分子對接的原理方法及應(yīng)用

關(guān)于分子對接的原理方法及應(yīng)用第一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日分子對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分子對接的概念2第二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日3第三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日2分子對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第四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日理論基礎(chǔ)：

“鎖和鑰匙模型”“誘導(dǎo)契合模型”重要原則：互補(bǔ)性：決定識別過程的選擇性預(yù)組織性：決定識別過程的結(jié)合能力5第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日分子對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第六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日1）

藥物分子和靶酶分子是柔性的，這樣就要求在對接過程中要相互適應(yīng)以達(dá)到最佳匹配2）

分子對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第七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日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分子對接的一般過程8第八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日9第九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日1、剛性對接：對接過程中，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)與核酸間的對接。4分子對接的分類10第十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日2、半柔性對接：對接過程中，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接。分子對接的分類11第十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日3、柔性對接：對接過程中，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。分子對接的分類12第十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日分子對接的基本方法（一）剛性的分子對接方法

這種方法是最初的分子對接的方法，在對接中，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第十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日受體的活性位點(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第十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日（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。第二部分即識別階段，蛋白質(zhì)的特征用來識別哈希矩陣，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第十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日(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別的方法。

在LUDI模型中，如圖所示，對每一個(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第十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日（二）柔性對接的方法（1）構(gòu)象的系綜方法

Flexibase用來儲存小分子庫中每個(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剛性對接的方法進(jìn)行對接。17第十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日（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第十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日（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第十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日（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，能量的評價(jià)也是最耗時(shí)，這一步時(shí)間必須足夠的長。20第二十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日如何找到最佳的結(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。分子對接的主要問題21第二十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日如何評價(jià)對接分子之間的結(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。分子對接的主要問題22第二十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日5代表性對接軟件名稱構(gòu)象搜索方法結(jié)合評價(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第二十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日免費(fèi)軟件/只能進(jìn)行一個(gè)分子與蛋白質(zhì)的對接計(jì)算，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)庫對接，沒有平行化功能。不需要預(yù)先知道活性位點(diǎn)。6AutoDock對接軟件24第二十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日準(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)對接：保留探針原子和受體之間的相互作用能對接計(jì)算：遺傳算法評價(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對接軟件25第二十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日小分子問題起始構(gòu)象對對接結(jié)果有一定影響對接時(shí)應(yīng)以代謝物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對分子進(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)對接問題搜索結(jié)合模式的正確性、對接的效率、評分的正確性采用多個(gè)軟件進(jìn)行評價(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)一步評價(jià)分子對接計(jì)算的注意點(diǎn)26第二十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日評價(jià)：打分函數(shù)

每一個(gè)對接的算術(shù)都會采用平衡了時(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的方法、基于知識的打分函數(shù)。27第二十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日對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第二十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日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臃椒▽衔飻?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。分子對接的應(yīng)用29第二十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日分子對接的應(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第三十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期日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．

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4.KANADE