蛋白质模拟与药物设计.ppt

商素琴 重庆医科大学 药学院,蛋白质分子模拟与药物设计,生物信息学,蛋白质分子模拟与设计,蛋白质结构解析 方法: X-射线单晶衍射, NMR ,2019/7/30,生物信息学,2,Recombinant Somatostatin 生长抑素,2019/7/30,生物技术制药绪论,3,b-interferon,b-interferon,X-射线衍射原理,按照确定方式在三维空间,严格的周期性规则排列,各种原子、分子或离子,晶体,点阵,晶胞,晶胞结构图,晶胞,X-射线单晶衍射图谱,X-ray Crystallography Basic Steps,分离 表达 纯化 结晶,目标选择,数据收集,结构解析,结构修正,功能研究,PDB信息,蛋白质和小分子的3D结构,3W1M:克氏锥虫二氢乳清酸脱氢酶与5 - 溴乳清酸盐复合物的晶体结构,PDB信息,2019/7/30,10,黄素单核苷酸,甘油,六氨合钴,5 - 溴乳清酸盐,PDB信息,2019/7/30,11,空间群,晶胞参数,NMR,核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance） 目前对核磁共振谱的研究主要集中在1H和13C两类原子核的图谱,2019/7/30,12,NMR,2019/7/30,13,蛋白体视紫红质,蛋白质分子模拟,Homology Modeling 同源模建是一个根据模板蛋白将一级序列转成3D结构的技术总称；利用已知的蛋白质三级结构为参照，分析氨基酸序列相近的新蛋白的三级结构。 比较权威的蛋白质同源模型构建的服务器是链接在ExPASy网站上的Swiss Model 考虑因素：蛋白同源性，波动性，关键位点差异,2019/7/30,生物信息学,14,软件,Insight II Sybyl 免费软件 Modeller是最经典的同源模建软件，对学术用户免费： /modeller/ swiss-model服务器也可以进行在线模建： /SWISS-MODEL.html,2019/7/30,15,2019/7/30,生物技术制药绪论,16,蛋白质分子设计,蛋白质工程: 运用蛋白质结构功能和分子遗传学知识,从改变或合成基因入手,定向地改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质 蛋白质工程与基因工程的区别： 基因工程是通过基因操作把外源基因转入适当的生物体内,并在其中进行表达,其产品还是该基因编码的天然蛋白质。 蛋白质工程则更进一步根据分子设计的方案,通过对天然蛋白质的基因进行改造,来实现对其所编码蛋白质的改造,其产品经过改造的,具有了人类所需特点的蛋白质。,Drug discovery: Successful process More than 10 years More than $300 million More than 10000 tested compounds For one drug!,蛋白质与药物设计,I. Choose a disease,VI. Market,V. Clinical Trials,IV. Optimize lead,III. Find a lead compound,II. Choose a drug target,Discovering and Developing the One Drug,2019/7/30,生物信息学,18,Ligand-based drug design,2D-QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships) Hansch Analysis,2019/7/30,生物信息学,19,log1/C= a(logP)2 + b logP +c+ d Es +k,2019/7/30,20,先导化合物的产生,天然生物活性物质 以生物化学或药理学为基础的先导物 以药物的副作用为先导物 以药物合成的中间体作为先导物 用普筛的方法发现先导物,22,CoMFA,Comparative Molecular Field Analysis The idea underlying a CoMFA is that differences in a target property are often related to differences in the shapes of the non-covalent fields surrounding the tested molecules. Hypothesis: the tested conformation is the conformation to bind with receptor. (low-energy conformation),23,2D3D,24,Conformation Searching,Conformation Variation,Energy,Stable Conformation,25,superposition,2019/7/30,26,27,Box and Grid,28,29,Probe Atom or Group electronic atom, ion or molecule with certain volume,H2O Water, the Hydrophobic Probe H+ Electrostatic interaction CH3 Steric interaction C+ sp3 Electrostatic & Steric interaction O: sp2 carboxy oxygen atom N:= sp2 N with lone pair N3+ sp3 amine NH3 cation O- sp2 phenolate oxygen,30,Box and Grid,PLS:,31,Steric CoMFA Contour Map,32,Electrostatic CoMFA Contour Map,33,Receptor-based drug design,2019/7/30,生物信息学,34,分子生物学和结构生物学的发展，使得一些靶标生物大分子的功能被阐明，三维结构被测定 计算机科学的发展，出现了功能先进的图形工作站，极大地提高了计算和数据分析的速度和精度； 发展了许多药物分子设计方法，如基于生物大分子三维结构的分子对接(Molecular Docking)方法和基于药物小分子的三维定量构效关系分析方法和数据库搜寻方法等。,2019/7/30,生物信息学,35,PDB statistics,2019/7/30,36,AA,AA,AA,AA,AA,AA,AA,Find a Lead Compound,NMR,Binding Site,Protein,Protein,NO OBSERVABLE BIOLOGICAL EFFECT,13C NMR,CH2,CH3,13C NMR,C,C,CH,CH,CH,CH2,CH3,Protein,Optimize epitope,Protein,Optimize epitope,Optimize epitope,LEAD COMPOUND,Me,Epitope A,Epitope B,Lead compound,b-Adrenoceptor,b-Adrenoceptor,SALBUTAMOL,b-Adrenoceptor,a-Adrenoceptor,软件举例: Insight II,InsightII三维图形环境软件包，在揭示蛋白质结构功能关系、生物分子结构模拟与动力学计算、基于靶点药物设计、抗体设计、酶工程、生物分子间的相互作用（包括蛋白质与蛋白质、蛋白质与肽、蛋白质与核酸、蛋白质与有机小分子）、生物分子NMR、功能基因组以及蛋白质组等方面有着广泛的应用。,2019/7/30,生物信息学,50,软件举例: Sybyl,Structural Biology & Bioinformatics： ” SYBYL-X有着当今最先进、最现代的同