1、第十一章第十一章 基于靶点结构基于靶点结构的的药物药物分子设计分子设计 药物设计学药物设计学【学习要求学习要求】1.掌握基于靶点结构的药物设计、全新药物设计、计算机掌握基于靶点结构的药物设计、全新药物设计、计算机虚拟筛选、基于片段药物设计的基本概念。虚拟筛选、基于片段药物设计的基本概念。2.熟悉蛋白质三维结构预测法、分子对接方法及分类、基熟悉蛋白质三维结构预测法、分子对接方法及分类、基于片段药物设计的基本思路、基于片段药物设计的优点；于片段药物设计的基本思路、基于片段药物设计的优点；片段筛选的主要检测技术；片段优化的常用方法。片段筛选的主要检测技术；片段优化的常用方法。3.了解全新药物设计的常
2、用方法、磁共振检测技术的分类了解全新药物设计的常用方法、磁共振检测技术的分类和原理；和原理；SAR-by-NMR的原理和应用；的原理和应用；Tether和二次和二次Tether技术的原理；结晶筛选的研究流程。技术的原理；结晶筛选的研究流程。基于靶点结构的药物设计基于靶点结构的药物设计 是指一般应用由是指一般应用由X射线衍射、磁共振或分子模拟射线衍射、磁共振或分子模拟（同源建模法等）提供的蛋白质结构信息，来辅助（同源建模法等）提供的蛋白质结构信息，来辅助设计具有生物活性的化合物的过程。设计具有生物活性的化合物的过程。基于配体结构的药物设计基于配体结构的药物设计 是从研究一系列药物分子对同一受体的
3、活性出发，是从研究一系列药物分子对同一受体的活性出发，比较它们的结构变化与生物活性之间的关系，找到比较它们的结构变化与生物活性之间的关系，找到对该受体能发生结合并产生活性的最普遍的结构因对该受体能发生结合并产生活性的最普遍的结构因素，并根据此结构特征设计新的药物分子。素，并根据此结构特征设计新的药物分子。以靶点结构为主的药物设计可分为三大类以靶点结构为主的药物设计可分为三大类 全新药物设计：根据靶点活性位点构建配体全新药物设计：根据靶点活性位点构建配体 分子对接：以靶点结构来搜寻配体分子对接：以靶点结构来搜寻配体 基于片段的药物设计：根据靶点活性位置来构建配基于片段的药物设计：根据靶点活性位置
4、来构建配体片段体片段基于生物大分子靶点结构的药物设计方法基于生物大分子靶点结构的药物设计方法 第一节第一节 靶蛋白结构的预测靶蛋白结构的预测 蛋白质结构与功能研究已成为后基因组时代最具挑战蛋白质结构与功能研究已成为后基因组时代最具挑战性的研究课题。性的研究课题。当前测定蛋白质结构的主要方法仍然是当前测定蛋白质结构的主要方法仍然是X-射线晶体学射线晶体学方法和多维核磁共振技术。方法和多维核磁共振技术。蛋白质结构的测定速度却远远落后于基因组测序和氨蛋白质结构的测定速度却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要。学科
5、需要。（1）目标序列与模板序列的比对；）目标序列与模板序列的比对；（2）根据同源蛋白的多重序列比对结果，确定同源蛋）根据同源蛋白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的框架结构；白的结构保守区以及相应的框架结构；（3）目标蛋白质结构保守区的主链建模；）目标蛋白质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；）目标蛋白质结构变异区的主链建模；（5）侧链的安装和优化；）侧链的安装和优化；（6）对模建结构进行优化和评估。）对模建结构进行优化和评估。同源模建的主要步骤同源模建的主要步骤序列比对序列比对 序列比对是同源模建的关键，大多数的序列比对方法序列比对是同源模建的关键，
6、大多数的序列比对方法都是以目标蛋白质和模板蛋白质序列之间的相似性为都是以目标蛋白质和模板蛋白质序列之间的相似性为基础的，其准确性可以通过进行多序列比对得到提高。基础的，其准确性可以通过进行多序列比对得到提高。目前常用的序列比对程序有目前常用的序列比对程序有FASTA和和BLAST等。许多等。许多药物设计软件公司也开发了同源模建法预测蛋白的软药物设计软件公司也开发了同源模建法预测蛋白的软件模块，如件模块，如Tripos公司的公司的Composer、Accelyrs公司的公司的Homology等。等。折叠识别折叠识别（fold recognition）当目标蛋白质找不到已知结构的蛋白质作模板时，可
7、当目标蛋白质找不到已知结构的蛋白质作模板时，可以采用蛋白质折叠识别方法进行三维结构预测。以采用蛋白质折叠识别方法进行三维结构预测。折叠识别法就是总结出已知的蛋白质结构模式作为目折叠识别法就是总结出已知的蛋白质结构模式作为目标蛋白质进行匹配的模式，然后经过现有的数据库的标蛋白质进行匹配的模式，然后经过现有的数据库的观察，总结出可以区分正误结构的平均势函数作为判观察，总结出可以区分正误结构的平均势函数作为判别标准，来选择最佳的匹配方式。别标准，来选择最佳的匹配方式。从头预测从头预测（de novo prediction）蛋白质结构从头预测是一个尚未成熟的研究领域，但蛋白质结构从头预测是一个尚未成熟
8、的研究领域，但发展潜力十分巨大。因为该方法不需要知道任何一个发展潜力十分巨大。因为该方法不需要知道任何一个目标序列的同源蛋白质，仅从蛋白质的一级结构预测目标序列的同源蛋白质，仅从蛋白质的一级结构预测其高级结构，一旦从头预测的方法获得重大突破，将其高级结构，一旦从头预测的方法获得重大突破，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。稳定性的因素等基本问题。活性位点的分析方法活性位点的分析方法 通过探针来探测简单的分子或碎片如何能够与生物大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。用于分析的探针
9、可以是分子的活性位点很好地结合。用于分析的探针可以是一些简单的分子或碎片，例如水或苯环作为探针，通一些简单的分子或碎片，例如水或苯环作为探针，通过分析它们与活性位点的相互作用情况，可以找到这过分析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结合位置。些分子或碎片在活性部位中的可能结合位置。活性位点分析法通常不能直接产生完整的配体分子，但活性位点分析法通常不能直接产生完整的配体分子，但它得到的有关靶点结合的信息对后面的全新药物设计和它得到的有关靶点结合的信息对后面的全新药物设计和分子对接等都有很好的指导意义。分子对接等都有很好的指导意义。代表性的活性位点分析方法的软件有
10、代表性的活性位点分析方法的软件有GRID、MCSS和和HINT等相关程序。等相关程序。GRID GRID程序由程序由Goodford研究小组开发，其基本原理是将研究小组开发，其基本原理是将靶点蛋白的活性部位划分为有规则的网格，应用分子力靶点蛋白的活性部位划分为有规则的网格，应用分子力场的方法计算探针分子（水分子或甲基等）在不同的格场的方法计算探针分子（水分子或甲基等）在不同的格点上与受体活性部位的相互作用能，以此解析探针分子点上与受体活性部位的相互作用能，以此解析探针分子与靶点活性部位的相互作用情况，发现最佳作用位点。与靶点活性部位的相互作用情况，发现最佳作用位点。应用应用GRID程序研究流感
11、病毒的重要靶点神经氨酸酶时，程序研究流感病毒的重要靶点神经氨酸酶时，以氨为探针分子搜寻神经氨酸酶结合位点时发现用胍基以氨为探针分子搜寻神经氨酸酶结合位点时发现用胍基取代抑制剂取代抑制剂Neu5Ac2en的的4-羟基，得到的化合物扎那米羟基，得到的化合物扎那米韦（韦（zanamivir）活性大为提高，现已作为抗）活性大为提高，现已作为抗A型感冒病型感冒病毒药物上市。毒药物上市。MCSS MCSS是是Karplus课题组发展的一种活性位点分析方法，课题组发展的一种活性位点分析方法，其基本思路与其基本思路与GRID方法相似，但处理方式更为细致、方法相似，但处理方式更为细致、深入。例如深入。例如GRI
12、D方法中仅考虑探针和蛋白质的非键方法中仅考虑探针和蛋白质的非键相互作用，而相互作用，而MCSS法进一步包括了探子分子片段的法进一步包括了探子分子片段的构象能；构象能；GRID计算采用系统搜索法将探针分子片段计算采用系统搜索法将探针分子片段依次放在每个格点上，而依次放在每个格点上，而MCSS法将探针分子以多拷法将探针分子以多拷贝形式放置在活性口袋中，利用蒙特卡罗模拟结合分贝形式放置在活性口袋中，利用蒙特卡罗模拟结合分子力学进行优化来寻找最佳作用位点。子力学进行优化来寻找最佳作用位点。Adlington等应用等应用MCSS对前列腺特异性免疫抗原对前列腺特异性免疫抗原（PSA）的活性位点进行了详细分
13、析，以此对已有的）的活性位点进行了详细分析，以此对已有的PSA抑制剂进行结构优化，从而得到了迄今为止活性抑制剂进行结构优化，从而得到了迄今为止活性最高的最高的PSA抑制剂，其抑制剂，其IC50为（为（22610）nmol/L。HINT HINT（hydrophobic interaction）是）是Kellogg等研究等研究的计算分子脂水分配系数及评价的程序，目前已商业的计算分子脂水分配系数及评价的程序，目前已商业化并已有化并已有SYBYL和和Insight下的版本。在下的版本。在SYBYL最最新版本中，新版本中，HINT已作为一个正式模块推出，并能够已作为一个正式模块推出，并能够进一步计算和
14、显示疏水场及两分子间的疏水相互作用，进一步计算和显示疏水场及两分子间的疏水相互作用，并为并为CoMFA计算提供疏水场值。计算提供疏水场值。第二节第二节 分子对接与虚拟筛选分子对接与虚拟筛选 分子对接（分子对接（molecular docking）是通过研究小分子配）是通过研究小分子配体与靶点生物大分子相互作用，预测其结合模式和亲体与靶点生物大分子相互作用，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。和力，进而实现基于结构的药物设计的一种重要方法。根据配体与靶点作用的根据配体与靶点作用的“锁钥原理锁钥原理”，分子对接可以，分子对接可以有效地确定与靶受体活性部位空间和电性特征
15、互补匹有效地确定与靶受体活性部位空间和电性特征互补匹配的小分子化合物。配的小分子化合物。一、分子对接一、分子对接 分子对接方法的分类分子对接方法的分类 根据对接过程中是否考虑研究体系的构象变化，可将分子根据对接过程中是否考虑研究体系的构象变化，可将分子对接方法分为以下三类：刚性对接、半柔性对接和柔性对对接方法分为以下三类：刚性对接、半柔性对接和柔性对接。接。刚性对接是指研究体系的构象在对接过程中不发生变化；刚性对接是指研究体系的构象在对接过程中不发生变化；半柔性对接是指在对接过程中研究体系中的配体构象允半柔性对接是指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；许在一定范围内变化；柔性
16、对接是指研究体系在对接过程中构象可以自由变化。柔性对接是指研究体系在对接过程中构象可以自由变化。根据对接时配体分子的形式还可以将分子对接方法分根据对接时配体分子的形式还可以将分子对接方法分为两种基本类型，即整体分子对接法和片段对接法。为两种基本类型，即整体分子对接法和片段对接法。整体分子对接法是运用特定搜索算法考察配体分子在整体分子对接法是运用特定搜索算法考察配体分子在靶点结合部位，根据评分函数找出最优结合方式。靶点结合部位，根据评分函数找出最优结合方式。片段对接法是将配体分子视为若干片段结构的集合，片段对接法是将配体分子视为若干片段结构的集合，先将其中一个或几个基本片段放入结合空腔，然后在先
17、将其中一个或几个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，最终得到理论上最优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。的结合方式。1.DOCK（1）应用程序产生一个填充靶点分子表面的口袋或凹槽）应用程序产生一个填充靶点分子表面的口袋或凹槽的球集的球集,整理成假定结合位点。整理成假定结合位点。（2）在假定结合位点上，应用一组球集表示配体，按照）在假定结合位点上，应用一组球集表示配体，按照匹配原则确定配体与靶点的作用位点。匹配原则确定配体与靶点的作用位点。（3）评价打分，）评价打分，DOCK支持多种评分函数，可以评价靶支持多种评分函数，可以评价靶点活性部位与配体几何形
18、状互补性、范德华作用和点活性部位与配体几何形状互补性、范德华作用和静电作用等。静电作用等。有代表性的分子对接软件有代表性的分子对接软件2.FlexX 第一步是选择配体的一个连接基团，称为核心基团；第一步是选择配体的一个连接基团，称为核心基团；第二步是将核心基团放置于活性部位，此时不考虑配第二步是将核心基团放置于活性部位，此时不考虑配体的其他部分；体的其他部分；最后一步称为构造，通过在已放置好的核心基团上逐最后一步称为构造，通过在已放置好的核心基团上逐步增加其他基团，构造出完整的配体分子。步增加其他基团，构造出完整的配体分子。3.Affinity 第一步是应用蒙特卡罗或模拟退火法计算确定配体分子
19、第一步是应用蒙特卡罗或模拟退火法计算确定配体分子在靶点活性口袋的可能结合位置；在靶点活性口袋的可能结合位置；第二步是通过分子力学或分子动力学方法进行细致对接。第二步是通过分子力学或分子动力学方法进行细致对接。DOCKDOCK分子对接步骤分子对接步骤 对配体和靶点结构分对配体和靶点结构分别加氢原子、力场参别加氢原子、力场参数和电荷数和电荷 计算蛋白溶剂表面计算蛋白溶剂表面 结合部位模拟结合部位模拟 计算结合部分能量网格计算结合部分能量网格 打分评价打分评价 寻找最佳匹配位置寻找最佳匹配位置分子对接应用举例分子对接应用举例 通过对通过对HIV-1蛋白酶与天门冬氨酸蛋白酶的结构进行蛋白酶与天门冬氨酸
20、蛋白酶的结构进行比较，并借助比较，并借助X-衍射波谱的结果，人们获得了高精确衍射波谱的结果，人们获得了高精确度（度（1.8nm）的）的HIV-1蛋白酶的三维结构，并建立起蛋白酶的三维结构，并建立起该酶的结构模型。随后，该酶的结构模型。随后，Desjarlais等人根据其晶体等人根据其晶体结构中的酶活性部位，利用结构中的酶活性部位，利用DOCK程序将剑桥晶体数程序将剑桥晶体数据库中的据库中的10 000个分子与之进行分子对接，按照打分个分子与之进行分子对接，按照打分数值的高低排列。数值的高低排列。然后对打分值最高的然后对打分值最高的200个化合物进行严格筛选，评价个化合物进行严格筛选，评价这些分
21、子能否与酶的这些分子能否与酶的Asp25发生相互作用。最后发现溴发生相互作用。最后发现溴哌醇具有较好的结合作用，经生物学实验测试表明，哌醇具有较好的结合作用，经生物学实验测试表明，其其Ki值为值为100 mol/L，且选择性很高。，且选择性很高。溴哌醇溴哌醇高通量筛选的缺陷高通量筛选的缺陷 传统的高通量筛选遇到许多问题，一方面是药理测试传统的高通量筛选遇到许多问题，一方面是药理测试假阳性结果，另一方面是化合物样品来源短缺。尽管假阳性结果，另一方面是化合物样品来源短缺。尽管已报道的化合物数量非常庞大，但实际制药公司和有已报道的化合物数量非常庞大，但实际制药公司和有关研究机构现有的样品库却数量有限
22、，这种情况在我关研究机构现有的样品库却数量有限，这种情况在我国表现更为突出。国表现更为突出。二、计算机虚拟筛选技术二、计算机虚拟筛选技术 利用现代计算机虚拟筛选技术可以有效克服上述困难，利用现代计算机虚拟筛选技术可以有效克服上述困难，它利用计算机强大的运算能力，根据某个靶标的相关它利用计算机强大的运算能力，根据某个靶标的相关信息，利用三维药效团搜索或分子对接的方法，对商信息，利用三维药效团搜索或分子对接的方法，对商业化的化合物样品库进行虚拟筛选以寻找可能的活性业化的化合物样品库进行虚拟筛选以寻找可能的活性化合物，发现潜在的活性分子后，可以向公司或有关化合物，发现潜在的活性分子后，可以向公司或有
23、关机构定购，然后进行药理测试。机构定购，然后进行药理测试。与传统的高通量筛选技术相比，虚拟筛选不存在样品与传统的高通量筛选技术相比，虚拟筛选不存在样品的限制，其成本也远低于高通量筛选的限制，其成本也远低于高通量筛选。小分子三维数据库小分子三维数据库 剑桥结构数据库（剑桥结构数据库（Cambridge structural database，CSD）是由剑桥大学的剑桥晶体数据中心（）是由剑桥大学的剑桥晶体数据中心（Cambridge crystallographic data centre）提供的有关有机小分子）提供的有关有机小分子晶体结构信息的三维结构数据库系统。晶体结构信息的三维结构数据库系
24、统。在在CSD中，所有这些晶体结构都是通过中，所有这些晶体结构都是通过X-射线或中子射线或中子散射实验技术获得。目前，散射实验技术获得。目前，CSD包含超过包含超过25 700个有机个有机化合物、金属有机化合物以及金属配合物的晶体结构化合物、金属有机化合物以及金属配合物的晶体结构信息，其中约有信息，其中约有89%的分子有明确的三维结构数据。的分子有明确的三维结构数据。剑桥结构数据库剑桥结构数据库国家癌症研究所数据库国家癌症研究所数据库 到到2000年为止，国家癌症研究所数据库（年为止，国家癌症研究所数据库（national cancer institute database，NCI数据库）共收
25、集了约数据库）共收集了约500 000个化个化合物。尽管很多学术机构、政府部门及一些非营利组织合物。尽管很多学术机构、政府部门及一些非营利组织提交测试的化合物没有任何限制条件，但是企业研究所提交测试的化合物没有任何限制条件，但是企业研究所通常要求对它们提供的化合物结构和测试结果遵守保密通常要求对它们提供的化合物结构和测试结果遵守保密协议。协议。NCI数据库中近一半的保密化合物公众无法获得。数据库中近一半的保密化合物公众无法获得。NCI数据库最大的特点是拥有与之相配套的对公众开放的数据库最大的特点是拥有与之相配套的对公众开放的实物库。一般情况下，在实物库。一般情况下，在NCI数据库中始终有约数据
26、库中始终有约60%的化的化合物实物储备。合物实物储备。ACD-3D数据库数据库 ACD-3D数据库是数据库是MDL数据库的一种，是用户检索化数据库的一种，是用户检索化学品供应商和价格信息的一种有效途径。目前，学品供应商和价格信息的一种有效途径。目前，ACD-3D包含从世界范围内的包含从世界范围内的651种化学品目录中收录的将近种化学品目录中收录的将近40万个化合物的信息，其中约万个化合物的信息，其中约33万个具有三维结构，万个具有三维结构，是目前世界上最大的可获取的商业化学品结构数据库。是目前世界上最大的可获取的商业化学品结构数据库。数据库每半年更新一次。数据库中的信息包含化学品数据库每半年更
27、新一次。数据库中的信息包含化学品的纯度、类型、等级、剂量和可比价格等。的纯度、类型、等级、剂量和可比价格等。2003年年MDL公司为了迎合高通量筛选而开发了数据库公司为了迎合高通量筛选而开发了数据库available chemicals directory 3D-screening（ACD-SC）。）。该库的数据主要来自于该库的数据主要来自于42个商业化学品供应商的产品目个商业化学品供应商的产品目录。这一数据库提供了化学品供应商所能够提供的超过录。这一数据库提供了化学品供应商所能够提供的超过200万个化合物的三维结构及相关信息。万个化合物的三维结构及相关信息。ACD-SC可以说可以说是是ACD
28、-3D的扩展，而且所有的化合物都可以找到相关的扩展，而且所有的化合物都可以找到相关购买信息。购买信息。MDL drug data report 3D（MDDR-3D）MDDR数据库是数据库是MDL数据库产品中的一种。它的数据数据库产品中的一种。它的数据来源包括来源包括1988年以来年以来11个国际专利部门的资料以及个国际专利部门的资料以及1500种期刊和种期刊和300种会议论文中出现的约种会议论文中出现的约100 000种与生物研种与生物研究相关的化合物及其衍生物。该数据库每月更新一次，究相关的化合物及其衍生物。该数据库每月更新一次，每年化合物增长规模在每年化合物增长规模在10 000种左右。
29、数据库中收录信种左右。数据库中收录信息的特点是包括生物活性和药理性质方面的数据。息的特点是包括生物活性和药理性质方面的数据。虚拟筛选的策略虚拟筛选的策略 二维分子数据库蛋白质 结构三维结构转化结构优化质子化/电荷归属结构优化构想产生数据归属确定结合位点分子对接打分评价并选择分子候选分子基于分子对接的虚拟筛选流程图基于分子对接的虚拟筛选流程图小分子数据库准备小分子数据库准备蛋白质结构准备蛋白质结构准备二维分子数据库二维分子数据库蛋白质结构蛋白质结构原子键类归属原子键类归属三维结构转化三维结构转化结构优化结构优化原子化电荷归属原子化电荷归属结构转化结构转化构象产生构象产生数据归属数据归属结合位点确
30、定结合位点确定网格构造网格构造分子对接分子对接打分打分评价选分子评价选分子类药性判断类药性判断侯选分子侯选分子虚拟筛选虚拟筛选后续分析后续分析高通量筛选和虚拟筛选方法的比较高通量筛选和虚拟筛选方法的比较 方法方法测试化合物数量测试化合物数量IC50100 mol/L命中数量命中数量IC5010 mol/L命中数量命中数量命中率命中率（%）高通量筛选高通量筛选4 000 0008560.021基于分子对接基于分子对接的虚拟筛选的虚拟筛选3651272134.8 Doman等以等以2型糖尿病的靶点型糖尿病的靶点蛋白酪氨酸磷酸酯酶蛋白酪氨酸磷酸酯酶1B（PTP1B）抑制剂的发现为例，比较了高通量筛选
31、和）抑制剂的发现为例，比较了高通量筛选和虚拟筛选方法。经过虚拟筛选后再进行生物学测试，其虚拟筛选方法。经过虚拟筛选后再进行生物学测试，其“命中率命中率”比随机的高通量筛选提高了比随机的高通量筛选提高了1700倍。倍。举例：雌激素受体调节剂举例：雌激素受体调节剂 英国英国Protherics分子设计公司发展了虚拟筛选方法分子设计公司发展了虚拟筛选方法Dock Crunch，以雌激素受体三维结构为靶标，筛选了含有，以雌激素受体三维结构为靶标，筛选了含有100多万个化合物的多万个化合物的MDL/ACD-SC数据库。根据虚拟数据库。根据虚拟筛选结果，购买了筛选结果，购买了37个化合物。药理测试显示，结
32、合个化合物。药理测试显示，结合常数常数Ki小于小于100nmol/L的化合物有的化合物有14个，有两个化合物个，有两个化合物活性在活性在nmol/L级别。级别。这些研究结果表明，与随机筛选相比，虚拟筛选可以成这些研究结果表明，与随机筛选相比，虚拟筛选可以成百上千倍地提高筛选效率。因此，用虚拟筛选方法进行百上千倍地提高筛选效率。因此，用虚拟筛选方法进行创新药物研究无论是在提高新药研究与开发的效率，还创新药物研究无论是在提高新药研究与开发的效率，还是在获得新结构活性化合物的速度方面，均具有十分重是在获得新结构活性化合物的速度方面，均具有十分重要的意义。要的意义。三、反向分子对接三、反向分子对接 2
33、001年反向分子对接（年反向分子对接（inverse docking）概）概 念的提出，念的提出，无疑为药物靶点发现掀起了一场新的革命。无疑为药物靶点发现掀起了一场新的革命。继继INVDOCK软件后，软件后，TarFis-Dock、PharmMapper等免费在线服务器为人们所熟知并逐渐得到认可。其等免费在线服务器为人们所熟知并逐渐得到认可。其方便快捷的预测功能为药物靶点的发现提供了至关重方便快捷的预测功能为药物靶点的发现提供了至关重要的作用，是药物研究与开发中不可或缺的重要工具。要的作用，是药物研究与开发中不可或缺的重要工具。反向分子对接是将一个生物学活性已知的化合物与给定反向分子对接是将一
34、个生物学活性已知的化合物与给定蛋白质数据库中的所有结合位点的三维结构进行对接，蛋白质数据库中的所有结合位点的三维结构进行对接，对于能够实现对接的蛋白质，再进一步通过实验方法来对于能够实现对接的蛋白质，再进一步通过实验方法来验证其作为该活性已知化合物作用靶点的可能性。验证其作为该活性已知化合物作用靶点的可能性。该技术能够高效、大规模进行靶点的确定和验证，预测该技术能够高效、大规模进行靶点的确定和验证，预测与毒性相关的靶点。与毒性相关的靶点。根据配体根据配体-靶点之间的匹配程度，反向分子对接可分为药靶点之间的匹配程度，反向分子对接可分为药效团模型法效团模型法（pharmacophore）、）、配体
35、相似法配体相似法（ligand similarity）和结合位点相似法和结合位点相似法（site similarity）等。等。反向分子对接流程示意图反向分子对接流程示意图第三节第三节 全新药物设计全新药物设计 全新药物设计也称为从头设计，它是根据靶点活性部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，通过计算机自动构建出结构与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体分子。化学性质互补的新配体分子。利用全新药物设计的方法通常能够在分子设计中引入利用全新药物设计的方法通常能够在分子设计中引入一些新的化学结构，从而帮助研究者突破原有的思想一些新的化学结
36、构，从而帮助研究者突破原有的思想束缚，提出全新的先导结构；但一般所设计的化合物束缚，提出全新的先导结构；但一般所设计的化合物通常需要研究者通过化学合成得到，因此设计人员一通常需要研究者通过化学合成得到，因此设计人员一般也应具有很好的有机化学和药物合成背景。般也应具有很好的有机化学和药物合成背景。全新药物设计的分类全新药物设计的分类 根据基本构建模块的产生方法不同，全新药物设计方根据基本构建模块的产生方法不同，全新药物设计方法又进一步可细分为模板定位法、原子生长法、分子法又进一步可细分为模板定位法、原子生长法、分子碎片法等，其中分子碎片法目前应用最为广泛。碎片法等，其中分子碎片法目前应用最为广泛
37、。模板定位法模板定位法 模版定位法是指在靶点活性部位用模板构建出一个形模版定位法是指在靶点活性部位用模板构建出一个形状互补的图形骨架，然后再根据其他性质如静电、疏状互补的图形骨架，然后再根据其他性质如静电、疏水和氢键性质，把图形骨架转化为一个个具体分子。水和氢键性质，把图形骨架转化为一个个具体分子。模板定位法设计配体示意图模板定位法设计配体示意图 原子生长法原子生长法 原子生长法是指在靶点活性部位根据静电、疏水和氢原子生长法是指在靶点活性部位根据静电、疏水和氢键相互作用，逐个添加原子，最终生长出与靶点活性键相互作用，逐个添加原子，最终生长出与靶点活性部位性质、形状互补的分子。部位性质、形状互补
38、的分子。原子生长法已发展成两种类型，第一种是从种子原子原子生长法已发展成两种类型，第一种是从种子原子开始生长原子，该种子原子为靶点活性部位易形成氢开始生长原子，该种子原子为靶点活性部位易形成氢键的原子，一般以氧、氮等作用起始原子起点；第二键的原子，一般以氧、氮等作用起始原子起点；第二种类型是从起始结构开始生长原子，该起始结构可以种类型是从起始结构开始生长原子，该起始结构可以是已知的底物或底物的一部分，它预先对接在靶点活是已知的底物或底物的一部分，它预先对接在靶点活性部位上。性部位上。分子碎片法分子碎片法 分子碎片法是指在靶点分子的活性部位，根据静电、疏分子碎片法是指在靶点分子的活性部位，根据静
39、电、疏水和氢键相互作用，以碎片为模板，逐步生长出性质与水和氢键相互作用，以碎片为模板，逐步生长出性质与形状互补的分子。这里指的碎片，是由单一官能团，如形状互补的分子。这里指的碎片，是由单一官能团，如羟基、羰基或苯环所构成。分子碎片法又分为碎片连接羟基、羰基或苯环所构成。分子碎片法又分为碎片连接法与碎片生长法两种。法与碎片生长法两种。分子碎片法进行药物设计的几种连接方式：分子碎片法进行药物设计的几种连接方式：+ONH单重连接NHO+双重连接N稠合N+三重连接+OO+OO应用举例：应用举例：FKBP-12配体的发现配体的发现 Agouroo Pharrnaoeutioals公司利用公司利用LUDI
40、进行了进行了FKBP-12配体的设计工作，以配体的设计工作，以FKBP-FKSO6复合物的晶体结构复合物的晶体结构作为起点，把作为起点，把FKS06从复合物中删除，采用从复合物中删除，采用LUDI程序程序来寻找和来寻找和FRBP的活性位点能形成匹配的分子片段。从的活性位点能形成匹配的分子片段。从LUDI计算所给出的多种可能的分子片段中发现计算所给出的多种可能的分子片段中发现a能够很能够很好地填充部分活性口袋，并和受体形成好的几何匹配和好地填充部分活性口袋，并和受体形成好的几何匹配和能量匹配。进一步的研究表明，配体分子的亚甲基上引能量匹配。进一步的研究表明，配体分子的亚甲基上引入酮基（化合物入酮
41、基（化合物b）后能与）后能与Ile56的氨基形成氢键。的氨基形成氢键。在此基础上，再一次利用在此基础上，再一次利用LUDI对配体分子进行生长。对配体分子进行生长。发现通过一个桥原子在化合物发现通过一个桥原子在化合物b的侧链上连接芳香环有的侧链上连接芳香环有利于提高活性。经反复比较，利于提高活性。经反复比较，LUDI的计算结果显示在的计算结果显示在芳香环的间位连上一个酚羟基能够和靶点芳香环的间位连上一个酚羟基能够和靶点Asp37形成静形成静电相互作用，有利于提高活性。研究人员合成了化合物电相互作用，有利于提高活性。研究人员合成了化合物c。生物活性测试结果表明，该化合物具有较好的活性，。生物活性测
42、试结果表明，该化合物具有较好的活性，Ki16 mol/L；而芳香环间位没有酚羟基取代的化合物；而芳香环间位没有酚羟基取代的化合物d的的Ki值仅为值仅为116 mol/L。第四节第四节 基于片段的药物分子设计基于片段的药物分子设计一、基于片段的分子设计原理与方法一、基于片段的分子设计原理与方法 基于片段的药物设计（基于片段的药物设计（fragment-based drug design，FBDD）是一种将随机筛选和基于结构的药物设计有机）是一种将随机筛选和基于结构的药物设计有机结合的药物发现新方法。结合的药物发现新方法。基于片段的药物设计方法首先筛选得到低分子量和低亲基于片段的药物设计方法首先筛
43、选得到低分子量和低亲和力的片段，然后基于药靶结构信息将片段进行优化或和力的片段，然后基于药靶结构信息将片段进行优化或连接，得到与药靶亲和力高并且类药性强的新分子。连接，得到与药靶亲和力高并且类药性强的新分子。基于片段的药物设计是为了克服传统高通量筛选的缺基于片段的药物设计是为了克服传统高通量筛选的缺陷而逐步发展起来的药物发现新方法。陷而逐步发展起来的药物发现新方法。缺点：高通量筛选盲目性大，命中率很低，对于部分缺点：高通量筛选盲目性大，命中率很低，对于部分药物靶点很难筛选得到理想的化合物，而且命中化合药物靶点很难筛选得到理想的化合物，而且命中化合物的类药性比较差。高通量得到的活性化合物的各个物
44、的类药性比较差。高通量得到的活性化合物的各个片段往往不能与靶蛋白的活性口袋很好地结合，而且片段往往不能与靶蛋白的活性口袋很好地结合，而且对其中的单个片段的优化往往会影响整个分子，甚至对其中的单个片段的优化往往会影响整个分子，甚至是与靶点结合位置的改变。是与靶点结合位置的改变。高通量筛选和基于片段药物设计比较高通量筛选和基于片段药物设计比较 一般来说，基于片段分子的设计研究可以分成三个阶段：一般来说，基于片段分子的设计研究可以分成三个阶段：片段筛选、片段与药靶复合物的结构确证和基于片段构片段筛选、片段与药靶复合物的结构确证和基于片段构建新分子。建新分子。1.片段库的建立片段库的建立 一个高质量的
45、片段库是进行基于片段药物设计的前提条一个高质量的片段库是进行基于片段药物设计的前提条件。构建片段库需要考虑三个因素：库容量、化学结构件。构建片段库需要考虑三个因素：库容量、化学结构多样性和类药性。多样性和类药性。2.结构信息的确定结构信息的确定 确定片段与药靶结合的结构信息对指导片段转化为先确定片段与药靶结合的结构信息对指导片段转化为先导化合物过程起到至关重要的作用。导化合物过程起到至关重要的作用。3.基于片段构建新分子基于片段构建新分子 基于片段分子设计的最终目标就是要发现高活性的先基于片段分子设计的最终目标就是要发现高活性的先导化合物甚至是候选药物，这就需要利用药靶活性位导化合物甚至是候选
46、药物，这就需要利用药靶活性位点与片段相互作用的结构信息，在片段基础上进一步点与片段相互作用的结构信息，在片段基础上进一步设计新的分子，以提高生物活性。设计新的分子，以提高生物活性。二、活性片段的检测技术二、活性片段的检测技术（一一）磁共振技术磁共振技术 利用利用NMR进行药物筛选的基本原理在于配体与生物大进行药物筛选的基本原理在于配体与生物大分子结合后，许多分子结合后，许多NMR参数（如化学位移等）会发生参数（如化学位移等）会发生改变，通过检测并分析这些数据，可以来判定配体是否改变，通过检测并分析这些数据，可以来判定配体是否与靶点结合、结合的强弱以及结合的模式。与靶点结合、结合的强弱以及结合的
47、模式。NMR筛选片段的方法一般可分为两种：检测配体的筛筛选片段的方法一般可分为两种：检测配体的筛选（选（ligand detection based screening，LDBS）和检测）和检测靶点的筛选（靶点的筛选（target detection based screening，TDBS）。）。1.检测配体的筛选检测配体的筛选 LDBS法的原理是化合物在强磁场辐射下，核跃迁为法的原理是化合物在强磁场辐射下，核跃迁为激发态，然后缓慢回复到基态并释放出相应的能量，激发态，然后缓慢回复到基态并释放出相应的能量，不同的核恢复到基态的时间不同，这个时间叫弛豫时不同的核恢复到基态的时间不同，这个时间叫
48、弛豫时间（间（relaxation time）。）。弛豫时间的长短与分子大小成反比，小分子的化合物弛豫时间的长短与分子大小成反比，小分子的化合物弛豫时间长，大分子的靶蛋白弛豫时间短，当药物与弛豫时间长，大分子的靶蛋白弛豫时间短，当药物与靶蛋白结合后就变成大分子，弛豫时间就会变短。靶蛋白结合后就变成大分子，弛豫时间就会变短。用用LDBS法进行化合物活性筛选时，首先用普通条件法进行化合物活性筛选时，首先用普通条件测定小分子化合物的测定小分子化合物的NMR谱，然后向小分子化合物中谱，然后向小分子化合物中加入靶蛋白，向磁共振仪引入一个适当的延时使靶蛋加入靶蛋白，向磁共振仪引入一个适当的延时使靶蛋白分子
49、不能被检测到，在这种条件下再检测一次。白分子不能被检测到，在这种条件下再检测一次。如化合物未与靶蛋白结合，它的如化合物未与靶蛋白结合，它的NMR谱仍可以被检测谱仍可以被检测到；如化合物与靶蛋白结合，就会成为蛋白的一部分，到；如化合物与靶蛋白结合，就会成为蛋白的一部分，其核的弛豫时间就会缩短而无法检测到它的其核的弛豫时间就会缩短而无法检测到它的NMR谱。谱。根据加入靶蛋白前后根据加入靶蛋白前后NMR谱的差异可计算出化合物与谱的差异可计算出化合物与靶蛋白的结合率。靶蛋白的结合率。这种筛选方法不仅可筛选纯化合物，而且还可筛选混这种筛选方法不仅可筛选纯化合物，而且还可筛选混合物，不管是天然提取的还是组
50、合化学合成的多组分合物，不管是天然提取的还是组合化学合成的多组分样品都可不经分离直接进行测定。样品都可不经分离直接进行测定。报告配体筛选方法（报告配体筛选方法（reporter ligand screening）可在一）可在一定程度上克服定程度上克服LDBS方法的缺陷。该方法的原理是在筛方法的缺陷。该方法的原理是在筛选样品中加入一个已知能与药靶某一区域具有弱结合的选样品中加入一个已知能与药靶某一区域具有弱结合的分子，称为报告配体或探针。分子，称为报告配体或探针。筛选样品中的片段分子可竞争性地与报告配体结合药靶，筛选样品中的片段分子可竞争性地与报告配体结合药靶，亲和力高于报告配体的片段分子被检测
