分子對(duì)接原理方法與應(yīng)用

1、關(guān)于分子對(duì)接的原理方法及應(yīng)用第1頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四分子對(duì)接是通過研究配體小分子和受體生物大分子的相互作用，預(yù)測(cè)其親和力，實(shí)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)的一種重要方法。整體上考慮配體與受體的結(jié)合效果，較好的避免局部作用、整體結(jié)合欠佳的情況。1 分子對(duì)接的概念2第2頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四3第3頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四2 分子對(duì)接的原理配體與受體結(jié)合時(shí)，彼此存在靜電相互作用、氫鍵相互作用、范德華力相互作用和疏水作用力。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(bǔ)匹配、靜電相互作用互補(bǔ)

2、匹配、氫鍵相互作用互補(bǔ)匹配、疏水相互作用互補(bǔ)匹配。4第4頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四理論基礎(chǔ)： “鎖和鑰匙模型”“誘導(dǎo)契合模型”重要原則：互補(bǔ)性： 決定識(shí)別過程的選擇性預(yù)組織性： 決定識(shí)別過程的結(jié)合能力5第5頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四分子對(duì)接的最初思想起源于Fisher E提出的“鎖和鑰匙模型”，即受體與配體的相互識(shí)別首要條件是空間結(jié)構(gòu)的匹配 。 配體 受體 復(fù)合物 受體配體的鎖和鑰匙模型 6第6頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四1）藥物分子和靶酶分子是柔性的，這樣就要求在對(duì)接過程中要相互適應(yīng)以達(dá)到最佳匹配2

3、）分子對(duì)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(qiáng)度最終取決于形成此復(fù)合物進(jìn)程的結(jié)合自由能。分子對(duì)接思想來源于“鎖和鑰匙”，但又比“鎖和鑰匙”復(fù)雜得多，表現(xiàn)在以下方面：7第7頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四建立大量化合物的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)將庫(kù)中的分子逐一與靶分子進(jìn)行“對(duì)接”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(biāo)大分子作用的最佳構(gòu)象，計(jì)算其相互作用及結(jié)合能在庫(kù)中所有分子均完成了對(duì)接計(jì)算之后，即可從中找出與靶標(biāo)分子結(jié)合的最佳分子3 分子對(duì)接的一般過程8第8頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，

4、11點(diǎn)12分，星期四9第9頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四1、剛性對(duì)接：對(duì)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(duì)接。4 分子對(duì)接的分類10第10頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四2、半柔性對(duì)接：對(duì)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(duì)接。分子對(duì)接的分類11第11頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四3、柔性對(duì)接：對(duì)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(shí)別情況，由于計(jì)算過程中體系的構(gòu)象可

5、以變化，所以計(jì)算破費(fèi)最大。分子對(duì)接的分類12第12頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四分子對(duì)接的基本方法（一） 剛性的分子對(duì)接方法 這種方法是最初的分子對(duì)接的方法，在對(duì)接中，小分子和蛋白質(zhì)兩種都保持剛性。 （1）基于最大團(tuán)搜索的方法 （Clique-Search Based Approaches） 對(duì)接兩個(gè)剛性分子可以理解為分子在空間的匹配問題，這種匹配可以是一種形狀上的互補(bǔ)或相互作用。如氫鍵受體與氫鍵給體的互補(bǔ)。搜索在三維空間中有效的條件下的最大匹配 13第13頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四受體的活性位點(diǎn) 配體 有效匹配的距離圖集 受體配體的

6、示意圖，字母代表特征部分如氫鍵等，相應(yīng)的有效匹配的圖集如右，三個(gè)環(huán)性頂點(diǎn)組織的三角形為這個(gè)圖集的一個(gè)最大團(tuán)(clique) 14第14頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四（2）基于幾何哈希技術(shù)“geometric hashing”的方法 第一部分中，幾何哈希表從被對(duì)接的一個(gè)配體或一系列配體中構(gòu)建 。哈希矩陣含有配體名字和能調(diào)整配體在空間方向的參考框架。 第二部分即識(shí)別階段，蛋白質(zhì)的特征用來識(shí)別哈希矩陣，每一次匹配表示蛋白質(zhì)的特征與哈希矩陣中已定義好方位的配體相匹配，具有大量匹配信息的哈希矩陣代表著具有幾個(gè)吻合特征的配體和方位 15第15頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日

7、，11點(diǎn)12分，星期四(3）基于pose clustering的方法 這種方法與幾何哈希的方法相類似，也是一種基于模式識(shí)別的方法。 在LUDI模型中，如圖所示，對(duì)每一個(gè)作用基團(tuán)，定義作用中心和作用表面。受體的作用表面近似地用離散的點(diǎn)表示，和對(duì)應(yīng)的配體的中心目標(biāo)點(diǎn)相匹配。 三個(gè)氫鍵受體的作用表面 Pose clustering 算法中的作用點(diǎn) 16第16頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四（二）柔性對(duì)接的方法（1）構(gòu)象的系綜方法 Flexibase用來儲(chǔ)存小分子庫(kù)中每個(gè)分子的一系列不同構(gòu)象，用距離幾何和能量最小化的方法產(chǎn)生構(gòu)象，每個(gè)分子根據(jù)rmsd的差異選擇25個(gè)系列構(gòu)象。

8、每個(gè)構(gòu)象采用FLOG剛性對(duì)接的方法進(jìn)行對(duì)接。 17第17頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四（2）片段的方法 片斷的方法是處理小分子柔性的最通用的方法，配體分割成一些小的片斷，這些片斷可以認(rèn)為是剛性構(gòu)象或一個(gè)小的構(gòu)象系綜。一般，有兩種方法來處理:第一種方法是把一個(gè)片段放入受體的作用位點(diǎn)，然后加上余下的片段，這種方法稱為連續(xù)構(gòu)建 “incremental construction”.第二種方法把所有或一部分片段獨(dú)立地放入受體的作用位點(diǎn)，再重新連接至到構(gòu)成一個(gè)完整的配體分子，這種策略稱為“放置&加” “place & join” 18第18頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日

9、，11點(diǎn)12分，星期四（3） 遺傳算法和進(jìn)化規(guī)劃 遺傳算法開始應(yīng)用到分子對(duì)接技術(shù)，其特點(diǎn)為 ：第一步，一個(gè)稱為染色體的線性表示符能夠描述構(gòu)型的所有自由度，找到這個(gè)染色體描述符是算法中最困難的一步。第二步，確定一個(gè)一個(gè)類似如打分函數(shù)的目標(biāo)函數(shù)。 著名的GOLD軟件包括了這種算法 19第19頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四（4）基于分子模擬的方法 模擬退火的方法，Autodock程序就采用了這種方法 分子動(dòng)力學(xué)的方法 Monte Carlo模擬，一種統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法，這種算法中最重要的兩部分是自由度的描述和能量的評(píng)價(jià)，合適的自由度描述可以避免較高能量的構(gòu)象，用鍵角、扭曲角等

10、內(nèi)座標(biāo)來描述配體的柔性比用笛卡兒空間的三維座標(biāo)描述要強(qiáng)，同樣，能量的評(píng)價(jià)也是最耗時(shí)，這一步時(shí)間必須足夠的長(zhǎng)。 20第20頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四如何找到最佳的結(jié)合位置 遺傳算法模擬退火 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(dòng)和平動(dòng)的，同時(shí)兩個(gè)分子自身的構(gòu)象也存在變化，因此它們之間可能的結(jié)合方式是非常復(fù)雜的，常用的有遺傳算法、模擬退火以及禁忌搜索等。分子對(duì)接的主要問題21第21頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四如何評(píng)價(jià)對(duì)接分子之間的結(jié)合強(qiáng)度非鍵作用能基于分子表面的溶劑化計(jì)算半經(jīng)驗(yàn)的自由能計(jì)算 涉及到底物分子和受體分子間結(jié)合能

11、力的預(yù)測(cè)，牽涉到結(jié)合自由能的計(jì)算。分子對(duì)接的主要問題22第22頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四5 代表性對(duì)接軟件名稱構(gòu)象搜索方法結(jié)合評(píng)價(jià)方法速度Flex X (Sybyl)片段生長(zhǎng)法半經(jīng)驗(yàn)自由能快LigandFit(Cerius2)蒙地卡羅模擬半經(jīng)驗(yàn)自由能快Glide (薛定諤軟件)系統(tǒng)搜索半經(jīng)驗(yàn)自由能一般Gold遺傳算法半經(jīng)驗(yàn)自由能快Affinity（InsightII)蒙地卡羅/MM/MD分子力場(chǎng)慢AutoDock遺傳算法半經(jīng)驗(yàn)自由能一般Dock片段生長(zhǎng)法分子力場(chǎng)快ICM-Dock隨機(jī)全局優(yōu)化半經(jīng)驗(yàn)自由能快Fred (openeye)系統(tǒng)搜索半經(jīng)驗(yàn)自由能快23第2

12、3頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四免費(fèi)軟件/只能進(jìn)行一個(gè)分子與蛋白質(zhì)的對(duì)接計(jì)算，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接，沒有平行化功能。不需要預(yù)先知道活性位點(diǎn)。6 AutoDock對(duì)接軟件24第24頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四準(zhǔn)備蛋白質(zhì)和配體蛋白質(zhì)：加電荷和溶劑化，存為pdbqs格式配體：加電荷，定義搜索的二面角和根片段格點(diǎn)對(duì)接：保留探針原子和受體之間的相互作用能對(duì)接計(jì)算：遺傳算法評(píng)價(jià)函數(shù)：半經(jīng)驗(yàn)的自由能計(jì)算范德華相互作用氫鍵相互作用靜電相互作用溶劑化作用AutoDock對(duì)接軟件25第25頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四小分子問題起

13、始構(gòu)象對(duì)對(duì)接結(jié)果有一定影響對(duì)接時(shí)應(yīng)以代謝物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)分子進(jìn)行加電荷和加氫處理蛋白質(zhì)問題如何選擇合理的蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)對(duì)接問題搜索結(jié)合模式的正確性、對(duì)接的效率、評(píng)分的正確性采用多個(gè)軟件進(jìn)行評(píng)價(jià)，減少結(jié)合模式搜索誤差定量指標(biāo)，需要結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)一步評(píng)價(jià)分子對(duì)接計(jì)算的注意點(diǎn)26第26頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四評(píng)價(jià)：打分函數(shù) 每一個(gè)對(duì)接的算術(shù)都會(huì)采用平衡了時(shí)效和精確度的簡(jiǎn)單自由能預(yù)測(cè)方法，現(xiàn)在的打分函數(shù)主要包括三種：基于經(jīng)驗(yàn)的回歸參數(shù)的方法；基于分子力場(chǎng)的方法和基于知識(shí)的方法、基于知識(shí)的打分函數(shù) 。 27第27頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四

14、對(duì)接方法尚需解決的問題：分子的柔性溶劑化效應(yīng)打分函數(shù)28第28頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四直接揭示藥物分子和靶點(diǎn)之間的相互作用方式。預(yù)測(cè)小分子與靶點(diǎn)蛋白結(jié)合時(shí)的構(gòu)象。基于分子對(duì)接方法對(duì)化合物數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行虛擬篩選，用于先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)。預(yù)測(cè)化合物的親和力及活性，用于先導(dǎo)化合物的優(yōu)化。分子對(duì)接的應(yīng)用29第29頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四分子對(duì)接的應(yīng)用靶 標(biāo)靶標(biāo)分類靶標(biāo)結(jié)構(gòu)小分子庫(kù)大小所用方法抑制劑活性M實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)AmpC -lactamseHydrolaseX-ray200kNWU DOCK26X-ray復(fù)合物BCRABLKinaseX-ra

15、y200kDOCK25細(xì)胞的抑制活性實(shí)驗(yàn)Anthrax EFAdenylyl cyclaseX-ray200kNWU DOCK20酶動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)IMPDHDehydrogrnaseX-ray3500kFlexX30酶動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)Casein kinase IIKinaseHomology400kDOCK0.08抑制活性、構(gòu)效關(guān)系K 通道Ion channelHomology50kDOCK10細(xì)胞的抑制活性實(shí)驗(yàn)Thyroid homone receptorNuclear receptorHomology250kICM075抑制活性實(shí)驗(yàn)CDK2KinaseX-ray50kLIDAEUS2X-ray復(fù)合

16、物TGFRKKinaseX-ray200kCatalyst0005X-ray復(fù)合物cyclophilinImmunophilinX-rayUnity/FlexX6細(xì)胞的抑制活性實(shí)驗(yàn)tRNA guanine transglycoslaseX-ray800kUnity/FlexX0.25酶動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)PfDHFRReductaseHomology230kCatalyst/DOCK0.9酶動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)-AmylaseHydrolaseX-ray200kUnity/FlexXNMR,SPR,層析30第30頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)12分，星期四1.鄭宗平，蘭山，秦川，等天然酪氨酸酶抑制劑研究進(jìn)展：種類及其構(gòu)效關(guān)系食品工業(yè)科技，2014，35(8)：3743782.畢云楓，宋風(fēng)瑞，劉志強(qiáng)天然酪氨酸酶抑制劑的種類及其對(duì)酪氨酸酶抑制作用的研究進(jìn)展J吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)，2014，4O(2)：454-459DOI：1013481i1671-587x201402473.Morris，GM，RHueyandAJOlson，Using AutoDock for ligandreceptor dockingJCurr Protoc Bioinformatics，2008Chapter8：PUnit8144.KANADE S R，