第九章自由能計算藥物設計的基本方法

1、第九章第九章 藥物設計的基本方法藥物設計的基本方法配體配體-受體相互作用及其結(jié)合自由能的理論計算受體相互作用及其結(jié)合自由能的理論計算受體-配體相互作用生物大分子-生物大分子小分子-生物大分子 受體：藥物在體內(nèi)作用的位點，即藥物作用受體：藥物在體內(nèi)作用的位點，即藥物作用“靶靶標標”。現(xiàn)在受體概念已推廣到生物大分子上特定?，F(xiàn)在受體概念已推廣到生物大分子上特定的結(jié)合部位，即酶、離子通道和核酸等生物大分的結(jié)合部位，即酶、離子通道和核酸等生物大分子都可作為藥物的受體。子都可作為藥物的受體。許多蛋白質(zhì)重要的生理和藥理功能，是通許多蛋白質(zhì)重要的生理和藥理功能，是通過與小分子相互作用體現(xiàn)出來，例如酶與過與小分

2、子相互作用體現(xiàn)出來，例如酶與底物的相互作用體現(xiàn)酶的催化功能。底物的相互作用體現(xiàn)酶的催化功能。因此對小分子配體因此對小分子配體-生物大分子相互作用有生物大分子相互作用有一個全面、準確的了解，是基于受體結(jié)構(gòu)一個全面、準確的了解，是基于受體結(jié)構(gòu)知識進行合理藥物設計的基礎，而其中對知識進行合理藥物設計的基礎，而其中對配體配體-受體結(jié)合自由能的計算機模擬和理論受體結(jié)合自由能的計算機模擬和理論計算研究，在藥物設計中起著十分重要的計算研究，在藥物設計中起著十分重要的作用。作用。許多藥物或其他生物活性分子的活性是通許多藥物或其他生物活性分子的活性是通過與受體生物大分子的相互作用表現(xiàn)出來，過與受體生物大分子的相

3、互作用表現(xiàn)出來，所以藥物與受體的結(jié)合親和性（所以藥物與受體的結(jié)合親和性（binding affinity）與藥物的活性直接相關。）與藥物的活性直接相關。分子生物學X射線衍射晶體學核磁共振生物大分子三維結(jié)構(gòu) 由熱力學原理，結(jié)合自由能與結(jié)合常數(shù)存在：由熱力學原理，結(jié)合自由能與結(jié)合常數(shù)存在：0lndGRTK9.2 配體配體-受體相互作用的熱力學過程受體相互作用的熱力學過程配體（包括藥物）與受體結(jié)合時，主要存配體（包括藥物）與受體結(jié)合時，主要存在兩種相互作用：在兩種相互作用： （1）共價相互作用（酶催化底物水解形成）共價相互作用（酶催化底物水解形成過渡態(tài)復合物、烷基化抗癌藥物過渡態(tài)復合物、烷基化抗癌藥

4、物-受體復合受體復合物等）物等） （2）非鍵相互作用）非鍵相互作用 （更為常見，利于藥物（更為常見，利于藥物的代謝和排泄）的代謝和排泄）9.2.1 結(jié)合親和性結(jié)合親和性 蛋白質(zhì)和配體之間的相互作用涉及兩個分子在一蛋白質(zhì)和配體之間的相互作用涉及兩個分子在一定時間內(nèi)的物理接觸，這些接觸是特殊的并導致定時間內(nèi)的物理接觸，這些接觸是特殊的并導致一種吸引力。一種吸引力。 一般來說，蛋白質(zhì)和配體的相互作用依賴于溶液一般來說，蛋白質(zhì)和配體的相互作用依賴于溶液中配體、蛋白質(zhì)和鹽的濃度：中配體、蛋白質(zhì)和鹽的濃度： 當體系達到平衡時，離解平衡常數(shù)：當體系達到平衡時，離解平衡常數(shù)：11 dkR LKkRL 根據(jù)熱力

5、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 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00lndGRTK9.2.2 配體配體-受體結(jié)合的熱力學受體結(jié)合的熱力學配體配體-受體結(jié)合的熱力學過程受體結(jié)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。 藥物藥物-受體相互作用時的焓、熵和自由能變化用下受體相互作用時的焓、熵和自由能變化用下列公式計算列公式計算： 由上式可知，從

6、熱力學的觀點來看，藥物由上式可知，從熱力學的觀點來看，藥物-受體相受體相互作用是一個綜合平衡的過程，并且藥物還必須互作用是一個綜合平衡的過程，并且藥物還必須取一定的構(gòu)象，使其能取一定的構(gòu)象，使其能“適應適應”受體結(jié)合部位的受體結(jié)合部位的“空腔空腔”形狀和構(gòu)象變化。同時，為迎合藥物的形狀和構(gòu)象變化。同時，為迎合藥物的結(jié)合，受體的構(gòu)象也會發(fā)生相應的變化，這就是結(jié)合，受體的構(gòu)象也會發(fā)生相應的變化，這就是所謂的誘導契合。所謂的誘導契合。藥物藥物-受體結(jié)合，存在靜電相互作用、氫鍵受體結(jié)合，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相互作用、范德華相互作用和疏水相互作用。用。前三種作用控制

7、藥物前三種作用控制藥物-受體相結(jié)合，疏水作受體相結(jié)合，疏水作用是藥物用是藥物-受體結(jié)合的驅(qū)動力。疏水作用力受體結(jié)合的驅(qū)動力。疏水作用力強，藥物和受體才能排除水分子相互結(jié)合。強，藥物和受體才能排除水分子相互結(jié)合。藥物和受體都可以與水形成氫鍵，兩者結(jié)藥物和受體都可以與水形成氫鍵，兩者結(jié)合時還要打破這些氫鍵。合時還要打破這些氫鍵。綜上所述，藥物分子與受體結(jié)合時，需遵循以綜上所述，藥物分子與受體結(jié)合時，需遵循以下互補匹配規(guī)則下互補匹配規(guī)則: 這些互補性質(zhì)可以用分子表這些互補性質(zhì)可以用分子表面性質(zhì)來表示。面性質(zhì)來表示。 生物大分子和藥物小分子的生物大分子和藥物小分子的各種表面性質(zhì)，可用分子模各種表面性質(zhì)

8、，可用分子模擬方法計算。擬方法計算。 MOLCAD/SYBYL可計算分可計算分子的靜電、氫鍵和疏水性質(zhì)，子的靜電、氫鍵和疏水性質(zhì)， Delphi/InsightII可計算分子可計算分子的靜電性質(zhì)。的靜電性質(zhì)。9.3 分子動力學與自由能微擾方法分子動力學與自由能微擾方法熱力學循環(huán)熱力學循環(huán)當藥物與受體結(jié)合時，自由能變化為：當藥物與受體結(jié)合時，自由能變化為： G的絕對值難以直接求得，如要比較兩個藥物的絕對值難以直接求得，如要比較兩個藥物D和和D與同一受體與同一受體R結(jié)合的強度，可用熱力學循結(jié)合的強度，可用熱力學循環(huán)計算：環(huán)計算：G1和G2可用實驗方法測定，而G3和G4可用自由能微擾計算由熱力學循環(huán)

9、得：由熱力學循環(huán)得：其中K1、K2分別為藥物D和D與受體的結(jié)合常數(shù)，這樣便可用理論計算的方法比較兩個藥物與同一受體的親和性。對原有藥物進行結(jié)構(gòu)改造，可用熱力學循環(huán)計算 G，從中設計出與受體結(jié)合得比原化合物好的類似物。上述熱力學循環(huán)所計算的兩個藥物、抑制上述熱力學循環(huán)所計算的兩個藥物、抑制劑或其他配體的結(jié)構(gòu)要求比較相似，但在劑或其他配體的結(jié)構(gòu)要求比較相似，但在藥物設時總希望類似物的結(jié)構(gòu)變化大一些，藥物設時總希望類似物的結(jié)構(gòu)變化大一些，或能進行多基團取代，用上述方法計算就或能進行多基團取代，用上述方法計算就比較困難，這時可用自由能變化外推法計比較困難，這時可用自由能變化外推法計算。算。 自由能變化

10、外推法是將一個藥物的結(jié)構(gòu)逐步變到另一個自由能變化外推法是將一個藥物的結(jié)構(gòu)逐步變到另一個藥物的結(jié)構(gòu)，即藥物的結(jié)構(gòu)，即D D1 1DD2 2DDMM, ,這時熱力學循環(huán)變成：這時熱力學循環(huán)變成：計算自由能變化時，如果加入自由能的二計算自由能變化時，如果加入自由能的二階和三階導數(shù)，則大大改進了分子在水溶階和三階導數(shù)，則大大改進了分子在水溶液中的偶極距計算精度。液中的偶極距計算精度。自由能計算在藥物設計中的應用自由能計算在藥物設計中的應用應用自由能計算方法，可以計算藥物應用自由能計算方法，可以計算藥物-受體受體相互結(jié)合時的自由能變化，從而發(fā)現(xiàn)與受相互結(jié)合時的自由能變化，從而發(fā)現(xiàn)與受體結(jié)合得好的化合物。

11、同時必須注意，用體結(jié)合得好的化合物。同時必須注意，用FEP方法計算配體方法計算配體-受體相互作用能的前提受體相互作用能的前提是配體與同一受體的作用方式應相同或相是配體與同一受體的作用方式應相同或相似。似。9.4 結(jié)合自由能的經(jīng)驗計算方法結(jié)合自由能的經(jīng)驗計算方法自由能微擾方法計算結(jié)合自由能比較嚴格，自由能微擾方法計算結(jié)合自由能比較嚴格，但取樣困難、計算量大，力場參數(shù)誤差也但取樣困難、計算量大，力場參數(shù)誤差也會影響計算結(jié)果。因此，在三維數(shù)據(jù)庫搜會影響計算結(jié)果。因此，在三維數(shù)據(jù)庫搜尋和全新藥物設計中，利用自由能微擾方尋和全新藥物設計中，利用自由能微擾方法來計算配體與受體的結(jié)合自由能尚未達法來計算配體

12、與受體的結(jié)合自由能尚未達到實用化階段。到實用化階段。相對來說，結(jié)合自由能的經(jīng)驗計算具有計相對來說，結(jié)合自由能的經(jīng)驗計算具有計算速度快的優(yōu)點，已經(jīng)被應用于三維數(shù)據(jù)算速度快的優(yōu)點，已經(jīng)被應用于三維數(shù)據(jù)庫搜尋和全新藥物設計。庫搜尋和全新藥物設計。結(jié)合自由能的經(jīng)驗計算方法將結(jié)合自由能結(jié)合自由能的經(jīng)驗計算方法將結(jié)合自由能分解為（分解為（1）受體與配體之間的靜電作用）受體與配體之間的靜電作用以及范德華作用；（以及范德華作用；（2）受體與配體在結(jié)）受體與配體在結(jié)合時構(gòu)象能的變化；（合時構(gòu)象能的變化；（3）結(jié)合時由于平）結(jié)合時由于平動、轉(zhuǎn)動、振動和內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由能變化引起動、轉(zhuǎn)動、振動和內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由能變化引起的熵的

13、變化；（的熵的變化；（4）疏水相互作用。）疏水相互作用。將結(jié)合自由能寫成如下形式：將結(jié)合自由能寫成如下形式： 需要注意的是，應避免重復計算某些效應（考慮需要注意的是，應避免重復計算某些效應（考慮溶劑化作用時易引起這個問題）。溶劑化作用時易引起這個問題）。一般來說，復合物的形成過程中，可能發(fā)一般來說，復合物的形成過程中，可能發(fā)生電荷的重新分布，這種電荷的重新分布生電荷的重新分布，這種電荷的重新分布導致凈吸引力。如果電荷的重新分布是在導致凈吸引力。如果電荷的重新分布是在配體或受體中，稱為極化；如果是發(fā)生在配體或受體中，稱為極化；如果是發(fā)生在配體和受體之間，則稱為電荷轉(zhuǎn)移。配體和受體之間，則稱為電荷轉(zhuǎn)移。計算構(gòu)象變化的影響計算構(gòu)象變化的影響（1）蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化）蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化在一些復合物的結(jié)合過程中，受體的構(gòu)象變在一些復合物的結(jié)合過程中，受體的構(gòu)象變化不大，而在另外一些中可能變化很大。化不大，而在另外一些中可能變化很大。蛋白質(zhì)在結(jié)合時的構(gòu)象變化過程涉及到疏水蛋白質(zhì)在結(jié)合時的構(gòu)象變化過程涉及到疏水表面的包埋（去溶劑化有利于結(jié)合）和構(gòu)表面的包埋（去溶劑化有利于結(jié)合）和構(gòu)象的變化（包括主鏈和側(cè)鏈的構(gòu)象變化，象的變化（包括主鏈和側(cè)鏈的構(gòu)象變化，不利于結(jié)合）不利于結(jié)合）去溶劑化效應可以通過兩種方法來計算：去溶劑化效應可以通過兩種方法來計算：一種是用原子溶劑化參數(shù)；另一種是