自由能計算藥物設計的基本方法

關于自由能計算藥物設計的基本方法受體-配體相互作用生物大分子-生物大分子小分子-生物大分子第2頁,共41頁，星期六，2024年，5月受體：藥物在體內作用的位點，即藥物作用“靶標”?，F(xiàn)在受體概念已推廣到生物大分子上特定的結合部位，即酶、離子通道和核酸等生物大分子都可作為藥物的受體。第3頁,共41頁，星期六，2024年，5月許多蛋白質重要的生理和藥理功能，是通過與小分子相互作用體現(xiàn)出來，例如酶與底物的相互作用體現(xiàn)酶的催化功能。因此對小分子配體-生物大分子相互作用有一個全面、準確的了解，是基于受體結構知識進行合理藥物設計的基礎，而其中對配體-受體結合自由能的計算機模擬和理論計算研究，在藥物設計中起著十分重要的作用。第4頁,共41頁，星期六，2024年，5月許多藥物或其他生物活性分子的活性是通過與受體生物大分子的相互作用表現(xiàn)出來，所以藥物與受體的結合親和性（bindingaffinity）與藥物的活性直接相關。第5頁,共41頁，星期六，2024年，5月分子生物學X射線衍射晶體學核磁共振生物大分子三維結構第6頁,共41頁，星期六，2024年，5月由熱力學原理，結合自由能與結合常數(shù)存在：第7頁,共41頁，星期六，2024年，5月9.2配體-受體相互作用的熱力學過程配體（包括藥物）與受體結合時，主要存在兩種相互作用：（1）共價相互作用（酶催化底物水解形成過渡態(tài)復合物、烷基化抗癌藥物-受體復合物等）（2）非鍵相互作用（更為常見，利于藥物的代謝和排泄）第8頁,共41頁，星期六，2024年，5月9.2.1結合親和性蛋白質和配體之間的相互作用涉及兩個分子在一定時間內的物理接觸，這些接觸是特殊的并導致一種吸引力。一般來說，蛋白質和配體的相互作用依賴于溶液中配體、蛋白質和鹽的濃度：第9頁,共41頁，星期六，2024年，5月當體系達到平衡時，離解平衡常數(shù)：第10頁,共41頁，星期六，2024年，5月根據(jù)熱力學定律，離解過程的自由能變化和焓的變化：實驗測定的自由能與離解常數(shù)：第11頁,共41頁，星期六，2024年，5月當體系達到平衡時，自由能等于0第12頁,共41頁，星期六，2024年，5月9.2.2配體-受體結合的熱力學配體-受體結合的熱力學過程藥物與受體存在與體液環(huán)境中，與周圍的水分子存在溶劑化作用。第13頁,共41頁，星期六，2024年，5月藥物-受體相互作用時的焓、熵和自由能變化用下列公式計算：由上式可知，從熱力學的觀點來看，藥物-受體相互作用是一個綜合平衡的過程，并且藥物還必須取一定的構象，使其能“適應”受體結合部位的“空腔”形狀和構象變化。同時，為迎合藥物的結合，受體的構象也會發(fā)生相應的變化，這就是所謂的誘導契合。第14頁,共41頁，星期六，2024年，5月第15頁,共41頁，星期六，2024年，5月藥物-受體結合，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。前三種作用控制藥物-受體相結合，疏水作用是藥物-受體結合的驅動力。疏水作用力強，藥物和受體才能排除水分子相互結合。藥物和受體都可以與水形成氫鍵，兩者結合時還要打破這些氫鍵。第16頁,共41頁，星期六，2024年，5月綜上所述，藥物分子與受體結合時，需遵循以下互補匹配規(guī)則:第17頁,共41頁，星期六，2024年，5月這些互補性質可以用分子表面性質來表示。生物大分子和藥物小分子的各種表面性質，可用分子模擬方法計算。

MOLCAD/SYBYL可計算分子的靜電、氫鍵和疏水性質，

Delphi/InsightII可計算分子的靜電性質。第18頁,共41頁，星期六，2024年，5月9.3分子動力學與自由能微擾方法第19頁,共41頁，星期六，2024年，5月熱力學循環(huán)當藥物與受體結合時，自由能變化為：第20頁,共41頁，星期六，2024年，5月⊿G的絕對值難以直接求得，如要比較兩個藥物D和D’與同一受體R結合的強度，可用熱力學循環(huán)計算：⊿G1和⊿G2可用實驗方法測定，而⊿G3和⊿G4可用自由能微擾計算第21頁,共41頁，星期六，2024年，5月由熱力學循環(huán)得：其中K1、K2分別為藥物D和D’與受體的結合常數(shù)，這樣便可用理論計算的方法比較兩個藥物與同一受體的親和性。對原有藥物進行結構改造，可用熱力學循環(huán)計算⊿⊿G，從中設計出與受體結合得比原化合物好的類似物。第22頁,共41頁，星期六，2024年，5月上述熱力學循環(huán)所計算的兩個藥物、抑制劑或其他配體的結構要求比較相似，但在藥物設時總希望類似物的結構變化大一些，或能進行多基團取代，用上述方法計算就比較困難，這時可用自由能變化外推法計算。第23頁,共41頁，星期六，2024年，5月自由能變化外推法是將一個藥物的結構逐步變到另一個藥物的結構，即D1→D2→…→DM,這時熱力學循環(huán)變成：第24頁,共41頁，星期六，2024年，5月計算自由能變化時，如果加入自由能的二階和三階導數(shù)，則大大改進了分子在水溶液中的偶極距計算精度。第25頁,共41頁，星期六，2024年，5月自由能計算在藥物設計中的應用應用自由能計算方法，可以計算藥物-受體相互結合時的自由能變化，從而發(fā)現(xiàn)與受體結合得好的化合物。同時必須注意，用FEP方法計算配體-受體相互作用能的前提是配體與同一受體的作用方式應相同或相似。第26頁,共41頁，星期六，2024年，5月第27頁,共41頁，星期六，2024年，5月第28頁,共41頁，星期六，2024年，5月9.4結合自由能的經(jīng)驗計算方法自由能微擾方法計算結合自由能比較嚴格，但取樣困難、計算量大，力場參數(shù)誤差也會影響計算結果。因此，在三維數(shù)據(jù)庫搜尋和全新藥物設計中，利用自由能微擾方法來計算配體與受體的結合自由能尚未達到實用化階段。第29頁,共41頁，星期六，2024年，5月相對來說，結合自由能的經(jīng)驗計算具有計算速度快的優(yōu)點，已經(jīng)被應用于三維數(shù)據(jù)庫搜尋和全新藥物設計。結合自由能的經(jīng)驗計算方法將結合自由能分解為（1）受體與配體之間的靜電作用以及范德華作用；（2）受體與配體在結合時構象能的變化；（3）結合時由于平動、轉動、振動和內旋轉自由能變化引起的熵的變化；（4）疏水相互作用。第30頁,共41頁，星期六，2024年，5月將結合自由能寫成如下形式：需要注意的是，應避免重復計算某些效應（考慮溶劑化作用時易引起這個問題）。第31頁,共41頁，星期六，2024年，5月一般來說，復合物的形成過程中，可能發(fā)生電荷的重新分布，這種電荷的重新分布導致凈吸引力。如果電荷的重新分布是在配體或受體中，稱為極化；如果是發(fā)生在配體和受體之間，則稱為電荷轉移。第32頁,共41頁，星期六，2024年，5月計算構象變化的影響第33頁,共41頁，星期六，2024年，5月（1）蛋白質的構象變化在一些復合物的結合過程中，受體的構象變化不大，而在另外一些中可能變化很大。蛋白質在結合時的構象變化過程涉及到疏水表面的包埋（去溶劑化有利于結合）和構象的變化（包括主鏈和側鏈的構象變化，不利于結合）去溶劑化效應可以通過兩種方法來計算：一種是用原子溶劑化參數(shù)；另一種是通過熱容的變化來計算。第34頁,共41頁，星期六，2024年，5月（2）配體構象的變化如果假定自由的配體只有一種構象，那么配體的自由能變化可以類似于受體那樣進行處理。但配體一般不會只有一種構象。因此在計算自由能變化時，要進行系綜平均。第35頁,共41頁，星期六，2024年，5月溶劑化效應的計算第36頁,共41頁，星期六，20