第10章计算机辅助药物设计课件.ppt
第10章计算机辅助药物设计第1页，此课件共57页哦第一节第一节 当代医药研究所面临的困难与契机当代医药研究所面临的困难与契机 一、新药研究中的困难一、新药研究中的困难 新新药药的的寻寻找找是是一一件件耗耗资资巨巨大大而而效效率率很很低低的的工工作作。据据国国际际上上的的统统计计，研研制制成成功功一一种种新新药药，平平均均需需要要花花费费1012年年的的时时间间，筛筛选选15万万2万万种种化化合合物物，耗耗资资30亿亿50亿亿美美元元。造造成成这这种种状状况况的的一一个个重重要要原原因因，就就是是新新药药的的发发现现还还缺缺乏乏深深入入的的理理论论指指导导，新新药药的的创创制制至至今今仍仍主主要要依依赖赖大大量量的的随随机机筛筛选选。这这种种状状况况迫迫切切需需要要通通过过应应用用新新的的理理论论方方法和技术予以改变。法和技术予以改变。第2页，此课件共57页哦第3页，此课件共57页哦 药物的创制过程主要存在两个瓶颈：药物的创制过程主要存在两个瓶颈：n一一个个是是疾疾病病相相关关的的靶靶标标生生物物大大分分子子的的确定及验证；确定及验证；n另另外外一一个个是是具具有有生生物物活活性性的的小小分分子子药药物的设计和发现。物的设计和发现。第4页，此课件共57页哦第二节第二节 生物信息学在靶标确定中的应用生物信息学在靶标确定中的应用一、抗菌或抗病毒靶标的筛选一、抗菌或抗病毒靶标的筛选 FSpaltmann等等提提出出判判断断一一个个基基因因是是否否适适合合作为抗菌靶标，必须考虑基因的以下一些性质：作为抗菌靶标，必须考虑基因的以下一些性质：基因对病菌的存活或感染是否重要；基因对病菌的存活或感染是否重要；相相同同或或相相似似的的基基因因在在其其他他真真菌菌以以及及人人体体中中的的分布情况；分布情况；可用以发展高通量筛选的生物化学或功能可用以发展高通量筛选的生物化学或功能信息。信息。第5页，此课件共57页哦二二、其它、其它候选药物作用靶标的发现候选药物作用靶标的发现1、新基因的预测与功能研究、新基因的预测与功能研究？根据DNA序列预测新的ORF利用EST数据库第6页，此课件共57页哦2、生物芯片技术、生物芯片技术n 生生物物芯芯片片能能够够用用于于疾疾病病组组织织的的转转录录表表达达的的整整体体分分析析，一一般般是是通通过过固固定定在在玻玻璃璃片片上上的的克克隆隆DNA或或合合成成的的寡寡聚聚核核苷苷酸酸序序列列与与特特定定细细胞胞或或病病变变细细胞胞的的全全部部cDNA杂杂交交，以以确确定定细细胞胞中中所所有有的的基基因因的的序序列列。通通过过比比较较病病变变组组织织与与正正常常组组织织的的基基因组信息，可以确定疾病相关的靶标。因组信息，可以确定疾病相关的靶标。第7页，此课件共57页哦3、蛋白质组（、蛋白质组（proteome）学方法学方法n另另一一种种很很有有希希望望用用于于寻寻找找靶靶标标及及先先导导化化合合物物的的方方法法是是蛋蛋白白质质组组学学。蛋蛋白白质质组组学学的的目目的的是是从从整整体体上上研研究究正正常常细细胞胞的的蛋蛋白白质质以以及及病病变变组组织织细细胞胞的的蛋蛋白白质质的的差差异异。蛋蛋白白质质组组学学利利用用二二维维凝凝胶胶分分离离病病变变组组织织以以及及正正常常组组织织的的蛋蛋白白质质，测测定定分分离离的的蛋蛋白白质质，并并对对两两种种组组织织的的蛋蛋白白质质图图进进行行定定性性的的和和定定量量的的比比较较。因因此此，蛋蛋白白质质组组信信息息既既是是定定性性的的(能能够够确确定定哪哪些些蛋蛋白白质质是是不不同同的的)，又又是是定定量量的的（可以确定同种蛋白质的表达量的差异可以确定同种蛋白质的表达量的差异)。第8页，此课件共57页哦4、结构生物学方法、结构生物学方法 由由于于近近几几年年在在蛋蛋白白质质工工程程，结结晶晶学学和和光光谱谱学学方方面面的的进进展展，测测定定蛋蛋白白质质结结构构的的速速度度越越来来越越快快。在在已已知知的的结结构构中中发发现现与与新新测测定定的的生生物物大大分分子子相相似似结结构构的的概概率率也也增增加加了了；另另外外，在在无无序序列列相相似似性性的的情情况况下下，新新发发展展的的算算法法可可以以将将蛋蛋白白质质与与所所有有已已知知结结构构进进行行结结构构比比较较。序序列列数数据据库库搜搜寻寻和和结结构构数数据据库库搜搜寻寻是是生生物物学学家家研研究生物大分子功能的重要手段究生物大分子功能的重要手段。第9页，此课件共57页哦 例例如如，人人类类肥肥胖胖基基因因(老老鼠鼠的的肥肥胖胖基基因因的的突突变变导导致致肥肥胖胖或或糖糖尿尿病病)与与所所有有已已知知的的基基因因、蛋蛋白白质质都都没没有有序序列列相相似似性性，然然而而，对对其其序序列列进进行行核核心心模模板板三三维维数数据据库库搜搜寻寻，以以确确定定肥肥胖胖蛋蛋白白质质是是否否会会采采取取与与已已知知蛋蛋白白质质类类似似的的 折折 叠叠 方方 式式 时时(即即 所所 谓谓 穿穿 针针 引引 线线 法法，threading)，发发现现肥肥胖胖基基因因表表现现出出明明显显的的与与螺螺旋旋细细胞胞素素家家族族的的结结构构相相似似性性。因因此此，研研究究者者认认为为肥肥胖胖基基因因的的产产物物(1eptin)通通过过JAK-STAT途途径径来来调调节节核核转转录录，这这个个推推断断后来得到了实验的证实后来得到了实验的证实。第10页，此课件共57页哦三、靶标有效性的验证三、靶标有效性的验证n仅仅仅仅确确定定疾疾病病特特异异蛋蛋白白并并不不足足以以开开展展药药物物筛筛选选工工作作，还还必必须须确确定定蛋蛋白白质质功功能能并并确确证证蛋蛋白白质质确确实实对对疾疾病病过过程程起起关关键键作作用用。提提出出一一个个候候选选药药物物作作用用靶靶标标通通常常并并不不是是很很困困难难的的事事情情，目目前前主主要要的的瓶瓶颈颈是是验验证证靶靶标标的的有有效效性性。错错误误的的结结论论可可能能使使以以后后的所有工作努力付之东流。的所有工作努力付之东流。第11页，此课件共57页哦1、基因组学方法基因组学方法n针针对对特特定定基基因因的的“敲敲除除(knockout)”技技术术或或转转基基因因动动物物模模型型是是最最成成熟熟的的验验证证靶靶标标有有效效性性的的方方法法。基基因因组组学学方方法法的的一一个个缺缺点点是是比比较较慢慢，培培养养一一个个基基因因“敲敲除除”动动物物并并对对其其进进行行评评价价一一般般要要1218个个月月。另另外外，“敲敲除除”动动物物可可能能在在胚胚胎胎期期间间就就死死亡亡，或或者者根根本本就就什什么么都都没没有有，这这样样的的结结果果无无法法对对药药物物的的研研究究提提供供什什么么有益的信息。有益的信息。第12页，此课件共57页哦2蛋白质组学方法蛋白质组学方法 蛋蛋白白质质组组学学很很适适合合用用于于确确定定靶靶标标蛋蛋白白质质在在信信号号传传导导路路径径中中所所起起的的作作用用。，可可以以获获得得信信号号分分子子的的异异构构化化的的重重要要信信息息(例例如如糖糖基基化化或或磷磷酸酸化化)，因因此此可可以以了了解解在在疾疾病病过过程程中中靶靶标标蛋蛋白白质质发发生了那些变化。生了那些变化。第13页，此课件共57页哦3、核糖酶方法、核糖酶方法n核核糖糖酶酶(ribozyme)是是具具有有催催化化活活性性的的RNA，能能够够与与mRNA杂杂交交并并切切断断mRNA。利利用用长长度度大大概概200个个核核苷苷酸酸的的RNA就就能能设设计计用用以以清清除除细细胞胞中中特特定定mRNA的的核核糖糖酶酶。最最简简单单的的核核糖糖酶酶称称为为锤锤头头核核糖糖酶酶(hammer head ribozyme)，锤锤头头核核糖糖酶酶包包括括催催化化核核心心和和“杂杂交交臂臂”两两个个部部分分。催催化化核核心心部部分分具具有有保保守守的的碱碱基基序序列列，能能够够切切断断RNA。“杂杂交交臂臂”部部分分通通过过互互补补碱碱基基配对将核糖酶固定在对应的靶标配对将核糖酶固定在对应的靶标RNA上。上。第14页，此课件共57页哦nJuhl等等利利用用一一个个由由四四环环素素调调节节的的启启动动子子控控制制几几种种锤锤头头核核糖糖酶酶的的表表达达，使使得得细细胞胞中中的的Her-2neu mRNA和和蛋蛋白白质质被被清清除除达达90以以上上。利利用用这这种种调调节节表表达达系系统统可可以以很很方方便便地地调调节节肿肿瘤瘤实实验验动动物物中中Her-2neu的的表表达达。实实验验揭揭示示了了肿肿瘤瘤在在形形成成过过程程的的不不同同阶阶段段的的耐耐受受性性，并并确确证证Her-2neu是是一一个个决决定子宫癌生长速度的成分。定子宫癌生长速度的成分。第15页，此课件共57页哦4、免疫化学方法、免疫化学方法n直直接接针针对对脊脊椎椎动动物物细细胞胞外外大大分分子子抗抗原原识识别别部部位位的的单单克克隆隆或或多多克克隆隆抗抗体体可可用用以以研研究究相相应应大大分分子子的的功功能能，例例如如，与与细细胞胞表表面面受受体体结结合合的的抗抗体体能能够够改改变变或或阻阻止止受受体体及及其其同同源源配配体体之之间间的的相相互互作作用用。细细胞胞内内部部的的大大分分子子现现在在可可以以通通过过细细胞胞内内抗抗体体(intracellular antibody，亦亦即即intrabody)来来与与之之发发生生免免疫疫化化学学中中和和。细细胞胞内内抗抗体体是是单单链链抗抗体体(scFv)，它它由由一一条条重重链链和和一一条条轻轻链链通通过过重重组组的的方方法法得得到到。利利用用细细胞胞内内抗抗体体，研研究究人人员员可可以以研研究究病病变变细细胞胞质质和和核核中中的的决决定定因因素素。对对细细胞胞内内靶靶标标分分子子的的直直接接中中和和方方法法特特别别适适合合研研究究那那些些半半衰衰期期长长的的蛋蛋白白质质，而核糖酶不适合研究这一类蛋白质。而核糖酶不适合研究这一类蛋白质。第16页，此课件共57页哦n Curiel等等利利用用细细胞胞内内抗抗体体研研究究了了乳乳腺腺癌癌细细胞胞凋凋亡亡的的决决定定因因素素。编编码码erbB-2细细胞胞内内单单链链抗抗体体的的基基因因可可以以减减少少细细胞胞表表面面erbB-2的的水水平平。人人胸胸腺腺癌癌和和子子宫宫癌癌细细胞胞株株中中由由erbB-2细细胞胞内内单单链链抗抗体体诱诱导导的的细细胞胞凋凋亡亡随随细细胞胞的的表表现现型型不不同同而而有有所所差差异异。细细胞胞内内抗抗体体实实验验和和核核糖糖酶酶实实验验同同时时表表明明erb家家族族成成员员具具有有导导致致癌癌症症的的潜潜在在可可能能，但但细细胞胞内内抗抗体体实实验验表表明明erbB-2在在细细胞胞质质中中的的C端端结结构构域域对对于于细细胞凋亡是必不可少的。胞凋亡是必不可少的。第17页，此课件共57页哦第三节第三节 计算机辅助药物设计计算机辅助药物设计 一、合理药物设计的一般过程一、合理药物设计的一般过程n合理药物设计（合理药物设计（rational drug design）或基或基于结构的于结构的 药物设计（药物设计（structure-based drug design)就是基于对疾病过程的分子病理生理学就是基于对疾病过程的分子病理生理学的理解，根据靶点的分子结构，并参考效应子的理解，根据靶点的分子结构，并参考效应子的化学结构特征设计出针对该疾病的药物分子，的化学结构特征设计出针对该疾病的药物分子，从而引导设计走向合理化。由此设计出的药物从而引导设计走向合理化。由此设计出的药物往往活性强，作用专一，副作用较低，故称为往往活性强，作用专一，副作用较低，故称为合理药物设计。合理药物设计。n合理药物设计离不开计算机，因此也可称为计合理药物设计离不开计算机，因此也可称为计算机辅助药物设计。算机辅助药物设计。第18页，此课件共57页哦n 计算机辅助药物设计从理论上避免以前研计算机辅助药物设计从理论上避免以前研究中一定程度的盲目性，大大加快了研制究中一定程度的盲目性，大大加快了研制新药的速度，节省了开发新药工作的人力、新药的速度，节省了开发新药工作的人力、物力和财力。如比利时的杨森公司大规模物力和财力。如比利时的杨森公司大规模地以计算机辅助进行新药设计，使成功率地以计算机辅助进行新药设计，使成功率从以往的万分之一提高到三千分之一。从以往的万分之一提高到三千分之一。第19页，此课件共57页哦第20页，此课件共57页哦二、计算机辅助药物设计的方法二、计算机辅助药物设计的方法n直接药物设计直接药物设计n基于靶点结构直接药物设计基于靶点结构直接药物设计n基于靶点结构的三维结构搜寻基于靶点结构的三维结构搜寻n模板定位法全新药物设计模板定位法全新药物设计n原子生长法全新药物设计原子生长法全新药物设计n分子碎片法全新药物设计分子碎片法全新药物设计n间接药物设计间接药物设计n基于药效基团的三维结构搜寻基于药效基团的三维结构搜寻n药效基团模型法药效基团模型法第21页，此课件共57页哦（一）、直接药物设计（一）、直接药物设计 这这类类方方法法以以药药物物作作用用的的对对象象靶靶标标生生物物大大分分子子的的三三维维结结构构为为基基础础，研研究究小小分分子子与与受受体体的的相相互互作作用用，设设计计出出从从空空间间形形状状和和化化学学性性质质两两方方面面都都能能很很好好地地与与靶靶标标分分子子“结结合合口口袋袋”相相匹匹配配的的药药物物分分子子。这这种种方方法法就就像像根根据据“锁锁”的的形形状状来来配配“钥钥匙匙”一一样样；因因此此被被称称为为直直接接药药物物设设计计方方法法。随随着着细细胞胞生生物物学学、分分子子生生物物学学和和结结构构生生物物学学的的发发展展，越越来来越越多多的的药药物物作作用用靶靶标标分分子子(蛋蛋白白质质、核核酸酸、酶酶、离离子子通通道道)被被分分离离、鉴鉴定定，其其三三维维结结构构被被阐阐明明，为为直直接接药药物物设设计计方方法法的的应应用用提提供供了了有有利利的的条条件件。进进入入20世世纪纪90年代以来，直接药物设计已逐渐成为药物设计研究的主要方法。年代以来，直接药物设计已逐渐成为药物设计研究的主要方法。第22页，此课件共57页哦1、基于靶点结构直接药物设计、基于靶点结构直接药物设计n根据靶点结构对已知活性物进行修饰，提根据靶点结构对已知活性物进行修饰，提高其活性，例如：高其活性，例如：nMvon Itzstein等人应用唾液酸酶晶体结等人应用唾液酸酶晶体结构设计抗病毒药物。唾液酸酶在微生物的构设计抗病毒药物。唾液酸酶在微生物的感染和传播中起重要作用，其抑制剂的研感染和传播中起重要作用，其抑制剂的研究是抗病毒尤其是抗流感病毒研究的新领究是抗病毒尤其是抗流感病毒研究的新领域。域。第23页，此课件共57页哦n早期发现早期发现2-去氧去氧-2,3-双去氢双去氢-D-N-乙酰神经乙酰神经氨酸（氨酸（Neu5Ac2en）对唾液酸酶有抑制作用，对唾液酸酶有抑制作用，但在动物模型中效果不佳。但在动物模型中效果不佳。n根据唾液酸酶的根据唾液酸酶的晶体结构晶体结构及其与酶抑制剂及其与酶抑制剂Neu5Ac2en的的相互作用相互作用，发现酶结构上与抑，发现酶结构上与抑制剂作用部位附近有带负电基团，如将抑制剂制剂作用部位附近有带负电基团，如将抑制剂4-羟基用氨基取代，则结合作用会增强，因为羟基用氨基取代，则结合作用会增强，因为氨基与酶氨基与酶Glu119羧基侧链形成盐桥。如果羧基侧链形成盐桥。如果4-羟基为胍基取代，则能与羟基为胍基取代，则能与Glu119和和Glu227相互作用，显示出更强的亲和性。相互作用，显示出更强的亲和性。第24页，此课件共57页哦第25页，此课件共57页哦n抑制活性测定表明抑制活性测定表明4-氨基和氨基和4-胍基取胍基取代代Neu5Ac2en，比其母体比其母体Neu5Ac2en分别提高分别提高20倍倍和和5000倍倍，后者已进入临床，有望成为一种新的后者已进入临床，有望成为一种新的抗病毒药物。抗病毒药物。第26页，此课件共57页哦2、基于靶点结构的三维结构搜寻（虚拟筛选）、基于靶点结构的三维结构搜寻（虚拟筛选）n根据受体结合部位的特性，在小分子化合物数根据受体结合部位的特性，在小分子化合物数据库中进行三维结构搜寻，然后以搜寻到的据库中进行三维结构搜寻，然后以搜寻到的结构为出发点，进行结构改造，使其与受体结构为出发点，进行结构改造，使其与受体受点充分匹配。受点充分匹配。n这这类类方方法法首首先先要要建建立立大大量量化化合合物物(例例如如几几十十至至上上百百万万个个化化合合物物)的的三三维维结结构构数数据据库库，然然后后将将库库中中的的分分子子逐逐一一与与靶靶标标分分子子进进行行“对对接接”(docking)，通通过过不不断断优优化化小小分分子子化化合合物物的的位位置置(取取向向)以以及及分分子子内内部部柔柔性性键键的的二二面面角角(构构象象)，寻寻找找小小分分子子化化合合物物与与靶靶标标大大分分子子作作用用的的最佳构象，计算其相互作用及结合能最佳构象，计算其相互作用及结合能。第27页，此课件共57页哦n在在库库中中所所有有分分子子均均完完成成了了对对接接计计算算之之后后，即即可可从从中中找找出出与与靶靶标标分分子子结结合合的的最最佳佳分分子子(前前50名名或或前前100名名)。这这类类方方法法虽虽然然计计算算量量较较大大，但但库库中中分分子子一一般般均均是是现现存存的的已已知知化化合合物物，可可以以方方便便地地购购得得，至至少少其其合合成成方方法法已已知知，因因而而可可以以较较快快地地进进行行后后续续的的药药理理测测试试，实实际际上上这这种种方方法法就就是是在在计计算算机机上上对对几几十十万万、上上百百万万化化合合物物通通过过分分子子对对接接的的理理论论计计算算进进行行一一次次模模拟拟“筛筛选选”。只只要要库库中中的的化化合合物物具具有有足足够够大大的的分分子子多多样样性性，从从中搜寻出理想的分子结构就是可能的。中搜寻出理想的分子结构就是可能的。第28页，此课件共57页哦第29页，此课件共57页哦n例如例如R.L.DesJarlais 等人以计算机辅助三维结等人以计算机辅助三维结构搜寻，设计了非肽类构搜寻，设计了非肽类HIV-1蛋白酶（蛋白酶（HIV-PR）抑制剂：抑制剂：n根据根据HIV-PR X-射线晶体学射线晶体学三维结构三维结构，采用，采用DOCK（1.1版）程序，搜索小分子结构数据库版）程序，搜索小分子结构数据库剑桥结构数据库（剑桥结构数据库（Cambridge Structure Database,CSD)先用程序产生分子的表面和先用程序产生分子的表面和腔穴，然后建立受点的反转影像，产生近似圆腔穴，然后建立受点的反转影像，产生近似圆柱体的腔，用中心匹配算法来确定每个小分子柱体的腔，用中心匹配算法来确定每个小分子能否置于其中，将化合物数目减少至能否置于其中，将化合物数目减少至1万个。万个。第30页，此课件共57页哦n然后将各小分子以不同方向与受点尝试配然后将各小分子以不同方向与受点尝试配合，将评分最高的方位贮存起来。用软件合，将评分最高的方位贮存起来。用软件包包Midas Plus检测排在前面检测排在前面200位的分子，位的分子，用以下标准评价所选化合物能否成为分子用以下标准评价所选化合物能否成为分子模板：模板：n模板中至少有一个原子能和酶的模板中至少有一个原子能和酶的Asp25或或Asp25侧链上的任一羰基亲和（侧链上的任一羰基亲和（0.4nm)n与酶表面配合部位形成与酶表面配合部位形成氢键氢键n配基易于合成配基易于合成第31页，此课件共57页哦n应用此标准排除许多配基分子，得到的主要侯选应用此标准排除许多配基分子，得到的主要侯选分子为分子为溴哌啶醇溴哌啶醇。生物活性测定选用商品化化合。生物活性测定选用商品化化合物物氟哌啶醇氟哌啶醇，结果表明氟哌啶醇能抑制，结果表明氟哌啶醇能抑制HIV-1和和HIV-2蛋白酶。虽然氟哌啶醇作为抗精神病药物蛋白酶。虽然氟哌啶醇作为抗精神病药物正常治疗血清浓度正常治疗血清浓度0.03 mol/L，而抑制而抑制HIV浓度要比之高浓度要比之高1000倍，无法应用于临床，但可作倍，无法应用于临床，但可作为开发抗病毒药物的一个有用的先导化合物。为开发抗病毒药物的一个有用的先导化合物。第32页，此课件共57页哦n再例如再例如Lam等人以类似方法设计新型非肽类等人以类似方法设计新型非肽类HIV-PR抑制剂抑制剂环脲化合物。环脲化合物。n从肽类抑制剂与从肽类抑制剂与HIV-PR复合物的结构可知：复合物的结构可知：抑制剂与抑制剂与HIV-PR二聚体结合中存在四配位水二聚体结合中存在四配位水分子，此水分子从分子，此水分子从HIV-PR的的Ile50和和Ile50残残基上的酰胺基氢上获得两个氢键，并提供两个基上的酰胺基氢上获得两个氢键，并提供两个氢键与抑制剂上的羟基氧结合。基与此，将线氢键与抑制剂上的羟基氧结合。基与此，将线性的肽变为环状非肽结构。性的肽变为环状非肽结构。第33页，此课件共57页哦第34页，此课件共57页哦n从抑制剂从抑制剂-HIV-PR复合物结构得出一个简复合物结构得出一个简单的药效基团，它包括两个关键的分子距单的药效基团，它包括两个关键的分子距离：离：n对称的疏水性基团对称的疏水性基团P1和和P1间距离间距离n从从P1和和P1到到Asp25和和Asp25之间的距离之间的距离n 筛选出一些高选择性的筛选出一些高选择性的HIV-PR抑制剂。抑制剂。第35页，此课件共57页哦第36页，此课件共57页哦3、模板定位法、模板定位法n即先在受体的受点处用模板构建出一个形状即先在受体的受点处用模板构建出一个形状互补的三维分子骨架，再根据受体的性质将互补的三维分子骨架，再根据受体的性质将分子骨架转化为具体的分子结构，其过程前分子骨架转化为具体的分子结构，其过程前一步称为一级结构生成，第二步称为二级结一步称为一级结构生成，第二步称为二级结构生成。构生成。第37页，此课件共57页哦第38页，此课件共57页哦4、原子生长法全新药物设计、原子生长法全新药物设计n 根据根据靶点的性质靶点的性质，如静电、氢键和疏水性，如静电、氢键和疏水性等，逐个地增加原子，配成与受点形状和等，逐个地增加原子，配成与受点形状和性质互补的分子性质互补的分子。n如原子生长的发明者如原子生长的发明者Nishibata和和Itai用原用原子生长分子设计程序尝试了大肠杆菌二氢子生长分子设计程序尝试了大肠杆菌二氢叶酸还原酶叶酸还原酶(DHFR)抑制剂，通过抑制剂，通过DHFR三维三维结构分析，选择结构分析，选择3个氢键原子，即个氢键原子，即Asp27的的羧基氧原子、羧基氧原子、Ile5和和Ile94的羰基氧原子作的羰基氧原子作为锚原子。为锚原子。第39页，此课件共57页哦n执行执行LEGEND程序，采用以下条件：程序，采用以下条件：n产生最大分子数为产生最大分子数为300；n最小和最大阈能分别为最小和最大阈能分别为25kJ/mol和和50kJ/mol；n产生原子的最大重复次数为产生原子的最大重复次数为20；n返回生成原子的最大重复次数为返回生成原子的最大重复次数为3；n分子结构中所含最小环为分子结构中所含最小环为2；n经程序自动生成经程序自动生成300个结构，用个结构，用LORE程程序以能量和结构特性为参数，从中选择了序以能量和结构特性为参数，从中选择了9个结构，其中一些如下：个结构，其中一些如下：第40页，此课件共57页哦第41页，此课件共57页哦5、分子碎片法全新药物设计、分子碎片法全新药物设计包括碎片连接法和碎片生长法：包括碎片连接法和碎片生长法：n碎片连接法首先要有储存各种碎片的碎片碎片连接法首先要有储存各种碎片的碎片库和各种连接子的连接子库。操作时先在库和各种连接子的连接子库。操作时先在受体的受点区域产生网格，用探针原子分受体的受点区域产生网格，用探针原子分析受点的表面性质，将受点区域划分为不析受点的表面性质，将受点区域划分为不同能容纳一个碎片的子区域，然后搜寻碎同能容纳一个碎片的子区域，然后搜寻碎片库，选择合适碎片，再从连接库中寻找片库，选择合适碎片，再从连接库中寻找合适的连接子将其拼接起来。合适的连接子将其拼接起来。第42页，此课件共57页哦n碎片生长法与原子生长法类似。但在受体碎片生长法与原子生长法类似。但在受体受点的定位上，根据性质、形状的要求，受点的定位上，根据性质、形状的要求，以碎片而不是原子逐个地生长来构建一个以碎片而不是原子逐个地生长来构建一个分子。碎片生成的起始点可以是受点上指分子。碎片生成的起始点可以是受点上指定的种子原子，也可以是从碎片库中得到定的种子原子，也可以是从碎片库中得到的或作为配基的一部分的连接在受点上能的或作为配基的一部分的连接在受点上能量合适的碎片，称为核心碎片。量合适的碎片，称为核心碎片。第43页，此课件共57页哦第44页，此课件共57页哦(二）、间接药物设计二）、间接药物设计1.活性类似物法（活性类似物法（active analogue approach，AAA）。）。由由Mashall于于1979年提出，又称共同模板假设年提出，又称共同模板假设（common template hypothesis）或共同构象假设。或共同构象假设。这一方法从不同结构的生物活性配基的低能构象中，抽提出关这一方法从不同结构的生物活性配基的低能构象中，抽提出关键的特征进行各配基构象的重叠，推测得到假设的同一受体受键的特征进行各配基构象的重叠，推测得到假设的同一受体受点作用所必须的空间结构。而无活性化合物的总体积代表着受点作用所必须的空间结构。而无活性化合物的总体积代表着受体中的体中的“禁区禁区”，即该部位已被受体的残基占据，而不能容，即该部位已被受体的残基占据，而不能容纳配基。这样就能间接地得知受体的三维作用点。纳配基。这样就能间接地得知受体的三维作用点。第45页，此课件共57页哦第46页，此课件共57页哦2、定量构效关系（、定量构效关系（Quantitative structure-activity relationship,QSAR)n它对一组小分子化合物的理化参数和生物它对一组小分子化合物的理化参数和生物活性数据进行线性回归，拟合各项参数，活性数据进行线性回归，拟合各项参数，得到反映化合物构得到反映化合物构-效关系的方程，可用效关系的方程，可用于预测新化合物的生物活性，设计具有更于预测新化合物的生物活性，设计具有更高活性的药物分子。高活性的药物分子。nOSAR研究中常用的方法有研究中常用的方法有Hansch法、法、Free-Wilson法、分子连接法、模式识别、法、分子连接法、模式识别、人工神经网络等方法，量子化学计算的方人工神经网络等方法，量子化学计算的方法也已渗透到药物研究领域。法也已渗透到药物研究领域。第47页，此课件共57页哦Hansch法法n由由Hansch等人于等人于20世纪世纪60年代提出，该年代提出，该理论认为药物的生物活性与药物分子的理理论认为药物的生物活性与药物分子的理化参数如脂水分配系数、电子效应、空间化参数如脂水分配系数、电子效应、空间效应等参数相关，且大多数理化参数都具效应等参数相关，且大多数理化参数都具有加和性。通过统计学方法导出这些理化有加和性。通过统计学方法导出这些理化参数与生物活性的关系式，即参数与生物活性的关系式，即Hansch方方程：程：第48页，此课件共57页哦式中各参数含义：式中各参数含义：nC 为化合物产生指定生物效应的浓度；为化合物产生指定生物效应的浓度；n为疏水性参数，药物分子疏水性是以药物分析脂水分配系为疏水性参数，药物分子疏水性是以药物分析脂水分配系数数P的对数的对数logP表征的，可从文献中查得。表征的，可从文献中查得。n 为电性参数，正值表示为吸电子基，负值为推电为电性参数，正值表示为吸电子基，负值为推电子基。子基。nEs 为立体参数，为立体参数，Taft Es是经典的立体参数，其定义为：是经典的立体参数，其定义为：n式中式中kx和和kH分别是取代乙酸酯和乙酸酯在酸性介质中分别是取代乙酸酯和乙酸酯在酸性介质中的水解速率常数，影响速率常数大小的主要是立体因的水解速率常数，影响速率常数大小的主要是立体因素素nk1、k2、k3和和k4是代表各项因素贡献大小的系数。是代表各项因素贡献大小的系数。第49页，此课件共57页哦3、3D-QSARn药物分子与受体之间的作用是在三维空间进药物分子与受体之间的作用是在三维空间进行的，因此要准确地描述药物的结构与生物行的，因此要准确地描述药物的结构与生物活性的关系，必须知道药物分子乃至受体分活性的关系，必须知道药物分子乃至受体分子的三维结构，建立更加合理的模型。三维子的三维结构，建立更加合理的模型。三维定量构效关系是以配基和受体的三维结构特定量构效关系是以配基和受体的三维结构特征为基础，根据分子的内能变化和分子间相征为基础，根据分子的内能变化和分子间相互作用的能量变化来定量地分析三维结构与互作用的能量变化来定量地分析三维结构与生物活性间的关系。生物活性间的关系。Hansch分析一般只能分析一般只能处理分子的二维结构，属于处理分子的二维结构，属于2D-QSAR，直直到到20世纪世纪80年代中期才由年代中期才由Cramer等提出了等提出了3D-QSAR系统的研究方法。系统的研究方法。第50页，此课件共57页哦n3D-QSAR常用的方法有假想受点点阵常用的方法有假想受点点阵（HASL）、）、分子形状分析（分子形状分析（MSA）、）、比比较分子场分析（较分子场分析（CoMFA）等，这里简单介等，这里简单介绍绍CoMFA法的基本过程：法的基本过程：n.构建出分子的三维结构构建出分子的三维结构 以分子力学和量子化学计算被研究化合物以分子力学和量子化学计算被研究化合物的优势构象，按照合理的重叠规则和根据的优势构象，按照合理的重叠规则和根据对药效图形的推测和判断，把这些分子三对药效图形的推测和判断，把这些分子三维结构重叠在一个包容全部化合物分子的维结构重叠在一个包容全部化合物分子的空间网格上。空间网格上。第51页，此课件共57页哦n选择一个合适的探针原子、基团或分子，选择一个合适的探针原子、基团或分子，在网格中以一定的步长移动（通常为在网格中以一定的步长移动（通常为2埃埃），计算每个点与化合物构象式间的立体排，计算每个点与化合物构象式间的立体排斥能、静电热和疏水作用，确定化合物分斥能、静电热和疏水作用，确定化合物分子周围各种作用力场的空间分布。将它们子周围各种作用力场的空间分布。将它们和各化合物的生物活性共同构成和各化合物的生物活性共同构成ComFA的的QSAR数据表。数据表。第52页，此课件共57页哦第53页，此课件共57页哦n 数据统计分析：数据统计分析：n由于网格点的数目比化合物的数目大的多，由于网格点的数目比化合物的数目大的多，因而采用偏最小二乘法进行回归，建立因而采用偏最小二乘法进行回归，建立3D-QSAR方程。方程。n用得出的用得出的3D-QSAR方程预测未知物的方程预测未知物的活性，指导下一步合成，并通过生物活性活性，指导下一步合成，并通过生物活性验证以判断验证以判断3D-QSAR的正确性。的正确性。第54页，此课件共57页哦4、基于药效基团的间接药物设计、基于药效基团的间接药物设计n药效基团模型法，药效基团模型法，是对一系列活性化合物是对一系列活性化合物进行进行3D-QSAR(三维定量构效关系，三维定量构效关系，3D-quantitative structure-activity relationship)研究，并结合构象分析，得研究，并结合构象分析，得出该类药物的药效学基团模型，以此模型出该类药物的药效学基团模型，以此模型预测新化合物的活性。预测新化合物的活性。第55页，此课件共57页哦n其方法可分为以下几步：其方法可分为以下几步：n根据化合物活性将其分类。根据化合物活性将其分类。n在整个构象空间搜索最低能量构象，建立分子的三维在整个构象空间搜索最低能量构象，建立分子的三维药效基团模型，然后计算出用于识别药物基团的各种药效基团模型，然后计算出用于识别药物基团的各种电性性质、疏水性质和体积性质描述符，如芳香环中电性性质、疏水性质和体积性质描述符，如芳香环中心，亲脂区域，电子和氢键供体、受体等。心，亲脂区域，电子和氢键供体、受体等。n识别出属于同一活性级别所有化合物的共同结构模识别出属于同一活性级别所有化合物的共同结构模式，并统计它在各个活性级别化合物中出现的频率，式，并统计它在各个活性级别化合物中出现的频率，由此确定药效基团的统计参数。由此确定药效基团的统计参数。n叠加同一药效基团分子，并进行优化，确定某叠加同一药效基团分子，并进行优化，确定某类药物具有的药效基团。类药物具有的药效基团。n预测新化合物活性。预测新化合物活性。第56页，此课件共57页哦n 例如法国例如法国Hibert等报道等报道5-HT3受体拮抗剂受体拮抗剂的设计：的设计：n首先测得一系列已知化合物，如甲氧氯普胺、可卡首先测得一系列已知化合物，如甲氧氯普胺、可卡因等因等9个药物的个药物的5-HT3受体结合活性。受体结合活性。n用用SYBYL5.2软件来定义药效基团，每个化合物逐软件来定义药效基团，每个化合物逐步旋转单键和增加二面角，确定其能量允许的构象，步旋转单键和增加二面角，确定其能量允许的构象，在根据分子特性进行最佳拟合，得到各构象式的重在根据分子特性进行最佳拟合，得到各构象式的重叠图。叠图。第57页，此课件共57页哦
