分子對(duì)接的原理方法及應(yīng)用

關(guān)于分子對(duì)接的原理方法及應(yīng)用第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三分子對(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，共32頁，2023年，2月20日，星期三3第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三2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)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，共32頁，2023年，2月20日，星期三理論基礎(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，共32頁，2023年，2月20日，星期三分子對(duì)接的最初思想起源于FisherE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，共32頁，2023年，2月20日，星期三1）

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）

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，共32頁，2023年，2月20日，星期三建立大量化合物的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫將庫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，共32頁，2023年，2月20日，星期三9第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三1、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，共32頁，2023年，2月20日，星期三2、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，共32頁，2023年，2月20日，星期三3、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，共32頁，2023年，2月20日，星期三分子對(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-SearchBasedApproaches）

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，共32頁，2023年，2月20日，星期三受體的活性位點(diǎn)

配體有效匹配的距離圖集

受體－配體的示意圖，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，共32頁，2023年，2月20日，星期三（2）基于幾何哈希技術(shù)“geometrichashing”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，共32頁，2023年，2月20日，星期三(3）基于poseclustering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

Poseclustering算法中的作用點(diǎn)

16第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三（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。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，共32頁，2023年，2月20日，星期三（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“incrementalconstruction”.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，共32頁，2023年，2月20日，星期三（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，共32頁，2023年，2月20日，星期三（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

MonteCarlo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。20第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三如何找到最佳的結(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，共32頁，2023年，2月20日，星期三如何評(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)合能力的預(yù)測，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，共32頁，2023年，2月20日，星期三5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FlexX(Sybyl)片段生長法半經(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分子力場慢AutoDock遺傳算法半經(jīng)驗(yàn)自由能一般Dock片段生長法分子力場快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23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三免費(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)庫對(duì)接，沒有平行化功能。不需要預(yù)先知道活性位點(diǎn)。6AutoDock對(duì)接軟件24第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三準(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，共32頁，2023年，2月20日，星期三小分子問題起始構(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，共32頁，2023年，2月20日，星期三評(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)效和精確度的簡單自由能預(yù)測方法，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，共32頁，2023年，2月20日，星期三對(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，共32頁，2023年，2月20日，星期三直接揭示藥物分子和靶點(diǎn)之間的相互作用方式。預(yù)測小分子與靶點(diǎn)蛋白結(jié)合時(shí)的構(gòu)象?；诜肿訉?duì)接方法對(duì)化合物數(shù)據(jù)庫進(jìn)行虛擬篩選，用于先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)。預(yù)測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，共32頁，2023年，2月20日，星期三分子對(duì)接的應(yīng)用靶

標(biāo)靶標(biāo)分類靶標(biāo)結(jié)構(gòu)小分子庫大小所用方法抑制劑活性M實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)AmpC-lactamseHydrolaseX-ray200kNWUDOCK26X-ray復(fù)合物BCR－ABLKinaseX-ray200kDOCK25細(xì)胞的抑制活性實(shí)驗(yàn)AnthraxEFAdenylylcyclaseX-ray200kNWUDOCK20酶動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)IMPDHDehydrogrnaseX-ray3500kFlexX30酶動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)CaseinkinaseIIKinaseHomology400kDOCK0.08抑制活性、構(gòu)效關(guān)系K＋

通道IonchannelHomology50kDOCK10細(xì)胞的抑制活性實(shí)驗(yàn)ThyroidhomonereceptorNuclearreceptorHomology250kICM0．75抑制活性實(shí)驗(yàn)CDK2KinaseX-ray50kLIDAEUS2X-ray復(fù)合物TGFRKKinaseX-ray200kCatalyst0．005X-ray復(fù)合物cyclophilinImmunophilinX-rayUnity/FlexX6細(xì)胞的抑制活性實(shí)驗(yàn)tRNAguaninetransglycoslaseX-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，共32頁，2023年，2月20日，星期三1.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)：374—378．

2.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)：454-459．DOI：10．13481／i．1671-587x．20140247．

3.Morris，G．M．，R．HueyandA．J．Olson，UsingAutoDockforligand—receptordocking[J]．CurrProtocBioinformatics，2008．Chapter8：P．Unit814

4.KANAD