分子對接的原理方法及應(yīng)用

1、分子對接的原理、方法和應(yīng)用(在PPT中分子對接的照片、照片素材文件中)分子對接將已知的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中的分子一個(gè)個(gè)地放置在目標(biāo)分子的活性部位上。 通過不斷優(yōu)化受體化合物的位置、構(gòu)象、分子內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)鍵的二面角和受體的氨基酸殘基側(cè)鏈和骨架，尋找受體小分子化合物與目標(biāo)大分子作用的最佳構(gòu)象，利用其結(jié)合模式、親和力和評分函數(shù)選擇接近自然構(gòu)象的受體親和力的最佳配位體的理論模擬分子間作用的方法。研究配體小分子與受體生物大分子的相互作用，預(yù)測其親和力，是實(shí)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)的重要方法。原理：受體和配體形狀互補(bǔ)，性質(zhì)互補(bǔ)，對相關(guān)受體直接探索其三維結(jié)構(gòu)可能的配體，將其放置在受體的活性部位，尋找合理的配置取向和配

2、體，配體和受體形狀互補(bǔ)，性質(zhì)互補(bǔ)(配體與受體結(jié)合時(shí)，相互存在靜電相互作用、氫鍵相互作用、范德華相互作用和疏水相互作用，配體和受體結(jié)合必須滿足相互匹配的原則，即配體和受體的幾何形狀互補(bǔ)地匹配，靜電相互作用互補(bǔ)地匹配，氫鍵相互作用互補(bǔ)地匹配目的：找到基質(zhì)分子和受體分子的最佳結(jié)合位置提問：如何找到最佳的結(jié)合位置，如何評價(jià)結(jié)合分子間的結(jié)合強(qiáng)度方法：1 .首先建立大量化合物的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫2 .把庫內(nèi)的分子一個(gè)個(gè)地與目標(biāo)分子“對接”3 .通過不斷優(yōu)化小分子化合物的位置和分子內(nèi)部柔性鍵的二面角，找到小分子化合物和靶的大分子作用的最佳配位，并計(jì)算其相互作用和鍵能4 .庫中的所有分子完成對接計(jì)算后，可以找到與

3、目標(biāo)分子結(jié)合的最佳分子應(yīng)用程序：1 )直接明確藥物分子和目標(biāo)的相互作用方式2 )預(yù)測小分子與目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)合時(shí)的構(gòu)象3 )基于分子對接法虛擬篩選化合物數(shù)據(jù)庫，引領(lǐng)化合物的發(fā)現(xiàn)4 )預(yù)測化合物的親和力和活性，用于化合物的優(yōu)化分子對接思想來源于“鑰匙和鑰匙”，但比“鑰匙和鑰匙”復(fù)雜得多，在以下方面表現(xiàn)出來1 )藥物分子和靶酶分子柔軟，為了在對接過程中達(dá)到最佳匹配，必須相互適應(yīng)2 )分子對接不僅滿足空間形狀匹配，還滿足能量匹配，基質(zhì)分子和目標(biāo)酶分子能否結(jié)合和結(jié)合強(qiáng)度取決于最終形成該復(fù)合物過程的結(jié)合自由能。分子對接類型：1 )剛體對接：在對接過程中，研究體系的構(gòu)象不變。 適合于考察蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)之間、蛋

4、白質(zhì)和核酸之間的對接等比較大的系統(tǒng)2 )半柔性對接：在對接過程中，研究體系，特別是配體的構(gòu)象可以在一定范圍內(nèi)變化。 適合處理大分子與小分子之間的對接，在對接過程中，小分子的構(gòu)象一般會(huì)發(fā)生變化，但大部分是剛性的3 )柔性對接：在對接過程中，研究系統(tǒng)的星座基本上可以自由變化。 一般用于正確地考慮分子間的識別狀況，在計(jì)算過程中體系的構(gòu)象可以發(fā)生變化，所以計(jì)算費(fèi)用最大分子對接問題：如何找到最佳的結(jié)合位置。這涉及到優(yōu)化問題，基質(zhì)分子和受體分子能夠自由旋轉(zhuǎn)和平運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，由于兩個(gè)分子自身的座位也有變化，它們之間可能的結(jié)合方式非常復(fù)雜，常用的有遺傳算法、模擬退火、禁忌檢索等如何確定對接分子間的結(jié)合強(qiáng)度？這關(guān)

5、系到基質(zhì)分子和受體分子的結(jié)合能力的預(yù)測，關(guān)系到結(jié)合自由能的計(jì)算。塢站的基本類型：1 )整體分子對接法：用特定的搜索算法考察配體分子在受體結(jié)合部位的能量，找出與所給分?jǐn)?shù)函數(shù)相對應(yīng)的最佳結(jié)合方式2 )基于片段對接法，配體分子被認(rèn)為是一些片段結(jié)構(gòu)的集合，首先將一個(gè)或幾個(gè)基本片段放入結(jié)合囊中，在活性部位構(gòu)建分子的剩馀部分，最終得到理論上最佳的結(jié)合方式幾種代表性的分子對接方法4.1船塢DOCK是Kuntz研究小組發(fā)展的分子對接程序，可能是目前應(yīng)用最廣泛的分子對接程序之一。 它能自動(dòng)模擬配體分子在受體活性部位的作用情況，以最佳方式記錄理論預(yù)測。 此外，該方法能自動(dòng)搜索配體的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，因此廣泛應(yīng)用于基

6、于受體結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫搜索的藥物設(shè)計(jì)中，取得了很大的成功。 基于DOCK的藥物設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫檢索基本分為下一步驟：配體和受體相互作用部位的確定、評分系統(tǒng)的生成、DOCK計(jì)算和DOCK結(jié)果的處理和分析。 活性部位的確定和表達(dá)是DOCK最重要的特征之一。 活性部位特征的確定對于DOCK研究非常重要。 配體分子與受體的相互作用過程的模擬主要參考幾何部位的幾何特征來進(jìn)行。 在DOCK中，活性部位的決定是通過sphgen程序來進(jìn)行的。 DOCK包中的sphgen程序生成受體表面所有凹陷的負(fù)像，并對這些負(fù)像進(jìn)行聚類分析。 在DOCK程序中，表面點(diǎn)采用了Richards提出的模型。 基于這些表面點(diǎn)，使用sphge

7、n程序生成負(fù)像，它是使實(shí)際與分子表面點(diǎn)接觸的球重疊而成的。在生成負(fù)像的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行配體分子和活性口袋的匹配。 這里，配體也用一系列的球集合表示，但與負(fù)像不同，采用了表示配體所占空間區(qū)域的球集合。 如果配體分子與活性口袋很好地一致的話，配體的球集一定會(huì)與活性口袋的負(fù)像重疊。 配體分子與負(fù)像匹配的原則是基于配體與受體之間球集的內(nèi)坐標(biāo)的比較。根據(jù)匹配原則得到配體和受體之間的匹配情況后，根據(jù)合理的得分函數(shù)選擇最佳結(jié)果。 DOCK提供包含原子接觸分?jǐn)?shù)和能量分?jǐn)?shù)的得分函數(shù)，以評估配體和受體的結(jié)合情況。 DOCK進(jìn)行分子對接時(shí)，配體分子很靈活。 柔軟的分子中，鍵長和鍵角不變，但可旋轉(zhuǎn)的二面角不變。 在D

8、OCK中，柔性分子的構(gòu)象變化通過以下操作實(shí)現(xiàn)：首先是剛性片段的確定，然后是構(gòu)象搜索。 在星座圖搜索中，兩種方法：中的一種是錨優(yōu)先搜索，另一種是同時(shí)搜索。4.2自動(dòng)船塢AUTODOCK是Scripps的Olson科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的分子對接包，是最新版本3.05中，AUTODOCK用模擬退火和遺傳算法尋找受體與配體的最佳結(jié)合位置，用半經(jīng)驗(yàn)自由能計(jì)算方法評價(jià)受體與配體之間的匹配情況。 在AUTODOCK中，配體和受體的結(jié)合能力用能量匹配進(jìn)行了評價(jià)。 在版本1.0和版本2.0中，能量匹配得分采用了基于簡單AMBER力場的非耦合相互作用能力。 非鍵相互作用來源于三部分的貢獻(xiàn)：范得華相互作用、氫鍵相互作用

9、、靜電相互作用。在版本3.0中，自動(dòng)船塢提供了半經(jīng)驗(yàn)的自由能計(jì)算方法，是最早評價(jià)配體與受體之間的能量匹配的自動(dòng)船塢版本，作者采用模擬退火優(yōu)化配體與受體之間的結(jié)合。 在版本3.0中，Morris等人開發(fā)了改進(jìn)的遺傳算法，拉馬克遺傳算法(LGA )。 結(jié)果表明，LGA比傳統(tǒng)的遺傳算法更有效率. 在LGA法中，作者把遺傳算法和局部搜索結(jié)合起來，遺傳算法用于全局搜索，局部搜索用于能量優(yōu)化。 在自動(dòng)船塢中，本地搜索方法是自適應(yīng)的，可以根據(jù)當(dāng)前能量調(diào)整步長。 LGA算法導(dǎo)入了拉馬克的遺傳理論，LGA的最大特征是通過進(jìn)化映射將基因型轉(zhuǎn)換為表型來實(shí)現(xiàn)局部搜索和遺傳算法的結(jié)合。 基因型空間由遺傳算子的突變和交叉

10、定義的表現(xiàn)型是用問題的解來定義的，這里表示系統(tǒng)的能量分?jǐn)?shù)。4.3 FIexXFIexX是德國國家信息技術(shù)研究中心的生物信息學(xué)算法和科學(xué)計(jì)算研究室的Matthias Rarey等發(fā)展起來的分子對接方法，目前作為SYBYL分子模擬包的一個(gè)模塊而商業(yè)化。 在FIexX中，組合多種藥物設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行配體和受體之間的對接。 在FIexX中，配體和受體的結(jié)合情況的評價(jià)采用了Bbhm提出的基于半經(jīng)驗(yàn)方程式的自由能評價(jià)方法。 在FlexX中，分子對接的流程主要分為下一步驟：(1)核心結(jié)構(gòu)確定對接的第一步是選擇核心片段。 核心片段是決定配體與受體相互作用的基礎(chǔ)，核心片段的構(gòu)象盡量少。 核心基的正確選擇對分子對接

11、的計(jì)算結(jié)果有非常重要的影響。 這是因?yàn)楹嘶褪荏w之間如果不存在明顯的優(yōu)勢相互作用，就很難正確地預(yù)測正確的結(jié)合模式。 隨著核基的增加，核基與受體之間的相互作用也增加，正確預(yù)測結(jié)合模式的機(jī)會(huì)大幅度增加。 因此，選擇核基時(shí)，核基中包含的基需要盡可能多。 另外，核心基的構(gòu)象數(shù)必須盡量少。 選定核基后，配體分子可分為多個(gè)片段。(2)核結(jié)構(gòu)的配置選擇核基后，將核基配置在活性部位的正確部位。 放置核心基時(shí)，F(xiàn)lexX采用形態(tài)聚類算法，在該算法中，核心基可以視為具有明確相互作用點(diǎn)的剛性物體，受體分子的活性袋也可以視為具有明確相互作用點(diǎn)的剛性物體核基放入活性口袋的過程相當(dāng)于使配體中的兩個(gè)相互作用點(diǎn)重疊在活性部位

12、的三個(gè)相互作用點(diǎn)上(假設(shè)這三個(gè)點(diǎn)不是共線)。 在匹配中，兩個(gè)三角形三個(gè)頂點(diǎn)的相互作用特征應(yīng)該匹配，三角形對應(yīng)邊的長度差必須在一定范圍內(nèi)。 放置核結(jié)構(gòu)的第一步是找到所有匹配的三角形，并坐標(biāo)變換配體的位置。 所有轉(zhuǎn)化完成后，檢查配體是否與受體發(fā)生碰撞，去除了不合理的核心結(jié)構(gòu)取向。 利用核結(jié)構(gòu)空間的位置均方平方根位移(r.m.s.D )，對這些核結(jié)構(gòu)可得到的位置進(jìn)行了聚類分析。 r.m.s.D的值合并小于預(yù)定閾值的空間位置，并只保留它們之間的差大的空間位置。艾滋病毒蛋白酶HIV蛋白酶產(chǎn)于HIV，這種蛋白酶專門負(fù)責(zé)去除病毒及其酶的前體，在該酶的作用下產(chǎn)生成熟、易感染的病毒。 Hiv病毒復(fù)制周期的正常運(yùn)行和病毒粒子的成熟是重要的，是病毒復(fù)制所必需的酶，