第十章分子對接

1、第十章第十章 藥物設計的基本方法藥物設計的基本方法分子對接分子對接內(nèi)容內(nèi)容分子對接簡介分子對接簡介分子對接法的基本原理分子對接法的基本原理分子對接軟件分子對接軟件DockAutoDockCADD基于結構方法分類10.1 引言引言 分子對接就是兩個或多個分子之間通過分子對接就是兩個或多個分子之間通過幾何匹配幾何匹配和和能量匹配能量匹配而相互識別的過程。而相互識別的過程。 分子對接在酶學研究以及藥物設計中具有分子對接在酶學研究以及藥物設計中具有十分重要的意義。十分重要的意義。 在酶激活劑、酶抑制劑與酶相互作用以及藥物分在酶激活劑、酶抑制劑與酶相互作用以及藥物分子產(chǎn)生藥理反應的過程中，小分子（通常意

2、義上的子產(chǎn)生藥理反應的過程中，小分子（通常意義上的LigandLigand）與靶酶（通常意義上的）與靶酶（通常意義上的ReceptorReceptor）相互互結合，）相互互結合，首先就需要兩個分子充分接近，采取合適的取向，使首先就需要兩個分子充分接近，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，繼而通兩者在必要的部位相互契合，發(fā)生相互作用，繼而通過適當?shù)臉嬒笳{(diào)整，得到一個穩(wěn)定的復合物構象。過適當?shù)臉嬒笳{(diào)整，得到一個穩(wěn)定的復合物構象。 通過分子對接確定復合物中兩個分子正確的相對通過分子對接確定復合物中兩個分子正確的相對位置和取向，研究兩個分子的構象，特別是底物構象位置和取向，研究兩

3、個分子的構象，特別是底物構象在形成復合物過程中的變化，是確定酶激活劑、抑制在形成復合物過程中的變化，是確定酶激活劑、抑制劑作用機制以及藥物作用機制，設計新藥的基礎。劑作用機制以及藥物作用機制，設計新藥的基礎。 大腸桿菌乙酰輔酶A羧化酶肉桂醛 在藥物設計中，分子對接方法主要用來從小分子數(shù)據(jù)庫中在藥物設計中，分子對接方法主要用來從小分子數(shù)據(jù)庫中搜尋與受體生物大分子有較好親和力的小分子，進行藥理搜尋與受體生物大分子有較好親和力的小分子，進行藥理測試，從中發(fā)現(xiàn)新的先導化合物。測試，從中發(fā)現(xiàn)新的先導化合物。 優(yōu)點：小分子配體來自現(xiàn)有化合物數(shù)據(jù)庫或制藥公司自己優(yōu)點：小分子配體來自現(xiàn)有化合物數(shù)據(jù)庫或制藥公司

4、自己 的數(shù)據(jù)庫，合成路線比較成熟；的數(shù)據(jù)庫，合成路線比較成熟； 分子對接方法從整體上考慮受體與配體結合的效果分子對接方法從整體上考慮受體與配體結合的效果 加速先導化合物的發(fā)現(xiàn)進程。加速先導化合物的發(fā)現(xiàn)進程。10.2 分子對接法的基本原理分子對接法的基本原理 配體與受體的結合過程是一個很復雜的過程，涉及到配體和配體與受體的結合過程是一個很復雜的過程，涉及到配體和受體的去溶劑化、配體和受體（主要是活性位點處的殘基）受體的去溶劑化、配體和受體（主要是活性位點處的殘基）的構象變化以及配體與受體之間的相互作用。的構象變化以及配體與受體之間的相互作用。 配體與受體的結合強弱取決于結合過程的自由能變化：配體

5、與受體的結合強弱取決于結合過程的自由能變化：lnbindingdGRTK 結合自由能也可以表示成：結合自由能也可以表示成：bindingbindingbindingGHT S 大部分的分子對接法忽略了全部的熵效應，而在焓效應中也只考慮配體與受體的相互作用能 配體與受體的相互作用：配體與受體的相互作用：bondHticelectrostavdweractionEEEEint其中氫鍵采用的形式和力場有關配體與受體的相互作用：配體與受體的相互作用：分子對接計算是把配體分子放在受體活性位點分子對接計算是把配體分子放在受體活性位點的位置，然后按照幾何互補、能量互補、化學的位置，然后按照幾何互補、能量互補

6、、化學環(huán)境互補的原則來實時評價配體與受體相互作環(huán)境互補的原則來實時評價配體與受體相互作用的好壞，并找到兩個分子之間最佳的結合模用的好壞，并找到兩個分子之間最佳的結合模式式 。 分子對接最初思想起源于分子對接最初思想起源于Fisher E.的的“鎖和鑰鎖和鑰匙模型匙模型”，認為，認為“鎖鎖”和和“鑰匙鑰匙”的相識別的的相識別的首要條件是他們在空間形狀上要互相匹配首要條件是他們在空間形狀上要互相匹配 配體和受體分子之間的識別要比配體和受體分子之間的識別要比“鎖和鑰匙鎖和鑰匙”模型復雜的多：模型復雜的多： 1.1.配體和受體分子的構象是變化的，而不是剛性的，配體和配體和受體分子的構象是變化的，而不是

7、剛性的，配體和受體在對接過程中互相適應對方，從而達到更完美的匹配；受體在對接過程中互相適應對方，從而達到更完美的匹配；2.2.其次，分子對接不但要滿足空間形狀的匹配，還要滿足能其次，分子對接不但要滿足空間形狀的匹配，還要滿足能量的匹配。量的匹配。 配體和受體之間的通過底物分子與靶酶分子能否結合以及結合的強度最終是由形成此復合物過程的結合自由能變化Gbind所決定的。 互補性（互補性（complementarity）和預組織）和預組織（pre-organization）是決定分子對接過）是決定分子對接過程的兩個重要原則，前者決定識別過程的程的兩個重要原則，前者決定識別過程的選擇性，而后者決定識別

8、過理的結合能力。選擇性，而后者決定識別過理的結合能力。互補性包括空間結構的互補性和電學性質(zhì)互補性包括空間結構的互補性和電學性質(zhì)的互補性。的互補性。 1958年年Koshland提出了分子識別過程中提出了分子識別過程中的誘導契合（的誘導契合（induced fit）概念，指出配）概念，指出配體與受體相互結合時，受體將采取一個能體與受體相互結合時，受體將采取一個能同底物達到最佳結合的構象。同底物達到最佳結合的構象。分子對接方法根據(jù)不同的簡化程度可以大致分分子對接方法根據(jù)不同的簡化程度可以大致分為以下三類：為以下三類： （1）剛性對接；研究體系的構象不發(fā)生變化）剛性對接；研究體系的構象不發(fā)生變化 （

9、2）半柔性對接；研究體系尤其是配體的構象）半柔性對接；研究體系尤其是配體的構象允許在一定的范圍內(nèi)變化允許在一定的范圍內(nèi)變化 （3）柔性對接；研究體系的構象基本上是可以）柔性對接；研究體系的構象基本上是可以自由變化的自由變化的 剛性對接適合考察比較大的體系，比如蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)以剛性對接適合考察比較大的體系，比如蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)以及蛋白質(zhì)和核酸之間的相互作用，他計算較為簡單，原理及蛋白質(zhì)和核酸之間的相互作用，他計算較為簡單，原理也相對簡單，主要是考慮構象之間的契合程度。也相對簡單，主要是考慮構象之間的契合程度。 半柔性對接適合于處理小分子和大分子之間的對接。在對半柔性對接適合于處理小分子和大分子之間

10、的對接。在對接過程中，小分子的構象一般是可以變化的，但大分子則接過程中，小分子的構象一般是可以變化的，但大分子則是剛性的。由于小分子相對較小，因此在一定程度考察柔是剛性的。由于小分子相對較小，因此在一定程度考察柔性的基礎上，還可以保持較高的計算效率，在藥物設計尤性的基礎上，還可以保持較高的計算效率，在藥物設計尤其在基于分子數(shù)據(jù)庫的虛擬篩選過程中，一般采用半柔性其在基于分子數(shù)據(jù)庫的虛擬篩選過程中，一般采用半柔性的分子對接方法。的分子對接方法。 柔性對接方法一般用于精確考察分子之間的識別情況，由柔性對接方法一般用于精確考察分子之間的識別情況，由于在計算過程中體系的構象是可以變化的，因此柔性對接于在

11、計算過程中體系的構象是可以變化的，因此柔性對接在提高了對接準確性的同時卻需要耗費較長的計算時間。在提高了對接準確性的同時卻需要耗費較長的計算時間。分子對接的目的：找到底物分子和受體分子的分子對接的目的：找到底物分子和受體分子的最佳結合位置最佳結合位置找到最佳的結合位置評價對接分子之間的結合強度構象搜索方法按照分子對接程序?qū)ふ遗潴w與受體結合構按照分子對接程序?qū)ふ遗潴w與受體結合構象方法的差異，可以分為三種：象方法的差異，可以分為三種： 1、局部優(yōu)化法、局部優(yōu)化法 2、深度搜尋法、深度搜尋法 3、全局優(yōu)化法、全局優(yōu)化法局部優(yōu)化法：不對配體和受體進行構象搜尋，局部優(yōu)化法：不對配體和受體進行構象搜尋，只

12、是對初始構象進行優(yōu)化，得到配體與受體結只是對初始構象進行優(yōu)化，得到配體與受體結合的一個局部最優(yōu)構象；合的一個局部最優(yōu)構象；深度搜尋法：采用深度優(yōu)先搜尋法或廣度優(yōu)先深度搜尋法：采用深度優(yōu)先搜尋法或廣度優(yōu)先搜尋法，通過有限的步驟，找到一個相對較好搜尋法，通過有限的步驟，找到一個相對較好的局部最優(yōu)結合構象。的局部最優(yōu)結合構象。全局優(yōu)化法：在進行構象搜尋時，利用模擬退全局優(yōu)化法：在進行構象搜尋時，利用模擬退火算法或遺傳算法，尋找配體與受體的全局最火算法或遺傳算法，尋找配體與受體的全局最優(yōu)結合構象。優(yōu)結合構象。對接類型對接類型對接方法類型對接方法類型對接方法對接方法Flexible-Ligand Doc

13、king柔性配體對接Systematic系統(tǒng)方法Conformational 構象Fragmentation 片段生長Database 數(shù)據(jù)庫Random/stochastic隨機方法Monte Carlo (MC) 蒙特卡羅Genetic algorithm (GA) 遺傳算法Tabu Search 禁忌搜索Simulation methods模擬方法Molecular dynamics (MD) 分子動力學Energy minimization 能量最小化Flexible-Protein Docking柔性蛋白對接Molecular dynamics (MD) 分子模擬Monte Carl

14、o (MC) 蒙特卡羅Rotamer libraries 旋轉(zhuǎn)異構體庫Protein-ensemble grids 蛋白集合柵格Soft-receptor modeling 軟受體建模表1： 常用的分子對接方法 10.3 分子對接軟件分子對接軟件表2：有代表性的分子對接軟件名稱名稱優(yōu)化方法優(yōu)化方法評價函數(shù)評價函數(shù)速度速度DOCK片斷生長分子力場、表面匹配得分、化學環(huán)境匹配得分快AutoDock遺傳算法半經(jīng)驗自由能評價函數(shù)一般ICM-Docking隨機全局優(yōu)化半經(jīng)驗自由能評價函數(shù)快GOLD遺傳算法半經(jīng)驗自由能評價函數(shù)快FlexX片斷生長半經(jīng)驗自由能評價函數(shù)快Affinity蒙特卡羅/分子力學/分

15、子動力學分子力場慢ZDock&RDock幾何匹配/分子動力學CAPRI* /分子力場慢FlexiDock遺傳算法分子力場慢eHiTS系統(tǒng)搜索半經(jīng)驗自由能評價函數(shù)快Hex幾何匹配CAPRI*快分子對接軟件最常用的分子對接軟件被引次數(shù)統(tǒng)計 10.4 DOCK 基本情況基本情況 第一個分子對接程序。由加利福尼亞州立大學舊金山分校第一個分子對接程序。由加利福尼亞州立大學舊金山分校Kuntz小組于小組于1982年開發(fā)。目前版本為年開發(fā)。目前版本為DOCK6.610.4.1 基本原理基本原理10.4.1.1 形狀匹配形狀匹配受體與配體的原子之間的距離大于其范德受體與配體的原子之間的距離大于其范德華

16、半徑之和；華半徑之和；配體中能形成氫鍵的原子，都有一個受體配體中能形成氫鍵的原子，都有一個受體的氮原子或氧原子在其的氮原子或氧原子在其0.35 nm范圍之內(nèi)范圍之內(nèi)所有的配體原子都在受體的結合位點內(nèi)所有的配體原子都在受體的結合位點內(nèi)Dock利用利用球形集合球形集合來表示受體活性位點以來表示受體活性位點以及配體的形狀。及配體的形狀。對于受體，程序產(chǎn)生一個球集，使之填充受體分子表面的口袋。如果配體與受體匹配較好的話，配體的球集應該能較好地填充受體的球集。10.4.1.2 匹配算法匹配算法 大分子配體的對接時間計算時間較長；在大分子配體的對接時間計算時間較長；在復合物結構中，由于配體的大部分表面不復

17、合物結構中，由于配體的大部分表面不會參與相互作用。因此，將表面分成不同會參與相互作用。因此，將表面分成不同的部分，每一部分分別進行匹配，這一過的部分，每一部分分別進行匹配，這一過程稱為分簇（程稱為分簇（cluster）.也就是說采取了也就是說采取了“分而治之分而治之”的匹配算法。的匹配算法。10.4.1.3 基于經(jīng)驗勢能函數(shù)的評價函數(shù) Dock中引入經(jīng)驗勢能函數(shù)做為評價函數(shù)。 優(yōu)點：預先對受體原子的作用進行加和，并存入 網(wǎng)格文件中，計算能力增大，對接結果精確。 Dock采用分子力學方法，并基于Amber力場參數(shù)。力場中的非鍵作用只包含靜電作用和范德力場中的非鍵作用只包含靜電作用和范德華作用，氫

18、鍵作為靜電作用處理。華作用，氫鍵作為靜電作用處理。10.4.2 柔性對接柔性對接Dock4.0之前的版本沒有考慮配體的柔性。之前的版本沒有考慮配體的柔性。 之后的版本，增加了配體和受體的柔性，之后的版本，增加了配體和受體的柔性，大大改善對接結果。大大改善對接結果?？紤]配體分子的柔性確定剛性片段柔性搜尋1.確定剛性片段確定剛性片段 柔性分子可以看成由剛性片段組成；柔性分子可以看成由剛性片段組成； 剛性片段中的原子由不能旋轉(zhuǎn)的鍵連接；剛性片段中的原子由不能旋轉(zhuǎn)的鍵連接； 相鄰的剛性片段由可以旋轉(zhuǎn)的鍵連接。相鄰的剛性片段由可以旋轉(zhuǎn)的鍵連接。 環(huán)的處理確定可旋轉(zhuǎn)的鍵2. 柔性搜尋柔性搜尋 Dock有兩

19、種柔性搜尋方法： 一種是錨優(yōu)先搜尋（anchor-first search） 一種是同時搜尋（simultaneous search） a. 錨優(yōu)先搜尋錨優(yōu)先搜尋對接錨片段加一個剛性片段，先內(nèi)后外 先大后小3）構象搜尋，得到NcNt個構象4）根據(jù)構象能量差異按照一定 標準，選取Nc個構象5）回到第2步，不斷加錨，直到 所有的錨片段都對接過，跳過 5，得到對接構象。b. 同時搜尋 先進行構象搜尋，然后將搜尋得到的構先進行構象搜尋，然后將搜尋得到的構象分別對接到受體的結合位點中。象分別對接到受體的結合位點中。 根據(jù)參數(shù)設置不同，可以進行系統(tǒng)搜尋根據(jù)參數(shù)設置不同，可以進行系統(tǒng)搜尋或隨機搜尋。或隨機搜

20、尋。10.5 AutoDock AutoDock是是The Scripps Research Institute的的OIson科研小組使用科研小組使用C語語言開發(fā)的分子對接軟件包，目前最言開發(fā)的分子對接軟件包，目前最新的版本為新的版本為4.2。 AutoDock是一個軟件包，其中主要是一個軟件包，其中主要包含包含AutoGrid和和AutoDock兩個程序。兩個程序。其中其中AutoGrid主要負責格點中相關主要負責格點中相關能量的計算，而能量的計算，而AutoDock則負責構則負責構象搜索及評價。象搜索及評價。 10.5.1 評價函數(shù)評價函數(shù)A. 3.0以前的版本采用經(jīng)驗勢函數(shù)為評價函數(shù)以前

21、的版本采用經(jīng)驗勢函數(shù)為評價函數(shù)B. 3.0版本開始采用經(jīng)驗結合自由能為評價函數(shù)版本開始采用經(jīng)驗結合自由能為評價函數(shù)A. 經(jīng)驗勢能函數(shù)經(jīng)驗勢能函數(shù) AutoDock的經(jīng)驗勢能函數(shù)包括三項：靜電的經(jīng)驗勢能函數(shù)包括三項：靜電作用、范德華作用和氫鍵作用。作用、范德華作用和氫鍵作用。 力場采用力場采用Amber力場力場 根據(jù)熱力學定律，離解過程的自由能變化根據(jù)熱力學定律，離解過程的自由能變化和焓的變化：和焓的變化： 實驗測定的自由能與離解常數(shù)：實驗測定的自由能與離解常數(shù)：GHT S 0lndGGRTK B. 經(jīng)驗結合自由能經(jīng)驗結合自由能 當體系達到平衡時，自由能等于當體系達到平衡時，自由能等于00lnd

22、GRTK配體配體-受體結合的熱力學受體結合的熱力學配體配體-受體結合的熱力學過程受體結合的熱力學過程 藥物與受體存在與體液環(huán)藥物與受體存在與體液環(huán)境中，與周圍的水分子存境中，與周圍的水分子存在溶劑化作用。在溶劑化作用。對接過程中的去溶劑化效應 Autodock的經(jīng)驗結合自由能評價函數(shù)：的經(jīng)驗結合自由能評價函數(shù)：,1261210,()( )()i ji ji jI Jvdwhbondi ji jijijijijACDBGGGE trrrr ,( )ijelectortorsoli jijijq qGG NGr r AutoDock在早期版本中使用的是模擬退火算法（Simulated Anneal

23、ing Algorithm）來尋找配體與受體最佳的結合位置狀態(tài)，而從3.0版本開始使用一種改良的遺傳算法，即拉馬克遺傳算法（Lamarckian Genetic Algorithm，LGA）。 測試結果表明，LGA比傳統(tǒng)的遺傳算法和模擬退火具有更高的效率。在LGA方法中，作者把遺傳算法和局部搜索（Local search）結合在一起，遺傳算法用于全局搜索，而局部搜索用于能量優(yōu)化。 10.5.2 柔性搜尋方法柔性搜尋方法a.模擬退火算法模擬退火算法 指定結合位點隨機地差生配體 的一個構象隨機改變配體的位置、取向， 產(chǎn)生了一個新的構象，并比較 兩者與受體的結合能 如果新的構象能低于原來的，則 接受

24、新構象如果能量高于原來的，則降低溫 度，在新溫度下重復步驟24. 在同一初始條件下反復進行多次b. 遺傳算法遺傳算法模仿生物的遺傳和進化，對多極值優(yōu)化問模仿生物的遺傳和進化，對多極值優(yōu)化問題的解群進行選擇、雜交和突變操作，使題的解群進行選擇、雜交和突變操作，使得解群不斷優(yōu)化，直至收斂于全局最優(yōu)解得解群不斷優(yōu)化，直至收斂于全局最優(yōu)解或近似全局最優(yōu)解?；蚪迫肿顑?yōu)解。 AutoDock優(yōu)點優(yōu)點1. 同時考慮配體的柔性和蛋白質(zhì)結合部位同時考慮配體的柔性和蛋白質(zhì)結合部位側(cè)鏈的柔性側(cè)鏈的柔性2. 網(wǎng)格計算，加快計算網(wǎng)格計算，加快計算網(wǎng)格計算和網(wǎng)格計算和dock的區(qū)別：的區(qū)別：Dock中，格點上保存的不

25、是能量，而是中，格點上保存的不是能量，而是受體上原子作用加和；受體上原子作用加和；Autodock中，格點上保存的是探針原子中，格點上保存的是探針原子和受體之間的相互作用能。和受體之間的相互作用能。AutoDock格點作用能計算格點作用能計算通過通過AutoDock程序包中的程序包中的Autogrid程序程序完成，格點計算包括三部分：范德華作用、完成，格點計算包括三部分：范德華作用、氫鍵作用和庫倫作用氫鍵作用和庫倫作用對于范德華相互作用的計算，對于范德華相互作用的計算， 每個格點上每個格點上保存的范德華能量的值的數(shù)目與要對接的保存的范德華能量的值的數(shù)目與要對接的配體上的原子類型的數(shù)目一樣。配體

26、上的原子類型的數(shù)目一樣。如果一個配件中含有如果一個配件中含有C、O和和H三種原子類三種原子類型，那么在每個格點上就需要用三個探針型，那么在每個格點上就需要用三個探針原子來計算探針原子與受體之間的范德華原子來計算探針原子與受體之間的范德華相互作用值。當配體和受體進行分子對接相互作用值。當配體和受體進行分子對接時，配體中某個原子和受體之間的相互作時，配體中某個原子和受體之間的相互作用能通過周圍用能通過周圍8個格點上的這種原子類型個格點上的這種原子類型為探針的格點值用內(nèi)插法得到。為探針的格點值用內(nèi)插法得到。 靜電相互作用的計算采用了一個靜電勢格靜電相互作用的計算采用了一個靜電勢格點，在格點上儲存受體

27、分子的靜電勢。當點，在格點上儲存受體分子的靜電勢。當配體和受體分子對接時，某個原子和受體配體和受體分子對接時，某個原子和受體之間的靜電相互作用能通過周圍格點上靜之間的靜電相互作用能通過周圍格點上靜電勢以及原子上的部分電荷就可以計算得電勢以及原子上的部分電荷就可以計算得到。到。 計算氫鍵相互作用時，格點的處理和范德計算氫鍵相互作用時，格點的處理和范德華相互作用有點類似，每個格點上需要保華相互作用有點類似，每個格點上需要保存配體分子中所有氫鍵給體與氫鍵受體之存配體分子中所有氫鍵給體與氫鍵受體之間的相互作用能量，而且這些能量都是在間的相互作用能量，而且這些能量都是在氫鍵在最佳情況下的氫鍵能量值。氫鍵在最佳情況下的氫鍵能量值。 AutoDock格點對接示意圖 用圍繞受體活性位點的氨基酸殘基形成一個范圍更大的Box 用不同類型的原子作為探針進行掃描，計算格點能量 AutoDock程序?qū)ε潴w在Box范圍內(nèi)進行構象搜索，根據(jù)能量評分對結果進行排序。 分子對接在藥物設計中的應用分子對接在藥物設計中的應用一一、HIV-1蛋白酶Kuntz等利用Dock程序研究HIV-1蛋白酶體系，根據(jù)分子相似性對劍橋晶體數(shù)據(jù)庫進行搜尋。然后選擇那些可以與活性位點處的天冬氨酸作用的帶有NH或者OH且易于合成的化合物。DesJ