計(jì)算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計(jì)

1、QSAR發(fā)展介紹及其應(yīng)用實(shí)例發(fā)展介紹及其應(yīng)用實(shí)例 QSAR分析方法及其進(jìn)展 分子對(duì)接技術(shù)的發(fā)展 三唑殺菌劑的三維定量構(gòu)效關(guān)系研究 三氮唑醇類抗真菌藥物的比較分子力場(chǎng)分析 1. QSAR分析方法 QSAR即結(jié)構(gòu) - 活性關(guān)系 ,即構(gòu)效關(guān)系 ,也就是化合物的結(jié)構(gòu)與其生物 活性之間的規(guī)律性關(guān)系。QSAR,就是對(duì)已知先導(dǎo)化合物的一系列衍 生物進(jìn)行定量的生物活性測(cè)定 ,分析衍生物的主要理化參數(shù)和生物 活性的關(guān)系 ,建立結(jié)構(gòu) - 活性數(shù)學(xué)模型 ,并以這種數(shù)學(xué)模型來指導(dǎo)藥 物分子設(shè)計(jì)。 應(yīng)用： 產(chǎn)生先導(dǎo)化合物 優(yōu)化先導(dǎo)化合物 從分子水平和亞分子水平上闡明作用機(jī)制 分析方法分類 1.1 取代基多參數(shù)法 ( H

2、ansch法 ) 應(yīng)用最廣泛、理論最完善而被奉為經(jīng)典的 QSAR方法 log1 /c= K 1 2 + K 2 + K 3 + K 4 Es+ K 5 + K 1 K 5 均為常數(shù) c 是指藥物產(chǎn)生一定生物活性 (如 IC50、 LD50 、最低致死量MLC)的濃度 為取代基的疏水性參數(shù) ,根據(jù)取代化合物及其母體在正辛醇及水中的分配 系數(shù)而推導(dǎo)出來 是取代基的電性參數(shù) ,通常采用 Hammett常數(shù) Es則表示取代基的空間位阻參數(shù) ( Taft常數(shù) ) 1.2 Free-Wilson法 Free-Wilson法又稱“數(shù)學(xué)模型”、“加和模型”、“全新途徑” Free- Wilson法認(rèn)為 ,藥物

3、分子中的某一結(jié)構(gòu)碎片 (X)或結(jié)構(gòu)因素 ( F)在某一特定位 置對(duì)生物活性有特定貢獻(xiàn) ( G)。這些特定貢獻(xiàn)具有加和性 ,其和就等于化合 物的生物活性( log1/c): Log1/c= A+ GirXir+ GjsFjs A 參比化合物的生物活性 Xir 第 i個(gè)結(jié)構(gòu)碎片在 r位置上存在 ( = 1)或不存在 (= 0) Fjs 第 j個(gè)結(jié)構(gòu)因素在 s位置上存在 (= 1)或不存在 (= 0) Gir和 Gis分別為 Xir和 Fjs對(duì)生物活性的貢獻(xiàn) 1.3 分子軌道法 ( MO) 對(duì)于兩個(gè)電子以上的多電子體系 ,只能通過原子軌道法或分子軌道法 ( Molecular orbital,MO)

4、得到近似解。 目前在構(gòu)效關(guān)系分析中運(yùn)用的都是分子軌道 法。量子化學(xué)參數(shù)進(jìn)行多重回歸分析。量子化學(xué)理論在 QSAR研究中常用的方法 包括:經(jīng)驗(yàn)法半經(jīng)驗(yàn)法非經(jīng)驗(yàn)法 運(yùn)用分子軌道法研究構(gòu)效關(guān)系 ,可以通過研究藥物的電子結(jié)構(gòu) ,確定尚不清楚 的受體活性中心的反應(yīng)性能 ,估計(jì)有關(guān)受體的活性基團(tuán) ,預(yù)測(cè)活性更強(qiáng)的化合物 , 推斷藥物的穩(wěn)定構(gòu)象 ,從而找到受體構(gòu)象 ,闡明藥理作用機(jī)制。 1.4 距離比較法 ( DISCO) 對(duì)于同一受體 ,一系列化合物共有的原子或基團(tuán)對(duì)于分子與受體的結(jié)合起重要 作用 ,這些原子或基團(tuán)的集合就是藥效基團(tuán) ( Pharmacophore) ,其空間分布即構(gòu) 成了三維藥效基團(tuán) D

5、ISCO法的主要計(jì)算步驟可分為: 1)選取一組與受體具有相同結(jié)合方式的活性化 合物;2)在整個(gè)構(gòu)象空間內(nèi) ,搜索每個(gè)化合物可能存在的一系列低能構(gòu)象 ( Local minimum)組成的構(gòu)象集; 3)識(shí)別并標(biāo)記各種分子中的特征原子部位 (即特征基 團(tuán) ); 4)選取活性最高分子的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象作為分子間距離比較的模板; 5)指定分子 特征匹配參數(shù) ,進(jìn)行簇檢驗(yàn) ,得出模型; 6)根據(jù)計(jì)算和構(gòu)象的實(shí)際迭合情況 ,確定 合理的藥效團(tuán)模型; 7)根據(jù)藥效團(tuán) ,在小分子三維庫中尋找具有給定藥效團(tuán)的配 體分子。 1.5 比較分子力場(chǎng)分析法 ( CoMFA) 比較分子力場(chǎng)分析法 ( Comparism mole

6、cular field analysis, CoM FA)主要是通過計(jì)算一 定空間網(wǎng)絡(luò)中各系列化合物和各種探針原子或基團(tuán) ( H+, CH 3 , CH 3 -, -OH等 )作用的 立體場(chǎng)和靜電場(chǎng) ,建立三維模型 ,從而定量預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)化合物的活性 ,確定下一步合成對(duì) 象。 它假設(shè)藥物分子與受體的作用是非鍵作用 ,活性區(qū)域立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)分布的不 同可以解釋藥物分子之間生物活性的不同。 如果數(shù)據(jù)質(zhì)量較高 ,一般可得到預(yù)測(cè)能力較強(qiáng)的模型 ,因此在國(guó)際上得到了廣泛應(yīng)用 CoMFA法充分考慮了藥物分子與受體在三維空間的互補(bǔ)性 ,彌補(bǔ)了 Hansch方法的不 足 ,但該方法所使用的潛參數(shù)缺乏明確的物理化學(xué)

7、意義 ,且無法給出定量的概念。 這 正是Hansch 法的優(yōu)點(diǎn)。因此 ,通常是將 CoM FA與 Hansch法結(jié)合使用 1.6 分子模擬法 ( MS) 相似化合物表現(xiàn)相似活性是分子模擬法 ( Molecular similarity, MS)的原理基礎(chǔ)。分子模擬法中的 分子模擬參數(shù) ,是以分子三元性質(zhì)相似性作為表現(xiàn)點(diǎn) ,而此點(diǎn)正是3D-QSAR 應(yīng)用時(shí)的關(guān)鍵之點(diǎn)。 1.7 分子對(duì)接法 ( MD) 隨著 X射線衍射及核磁共振等技術(shù)的發(fā)展 ,越來越多的生物大分子的三維結(jié)構(gòu)被測(cè)定出來?；谑?體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)也就更具有現(xiàn)實(shí)意義 ,由此成功地創(chuàng)制了許多藥物。 分子對(duì)接法 ( Molecular do

8、ck, MD)就是基于受體三維結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)方法 ,將小分子配體放置于受體 的活性位點(diǎn)處 ,并尋找其合理的取向和構(gòu)象 ,使配體與受體的形狀和相互作用匹配最佳。這種方法從 整體上考慮配體與受體的效果 ,能比較好地避免其它方法中容易出現(xiàn)的局部作用較好而整體欠佳的 情況;小分子配體基本上來自現(xiàn)有化合物數(shù)據(jù)庫或制藥公司的法人數(shù)據(jù)庫 ,合成路線比較成熟 ,且其 中很大一部分可以向供應(yīng)商定購。 按分子對(duì)程序?qū)ふ遗潴w與受體結(jié)合構(gòu)象的方法的差異 ,可以將分子對(duì)接程序分為 局部?jī)?yōu)化法、深度搜索法和全局優(yōu)化法。 常用的程序包括 Sybyl中的 Docking模 塊 ,可用于計(jì)算配體與受體之間的相互作用 ,也可用于

9、復(fù)合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 DOCK程序則由開始時(shí)只考慮配體與受體之間的剛性形狀對(duì)接 ,到采用分子力場(chǎng)勢(shì)能 函數(shù)作為評(píng)價(jià)函數(shù) ,至最新版 DOCK 4. 0開始考慮配體的柔性。 AutoDock則考慮了小 分子配體的柔性 ,在進(jìn)行配體取向和構(gòu)象搜索時(shí) ,采用模擬退火和遺傳算法來尋找最 優(yōu)結(jié)合取向和構(gòu)象。 Flex X是一種快速、精確的柔性對(duì)接算法 ,在對(duì)接時(shí)考慮了配體 分子的許多可能構(gòu)象 , FlexDock則同時(shí)考慮了配體與受體的柔性 ,并采用遺傳算法對(duì) 它們的結(jié)合構(gòu)象進(jìn)行優(yōu)化 1.8 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 ( ANN) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ( Artificial neural networks, ANN)是對(duì)

10、生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬和抽象 ,是一 種由大量基本信息處理單元通過復(fù)雜的連接而構(gòu)成的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng) ,具有并行 性、容錯(cuò)性、非線性和自學(xué)習(xí)性等特點(diǎn) ,可以反映復(fù)雜的構(gòu)效關(guān)系 ,近年來在藥物設(shè) 計(jì)中應(yīng)用頗多。 1.9 Leapfrog法 Leapfrog法是一種第二代的從頭藥物設(shè)計(jì)法。 它以受體的三維結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ) ,結(jié)合了許多先進(jìn)的藥物設(shè) 計(jì)學(xué)者在實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)和方法以及最新的思想。 這種方法根據(jù)小分子化合物與藥物受體作用的 結(jié)合能 ( Binding energy)大小 ,尋找最佳配體 ,受體分子三維結(jié)構(gòu)可以直接自大分子庫中輸入 ,也可從 CoM FA模型中反推出空間起作用的受體位點(diǎn) ,可根據(jù)需

11、要在特定狀態(tài)下設(shè)計(jì)新的先導(dǎo)物 ,也可用多種 方法修飾改造分子三維結(jié)構(gòu) ,然后計(jì)算與受體作用的結(jié)合能大小 ,或者加入設(shè)計(jì)者關(guān)心的合成難度、 穩(wěn)定性等因素 ,評(píng)價(jià)所預(yù)測(cè)的化合物 ,也可對(duì)已有先導(dǎo)化合物提出改進(jìn) ,從三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中尋找出更 加匹配的配體分子。 Tripos 公司還將 CoMFA 與 Leapfrog 聯(lián)用 ,將CoMFA力場(chǎng)分布作為假想受體模型 ,進(jìn)行新化合物 設(shè)計(jì)和先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)改造 QSAR還有許多別的方法 ,如將構(gòu)象分析與 Hansch法相結(jié)合的分子形狀分析法 ( Molecular shape analysis, M SA)、距離幾何法 ( Distance geomet

12、ry, DG) 等 ,在此不一一介紹。 QSAR涉及 許多學(xué)科 ,特別是與量子化學(xué)、分子力學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、分子生物 學(xué)等有密切聯(lián)系。 隨著相關(guān)學(xué)科的深入發(fā)展 , QSAR研究中經(jīng)典的、傳統(tǒng)的方法將不斷完善 , 新方法會(huì)層出不窮 ,各種方法也因出發(fā)點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)不同而相互交叉滲透。 人們?yōu)榱烁旖荨?更全面地獲得所需信息 ,實(shí)際應(yīng)用時(shí)也必然將各種方法有機(jī)地結(jié)合使用。 同時(shí) ,我們還必須看到 ,對(duì)于許多分子內(nèi)的效應(yīng) ,如誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng) ,尚無精確方法 ,許多基 團(tuán)參數(shù)尚無可查 ,因此 ,經(jīng)常無法進(jìn)行 QSAR分析。各種模擬結(jié)果也未必是最佳的合成分子 ,因 為還要涉及到合成的難

13、易程度等。且最佳未必就是最現(xiàn)實(shí)、最經(jīng)濟(jì)。此外 ,活性成分分離、 生物活性測(cè)定和作用機(jī)制研究等仍是必不可少的基礎(chǔ)工作 , QSAR并不能解決藥物設(shè)計(jì)創(chuàng)制中 的一切問題。 2.分子對(duì)接 分子對(duì)接技術(shù)( Molecular Docking) 作為計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的一種主要方法， 目前已被廣泛應(yīng)用于新藥研發(fā)的多個(gè)環(huán)節(jié)分子對(duì)接是通過小分子配體與受 體生物大分子的相互作用，預(yù)測(cè)其結(jié)合模式及親合力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)的 藥物設(shè)計(jì)的一種重要方法，其本質(zhì)是兩個(gè)或多個(gè)分子之間相互識(shí)別的過程， 該過程涉及分子之間的空間匹配和能量匹配 分子對(duì)接技術(shù)作為計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域的極其重要的 方法，不僅可以研究藥物分子及其

14、靶標(biāo)之間的詳細(xì)相互作 用，還可以用來發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化藥物先導(dǎo)物 “鎖 鑰模型( lock-key model) ” “誘導(dǎo)契合學(xué)說( induced fit the- ory) ” 分子對(duì)接方法分類 剛性對(duì)接 即在對(duì)接計(jì)算的過程中，參與對(duì)接的分子的構(gòu) 象并不發(fā)生變化，只有分子的空間位置和姿態(tài)發(fā)生 變化 由于在剛性對(duì)接中，受體和配體的空間形狀 均被視為固定不變的，所以該方法簡(jiǎn)化程度較高，并 且計(jì)算難度和計(jì)算量都較小，故適用于處理結(jié)構(gòu)比 較大的分子 柔性對(duì)接 在對(duì)接計(jì)算過程中，允許配體和受體的構(gòu)象 發(fā)生自由的變化，由于變量隨著體系的原子數(shù)呈幾 何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，因此柔性對(duì)接方法對(duì)計(jì)算機(jī)軟件、硬 件系統(tǒng)要求都比

15、較高，還要求高精度的分子構(gòu)象， 因此其計(jì)算量非常大，耗時(shí)也較多，得到的對(duì)接精 度也比較高，適用于精確考察分子間的識(shí)別情況 最具代表性的分子對(duì)接軟件是 FlexX 2.三唑殺菌劑的三維定量構(gòu)效關(guān)系研究 利用限制性構(gòu)象搜尋確定了三唑殺菌劑 13 個(gè)化合物的重疊規(guī)則, 并利用比較分子力場(chǎng)分析 ( CoMFA) 方法進(jìn)行了三維定量構(gòu)效關(guān)系( QSAR) 研究, 得到了具有較強(qiáng)預(yù)測(cè)能力的 QSAR 模型 三唑類化合物就屬 DMI 型殺菌劑. 其基本作用方式是通過 N-雜環(huán)自由電子束縛與甾醇 14 -脫甲 基酶相關(guān)的細(xì)胞色素 P450 的血紅素鐵來抑制甾醇合成 利用 CoMFA 5 方法研究分子三維構(gòu)效關(guān)

16、系的關(guān)鍵是藥效團(tuán)模型或重疊規(guī)則的確定 . 當(dāng)配體 與受體結(jié)合時(shí), 二者的構(gòu)象均可能發(fā)生變化. 由 X 射線衍射所測(cè)定的配體晶態(tài)時(shí)的構(gòu)象或經(jīng)分子力 學(xué)優(yōu)化所得最低能量構(gòu)象并不一定就是配體與受體作用時(shí)的藥效構(gòu)象( 活性構(gòu)象) . 本文采用限制性 構(gòu)象搜尋方法 2.1藥效團(tuán)模型 這一方法的基本出發(fā)點(diǎn)是: 既然一組化合物( 包括不同類型) 對(duì)同一受體有相同的抑制作用, 按照配體與 受體相結(jié)合時(shí)的形狀互補(bǔ)學(xué)說( 即瑣匙關(guān)系) ,這一組化合物在其構(gòu)象空間就應(yīng)該存在相同或至少是相似 的共同構(gòu)象 ,這一共同構(gòu)象即應(yīng)為與受體相互作用時(shí)的藥物構(gòu)象 . 對(duì)研究的 13 種化合物進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)均有如圖 所示的相似骨架

17、 . 選擇圖中標(biāo)星 號(hào)的原子,并以原子間的距離 r1, r2, r3, r4, r5 為限制 ,進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)象搜尋, 即尋找 13 個(gè)化合物分子中具有相同 r1, r2 ,r3, r4, r5 值的構(gòu)象 以此圖為限制條件 ,對(duì)其它分子進(jìn)行限制性系統(tǒng)構(gòu)象搜尋13 個(gè) 分子均得到“一個(gè)”構(gòu)象, 即相對(duì)于距離空間的唯一構(gòu)象由此 得到了 13 個(gè)分子的共同構(gòu)象 2.2 CoMFA 計(jì)算 在CoMFA 分析中 ,空間場(chǎng)和靜電場(chǎng)能的閾值均為 30 kcal/mol ,選取依距離的變化介電常數(shù)( 1/ r) . 采用不同大小的計(jì)算區(qū)域, 不同步長(zhǎng) , 不同探針原子進(jìn)行了多次交叉驗(yàn)證偏最小二乘計(jì)算( LOO) . 從各次所得 r 2 ( PRESS) 值及最佳組成份數(shù)的比較中 ,最后確定計(jì)算空間 表 1 列出了 13種市售三唑殺菌劑抑制灰葡萄孢活性的實(shí)驗(yàn)值 ,CoMFA 計(jì)算值及殘差 2.3 結(jié)論 從 CoMFA 模型的空間場(chǎng)和靜電場(chǎng)能所占比例可以看出 ,立體能對(duì)抑制灰葡 萄孢活性起主要作