配體—受體相互作用與識(shí)別的研究

1、配體受體相互作用與識(shí)別的研究 北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文配體?受體相互作用與識(shí)別的研究姓名:于永輝申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):流體力學(xué)指導(dǎo)教師:王存新2003.5.1摘要摘 要近年來(lái),用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬生物分子的相互作用與識(shí)別已經(jīng)受到了相當(dāng)大的關(guān)注。在眾多的模擬方法中,分子對(duì)接已成為其中非常重要而又受到廣泛應(yīng)用的方法之一。所謂分子對(duì)接就是已知兩個(gè)分子的三維結(jié)構(gòu),考察它們之間是否可以結(jié)合,并預(yù)測(cè)復(fù)合物的結(jié)合模式。通常熱力學(xué)上認(rèn)為生物分子的穩(wěn)定構(gòu)象是自由能最低的構(gòu)象,因此,分子對(duì)接的目的就是找到能量最低的構(gòu)象。分子對(duì)接包含兩個(gè)方面,一是快速有效的搜索算法,可以在可能的空間進(jìn)行構(gòu)象搜索:另一個(gè)是好的打分函數(shù),

2、能夠在合理的時(shí)間內(nèi)正確有效地從搜索到的結(jié)構(gòu)中區(qū)分出近天然構(gòu)象。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:.采用本組在和的剛性對(duì)接算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的半柔性對(duì)接算法,以種蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)復(fù)合物體系為例,我們研究了如何正確有效地從對(duì)接采樣中挑選出近天然構(gòu)象的方法。比較了不同的能量打分函數(shù)、能量?jī)?yōu)化以及分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)區(qū)分近天然構(gòu)象的作用。在對(duì)接結(jié)構(gòu)的過(guò)濾中,采用三重過(guò)濾技術(shù),來(lái)篩選合理的結(jié)合模式,用靜電能蛆。、去水化自由能。以及范德華能絲。的不同組合對(duì)這些結(jié)構(gòu)打分以獲得近天然結(jié)構(gòu),并進(jìn)而評(píng)價(jià)這些能量項(xiàng)組合在區(qū)分近天然構(gòu)象方面的能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)合自由能函數(shù)。口。有比較強(qiáng)的區(qū)分近天然構(gòu)象的能力。同時(shí),對(duì)對(duì)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量

3、優(yōu)化后再打分,發(fā)現(xiàn)有助于打分函數(shù)挑選到距蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)主鏈原予的均方根偏差較小的近天然構(gòu)象。研究還發(fā)現(xiàn)模擬方法有助于進(jìn)一步區(qū)分近天然構(gòu)象。以兩種蛋白質(zhì)復(fù)合物為例,對(duì)其候選結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,根據(jù)軌跡中構(gòu)象相對(duì)于初始摘要北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文構(gòu)象的平方平均偏差隨時(shí)間的變化來(lái)輔助打分函數(shù)排除錯(cuò)誤構(gòu)象,得到了較好的結(jié)果。.用軟件模擬腦灌注顯像劑”“.的不同的異構(gòu)體與谷胱甘肽的對(duì)接,擬獲得二者的初步結(jié)合模式,從分子水平和理論計(jì)算上對(duì)二者的識(shí)別機(jī)制以及.的立體構(gòu)型差異對(duì)其滯留效應(yīng)的影響進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞: 分子對(duì)接;能量?jī)?yōu)化:打分函數(shù):分子動(dòng)力學(xué)模擬;近天然構(gòu)象協(xié)捃, 亡?印. ? 印鋤 .“ ? 仃

4、. 臼哇, 淅.,婦唱【 . 脅, 也 ,、. : 珊 勰 百 ,、?踟.也 色, 劬,唱.,砸? .蠲也也,任也仃, ,、 唱.療?唱如 ?北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文卜丘 ? . . 血卜 、.? . 、 , 趾們.仃 ,廿腳刪 . 、,艉。? 怕柳 血、 也丘. 也 .: ; ;? 耐腫;?第章緒論第章緒論.研究配體.受體相互作用的背景和意義美國(guó)人類基因組計(jì)劃實(shí)施五年后的總結(jié)報(bào)告中,對(duì)生物信息學(xué)硼作了以下定義:生物信息學(xué)是一門交叉科學(xué),它包含了生物信息的獲取、處理、存儲(chǔ)、分發(fā)、分析和解釋等在內(nèi)的所有方面,它綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)的各種工具,來(lái)闡明和理解大量數(shù)據(jù)所包含的生物學(xué)意義

5、。當(dāng)前,基因組信息學(xué)、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)模擬以及藥物設(shè)計(jì)有機(jī)地連接在一起,它們是生物信息學(xué)的三個(gè)重要組成部分“。生物信息學(xué)目前已在理論生物學(xué)領(lǐng)域占有了核心地位,它在生物、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等學(xué)科的應(yīng)用已無(wú)所不在。隨著快速序列測(cè)定、基因重組、多維核磁共振、同步輻射、機(jī)器人等技術(shù)的應(yīng)用,生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈爆炸趨勢(shì)增長(zhǎng),同時(shí)計(jì)算機(jī)和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)的貯存、處理和傳輸成為可能。現(xiàn)在某一實(shí)驗(yàn)室的研究成果一經(jīng)進(jìn)入生物信息網(wǎng)絡(luò)便為全球科學(xué)共享。生物信息學(xué)作為一門新的學(xué)科領(lǐng)域,它是把基因組序列信息分析作為源頭,在獲得了蛋白質(zhì)編碼區(qū)的信息之后進(jìn)行蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和預(yù)測(cè),然后依據(jù)特定蛋白質(zhì)的功能進(jìn)行必要的

6、藥物設(shè)計(jì)。功能蛋白組學(xué)作為生物信息學(xué)的一個(gè)分支,主要研究蛋白同源性分析、功能類比、分類;蛋白組表達(dá)譜及分析;蛋白間相互作用:蛋白質(zhì)功能;蛋白組平臺(tái)的藥物篩選及相關(guān)研究。配體一受體相互作用,在許多生理過(guò)程中起著重要的作用,如信號(hào)傳遞、生理調(diào)節(jié)、基因轉(zhuǎn)錄和酶催化反應(yīng)等”。配體一受體相互作用包括:生物大分子.生物大分子相互作用,如蛋白質(zhì).蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì).、抗體.抗原等;小分子.生物大分子相互作用,如藥物.蛋白質(zhì)、藥物.、神經(jīng)遞質(zhì)一受體蛋北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文白等。關(guān)于受體學(xué)說(shuō),可以追溯到、和等人的工作?！?。早期受體概念為藥物在體內(nèi)作用的位點(diǎn),即藥物作用“靶標(biāo)”,現(xiàn)在受體概念已推廣到生物大分子上

7、特定的結(jié)合部位拍,酶、離子通道和核酸等生物大分子均可作為藥物的受體。蛋白質(zhì)問(wèn)相互作用存在于機(jī)體中每個(gè)細(xì)胞的生命活動(dòng)過(guò)程中,生物學(xué)中的許多現(xiàn)象,如基因的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯和遺傳密碼的分析與破譯以及細(xì)胞周期調(diào)控、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和中間代謝等,均受蛋白質(zhì)間相互作用的調(diào)控。某些蛋白質(zhì)由多個(gè)亞單位組成,它們之間的相互作用就顯得更為普遍。有些蛋白質(zhì)結(jié)合緊密,而有些蛋白質(zhì)只有短暫的相互作用。然而不論哪種情況,它們均控制著大量的細(xì)胞活動(dòng)事件,如:細(xì)胞的增殖、分化和死亡。在細(xì)胞衰老過(guò)程中蛋白質(zhì)合成會(huì)有一系列變化:大多數(shù)蛋白質(zhì)合成速度降低;出現(xiàn)一些特異蛋白或原有蛋白發(fā)生了與衰老有關(guān)的結(jié)構(gòu)上的改變。細(xì)胞的各種重要的生理過(guò)程,

8、如信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞對(duì)外界環(huán)境及內(nèi)部環(huán)境變化的反應(yīng)等,都是以蛋白質(zhì)間的相互作用為紐帶而進(jìn)行的。總之,雖然是所有生物除少數(shù)病毒外遺傳信息的攜帶者,但最終機(jī)體的生命活動(dòng)規(guī)律還是由蛋白質(zhì)的功能來(lái)體現(xiàn)的,因而,研究配體一受體的相互作用,有著很重要的生命意義。許多蛋白質(zhì)重要的生理和藥理功能,是通過(guò)與小分子相互作用體現(xiàn)出來(lái)的如酶與底物的相互作用,體現(xiàn)酶的催化功能,因此對(duì)小分子配體與生物大分子相互作用有全面、準(zhǔn)確的了解,是基于結(jié)構(gòu)的合理藥物設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),而對(duì)配體一受體相互作用進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和理論計(jì)算研究,對(duì)配體.受體相互作用的研究起十分重要的作用,并且理論計(jì)算可以解決某些實(shí)驗(yàn)不能解決的問(wèn)題,如酶催化反應(yīng)過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)

9、問(wèn)題【】。第章緒論.國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及分析在過(guò)去的十幾年中,分子生物學(xué)和一射線衍射晶體學(xué)、多維核磁共振.等結(jié)構(gòu)測(cè)定技術(shù)不斷的發(fā)展,許多受體生物大分子的三維結(jié)構(gòu)已被測(cè)定峨”。對(duì)于那些僅知一級(jí)序列,不知其三級(jí)結(jié)構(gòu)的生物大分子,可以用理論方法或分子模擬方法如同源蛋白模建方法預(yù)測(cè)其三維結(jié)構(gòu)呻?！?。這可以為受體.配體相互作用的理論計(jì)算以及在此基礎(chǔ)上的合理藥物設(shè)計(jì)提供受體三維結(jié)構(gòu)的知識(shí)。與此同時(shí),計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,也為對(duì)配體一受體相互作用進(jìn)行高精度的理論計(jì)算如自由能微擾計(jì)算等提供了良好的硬件平臺(tái)【?！啊Ｄ壳?用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)研究生物分子的相互作用與識(shí)別已經(jīng)受到了相當(dāng)大的關(guān)注。在眾多的模擬方法中,分子對(duì)接已成

10、為其中非常重要而又受到廣泛應(yīng)用的方法之一。計(jì)算框圖在嘗試找到兩個(gè)分子配體與受體間的最好的匹配模式時(shí),引入了這個(gè)術(shù)語(yǔ),也就是分子對(duì)接。所謂分子對(duì)接就是已知兩個(gè)或多個(gè)分子藥物與酶或受體蛋白的三維結(jié)構(gòu),考察它們之間是否可以結(jié)合,并預(yù)測(cè)復(fù)合物的結(jié)合模式。例如,找到一種可以與某種特定的蛋白質(zhì)結(jié)合的抑制劑,就可以阻止該蛋白質(zhì)在人體內(nèi)的毒害作用。.分子對(duì)接的步驟一般情況下,分子對(duì)接方法可以分為三個(gè)階段,見圖.。首先,將受體和配體分子處理為剛體有些算法可能對(duì)分子表面進(jìn)行了軟化處理,搜索平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)六維空間,同時(shí)利用簡(jiǎn)單的分子表面幾何互補(bǔ)性打分,初步排除一些不合理結(jié)構(gòu);然后,用精細(xì)的能量打分對(duì)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的評(píng)價(jià)并

11、排序;最后,對(duì)排序較靠前的結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量?jī)?yōu)化,允許氨基酸側(cè)鏈和骨架的運(yùn)動(dòng)。另外,如果在分子對(duì)接前能夠獲得任何關(guān)于結(jié)合位點(diǎn)的信息,那么可以在盡可能早的階段利用它來(lái)縮小構(gòu)象搜索的范圍,提高結(jié)構(gòu)的成功預(yù)測(cè)率。下面分別就這三個(gè)階段作簡(jiǎn)要說(shuō)明:北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圖傳統(tǒng)的分子對(duì)接方法的三個(gè)階段?全空間搜索在不知道受體和配體分子任何結(jié)合位點(diǎn)信息的情況下模擬分子間的識(shí)別,首先就是要進(jìn)行全空間的搜索?？紤]到搜索的時(shí)間問(wèn)題,目前【“、幾個(gè)僅有少數(shù)一些程序能夠作到這一點(diǎn),如對(duì)接程序【,”、基于遺傳算法的程序叭冽和在快速傅立葉變換 ,算法基礎(chǔ)上建立起來(lái)的一些對(duì)接程序【,”。在等提出完成全局搜索的對(duì)接程序中,受

12、體和配體分子被投影到三維空間網(wǎng)格中,根據(jù)格子所處的位置表面還是內(nèi)部賦以整數(shù)值或,然后利用快速點(diǎn)乘的規(guī)則加速采樣。另外,采用遺傳算法進(jìn)行構(gòu)象搜索的方法也很多。和所發(fā)展的對(duì)接方法就屬于這一類。一”采用溶劑可接近表面來(lái)描述蛋白質(zhì)分子,其上標(biāo)有法線矢量、曲率和氫鍵特性,以表面幾何匹配性為構(gòu)象選擇壓力第章緒論來(lái)挑選近天然構(gòu)象。一則采用分子勢(shì)能作為適應(yīng)性函數(shù)淘汰或保留對(duì)接構(gòu)象。打分排序經(jīng)過(guò)第一階段的構(gòu)象搜索和初步打分后,一般會(huì)得到幾百或幾千個(gè)對(duì)接結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步縮小預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的范圍,必須用更加精細(xì)、可靠的打分函數(shù)重新評(píng)價(jià)這些結(jié)構(gòu),盡可能地使近天然構(gòu)象排在較靠前的位置。目前存在的打分方法大致可以分為兩類。一類

13、是基于知識(shí)的打分函數(shù),如殘基?殘基接觸能模型呻和原子一原子接觸能模型【”,這些模型都是從大量非同源蛋白質(zhì)復(fù)合物中獲得的統(tǒng)計(jì)性結(jié)果。其中,文獻(xiàn)中報(bào)道的殘基.殘基接觸勢(shì)模型是等人對(duì)抗原一抗體類復(fù)合物界面深入研究的結(jié)果,專門用于抗原與抗體相互作用與識(shí)別的研究。另一類是基于分子勢(shì)能的打分函數(shù),如分子間的靜電相互作用能、氫鍵相互作用能、去水化自由能和范德華相互作用能,四、【和鋤九均采用了這類方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化在蛋白質(zhì)與小分子的對(duì)接模擬中尤為重要。在這一階段,至少要將氨基酸殘基側(cè)鏈的柔性,有可能連同主鏈的柔性一同考慮。選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆肿恿?chǎng)是必要的,溶劑分子不必明確考慮,可將其產(chǎn)生的效果以能量項(xiàng)的形式

14、在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中予以考慮,如程序中則考慮了溶劑化效應(yīng)。到目前為止,分子對(duì)接方法還不能成功地處理復(fù)合物形成中較大的構(gòu)象變化,如蛋白質(zhì)分子域間類似于鉸鏈的運(yùn)動(dòng),只能在一定程度上考慮蛋白質(zhì)分子的柔性。.分子表面的描述模型分子對(duì)接基本上模擬的是蛋白質(zhì)表面的相互作用,因此在進(jìn)行全空間構(gòu)象搜索之前的首要的問(wèn)題就是如何描述蛋白質(zhì)的表面刖。對(duì)于蛋白質(zhì)表面的描述有很多分子模型,目前的方法主要有:北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文“表面點(diǎn)模型”在蛋白質(zhì)的表面以一定的密度根據(jù)計(jì)算量而定撒點(diǎn),這些點(diǎn)帶有表面法線矢量,用來(lái)定義表面的互補(bǔ)性,如圖一所示:.。.、,、.一. :. 一?、?、./.、. ,。圖.表面點(diǎn)模型圖 矗 圖?

15、展示了復(fù)合物表面的一部分,可以用來(lái)計(jì)算表面匹配互補(bǔ)的程度,球心是靶分子上的一個(gè)點(diǎn),匹配互補(bǔ)測(cè)試僅對(duì)球內(nèi)的探針點(diǎn)進(jìn)行。代表探針分子,代表靶分子,是球的半徑,的值通常取作探針原子半徑與靶原子半徑之和的.倍。圖.是互補(bǔ)性的一個(gè)定義,。矢量是靶分子上表面點(diǎn)的法線矢量,矢量是探針分子上表面點(diǎn)的法線矢量,矢量是矢量的反響延長(zhǎng)矢量。是與之間的夾角。如果小于一個(gè)給定的閾值,通常取。?。,那么就認(rèn)為它們是互補(bǔ)匹配的。第章緒論圖互補(bǔ)性定義療鰣“立方格子模型”用立方體表達(dá)蛋白質(zhì)分子的表面和內(nèi)部,這是對(duì)用點(diǎn)來(lái)表達(dá)分子表面的進(jìn)一步簡(jiǎn)化。在這個(gè)模型中,一個(gè)點(diǎn)的位置用包含它的立方體中心的三個(gè)坐標(biāo)來(lái)代替,這些等體積的立方體構(gòu)

16、成了一個(gè)格子空間,但是這些點(diǎn)仍然具有其表面法線矢量。因此,在同一個(gè)立方體內(nèi)的點(diǎn)具有相同的坐標(biāo),但是仍可以被其上的表面法線所區(qū)分。在實(shí)際的操作過(guò)程中,選取的立方體的大小以平均包含個(gè)點(diǎn)為準(zhǔn)。包含表面點(diǎn)的立方體被定義為表面立方體;不包含任意一個(gè)表面點(diǎn),并且存在于蛋白質(zhì)分子表面內(nèi)部的立方體被定義為空間立方體。空間立方體用來(lái)計(jì)算兩個(gè)分子間交疊的數(shù)量。如下圖所示:圖探針和靶分子表面立方體的匹配 北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圖.展示了探針和靶分子表面立方體的匹配示意圖。為了表達(dá)的清晰,將三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的立方體向平面映射成為平方形。探針表面立方體包含兩個(gè)表面點(diǎn),靶分子表面立方體包含個(gè)表面點(diǎn)。箭頭代表了表面點(diǎn)的

17、法線。如果探針表面立方體按照?qǐng)D中所示的矢量平移,那么它將與靶分子表面立方體重合。這樣,這兩個(gè)立方體的匹配數(shù)就可以通過(guò)下面的方法來(lái)確定:如果所有匹配的表面法線對(duì)滿足圖.的狀態(tài),那么匹配數(shù)是,這是可能的最大的匹配數(shù)。?露磊僦/ 、,、第章緒論物理模型過(guò)于簡(jiǎn)單大多數(shù)蛋白質(zhì).蛋白質(zhì)對(duì)接算法中的打分函數(shù)都采用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù),即把體系的總相互作用看作是組成該體系兩兩相互作用的總和原子與原子之間的相互作用又簡(jiǎn)化為各種簡(jiǎn)單相互作用,如鍵伸縮能、鍵角扭曲能、二面角扭曲能、范德華相互作用、靜電能等的累加。這種把一個(gè)多粒子體系量子力學(xué)水平上的相互作用,以原子對(duì)之間相互作用的和來(lái)表示的方法顯然是過(guò)于粗略了。同時(shí),描述分子

18、表面的各種模型,如殘基一球模型【、立方格子模型【和表面點(diǎn)模型口”等還不足以表達(dá)蛋白質(zhì)分子內(nèi)部和外部的真實(shí)情況,對(duì)分子柔性的考慮都不夠充分。如何找到結(jié)合自由能曲面上的全局極小點(diǎn)通常認(rèn)為生物分子的穩(wěn)定構(gòu)象是自由能最低的構(gòu)象。因此對(duì)接模擬的目的就是要找到與最低自由能相對(duì)應(yīng)的構(gòu)象,但尋找具有大量自由度體系的全局極小問(wèn)題,目前還無(wú)法解決?？茖W(xué)家們正在努力解決這些問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題關(guān)于物理模型改進(jìn),它的主要制約因素是計(jì)算能力,因?yàn)閲?yán)格地說(shuō)從本世紀(jì)年代發(fā)展起來(lái)的量子物理理論對(duì)描述多粒子體系是嚴(yán)格的,其后,年代發(fā)展的量子化學(xué)從頭計(jì)算方法以及密度泛函理論等,在處理分子體系時(shí)雖有一些近似,但物理模型還是合理的。只是

19、由于生物分子粒子數(shù)過(guò)多,計(jì)算能力不允許才不得不使用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的快速提高,使用復(fù)雜力場(chǎng)的可能性越來(lái)越大,物理模型也將會(huì)越來(lái)越真實(shí)。第二個(gè)關(guān)于極值搜索問(wèn)題,它在目前仍是一個(gè)沒有解決的問(wèn)題,但是對(duì)它的討論與改進(jìn)是很多的。要根本解決這一問(wèn)題,了解真實(shí)的發(fā)生在生物體中的事件也許是很重要的。盡管蛋白質(zhì)自由度很大,但在生物體中最終都形成了它的確定的天然態(tài),可以說(shuō)多極值問(wèn)題在活體中是解決了的。所以要確定蛋白質(zhì)的構(gòu)象,應(yīng)該研究蛋白質(zhì)的折疊過(guò)程,要把生物學(xué)的信息加到理論模擬中去。基于知識(shí)的分子設(shè)計(jì)方法就是從這一點(diǎn)出發(fā)的。在解決對(duì)接問(wèn)題上涉及到兩個(gè)方面】:有效的搜索程序,包含相關(guān)的構(gòu)象北京工業(yè)大

20、學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文空間;好的打分函數(shù),可以有效的區(qū)分近天然構(gòu)象與非近天然構(gòu)象。目前各種分子對(duì)接方法在研究配體一受體相互作用與識(shí)別時(shí),要想得到一個(gè)好的對(duì)接模式,必須盡可能的包含這兩個(gè)方面。本論文主要內(nèi)容分為三章。第章介紹了分子對(duì)接方法的理論機(jī)制以及各種對(duì)接軟件的應(yīng)用;第章用本小組在和的剛性對(duì)接算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的半柔性對(duì)接算法,并在程序中加上了范德華作用能項(xiàng),從打分函數(shù)與分子動(dòng)力學(xué)模擬兩方面進(jìn)行了研究,并討論了如何有效地挑選對(duì)接采樣中的近天然構(gòu)象。第章用等開發(fā)的軟件進(jìn)行谷胱甘肽與腦灌注顯像劑“.的不同的異構(gòu)體,.型和一型的對(duì)接模擬,以從分子水平和理論計(jì)算上探討二者的識(shí)別機(jī)制以及”“.的立體構(gòu)型差異對(duì)

21、其滯留效應(yīng)的影響。第章分子對(duì)接方法及應(yīng)用第章分子對(duì)接方法及應(yīng)用.分子對(duì)接的理論基礎(chǔ)與機(jī)制分子對(duì)接的最初思想起源于年前.的“鎖和鑰匙模型”,即“把鑰匙開一把鎖”。.認(rèn)為,“鎖和鑰匙”互補(bǔ)識(shí)別的首要條件是它們?cè)诳臻g形狀上要互相匹配。當(dāng)然分子對(duì)接比“鎖和鑰匙”模型要復(fù)雜的多。配體和受體的構(gòu)象是變化的,而不是剛性的。受體和配體在對(duì)接過(guò)程中互相適應(yīng)對(duì)方,從而達(dá)到更完美的匹配。分子對(duì)接和“鎖和鑰匙”模型的另一個(gè)不同之處是分子對(duì)接不僅要滿足空間形狀的匹配,還要滿足能量的匹配。受體和配體能否結(jié)合以及結(jié)合的強(qiáng)度最終是由形成此復(fù)合物過(guò)程的結(jié)合自由能的變化決定的。.配俸受體識(shí)別過(guò)程的相互作用力配體.受體識(shí)別過(guò)程中的

22、作用力可以分為兩種:強(qiáng)相互作用共價(jià)鍵和弱相互作用非共價(jià)鍵。共價(jià)鍵是指維持分子的基本結(jié)構(gòu),是分子中或分子間的原子之間結(jié)合的主要相互作用,決定著生物大分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)。非共價(jià)鍵是指分子間或基團(tuán)間弱相互作用的總稱,在維持生物大分子的二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)結(jié)構(gòu)中以及在維持其功能活性中起著相當(dāng)重要的作用,也是藥物與受體識(shí)別的重要識(shí)別方式。在通常情況下,非鍵相互作用包括【】:鹽鍵鹽鍵或稱離子鍵,它是正電荷與負(fù)電荷之間的一種靜電相互作用。吸引力與電荷電量的乘積。:成正比,與電荷質(zhì)點(diǎn)間的距離平方成反比,在溶液中此吸引力隨周圍介質(zhì)的介電常數(shù)增大而降低。在生理下,蛋白質(zhì)中的酸性氨基酸和的側(cè)鏈可解離成負(fù)離子,堿性氨基酸、缸

23、和的側(cè)鏈可離解成正離子。在多數(shù)情況下這些基團(tuán)都分布在球狀蛋白質(zhì)分子表面,而與介質(zhì)水分子發(fā)生電荷.偶極之間的相互作用,形成排列有序的水化層,這對(duì)穩(wěn)定蛋白質(zhì)的構(gòu)象有著一定的作用。鹽鍵的形成不僅是靜電吸北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文引而且也是熵增的過(guò)程。升高溫度時(shí),由于對(duì)一項(xiàng)有利,因而增加鹽橋的穩(wěn)定性,此外,鹽鍵因加入非極性溶劑而加強(qiáng),加入鹽類而減弱。氫鍵由電負(fù)性原子與氫形成的基團(tuán)如?和?具有很大的偶極距,成鍵電子云分布偏向負(fù)電性大的重原子核,因此氫原子核周圍的電子分布就少,正電荷的氫核質(zhì)子就在外側(cè)裸露。這一正電荷氫核遇到另一個(gè)電負(fù)性強(qiáng)的原子核時(shí),就產(chǎn)生靜電吸引,即所謂氫鍵。?一。這里、是電負(fù)性強(qiáng)的原

24、子、等,?是共價(jià)鍵,一了是氫鍵。是氫質(zhì)子供體,是氫質(zhì)子受體。判斷形成氫鍵的準(zhǔn)則:原子與之間的距離小于.;與之間的角度大于。氫鍵在維持蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中起著極其重要的作用?？梢栽诙嚯闹麈溕系聂驶鹾王０窔渲g形成氫鍵,也可以在側(cè)鏈與側(cè)鏈、側(cè)鏈與介質(zhì)水、主鏈肽基與側(cè)鏈或主鏈肽基與水之間形成。大多數(shù)蛋白質(zhì)所采取的折疊策略是使主鏈肽基之間形成最大數(shù)目的分子內(nèi)氫鍵如一螺旋,一折疊,與此同時(shí)保持大部分能成氫鍵的側(cè)鏈處于蛋白質(zhì)分子的表面將與水相互作用。范德華力范德華力包括三種較弱的作用力,即定向效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)和分散效應(yīng)。定向效應(yīng)發(fā)生在極性分子或極性基團(tuán)之間。它是永久偶極間的靜電相互作用,氫鍵可被認(rèn)為屬于這種范德

25、華力。誘導(dǎo)效應(yīng)發(fā)生在極性物質(zhì)與非極性物質(zhì)之間,這是永久偶極與由它誘導(dǎo)而來(lái)的誘導(dǎo)偶極之間的相互作用。分散效應(yīng)是在多數(shù)情況下起主要作用的范德華力:它是非極性分子或基團(tuán)間僅有的一種范德華力,也稱為分散力。這是瞬時(shí)偶極間的相互作用,偶極方向是瞬時(shí)變化的。瞬時(shí)偶極是由于所在分子或基團(tuán)中電子電荷密度的波動(dòng)即電子運(yùn)動(dòng)的不對(duì)稱性造成的。瞬時(shí)偶極可以誘導(dǎo)周圍的分子或基團(tuán)產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極,誘導(dǎo)偶極反過(guò)來(lái)又穩(wěn)定了原來(lái)的偶極,因此在它們之間產(chǎn)生了相互作用。范德華力是很弱的作用力,而且隨非共價(jià)鍵合原子或分子間距離的六次方第章分子對(duì)接方法及應(yīng)用倒數(shù)即/而變化。當(dāng)非共價(jià)鍵合原子或分子相互挨得太近時(shí),由于電子云重疊,將產(chǎn)生范德華

26、力。實(shí)際上范德華力包括吸引力和排斥力兩種相互作用。因此范德華力吸引力只有當(dāng)兩個(gè)非鍵合原子處于一定距離時(shí)才能達(dá)到最大,這個(gè)距離稱為接觸距離或范德華距離,它等于兩個(gè)原子的范德華半徑之和。雖然就其個(gè)別來(lái)說(shuō)范德華力是很弱的,但是范德華相互作用數(shù)量大并且具有加和性,因此就成為一種不可忽視的作用力。疏水相互作用水介質(zhì)中球狀蛋白質(zhì)的折疊總是傾向于把疏水殘基埋藏在分子的內(nèi)部。這一現(xiàn)象被成為疏水相互作用或疏水效應(yīng)。它在維持蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)方面占有突出的地位。疏水相互作用其實(shí)并不是疏水基團(tuán)之間有什么吸引力的緣故,而是疏水基團(tuán)或疏水側(cè)鏈出自于避開水的需要而被迫接近。當(dāng)然,當(dāng)疏水基團(tuán)接近到等于范德華距離時(shí),相互間將有

27、弱的范德華引力,但這不是主要的。蛋白質(zhì)溶液系統(tǒng)的熵增是疏水相互作用的主要?jiǎng)恿ΑＪ杷嗷プ饔檬庆仳?qū)動(dòng)的自發(fā)過(guò)程。就藥物和受體而言,它們的非極性部分在體液中均為水合狀態(tài),即被水分子所包圍,當(dāng)藥物與受體接近到一定程度時(shí),非極性部分周圍的水分子便被擠出去發(fā)生去水合現(xiàn)象,使置換出來(lái)的水分子成無(wú)序狀態(tài),因而體系的熵增加,焓變值減少,使兩個(gè)非極性區(qū)域間的接觸穩(wěn)定化,這種締合就是疏水相互作用的結(jié)果。.配體.受體相互作用的熱力學(xué)過(guò)程配體包括藥物與受體結(jié)合時(shí),有共價(jià)相互作用如酶催化底物水解形成過(guò)渡態(tài)復(fù)合物、烷基化劑抗癌藥物.受體復(fù)合物等和非鍵相互作用兩種情形,其中藥物和受體結(jié)合時(shí),非鍵相互作用比共價(jià)相互作用更為常

28、見,因?yàn)樗幬锢梅擎I相互作用與受體結(jié)合有利于藥物的代謝和排泄】。此外,非鍵相互作用可以用經(jīng)驗(yàn)力場(chǎng)如、和等方法計(jì)算,而共價(jià)相互作用,牽涉到化學(xué)鍵的生成與斷裂,必須用量子化學(xué)方法計(jì)算【】。北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文本論文在此處著重討論藥物.受體非鍵相互作用,其它配體一受體相互作用以此類推。?孓哼圖?藥物受體相互作用的過(guò)程”“ 。圖.示意了藥物.受體相互作用的熱力學(xué)過(guò)程【”】。藥物與受體存在于體液環(huán)境中,與周圍的水分子存在溶劑化作用,水合焓分別為。,和。,。這時(shí)藥物小分子還沒有受到受體的束縛,藥物有平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)熵叢。和單鍵旋轉(zhuǎn)熵叢。當(dāng)藥物一受體形成復(fù)合物時(shí),藥物和受體要失去水合焓,同時(shí),藥物還將失去平

29、動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和單鍵旋轉(zhuǎn)熵,釋放出水分子,增加了水熵叢,和藥物?受體生成焓。因此,藥物.受體相互作用過(guò)程中,熵的變化如下:叢笛叢,一叢。一塒這里,昂表示水熵的變化,。表示振動(dòng)熵,叢。表示藥物的平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)熵,。表示藥物的單鍵旋轉(zhuǎn)熵。該過(guò)程中,焓的變化如下:日珊一一 ?第章分子對(duì)接方法及應(yīng)用這里,日表示藥物.受體復(fù)合物的生成焓,。,、。分別表示藥物與受體的水合焓。該過(guò)程中,自由能的變化如下式:一?由以上各式知,從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看,藥物一受體相互作用是一個(gè)綜合平衡的過(guò)程,并且藥物還必須取一定的構(gòu)象,使其能“適應(yīng)”受體結(jié)合部位的“空腔”形狀和構(gòu)象變化。同時(shí),為與藥物分子相結(jié)合,受體的構(gòu)象也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,這

30、就是所謂的“誘導(dǎo)契合”。.配體一受體識(shí)別作用中的立體化學(xué)因素配體仍以藥物為例一受體結(jié)合時(shí),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.受體結(jié)合,疏水作用是藥物.受體結(jié)合的驅(qū)動(dòng)力,如疏水作用強(qiáng),藥物和受體才能排除水分子,相互結(jié)合在一起。盡管藥物和受體均與體液形成氫鍵,兩者結(jié)合時(shí),要打破這些氫鍵,但這部分氫鍵作用能被藥物.受體間形成的氫鍵補(bǔ)償】。因此,藥物分子與受體結(jié)合時(shí),必須遵循以下互補(bǔ)匹配規(guī)則見圖?:幾何形狀互補(bǔ)匹配;靜電相互作用互補(bǔ)匹配正電荷對(duì)應(yīng)負(fù)電荷;氫鍵相互作用互補(bǔ)匹配氫鍵供體對(duì)應(yīng)氫鍵受體;疏水相互作用互補(bǔ)匹配疏水區(qū)對(duì)應(yīng)疏水區(qū)。這些互補(bǔ)性質(zhì)往往可以用

31、分子的表面性質(zhì)來(lái)表示。生物大分子和藥物小分子的各種表面性質(zhì),可用分子模擬方法計(jì)算,如軟件【”中的模塊可計(jì)算分子的靜電、氫鍵和疏水性質(zhì),曲 軟件”中的模塊也可計(jì)算分子的靜電性質(zhì)。另外,、以及等也可以模擬配體.受體的相互作用。北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文尊相互怍用奠采櫥置怍甩?.圖藥物受體互補(bǔ)匹配不意圖口叩 ?綜上所述,配體.受體相互作用時(shí)須遵循以下互補(bǔ)匹配規(guī)則:幾何形狀互補(bǔ)匹配,原子緊密結(jié)合,使其具有較大的接觸面積;靜電相互作用互補(bǔ)匹配,正負(fù)電荷相對(duì)應(yīng);復(fù)合物界面包含盡可能多的氫鍵,鹽橋:疏水相互作用互補(bǔ)匹配:盡量避免在界面上出現(xiàn)沒有成對(duì)的極性基團(tuán)。.分子對(duì)接與藥物設(shè)計(jì)分子對(duì)接在藥物設(shè)計(jì)中具有十

32、分重要的意義。在藥物分子產(chǎn)生藥效的過(guò)程中,藥物分子需要與靶酶相結(jié)合,首先就要求兩個(gè)分子能充分接近,并采取合適的取向,使兩者在必要的部位相互契合,發(fā)生相互作用,繼而通過(guò)適當(dāng)?shù)臉?gòu)象調(diào)整,得到一個(gè)穩(wěn)定的復(fù)合物構(gòu)象。分子對(duì)接方法應(yīng)用于藥物分子設(shè)計(jì),主要是用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋【。數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋主要分為兩類:一類是基于藥效基團(tuán)的數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋,另一類是基于配體一受體分子對(duì)接的數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋”。程序首先被用來(lái)在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜尋出分子形狀與受體結(jié)合部位相匹配的化合物,作為先導(dǎo)化合物,進(jìn)行新配體如酶抑制劑的設(shè)計(jì)工作。應(yīng)用分子對(duì)接方法進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋的關(guān)鍵在于對(duì)所選出的化合物進(jìn)行評(píng)價(jià),即打分第章分子對(duì)接方法及應(yīng)用。打分較高的化合物可

33、作為先導(dǎo)化合物的候選物。程序最初用的打分規(guī)則較為簡(jiǎn)單,用配體和受體的表面重疊程度。帥來(lái)判別分子對(duì)接的好壞,即?嘶氣一其中和氣分別為配體和受體原子的范德華半徑,。是原子間距離,求和遍及所有的受體和配體原子,上式僅考慮了分子的形狀匹配,沒有考慮分子的化學(xué)性質(zhì)匹配?！景l(fā)展的程序在進(jìn)行分子基團(tuán)與受體活性部位對(duì)接時(shí),考慮了氫鍵相互作用和疏水相互作用,用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則決定相互作用的大小,氫鍵相互作用能為. /,疏水作用能為 /,其打分標(biāo)準(zhǔn)為:?/一廠口導(dǎo)。其中,醵口,是經(jīng)驗(yàn)函數(shù),用于表征配體一受體對(duì)接時(shí)的氫鍵鍵長(zhǎng)和鍵角偏離理想鍵長(zhǎng)和鍵角的程度,。為配體與受體活性部位作用的疏水接觸表面積。緒論中所述的藥物.受體相

34、互作用互補(bǔ)匹配規(guī)則,是藥物研究中經(jīng)常提及的鎖匙機(jī)理】,也是各種藥物設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)。當(dāng)前分子設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)主要集中在兩個(gè)方面,一方面是對(duì)具有明顯藥物功能的天然蛋白質(zhì)分子如胰島素、天花粉等加以改性,這與蛋白質(zhì)工程緊密相連;另一方面,主要是基于生物大分子結(jié)構(gòu)知識(shí)的藥物設(shè)計(jì)。藥物的治療作用主要是通過(guò)藥物與受體的相互作用。在生物體中受體大多是生物大分子,象蛋白質(zhì)和核酸,而以蛋白質(zhì)居多。如果人們了解了受體蛋白的結(jié)構(gòu),就可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)來(lái)研究藥物是怎樣改變它的構(gòu)象,進(jìn)而產(chǎn)生治療作用。設(shè)想受體各種可能的藥物結(jié)構(gòu)來(lái)模擬這種相互作用就有助于找到較好的藥北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文物。這是當(dāng)前藥物篩選中的一個(gè)合理的和有效

35、的途徑。這種基于大分子結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì),使得常規(guī)的藥物開發(fā)從較隨機(jī)的篩選,逐漸過(guò)渡到理性化,避免了過(guò)多的財(cái)力和時(shí)間的浪費(fèi)和盲目性。目前已有很多生物大分子作為藥物設(shè)計(jì)的受體模型,并正在不斷的發(fā)展,大體情況如下:基于酶結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)特定酶的抑制劑或激動(dòng)劑。這里酶就是受體,而它的抑制劑或激動(dòng)劑就是要篩選的藥物。這方面的例子很多,如胸腺嘧啶核苷酸合成酶抑制劑、二氫葉酸還原酶抑制劑、羧肽酶抑制劑、胰蛋白酶抑制劑、凝血酶抑制劑等。蛋白酶類抑制劑的設(shè)計(jì)是當(dāng)前的熱門,比如酪氨酸蛋白激酶,它在細(xì)胞增值、細(xì)胞轉(zhuǎn)化、代謝調(diào)控以及細(xì)胞通訊的許多方面都起著十分重要的作用,細(xì)胞表面酪氨酸激酶受體的失控信號(hào)與細(xì)胞內(nèi)

36、的酪氨酸激酶能導(dǎo)致炎癥和癌癥、粥樣硬化、銀屑病等多種疾病。它的抑制劑的設(shè)計(jì)可以發(fā)展一類有效藥物用于治療上述疾病?；诳贵w結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)與抗體相關(guān)的設(shè)計(jì)除人源化抗體外,新近還發(fā)展了抗體衍生的小分子藥物。經(jīng)仔細(xì)研究過(guò)的抗原一抗體相互作用表面,抗體分子與抗原分子互補(bǔ)決定區(qū)只涉及若干個(gè)殘基。這就意味著可以模擬互補(bǔ)決定區(qū)的殘基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小的抗體結(jié)合肽。這種小肽應(yīng)當(dāng)具備抗體的活性。國(guó)際上一些科學(xué)家設(shè)計(jì)的具有十幾個(gè)殘基的這類肽都有抗原能力?；谥掳?、抑癌基因表達(dá)產(chǎn)物的藥物設(shè)計(jì)細(xì)胞表面受體在生命中具有重要作用。近年來(lái)已經(jīng)了解了幾個(gè)這樣的受體空間結(jié)構(gòu),如和生長(zhǎng)因子?受體,根據(jù)這些受體設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)劑抑制劑,就可調(diào)節(jié)細(xì)胞

37、功能,從而影響整個(gè)生物體?；谵D(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)隨著對(duì)真核生物基因表達(dá)調(diào)控研究的深入和對(duì)空間結(jié)構(gòu)測(cè)定數(shù)目的增加,很多轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)功能已經(jīng)了解,如鋅指、亮氨酸拉鏈、螺旋.環(huán).螺旋等。根據(jù)這些高分辨率的空間結(jié)構(gòu)信息來(lái)設(shè)計(jì)藥物也提上了日程,國(guó)外一些科學(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)與合成了一些小分子,使它第章分子對(duì)接方法及應(yīng)用們與轉(zhuǎn)錄因子的重要表面區(qū)域互補(bǔ)。研究表明,這樣的分子可以專一地結(jié)合到轉(zhuǎn)錄因子表面,從而干擾該基因的活性,調(diào)節(jié)該基因的表達(dá)?；诖蠓肿咏Y(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)種類是很多的。原則上,只要是具有生物功能又已知結(jié)構(gòu)的生物大分子,都可設(shè)計(jì)與之互補(bǔ)的小分子來(lái)調(diào)節(jié)它們的生物功能。.分子對(duì)接方法的分類根據(jù)不同的簡(jiǎn)化程

38、度,分子對(duì)接方法大致可以分為三類:剛性對(duì)接剛性對(duì)接指在對(duì)接過(guò)程中,研究體系的構(gòu)象不發(fā)生變化,其中比較有代表性的是和【”發(fā)展的分子對(duì)接算法。剛性對(duì)接適合考察比較大的體系,比如蛋白質(zhì).蛋白質(zhì)以及蛋白質(zhì)一核酸之間的對(duì)接,它的計(jì)算較為粗略,原理也相對(duì)簡(jiǎn)單。半柔性對(duì)接半柔性對(duì)接指在對(duì)接過(guò)程中,研究體系尤其是配體的構(gòu)象允許在一定范圍內(nèi)變化,其中比較有代表性的對(duì)接方法有等發(fā)展的軟件五以及等開發(fā)的軟件,”。半柔性對(duì)接方法適合于處理小分子和大分子之間的對(duì)接。在對(duì)接的過(guò)程中,小分子的構(gòu)象一般是可以變化的,但大分子比如靶酶則是剛性的。由于小分子相對(duì)較小,因此在一定程度考察柔性的基礎(chǔ)上,還可以保持較高的計(jì)算效率。在藥

39、物設(shè)計(jì)中,尤其在基于分子對(duì)接的數(shù)據(jù)庫(kù)搜索中,一般采用半柔性的分子對(duì)接方法。柔性對(duì)接柔性對(duì)接指在對(duì)接過(guò)程中,研究體系的構(gòu)象基本是可以自由變化的,其中比較有代表性的方法有公司發(fā)展的基于分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)的分子對(duì)接方法【】。柔性對(duì)接方法一般用于精確考察分子之間的識(shí)別情況。由于在計(jì)算過(guò)程中體系的構(gòu)象是可以變化的,因此柔性對(duì)接耗時(shí)較長(zhǎng)。當(dāng)然這只是一種簡(jiǎn)單的分類方法,在很多分子對(duì)接程序方法中,實(shí)際上采用了多種處理方法。比如在發(fā)展的程序中,作者實(shí)際上把半柔性和柔性的分子對(duì)接方法進(jìn)行了結(jié)合。北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文.分子對(duì)接中常用的模擬方法.分子動(dòng)力學(xué)模擬方法分子動(dòng)力學(xué)的基本思想是將微觀粒子視為服從牛頓

40、第二定律的經(jīng)典粒子,使用的基本假說(shuō)是各態(tài)歷經(jīng)假說(shuō),即無(wú)限時(shí)間平均等于系綜平均或整個(gè)構(gòu)型空間的積分。通過(guò)數(shù)值積分方法由各個(gè)粒子的瞬時(shí)受力情況求出它們的運(yùn)動(dòng)經(jīng)典軌跡。因而可用這種方法模擬生物大分子的構(gòu)象和計(jì)算體系的熱力學(xué)性質(zhì)。對(duì)于對(duì)接問(wèn)題,分子動(dòng)力學(xué)方法同樣可以有效地預(yù)測(cè)分子可能的結(jié)合模式。將復(fù)合物系統(tǒng)作為一個(gè)整體,但是把探針的平動(dòng)、內(nèi)部運(yùn)動(dòng),以及受體的運(yùn)動(dòng)看成不動(dòng)的動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng),并使它們與不同溫度的熱浴耦合,賦予它們不同的時(shí)間常數(shù)。這樣做的目的是可以通過(guò)溫度控制在高溫的條件下快速搜索某些自由度,同時(shí),采用低溫?zé)嵩?lái)凍結(jié)那些我們不希望改變的自由度。在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)下,系統(tǒng)的動(dòng)能為:去%,是相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室

41、坐標(biāo)的速度。在質(zhì)心坐標(biāo)系下,速度為:%.,一礦?其中,礦.。/是質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)速度。在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下,系統(tǒng)的動(dòng)能可以表示為:,%圭莩一圭軍丟彬式?中的兩項(xiàng)分別為內(nèi)部動(dòng)能和質(zhì)心動(dòng)能。為了允許大范圍的探索受體的表面,底物的平移溫度設(shè)置在較高的溫度范第章分子對(duì)接方法及應(yīng)用圍內(nèi)肛,從而增加底物的動(dòng)能,使它跨越高的勢(shì)壘,以找到能量更低的構(gòu)象。底物內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的溫度設(shè)為,以避免不合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變。分子動(dòng)力學(xué)模擬一般分兩步進(jìn)行,先進(jìn)行能量?jī)?yōu)化,然后緊跟著進(jìn)行模擬退火。該方法可以為分子模擬提供許多幫助,如模擬新的同類化合物的能量最低的結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)軌跡。.蒙特卡洛方法在分子模擬的發(fā)展過(guò)程中,蒙特卡洛模擬方法起了很

42、重要的作用,它最先被用于分子體系的計(jì)算機(jī)模擬。蒙特卡洛方法的基本思想很簡(jiǎn)單,是使用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)的隨機(jī)模擬方法,通過(guò)按照定的采樣方法不斷抽取體系構(gòu)象,使其逐漸趨于熱力學(xué)平衡系綜。因?yàn)槊商乜迥M是一個(gè)隨機(jī)或隨機(jī)采樣的過(guò)程,可以有多種表達(dá)法,習(xí)慣上,在分子對(duì)接中,蒙特卡洛模擬通常表達(dá)為重要性采樣或采樣法。該采樣法實(shí)際上是一種馬爾可夫鏈蒙特卡洛方法,它先給體系產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的運(yùn)動(dòng),緊接著依據(jù)玻爾茲曼概率來(lái)判斷是接受還是拋棄該運(yùn)動(dòng)。重要性采樣即昀方法】的描述如下:先隨機(jī)地選取一個(gè)初始狀態(tài)盯。由盯出發(fā),產(chǎn)生一個(gè)新的狀態(tài)盯。計(jì)算能量和仃。如果仃,新狀態(tài)的能量較低,因而作為“重要”狀態(tài),保留這個(gè)解。如果占叮,不

43、能簡(jiǎn)單拋棄口,否則,就是忽略了熱運(yùn)動(dòng)的影響。這時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)的玻爾茲曼因子的比值.,:“絲掣總是一個(gè)小于的數(shù),其中,七是】糊常數(shù),丁是絕對(duì)溫度。產(chǎn)生一個(gè)到之間的隨機(jī)數(shù),如果,保留盯:如果,就拋棄盯,仍用原來(lái)的盯。蒙特卡洛方法在分子對(duì)接中起著很重要的作用,很多常用的軟件程序采用北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文了蒙特卡洛方法,如,“、及【】。.模擬退火技術(shù)無(wú)論是使用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法還是蒙特卡洛方法進(jìn)行生物大分子結(jié)構(gòu)模擬,都會(huì)遇到多重極值問(wèn)題,即:如何在眾多的局域極小中尋找相應(yīng)于整體能量極小的構(gòu)象。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),首先體系要能夠克服局域高能勢(shì)壘,這樣就可以在更廣泛的構(gòu)象空間進(jìn)行,然后再引導(dǎo)搜尋向總體極小演化

44、。模擬退火技術(shù)可以有效地尋找分子的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象。其過(guò)程為:先使體系升溫,在高溫下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬,使分子體系有足夠的能量,克服柔性分子中存在的各種旋轉(zhuǎn)能壘和順反異構(gòu)能壘,搜尋全部構(gòu)象空間,在構(gòu)象空間中選出一些能量相對(duì)極小的構(gòu)象;然后逐漸降溫,再進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬,此時(shí)較高的能壘已無(wú)法越過(guò),在極小化后去除能量較高的構(gòu)象,最后可以得到相應(yīng)的能量最小的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象。此法優(yōu)點(diǎn)是它取舍構(gòu)象使既考慮能量下降的變化,也考慮能量上升的構(gòu)象,因此就有可能跳出局部勢(shì)阱,達(dá)到全局優(yōu)化。目前,用模擬退火算法得到高質(zhì)量近似解耗時(shí)較長(zhǎng),特別是當(dāng)問(wèn)題尺度增大時(shí)更為明顯。當(dāng)前模擬退火技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物大分子的模擬和分子對(duì)接中,對(duì)

45、.射線晶體衍射、等實(shí)驗(yàn)方法得到的生物大分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正。.遺傳算法遺傳算法的基本思想源自于達(dá)爾文的自然選擇和生物進(jìn)化學(xué)說(shuō),是模擬了達(dá)爾文進(jìn)化的大多數(shù)特性并應(yīng)用了孟德爾遺傳規(guī)律。遺傳選擇和自然淘汰的生物進(jìn)化過(guò)程,符合適者生存的自然規(guī)律,具有“生存檢測(cè)”的迭代過(guò)程的優(yōu)化算法。習(xí)慣上把年提出的稱為傳統(tǒng)的“。傳統(tǒng)的常常用一個(gè)二進(jìn)制的線性數(shù)字串表示個(gè)體,若干個(gè)體構(gòu)成一個(gè)種群第章分子對(duì)接方法及應(yīng)用。先隨機(jī)產(chǎn)生初始種群,然后用“適應(yīng)性函數(shù)”選擇優(yōu)良的個(gè)體,通過(guò)雜交和變異來(lái)繁衍它們的后代。得分高的個(gè)體被選中的可能性大一些,那些未選中的個(gè)體就自然消亡,留下來(lái)的個(gè)體和它們新產(chǎn)生的子代就形成了新的種群。經(jīng)過(guò)如此的迭

46、代,直到滿足了預(yù)設(shè)的終止標(biāo)準(zhǔn),即最大迭代數(shù)或者能量評(píng)估最大值,迭代過(guò)程收斂,算法結(jié)束,得到總體得分較高的種群。在 .版本中,應(yīng)用了改進(jìn)的遺傳算法,使配體在空間中的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于基因型,與該狀態(tài)相應(yīng)的原子坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于表現(xiàn)型。其主要操作步驟九如下:?！跋葘⒚總€(gè)個(gè)體的基因圖形匹配評(píng)估型轉(zhuǎn)譯成其相應(yīng)的表現(xiàn)型,緊接著對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行適應(yīng)性編碼。遺傳算法在進(jìn)行搜索之前,先將解空間的數(shù)據(jù)表示成基因型串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。選擇其目的是為了從當(dāng)前群體中選出優(yōu)良的個(gè)體,使它們有機(jī)會(huì)作為父代繁衍子孫,原則是適應(yīng)性越強(qiáng)的個(gè)體繁衍子孫的概率越大。雜交通過(guò)雜交操作可以得到新一代個(gè)體,它們組合了父輩個(gè)體的特性。雜交體現(xiàn)了信息交換的思想。變異

47、首先在群體中隨機(jī)選擇一個(gè)個(gè)體,對(duì)于選中的個(gè)體以一定的概率隨機(jī)地改變串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中的某個(gè)值。變異為新個(gè)體的產(chǎn)生提供了機(jī)會(huì)。定義一個(gè)精英參數(shù)來(lái)決定自動(dòng)存活進(jìn)入下精英選擇一代的優(yōu)秀個(gè)體數(shù)。遺傳算法的主要特點(diǎn)是直接對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)象進(jìn)行操作,不存在求導(dǎo)和函數(shù)連續(xù)性的限定;具有較好的全局尋優(yōu)能力;采用概率化的尋優(yōu)方法,能自動(dòng)獲取和指導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間,自適應(yīng)地調(diào)整搜索方向,不需要確定的規(guī)則。作為一種全局優(yōu)化搜索算法,遺傳算法以其簡(jiǎn)單通用、適于并行處理及高效、實(shí)用等顯著特點(diǎn),在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,取得了良好的效果,并逐漸成為重要的北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文智能算法之一。目前,以上提及的分子模擬方法已被廣泛應(yīng)用于

48、研究配體一受體相互作用及識(shí)別的機(jī)制的對(duì)接模擬中。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與生物科學(xué)的發(fā)展,新的算法也會(huì)隨之產(chǎn)生。.幾種有代表性的分子對(duì)接軟件及方法分子對(duì)接的方法有很多,這里不可能一一介紹。下面主要介紹幾種應(yīng)用較為廣泛的分子對(duì)接方法。實(shí)時(shí)圖形處理途徑不管是對(duì)配體.受體相互作用進(jìn)行理論計(jì)算,還是根據(jù)生物大分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行新配體的設(shè)計(jì),第一步總是將配體對(duì)接到受體的結(jié)合部位去,形成配體一受體復(fù)合物,這一過(guò)程稱為分子對(duì)接。在進(jìn)行分子對(duì)接時(shí),往往以已知配體一受體復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),計(jì)算受體結(jié)合部位的各種表面性質(zhì)靜電、氫鍵和疏水勢(shì)等的分布,刪去原有的配體,計(jì)算用于分子對(duì)接配體的表面性質(zhì),然后根據(jù)上面所講的互補(bǔ)匹配規(guī)

49、則,將配體對(duì)接到受體的結(jié)合部位上去?，F(xiàn)有的圖形工作站如和分子模擬軟件如使得這一過(guò)程能夠進(jìn)行。分子對(duì)接的目的有兩個(gè):一是為進(jìn)一步精確的理論計(jì)算如、/等計(jì)算提供了配體.受體復(fù)合物的初始構(gòu)型;二是可以根據(jù)匹配情況,對(duì)配體進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾,提高配體與受體的親和性,如配體是多肽,可以改變肽鏈骨架,設(shè)計(jì)出非肽和類肽配體,以提高生物利用度,或?qū)⑷嵝耘潴w環(huán)化,以降低配體.受體結(jié)合時(shí)的熵?fù)p失見式.。實(shí)時(shí)圖形處理途徑在以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的藥物設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用,并取得了成功,但現(xiàn)已被自動(dòng)分子對(duì)接方法所替代。實(shí)時(shí)圖像處理途徑的優(yōu)點(diǎn)是能在計(jì)算機(jī)屏幕上形象直觀地顯示、操作分子間的相互作用過(guò)程。和擴(kuò)”提出的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)剛性對(duì)接

50、算法用簡(jiǎn)化“蛋白模型一個(gè)氨基酸殘基用一個(gè)球來(lái)表示來(lái)模擬分子的表面,采用系統(tǒng)格第章分子對(duì)接方法及應(yīng)用點(diǎn)搜索法采樣構(gòu)象空間,以幾何互補(bǔ)性為標(biāo)準(zhǔn)過(guò)濾掉不合理的構(gòu)象。在打分函數(shù)中考慮了蛋白質(zhì)分子間的靜電和范德華相互作用。算法的最大優(yōu)點(diǎn)在于球極坐標(biāo)系統(tǒng)的使用。在這種坐標(biāo)系下,對(duì)已知受體或配體活性位點(diǎn)的識(shí)別預(yù)測(cè),限制一兩個(gè)角度的搜索在一個(gè)較小的范圍內(nèi),這樣就在很大程度上減少了程序的運(yùn)行時(shí)間。該算法的缺點(diǎn)在于幾何互補(bǔ)過(guò)濾標(biāo)準(zhǔn)并不足以在正確與錯(cuò)誤的構(gòu)象間作出區(qū)分,有可能漏選大量的近天然結(jié)構(gòu)。詳細(xì)用法見第章。等九為了進(jìn)行全新藥物設(shè)計(jì)研究,發(fā)展了自動(dòng)分子對(duì)接程序,這一方法被廣泛地應(yīng)用于基于受體結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋

51、,并取得了成功”。其基本方法如下:千圖受體分子表面球形表示的示意圖 如 分子表面的“空腔”可用“填充”在分子表面的球形來(lái)表示。每一個(gè)球與受體分子表面的一個(gè)點(diǎn)相切,即經(jīng)該點(diǎn)并與分子表面垂直的直線經(jīng)過(guò)球心,同時(shí)球體表面與分子表面的另一點(diǎn)相觸見圖.,然后根據(jù)一定的規(guī)則,使得覆蓋受體表面的球形數(shù)最少,同時(shí)每一個(gè)受體表面的原子僅保留一個(gè)球形與之對(duì)應(yīng),亦即保留那些審。的球形,這樣做的目的是摒棄那些受體表面淺的“溝槽”。另外,半徑大于.的球也不計(jì)入,目的是防止受體結(jié)合部位延伸北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文到溶劑中去。按這樣的方法,球形數(shù)聚集體最多的表面即為受體的結(jié)合部位配體分子表面可用類似的方法進(jìn)行球形表示,所不同的是球形與分予的內(nèi)表面相切受體球形與其外表面相切,對(duì)于小分子配體,也可用以原子中,為球心,范德華半徑為半徑的球形代替上述球形表示?！奔瘓F(tuán)匹配 。得到上述受體結(jié)合部位和配體表面的球形表示后,必須利用球形表示將