藥物設計學：基于結構的藥物設計

1、基于結構的藥物設計Structure-based drug designSBDD 主要內容第一節(jié) 概述 第二節(jié) 計算機輔助藥物設計的基本理論和技術第三節(jié) 基于靶點結構的藥物設計第四節(jié) 基于配體結構的藥物設計第一節(jié) 概述1.1 受體理論和藥物受體相互作用1.2 藥物結構與生物活性的關系1.3 基于結構的藥物設計1.1 受體理論和藥物-受體相互作用受體：能識別和結合生物活性物質，并產(chǎn)生 生物效應的結構。生物活性物質：內源性活性調節(jié)物：維持機體機能的基本生理機制。外源性藥物：干預機體生理生化作用。外源性藥物受體激動劑（agonist）：藥物與內源性物質一樣，產(chǎn)生相似的生物作用。受體拮抗劑（antag

2、onist）：藥物與受體結合后阻礙了內源性物質與受體結合，而導致生物作用的抑制。1.1.1 藥物-受體相互作用空間形狀契合 形狀互補誘導契合* 通過各自的變構作用形狀互補相互作用力契合 性質互補A.空間形狀契合： 受體生物大分子的結構具有不對稱性，藥物和受體的形狀互補才能結合起效。腎上腺素能激動- 和- 腎上腺素受體而異丙腎上腺素僅能激動-腎上腺素受體腎上腺素異丙腎上腺素立體因素的影響 藥物多種對應異構體中只有一個能與受體發(fā)生特異性結合。 -OH的立體結構對活性影響顯著，-碳為R構型的腎上腺素左旋體是-碳為S構型的右旋體的12倍。一個對映體完全占據(jù)受體結合部位 另一個對映體僅能部分匹配B. 誘

3、導契合(induced-fit) 受體與配體相互作用時，受體結合部位受藥物的誘導而發(fā)生構象的變化；柔性的藥物分子也會發(fā)生構象變化，產(chǎn)生可逆的、互補性的契合，即為誘導契合。C.相互作用力契合化學反應（即成鍵）、分子間作用力（即締合）藥物-受體相互作用力的類型和性質：共價鍵離子鍵氫鍵疏水鍵離子偶極鍵范德華力偶極偶極誘導偶極 有機磷殺蟲劑可以將乙酰膽堿酶中的絲氨酸殘基的羥基酯化，使其失去水解乙酰膽堿的活性。共價鍵（covalent bond）：兩個或多個原子共同使用它們的外層電子，達到電子飽和的狀態(tài)，由此組成比較穩(wěn)定的化學結構。有機磷類脫磷?；庾饔闷渲蠵X：代表有機磷酸酯殺蟲劑 ； X：代表脫離

4、基；PE：磷?；福磻娜綖椋海?）形成可逆性復合體（在酶的陰離子部位）。（2）磷?；磻?。有機磷是通過?；磻a(chǎn)生對AchE的抑制作用。（3）酶的復活。范德華力 (van der Waals force, VDW)分為三種作用力：色散力、誘導力和取向力色散力：所有分子或原子間都存在。分子由于電子的運動產(chǎn)生的的瞬時偶極間的作用力。 分子的變形性越大(一般分子量愈大，變形性愈大)，色散力越大。 分子的電離勢越低(分子內所含的電子數(shù)愈多)，色散力越大。取向力（orientation force）取向力發(fā)生在極性分子極性分子之間。 當極性分子互相接近時，分子的永久偶極之間同極相斥、異極相吸，使分

5、子在空間按一定取向排列吸引，而處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。這種永久偶極間的吸引力稱為取向力。 取向力與分子的偶極矩平方成正比，即分子的極性越大，取向力越大。 誘導力（induction force）：在極性分子非極性分子之間，極性分子極性分子之間，都存在誘導力。 極性分子與非極性分子接近時，極性分子的永久偶極產(chǎn)生的電場使非極性分子極化產(chǎn)生誘導偶極。永久偶極與誘導偶極間的吸引力稱為誘導力。誘導力同樣存在于極性分子之間，對極性分子來說，誘導力是附加的取向力。疏水鍵（hydrophobic bond）：疏水鍵的本質跟兩個基團的疏水性有關，并非兩個集團之間的共價或非共價作用，就是兩個集團的某區(qū)域都對水有排斥作用

6、所以將兩個基團連接在一起。氫鍵（hydrogen bond）：氫原子與負電性雜原子共價結合，與另一具有未共用電子對的雜原子形成一種弱的靜電引力。氫鍵氫鍵離子鍵（ionic bond, ion-ion bond） 兩個具有相反電荷的離子間的靜電引力。偶極-偶極作用（dipole-dipole interaction）在藥物和受體分子中，當碳原子和其他電負性較大的原子，如N、O、S、鹵素等成鍵時，由于電負性較大原子的誘導作用使得電荷分布不均勻，導致電子的不對稱分布，產(chǎn)生電偶極。極性分子本身存在的偶極，是固有偶極。誘導偶極作用（induced dipole interaction）極性分子對非極性分

7、子或極性分子誘導產(chǎn)生的偶極。 離子-誘導偶極作用（ion-induced dipole interaction) 藥物分子的偶極受到來自生物大分子的離子吸引，而產(chǎn)生相互作用，這種相互作用對穩(wěn)定藥物受體復合物起到重要作用，但是這種離子-偶極的作用比離子產(chǎn)生的靜電作用要弱得多。離子-偶極、偶極-偶極相互作用的例子通常見于羰基類化合物。 1.2 藥物的結構與生物活性的關系(SAR)結構性質分子體積電荷分布立體結構1.2.1 藥效基團（pharmacophore或biophore）指一系列生物活性分子所共有的、對藥物活性起決定作用的分子片段及其三維空間位置結構特征。能被受體所識別、與受體受點結合起關鍵

8、作用。當與受體受點結合后，產(chǎn)生特定的生理活性。具有類似結構的化合物往往有著相近的藥理作用。沙可來新 嘧啶苯芥雙- 氯乙氨基阿片類止痛藥的藥效基團1.2.2 毒性基團(toxicophore)在一些藥物中，如果藥效基團所產(chǎn)生的生物效應為毒性反應，該基團為毒性基團。毒性基團往往存在于對病原體（微生物或癌細胞）的化學治療藥物中，毒性的選擇性越好，則藥物越安全。其他類藥物應避免有毒性基團或潛在的毒性基團（能在體內經(jīng)轉化生成毒性基團）的存在。1.2.3 藥動基團(kinetophore)藥物中參與體內藥物的吸收、分布、代謝和排泄（ADME）過程的基團，它本身不具有顯著的生物活性，決定著藥物的藥動學性質。

9、藥動基團通常是模擬自然界存在的物質，比如氨基酸、磷酸基、糖基等生物代謝基本物質，經(jīng)化學鍵與藥效基團結合，使藥物分子具易被轉運的性質。它可改變藥物在體內的轉運，或使作用定位化。沙可來新 嘧啶苯芥雙- 氯乙氨基1.2.4 藥物構象優(yōu)勢構象：在有機化合物分子中，碳-碳單鍵的自由旋轉，引起結合在碳原子上的原子或基團的相對位置發(fā)生改變，產(chǎn)生若干種不同的空間排布方式，稱為該分子的構象。其中，能量最低的構象最穩(wěn)定，稱為優(yōu)勢構象。 活性構象：藥物為了與受體的結合部位結合而發(fā)生的構象重組，形成能量較高的特定構象模式，即活性構象。藥效構象：藥物分子與受體結合時所采取的實際構象，并不一定采取它的優(yōu)勢構象，實際構象為

10、藥效構象。藥效構象(pharmacophoric conformation)1.3 基于結構的藥物設計間接藥物設計 直接藥物設計 第二節(jié) 計算機輔助藥物設計Computer-Aided Drug Design 主要內容2.1 計算機輔助藥物設計2.2 計算機輔助藥物設計所依賴的理論和技術2.3 計算機輔助藥物設計的意義2.4 CADD的基本理論和技術2.1 計算機輔助藥物設計 利用計算機的計算、邏輯判斷、圖形顯示等功能進行合理藥物設計。特點：由經(jīng)典的定量構效關系發(fā)展為三維定量構效關系。設計中浩繁的計算、數(shù)據(jù)的存儲和處理、顯示、預測等，均由計算機來完成。將藥物-受體作用可視化。 2.2 計算機輔

11、助藥物設計所依賴的理論和技術計算機輔助病因和靶點的確認 化合物分析制備 分子模建 2.3 計算機輔助藥物設計的意義指導有目的地開發(fā)新藥，減少盲目性和偶然性。加快研制新藥速度，節(jié)省人力、物力和財力。為研究者提供理論思維形象化的表達，直觀設計，理解和解釋實驗結果。局限： 只是輔助性工具，仍需研究者的經(jīng)驗判斷和指導。2.4.1 三維結構的理論計算方法2.4 CADD的基本理論和技術量子化學(quantum chemistry)1913年Bohr提出：原子中的電子只能處于包含基態(tài)在內的定態(tài)上，電子在兩個定態(tài)之間躍遷而改變它的能量，同時輻射出一定波長的光，光的波長取決于定態(tài)之間的能量差量子論量子力學研究

12、微觀粒子（電子、原子、分子）運動規(guī)律的理論。它用波函數(shù)描寫粒子的運動狀態(tài)，以薜定諤方程確定波函數(shù)的變化規(guī)律并對各物理量進行計算。量子化學以量子力學的基本原理和方法來研究化學問題的學科。它從微觀角度對分子的電子結構、成鍵特征和規(guī)律、各種光譜和波譜以及分子間相互作用進行研究并藉此闡明物質的特性以及結構和性能的關系等。 計算方法：從頭計算法 半經(jīng)驗計算法量子化學可計算出分子的各種參數(shù)： 分子結構、電子結構、系統(tǒng)總能量、各個軌道的分子信息。從頭計算法（ab initio methods） 以基本物理常數(shù)以及元素的原子序數(shù)，不借助于任何經(jīng)驗參數(shù)，求解薜定諤方程(Schrdinger Equation)

13、計算結果精度高，可靠性大，但是計算量極大，消耗計算機時太多 從頭計算法的軟件有Gaussian，SPARTAN等半經(jīng)驗計算法（semiempirical methods） 采用實驗值擬合的經(jīng)驗參數(shù)，大大提高計算速度，計算精度較差。 半經(jīng)驗計算法的軟件有：MOPAC和AMPAC等。量子化學計算的優(yōu)缺點可計算出分子的理化參數(shù)、分子結構的電子分布和易與親電試劑或親核試劑反應的部位。 只適用于計算分子量較小分子，計算時間長分子力學( molecular mechanics) 基于經(jīng)典牛頓力學方程的一種計算分子的平衡結構和能量的方法。 在分子中原子間存在化學鍵，具有標準的鍵長、鍵角等，分子內還存在非鍵相

14、互作用。分子調整自身構象以盡量給出原子位置的最佳排布。 由于計算量小，分子力學可研究包括成千上萬個原子的分子體系，包括有機小分子、生物大分子。力場總能量，即分子總能量= 鍵合作用+ 非鍵作用鍵合能的構成:力場的總能量，即分子總能量Etotal：Etotal = Ec + Eb + Et + Ev + Eh + Ee + EdEc 鍵的伸縮能(compression energy)Eb 鍵角的彎曲能(bending energy)Et 鍵的二面角扭轉能(torsional energy)Ev 范德華作用能（van de Waals energy）Eh 氫鍵作用能( hydrogen bondin

15、g energy) Ee 靜電作用能(electrostatic energy)Ed 偶極作用能(dipole energy)分子力學計算的優(yōu)缺點 可計算出分子的總能量計算速度快 計算優(yōu)勢構象時易于陷于局部最小的能量分子動力學(molecular dynamics) 原子在某一時刻由于運動而其坐標發(fā)生變化。以原子的牛頓運動方程計算每一原子的位置、作用力和加速度，按照分子瞬時運動狀態(tài)，模擬分子運動的過程。 計算體系的熱力學量和其他宏觀性質。 分子處于系列構象的互變平衡之中。分子起功能作用時往往伴隨著構象的運動。分子動力學是研究分子構象及其它性質隨時間變化的重要工具。 計算機模擬的柔性分子低能構象

16、2.4.2 構象空間搜尋方法體系能量的變化在一個多維的面上運動，這個面稱為勢能面(energy surface)系統(tǒng)搜尋法系統(tǒng)地搜尋整個構象空間，尋找能量最低點。在搜尋條件內不會遺漏一個構象。最基本的系統(tǒng)搜尋法是網(wǎng)格搜尋（gridsearch），也稱樹狀搜尋（tree search）。非系統(tǒng)搜尋法分子動力學法 搜尋構象空間，勢能的波動對應著分子構象的變化，當總能量出現(xiàn)最小值時，求得低能構象。蒙特卡洛方法（Monte Carlo Method） 一種統(tǒng)計抽樣方法，在求解的空間中隨機采樣并計算目標函數(shù)，以在足夠多的采樣點中找到一個較高質量的最優(yōu)解作為最終解。模擬退火法(simulated anne

17、aling algorithm) 先升溫，高溫下分子動力學模擬，分子體系有足夠的能量，搜尋全部構象空間。在構象空間中選出一些能量相對極小的構象，然后逐漸降溫，再進行分子動力學模擬，在極小化后去除能量較高的構象，最后可以得到全局優(yōu)勢構象。2.4.3 分子三維結構測定X射線晶體學核磁共振藥物分子結構生物大分子結構生物大分子-配體復合物結構X射線晶體學(X-ray crystallography) 通過對衍射的位置、強度計算，讀出原子坐標值，解析結構得到晶體空間結構, 計算機分子模型技術可將上述數(shù)學數(shù)值和符號轉化為高分辨率的分子?；衔餃y定須得到單晶蛋白質結晶蛋白質-藥物復合物結晶X射線晶體學測得的

18、是晶體狀態(tài)下的優(yōu)勢構象核磁共振技術(NMR)可測定溶液中分子結構優(yōu)勢構象，更好代表生物環(huán)境下的分子，還能研究動力學特征?？傻玫降鞍踪|或核酸與藥物相互作用的構象。2.4.4 分子模擬（molecular modeling，MM）利用計算機圖形學進行分子模擬的技術（computer 、aided molecular modeling, CAMM）為三維結構研究的有效手段利用計算機來構造、顯示、分析和貯存復雜的分子模型，提供直觀的分子立體形象觀察分子間的相互作用。表示分子結構的實體模型分子結構的計算機分子模型特點以各種不同的方式顯示在屏幕上隨心移動分子 圍繞假定的軸旋轉 翻轉并移向某個部位 可使特定

19、的鍵轉動在屏幕上隨心操作分子 剪裁、連接、裝配、組合、建造、疊合計算分子的性質 原子間距、角度、分子體積、表面積、分子形狀 分子的電子特性、氫鍵、供體/受體或帶電基團的性質顯示分子間的相互作用線型模型計算機分子模型的表示方式棒型模型球棍模型線型點狀模型CPK模型生物大分子結構的表示方式繩代表肽鏈無規(guī)則卷曲圓柱代表a螺旋緞帶中的箭頭代表折疊的走向小球代表肽結合的金屬原子寬帶代表蛋白質分子的 主鏈分子網(wǎng)格表面 表示體積分子表面 表示電性受體-配體結合模型隱藏大部分受體結構，僅顯示結合部位和配體受體-配體結合模型配體與受體以不同形式表示測定配體原子和基團與結合部位鄰近原子和基團的距離，確定相互作用結

20、合力作用匹配，距離相符動態(tài)顯示受體-配體結合模型2.4.5 計算機硬件和軟件 計算機硬件和工作站 微機 小型計算機圖形工作站超級計算機小型計算機(minicomputer)規(guī)模介于微機與中型計算機之間的計算機品牌： VEX （DEC）計算機圖形工作站(graphic workstation)可用于圖形等方面具有較佳配備的高檔計算機。運算能力和顯示功能較強特點：高速CPU、高分辨率的彩色顯示器、大容量內存、圖形功能強、類似UNIX的操作系統(tǒng)品牌： Silicon Graphics Incorporated (SGI), SunGraphics, HP-PA, DEC Alpha，Apollo，D

21、ell超級計算機(supercomputer) 速度快、功能強、規(guī)模大 品牌： SGI，曙軟件和專家系統(tǒng)計算機輔助藥物設計軟件大多在研究過程中產(chǎn)生的程序的基礎上，由商業(yè)性公司進一步作模塊化加工，成為實用性軟件。商業(yè)化軟件都具有漂亮的界面和使用方便的菜單，方便用戶使用。一般有多種可供選購的功能模塊專家系統(tǒng)（expert system） 應用人工智能技術，模擬學科專家處理專業(yè)問題的思維、推理方法，作出專家水平的判斷和決策，用計算機代替或部分代替專家工作的軟件系統(tǒng)。例：分子設計系列軟件Sybyl/Base基本平臺Dynamics分子動力學QSAR with CoMFA3D QSARAdvanced

22、Computation3D-構象分析Biopolymer生物大分子模建Composer同源蛋白預測FlexX對接SYBYLSYBYL第三節(jié) 基于靶點結構的藥物設計-直接法基于靶點結構的藥物設計流程：主要內容3.1 全新藥物設計 3.2 生長法3.3 連接法3.1 全新藥物設計: 根據(jù)靶點結構直接造出性狀和性質互補的新的配體分子的三維結構。由于它能提取結構全新的具有啟發(fā)性的先導物，故稱為全新或從頭設計。全新藥物設計的基本流程定義活性位點產(chǎn)生配體分子配體分子打分合成，測定活性先導化合物定義受體活性位點受體與配體的復合物分析 獲得受體空腔，分析受體配體結合部位的氨基酸殘基，推出可能的藥效基團。2.

23、活性位點分析法 不知靶點和配體的結合位點，用一些簡單的分子或碎片作為探針（水、苯環(huán)），找到他們的結合位置。從二氫葉酸還原酶(dihydroflate reductase, DHFR)-甲氨蝶呤(Methotrexate, MTX)復合物獲取受體空腔1、觀察空腔表面的氨基酸殘基與藥物間的作用；2、受體-藥物復合物中剝離藥物分子。DHFR-MTX復合物DHFR 受體空腔圖受體與配體的復合物分析活性位點分析法分析表明受體的活性部位具有3個重要特征：疏水區(qū)、氫鍵接受體區(qū)、氫鍵供體區(qū)3.2 生長法 自動模板定位法（molecular template-directed) 原子生長法(atom build

24、) 碎片生長法(fragment build)模板庫，與受體性狀互補的模版放在活性位點。從有關數(shù)據(jù)庫搜索與受體受點結合的原子或原子團自動模板定位法：在受體的結合位點用模版構建出一個形狀互補的三維分子骨架。原子生長法(atom build)：在受體的表面逐個增加原子，形成與結合位點性狀和性質互補的分子。起始點種類：1. 已知配體或配體的一部分； 2. 受體結合位點表面形成較強結合的原子(錨原子、種子原子)。碎片生長法(fragment build)：每個碎片由單一官能團（如羰基、羥基或苯環(huán)等）構成，以碎片逐個生長來構建成一個分子。3.3 連接法 碎片連接法(linked-fragment app

25、roach) 位點連接法(site point connection)碎片連接法：根據(jù)受體結合位點區(qū)域性質的不同，分為若干能容納一個碎片的子區(qū)域，然后搜尋碎片庫進行對接。再搜尋連接子庫，將各區(qū)域的碎片連接起來，形成完整的分子。搜尋碎片搜尋連接子氫鍵位點疏水位點在活性位點上匹配碎片在相鄰位點上匹配碎片；與放好的碎片連接位點連接法：以與靶點活性位點匹配的小分子碎片為構建模塊，通過與相鄰活性位點匹配的碎片進行生長和連接，得到全新的配體分子。優(yōu)點: 配體結構可能是全新的，不受現(xiàn)有知識的約束,也不受人的思維束縛。 該方法既可用于先導化合物的發(fā)現(xiàn)，也可用于對先導化合物的結構優(yōu)化。缺點:可能只是理論分子，僅

26、對接有效，且可能不易合成。全新藥物設計的優(yōu)缺點第四節(jié) 基于配體結構的藥物設計間接法基于配體結構的藥物設計流程：主要內容4.1 藥效基團模型法 4.2 基于配體相似性的虛擬篩選 4.3 二維定量構效關系法 4.4 三維定量構效關系法4.1 藥效基團模型法 對一系列活性化合物進行3D-QSAR研究，并結合構象分析，得出該類藥物的藥效基團模型?？稍谑荏w三維結構未知的情況下，構造出虛擬的藥效基團模型，再由此出發(fā)，進行藥物設計。 藥效基團單元pharmacophoric elements 組成藥效基團所共有的一組原子(團)。藥效基團單元中的原子或官能團可通過氫鍵、靜電作用、范德華作用和疏水鍵等與受體中受點發(fā)生結合。 藥效基團中的藥效基團單元往往用點來定義，若干個點構成平面或空間的結構。藥效基團是藥效基團單元的集合藥效基團的識別基于靶點的識別已知靶點的空間結構已知靶點配體復合物的空間結構基于配體的識別分子疊合活性類似物法結合部位認定的自動分