第十章分子對接課件

第十章藥物設(shè)計(jì)的基本方法

——分子對接第十章藥物設(shè)計(jì)的基本方法

——分子對接1內(nèi)容分子對接簡介分子對接法的基本原理分子對接軟件Dock

AutoDock內(nèi)容分子對接簡介分子對接法的基本原理分子對接軟件Dock A2CADD基于結(jié)構(gòu)方法分類？CADD基于結(jié)構(gòu)方法分類？310.1引言分子對接就是兩個(gè)或多個(gè)分子之間通過幾何匹配和能量匹配而相互識(shí)別的過程。分子對接在酶學(xué)研究以及藥物設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義。10.1引言分子對接就是兩個(gè)或多個(gè)4在酶激活劑、酶抑制劑與酶相互作用以及藥物分子產(chǎn)生藥理反應(yīng)的過程中，小分子（通常意義上的Ligand）與靶酶（通常意義上的Receptor）相互互結(jié)合，首先就需要兩個(gè)分子充分接近，采取合適的取向，使兩者在必要的部位相互契合，發(fā)生相互作用，繼而通過適當(dāng)?shù)臉?gòu)象調(diào)整，得到一個(gè)穩(wěn)定的復(fù)合物構(gòu)象。通過分子對接確定復(fù)合物中兩個(gè)分子正確的相對位置和取向，研究兩個(gè)分子的構(gòu)象，特別是底物構(gòu)象在形成復(fù)合物過程中的變化，是確定酶激活劑、抑制劑作用機(jī)制以及藥物作用機(jī)制，設(shè)計(jì)新藥的基礎(chǔ)。在酶激活劑、酶抑制劑與酶相互作用以及藥物分子產(chǎn)5大腸桿菌乙酰輔酶A羧化酶肉桂醛大腸桿菌乙酰輔酶A羧化酶肉桂醛6在藥物設(shè)計(jì)中，分子對接方法主要用來從小分子數(shù)據(jù)庫中搜尋與受體生物大分子有較好親和力的小分子，進(jìn)行藥理測試，從中發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物。優(yōu)點(diǎn)：小分子配體來自現(xiàn)有化合物數(shù)據(jù)庫或制藥公司自己的數(shù)據(jù)庫，合成路線比較成熟；分子對接方法從整體上考慮受體與配體結(jié)合的效果加速先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)進(jìn)程。在藥物設(shè)計(jì)中，分子對接方法主要用來從小分子數(shù)據(jù)庫中搜尋與受體710.2分子對接法的基本原理配體與受體的結(jié)合過程是一個(gè)很復(fù)雜的過程，涉及到配體和受體的去溶劑化、配體和受體（主要是活性位點(diǎn)處的殘基）的構(gòu)象變化以及配體與受體之間的相互作用。配體與受體的結(jié)合強(qiáng)弱取決于結(jié)合過程的自由能變化：10.2分子對接法的基本原理配體與受體的結(jié)合過程是一個(gè)很復(fù)8結(jié)合自由能也可以表示成：大部分的分子對接法忽略了全部的熵效應(yīng)，而在焓效應(yīng)中也只考慮配體與受體的相互作用能結(jié)合自由能也可以表示成：大部分的分子對接法忽略了全部的熵效應(yīng)9配體與受體的相互作用：其中氫鍵采用的形式和力場有關(guān)配體與受體的相互作用：其中氫鍵采用的形式和力場有關(guān)10配體與受體的相互作用：配體與受體的相互作用：11分子對接計(jì)算是把配體分子放在受體活性位點(diǎn)的位置，然后按照幾何互補(bǔ)、能量互補(bǔ)、化學(xué)環(huán)境互補(bǔ)的原則來實(shí)時(shí)評價(jià)配體與受體相互作用的好壞，并找到兩個(gè)分子之間最佳的結(jié)合模式。分子對接計(jì)算是把配體分子放在受體活性位點(diǎn)的位置，然后按照幾何12分子對接最初思想起源于FisherE.的“鎖和鑰匙模型”，認(rèn)為“鎖”和“鑰匙”的相識(shí)別的首要條件是他們在空間形狀上要互相匹配分子對接最初思想起源于FisherE.的“鎖和鑰匙13配體和受體分子之間的識(shí)別要比“鎖和鑰匙”模型復(fù)雜的多：1.配體和受體分子的構(gòu)象是變化的，而不是剛性的，配體和受體在對接過程中互相適應(yīng)對方，從而達(dá)到更完美的匹配；2.其次，分子對接不但要滿足空間形狀的匹配，還要滿足能量的匹配。配體和受體之間的通過底物分子與靶酶分子能否結(jié)合以及結(jié)合的強(qiáng)度最終是由形成此復(fù)合物過程的結(jié)合自由能變化ΔGbind所決定的。配體和受體分子之間的識(shí)別要比“鎖和鑰匙”模型復(fù)雜的多：配體14互補(bǔ)性（complementarity）和預(yù)組織（pre-organization）是決定分子對接過程的兩個(gè)重要原則，前者決定識(shí)別過程的選擇性，而后者決定識(shí)別過理的結(jié)合能力?；パa(bǔ)性包括空間結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性和電學(xué)性質(zhì)的互補(bǔ)性?；パa(bǔ)性（complementarity）和預(yù)組織（pre-o151958年Koshland提出了分子識(shí)別過程中的誘導(dǎo)契合（inducedfit）概念，指出配體與受體相互結(jié)合時(shí)，受體將采取一個(gè)能同底物達(dá)到最佳結(jié)合的構(gòu)象。1958年Koshland提出了分子識(shí)別過程中的誘導(dǎo)契合（i16第十章分子對接ppt課件17分子對接方法根據(jù)不同的簡化程度可以大致分為以下三類：（1）剛性對接；研究體系的構(gòu)象不發(fā)生變化（2）半柔性對接；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（3）柔性對接；研究體系的構(gòu)象基本上是可以自由變化的分子對接方法根據(jù)不同的簡化程度可以大致分為以下三類：18剛性對接適合考察比較大的體系，比如蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)以及蛋白質(zhì)和核酸之間的相互作用，他計(jì)算較為簡單，原理也相對簡單，主要是考慮構(gòu)象之間的契合程度。半柔性對接適合于處理小分子和大分子之間的對接。在對接過程中，小分子的構(gòu)象一般是可以變化的，但大分子則是剛性的。由于小分子相對較小，因此在一定程度考察柔性的基礎(chǔ)上，還可以保持較高的計(jì)算效率，在藥物設(shè)計(jì)尤其在基于分子數(shù)據(jù)庫的虛擬篩選過程中，一般采用半柔性的分子對接方法。柔性對接方法一般用于精確考察分子之間的識(shí)別情況，由于在計(jì)算過程中體系的構(gòu)象是可以變化的，因此柔性對接在提高了對接準(zhǔn)確性的同時(shí)卻需要耗費(fèi)較長的計(jì)算時(shí)間。剛性對接適合考察比較大的體系，比如蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)以及蛋白質(zhì)和19分子對接的目的：找到底物分子和受體分子的最佳結(jié)合位置找到最佳的結(jié)合位置評價(jià)對接分子之間的結(jié)合強(qiáng)度？構(gòu)象搜索方法分子對接的目的：找到底物分子和受體分子的最佳結(jié)合位置找到最佳20按照分子對接程序?qū)ふ遗潴w與受體結(jié)合構(gòu)象方法的差異，可以分為三種：

1、局部優(yōu)化法

2、深度搜尋法

3、全局優(yōu)化法按照分子對接程序?qū)ふ遗潴w與受體結(jié)合構(gòu)象方法的差異，可以分為三21局部優(yōu)化法：不對配體和受體進(jìn)行構(gòu)象搜尋，只是對初始構(gòu)象進(jìn)行優(yōu)化，得到配體與受體結(jié)合的一個(gè)局部最優(yōu)構(gòu)象；深度搜尋法：采用深度優(yōu)先搜尋法或廣度優(yōu)先搜尋法，通過有限的步驟，找到一個(gè)相對較好的局部最優(yōu)結(jié)合構(gòu)象。全局優(yōu)化法：在進(jìn)行構(gòu)象搜尋時(shí)，利用模擬退火算法或遺傳算法，尋找配體與受體的全局最優(yōu)結(jié)合構(gòu)象。局部優(yōu)化法：不對配體和受體進(jìn)行構(gòu)象搜尋，只是對初始構(gòu)象進(jìn)行優(yōu)22對接類型對接方法類型對接方法Flexible-LigandDocking柔性配體對接Systematic系統(tǒng)方法Conformational構(gòu)象Fragmentation片段生長Database數(shù)據(jù)庫Random/stochastic隨機(jī)方法MonteCarlo(MC)蒙特卡羅Geneticalgorithm(GA)遺傳算法TabuSearch禁忌搜索Simulationmethods模擬方法Moleculardynamics(MD)分子動(dòng)力學(xué)Energyminimization能量最小化Flexible-ProteinDocking柔性蛋白對接Moleculardynamics(MD)分子模擬MonteCarlo(MC)蒙特卡羅Rotamerlibraries旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體庫Protein-ensemblegrids蛋白集合柵格Soft-receptormodeling軟受體建模表1：常用的分子對接方法對接類型對接方法類型對接方法Flexible-Ligand2310.3分子對接軟件表2：有代表性的分子對接軟件名稱優(yōu)化方法評價(jià)函數(shù)速度DOCK片斷生長分子力場、表面匹配得分、化學(xué)環(huán)境匹配得分快AutoDock遺傳算法半經(jīng)驗(yàn)自由能評價(jià)函數(shù)一般ICM-Docking隨機(jī)全局優(yōu)化半經(jīng)驗(yàn)自由能評價(jià)函數(shù)快GOLD遺傳算法半經(jīng)驗(yàn)自由能評價(jià)函數(shù)快FlexX片斷生長半經(jīng)驗(yàn)自由能評價(jià)函數(shù)快Affinity蒙特卡羅/分子力學(xué)/分子動(dòng)力學(xué)分子力場慢ZDock&RDock幾何匹配/分子動(dòng)力學(xué)CAPRI*/分子力場慢FlexiDock遺傳算法分子力場慢eHiTS系統(tǒng)搜索半經(jīng)驗(yàn)自由能評價(jià)函數(shù)快Hex幾何匹配CAPRI*快10.3分子對接軟件表2：有代表性的分子對接軟件名稱優(yōu)化方24分子對接軟件——最常用的分子對接軟件被引次數(shù)統(tǒng)計(jì)分子對接軟件——最常用的分子對接軟件被引次數(shù)統(tǒng)計(jì)2510.4DOCK基本情況第一個(gè)分子對接程序。由加利福尼亞州立大學(xué)舊金山分校Kuntz小組于1982年開發(fā)。目前版本為DOCK6.610.4DOCK基本情況2610.4.1基本原理10.4.1.1形狀匹配受體與配體的原子之間的距離大于其范德華半徑之和；配體中能形成氫鍵的原子，都有一個(gè)受體的氮原子或氧原子在其0.35nm范圍之內(nèi)所有的配體原子都在受體的結(jié)合位點(diǎn)內(nèi)10.4.1基本原理10.4.1.1形狀匹配27Dock利用球形集合來表示受體活性位點(diǎn)以及配體的形狀。對于受體，程序產(chǎn)生一個(gè)球集，使之填充受體分子表面的口袋。如果配體與受體匹配較好的話，配體的球集應(yīng)該能較好地填充受體的球集。Dock利用球形集合來表示受體活性位點(diǎn)以及配體的形狀。對于受2810.4.1.2

匹配算法

大分子配體的對接時(shí)間計(jì)算時(shí)間較長；在復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，由于配體的大部分表面不會(huì)參與相互作用。因此，將表面分成不同的部分，每一部分分別進(jìn)行匹配，這一過程稱為分簇（cluster）.也就是說采取了“分而治之”的匹配算法。10.4.1.2匹配算法2910.4.1.3基于經(jīng)驗(yàn)勢能函數(shù)的評價(jià)函數(shù)

Dock中引入經(jīng)驗(yàn)勢能函數(shù)做為評價(jià)函數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：預(yù)先對受體原子的作用進(jìn)行加和，并存入網(wǎng)格文件中，計(jì)算能力增大，對接結(jié)果精確。

10.4.1.3基于經(jīng)驗(yàn)勢能函數(shù)的評價(jià)函數(shù)30Dock采用分子力學(xué)方法，并基于Amber力場參數(shù)。力場中的非鍵作用只包含靜電作用和范德華作用，氫鍵作為靜電作用處理。Dock采用分子力學(xué)方法，并基于Amber力場參數(shù)。3110.4.2柔性對接

Dock4.0之前的版本沒有考慮配體的柔性。之后的版本，增加了配體和受體的柔性，大大改善對接結(jié)果。10.4.2柔性對接

Dock4.0之前的版本沒有考慮配體32考慮配體分子的柔性確定剛性片段柔性搜尋考慮配體分子的柔性確定剛性片段柔性搜尋331.確定剛性片段柔性分子可以看成由剛性片段組成；剛性片段中的原子由不能旋轉(zhuǎn)的鍵連接；相鄰的剛性片段由可以旋轉(zhuǎn)的鍵連接。

環(huán)的處理確定可旋轉(zhuǎn)的鍵1.確定剛性片段環(huán)的處理確定可旋轉(zhuǎn)的鍵342.

柔性搜尋

Dock有兩種柔性搜尋方法：一種是錨優(yōu)先搜尋（anchor-firstsearch）一種是同時(shí)搜尋（simultaneoussearch）

2.柔性搜尋35a.錨優(yōu)先搜尋對接錨片段加一個(gè)剛性片段，先內(nèi)后外先大后小3）構(gòu)象搜尋，得到NcNt個(gè)構(gòu)象4）根據(jù)構(gòu)象能量差異按照一定標(biāo)準(zhǔn)，選取Nc個(gè)構(gòu)象5）回到第2步，不斷加錨，直到所有的錨片段都對接過，跳過5，得到對接構(gòu)象。a.錨優(yōu)先搜尋對接錨片段36b.同時(shí)搜尋先進(jìn)行構(gòu)象搜尋，然后將搜尋得到的構(gòu)象分別對接到受體的結(jié)合位點(diǎn)中。根據(jù)參數(shù)設(shè)置不同，可以進(jìn)行系統(tǒng)搜尋或隨機(jī)搜尋。b.同時(shí)搜尋3710.5AutoDock

AutoDock是TheScrippsResearchInstitute的OIson科研小組使用C語言開發(fā)的分子對接軟件包，目前最新的版本為4.2。AutoDock是一個(gè)軟件包，其中主要包含AutoGrid和AutoDock兩個(gè)程序。其中AutoGrid主要負(fù)責(zé)格點(diǎn)中相關(guān)能量的計(jì)算，而AutoDock則負(fù)責(zé)構(gòu)象搜索及評價(jià)。

10.5AutoDock

AutoDock是TheScr3810.5.1評價(jià)函數(shù)A.3.0以前的版本采用經(jīng)驗(yàn)勢函數(shù)為評價(jià)函數(shù)B.3.0版本開始采用經(jīng)驗(yàn)結(jié)合自由能為評價(jià)函數(shù)10.5.1評價(jià)函數(shù)A.3.0以前的版本采用經(jīng)驗(yàn)勢函數(shù)為39A.經(jīng)驗(yàn)勢能函數(shù)AutoDock的經(jīng)驗(yàn)勢能函數(shù)包括三項(xiàng)：靜電作用、范德華作用和氫鍵作用。力場采用Amber力場A.經(jīng)驗(yàn)勢能函數(shù)力場采用Amber力場40根據(jù)熱力學(xué)定律，離解過程的自由能變化和焓的變化：實(shí)驗(yàn)測定的自由能與離解常數(shù)：B.經(jīng)驗(yàn)結(jié)合自由能根據(jù)熱力學(xué)定律，離解過程的自由能變化和焓的變化：B.經(jīng)驗(yàn)結(jié)41當(dāng)體系達(dá)到平衡時(shí)，自由能等于0當(dāng)體系達(dá)到平衡時(shí)，自由能等于042配體-受體結(jié)合的熱力學(xué)配體-受體結(jié)合的熱力學(xué)過程藥物與受體存在與體液環(huán)境中，與周圍的水分子存在溶劑化作用。配體-受體結(jié)合的熱力學(xué)配體-受體結(jié)合的熱力學(xué)過程藥物與43對接過程中的去溶劑化效應(yīng)對接過程中的去溶劑化效應(yīng)44Autodock的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合自由能評價(jià)函數(shù)：Autodock的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合自由能評價(jià)函數(shù)：45AutoDock在早期版本中使用的是模擬退火算法（SimulatedAnnealingAlgorithm）來尋找配體與受體最佳的結(jié)合位置狀態(tài)，而從3.0版本開始使用一種改良的遺傳算法，即拉馬克遺傳算法（LamarckianGeneticAlgorithm，LGA）。測試結(jié)果表明，LGA比傳統(tǒng)的遺傳算法和模擬退火具有更高的效率。在LGA方法中，作者把遺傳算法和局部搜索（Localsearch）結(jié)合在一起，遺傳算法用于全局搜索，而局部搜索用于能量優(yōu)化。10.5.2柔性搜尋方法AutoDock在早期版本中使用的是模擬退火算法（Simul46a.模擬退火算法指定結(jié)合位點(diǎn)隨機(jī)地差生配體的一個(gè)構(gòu)象隨機(jī)改變配體的位置、取向，產(chǎn)生了一個(gè)新的構(gòu)象，并比較兩者與受體的結(jié)合能如果新的構(gòu)象能低于原來的，則接受新構(gòu)象如果能量高于原來的，則降低溫度，在新溫度下重復(fù)步驟24.在同一初始條件下反復(fù)進(jìn)行多次a.模擬退火算法指定結(jié)合位點(diǎn)隨機(jī)地差生配體47b.遺傳算法模仿生物的遺傳和進(jìn)化，對多極值優(yōu)化問題的解群進(jìn)行選擇、雜交和突變操作，使得解群不斷優(yōu)化，直至收斂于全局最優(yōu)解或近似全局最優(yōu)解。b.遺傳算法48AutoDock優(yōu)點(diǎn)1.同時(shí)考慮配體的柔性和蛋白質(zhì)結(jié)合部位側(cè)鏈的柔性2.網(wǎng)格計(jì)算，加快計(jì)算AutoDock優(yōu)點(diǎn)49網(wǎng)格計(jì)算和dock的區(qū)別：Dock中，格點(diǎn)上保存的不是能量，而是受體上原子作用加和；Autodock中，格點(diǎn)上保存的是探針原子和受體之間的相互作用能。網(wǎng)格計(jì)算和dock的區(qū)別：50AutoDock格點(diǎn)作用能計(jì)算通過AutoDock程序包中的Autogrid程序完成，格點(diǎn)計(jì)算包括三部分：范德華作用、氫鍵作用和庫倫作用AutoDock格點(diǎn)作用能計(jì)算51對于范德華相互作用的計(jì)算，每個(gè)格點(diǎn)上保存的范德華能量的值的數(shù)目與要對接的配體上的原子類型的數(shù)目一樣。如果一個(gè)配件中含有C、O和H三種原子類型，那么在每個(gè)格點(diǎn)上就需要用三個(gè)探針原子來計(jì)算探針原子與受體之間的范德華相互作用值。當(dāng)配體和受體進(jìn)行分子對接時(shí)，配體中某個(gè)原子和受體之間的相互作用能通過周圍8個(gè)格點(diǎn)上的這種原子類型為探針的格點(diǎn)值用內(nèi)插法得到。對于范德華相互作用的計(jì)算，每個(gè)格點(diǎn)上保存的范德華能量的值的52靜電相互作用的計(jì)算采用了一個(gè)靜電勢格點(diǎn)，在格點(diǎn)上儲(chǔ)存受體分子的靜電勢。當(dāng)配體和受體分子對接時(shí)，某個(gè)原子和受體之間的靜電相互作用能通過周圍格點(diǎn)上靜電勢以及原子上的部分電荷就可以計(jì)算得到。靜電相互作用的計(jì)算采用了一個(gè)靜電勢格點(diǎn)，在格點(diǎn)上儲(chǔ)存受體分子53計(jì)算氫鍵相互作用時(shí)，格點(diǎn)的處理和范德華相互作用有點(diǎn)類似，每個(gè)格點(diǎn)上需要保存配體分子中所有氫鍵給體與氫鍵受體之間的相互作用能量，而且這些能量都是在氫鍵在最佳情況下的氫鍵能量值。計(jì)算氫鍵相互作用時(shí)，格點(diǎn)的處理和范德華相互作用有點(diǎn)類似，每個(gè)54AutoDock格點(diǎn)對接示意圖用圍繞受體活性位點(diǎn)的氨基酸殘基形成一個(gè)范圍更大的Box

用不同類型的原子作為探針進(jìn)行掃描，計(jì)算格點(diǎn)能量AutoDock程序?qū)ε潴w在Box范圍內(nèi)進(jìn)行構(gòu)象搜索，根據(jù)能量評分對結(jié)果進(jìn)行排序。AutoDock格點(diǎn)對接示意圖用圍繞受體活性位點(diǎn)的氨基酸用55分子對接在藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用一、HIV-1蛋白酶Kuntz等利用Dock程序研究HIV-1蛋白酶體系，根據(jù)分子相似性對劍橋晶體數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜尋。然后選擇那些可以與活性位點(diǎn)處的天冬氨酸作用的帶有NH或者OH且易于合成的化合物。DesJarlar