1、 基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)Structure-based drug design8第一節(jié) 基本概念一、受體理論和藥物-受體相互作用受體：能識(shí)別和結(jié)合生物活性物質(zhì)，并產(chǎn)生生物效應(yīng)內(nèi)源性活性調(diào)節(jié)物與受體的相互作用是維持機(jī)體機(jī)能的基本生理學(xué)機(jī)制外源性藥物可以作用在受體而干預(yù)生理生化作用受體激動(dòng)劑（agonist）：藥物與內(nèi)源性物質(zhì)一樣，產(chǎn)生相似的生物作用受體拮抗劑（antagonist）：藥物與受體結(jié)合后阻礙了內(nèi)源性物質(zhì)與受體結(jié)合，而導(dǎo)致生物作用的抑制9藥物-受體相互作用方式相互作用力契合空間形狀契合誘導(dǎo)契合母性 (齊諾)101、配體-受體的誘導(dǎo)契合(induced-fit)在藥物-受體相互作用時(shí)，具有柔

2、性或可塑性的受體結(jié)合部位受藥物的誘導(dǎo)而發(fā)生構(gòu)象的變化，產(chǎn)生可逆的、互補(bǔ)性的契合。手-手套模型112、藥物-受體相互作用力的類型和性質(zhì)作用類型共價(jià)鍵范德華力分子間引力疏水鍵氫鍵離子鍵靜電作用離子-偶極鍵偶極-偶極誘導(dǎo)偶極鍵能(KJ / mol)140-8000.3-1.93.44-3020-4020.50.5有效半徑(nm)鍵長(zhǎng)0.2-0.40.2-0.40.25-0.350.5-1.00.5-1.00.2-0.4 0.512范德華力(van der Waals force, VDW)DrugBinding SiteHydrophobic region13疏水鍵（hydrophobic bond

3、）14氫鍵（hydrogen bond）羥基氨基15氫鍵（hydrogen bond）酰氨基16氫鍵（hydrogen bond）羧基羰基17離子鍵（ionic bond, ion-ion bond）靜電作用（electrostatic interaction)羧基-銨基18偶極-偶極相互作用（dipole-dipole interaction）靜電作用（electrostatic interaction)19誘導(dǎo)偶極作用（induced dipole interaction）靜電作用（electrostatic interaction)離子-誘導(dǎo)偶極作用（ion-induced dipole

4、 interaction)偶極-誘導(dǎo)偶極作用（dipole-induced dipole interaction)203、立體因素對(duì)配體-受體結(jié)合的影響214、受體結(jié)合部位受體基團(tuán)(receptophore)，受點(diǎn)或結(jié)合部位(binding site)受體中含有的與配體發(fā)生分子間相互作用而結(jié)合的部位22受體-配體的誘導(dǎo)契合23例: 嗎啡-阿片受體作用模型圖24從二氫葉酸還原酶(dihydroflate reductase, DHFR)-甲氨蝶呤(Methotrexate, MTX)復(fù)合物獲取受體空腔DHFR-MTX復(fù)合物DHFR 受體空腔圖1、觀察空腔表面的氨基酸殘基；2、受體-藥物復(fù)合物中去

5、除藥物分子。25二、藥物的結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系(SAR)藥物的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)決定著化合物的內(nèi)在性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物性質(zhì)等各種性質(zhì)。結(jié)構(gòu)-性質(zhì)相關(guān)：理化性質(zhì)pKa內(nèi)在性質(zhì)分子體積電荷分布分子結(jié)構(gòu)溶解度log P穩(wěn)定性生物性質(zhì)生物活性毒性生物轉(zhuǎn)化藥物代謝26決定藥物發(fā)揮藥效的因素： 藥物與受體的作用強(qiáng)度（親和力） 藥物分子到達(dá)受體的數(shù)量 最終取決于藥物分子的各種性質(zhì)和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征，這一關(guān)系可用SAR表示。結(jié)構(gòu)-性質(zhì)相關(guān)（structure-property relationship, SPR）主要研究它們之間的規(guī)律，特別是結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系，簡(jiǎn)稱構(gòu)效關(guān)系(structure-act

6、ivity relationships, SAR)SAR對(duì)于設(shè)計(jì)新藥具有重要意義，為有效地研究藥物作用規(guī)律以及合理地設(shè)計(jì)新藥可提供理論根據(jù)和實(shí)際指導(dǎo)基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)27還有：構(gòu)毒關(guān)系（structure-toxicity relationships, STR）構(gòu)動(dòng)關(guān)系（structure-pharmacokinetics relationships, SKR）構(gòu)代關(guān)系（structure-metabolism relationships, SMR）研究STR，SKR和SMR，可在設(shè)計(jì)藥物的同時(shí)，對(duì)藥物的毒性、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和代謝性質(zhì)加以考慮基于性質(zhì)的藥物設(shè)計(jì)281、藥效基團(tuán)（pharmacoph

7、ore或biophore）指一系列生物活性分子所共有的、對(duì)藥物活性起決定作用的結(jié)構(gòu)特征能被受體所識(shí)別、與受體受點(diǎn)結(jié)合起關(guān)鍵作用的藥物分子的分子片段及其三維空間位置的排布，當(dāng)與受體受點(diǎn)結(jié)合后，產(chǎn)生特定的生理活性具有類似結(jié)構(gòu)的化合物往往有著相近的藥理作用29HHOOC CNH2NCH2CH2ClCH2CH2ClOHNONHONCH2CH2ClCH2CH2Cl沙可來(lái)新嘧啶苯芥阿片類止痛藥的骨架型藥效基團(tuán)302、毒性基團(tuán) (toxicophore)在一些藥物中，如果藥效基團(tuán)所產(chǎn)生的生物效應(yīng)為毒性反應(yīng)，該基團(tuán)為毒性基團(tuán)毒性基團(tuán)往往存在于病原體（微生物或癌細(xì)胞）的化學(xué)治療藥物中，毒性的選擇性越好，則藥物越

8、安全其他類藥物應(yīng)避免有毒性基團(tuán)或能在體內(nèi)經(jīng)轉(zhuǎn)化生成毒性基團(tuán)，即潛在的毒性基團(tuán)的存在313、藥動(dòng)基團(tuán) (kinetophore)藥物中參與體內(nèi)藥物的吸收、分布、代謝和排泄（ADME）過(guò)程的基團(tuán)，它本身不具有顯著的生物活性，決定著藥物的藥動(dòng)學(xué)性質(zhì)藥動(dòng)基團(tuán)通常是模擬自然界存在的物質(zhì)，比如氨基酸、磷酸基、糖基等生物代謝基本物質(zhì)，經(jīng)化學(xué)鍵與藥效基團(tuán)結(jié)合，使藥物分子具易被轉(zhuǎn)運(yùn)的性質(zhì)。它可改變藥物在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)，或使作用定位化HHOOC CNH2NCH2CH2ClCH2CH2ClOHNONHONCH2CH2ClCH2CH2Cl32沙可來(lái)新嘧啶苯芥4、活性構(gòu)象 (active conformation)藥物為了

9、與受體的結(jié)合部位結(jié)合而采取的構(gòu)象為了獲知藥物的藥效基團(tuán)，必須先認(rèn)定它的活性構(gòu)象與受體結(jié)合藥物結(jié)構(gòu)式計(jì)算優(yōu)勢(shì)構(gòu)象認(rèn)定活性構(gòu)象藥效構(gòu)象抽提藥效基團(tuán)33活性構(gòu)象認(rèn)定方式：（1） 剛性類似物法引入外加環(huán)，限制鍵旋轉(zhuǎn)；（2） 分子模型法分析每一活性化合物的可能構(gòu)象，比較各化合物構(gòu)象的共同點(diǎn)，該構(gòu)象為潛在的活性構(gòu)象。345、藥效構(gòu)象 (pharmacophoric conformation)藥物分子與受體結(jié)合時(shí)所采取的實(shí)際構(gòu)象。35三、基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)的策略基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)structure-based drug design基于配基結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)ligand structure-based drug

10、 design基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)receptor structure-based drug design36間接藥物設(shè)計(jì)直接藥物設(shè)計(jì)四、計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)Computer-Aided Drug DesignComputer-Assisted Drug DesignComputerized Drug Designin silico Drug Design利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算、邏輯判斷、圖形顯示等功能進(jìn)行合理藥物設(shè)計(jì)37計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的作用由經(jīng)典的定量構(gòu)效關(guān)系發(fā)展為三維定量構(gòu)效關(guān)系設(shè)計(jì)中浩繁的計(jì)算、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理、顯示、預(yù)測(cè)等，均由計(jì)算機(jī)來(lái)完成將藥物-受體作用可視化38計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的作

11、用先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)39先導(dǎo)化合物的優(yōu)化計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)所依賴的理論和技術(shù)生命科學(xué) 蛋白的純化、表達(dá) 生物技術(shù) 受體結(jié)構(gòu)和機(jī)制 篩選模型的建立 結(jié)構(gòu)生物學(xué) 基因組學(xué) 后基因組學(xué) 蛋白組學(xué)應(yīng)用化學(xué) 復(fù)雜化合物合成 不對(duì)稱合成 微量合成 微量分析 天然物分離鑒定 結(jié)構(gòu)化學(xué) 組合化學(xué)理論化學(xué) 量子化學(xué) 分子力學(xué) 分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué) 數(shù)值計(jì)算 邏輯判斷 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 人工智能 自動(dòng)化技術(shù)病因和靶點(diǎn)的確認(rèn)化合物分析制備分子模建計(jì)算機(jī)輔助40計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的意義指導(dǎo)有目的地開(kāi)發(fā)新藥，減少盲目性和偶然性加快研制新藥速度，節(jié)省人力、物力和財(cái)力 為研究者提供理論思維形象化的表達(dá)，直觀設(shè)計(jì)，理解

12、和解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果 只是輔助性工具，仍需研究者的經(jīng)驗(yàn)判斷和指導(dǎo)41計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的意義CADD entails the use of computationalmethods to develop novel bioactiveagents that are effective in therapeutictreatment of various human ailmentswith minimal side effects.42例： 沙奎那韋 Saquinavir（HIV-PR抑制劑）43第二節(jié) CADD的基本理論和技術(shù)理論計(jì)算研究對(duì)象實(shí)驗(yàn)方法物理模型模擬計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值模擬結(jié)果圖形處理圖形

13、顯示44藥物設(shè)計(jì)一、三維結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算方法理論計(jì)算方法量子化學(xué)分子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)45（一）、量子化學(xué)(quantum chemistry)1913年Bohr提出：原子中的電子只能處于包含基態(tài)在內(nèi)的定態(tài)上，電子在兩個(gè)定態(tài)之間躍遷而改變它的能量，同時(shí)輻射出一定波長(zhǎng)的光，光的波長(zhǎng)取決于定態(tài)之間的能量差量子論量子力學(xué)研究微觀粒子（電子、原子、分子）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論。它用波函數(shù)描寫(xiě)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以薜定諤方程 確定波函數(shù)的變化規(guī)律，并對(duì)各物理量進(jìn)行計(jì)算46量子化學(xué)是一門(mén)以量子力學(xué)的基本原理和方法來(lái)研究化學(xué)問(wèn)題的學(xué)科。它從微觀角度對(duì)分子的電子結(jié)構(gòu)、成鍵特征和規(guī)律、各種光譜和波譜以及分子間相互作用進(jìn)行研究，并

14、藉此闡明物質(zhì)的特性以及結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系等量子化學(xué)可計(jì)算出分子的各種參數(shù)，比如分子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總能量和各個(gè)軌道的分子信息從頭計(jì)算法半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法47從頭計(jì)算法（ab initio methods） 以基本物理常數(shù)以及元素的原子序數(shù)，不借助于任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，求解薜定諤方程 (SchrdingerEquation) 計(jì)算結(jié)果精度高，可靠性大，但是計(jì)算量極大，消耗計(jì)算機(jī)時(shí)太多 從頭計(jì)算法的軟件有Gaussian，SPARTAN等48半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法（semiempirical methods） 采用實(shí)驗(yàn)值擬合的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，大大提高計(jì)算速度，計(jì)算精度較差從頭計(jì)算法的軟件有：MOPAC和AMPAC等49（二

15、）、分子力學(xué)(molecular mechanics)，力場(chǎng)方法(force field method) 基于經(jīng)典牛頓力學(xué)方程的一種計(jì)算分子的平衡結(jié)構(gòu)和能量的方法力場(chǎng)的總能量，即分子總能量為:鍵合作用 + 非鍵作用50鍵合能的構(gòu)成:51力場(chǎng)的總能量，即分子總能量Etotal：Etotal = Ec + Eb + Et + Ev + Eh + Ee + EdEc 鍵的伸縮能 (compression energy)Eb 鍵角的彎曲能 (bending energy)Et鍵的二面角扭轉(zhuǎn)能 (torsional energy)非鍵作用Ev 范德華作用能（van de Waals energy）Eh

16、氫鍵作用能 (hydrogen bonding energy)Ee 靜電作用能 (electrostatic energy)Ed 偶極作用能 (dipole energy)52bct（三）、分子動(dòng)力學(xué)(molecular dynamics)原子在某一時(shí)刻由于運(yùn)動(dòng)而其坐標(biāo)發(fā)生變化。以原子的牛頓運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算每一原子的位置、作用力和加速度，按照分子瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，模擬分子運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。53計(jì)算機(jī)模擬的柔性分子低能構(gòu)象構(gòu)象空間搜尋方法系統(tǒng)搜尋法非系統(tǒng)搜尋法分子動(dòng)力學(xué)法蒙特卡洛方法模擬退火法54全局最小最低能量構(gòu)象局部最小55體系能量的變化在一個(gè)多維的面上運(yùn)動(dòng)，這個(gè)面稱為勢(shì)能面(energy surface

17、)56系統(tǒng)搜尋法系統(tǒng)地搜尋整個(gè)構(gòu)象空間，尋找能量最低點(diǎn)。在搜尋條件內(nèi)不會(huì)遺漏一個(gè)構(gòu)象最基本的系統(tǒng)搜尋法是網(wǎng)格搜尋（gridsearch），也稱樹(shù)狀搜尋（tree search）步長(zhǎng) (step)57系統(tǒng)搜尋非系統(tǒng)搜尋法分子動(dòng)力學(xué)法 搜尋構(gòu)象空間，勢(shì)能的波動(dòng)對(duì)應(yīng)著分子構(gòu)象的變化，當(dāng)總能量出現(xiàn)最小值時(shí)，求得低能構(gòu)象蒙特卡洛方法（Monte Carlo Method） 一種統(tǒng)計(jì)抽樣方法，在求解的空間中隨機(jī)采樣并計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，以在足夠多的采樣點(diǎn)中找到一個(gè)較高質(zhì)量的最優(yōu)解作為最終解模擬退火法 (simulated annealing algorithm) 先升溫，高溫下分子動(dòng)力學(xué)模擬，分子體系有足夠的能

18、量，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，在極小化后去除能量較高的構(gòu)象，最后可以得到全局優(yōu)勢(shì)構(gòu)象58二、分子三維結(jié)構(gòu)測(cè)定X射線晶體學(xué)核磁共振藥物分子結(jié)構(gòu)生物大分子結(jié)構(gòu)生物大分子-配體復(fù)合物結(jié)構(gòu)59(一)X射線晶體學(xué)(X-ray crystallography)衍射束單色X射線束X射線源檢測(cè)器通過(guò)對(duì)衍射的位置、強(qiáng)度計(jì)算，讀出原子坐標(biāo)值，解析結(jié)構(gòu)，得到晶體空間結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)分子模型技術(shù)可將上述數(shù)學(xué)數(shù)值和符號(hào)轉(zhuǎn)化為高分辨率的分子模型需使用蛋白質(zhì)結(jié)晶，蛋白質(zhì)-藥物復(fù)合物結(jié)晶X射線晶體學(xué)測(cè)得的是晶體狀態(tài)下的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象(二)核磁共振技術(shù)(NMR)可測(cè)定溶

19、液中分子結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)構(gòu)象及其動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，得到的三維結(jié)構(gòu)信息更好代表生物環(huán)境下的分子，還能研究生物大分子內(nèi)部動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)可測(cè)定蛋白質(zhì)或核酸與藥物相互作用的構(gòu)象61知道生物大分子三維結(jié)構(gòu)，還需了解： 受體的結(jié)合部位 配體與結(jié)合部位結(jié)合后的誘導(dǎo)契合作用 配體如何與結(jié)合部位結(jié)合62SBDD中3D-結(jié)構(gòu)的獲得：理論計(jì)算藥物2D-結(jié)構(gòu)模建3D-結(jié)構(gòu)能量?jī)?yōu)化最低能量構(gòu)象藥物3D-結(jié)構(gòu)(晶體或NMR)能量?jī)?yōu)化藥效構(gòu)象間接藥物設(shè)計(jì)(基于藥物結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì))實(shí)驗(yàn)值或數(shù)據(jù)庫(kù)受體蛋白一級(jí)結(jié)構(gòu)序列比較同源蛋白模建受體3D-結(jié)構(gòu)(晶體或NMR)能量?jī)?yōu)化受體3D-結(jié)構(gòu)受體活性構(gòu)象直接藥物設(shè)計(jì)(基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì))復(fù)合物3D

20、-結(jié)構(gòu)（晶體或NMR）剝離藥物63三、分子模擬computer aided molecular modeling, CAMMcomputerized molecular modeling, CMMmolecular modeling，MM計(jì)算機(jī)分子模型技術(shù),分子模型技術(shù)分子模擬利用計(jì)算機(jī)圖形 學(xué)進(jìn)行分子模擬的技術(shù)為三維結(jié)構(gòu)研究的有效手段利用計(jì)算機(jī)來(lái)構(gòu)造、顯示、分析和貯存復(fù)雜的分子模型，提供直觀的分子立體形象，觀察分子間的相互作用65分子三維結(jié)構(gòu)的顯示方法：OHNH 3COOH66嗎啡的結(jié)構(gòu)式線型模型67棒型模型68球棍模型69線型點(diǎn)狀模型70CPK模型71立體視圖對(duì)右眼視圖72左眼視圖7374

21、紅藍(lán)眼鏡75偏振鏡767778蛋白質(zhì)飄帶圖79蛋白質(zhì)繩圖80蛋白質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)81分子網(wǎng)格表面 表示體積82分子表面 表示電性83受體-配體結(jié)合模型84配體與受體以不同形式表示受體-配體結(jié)合模型85隱藏大部分受體結(jié)構(gòu)，僅顯示結(jié)合部位和配體受體-配體結(jié)合模型配體與受體以不同形式表示測(cè)定配體原子和基團(tuán)與結(jié)合部位鄰近原子和基團(tuán)的距離，確定相互作用結(jié)合力作用匹配，距離相符86四、計(jì)算機(jī)硬件和軟件（一）、計(jì)算機(jī)硬件和工作站微機(jī)小型計(jì)算機(jī)圖形工作站超級(jí)計(jì)算機(jī)87小型計(jì)算機(jī) (minicomputer) 規(guī)模介于微機(jī)與中型計(jì)算機(jī)之間的計(jì)算機(jī) 品牌： VEX （DEC）88計(jì)算機(jī)圖形工作站(graphic wo

22、rkstation) 可用于圖形等方面具有較佳配備的高檔計(jì)算機(jī)。運(yùn)算能力和顯示功能較強(qiáng) 特點(diǎn)：高速CPU、高分辨率的彩色顯示器、大容量?jī)?nèi)存、圖形功能強(qiáng)、類似UNIX的操作系統(tǒng) 品 牌 ： Silicon Graphics Incorporated (SGI),Graphics, HP-PA, DEC Alpha，Apollo，DellSun89超級(jí)計(jì)算機(jī) (supercomputer) 速度快、功能強(qiáng)、規(guī)模大 品牌： SGI，神威90（二）、軟件和專家系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)軟件大多在研究過(guò)程中產(chǎn)生的程序的基礎(chǔ)上，由商業(yè)性公司進(jìn)一步作模塊化加工，成為實(shí)用性軟件商業(yè)化軟件都具有漂亮的界面和使用方便

23、的菜單，方便用戶使用。一般有多種可供選購(gòu)的功能模塊專家系統(tǒng)（expert system）應(yīng)用人工智能技術(shù)，模擬學(xué)科專家處理專業(yè)問(wèn)題的思維、推理方法，作出專家水平的判斷和決策，用計(jì)算機(jī)代替或部分代替專家工作的軟件系統(tǒng)91顯示系統(tǒng)圖形顯示數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)分子繪圖數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)化合物、分子結(jié)構(gòu)、基團(tuán)參數(shù)、生物活性等數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)指令輸入圖形操作預(yù)測(cè)系統(tǒng)活性預(yù)測(cè)指導(dǎo)設(shè)計(jì)92解析系統(tǒng)QSAR,回歸分析模式識(shí)別, ANN參數(shù)運(yùn)算系統(tǒng)量子化學(xué)分子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)例：SGI FUEL工作站的配置CPU主頻 500 MHz內(nèi)存1 GB緩存2 MB硬盤(pán)36 GB顯示器21”售價(jià)$ 31800*50%93

24、例：TRIPOS 分子設(shè)計(jì)系列軟件Sybyl/BaseDynamicsQSAR with CoMFAAdvancedComputationBiopolymerComposerFlexX基本平臺(tái)分子動(dòng)力學(xué)3D-QSAR構(gòu)象分析生物大分子模建同源蛋白預(yù)測(cè)對(duì)接94SYBYL圖形窗Unix語(yǔ)言95文本窗SYBYL結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果實(shí)際空間結(jié)構(gòu)的顯示96第三節(jié) 基于靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)直接法受體三維結(jié)構(gòu)結(jié)合部位三維結(jié)構(gòu)搜尋先導(dǎo)化合物全新分子設(shè)計(jì)優(yōu)化小分子數(shù)據(jù)庫(kù)合成活性測(cè)定候選藥物97全新藥物設(shè)計(jì)的基本流程定義活性位點(diǎn)產(chǎn)生配體分子配體分子打分合成，活性測(cè)定先導(dǎo)化合物98活性位點(diǎn)分析法GRID活性位點(diǎn)疏水區(qū)OHOO

25、氫鍵供體區(qū)O NHH受體氫鍵接受體區(qū)99例 抗流感病毒藥物設(shè)計(jì)基于唾液酸酶結(jié)構(gòu)的活性位點(diǎn)分析 靶酶：唾液酸酶OHHOCH3COHNOHOHO糖基OCOOHCH3COHNHO唾液酸唾液酸酶HOOHOHOOHCOOH唾液酸苷 致病微生物的重要酶 3D-結(jié)構(gòu)已知100N-乙?；窠?jīng)氨酸N-acetyl-neuraminic acidNeu5AC 傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)出：Neu5Ac2enHOOHOHOAcNHRCOOHR=H2-去氧-2,3-雙去氫-D-N-乙?；窠?jīng) 氨酸, Neu5Ac2en 無(wú)抗病毒效果NHR= NH2 4-氨基-Neu5Ac2enR=NH CNH24-胍基-Neu5Ac2en101基

26、于唾液酸酶結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)1. 唾液酸酶晶體結(jié)構(gòu)2. GRID掃描晶體結(jié)構(gòu)結(jié)果:有親正電荷的作用位點(diǎn)3. 引入基團(tuán)后計(jì)算:4-氨基-Neu5Ac2en;4-胍基-Neu5Ac2en1024. 人工合成5. 培養(yǎng)酶-抑制劑復(fù)合物X-射線衍射研究證實(shí): 氨基胍基與酶受點(diǎn)結(jié)合4-氨基-Neu5Ac2en4-胍基-Neu5Ac2en6. 酶抑制活性: Neu5Ac2en 1000 nM4-氨基-Neu5Ac2en 50nM4-胍基-Neu5Ac2en 0.2nM7. 體內(nèi)有效扎那米韋Zanamivir103直接藥物設(shè)計(jì)全新藥物設(shè)計(jì)基于靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)搜尋模板定位法原子生長(zhǎng)法分子碎片法動(dòng)力學(xué)算法對(duì)接10

27、4全新藥物設(shè)計(jì)，從頭設(shè)計(jì)(de novo drug design)生長(zhǎng)法自動(dòng)模板定位法（molecular template-directed)原子生長(zhǎng)法 (atom build)碎片生長(zhǎng)法 (fragment build)連接法碎片連接法 (linked-fragment approach）位點(diǎn)連接法（site point connection)105*模板定位法automated molecular template-directed drugdesign一級(jí)結(jié)構(gòu)生成旋轉(zhuǎn),平移YXZXYXZXYXZX模板連接,生長(zhǎng)空間骨架靶點(diǎn)邊界H3C一級(jí)結(jié)構(gòu)生成X, Y, Z 結(jié)合原子受體受點(diǎn)H2NOH

28、NCE原子生長(zhǎng)法 atom build1. 產(chǎn)生起始結(jié)構(gòu)2. 原子生長(zhǎng)碎片生長(zhǎng)法 (fragmentbuild)分 子 碎 片 法approach活性部位OOOHOmolecularfragmentONHHNO(a)NH2ONHNO(b)NH2ONHNONH2O(c)按碎片逐個(gè)生長(zhǎng)108碎片連接法 linked-fragmentapproach分子碎片法 molecular fragment approach活性部位O HOO HOO HOONHHNONH2O(a)NHNONH2O(b)HNOONNH2O(c)碎片庫(kù): -OH, C=O, -X連接子庫(kù): -CH2-, -CH2CH2-, -C

29、H2CH2CH2-, -CH=CH-, -COO-,CONH-, -O-109*110位點(diǎn)連接法（site point connection)COOOHNC OOOH NHNHCOOHHNNHNHOHHNNHH NHHN(b)OHN(a)N(c)111全新藥物設(shè)計(jì)對(duì)配體的要求結(jié)合狀態(tài)中呈穩(wěn)定的構(gòu)象分子具有柔性（實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際結(jié)合部位的差異）易于合成，避免過(guò)多的手性中心全新藥物設(shè)計(jì)的特點(diǎn)配體結(jié)構(gòu)可能是全新的，不受人的思維束縛可能只是理論分子，僅對(duì)接有效，且難合成112例 DHFR抑制劑設(shè)計(jì)原子生長(zhǎng)法直接藥物設(shè)計(jì)二氫葉酸還原酶 (dihydroflate reductase, DHFR)DHFR抑

30、制劑 殺菌劑, 抗瘧藥和抗腫瘤藥物二氫葉酸DHFR四氫葉酸胸苷酸合成1131. DHFR晶體結(jié)構(gòu)-從PDB中獲得DHFR-氫化輔酶II-葉酸 復(fù)合物- 葉酸DHFR-氫化輔酶II 復(fù)合物酶結(jié)合部位空腔2. 原子生長(zhǎng)法LEGEND300個(gè)分子H3CNHLORE9個(gè)分子CH33. 生物測(cè)試: 證明有活性114OOH第四節(jié) 基于配體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)間接法已知活性化合物三維結(jié)構(gòu)分析藥效基團(tuán)3D-QSAR優(yōu)化優(yōu)化結(jié)構(gòu)搜尋先導(dǎo)化合物優(yōu)化購(gòu)買或合成活性測(cè)定候選藥物虛擬受體115間接藥物設(shè)計(jì)藥效基團(tuán)模型的建立基于藥效基團(tuán)模型的三維結(jié)構(gòu)搜尋3D-QSAR假想受點(diǎn)點(diǎn)陣HASL分子形狀分析MSA比較分子場(chǎng)分析CoMF

31、A活性類似物法AAA藥效基團(tuán)模型法距離幾何法DG116一、藥效基團(tuán)模型法Pharmacophore modeling對(duì) 一 系 列 活 性 化 合 物 進(jìn) 行 3 D-QSAR 研究，并結(jié)合構(gòu)象分析，得出該類藥物的藥效基團(tuán)模型?？稍谑荏w三維結(jié)構(gòu)未知的情況下，構(gòu)造出虛擬的藥效基團(tuán)模型，再由此出發(fā)，進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)117藥效基團(tuán)是藥效基團(tuán)單元的集合藥效基團(tuán)單元 pharmacophoric elements組成藥效基團(tuán)所共有的一組原子(團(tuán))藥效基團(tuán)單元中的原子或官能團(tuán)可通過(guò)氫鍵、靜電作用、范德華作用和疏水鍵等與受體中受點(diǎn)發(fā)生結(jié)合藥效基團(tuán)中的藥效基團(tuán)單元往往用點(diǎn)來(lái)定義，若干個(gè)點(diǎn)構(gòu)成平面或空間的結(jié)構(gòu)118

32、藥效基團(tuán)的表征：阿片類止痛藥的非骨架型藥效基團(tuán)阿片藥效基團(tuán)定義藥物-受體作用119多巴胺的藥效基團(tuán)藥效基團(tuán)的獲?。?Pharmacophore perception藥效基團(tuán)的獲取基于靶點(diǎn)的藥效基團(tuán)基于配體的藥效基團(tuán)120（1）基于靶點(diǎn)的藥效基團(tuán)(target-based pharmacophore)已知靶點(diǎn)空間結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)合部位剝離配體“負(fù)片”映射已知靶點(diǎn)-配體復(fù)合物空間結(jié)構(gòu)-藥效基團(tuán)121結(jié)合部位認(rèn)定的自動(dòng)分析方法： 利用探針?lè)治龌钚晕稽c(diǎn)的結(jié)構(gòu)，即用探針原子或基團(tuán)探測(cè)能與靶點(diǎn)產(chǎn)生較好相互作用的部位 主要軟件：Sybyl / Receptor；Disco / DiscoTech；Accelr

33、ys / Catalyst“負(fù)片”映射：122（2）基于配體的藥效基團(tuán)(ligand-based pharmacophore)藥物結(jié)構(gòu)式(含藥效基團(tuán)單元)計(jì)算優(yōu)勢(shì)構(gòu)象藥效基團(tuán)識(shí)別藥效基團(tuán)123藥效基團(tuán)識(shí)別的方法：1.分子疊合處于同一區(qū)域的藥效基團(tuán)單元124簡(jiǎn)化方法：最強(qiáng)活性化合物的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象125簡(jiǎn)化方法：剛性藥物模板CH3OHOONH+ CH3CH3. 2Cl-OHH+NH3CHOOCH3右旋氯筒箭毒堿N2受體拮抗劑1262. 活性類似物法（Active Analogue Approach,AAA）活性類似物共同活性體積（藥效基團(tuán)）127例 活性類似物法（AAA）確定藥效基團(tuán)1. 測(cè)得甲氧氯普

34、胺、可卡因和貝美司瓊等共9個(gè)藥物的5-HT3受體活性2. SYBYL計(jì)算得到最低能量構(gòu)象式，重疊得到重疊圖1283. 受體映射，包絡(luò)面為虛擬受體結(jié)合構(gòu)象4. 以AAA法推測(cè)藥效基團(tuán)模型1295. 根據(jù)藥效基團(tuán)模型設(shè)計(jì)新分子CH3NHOONCH3INHNHIII130二、基于配體相似性的虛擬篩選ligand similarity-based virtual screening基于藥效基團(tuán)的三維結(jié)構(gòu)搜尋化合物庫(kù)藥物三維結(jié)構(gòu)(含藥效基團(tuán)單元)藥效基團(tuán)識(shí)別藥效基團(tuán)搜尋命中物131三、2D-QSAR方法Two-Dimensional QuantitativeStructure-ActivityRelat

35、ionships定量構(gòu)效關(guān)系QSAR 揭示一組化合物的生物活性與其分子結(jié)構(gòu)特征之間的相互關(guān)系，以數(shù)學(xué)模型表達(dá)和概括出量變規(guī)律，以此設(shè)計(jì)新的化合物活性 = f （分子或片斷性質(zhì)）132藥物設(shè)計(jì)中的QSXR：定量結(jié)構(gòu)-效應(yīng)關(guān)系 (quantitative structure-activity relationships, QSAR)定量結(jié)構(gòu)-毒性關(guān)系（quantitative structure-toxicity relationships, QSTR）定量結(jié)構(gòu)-親和關(guān)系（quantitative structure-affinity relationships, QSAFIR）定量結(jié)構(gòu)-藥動(dòng)關(guān)系

36、 (quantitative structure-pharmacokinetics relationships, QSKR）定量結(jié)構(gòu)-吸收關(guān)系（quantitative structure-absorption relationships, QSAbR）定量結(jié)構(gòu)-代謝關(guān)系（quantitative structure-metabolism relationships, QSMR）定量結(jié)構(gòu)-排泄關(guān)系（quantitative structure-elimination relationships, QSER）定量結(jié)構(gòu)-X關(guān)系(QSXR)定量結(jié)構(gòu)-分布關(guān)系 (quantitative struct

37、ure-distribution relationships, QSDR）定量結(jié)構(gòu)-轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)系（quantitative structure-transporter relationships, QSTrR）QSXR的意義： 優(yōu)化先導(dǎo)化合物 早期淘汰，經(jīng)濟(jì)淘汰 減少合成化合物數(shù)量，省時(shí)，省資金133（ 一 ） 線 性 自 由 能 相 關(guān) 方 法 ( linear free energyrelated method)，即Hansch分析法 (Hansch Analysis)log1/C = -k1 + k2+ k3+ k4 Es + ksC： 產(chǎn)生指定生物效應(yīng)的克分子濃度：疏水性參數(shù)：電子效應(yīng)參數(shù)

38、Es：立體參數(shù)k1、 k2、 k3和 k4 ：權(quán)重系數(shù)134疏水常數(shù)：x = log Px -log PHlog PH ：未取代的母體化合物的（正辛醇-水）脂水分配系數(shù)log Px ：X取代的化合物的分配系數(shù)（ 值為正代表親脂性比氫強(qiáng)，負(fù)值親水性比氫強(qiáng)，氫原子的 值為零）log Px log PH + XiOMeLog P = 2.13Log P = 2.13 + 0.86 - 0.02= 2.97135Br電性參數(shù)： log KX / KH = 值為正值表示為吸電子基負(fù)值表示為推電子基OMem = 0.12RROMep = - 0.37136立體參數(shù)Taft Es： ES = log kX

39、/ kHkH乙酸酯在酸性介質(zhì)中的水解速率常數(shù)kX取代乙酸酯在酸性介質(zhì)中的水解速率常數(shù)OC OMeX CH2HydrolysisOC OHX CH2+ HOMe取甲酸酯的酸水解速率常數(shù)1.24作為ES值的標(biāo)度，將測(cè)定某基團(tuán)的ES值減去1.24即為立體參數(shù)氫的ES值為零，基團(tuán)越大，ES值越負(fù)立體參數(shù)還有：摩爾折射、STERIMOL參數(shù)等137立體參數(shù)STERIMOL參數(shù)以L、B1、B2、B3、B4表示138例 氨甲酸酯類化合物胃和腸道吸收速率與脂水分配系數(shù)的關(guān)系在胃和在腸中的構(gòu)動(dòng)關(guān)系式分別為：logKabs = 0.318logP - 0.228log(P+1) - 2.244log = -1.6

40、78, 最佳log P = 1.87( n=8； = 0.971；s = 0.030；F = 22.14)logKabs = 0.234logP - 0.502log(P+1) - 0.786log = -0.621, 最佳log P = 0.56( n=8； = 0.989；s = 0.031；F = 61.10)在腸道中的吸收速率常數(shù)Kabs是在胃中的28.7倍（10-0.786-(-2.244)在胃中最佳吸收的疏水性是在腸中最佳吸收的疏水性的20.4倍1.87-0.56）（10根據(jù)求出的在胃中或在腸道中藥物最佳log P值，可預(yù)測(cè)最佳胃或腸道吸收作用的化合物139例二氫吡啶類鈣通道阻斷劑

41、(DHPs)的QSARCH3O2CH3CNHpX (o,m,p)CO2CH3CH3log 1 / IC50 = 7.566 + 2.238 B1o,m - 0.479 Lm - 1.288 B1n = 18, = 0.93, s = 0.45log 1 / IC50 = 7.430 + 2.376 B1n = 18, = 0.93, s = 0.43o,m+ 1.948 m- 0.472 Lm - 0.674 Lp + 1.928 m式中可見(jiàn)：(1) o- 和m- 取代基的B1增大可使活性增強(qiáng)，但m-取代基的L增大使活性減弱；(2) p- 取代基L或者B1增大均使活性減弱；(3) m-應(yīng)有吸電

42、子基團(tuán)，而p-則不應(yīng)有取代基。由此預(yù)測(cè)，在o- 和m-引入硝基的化合物的生物活性較強(qiáng)140（二）Free-Wilson模型同源系列中的每一化合物的生物活性log 1/C是母體結(jié)構(gòu)對(duì)生物活性貢獻(xiàn)與取代基對(duì)活性貢獻(xiàn)aij之和log 1/C = aij Xij + Xij指有無(wú)取代基。若有，Xij賦值為1；若無(wú)，賦值為零取代基增加生物活性，aij值為正；降低活性，aij值為負(fù)不需要一系列理化參數(shù)，只需將藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，但結(jié)構(gòu)參數(shù)缺乏物理意義而受到限制141*藥物設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)廣泛使用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和人工智能 人工智能 計(jì)算機(jī)科學(xué)中研究使計(jì)算機(jī)能夠模仿智能的某些方面，如識(shí)別、推理、

43、演繹、從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)的能力以及從不完全的信息中進(jìn)行推理的能力。模式識(shí)別 PR專家系統(tǒng) ES人工智能智能數(shù)據(jù)庫(kù) DB人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ANN142* 統(tǒng)計(jì)術(shù)語(yǔ)：回歸&模式識(shí)別硬模型&軟模型相關(guān)&分類多變量統(tǒng)計(jì)有監(jiān)督分類&無(wú)監(jiān)督分類常用方法：回歸 / 相關(guān)模式識(shí)別 / 分類非參數(shù)方法&參數(shù)方法MLR（多元線性回歸），F(xiàn)W（Free-Wilson 模型），F(xiàn)B（Fujita-Ban 模型），ALS（適應(yīng)最小二乘法），PLS（偏最小二乘法）。PCA（主成分分析），F(xiàn)A（因子分析），SIMCA，DA（判別分析），LLM（線性學(xué)習(xí)機(jī)法），KNN（K 最近鄰法），CA（聚類分析），ANN（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）。143四

44、、3D-QSAR方法Three-DimensionalQuantitative Structure-ActivityRelationships擬合出藥物的理化和三維結(jié)構(gòu)參數(shù)與藥效的定量關(guān)系，以此關(guān)系設(shè)計(jì)新的化合物1443D-QSAR的基本流程計(jì)算一系列化合物的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象，并求出藥效構(gòu)象計(jì)算化合物與環(huán)境的作用能145計(jì)算作用能與活性的關(guān)系，并以圖形表達(dá)計(jì)算結(jié)果作用能的計(jì)算方法探針(probe)測(cè)定探針與化合物的相互作用能，以確定化合物分子周圍各種作用力場(chǎng)(空間場(chǎng)和靜電場(chǎng))的空間分布Csp3, C+ , Na+空間網(wǎng)格(grid)1463D QSAR - CoMFAComparative Molec

45、ular Field Analysis比較分子力場(chǎng)分析法,或比較分子場(chǎng)分析法PLSBio = A + B(D1) + C(D2) + .探針(probe)測(cè)定探針與化合物的相互作用能147CoMFA 結(jié)果的表達(dá)形式QSAR & ADME負(fù)電荷有利立體位阻小有利148（Comparative MolecularSimilarity Indices Analysis）CoMSIA比較分子相似性指數(shù)分析法CoMFA的擴(kuò)展方法分子場(chǎng)的計(jì)算采用5種不同的相似性場(chǎng)計(jì)算：立體場(chǎng)、靜電場(chǎng)、氫鍵場(chǎng)（包括氫鍵供體和氫鍵接納體）及疏水場(chǎng)由于引入了疏水場(chǎng)，三維構(gòu)效模型更優(yōu)149*例 非甾體類的孕酮受體激動(dòng)劑的研究 孕

46、酮受體(human progesterone receptor, hPR)激動(dòng)劑用于保護(hù)妊娠，激素替代治療，乳腺癌、子宮內(nèi)膜癌、前列腺癌癥等的治療 目前上市的天然和合成孕酮受體激動(dòng)劑都含有甾體母環(huán)結(jié)構(gòu)，能作用于體內(nèi)其它相關(guān)的甾體受體，故選擇性差 。所以需尋找具有高效性、專一性的孕酮受體激動(dòng)劑150*一類新的非甾體類的孕酮受體激動(dòng)劑：5-取代-1,2-二氫-5H-苯并吡喃并3,4-f喹啉O活性高專一性好N四環(huán)結(jié)構(gòu)的（BDCQs）副作用小*目的: 分析不同取代基對(duì)活性的影響，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，以設(shè)計(jì)高效專一的孕酮受體激動(dòng)劑方法: 以CoMFA方法建立有預(yù)測(cè)能力的3D-QSAR模型R2OR1957

47、CH3受體結(jié)構(gòu)未知CH3CH3NH文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的34個(gè)BDCQs類化合物152* 實(shí)驗(yàn)步驟：No1234567891011121314151617181920a2122232425b262728b2930b3132R1HHHHHHHHHH7-F7-F7-F7-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-F9-FR2Ph2-FPh4-FPh2-BrPh4-BrPh2-ClPh3-ClPh3-MePh2,3-di-FPh2,4-di-FPhPh3-FPh4-FPh2-MePhPh2-MePh2-EtPh2-n-PrPh2-i-PrP

48、h2-OMePh2-SMePh2-FPh2-ClPh2-BrPh2-CNPh2-CHOPh2-OCF3Ph4-pyridyl3-Me-4-pyridyl2-pyridyl2-NMe2Ph2-CF3Ph3-thienyl2-furylIC50(nmol/L-1)24.429.059.557.831.557.81177526.3222.12.74.01.45.33.62.04.54.00.936.27.31291111115.82.0152.7140.711.7(1) 化合物及其活性數(shù)據(jù)的選擇-logIC507.617.547.237.247.507.246.937.127.587.668.688

49、.578.408.858.288.448.708.358.409.038.218.147.928.057.967.967.968.248.707.828.577.859.158.788.567.829.098.800.010.030.06-0.028.72-0.027.957.950.010.01Calculated7.677.617.347.247.497.246.977.077.597.488.588.568.458.908.188.518.638.348.419.018.228.317.968.00Residual-0.05-0.07-0.100.000.010.00-0.04以34個(gè)化

50、合物的結(jié)構(gòu)與活性數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)組，其中的31個(gè)為訓(xùn)練集，隨機(jī)選取3個(gè)作為預(yù)測(cè)集，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃浴?.05-0.010.180.100.01-0.05-0050.070.01-0.010.02-0.01-0.17-0.040.05-0.05-0.071533433* (2) 分子三維結(jié)構(gòu)模建復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)未知，采用分子的最低能構(gòu)象作為活性構(gòu)象。對(duì)DBCQs進(jìn)行模擬退火，加熱分子到1000K，退火到50K，平衡時(shí)間為1000fs，10輪退火后得分子的最低能構(gòu)象，對(duì)所獲得的最低能構(gòu)象進(jìn)一步 在 Tripos力 場(chǎng) 中 用 分子 力學(xué) 程序Minimize進(jìn)行能量?jī)?yōu)化, 原子載電荷采 用 Gasteiger-Hckel 電 荷 ， 以Powell能量梯度法，最大優(yōu)化次數(shù)為1000次，能量變化收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01kcal/mol。得到活性構(gòu)象。154*(3) 分子疊合-藥效基團(tuán)疊合模型活性構(gòu)象確定后，根據(jù)一定的規(guī)則如藥效團(tuán)或力場(chǎng)等進(jìn)行分子疊合以高活性的化合物20的低能構(gòu)象為模板分子，以母環(huán) A上的碳原子為疊合位點(diǎn)，采用Align Database，將其余30個(gè)化合物與模板分子進(jìn)行疊合155*(4) CoMFA和CoMSIA分析 三 維 網(wǎng) 格 用 CoMFA 中 的 CreateAutomatically選項(xiàng)完成 以SP3 雜化的C+ 為探針，步長(zhǎng)設(shè)為0.2nm 計(jì)算力場(chǎng)