分子對接的原理,方法及應用

1、.分子對接的原理，方法及應用（PPT里弄一些分子對接的照片，照片素材文件里有）分子對接 是將已知三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中的分子逐一放在靶標分子的活性位點處。通過不斷優(yōu)化受體化合物的位置、構(gòu)象、分子內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)鍵的二面角和受體的氨基酸殘基側(cè)鏈和骨架， 尋找受體小分子化合物與靶標大分子作用的最佳構(gòu)象， 并預測其結(jié)合模式、親和力和通過打分函數(shù)挑選出接近天然構(gòu)象的與受體親和力最佳的配體的一種理論模擬分子間作用的方法。 通過研究配體小分子和受體生物大分子的相互作用，預測其親和力，實現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)的藥物設計的一種重要方法。原理：按照受體與配體的形狀互補，性質(zhì)互補原則，對于相關(guān)的受體按其三維結(jié)構(gòu)在小分子數(shù)據(jù)庫直接搜索可能

2、的配體，并將它放置在受體的活性位點處，尋找其合理的放置取向和構(gòu)象，使得配體與受體形狀互補，性質(zhì)互補為最佳匹配（配體與受體結(jié)合時，彼此存在靜電相互作用，氫鍵相互作用，范德華相互作用和疏水相互作用，配體與受體結(jié)合必須滿足互相匹配原則，即配體與受體幾何形狀互補匹配，靜電相互作用互補匹配，氫鍵相互作用互補匹配，疏水相互作用互補匹配）目的：找到底物分子和受體分子的最佳結(jié)合位置問題：如何找到最佳的結(jié)合位置以及如何評價對接分子之間的結(jié)合強度方法：1、首先建立大量化合物的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫2、將庫中的分子逐一與靶分子進行“對接”3、通過不斷優(yōu)化小分子化合物的位置以及分子內(nèi)部柔性鍵的二面角，尋找小分子化合物與靶標大

3、分子作用的最佳構(gòu)象，計算其相互作用及結(jié)合能4、在庫中所有分子均完成了對接計算之后，即可從中找出與靶標分子結(jié)合的最佳分子應用：1）直接揭示藥物分子和靶點之間的相互作用方式2）預測小分子與靶點蛋白結(jié)合時的構(gòu)象3）基于分子對接方法對化合物數(shù)據(jù)庫進行虛擬篩選，用于先導化合物的發(fā)現(xiàn)4）預測化合物的親和力及活性，用于先導化合物的優(yōu)化分子對接思想來源于“鎖和鑰匙”，但又比“鎖和鑰匙”復雜得多，表現(xiàn)在以下方面：1）藥物分子和靶酶分子是柔性的，這樣就要求在對接過程中要相互適應以達到最佳匹配2）分子對接不僅要滿足空間形狀匹配，還要滿足能量匹配，底物分子與靶酶分子能否結(jié)合以及結(jié)合的強度最終取決于形成此復合物進程的結(jié)

4、合自由能。分子對接的種類：1）剛體對接：對接過程中，研究體系的構(gòu)象不發(fā)生變化。適合考察比較大的體系，如蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)間以及蛋白質(zhì)與核酸間的對接2）半柔性對接：對接過程中，研究體系尤其是配體的構(gòu)象允許在一定的范圍內(nèi)變化。適合處理大分子和小分子間對接，對接過程中，小分子的構(gòu)象一般是可以變化的，但大分是剛性的3）柔性對接：對接過程中，研究體系的構(gòu)象是基本上可以自由變化的。一般用于精確考慮分子間的識別情況，由于計算過程中體系的構(gòu)象可以變化，所以計算破費最大分子對接中的問題：如何找到最佳的結(jié)合位置。 這牽涉到優(yōu)化的問題，底物分子和受體分子都是可以自由轉(zhuǎn)動和平動的，同時兩個分子自身的構(gòu)象也存在變化，因此它

5、們之間可能的結(jié)合方式是非常復雜的，常用的有遺傳算法、模擬退火以及禁忌搜索等如何確定對接分子間的結(jié)合強度。 這涉及到底物分子和受體分子間結(jié)合能力的預測，牽涉到結(jié)合自由能的計算。對接的基本類型：1）整體分子對接法：運用一種特定搜索算法考察配體分子在受體結(jié)合部位的能量，并找出對應給定評分函數(shù)的最優(yōu)結(jié)合方式2）基于片斷對接法：配體分子被視為若干片斷結(jié)構(gòu)的集合，先將其中一個或幾個基本片斷放入結(jié)合口袋，然后在活性部位構(gòu)建分子的其余部分，最終得到理論上最優(yōu)的結(jié)合方式幾種有代表性的分子對接方法 4.1 DOCK DOCK是Kuntz研究小組發(fā)展的分子對接程序，可能是目前應用最為廣泛的分子對接程序之一.它能自動

6、地模擬配體分子在受體活性位點的作用情況，并把理論預測最佳的方式記錄下來。而且該方法能夠?qū)ε潴w的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫進行自動搜索，因此被廣泛應用于基于受體結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫搜索的藥物設計中，并取得了巨大的成功。用DOCK進行藥物設計以及數(shù)據(jù)庫的搜索基本上可以分為下面幾個步驟:配體和受體相互作用位點的確定，評分系統(tǒng)的生成，DOCK計算及DOCK結(jié)果的處理與分析?；钚晕稽c的確定和表達是DOCK最重要的特點之一?；钚晕稽c特征的確定對于DOCK研究是非常重要的，因為配體分子和受體相互作用過程的模擬主要就是參考幾何位點的幾何特征進行的。在DOCK中，活性位點的確定通過sphgen程序來完成。DOCK軟件包中sphge

7、n程序生成受體表面所有的凹陷的負像，并對這些負像進行聚類分析。在DOCK程序中，表面點采用了Richards提出的模型。在這些表面點的基礎上，采用sphgen程序生成了負像，它實際上由一些與分子表面點相切的圓球疊加而成。 在生成負像的基礎上，就可以進行配體分子和活性口袋之間的匹配。在這里，配體也采用一組球集來表示，和負像不同的是，配體所用的球集表示配體所占的空間區(qū)域。如果配體分子能和活性口袋形成比較好的匹配，那么配體的球集一定能和活性口袋中的負像形成好的疊合。配體分子和負像之間的匹配原則是基于配體和受體之間球集的內(nèi)坐標的比較。 按照匹配原則得到了配體和受體之間的匹配情況之后.就要通過合理的得分

8、函數(shù)來選擇最優(yōu)的結(jié)果。DOCK提供了多種得分函數(shù)來評價配體和受體之間的結(jié)合情況，包括原子接觸得分以及能量得分。 DOCK進行分子對接時，配體分子可以是柔性的。對于柔性的分子，其鍵長和鍵角保持不變，但可旋轉(zhuǎn)二面角是可以發(fā)生變化的。在DOCK中，柔性分子的構(gòu)象變化通過下面的操作實現(xiàn):首先是剛性片斷的確定，然后是構(gòu)象搜索。構(gòu)象搜索采用兩種方法:一種是錨優(yōu)先搜索(anchor-first search),第二種方法是同時搜索(simultaneous search). 4.2 AUTODOCK AUTODOCK是Scripps的Olson科研小組開發(fā)的分子對接軟件包，最新的版本為3.05，AUTODO

9、CK采用模擬退火和遺傳算法來尋找受體和配體最佳的結(jié)合位置，用半經(jīng)驗的自由能計算方法來評價受體和配體之間的匹配情況。在AUTODOCK中，配體和受體之間結(jié)合能力采用能量匹配來評價。在1.0和2.0版本中，能量匹配得分采用簡單的基于AMBER力場的非鍵相互作用能。非鍵相互作用來自于三部分的貢獻:范得華相互作用，氫鍵相互作用，以及靜電相互作用。在3.0版中，AUTODOCK提供了半經(jīng)驗的自由能計算方法來評價配體和受體之間的能量匹配 在最早的AUTODOCK版本中，作者采用了模擬退火來優(yōu)化配體和受體之間的結(jié)合。在3.0版本中，Morris等發(fā)展了一種改良的遺傳算法，即拉馬克遺傳算法(LGA)。測試結(jié)果

10、表明，LGA比傳統(tǒng)的遺傳算法比模擬退火具有更高的效率。在LGA方法中，作者把遺傳算法和局部搜索(local search)結(jié)合在一起，遺傳算法用于全局搜索，而局部搜索用于能量優(yōu)化。在AUTODOCK中，局部搜索方法是自適應的，它可以根據(jù)當前的能量調(diào)節(jié)步長大小。LGA算法引入了拉馬克的遺傳理論，LGA最大的特點就是通過進化映射( developmental mapping ) 把基因型轉(zhuǎn)化為表現(xiàn)型而實現(xiàn)局部搜索和遺傳算法的結(jié)合?；蛐涂臻g通過遺傳算子突變和交叉來定義;而表現(xiàn)型則通過問題的解來定義，這里表示體系的能量得分。 4.3 FIexX FIexX 是德國國家信息技術(shù)研究中心生物信息學算法和

11、科學計算研究室的Matthias Rarey等發(fā)展的分子對接方法，現(xiàn)在己經(jīng)作為SYBYL分子模擬軟件包中的一個模塊實現(xiàn)了商業(yè)化。FIexX中結(jié)合了多種藥物設計的方法進行配體和受體之間的對接。在FIexX中，配體和受體之間結(jié)合情況的評價采用了類似Bbhm提出的基于半經(jīng)驗方程的自由能評價方法。在FlexX中，分子對接的流程主要分為下面的步驟: (1) 核心結(jié)構(gòu)確定 對接的第一步為核心片斷(base fragment)的選擇。核心片斷是指能對配體和受體之間相互作用起決定作用的基團，而且核心片斷的構(gòu)象要盡量少一些。核心基團的正確選擇對分子對接的計算結(jié)果有非常重要的影響。因為如果核心基團和受體之間不存在

12、明顯優(yōu)勢的相互作用時，則很難正確預測正確的結(jié)合模式。隨著核心基團的增加，則核心基團和受體之間的相互作用也會相應增強，那么結(jié)合模式準確預測的機會就會大大增加。因此在選擇核心基團時，核心基團包含的基團要盡量多一些。而且核心基團的構(gòu)象數(shù)要盡量少一些。當核心基團選定以后，就可以把配體分子劃分為多個片斷。 (2) (2)核心結(jié)構(gòu)的放置 當選擇好了核心基團以后，就要把核心基團放置在活性位點的正確部位。在放置核心基團的時候，F(xiàn)lexX采用了一種形態(tài)聚類算法(pose clustering algorithm)算法)，在這個算法中，一個核心基團可以看作為一個具有明確相互作用點的剛性物體，而受體分子的活性口袋也

13、可以看作為一個具有明確相互作用點的剛性物體。把核心基團放置在活性口袋中的過程就相當于把配體中的二個相互作用點疊合在活性位點的三個相互作用點上(假設這三個點不共線)。在匹配中，兩個三角形三個頂點所具有的相互作用特征應該是符合的，同時三角形對應邊長的差別應該在一定的范圍內(nèi)。放置核心結(jié)構(gòu)的第一步就是找出所有相匹配的這些三角形，而且對配體的位置進行坐標轉(zhuǎn)化。當所有的轉(zhuǎn)化完成以后，檢查配體是否和受體產(chǎn)生了碰撞，去掉一些不合理的核心結(jié)構(gòu)取向。對于得到這些核心結(jié)構(gòu)的可能位置，通過核心結(jié)構(gòu)空間的位置均方根位移(r.m.s.D )進行聚類分析。對應那些r.m.s.D值小于一定閥值的空間位置進行歸并，僅僅保留那些相差較大的空間位置。 HIV蛋白酶HIV蛋白酶是HIV產(chǎn)生的，這類蛋白酶專門負責病毒及其酶的前體清除工作，正是在這種酶的作用下產(chǎn)生了成熟的、易感染的病毒。Hiv病毒復制周期正常運轉(zhuǎn)和病毒毒粒成熟至關(guān)