中，计算机辅助药物设计起了重要作用2 2个凝血酶抑制剂已进入临床研究GlaxoGlaxo开发的唾液酸酶抑制剂4 4- -胍基Nen5Ac2enNen5Ac2en ( (抗感冒药物)
5、 )进入临床研究 嘌呤核苷磷酸化酶抑制剂B3XB3X- -3434- -治疗牛皮癣，进入临床三期 治疗糖尿病药物( (醛糖还原酶抑制剂) )上市CADDCADD应用实例应用实例提提 纲纲 7III III 全新药物设计全新药物设计 靶蛋白结构的预测靶蛋白结构的预测II II 分子对接与虚拟筛选分子对接与虚拟筛选 目前测定蛋白质结构的主要方法仍然是X-射线衍射和多维核磁共振技术，但由于各自的局限性，蛋白质结构的测定速度远远落后于基因组测序和氨基酸序列的测定速度，无法满足蛋白组学及其相关的学科需求，因此产生了蛋白质结构预测方法。1.1 1.1 靶蛋白结构预测的由来靶蛋白结构预测的由来X-射线晶体学
6、射线晶体学(X-ray crystallography) 通过对衍射的位置、强度计算，读出原子坐标值，解通过对衍射的位置、强度计算，读出原子坐标值，解析结构得到晶体空间结构析结构得到晶体空间结构, 计算机分子模型技术可将上述计算机分子模型技术可将上述数学数值和符号转化为高分辨率的分子。数学数值和符号转化为高分辨率的分子。化合物测定须得到单晶化合物测定须得到单晶蛋白质结晶蛋白质结晶蛋白质蛋白质- -药物复合物结晶药物复合物结晶X X射线晶体学测得的是晶体状态下的优势构象射线晶体学测得的是晶体状态下的优势构象核磁共振技术核磁共振技术(NMR)(NMR)优势：优势：可测定溶液中分子结构优势构象，更好
7、代表生物环可测定溶液中分子结构优势构象，更好代表生物环境下的分子，还能研究动力学特征。境下的分子，还能研究动力学特征。避免了培养蛋白单晶的困难避免了培养蛋白单晶的困难 不足：不足：仅适用于小蛋白仅适用于小蛋白1.2 靶蛋白结构预测的分类靶蛋白结构预测的分类包括包括蛋白质三维结构预测蛋白质三维结构预测和和活性位点的分析方活性位点的分析方法法。根据预测蛋白质空间结构方法不同把靶蛋白结根据预测蛋白质空间结构方法不同把靶蛋白结构的预测分为构的预测分为1.蛋白质三维结构预测蛋白质三维结构预测同源建模同源建模折叠识别折叠识别从头预测从头预测2.活性位点的分析方法活性位点的分析方法1.2.1.1同源建模同源
8、建模 此方法需要目标蛋白质至少有一个已知三维结构的同源蛋白质，且两者有较高的相似性。一般而言，如果目标蛋白质与模板序列的相似性大于50%，主链的均方根（RMS）仅有0.1nm左右，可以与中等分辨率的磁共振或低分辨率X-射线衍射得到的结果相媲美；如果相似性介于30%-50%，则可以得到中等精确的结果，此时约90%主链部分的均方根为0.15nm。可见，一般情况下当两个蛋白质的序列同源性高于30%时，它们的三维结构也基本相同。目前常用的序列对比程序有FASTA和BLAST 同源建模步骤：同源建模步骤： 1.目标序列与模板序列的比对2.根据同源蛋白质的多重序列比对结果，确定同源蛋白的结构保守区以及相应
9、的框架结构3.目标蛋白质的结构保守区的主链建模4.目标蛋白质结构变异区的主链建模5.侧链的安装和优化1.2.1.2 折叠识别折叠识别使用条件：目标蛋白质找不到已知结构的蛋白质做模板。方法：总结出已知的蛋白质结构模式做为目标蛋白质进行匹配的模式，然后经过现有的数据库观察，总结出可以区分正误结构的平均势函数做为判别标准，来选择最佳的匹配方式。分类：基于序列的折叠识别方法，利用的是目标序列与模板序列之间的进化信息进行折叠识别，其中PSI-BLAST是应用最广泛的一个程序；利用结构信息进行折叠识别的方法一般是将蛋白质三维性质如二级结构、溶解性等转化为一级线性信息。1.2.1.3从头预测从头预测方法：仅
10、从蛋白质的一级结构预测其高级结构，不需要任何一个目标序列的同源蛋白质。状况：尚未成熟，但发展潜力巨大，一旦获得巨大突破，将有助于人们理解蛋白质折叠的过程，影响蛋白质结构稳定性的因素等基本问题。1.2.2 活性位点的分析方法活性位点的分析方法活性位点分析方法是通过探针来探测简单的分子或碎片如何能够与生物大分子的活性位点很好地结合。通过它们与活性位点的相互作用情况，可以找到这些分子或碎片在活性部位中的可能的结合位置。用这种方法虽然不能直接产生完整的配体分子，但它得到的有关受体的信息对后面的设计和分子对接有很好的指导意义。提提 纲纲 18III III 全新药物设计全新药物设计 靶蛋白结构的预测靶蛋
11、白结构的预测II II 分子对接与虚拟筛选分子对接与虚拟筛选 目前以受体结构为主的药物设计可分为分子对接和全新药物设计，前者是以受体结构来搜寻配体，后者是根据受体活性位置来构建配体。 定义：定义：分子对接是通过研究小分子配体与大分子受分子对接是通过研究小分子配体与大分子受体的相互作用，预测其结合模式和亲和力，进而实体的相互作用，预测其结合模式和亲和力，进而实现基于结构的药物设计的一种重要方法。根据配体现基于结构的药物设计的一种重要方法。根据配体和受体作用的锁钥原理，分子对接可有效确定与靶和受体作用的锁钥原理，分子对接可有效确定与靶点受体活性部位空间和电性特征互补匹配的小分子点受体活性部位空间和
12、电性特征互补匹配的小分子化合物。化合物。2.12.1分子对接分子对接分子对接分子对接分子对接的分类分子对接的分类1.根据对接过程中是否考虑研究体系的根据对接过程中是否考虑研究体系的构象变构象变化化，将其分为：，将其分为：刚性对接：连接体系的构象在对接过程中刚性对接：连接体系的构象在对接过程中不发生变化；不发生变化；半柔性对接：半柔性对接：在对接过程中研究体系中的在对接过程中研究体系中的配体构象允许在一定范围内变化；配体构象允许在一定范围内变化；柔性对接：连接体系的构象在对接过程中柔性对接：连接体系的构象在对接过程中可自由变化。可自由变化。2. .根据对接时根据对接时配体分子的形式配体分子的形式
13、分分: :整体分子对接：整体分子对接：运用特定搜索算法考察配体分子运用特定搜索算法考察配体分子在受体的结合部位，根据评分函数找出最优组合在受体的结合部位，根据评分函数找出最优组合方式；方式；片段对接法：片段对接法：将配体分子视为若干片段结构的集将配体分子视为若干片段结构的集合，先将其中一个或机构基本片段放入结合空腔，合，先将其中一个或机构基本片段放入结合空腔，然后在活性部位构建分子的其余部分，最终得到然后在活性部位构建分子的其余部分，最终得到理论上最优的结合方式。理论上最优的结合方式。 分子对接的最初思想起源于Fisher E提出的“锁和钥匙模型”。即受体与配体的相互识别首要条件是空间结构的匹
14、配 配体配体 受体受体 复合物复合物 受体配体的锁和钥匙模型受体配体的锁和钥匙模型 分子对接的基本原理分子对接的基本原理药物与受体的结合强度取决于结合的自由能变化 G G = = H H - - S TS T = -= -RT RT ln ln K K大部分的分子对接法忽略了全部的熵效应，而在焓效应也只考虑配体与受体的相互作用能，即：Einteraction= Evdw + Eelectrostatic + Eh-bondElectrostatic（静电力）目前已开发的分子对接软件有DOCK、FlexX、Affinity 等。DOCK开发最早、运用最广泛。之前只考虑到了配体与受体的刚性对接，但
15、随着算法的不断优化，后来开始考虑配体柔性 ；FlexX近几年发展迅速，已获得广泛应用。是一种快速、精确的柔性对接算法，在对接时考虑配体分子的许多构象。Affinity不仅考虑了配体的柔性，而且受体的重要作用部位也可定义为柔性区域，因此计算量较大，比较适合深入考察配体与受体相互作用模式，而不适用于基于分子对接法的三维数据库搜索。DOCK进行药物设计的基本步骤：结合部位模拟，即应用程序产生一个填充受体分子表面的口袋或凹槽的球集，然后将其整理成一系列的假定结合位点评价打分，打分函数有基于经验的回归参数的方法；基于分子力场的方法和基于知识的方法、基于知识的打分函数 。 在假定的结合位点上，应用一组球集
16、表示配体，按照匹配原则确定配体与受体的作用位点，一般要求4个以上匹配点受体的活性位点受体的活性位点 配体配体 有效匹配的距离图集有效匹配的距离图集 受体配体的示意图，字母代表特征部分如氢键等，受体配体的示意图，字母代表特征部分如氢键等，相应的有效匹配的图集如右，三个环性顶点组织的三角形相应的有效匹配的图集如右，三个环性顶点组织的三角形为这个图集的一个最大团为这个图集的一个最大团(clique) Oh boy! What a perfect match 这类方法首先要建立大量化合物（例如几十至上百万个化合物）的三维结构数据库，然后将库中的分子逐一与靶标分子进行“对接（docking），通过不断优
17、化小分子化合物的位置（取向）以及分子内部柔性键的二面角（构象），寻找小分子化合物与靶标大分子作用的最佳构象，计算其相互作用及结合能。在库中所有分子均完成了对接计算之后，即可从中找出与靶标分子结合的最佳分子（前50名或前100名） 对接方法尚需解决的问题：对接方法尚需解决的问题：分子的柔性溶剂化效应打分函数2.2 2.2 虚拟虚拟筛选筛选 定义：一般把基于分子对接的数据库搜索方法称为虚拟筛选，但实际应用中只要是通过某种提问形式进行数据库搜索的方法都可以统称为虚拟筛选。 意义：大大提高了筛选化合物的速率和效率，缩短新药研究的周期，大大节省了经费了开销。2.2 2.2 虚拟筛选的具体流程虚拟筛选的具
18、体流程 包括4个步骤：受体模型的建立；小分子库的产生；计算机筛选和命中化合物的后处理。 第一步，受体模型的建立第一步，受体模型的建立： 蛋白质结构的准备是虚拟筛选的重要一步。虚拟筛选的蛋白靶标的结构可以从PDB库中直接下载使用；也可以通过和家族中同源蛋白的序列、结构信息比较，同源模建而得 1 1）大分子结构获取）大分子结构获取 2 2）接着是结合位点的描述，选择合适的配）接着是结合位点的描述，选择合适的配体结合口袋对分子对接至关重要体结合口袋对分子对接至关重要 一种是直接从配体受体复合物结构中抽出；选择口袋有两种方式：如果没有复合物结构，则需要根据生物功能如结合、突变等实验信息来手动选择结合部
19、位 第二步，建立小分子数据库第二步，建立小分子数据库 二维结构用结构转换程序如CORINA、CONCORD实现三维结构的转化。建好的三维结构加氢加电荷后，便可以用于对接程序。 第三步，对接和打分，这一步是虚拟筛选第三步，对接和打分，这一步是虚拟筛选的核心步骤。的核心步骤。 对接操作就是把每个小分子放到受体蛋白的配体结合位点，优化配体构像和位置，使之与受体有最佳的结合作用，给最佳结合构象打分，对所有化合物根据打分排序，然后从化合物库中挑出打分最高的小分子。 最后一步是命中化合物的后处理 通过计算分子的类药性质ADME/T (吸收absorption、器官分布distribution、体内代谢me
20、tabolism、排泄excretion 和毒性toxicity)性质的估算，排除那些不具有类药性质的分子。 可以利用一些经验规则如 Lipinski（利平斯基） “五规则” 等，快速排除那些不适合进一步药物开发的分子。通过以上四步处理，大部分分子从化合物库中剔除，形成一个合理大小的化合物库，仅对这些适合成药的化合物或购买、或合成、或分离得到，然后再进行实际的生物测试。 实例： SARS冠状病毒3C-like蛋白酶抑制剂的设计熊兵等人结合同源模建、分子虚拟筛选的方法设计了抗SARS冠状病毒3C-like蛋白酶的抑制剂。 SARS冠状病毒3Clike蛋白酶在SARS病毒其他功能蛋白的形成过程中起
21、重要作用，阻断SARS病毒3Clike蛋白酶的作用可以阻止SARS病毒的复制，并最终达到治疗SARS的目的 在TGEV（可传播性胃肠炎病毒 ）的主蛋白酶三维晶体结构的基础上，构建了SARS病毒的3Clike蛋白酶三维结构 SARS病毒的病毒的3C-like蛋白酶的三维模建结构蛋白酶的三维模建结构 通过序列联配和采用MOLCAD/SYBYL活性位点分析，表明SARS病毒3C-like蛋白酶和TGEV主蛋白酶两者的结合口袋比较类似 同一结构家族的组织蛋白酶抑制剂分别与SARS冠状病毒3C-like蛋白酶和TGEV的主蛋白酶的复合物模型,从图中可以看出两者的作用模式也是十分类似。SARS病毒病毒3C
22、-like蛋白酶和蛋白酶和TGEV主蛋白酶与抑制剂结合图主蛋白酶与抑制剂结合图 在SARS病毒3C-like蛋白酶活性位点确定之后，再通过查询MDDR数据库得到了73个蛋白酶抑制剂的小分子数据，对SARS病毒3C-like蛋白酶和TGEV的主蛋白酶进行了分子对接参数的调节和优化。 结果表明大多数分子与两个蛋白酶的结合相似，并且对DOCK打分进行相关性分析，表明结合能力较为一致在优化好的3Cl蛋白酶的三维结构模型和DOCK对接程序参数的基础上，对含有数十万多个小分子化合物库用DOCK 4.0初筛，从每一个数据库筛选结果中选择DOCK打分前1000名的分子，进一步做类药性分析和多种评价函数包括SY
23、BYL中的Cscore打分函数和Autodock的经验自由能评价方法进行打分，再根据药物化学家的经验来进行人工挑选，最终对每个数据库选择100个分子进行生物测试，这次虚拟筛选找到300个可能具有抗SARS冠状病毒的候选化合物，发现了7个具有高活性的化合物，进一步的细胞水平的实验，发现5-HT受体拮抗剂具有明显的抗SARS病毒感染和保护细胞的作用，其EC50（半最大效应浓度）值小于10mg/L，这一研究成果已经申请专利。提提 纲纲 45III III 全新药物设计全新药物设计 靶蛋白结构的预测靶蛋白结构的预测II II 分子对接与虚拟筛选分子对接与虚拟筛选全新药物设计全新药物设计 全新药物设计也
24、称为从头设计，它是根全新药物设计也称为从头设计，它是根据靶点活性部位的形状和性质要求，通过计据靶点活性部位的形状和性质要求，通过计算机自动构建出结构与化学性质互补的新配算机自动构建出结构与化学性质互补的新配体分子。体分子。模板定位法模板定位法在受点用模板构建出一个形状互补的三维在受点用模板构建出一个形状互补的三维分子骨架，再根据受体的性质把分子骨架转化为具体的分分子骨架，再根据受体的性质把分子骨架转化为具体的分子结构子结构原子生长法原子生长法根据靶点的性质，如静电、氢键和疏水性根据靶点的性质，如静电、氢键和疏水性等，逐个地增加原子，配上与受点形状和性质互补的分子等，逐个地增加原子，配上与受点形
25、状和性质互补的分子，基本构建块为原子，基本构建块为原子分子碎片法分子碎片法在受体分子的活性部位，根据静电、疏水在受体分子的活性部位，根据静电、疏水和氢键相互作用，以碎片为模版，逐步生长出性质与形状和氢键相互作用，以碎片为模版，逐步生长出性质与形状互补的分子互补的分子全新药物设计的方法全新药物设计的方法模板库，与受体性状互补的模版放在活性位点。从有关数据库搜索与受体受点结合的原子或原子团模板定位法：模板定位法：在受体的结合位点用模版构建出一个形状互在受体的结合位点用模版构建出一个形状互补的三维分子骨架。补的三维分子骨架。原子生长法原子生长法(atom build)(atom build)：在受体
26、的表面逐个增加原子，在受体的表面逐个增加原子， 形成与结合位点性状和性质互补的分子。形成与结合位点性状和性质互补的分子。起始点种类：起始点种类：1. 1. 已知配体或配体的一部分；已知配体或配体的一部分； 2. 2. 受体结合位点表面形成较强结合的原子受体结合位点表面形成较强结合的原子( (锚原子、种子原子锚原子、种子原子) )。碎片生长法碎片生长法：每个碎片由单一官能团（如羰基、羟基或苯每个碎片由单一官能团（如羰基、羟基或苯环等）构成，以碎片逐个生长来构建成一个分子。环等）构成，以碎片逐个生长来构建成一个分子。碎片连接法：碎片连接法：是指首先产生的与靶点活性部位是指首先产生的与靶点活性部位匹
27、配的各种分子碎片通过连接子连接成为一个完整匹配的各种分子碎片通过连接子连接成为一个完整的分子的方法。的分子的方法。搜寻碎片搜寻碎片搜寻连接子搜寻连接子氢键位点疏水位点在活性位点上匹配碎片在活性位点上匹配碎片在相邻位点上匹配碎片；在相邻位点上匹配碎片；与放好的碎片连接与放好的碎片连接碎片生长法：碎片生长法：从起始碎片开始，按照与原子生从起始碎片开始，按照与原子生长法类似的方法，以碎片为单位，逐渐生长出与靶长法类似的方法，以碎片为单位，逐渐生长出与靶点匹配的完整分子。点匹配的完整分子。优点优点: 配体结构可能是全新的，不受现有知识的约束,也不受人的思维束缚。 该方法既可用于先导化合物的发现，也可用
28、于对先导化合物的结构优化。缺点缺点:可能只是理论分子，仅对接有效，且可能不易合成。该法设计出的分子有时会是一些“超级分子”，虽然能和靶点很好的结合，但由于含有太多的原子种类或过多的化学键类型，缺乏合理性和实用性。全新药物设计的优缺点全新药物设计的优缺点完成单位北京大学北京大学北京大学上海药物所上海药物所上海药物所上海药物所上海药物所军科院药物所军科院药物所北京大学从头设计虚拟筛选靶标NS3-NS4AEGFRNS3-NS4A钾离子通道钾离子通道乙酰胆碱酯酶分泌酶MMPFKBP12BCL-2磷脂酶A2A2疾病丙型肝炎肿瘤丙型肝炎心率失常心率失常老年性痴呆老年性痴呆肿瘤神经系统肿瘤关节炎研究方法虚拟筛选虚拟筛选药效团模型3D-QSAR虚拟筛选虚拟筛选虚拟筛选ZBG设计从头设计虚拟筛选3D-QSAR3D-QSAR国内药物设计部分成功的例子国内药物设计部分成功的例子
