藥物研究與發(fā)展：第03章 計算機(jī)輔助藥物設(shè)計與組合化學(xué)

－PAGE91－藍(lán)色字為判斷題內(nèi)容第三章計算機(jī)輔助藥物設(shè)計與組合化學(xué)概況當(dāng)前，計算機(jī)輔助藥物設(shè)計（ComputeraideddrugdesignCADD）已經(jīng)發(fā)展成了一門實用性的學(xué)科，成為國際上十分活躍的研究領(lǐng)域。許多著名科學(xué)家和制藥公司都在這一領(lǐng)域進(jìn)行了深入的理論和應(yīng)用研究。許多采用CADD設(shè)計的藥物相繼上市。例如：第一個HIV蛋白酶抑制Inviraser，碳酸酐酶抑制劑TRUSOPT（MK-507），醛糖還原酶抑制劑TOLRESTAT等。CADD的飛速發(fā)展得益于分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、計算化學(xué)等諸多學(xué)科的發(fā)展。許多受體分子被克隆、表達(dá)，一些生物大分子的結(jié)構(gòu)被測定。計算機(jī)科學(xué)發(fā)展了超級計算機(jī)和功能強大的圖形工作站，從而促進(jìn)了計算化學(xué)的理論和應(yīng)用的發(fā)展。量子化學(xué)計算方法所計算的的體系越來越大，計算的精度也越來越高。小于100個原子的藥物小分子一般均可用從頭計算方法對中等大小的基組進(jìn)行量子化學(xué)計算。含有100~200個原子的藥物分子可以用半經(jīng)驗量子化學(xué)方法計算，1000~10000個原子的蛋白質(zhì)目前也能夠用半經(jīng)驗量子化學(xué)方法進(jìn)行計算。如有超級計算機(jī)，400個原子左右的寡核苷酸也能夠從頭計算。量子化學(xué)和分子力學(xué)或分子動力學(xué)相結(jié)合的計算方法的發(fā)展，為配體-受體相互作用和酶催化反應(yīng)機(jī)理的研究提供了新的計算途徑。量子化學(xué)和分子計算方法的發(fā)展為藥物研究提供了可靠的理論工具。研究人員不僅能夠計算出藥物的分子和電子結(jié)構(gòu)，找出其結(jié)構(gòu)和活性的關(guān)系；而且能夠計算出藥物小分子與受體大分子間的相互作用，從而實現(xiàn)基于受體三維結(jié)構(gòu)的合理藥物設(shè)計。一、計算機(jī)輔助藥物設(shè)計的分類簡單地說，計算機(jī)輔助藥物設(shè)計可以分為兩類，一類叫做直接藥物設(shè)計，一類叫做間接藥物設(shè)計。如果靶標(biāo)受體生物大分子的三維(3D)結(jié)構(gòu)已經(jīng)用X衍射、多維核磁共振等實驗方法測定，而且在測定生物大分子的三維結(jié)構(gòu)時有一抑制劑或底物與酶共結(jié)晶，這樣可用X衍射等方法測定配體—酶復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，從而獲得配體—受體生物大分子的作用(結(jié)合)模型。這時即可根據(jù)酶或其他生物大分子活性部位的結(jié)構(gòu)，設(shè)計新的分子。運用分子圖形學(xué)和計算化學(xué)的方法，計算有機(jī)小分子與受體的結(jié)合自由能，從而預(yù)測新設(shè)計分子的活性；運用分子對接方法搜尋小分子數(shù)據(jù)庫，或用全新藥物設(shè)計方法，根據(jù)酶活性部位的結(jié)構(gòu)，設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎的化合物，然后合成這些新設(shè)計的化合物，并進(jìn)行生物測試，以發(fā)現(xiàn)高活性的化合物。這種藥物設(shè)計的方法叫做直接藥物設(shè)計，有的文獻(xiàn)上稱之為基于(受體生物大分子)結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(structure-baseddrugdesign，SBDD)。隨著分子生物學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法和技術(shù)的發(fā)展，許多生物大分子的三維結(jié)構(gòu)已被測定，其中相當(dāng)數(shù)量的生物大分子具有特定的生理和藥理作用，可以作為藥物設(shè)計的靶標(biāo)分子。然而許多對發(fā)展新藥有用的受體生物大分子，其三維結(jié)構(gòu)尚未被測定。例如神經(jīng)遞質(zhì)受體，它是膜結(jié)合蛋白質(zhì)，由于提純和結(jié)晶均非常困難，所以到目前為止，它們的三維結(jié)構(gòu)還沒有被測定。在這種情況下，只能根據(jù)一系列化合物(通常為藥物小分子)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及它們與受體的結(jié)合實驗參數(shù)(Ki等)或其他活性數(shù)據(jù)，進(jìn)行定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)／三維定量構(gòu)效關(guān)系(3D-QSAR)分析和藥效基團(tuán)模建，由此推測化合物與受體結(jié)合的假想模型，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行新化合物的設(shè)計、活性預(yù)測、合成和藥理測試。這種藥物設(shè)計的模式被稱為間接藥物設(shè)計或稱為基于小分子藥物構(gòu)效關(guān)系的藥物設(shè)計。直接藥物設(shè)計和間接藥物設(shè)計的差別是，前者是以已知生物大分子的三維結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，后者是以小分子結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系為基礎(chǔ)。間接藥物設(shè)計的一個基本假設(shè)為：所有被研究的具有同類活性的一系列化合物，都作用于同一受體的相同作用部位，并且作用方式相同，化合物的形狀及理化性質(zhì)與受體結(jié)合部位(或活性部位)的結(jié)構(gòu)匹配。此外，組合化學(xué)的建立與發(fā)展，推動了計算機(jī)輔助藥物設(shè)計方法的發(fā)展，隨之產(chǎn)生了計算機(jī)模擬組合化學(xué)方法。用分子模擬和計算機(jī)技術(shù)設(shè)計合成組合樣品庫的構(gòu)造塊(buildingblock)、根據(jù)分子多樣性(moleclardiversity)評價樣品庫的質(zhì)量，或者建立虛擬組合樣品庫。同時，高通量篩選所產(chǎn)生的大量信息，并通過計算機(jī)來處理這些信息，從而實現(xiàn)藥物設(shè)計。二、藥效基團(tuán)的概念藥物化學(xué)家在進(jìn)行化合物結(jié)構(gòu)改造時，發(fā)現(xiàn)改變化合物的某些基團(tuán)或原子，對化合物與靶標(biāo)分子的結(jié)合能力或其生物活性會產(chǎn)生很大的影響——急劇上升或降低，但有些基團(tuán)的改造，對化合物與受體的結(jié)合能力或生物活性影響不大。對于同一種受體，一系列化合物所共有的原子或基團(tuán)對分子與受體的結(jié)合起重要作用，我們把這些原子或基團(tuán)稱為藥效基團(tuán)元素；藥效基團(tuán)元素的集合就叫做藥效基團(tuán)；藥效基團(tuán)及藥效基團(tuán)元素在空間的分布(距離限制)構(gòu)成三維藥效基團(tuán)。在藥物化學(xué)中，藥效基團(tuán)這一概念已被應(yīng)用了很長時間。但三維藥效基團(tuán)僅是計算機(jī)輔助藥物設(shè)計發(fā)展到一定階段才出現(xiàn)的，pharmacophore現(xiàn)已作為關(guān)鍵詞出現(xiàn)在美國化學(xué)文摘(CA)上。三維藥效基團(tuán)模型構(gòu)建有時也稱作藥效基團(tuán)映射(pharmacophoremapping)，意思為由一系列化合物的活性數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)特征，推測化合物與受體結(jié)合的重要原子或基團(tuán)，以及它們的空間排列結(jié)構(gòu)。構(gòu)建三維藥效基團(tuán)模型的一般步驟為：(1)選擇一系列與受體親和性較高的化合物組成一個分子集合，從這些分子中選出藥效基團(tuán)元素。對于分子集合中的所有分子，藥效基團(tuán)元素的數(shù)目必須相同，但生物等排體可被當(dāng)作相同的藥效基團(tuán)元素。所選擇分子的可旋轉(zhuǎn)鍵要盡量少，即所選分子的剛性要大，化合物的活性數(shù)據(jù)質(zhì)量要高，最好是用同位素標(biāo)記配體(radioligand)方法測定的配體與受體結(jié)合常數(shù)(bindingconstant)，所測定的生物活性數(shù)據(jù)最好是取自同一實驗的同一批數(shù)據(jù)。(2)對化合物集合中的每一個活性化合物進(jìn)行構(gòu)象搜尋(構(gòu)象分析)，以便得到它們的低能構(gòu)象。分子的柔性越大(可旋轉(zhuǎn)鍵越多)，分子的低能構(gòu)象就越多，這會給化合物活性構(gòu)象(bioactiveconformation，與受體結(jié)合時的構(gòu)象)的選擇造成一定的困難。這就是在建立化合物集合時，盡量選擇剛性較大的化合物的原因。(3)用分子疊合方法選擇高活性化合物的活性構(gòu)象。分子疊合時用藥效基團(tuán)元素作為分子間原子疊合對，以此建立化合物的三維藥效基團(tuán)模型。如果用上述方法不能得到合理的藥效基團(tuán)模型，則需重新選取藥效基團(tuán)元素；如果用上述方法得到的三維藥效基團(tuán)模型不止一個，則可能選擇建立模型的分子多樣性(diversity)太小，需在分子集合中加入其他多樣性較大的分子，然后再按上述方法構(gòu)建三維藥效基團(tuán)模型。進(jìn)行分子疊合的前提是，分子集合中的所有化合物作用于同一受體的相同結(jié)合部位。但是，有時分子集合中的分子可能會作用于不同的受體結(jié)合位點，這時就要將分子集合分成若干個子集。然而，用上述方法建立三維藥效基團(tuán)模型，分子集合中的分子對應(yīng)的三維藥效基團(tuán)模型可能不止一種。(4)當(dāng)一個三維藥效基團(tuán)模型建立后，分子集合中無活性或低活性的化合物，即被用來“勘探”受體結(jié)合位點“空腔”的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，尋找出藥物小分子與受體結(jié)合時的受體排斥(receptorexcluded)體積和受體必需(receptoressential)體積。我們這里定義的受體排斥體積是受體與小分子結(jié)合時的“空穴”，即配體占領(lǐng)體積，排斥的是受體；同理，受體必需體積是受體中配體不能占領(lǐng)的部分。藥效基團(tuán)元素通常由分子集合中化合物的實驗數(shù)據(jù)來確定，對化合物活性起重要作用的基團(tuán)通常被選作藥效基團(tuán)。例如，一系列高活性的化合物中均含有苯羰基，若類似物不含此苯羰基則活性急劇下降，我們就可以選此苯羰基為一藥效基團(tuán)元素。被用來構(gòu)建三維藥效基團(tuán)的元素通常是化合物集合中高活性化合物共有的原子或官能團(tuán)及其生物等排體，這些原子或官能團(tuán)通常會與受體結(jié)合位點形成氫鍵，存在靜電相互作用、范德華相互作用或疏水相互作用。因此，一些雜原子、羥基、羰基、羧基和酰胺等常被選為藥效基團(tuán)元素。一些藥物經(jīng)常會含有芳香性基團(tuán)可能與受體的芳香性側(cè)鏈形成相互作用，也經(jīng)常被選為藥效基團(tuán)。在進(jìn)行合理藥物設(shè)計時，三維藥效基團(tuán)模型的應(yīng)用比模建更重要。當(dāng)通過分子模型、構(gòu)象分析或用其他藥效基團(tuán)構(gòu)建方法獲得一個合理的三維藥效基團(tuán)模型后，可以進(jìn)行一系列的藥物設(shè)計工作。例如可用三維藥效基團(tuán)模型作為提問結(jié)構(gòu)(querystructure)，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)庫搜尋，從數(shù)據(jù)庫中搜尋與藥效基團(tuán)模型匹配的已知化合物，進(jìn)行藥理篩選，以獲得與建?；钚曰衔镉邢嗤幚?生物)功能的化合物。這是合理藥物設(shè)計常用的方法。此外，三維藥效基團(tuán)模型也是三維定量構(gòu)效關(guān)系(3D-QSAR)分析的基礎(chǔ)，因為活性化合物的活性構(gòu)象及其疊合方式對3D—QSAR分析的結(jié)果起重要作用；同時，3D-QSAR研究結(jié)果也可用來鑒定藥效基團(tuán)模型的合理性。結(jié)合分子模擬方法，三維藥效基團(tuán)模型還可以應(yīng)用于全新藥物設(shè)計，如NEWLEAD、SPROUT和ChemNovel等全新藥物設(shè)計軟件，就是在三維藥效基團(tuán)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。最近，藥效基團(tuán)模型還被應(yīng)用于組合化學(xué)庫的設(shè)計。第二節(jié)定量構(gòu)效關(guān)系藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物活性間的關(guān)系，稱為構(gòu)效關(guān)系(Structure-activityrelationship，SAR)。SAR是藥物化學(xué)研究的中心內(nèi)容之一?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)包括二維分子結(jié)構(gòu)、三維分子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。生物活性包括藥物的活性、毒性、藥效學(xué)性質(zhì)、藥代動力學(xué)、生物利用度等。構(gòu)效關(guān)系則分為定性構(gòu)效關(guān)系和定量構(gòu)效關(guān)系。定性構(gòu)效關(guān)系是藥物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時生物活性定性變化的經(jīng)驗規(guī)律。定量構(gòu)效關(guān)系(quantitativestructure-activityrelationship，QSAR)是指用數(shù)學(xué)模式來描述有機(jī)小分子化合物(藥物、底物、抑制劑等)與機(jī)體有機(jī)大分子化合物(如酶、輔酶、核酸)或有機(jī)大分子組織(如受體、細(xì)胞等)之間相互作用的變化規(guī)律。包括二維定量構(gòu)效關(guān)系（2D-QSAR）、三維定量構(gòu)效關(guān)系（3D-QSAR）。一、定量構(gòu)效關(guān)系的產(chǎn)生與發(fā)展一百多年前，Crum—Brown與Fraser提出了化合物的生物活性Φ與化學(xué)結(jié)構(gòu)C之間有某種函數(shù)關(guān)系：Φ=f(C)。但限于當(dāng)時的條件，SAR的研究仍停留在定性概念上，即根據(jù)某一類藥物結(jié)構(gòu)上的改變，導(dǎo)致生物活性的變化這一現(xiàn)象，設(shè)法尋找某些結(jié)構(gòu)和藥效之間的規(guī)律性，以指導(dǎo)藥物的研究。定性關(guān)系的研究使新藥的尋求得到許多可喜的結(jié)果。古柯堿的結(jié)構(gòu)簡化導(dǎo)致普魯卡因及利多卡因等局部麻醉藥的合成；代謝物及抗代謝物的研究確立了抗代謝學(xué)說，促進(jìn)磺胺類藥物的迅速發(fā)展；內(nèi)源性化學(xué)物質(zhì)的尋求與相應(yīng)化合物的合成，導(dǎo)致新類型藥物的產(chǎn)生。自從20世紀(jì)60年代以來，新藥的發(fā)現(xiàn)率降低至萬分之一。為減少研究的盲目性，綜合應(yīng)用各學(xué)科的知識指導(dǎo)藥物研究成為各國科學(xué)家的重任。量子化學(xué)和計算化學(xué)的發(fā)展，把分子水平的構(gòu)效關(guān)系研究定量化，使生物活性與化學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系研究不只局限于基團(tuán)和基團(tuán)結(jié)構(gòu)的探討，而著眼于這些化學(xué)結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)因素，甚至達(dá)到量子化學(xué)水平(涉及電子的構(gòu)效關(guān)系和動態(tài)結(jié)構(gòu)的構(gòu)效關(guān)系)，促進(jìn)了定量構(gòu)效關(guān)系的發(fā)展。統(tǒng)計數(shù)學(xué)的應(yīng)用，確定了有關(guān)類型的定量構(gòu)效關(guān)系，并得到一定規(guī)律，從而可以應(yīng)用這些規(guī)律來從事新化合物的構(gòu)效預(yù)計。藥物定量構(gòu)效關(guān)系就是在這種背景下，于20世紀(jì)60年代初期發(fā)展起來的。隨著酶、受體和核酸等生物大分子或組織的立體結(jié)構(gòu)及構(gòu)象研究取得可喜進(jìn)展，藥物與酶、受體結(jié)構(gòu)相互作用參數(shù)的采用，分子圖形技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，定量構(gòu)效關(guān)系研究進(jìn)入三維定量構(gòu)效關(guān)系研究階段，即計算機(jī)輔助藥物設(shè)計階段。二、2D-QSAR1．Hansch方法目前，研究定量構(gòu)效關(guān)系最常用的是Hansch方法(Hanschapproach)。其基本概念是：一個化合物經(jīng)過結(jié)構(gòu)改造變成它的一個衍生物時，生物活性的改變?nèi)Q于結(jié)構(gòu)改變后引起的疏水性，電子效應(yīng)及空間效應(yīng)的改變。化合物的生物活性可用其理化參數(shù)定量地表達(dá)，且大多數(shù)理化參數(shù)都具有加和性。通過統(tǒng)計學(xué)方法導(dǎo)出這些理化參數(shù)與生物活性的關(guān)系式，即Hansch方程。logl／C＝–Kl(logp)2+K2logp+K3σ+K4Es+Ks當(dāng)logp用π代替時可得：logl／C＝–K1π2+K2π+K3σ十K4Es+Ks式中C為化合物產(chǎn)生某種特定生物活性(如ED50，ID50等)的濃度；P為脂水分配系數(shù)，π為疏水參數(shù)，σ為電子效應(yīng)參數(shù)，即Hammet常數(shù)。Es為Taft立體參數(shù)(空間效應(yīng)參數(shù))。方程式右邊的各項并不都是必需的，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行取舍，這種靈活性是Hansch方程的優(yōu)點。Hansch方程除應(yīng)用各種化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)外，尚可利用指示變量(indicatorvarables)。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上變異，人為的指定某些結(jié)構(gòu)賦予一定值，如1或0，來指示該結(jié)構(gòu)的有無，稱為指示變量。量子化學(xué)參數(shù)也可應(yīng)用于Hansch方程，這也是該方程的一種推廣形式。應(yīng)用Hansch分析方法研究定量構(gòu)效關(guān)系時，首先要求出上述方程式。其過程是先設(shè)計合成幾個化合物，分別測出它們的生物活性(Y＝logl／C)，然后選定參數(shù)(疏水參數(shù)、電性參數(shù)等)。參數(shù)值大多可以從文獻(xiàn)中查得，有時可通過計算或?qū)嶒炃蟮?。將實驗得到的各衍生物生物活性的觀測值與相應(yīng)的參數(shù)z值通過統(tǒng)計學(xué)的回歸分析可以得到線性回歸方程式，所得到的方程式有無顯著的統(tǒng)計學(xué)意義，即生物活性與所選的參數(shù)間有無明顯的線性關(guān)系，可利用相關(guān)系數(shù)r來判斷。r越接近于1，說明觀測值與方程式求得的計算值越接近，從而可利用此方程預(yù)測新衍生物的生物活性。Hansch方程建立在一些假定基礎(chǔ)上，即假定：①所有化合物的限速反應(yīng)均相同；②化合物與酶或受體結(jié)合時，化合物、酶或受體所引起的構(gòu)象變化均不予考慮；③與受體親和力有關(guān)的線性自由能均具有加和性；④化合物在體內(nèi)代謝差異均予以忽略。由于這些設(shè)定，所計算得出的QSAR具有近似性。具有預(yù)見性的Hansch方程的建立，關(guān)鍵在于：①適宜的合成對象及數(shù)量；②在機(jī)體中的作用機(jī)制；③參數(shù)的選擇，包括參數(shù)的種類和數(shù)目；④計算方法；⑤生物活性的量度。Hansch方程的研究只限于作用機(jī)制相同的化合物。藥理作用過程不同則難于應(yīng)用，因此，Hansch方法所算得的QSAR方程只適用于同源化合物生物活性的預(yù)測。在選擇合成對象時，應(yīng)對作用機(jī)制有所了解。Hansch方法的應(yīng)用主要包括：預(yù)測同源化合物的生物活性，指導(dǎo)藥物設(shè)計與合成，幫助了解藥物的受體圖像。例如，對鎮(zhèn)咳藥氯派回胺(圖3-1)的一系列3，4，5，-取代的苯甲酰胺類12個含酚羥基和10個不含酚羥基的化合物進(jìn)行Hansch分析，得如下方程：Log(1/IC50)=－1.75R4－3.69R(3,5)＋0.80IOH＋0.04n=22r2=0.82s=0.321F=27.1圖3-1氯派回胺的結(jié)構(gòu)圖3-2氯派回胺-3，5，取代衍生物的結(jié)構(gòu)IOH用來指示酚羥基是否存在，R為共振常數(shù)，表示化合物對螺環(huán)哌啶酮的親和力。利用該方程可預(yù)測化合物（圖3-2）的IC50值為0.45nM，對該化合物進(jìn)行合成并測定活性，其IC50=0.36nM，與預(yù)測值基本一致。2．Free-Wilson方法Free與Wilson根據(jù)多變量回歸分析理論，認(rèn)為在一組同源化合物中，生物活性為母體結(jié)構(gòu)(基本結(jié)構(gòu))的活性貢獻(xiàn)與取代基的活性貢獻(xiàn)之和。特定位置的取代基對生物活性的貢獻(xiàn)不受其他位置取代基的影響。因此，不同位置取代基對生物活性的貢獻(xiàn)有其相互獨立性，從而可以加和。據(jù)此，F(xiàn)ree與Wilson提出了DeNovo可加性模型。該模型假定分子的活性是母體化合物和取代基部分的活性貢獻(xiàn)之和，不論其他位置取代基變換與否，每一取代基對生物活性的貢獻(xiàn)是恒定與可加的。最初的方程為：BR=∑ai十u式中ai為取代基的活性貢獻(xiàn)，為母體的活性貢獻(xiàn)。Free—Wilson模型中的指示變量并無實在的物理化學(xué)意義，且取代基的活性貢獻(xiàn)取決于位置特定性，離開該位置預(yù)測新化合物的活性便無意義。再者，由于取代基之間相互引起的構(gòu)象變化和形成氫鍵等，均難于用指示變量表達(dá)。因此，其在新藥設(shè)計中的應(yīng)用受到限制。近年來，有人將Hansch分析與Free—Wilson模型聯(lián)合應(yīng)用，對藥物的系列設(shè)計有較大的價值。三、3D-QSAR20世紀(jì)80年代以來，在QSAR研究中，陸續(xù)出現(xiàn)了幾種考慮生物活性分子與受體結(jié)合三維結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究方法，統(tǒng)稱3D-QSAR。3D-QSAR與2D-QSAR的最大不同之處，在于它們考慮生物活性分子三維構(gòu)象性質(zhì)，在QSAR分析中引進(jìn)了生物活性分子的三維結(jié)構(gòu)信息有關(guān)的量作為變元(descriptor)。與2D-QSAR相比，這些方法能較為精確地反映生物活性分子與受體作用的圖象，更深刻地揭示藥物—受體相互作用的機(jī)理，因而逐漸引起了藥物化學(xué)家的重視。3D-QSARD的基本方法有Hopfinger等的分子形狀分析(molecularshapeanalysis，MSA)，Crippen等的距離幾何學(xué)方法(distancegeometry3D-QSAR，DG)，CramerⅢ等的比較分子力場分析法(comparativeofmolecularfieldsanalysis，CoMFA)。這三種方法都成功地得到了一些3D-QSAR模型，為設(shè)計高活性生物分子提供了許多有益的啟示。1．建立3D-QSAR模型的一般步驟：(1)確定化合物的活性構(gòu)象。(2)化合物的組合規(guī)則。(3)3D網(wǎng)格的建立。(4)場效應(yīng)的計算。(5)被研究化合物的選擇。(6)PLS分析。(7)結(jié)果分析及等勢圖的構(gòu)建。(8)新化合物的預(yù)測。建立一個好的、具有預(yù)見性的3D-QSAR模型的最基本的問題是：如何確定被研究化合物的生物活性構(gòu)象以及如何組合這些化合物。當(dāng)被研究的化合物為結(jié)構(gòu)各異的化合物時，這個問題尤為重要。目前，有幾種常用方法能很好地解決這個問題，如APEX—3D、DISCO和SUPER。在這些方法中，原子或分子特性被一個參考化合物或一個系列的參考化合物來代表。但是，對于結(jié)構(gòu)柔性分子來講，沒有一個很好的方法能確定生物活性構(gòu)象及進(jìn)行幾何重疊。研究者必須確定用哪種重疊方式來進(jìn)行3D-QSAR模型的建立。最后，如果建立起一個具有好的預(yù)見性的3D-QSAR模型，說明你所選用的組合方式是最合理的一種。一旦確定了分子的組合方式及生物活性構(gòu)象，就要構(gòu)建一個三維網(wǎng)格，這個網(wǎng)格能夠容納所有被研究的化合物分子。這個網(wǎng)格由網(wǎng)格點構(gòu)成(圖3-3)，各個點之間的距離通常為1~2?。用一個探針原子，一般為sp3碳，放在每一個網(wǎng)格點上計算每一個分子的范德華力和靜電作用力。對于每一個分子所得到的全部計算值成為該分子的特征值。所有的數(shù)據(jù)全部儲存在一個矩陣中，這樣就構(gòu)成了一個非鍵場和一個靜電場。當(dāng)變量的數(shù)目大于被研究化合物的數(shù)目時，要用最小二乘法(partialleastsquare，PLS)來建立生物活性和結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)系。另外，還要用CV法來判斷所建立3D-QSAR模型的預(yù)見性和統(tǒng)計意義。即舍棄部分化合物，用剩余化合物來構(gòu)建3D-QSAR模型，再用所得的3D-QSAR模型來預(yù)測被舍棄化合物的生物活性，如果和實驗值相符合，說明被舍棄化合物具有顯著意義，多次重復(fù)，最后用所得3D-QSAR模型構(gòu)建出3D等勢圖(圖3-1)。圖中分子周圍的每一個格點和PLS分析的兩個系數(shù)相關(guān)聯(lián)，一個系數(shù)和非鍵場有關(guān)，另一個和靜電場有關(guān)。每一系列系數(shù)用同等勢圖來表達(dá)。選擇合適的同等勢水平對于建立有意義的模型是非常重要的。圖3-3用于3D-QSAR研究的3D網(wǎng)格（具有部分網(wǎng)格點）2．3D-QSAR的三種經(jīng)典方法（1）分子形狀分析法(MSA)MSA是1980年由Hopfinger等發(fā)展的一種3D-QSAR方法，它是構(gòu)象分析與Hansch途徑相結(jié)合的產(chǎn)物。MSA方法認(rèn)為柔性分子可以存在多種構(gòu)象，從而就有多種形狀，而受體所能接受的形狀是有限的，這樣分子的活性就與該分子形狀對受體活性部位空腔的適應(yīng)能力有關(guān)。MSA使用可以表達(dá)分子形狀的參數(shù)，如與體系參照分子的重疊體積分子勢場積分差異等作為變元，經(jīng)統(tǒng)計分析得出QSAR關(guān)系式。把經(jīng)典的QSAR分析變元由不包含分子三維結(jié)構(gòu)信息的物化參數(shù)，擴(kuò)展到包含這種三維結(jié)構(gòu)信息的分子形狀參數(shù)，既可以得到更好的QSAR模型，又為進(jìn)一步認(rèn)識藥物與受體的作用機(jī)理提供了有益的參考。（2）距離幾何學(xué)(DG)3D-QSARDG3D-QSAR的基礎(chǔ)是，藥物—受體相互作用是通過藥物的活性基團(tuán)和受體的結(jié)合部位作用而實現(xiàn)的。藥物的活性強度由藥物的藥效基團(tuán)與受體的作用位點的結(jié)合能來衡量，并且結(jié)合能與藥物藥效基團(tuán)的性質(zhì)和受體結(jié)合位點的類型有關(guān)。通過選擇合理的受體結(jié)合位點模型和藥物分子結(jié)合模式，使之與實驗數(shù)據(jù)最佳地擬合，就能得到一套與藥物藥效基團(tuán)和受體結(jié)合位點類型有關(guān)的能量參數(shù)。確定新化合物結(jié)合模式后，使用這些能量參數(shù)，可定量地預(yù)測其結(jié)合能，進(jìn)而預(yù)測化合物的活性。（3）比較分子力場方法(CoMFA)藥物分子與受體之間的可逆相互作用主要是通過非共價結(jié)合，如范德華相互作用、靜電相互作用、氫鍵相互作用和疏水相互作用實現(xiàn)的。作用于同一個受體的一系列藥物分子，它們與受體之間的各種作用力場應(yīng)該有一定的相似性。這樣，在不了解受體三維結(jié)構(gòu)的情況下，研究這些藥物分子周圍的力場分布，并把它們與藥物分子活性定量地聯(lián)系起來，既可以推測受體的某些性質(zhì)，又可依此建立一個定量模型設(shè)計新化合物，并定量地預(yù)測化合物的活性，這便是CoMFA的物理基礎(chǔ)。CoMFA作為一種3D-QSAR研究方法，雖然發(fā)展不過十幾年，然而不乏成功的例子。Carroll等在對可卡因類似物作了CoMFA分析后，得到了較好的定量構(gòu)效關(guān)系模型。同時，他們也對11種類型的化合物進(jìn)行了Hansch途徑的QSAR分析，相關(guān)性均很差。我們推測，這類藥物與受體作用時，分子的三維結(jié)構(gòu)性質(zhì)起主要作用，而分析藥物的三維構(gòu)象性質(zhì)與活性的關(guān)系正是CoMFA的特長。上述三種3D-QSAR方法在進(jìn)行QSAR分析前均需要確定化合物的藥效構(gòu)象。藥效構(gòu)象及重疊方式的確定對QSAR研究的結(jié)果影響很大，目前還沒有完善的方法，保證在沒有藥物—受體復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)的情況下所推測藥效構(gòu)象的準(zhǔn)確性，對柔性較大的分子尤其如此。比較上述三種3D-QSAR方法，我們可以看到，MSA與2D-QSAR的不同之處，在于僅僅引入重疊體積積分和場積分作為QSAR變元，而這兩個參數(shù)的物理意義比較模糊，因此MSA屬于初級的3D-QSAR方法。DG在進(jìn)行構(gòu)效關(guān)系分析時，根據(jù)藥物分子的特性，推測藥物與受體結(jié)合的特征，將藥物和受體結(jié)構(gòu)性質(zhì)加以簡化，提取藥物與受體作用中最重要的結(jié)合部分的物化性質(zhì)，在得到良好QSAR模型的同時，也間接地揭示了藥物—受體作用的三維結(jié)構(gòu)性質(zhì)。CoMFA方法完全擺脫了經(jīng)驗的物化參數(shù)，用能夠反映分子整體性質(zhì)和它們與受體作用本質(zhì)的各種作用勢場的空間分布與生物活性相關(guān)聯(lián)，物理意義明確。隨著分子周圍勢場分布計算方法的日益完善和構(gòu)象分析以及藥效構(gòu)象搜尋方法的不斷發(fā)展，CoMFA將會在藥物設(shè)計中發(fā)揮更大的作用。三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫搜尋一、三維結(jié)構(gòu)的來源建立一系列活性分子的藥效構(gòu)象和三維藥效基團(tuán)后，可用三維(3D)結(jié)構(gòu)搜尋的方法，在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫中尋找符合藥效基團(tuán)模型的化合物，進(jìn)行藥理篩選，以此發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物。進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)搜尋的一個前提條件是，必須有一個包含化合物三維結(jié)構(gòu)信息的化學(xué)數(shù)據(jù)庫。有機(jī)小分子三維結(jié)構(gòu)實驗數(shù)據(jù)的主要來源是X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)測定結(jié)果?，F(xiàn)在大部分有機(jī)小分子的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)已被劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(CambridgeStructuralDatabase，CSD)收錄。此外，還有許多僅包含分子二維(2D)結(jié)構(gòu)信息的數(shù)據(jù)庫，其中大部分化合物的三維結(jié)構(gòu)還未測定，這樣的數(shù)據(jù)庫有：現(xiàn)有化學(xué)晶目錄(AvailableChemicalsDirectory，ACD)、Spresi、美國化學(xué)文摘數(shù)據(jù)庫(ChemicalAbstractsDatabase，CAD)和美國國立癌癥研究所數(shù)據(jù)庫(NationalCancerlnstituteDatabase，NCI)等。許多制藥公司還有自己的數(shù)據(jù)庫，一般不公開，文獻(xiàn)上稱這類數(shù)據(jù)庫為法人數(shù)據(jù)庫(CorporateDatabases)。這些數(shù)據(jù)庫中化合物的三維結(jié)構(gòu)可以用理論計算和分子模擬方法來建立，如量子化學(xué)方法和分子力學(xué)方法。一些分子模擬軟件公司和數(shù)據(jù)庫公司已經(jīng)對一些常用數(shù)據(jù)庫中的分子實現(xiàn)了從2D到3D的轉(zhuǎn)換。盡管軟件公司或數(shù)據(jù)庫公司將2D數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)變成3D數(shù)據(jù)庫，可以大大節(jié)約使用者的時間，但是不同的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換軟件得到的三維結(jié)構(gòu)不盡相同，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確率也各不相同。同時，即使是同一個結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換軟件，由于使用者設(shè)置的參數(shù)不同，也會得到不同的三維結(jié)構(gòu)。因此，下面對一些常用的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換軟件作簡單介紹。1.CONCORDCONCORD是實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的第一個商品化軟件，于1987年推出，Tripos公司1988年將其商品化。它是一個專家系統(tǒng)，能從二維結(jié)構(gòu)表達(dá)式迅速自動地產(chǎn)生唯一高質(zhì)量的近似三維構(gòu)象。一個典型的小分子在VAXll／750(或類似設(shè)備)上轉(zhuǎn)換只需1—2sCPU時間，產(chǎn)生的構(gòu)象為一低能構(gòu)象，但不能保證得到的是全局最低能量構(gòu)象。如有必要，經(jīng)CONCORD轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)信息可再輸入到分子力學(xué)或量子力學(xué)程序進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)然這需要耗費更多的計算資源，如對于一個大型的二維數(shù)據(jù)庫而言，這些理論計算方法更是不實用。CONCORD能用來處理含H、C、N、O、F、Si、P、C1、Br、I等原子的環(huán)狀和非環(huán)狀化合物。通過CONCORD轉(zhuǎn)換而來的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫見表3-1。表3-1由CONCORD轉(zhuǎn)換而得的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫名所含化合物數(shù)目版權(quán)歸屬CASRF4500000CASCAST-3D600000CASPomona-92C20000DaylightMDDR-3D103198MDLCMC-3D7100MDLACD-3D227272MDLACD-SC1258371MDLNCI-3D175000MDLLederleLabs225000尚未商品化2.CORINACORINA是德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)Gasteiger等于1991年開發(fā)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換程序，它與CONCORD功能相似，但它能處理大環(huán)和聚合大環(huán)結(jié)構(gòu)，這是CONCORD所沒有的功能。CORINA首先使用標(biāo)準(zhǔn)的鍵長、鍵角、二面角和其他一些構(gòu)建分子三維結(jié)構(gòu)的特定規(guī)則，根據(jù)分子連接性建立初始的三維結(jié)構(gòu)，然后采用擬力場(pseudofocefield)方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)。擬力場的勢函數(shù)僅包括鍵伸縮能、鍵角彎曲能、面外彎曲能、共軛鍵的扭轉(zhuǎn)能以及四元、五元環(huán)的特殊扭轉(zhuǎn)能。所以，CORINA的擬力場方法可以快速調(diào)整初始3D結(jié)構(gòu)不合理的鍵長、鍵角和范德華作用。在一般的SGI工作站上運行，平均構(gòu)建一個化合物的三維結(jié)構(gòu)所需的CPU時間為1～3s。3.距離幾何從一組三維原子坐標(biāo)來計算對應(yīng)原子間的距離，意義不大。距離幾何則進(jìn)行相反的過程，能從給定的原子間距離，計算出三維原子坐標(biāo)。對小分子而言，原子間距離可從二維連接表和標(biāo)準(zhǔn)鍵長與鍵角求得；對大分子而言，原子間距離可從二維核磁共振波譜實驗求得。一般來說，從這些來源得到的距離信息，難以單獨用來定義分子的整個幾何體，還需要很多的原子間距的估計，即通過重復(fù)使用已知的距離信息，來計算未知距離的上下界。其起始上下界可分別設(shè)置為任意大值和范德華半徑之和，然后利用三角形的不等性，重復(fù)應(yīng)用于所有可能的三原子組，進(jìn)行逐步精確化(refine)，從而得到一個邊界光滑的距離矩陣。距離矩陣可用于研究分子最大可能的構(gòu)象空間，對距離矩陣隨機(jī)取樣，即可產(chǎn)生一組與某一構(gòu)象一致的坐標(biāo)。因此，距離幾何為探索分子的構(gòu)象空間提供了一個有效的機(jī)制，但它不能保證得到全局極小的能量構(gòu)象。現(xiàn)在也有一些商用的距離幾何軟件可供藥物設(shè)計研究人員使用，如Daylight公司開發(fā)的RUBICON。4.人工智能方法WIZARD是Dolata等開發(fā)的將人工智能技術(shù)應(yīng)用于三維結(jié)構(gòu)推導(dǎo)的軟件，COBRA是早期WIZARD的商品化名稱，由英國OxfordMolecular公司推出。WIZARD利用劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)信息來求取每一個構(gòu)象單元的原子坐標(biāo)。給定一個二維化學(xué)結(jié)構(gòu)圖，WIZARD能確認(rèn)該分子內(nèi)所含的主要構(gòu)象單元，即分子中所含的決定主要化學(xué)性質(zhì)的碎片，如主要的稠環(huán)和非稠環(huán)、環(huán)的取代模型、烷基鏈等等。對任意一個構(gòu)象單元，其每一個能量上允許的構(gòu)象都儲存有一組信息，包括原子的x、y、z坐標(biāo)，對稱基團(tuán)和張力能(strainenergy)。這些被儲存的模塊信息可由分子力學(xué)計算得到，也可從劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中的已知結(jié)構(gòu)提取，構(gòu)象信息與各個子結(jié)構(gòu)單元有關(guān)。接著，連同相連的單元一起，決定其構(gòu)象是否受分子中其他單元的影響，不利的因素有稠環(huán)系統(tǒng)的能量張力和靜電或范德華相互作用。一些變形技術(shù)可用來去掉任何不利的特征和變形，包括鍵的扭曲、鍵角的開閉和鍵長的伸縮，從而可去掉不合適的幾何體而產(chǎn)生一個新的構(gòu)象。新產(chǎn)生的構(gòu)象在能量上比原來的構(gòu)象更合理。AIMB和MIMUMBER是另外兩種三維結(jié)構(gòu)構(gòu)造軟件。AIMB使用“分而殲之"(divideandconquer)算法來逐級分解輸入的二維結(jié)構(gòu)，直到目標(biāo)結(jié)構(gòu)中所有的原子坐標(biāo)數(shù)據(jù)都得到為止。該程序首先從劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中搜尋一些與常用分子碎片結(jié)構(gòu)匹配的分子，將匹配分子的坐標(biāo)映射為分子碎片的坐標(biāo)，建立三維分子碎片數(shù)據(jù)庫。對目標(biāo)分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，使其分解為組成結(jié)構(gòu)的環(huán)和鏈，然后輪流到分子碎片數(shù)據(jù)庫中搜尋每一個成分，每一個成分可得到幾個匹配結(jié)構(gòu)。采用打分制來確認(rèn)最好的匹配結(jié)構(gòu)，再將這一分子碎片的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換給子結(jié)構(gòu)。子結(jié)構(gòu)如果沒有找到可利用的匹配結(jié)構(gòu)，就再進(jìn)行分解，再到數(shù)據(jù)庫中尋找。這樣重復(fù)進(jìn)行，直到輸入結(jié)構(gòu)的所有原子都找到了匹配結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)為止。最后把最好的匹配結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)組合起來，即得到整個分子的原子坐標(biāo)。這樣的結(jié)構(gòu)由于目標(biāo)分子與數(shù)據(jù)庫中分子相似，所以與分子力學(xué)或X射線衍射得到的結(jié)構(gòu)很相似。整個過程在MicroVAX—Ⅱ上運行只需不到5sCPU時間。盡管如此，如目標(biāo)分子與數(shù)據(jù)庫中的任何成員的相似性極小，或含有一個不常見的子結(jié)構(gòu)，則要花費更多的計算時間，有時甚至要用分子力學(xué)或量子力學(xué)模建這些子結(jié)構(gòu)的三維模型。MIMUMBER的計算方法與AIMB類似，也是利用劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建立碎片庫中常用碎片的三維坐標(biāo)，然后將坐標(biāo)映射到分子與碎片對應(yīng)的子結(jié)構(gòu)上，只是MIMUMBER比AIMB多一個二面角數(shù)據(jù)庫。5.MOLGEOMOLGEO也是根據(jù)分子連接性，由標(biāo)準(zhǔn)的鍵長、鍵角快速建立分子三維結(jié)構(gòu)的程序。它由兩種算法產(chǎn)生3D模型，一種是距離幾何法，另一種是DF(depthfirst)構(gòu)象搜尋方法。DF構(gòu)象搜尋方法是用啟發(fā)式嘗試法選擇優(yōu)勢構(gòu)象，即先將一可旋轉(zhuǎn)鍵放置在任一合理的二面角上，旋轉(zhuǎn)這一單鍵至不同的合理構(gòu)象，再對這些新生構(gòu)象的其他單鍵用同樣的方法處理，得到一系列分子構(gòu)象，這一過程就好像樹枝逐步分叉一樣。然后，根據(jù)每個構(gòu)象的能量大小選擇優(yōu)勢構(gòu)象。MOLGEO的計算速度比距離幾何快，但比CONCORD慢，速度大約是CONCORD的1／60。6.FlexibasesKearsley等發(fā)展了建立多構(gòu)象數(shù)據(jù)庫的方法Flexibases。初始的三維結(jié)構(gòu)由優(yōu)化分子的2D結(jié)構(gòu)得到，優(yōu)化采用IDEALIZE程序。該程序運用簡略(robust)分子力學(xué)方法，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時將氫原子略去，僅調(diào)整重原子的非鍵相互作用中的排斥項。分子構(gòu)象采用距離幾何法建立，得到的構(gòu)象再用IDEALIZE程序優(yōu)化，并比較當(dāng)前構(gòu)象與前面構(gòu)象原子間的均方根(rms)差。如rms大于預(yù)先設(shè)定的某一閾值，則保留此構(gòu)象；否則，取消此構(gòu)象。如果用上述方法得到的數(shù)目達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的構(gòu)象數(shù)目時還沒有完成構(gòu)象搜尋，則需將rms閾值調(diào)大，重新進(jìn)行構(gòu)象搜尋，直到滿足所有的條件為止。對一般的有機(jī)小分子，用Flexibases方法比較40～80個可能構(gòu)象，并從中挑選出8個優(yōu)勢構(gòu)象，在CrayYMP計算機(jī)上要花費3—8minCPU時間。當(dāng)前，對結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換軟件的研究在不斷的發(fā)展中，一些功能更強軟件在不斷的開發(fā)出來。二、二維結(jié)構(gòu)搜尋早期的結(jié)構(gòu)搜尋均是針對二維結(jié)構(gòu)而言的，它是三維結(jié)構(gòu)搜尋的基礎(chǔ)。1．結(jié)構(gòu)搜尋結(jié)構(gòu)搜尋是指在數(shù)據(jù)庫中搜尋含有特定提問結(jié)構(gòu)的化合物。這種搜尋在提取與某個化合物相聯(lián)系的數(shù)據(jù)時是很有用的，特別是在新化合物登錄時是必需的，這樣可以檢測新得到的分子是已經(jīng)存在的，還是真正的新物質(zhì)。結(jié)構(gòu)搜尋與圖形同型性是化學(xué)等價的，即可通過一個圖形與另一個圖形匹配來決定其是否相同。如果使用唯一的結(jié)構(gòu)表達(dá)形式，則通過逐個字符匹配的辦法足以快速比較兩個結(jié)構(gòu)的同一性。但是，對于同一個分子，由于其原子的編號不同，而且可以有許多不同的連接表，因此需把連接表規(guī)范化。最著名的規(guī)范化體系是Morgan于1965年提出的，該算法定義了一個簡單而又精致的方法來產(chǎn)生連接表中原子的唯一編號，現(xiàn)已成為CAS化學(xué)登錄系統(tǒng)的基礎(chǔ)。此外，Wipke和Dyott還發(fā)展了一種與雙鍵和四面體立體中心有關(guān)的立體化學(xué)信息的編碼方法SEMA。2．子結(jié)構(gòu)搜尋子結(jié)構(gòu)搜尋是指在數(shù)據(jù)庫中搜尋含有特定提問結(jié)構(gòu)的所有分子，而不考慮提問結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境。子結(jié)構(gòu)搜尋是圖形理論中的子圖形同型性(subgraphisomorphism)的化學(xué)等價，它是指測定提問結(jié)構(gòu)圖形是否被包括在另一個更大的圖形之內(nèi)。由于子結(jié)構(gòu)搜尋是決定提問結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫中每一個分子之間子圖形同型性的存在與否，因此它需要較多的計算資源，一般包括下面兩個搜尋過程：第一步是篩選搜尋(screensearch)，即檢查數(shù)據(jù)庫中每一個結(jié)構(gòu)是否含有提問子結(jié)構(gòu)。主要是對子結(jié)構(gòu)特征的篩選，典型的結(jié)構(gòu)特征是從連接表產(chǎn)生的小的以原子、鍵或環(huán)為中心的碎片子結(jié)構(gòu)，這種篩選對于分子是否含有提問子結(jié)構(gòu)是必要的，但并非充分的。第二步是逐個原子(atombyatom)印證，即對篩選搜尋中滿足提問結(jié)構(gòu)要求的每一個分子，再同提問結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐個原子的比較，以決定所需要的子結(jié)構(gòu)是否存在。在這一步中，要使用一些子圖形同型性算法。篩選搜尋能迅速完成，每秒鐘可達(dá)數(shù)千個結(jié)構(gòu)；而逐個原子搜尋則很費時間，每秒鐘只能處理幾十個結(jié)構(gòu)。其他可用的子結(jié)構(gòu)搜尋系統(tǒng)有：Beilstein研究所開發(fā)的S4系統(tǒng)，其中第二步通常省略；Bruck等開發(fā)的HTSS系統(tǒng)，使用結(jié)構(gòu)類型等級分類進(jìn)行搜尋；MDL開發(fā)的ISIS／Base系統(tǒng)。3．相似性搜尋相似性搜尋是指使用結(jié)構(gòu)相似性的定量定義，在數(shù)據(jù)庫中搜尋與輸入的提問結(jié)構(gòu)最相似的分子。在搜尋時，按相似性遞減順序進(jìn)行分級，從數(shù)據(jù)庫中找出相似性大于某一設(shè)定值的所有分子。相似性測量一般在目標(biāo)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫中每一個化合物的共同碎片間進(jìn)行。三、三維結(jié)構(gòu)搜尋通常配體與受體的結(jié)合取決于配體和受體之間的化學(xué)和幾何互補性。如果受體活性部位含有一個氫鍵供體，則配體應(yīng)含有氫鍵受體；如果受體活性部位含有顯著正電區(qū)，則配體應(yīng)含有互補的負(fù)電區(qū)，而且配體的這些化學(xué)特征必須與受體的對應(yīng)特征空間位置互相對應(yīng)。通過三維結(jié)構(gòu)搜尋，有望尋找到與受體活性部位形狀和性質(zhì)互補的配體，這樣不僅能發(fā)現(xiàn)與已知活性化合物類似的配體，而且能得到完全沒有想到的新的結(jié)構(gòu)類型。因此，三維結(jié)構(gòu)搜尋為發(fā)現(xiàn)新型先導(dǎo)化合物提供了一條“捷徑”。在這一點上應(yīng)該強調(diào)的是，三維搜尋不應(yīng)簡單地被看作搜尋一個新的或更好的藥物，而應(yīng)被看作搜尋一種能得到新的或更好的藥物的設(shè)計思想，幫助藥物化學(xué)家發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用三維結(jié)構(gòu)搜尋方法需要具備四種基本條件：大量三維分子結(jié)構(gòu)；化學(xué)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；三維搜尋軟件；合理的搜尋標(biāo)準(zhǔn)。下面介紹幾種搜尋方法。1．幾何搜尋(geometricsearch)根據(jù)分子的幾何特征進(jìn)行的三維結(jié)構(gòu)搜尋稱為幾何搜尋。此類搜尋主要考慮分子內(nèi)各幾何特征之間的關(guān)系，如從配體三維結(jié)構(gòu)計算而得的點、線、面間的關(guān)系等(見表3-2)。大部分的藥效基團(tuán)設(shè)想都是基于此類幾何關(guān)系的。因為是針對分子內(nèi)部進(jìn)行計算，故距離和角度都與所選用對映體無關(guān)。但是，對映體擁有相反的二面角數(shù)值。如果搜尋時忽略角度前的符號，那么對映體都將通過搜尋；如果包括角度前的符號，則只有一個對映體通過搜尋。表3-2三維分子結(jié)構(gòu)中典型的幾何目標(biāo)點原子的核心或孤對電子的中心幾個原子的質(zhì)心(如環(huán)中心)其他結(jié)合位點：如氫鍵供體或受體，帶電荷基團(tuán)，由分子結(jié)構(gòu)中其他點、面計算而得到的任意位置(虛擬點)等線上述任意兩點間的連線多于兩點由最小二乘法擬合得到的直線某一平面的垂線面通過三點的平面多于三點由最小二乘法擬合得到的平面兩條相交線所在的平面如果用戶在搜尋前，能預(yù)先指定要被計算的原子所處的子結(jié)構(gòu)環(huán)境，即給各幾何目標(biāo)加上限制條件，將有利于搜尋的順利進(jìn)行。例如，如果藥效基團(tuán)需要一個堿性氮原子，則在該點上不必考慮酰胺氮，也不必考慮季銨氮。另一方面，對自動三維設(shè)計而言，人們也希望給感興趣的原子多指定一些幾何限制條件。此外，較寬范圍的原子說明還可幫助搜尋疏水區(qū)或氫鍵供電子區(qū)或受電子區(qū)。搜尋提問結(jié)構(gòu)可來自一個配體的三維性質(zhì)，也可來自一組活性或非活性配體的三維藥效基團(tuán)模型，還可來自蛋白質(zhì)或核酸靶標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)。一個活性化合物的分子模擬可提出幾個可能的生物活性構(gòu)象，為了試探哪一個構(gòu)象是正確的，可使用三維搜尋對每個構(gòu)象設(shè)計幾個模擬物。沒有限制的分子的結(jié)構(gòu)—活性關(guān)系，可提出哪一個基團(tuán)必須包括在模擬物中。幾個活性或非活性化合物的藥效基團(tuán)圖示或3DlQSAR分析，可提出活性配體不能占有的空間區(qū)域(受體必需體積)。在幾何搜尋中，這些禁止區(qū)域用從配體結(jié)構(gòu)計算而得的虛擬原子標(biāo)出。從配體—大分子復(fù)合物的實驗三維結(jié)構(gòu)可建立起幾何需要，或者從復(fù)合物結(jié)構(gòu)中移去配體，計算特別合適的勢能相互作用位置，然后搜尋或設(shè)計符合這些標(biāo)準(zhǔn)的配體分子。大多數(shù)幾何搜尋系統(tǒng)只對簡單的提問結(jié)構(gòu)起作用。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)預(yù)篩選，去掉95％～99％的不能滿足三維限制條件的化合物，可使搜尋速度加快。篩選通?；诰嚯x或二面角進(jìn)行，由于對每一個結(jié)構(gòu)都需計算所有的距離或二面角，故篩選要耗費大量的計算機(jī)時。篩選以后，對初篩合格的分子，再用幾何限制條件來逐條檢驗是否具有所需要的特征。這樣即可搜尋到所需要的分子。2．立體搜尋(stericsearch)大分子的配體結(jié)合位點具有有限的大小和一定的形狀，我們可以從大分子靶標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)直接知道其形狀，或者從一組重疊的活性分子形狀反推受體結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)。立體搜尋就是根據(jù)受體結(jié)合位點的三維結(jié)構(gòu)(或反推的受體結(jié)合部位的三維結(jié)構(gòu))，從數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)形狀和理化性質(zhì)與受體結(jié)合部位匹配的小分子，即通常所說的分子對接。立體搜尋又可分為剛性搜尋和柔性搜尋，前者僅利用數(shù)據(jù)庫中的設(shè)定構(gòu)象，后者考慮配體與受體結(jié)合時的構(gòu)象變化。因此，柔性立體搜尋的結(jié)果比剛性搜尋更合理。這里重點介紹小分子三維結(jié)構(gòu)搜尋方法及其應(yīng)用。3．柔性構(gòu)象搜尋(flexibleconformationalsearch)所謂“柔性”(flexibility)，是指分子的結(jié)構(gòu)不僅取決于組成分子的原子間的內(nèi)在力(intrinsicforces)，而且取決于分子及其周圍環(huán)境的外在力(extrinsicforces)。由于生物活性分子大都具有一定的柔性，從而產(chǎn)生不同的構(gòu)象，因此三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫搜尋應(yīng)該考慮到分子的生物活性構(gòu)象，即配體與受體結(jié)合時的構(gòu)象。但是，儲存在數(shù)據(jù)庫中的分子的三維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生時，并沒有考慮到可能影響配體構(gòu)象的受體結(jié)構(gòu)及與受體的結(jié)合過程，而認(rèn)為每個化合物只儲存一個低能構(gòu)象。假設(shè)與一指定受體完美結(jié)合的所有化合物都必須采用與受體匹配的同樣的構(gòu)象，又假設(shè)我們以某種方式已準(zhǔn)確知道其結(jié)合構(gòu)象，那么，一般而言，在搜尋過程中就沒有必要嘗試所有的低能構(gòu)象。然而，如果采用一個反映活性化合物結(jié)合構(gòu)象的搜尋提問結(jié)構(gòu)，來搜尋含有同樣化合物低能構(gòu)象的數(shù)據(jù)庫，這種搜尋就會難以“命中”已知活性化合物或其他也能采納所需構(gòu)象的化合物。只有當(dāng)?shù)湍軜?gòu)象接近于結(jié)合構(gòu)象時，命中率才會提高。這就要求在數(shù)據(jù)庫搜尋時，需要考慮分子的柔性。在搜尋時調(diào)整分子的構(gòu)象，如其某一低能構(gòu)象也符合提問結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)庫中的設(shè)定構(gòu)象不一定符合提問結(jié)構(gòu))，則這—化合物也可作為候選物(hit)。一般的幾何搜尋方法不一定會選中這一化合物。但是，因為考慮了分子的柔性，搜尋速度勢必要受影響。因此，發(fā)展柔性構(gòu)象搜尋方法已成為目前三維結(jié)構(gòu)搜尋領(lǐng)域中一個廣泛研究的內(nèi)容。有三種方法可用于柔性構(gòu)象搜尋。其一，對數(shù)據(jù)庫中每一個化合物儲存多個構(gòu)象，這是一個笨拙的解決問題的方法。試想一下，假設(shè)每個化合物只有四個可旋轉(zhuǎn)單鍵，每個可旋轉(zhuǎn)單鍵僅考慮三個構(gòu)象(二面角為60o、180o和300o)時，那么就需儲存81個構(gòu)象。但實際上，在一個典型的數(shù)據(jù)庫中，每個化合物可旋轉(zhuǎn)的鍵數(shù)平均在7—8之間，這樣就要耗費大量的磁盤空間和搜尋時間。而且，即使對每個化合物的每個可旋轉(zhuǎn)鍵儲存三個(或多個)構(gòu)象，并不一定就能保證其結(jié)合構(gòu)象一定在所儲存的構(gòu)象中。因此，儲存多個構(gòu)象并不能簡單地解決柔性構(gòu)象問題。其二，在搜尋時對被選擇化合物的構(gòu)象空間進(jìn)行系統(tǒng)搜索，以得到分子中每對關(guān)鍵目標(biāo)間的最小和最大距離，然后再進(jìn)行構(gòu)象柔性搜尋。該法直到Balducci和Pearlman開發(fā)了MAXMIN算法之后，才算初步完成。MAXMIN算法將化合物的構(gòu)象空間轉(zhuǎn)化為圖形理論“樹”(邊對應(yīng)于可旋轉(zhuǎn)鍵，節(jié)點對應(yīng)于二面角)，對于每對目標(biāo)，該“樹”被刪節(jié)只得到目標(biāo)間最小和最大距離。一旦得到這些范圍，即可對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行初篩，迅速確定不可能滿足三維提問結(jié)構(gòu)的化合物。然后，對初篩合格的化合物，使用搜尋軟件來探索其構(gòu)象空間，以尋找其滿足提問結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確構(gòu)象。但是考慮到大量可能的構(gòu)象，這個兩步過程仍會產(chǎn)生大量的命中結(jié)構(gòu)，因此還有必要開發(fā)軟件，以對命中結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。其三，把柔性信息加入到三維提問結(jié)構(gòu)中，即采用柔性提問結(jié)構(gòu)(flexiblequery)來搜尋含一個或少量低能構(gòu)象的數(shù)據(jù)庫。這樣做最簡單的方法是放寬三維搜尋標(biāo)準(zhǔn)(如增加可接受的目標(biāo)間距離的范圍等)，直到命中結(jié)構(gòu)表(hitslist)包括了一系列柔性的已知活性的化合物為止。這種方法在一些情況下是滿意的，但在另一些情況下不太令人滿意，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。搜尋過程包括四步：定義提問結(jié)構(gòu)；解釋提問結(jié)構(gòu)；搜尋提問結(jié)構(gòu)的解釋包括：分析提問結(jié)構(gòu)中原子、鍵及其三維特征類型；二維和三維關(guān)鍵性部位篩選的形成；搜尋軌跡(script)的形成。開發(fā)柔性提問結(jié)構(gòu)的第一步是從一系列已知的生物活性化合物中選擇一個具有代表性的分子。然后，確定分子中的藥效基團(tuán)，刪除其余部分。注意這種確定要基于公認(rèn)的藥效基團(tuán)，或者是一種完全假設(shè)的而需要測試的思想。對于藥效基團(tuán)，要優(yōu)先考慮其剛性或柔性，把剛性(或半剛性)部分的原子固定下來，然后將分子的柔性部分錨(anchor)到剛性部分上，并指定柔性部分和剛性部分之間的距離范圍(根據(jù)起始化合物中的真實距離)。接下來的一步包括用提問結(jié)構(gòu)引導(dǎo)搜尋及連續(xù)的距離范圍限制、錨點數(shù)目的決定、被固定原子容忍度的調(diào)節(jié)等。精修過程包括加入其他三維限制(如有必要)，以提高命中結(jié)構(gòu)表中有關(guān)期望治療活性的選擇性，從而得到優(yōu)化好的最終的搜尋提問結(jié)構(gòu)。最后用搜尋提問結(jié)構(gòu)，在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行最終搜尋，以得到潛在的先導(dǎo)化合物。4．相似性搜尋(similaritysearch)另一種三維結(jié)構(gòu)搜尋方法是三維相似性搜尋，即從數(shù)據(jù)庫中搜尋出與輸入的提問結(jié)構(gòu)最相似的分子。它是在二維相似性搜尋的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。因為結(jié)構(gòu)彼此相似的分子能顯示出相似的活性特征，故此類搜尋對于合理藥物設(shè)計尤為重要。在相似性搜尋中，用戶試圖確定與一指定化合物相似的分子，其搜尋結(jié)果是得到一系列按照與提問結(jié)構(gòu)相似性遞減順序排列的結(jié)構(gòu)。這個過程比常規(guī)的三維結(jié)構(gòu)搜尋的限制要少，因為分子并不需要與藥效基團(tuán)相匹配，僅僅只要相似即可。分子相似性(molecularsimilarity)在合理藥物設(shè)計中是一個相當(dāng)重要的概念，它為化學(xué)家們比較一個分子與另一個分子的相似程度提供了一個定量的依據(jù)，并且也是分子多樣性計算和虛擬組合樣品庫設(shè)計的基礎(chǔ)。分子相似性一般用相似性指數(shù)(similarityindex)來表達(dá)。相似性指數(shù)在0～1之間取值，當(dāng)其為1時，表明兩個分子完全相同。相似性指數(shù)可用于結(jié)構(gòu)—活性關(guān)系研究，也可用于尋找兩個不同分子的最佳重疊方向。可以采用多種方法定義分子間的相似性。四、有關(guān)三維結(jié)構(gòu)搜尋的軟件自從第一個三維結(jié)構(gòu)搜尋程序MOLPAT由美國普林斯頓大學(xué)Gund等于20世紀(jì)70年代早期開發(fā)出來以來，特別是1987年P(guān)earlman等開發(fā)了能成功地產(chǎn)生大型三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的CONCORD以來，三維結(jié)構(gòu)搜尋軟件有了很大的發(fā)展。早期的軟件主要是針對藥效基團(tuán)模型進(jìn)行搜尋的，后來發(fā)展到可考慮受體的形狀及受體的性質(zhì)進(jìn)行搜尋，再后來是考慮分子的柔性及相似性來搜尋，最近還發(fā)展了含有自動進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造功能的軟件，即加入了全新藥物設(shè)計思想，使三維結(jié)構(gòu)搜尋軟件的功能日趨完善。下面簡單介紹一下近年來開發(fā)出來的一些軟件。1．3Dsearch3Dsearch是由Lederle實驗室Sheridan等開發(fā)的快速搜尋3D數(shù)據(jù)庫程序，可用于子結(jié)構(gòu)搜尋和基于藥效基團(tuán)的數(shù)據(jù)庫搜尋。對于每一個非氫原子程序儲存了五種類型的數(shù)據(jù)：元素名、相鄰的非氫原子數(shù)目、π電子數(shù)、與之相鄰的氫原子數(shù)以及形式電荷。除此以外，還含有四種類型的虛擬原子：五元環(huán)和六元環(huán)的中心、與環(huán)平面垂直且通過上述中心點的直線上距離中心0．05nm的兩個點(上下兩點)，以及與雜原子相連的氫原子和孤對電子所在的位置(理論計算值)。這些點實際上就是可能的藥效基團(tuán)元素。所有的提問結(jié)構(gòu)均由這些原子和虛擬原子來表示。搜尋分兩步進(jìn)行，先進(jìn)行快速預(yù)篩選，然后再對每個原子逐個進(jìn)行幾何印證，搜尋出符合提問結(jié)構(gòu)的分子。2．AladdinAladdin由Abbott實驗室的Martin研究小組開發(fā)，可以用幾何圖形、子結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)作為提問結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D數(shù)據(jù)庫搜尋。在提問結(jié)構(gòu)中，定義了原子或官能團(tuán)以及它們之間的空間結(jié)構(gòu)限制(距離和角度)，同時也定義了配體排斥體積(受體必需體積)。與其他搜尋軟件不同，A1addin同時定義了配體氫鍵供體和受體的位置，這樣搜尋到的化合物(hit)可以與受體形成氫鍵。Aladdin能滿足提問結(jié)構(gòu)的需求，例如A1addin可以刪除一些能產(chǎn)生不合理立體作用的取代基，或改變原子類型以滿足氫鍵作用的需要。所以，Aladdin不僅是一個數(shù)據(jù)庫搜尋軟件，還具有分子設(shè)計的功能。3．UNITYUNITY是Tripos公司開發(fā)的數(shù)據(jù)庫搜尋軟件，同時具有2D和3D搜尋功能。提問結(jié)構(gòu)中可以包含特定的元素、分子連接性、中心、線、面和垂線等。UNITY用Markush原子定義氫鍵的供受體，也可用Markush原子定義滿足用戶特定要求的原子，如在結(jié)構(gòu)搜尋時應(yīng)避免的原子等。與Aladdin類似，UNITY提問結(jié)構(gòu)的三維圖象包括距離、角度、配體必需體積和排斥體積等。在數(shù)據(jù)庫搜尋時，先進(jìn)行2D篩選，選出數(shù)據(jù)庫中滿足提問結(jié)構(gòu)2D連接性的分子，再進(jìn)行3D搜尋，選出滿足提問結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)限制的分子。UNITY與Tripos公司的其他分子模擬軟件如Sybyl有接口，可以利用Sybyl的模擬結(jié)果來搜尋數(shù)據(jù)庫。最近，UNITY與MDL的ISIS軟件也有接口，可以直接搜尋MDL的數(shù)據(jù)庫，如ACD—3D和MDDR—3D等。4．MACCS-3D和ISIS-3D這兩個軟件是由MDL公司先后在1989年和1992年開發(fā)的，功能與UNITY類似，只是在儲存時不用一般原子類型形式，而是用元素和鍵型形式。目前使用這兩個軟件的化學(xué)家比較多，所以有些公司在建立自己的數(shù)據(jù)庫時直接采用MACCS和ISIS形式。這兩個軟件能快速進(jìn)行基于3D藥效基團(tuán)的搜尋，所以在藥物設(shè)計中應(yīng)用很廣泛。5．CatalystCatalyst原先由Biorad開發(fā)，后被美國MSI公司商品化。它是一個剛性搜尋軟件，即在搜尋數(shù)據(jù)庫時不考慮分子的柔性，其提問結(jié)構(gòu)由氫鍵供受體、疏水區(qū)域和靜電區(qū)域組成。Catalyst還有根據(jù)構(gòu)效關(guān)系建立3D藥效基團(tuán)模型的功能。6．CAVEATCAVEAT是一個應(yīng)用數(shù)據(jù)庫搜尋來進(jìn)行全新分子設(shè)計的軟件。起初，CAVEAT的目的是設(shè)計小分子來模擬蛋白質(zhì)的變異區(qū)(Loop區(qū))。它的基本假設(shè)是蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用時主要依靠Loop區(qū)側(cè)鏈間的特殊作用，如靜電、氫鍵和鹽橋等，而主鏈的作用不是十分重要。CAVEAT是通過搜尋數(shù)據(jù)庫的方法，發(fā)現(xiàn)能取代蛋白質(zhì)相互作用界面上側(cè)鏈的環(huán)狀碎片。CAVEAT用矢量來表示數(shù)據(jù)庫中分子的距離和角度限制，環(huán)狀碎片用環(huán)外鍵的矢量來定義，用這些矢量反映成環(huán)的3D結(jié)構(gòu)。提問結(jié)構(gòu)可以用多肽的C。一Cβ鍵矢量表示，這樣的提問結(jié)構(gòu)可以用一般的數(shù)據(jù)庫搜尋CAVEAT數(shù)據(jù)庫。CAVEAT可以根據(jù)Cα一Cβ鍵矢量提問結(jié)構(gòu)搜尋出環(huán)狀母核(scaffold)來替代多肽，進(jìn)而設(shè)計出有機(jī)分子取代多肽。最近，CAVEAT增加了化合物分類的功能，將搜尋出的化合物根據(jù)分子結(jié)構(gòu)和相似性分成不同的類型。另外，CAVEAT還增加了兩個新的數(shù)據(jù)庫：TRIAD為計算機(jī)產(chǎn)生的“三元環(huán)”碳?xì)浠衔飵欤籌LIAD為計算機(jī)生成的非環(huán)化合物庫。7．CSACSA是劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(CambridgeStructuralDatabase)的縮寫。在前面我們已經(jīng)介紹過，CSA收集了小分子化合物的晶體結(jié)構(gòu)，同時它也有自己的3D結(jié)構(gòu)搜尋軟件[aD。CSA數(shù)據(jù)庫和搜尋軟件的價值在于能從中獲得許多實驗的信息，不但能得到鍵長、鍵角和二面角等三維結(jié)構(gòu)信息，而且能從晶體結(jié)構(gòu)中獲得分子間相互作用的信息，這是其他數(shù)據(jù)庫所沒有的。這些數(shù)據(jù)對校正力場參數(shù)和發(fā)展其他三維結(jié)構(gòu)模擬軟件曾經(jīng)并將繼續(xù)起到重要作用。8．柔性三維結(jié)構(gòu)搜尋軟件上面我們介紹的軟件基本屬于剛性三維結(jié)構(gòu)搜尋，下面我們介紹一些柔性三維結(jié)構(gòu)搜尋軟件。Hurst發(fā)展了直接扭轉(zhuǎn)(directedtweak，DT)算法r‘‘]應(yīng)用于柔性三維結(jié)構(gòu)搜尋。搜尋開始時使用數(shù)據(jù)庫中儲存的構(gòu)象，然后調(diào)整分子的二面角，使其官能團(tuán)符合提問結(jié)構(gòu)的空間距離限制。DT算法既能考慮環(huán)的柔性，也能計算非環(huán)體系的柔性。搜尋時間隨體系的增加而增加。實踐證明，柔性搜尋比剛性搜尋得到更多的候選化合物(hit)。上面介紹的UNITY軟件柔性搜尋部分就是采用的DT算法。Moock等發(fā)展了另一種稱之為二面角優(yōu)化(torsionoptimization，TO)的柔性搜尋方法。在二面角優(yōu)化時一般采用單純優(yōu)化器(simplexoptimizer)方法，當(dāng)提問結(jié)構(gòu)中僅包含距離和角度限制時，也采用能量求導(dǎo)優(yōu)化方法。在三維結(jié)構(gòu)搜尋時，優(yōu)化每個分子的二面角空間使被搜尋分子的構(gòu)象與提問結(jié)構(gòu)限制間的均方根差最小。TO搜尋方法比柔性搜尋方法慢得多。前面介紹的MACCS—3D和ISIS采用的就是TO方法。其他的柔性搜尋方法還有CHEM—X／ChemDBS—3D、距離幾何法、MonteCarlo方法和遺傳算法等。有人曾用僅含距離限制的藥效基團(tuán)作為提問結(jié)構(gòu)，測試了上述的柔性搜尋方法，發(fā)現(xiàn)TO搜尋方法的結(jié)果最好，速度最快。第四節(jié)全新藥物設(shè)計一、概述1．方法假如某一受體生物大分子的三維結(jié)構(gòu)已經(jīng)測定，可根據(jù)定點突變等實驗結(jié)果，確定其配體結(jié)合部位。如所測定的結(jié)構(gòu)本身就是配體—受體(如抑制劑與酶)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，那就更加容易確定藥物可能的作用位點。如果沒有作用位點的信息，僅知道生物大分子的三維結(jié)構(gòu)，也有一些理論計算方法可以用來搜尋配體作用位點。圖3-4全新藥物設(shè)計的一般過程獲得受體生物大分子結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)后，就可以用分子模擬軟件如Sybyl、Insight、Catalyst等，分析結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如靜電場分布、疏水場分布、氫鍵作用位點等，然后用全新藥物設(shè)計方法(見圖3-4)，設(shè)計出分子形狀和理化性質(zhì)與受體作用位點相匹配的分子，合成這些分子并測試其生物活性。經(jīng)過幾輪循環(huán)，可發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物。2．全新藥物設(shè)計軟件必須滿足的要求理想的全新藥物設(shè)計方法應(yīng)滿足如下條件：使用方便，最好配備圖形界面，使得非專門研究人員(如從事合成的研究人員)也能迅速掌握此方法；快速、實時，即軟件在設(shè)計新分子時速度要快，以便迅速回答實驗研究人員“什么”、“如果(whatif)”等問題，提高藥物設(shè)計成功的機(jī)會；產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)要合理，不含化學(xué)和生物上不穩(wěn)定的基團(tuán)，容易合成；能產(chǎn)生多個結(jié)構(gòu)分子；產(chǎn)生的先導(dǎo)化合物，活性至少在mmol／L級；適用于所有的受體生物大分子，而不是某一類或幾類。二、全新藥物設(shè)計方法目前比較流行的全新藥物設(shè)計方法有活性位點分析(activesiteanalysis，ASA)方法、整體分子(wholemolecule，WM)方法、分子連接法(ConnectionMethod)等。（一）ASA方法ASA方法可用來探測哪些原子或基團(tuán)能與生物大分子的活性(結(jié)合)部位有較好的相互作用。用于分析的探針分子可能是一些簡單的分子或碎片，例如水或苯環(huán)，結(jié)果可找到這些分子或碎片在活性部位中的可能結(jié)合位置。因為這一方法不能產(chǎn)生完整的分子，所以嚴(yán)格地講，ASA方法不是全新藥物設(shè)計方法。但大家均承認(rèn)，ASA方法在全新藥物設(shè)計方法中非常重要，并且是一個成功的全新藥物設(shè)計方法的重要組成部分。例如，在碎片連接法中，須首先將碎片對接到活性部位合適的位置上去。因此，我們首先介紹ASA方法。圖3-5分子碎片在受體活性部位的放置圖3-5顯示了怎樣將一些典型分子碎片放置到受體活性部位中合適的位置上。在這一例子中，苯環(huán)被放置在疏水性的口袋中，一些羰基被放置在氫鍵供體的位置上，羥基被放置在氫鍵受體的位置上。屬于ASA方法的軟件有GRID、GREEN、HSITE及相類其它的相關(guān)程序，還有一些基于MonteCarlo模擬退火法的程序如MCSS、NINT，和BUCKETS，也屬于ASA方法。所選擇的碎片與生物大分子活性部位結(jié)合好壞的評判標(biāo)準(zhǔn)有幾種：基于能量計算的方法，即用分子力場方法計算碎片與受體生物大分子的作用能；采用從晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立的評判標(biāo)準(zhǔn)來對碎片打分。能量計算方法的缺點是計算較為費時，并且計算結(jié)果依賴于力場參數(shù)；再者，在能量計算過程中，必須考慮溶劑效應(yīng)等因素，如果這些因素沒有加入到碎片選擇過程中，就會影響計算的精度。而在數(shù)據(jù)庫搜尋或ASA中考慮這些復(fù)雜的因素，則計算較為費時，這就失去了在藥物設(shè)計中的實用價值?，F(xiàn)在已發(fā)展了一些經(jīng)驗計算方法來克服這一缺點，這些經(jīng)驗規(guī)則一般也用于分子對接的精確計算。經(jīng)驗規(guī)則方法雖然較為簡單，但是這些規(guī)則是建立在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的。因此，其物理意義雖不十分明確，但卻十分實用，并且選擇碎片的速度也比能量計算方法快。此外，現(xiàn)在發(fā)展了一種實驗方法，叫做結(jié)晶浸泡(crystallographicsoaking)方法，可以得到一些簡單的有機(jī)小分子(如甲醇)在受體活性部位的確切位置，這為ASA方法提供了良好的碎片與活性部位的作用信息，可以用結(jié)晶浸泡實驗結(jié)果來建立碎片選擇規(guī)則。最近，F(xiàn)esik等用核磁共振方法研究各種有機(jī)小分子與受體作用的方法，稱之為SAR—by-NMR，可以用來選擇各種分子碎片與受體體的結(jié)合性，結(jié)合分子動力學(xué)模擬方法，獲得分子碎片與受體活性位點的結(jié)合部位，這也為碎片選擇規(guī)則提供了確切的實驗數(shù)據(jù)。下面，介紹—些與ASA方法有關(guān)的軟件及應(yīng)用。1．GRIDGRID是由Goodford小組發(fā)展的。它的基本方法是將受體生物大分子的活性部位劃分為有規(guī)則的網(wǎng)格點(grid)，將探針分子(水分子或甲基等)放置在這些網(wǎng)格點上，用分子力場方法計算探針分子與受體活性部位各原子的相互作用能(score)，這樣就獲得了探針分子在活性部位與受體相互作用情況的分布，從中可以發(fā)現(xiàn)最佳作用位點，即score比較高的網(wǎng)格點。因這里的作用能是負(fù)值，所以score的絕對值越大表示作用能越高，在一般的計算機(jī)工作站上，搜尋一個探針分子的最佳作用位點僅需幾分鐘的CPU時間。GRID最初試算的例子是用水分子作為探針分子，搜尋到了二氫葉酸還原酶(DHFR)活性部位中水的結(jié)合位點以及抑制劑的氫鍵作用位點。后來，其他酶與抑制劑復(fù)合物的結(jié)構(gòu)被用來校正GRID的評判函數(shù)和發(fā)展其他探針分子(或原子)的參數(shù)，并將此方法應(yīng)用于全新藥物設(shè)計中，取得了較好的結(jié)果。有人曾以NH4+廣作為探針分子來模擬蛋白質(zhì)中賴氨酸的作用，并用GRID方法搜尋到了血紅蛋白亞基與亞基結(jié)合的鹽橋作用區(qū)域。溶菌酶中的水分子緊密作用位點，也被GRID搜尋出來。此外，Agouron公司成功地用GRID設(shè)計出胸苷酸合成酶抑制劑。運用GRID和LUDI(另一種全新藥物設(shè)計方法)，成功地設(shè)計出磷酸酯酶A，抑制劑和P450CAM底物類似物。2．多拷貝同時搜尋方法(multiplecopysimultaneoussearch，MCSS)MCSS方法是Miranker和Karplus在CHARMM力場方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這一方法基本要點是在運用CHARMM力場進(jìn)行分子動力學(xué)(MD)模擬時，取消溶劑分子間的非鍵相互作用。這樣，在MD模擬時，溶劑分子在能量合適的區(qū)域疊合在一起，從而提高了搜尋溶劑分子與受體分子結(jié)合區(qū)域的效率。小分子碎片如水和苯分子可當(dāng)作溶劑分子，運用上述MD方法搜尋出分子碎片與受體的結(jié)合區(qū)域，然后對每個碎片選擇100～1000個拷貝，在低能碎片結(jié)合區(qū)域進(jìn)行能量優(yōu)化。在最后的能量搜尋過程中，可以用隨機(jī)取樣或網(wǎng)格點的方法來實施。搜尋時每個碎片的各個拷貝可以作剛性轉(zhuǎn)動，最后直接比較每個碎片各個拷貝與受體的結(jié)合能，以此選擇碎片的最佳作用位點。Caflish等用MCSS方法進(jìn)行了HIV-1蛋白酶抑制劑的設(shè)計。由MCSS搜尋結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)N-甲基乙酰胺(NMA)分子碎片的最佳作用位點對應(yīng)于MVT-101(一種HIV-1蛋白酶抑制劑，活性達(dá)μmol／L級)作用位點。將這些NMA碎片連接成六肽骨架，并對六肽的構(gòu)象分類，得到100個不同類別的構(gòu)象。然后，用MCSS方法對MVT-101的側(cè)鏈進(jìn)行搜尋，得到了這些側(cè)鏈與HIV-1作用的低能區(qū)域。將側(cè)鏈裝配到六肽骨架上，并進(jìn)行能量優(yōu)化，得到了能量小于一定閾值的配體。最后再對15個配體進(jìn)行MonteCarlo模擬，搜尋它們與HIV-I作用的構(gòu)象空間，其中一構(gòu)象與MVT-101能較好地疊合(rms為0．24nm)。雖然理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果還存在較大的差別，但MCSS計算結(jié)果給MVT-101的結(jié)構(gòu)改造提供了一些線索。3．HINTKellogg等發(fā)展了HINT(hydrophobicInteraction)程序，可以用來估計和顯示配體和酶的相互作用。HINT用經(jīng)驗計算方法計算疏水性或疏水場分布，計算結(jié)果應(yīng)用于比較分子力場(CoMFA)分析或其他的3D-QSAR研究。HINT還可以用原子對相互作用計算方法估算配體—受體的相互作用情況，從而計算配體的結(jié)合能。運用LOCK和KEY子程序，HINT可以計算受體活性部位的疏水性和極性以及配體—受體相互作用的其他性質(zhì)。HINT能較好地搜尋出受體與配體疏水性基團(tuán)結(jié)合的疏水性區(qū)域，結(jié)果與晶體結(jié)構(gòu)測定結(jié)果一致。這一程序的一個成功例子是合理地預(yù)測了變構(gòu)配體與血紅蛋白的結(jié)合常數(shù)K1。盡管HINT不是一個真正的全新藥物設(shè)計軟件，但它能直觀地顯示受體活性部位的性質(zhì)，這樣就能從圖象上看出放置各種碎片的大概位置。以上我們僅介紹了ASA方法及一些相關(guān)的程序。這類方法的優(yōu)點之一是能獲得不同碎片(疏水性或能形成氫鍵的碎片)與受體結(jié)合的最佳位置。第二個優(yōu)點是通過結(jié)合能計算，發(fā)現(xiàn)不同碎片與受體結(jié)合時的取向(方向)，這為以后的分子連接性方法打下了基礎(chǔ)。第三個優(yōu)點是運用不同的碎片作為探針，大大擴(kuò)大了分子設(shè)計的范圍，可以提供多個候選分子供合成研究人員參考。ASA的缺點是不能設(shè)計出完整的分子，必須由藥物化學(xué)家或有機(jī)化學(xué)家根據(jù)經(jīng)驗將不同的碎片連接成分子，或與其他全新藥物設(shè)計方法結(jié)合，設(shè)計出完整的分子。（二）整體分子(wholemolecule，WM)方法WM方法主要采用分子對接，分子對接就是將整個三維數(shù)據(jù)庫中的有機(jī)分子契合到受體生物大分子的活性部位上去，看小分子的形狀和結(jié)構(gòu)性質(zhì)是否與活性部位的形狀和結(jié)構(gòu)性質(zhì)匹配，然后根據(jù)一定的評判函數(shù)對數(shù)據(jù)庫中的每個分子打分(score)，挑選出打分值比較高的化合物進(jìn)行篩選，以發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物?，F(xiàn)在有許多商用小分子數(shù)據(jù)庫可用于分子對接研究，如MDL／ACD—3D，并且一些小分子數(shù)據(jù)庫(如ACD—3D)中的化合物已有廠商生產(chǎn)，可以通過訂購的方式獲得所需要的化合物。即使有些數(shù)據(jù)庫中的小分子化合物沒有廠商生產(chǎn)，但因其合成路線比較成熟，合成這些化合物進(jìn)行藥理篩選也不是太困難的事情。因此，分子對接方法是一種經(jīng)濟(jì)實惠的藥物設(shè)計方法。由于這一優(yōu)點，分子對接方法已廣泛被各大制藥公司和研究機(jī)構(gòu)用于先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)，在藥物設(shè)計中取得了極大的成功。第一個分子對接方法是由Kuntz等發(fā)展的DOCK程序，該方法的第一個版本在將分子契合到受體活性部位時，僅考慮剛性分子的形狀，即把柔性分子當(dāng)作剛性分子處理，不考慮分子的構(gòu)象變化。后來有人對DOCK程序作了改進(jìn)，在分子對接時考慮了小分子的柔性，或?qū)?shù)據(jù)庫中的分子產(chǎn)生多個構(gòu)象，再將每個構(gòu)象與受體活性部位對接，以此來解決分子對接的柔性問題。還有人將MonteCarlo方法和模擬退火方法應(yīng)用到分子對接中，以考慮分子的構(gòu)象變化，AUTODOCK程序就是其中的典型代表。近年來，又有人將遺傳算法應(yīng)用于分子對接，搜尋柔性分子與受體對接的構(gòu)象空間。這些發(fā)展的DCOK方法在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫搜尋時，計算量很大，所以一般在搜尋數(shù)據(jù)庫時不用柔性對接方法，而用剛性對接方法對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行初步篩選，對入選化合物再用柔性對接方法作進(jìn)一步處理，并可在評判函數(shù)中加入更加精確的配體—受體相互作用項，如靜電作用、氫鍵作用和疏水作用等。這樣可以獲得比較合理的配體活性構(gòu)象以及合理的配體與受體相互作的各個拷貝可以作剛性轉(zhuǎn)動，最后直接比較每個碎片各個拷貝與受用打分?jǐn)?shù)據(jù)，從而選擇合理的化合物進(jìn)行藥理測試。由于計算機(jī)硬件和計算方法的發(fā)展，現(xiàn)在有許多研究小組在發(fā)展柔性分子對接方法，用以搜尋數(shù)據(jù)庫，如DOCK4．0版可以對ACD—3D等數(shù)據(jù)庫進(jìn)行柔性分子搜尋，Tripos公司的FlexX也有這樣的功能。（三）分子連接法(ConnectionMethod)分子連接有四種不同方法，分別是位點(sitepoint)連接法、碎片(fragment)連接法、連續(xù)構(gòu)造(sequentialbuild—up)法和隨機(jī)(random)連接法。下面分別對這些方法作簡要介紹。位點連接(SPC)法在這里，位點的意思是受體活性部位空間中的一點，在這一點能設(shè)置一個或幾個與受體原子有良好作用的配體原子，例如在苯丙氨酸的側(cè)鏈周圍，可以設(shè)置一些疏水性的位點。如果位點上已經(jīng)設(shè)置了合適的配體原子，我們稱這一位點被滿足。位點連接法就是將小分子碎片放置到活性部位上，來滿足活性部位的一個或幾個位點，同時小分子碎片也因此找到了合適的位置。這樣，位點連接法與碎片放置法有些相似，有人甚至稱位點連接法是碎片放置法的特例。圖3-6是位點連接法的示意圖，它的工作流程如下；搜尋并構(gòu)建活性部位的位點，氫鍵供體和受體(用線條表示)與疏水性基團(tuán)(用點表示)附近一定范圍的區(qū)域均可設(shè)置位點，選一碎片分子(這里為2-脒基噻吩)放置在活性部位合適的位置，并使分子碎片的某些原子與一些位點相匹配，即氫鍵的供體對應(yīng)于氫鍵的受體，疏水性基團(tuán)對應(yīng)于疏水性基團(tuán)等；在第一個分子碎片上加入另一個碎片，并使新碎片工的某些原子滿足相鄰位點的需要，這樣繼續(xù)下去，直到活性部位的所有位點或大部分位點被滿足。由于碎片的選擇和連接方式有多種，所以用SPC方法設(shè)計的分子可能不止一個。與SPC方法有關(guān)的軟件和方法有GLIX、LUDII、Verlinde等的連接法以及Klebe的晶體場分析法。同碎片放置法(如ASA方法)類似，SPC方法也可以用兩種途徑來評判碎片放置的好壞，一種是作