毕业论文_抗结核病药物的3D-QSAR定量结构性质关系研究.doc

i 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质 关系研究 摘 要 采用三维全息原子场作用矢量(3d-hovaif)和基于虚拟蛋白质受 体原子探针的分子表面随机采样分析(rasms)对 25 个查耳酮类抗结核 病药物进行定量构效关系(qsar)研究。运用多元线性回归(multiple linear regression, mlr)及偏最小二乘回归(partial least square regression, pls)建模，同时采用内部及外部双重验证的办法对所得 模型稳定性能进行了深入分析和检验。采用 3d-hovaif 的 mlr 及 pls 建模的复相关系数( rcum2)、留一法(leave-one-out, loo)交互校验 (cross-validation, cv)复相关系数( qloo2)和外部样本校验复相关系 数( qext2)分别为 0.984、0.920、0.808 和 0.998、0.975、0.903；采 用 rasms 分别为 0.975、0.914、0.764 和 0.926、0.905、0.829。结 果表明，3d-hovaif 和 rasms 都有较好表征抗结核药物分子结构信息， 因而能建立具有良好稳定性和预测能力的 qsar 模型。 关键词：体外抗菌活性，抗结核病药物，三维全息原子场作用矢量， 比较分子/虚拟受体相互作用分析法，定量构效关系 i i anti-tb drugs by 3d-qsar quantitative structure-property relationship study abstract a newly developed three-dimensional holographic vector of atomic interaction field (3d-hovaif) and protein-based virtual surface receptor molecule atom probe analysis of random sampling (rasms) were used to describe the chemical structures of 25 chalcone as antituberculosis agents. here quantitative structure activity relationship (qsar) models were built by multiple linear regression （mlr） and partial least square regression (pls). the estimation stability and generalization ability of these models were strictly analyzed by both internal and external validations. when use 3d-hovaif, the correlation coefficient (r2) of established mlr and pls， leave-one-out (loo) cross-validation (cv), predicted values versus experimental ones of external samples were 0.998、0.975、0.903 and 0.926、0.785、0.785, respectively. when use (rasms), the results were 0951、0.914、0.829 and 0.928、0.905 、0.764. the results indicated that results of pls here had favorable estimation stability and good prediction capabilities. satisfactory results showed that 3d-hovaif and rasms could preferably i ii express information related to biological activity of anti- tuberculosis drug. key words: in vitro antibacterial activity, anti- tuberculosis drug, three-dimensional holographic vector of atomic interaction field, quantitative (3d-hovaif), protein- based virtual surface receptor molecule atom probe analysis of random sampling (rasms), structure-activity relationship (qsar) i v 目 录 摘 要 i abstractii 1 引 言 1 1.1 结核病和抗结核病药物简介 1 1.1.1 结核病简介 .1 1.1.2 抗菌活性 .1 1.1.3 抗结核病药物的发展历史 .1 1.1.4 抗结合药物回顾 .2 1.1.5 抗结核新药研究开发的现状 .2 1.2 计量化学简介 .4 1.3 计算机辅助药物分子设计的基本理论与方法 5 1.3.1 计算机药物辅助设计的基本理论 .5 1.3.2 常用的计算机辅助药物设计方法 .5 1.4 定量构效关系研究 5 1.4.1 定量构效关系研究的基本理论 .5 1.4.2 定量构效关系研究的发展 .6 1.4.3 定量构效关系研究的意义 .7 1.4.4 定量构效关系的研究现状 .7 2 原理与方法 .9 2.1 三维全息原子场作用矢量(3d-hovaif)的基本概念及相关计算 9 2.2 基于虚拟蛋白质受体原子探针的分子表面随机采样分析(rasms)的 基本概念及相关计算 .16 v 2.2.1 蛋白质受体原子探针 16 2.2.2 虚拟受体可及表面 17 2.2.3 药物分子中常见原子分类 18 2.2.4 探针原子与药物配体的作用模式 18 2.2.5 rasms 实现过程 .19 2.3 多元线性回归原理 .20 2.4 偏最小二乘法原理 .21 3 模型的建立与检验 23 3.1 数据采集 .23 3.2 变量筛选 .24 3.3 多元线性回归建模 .25 3.3.1 模型的建立 .25 3.3.2 模型的检验 27 3.4 偏最小二乘建模 .28 3.4.1 模型的建立 28 3.4.2 模型的检验 31 4 结论 34 致 谢 .35 参 考 文 献 .36 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 1 1 引 言 1.1 结核病和抗结核病药物简介 1.1.1 结核病简介 结核病(tuberculosis, tb)是结核分枝杆菌(mycobacterium tuberculosis, mtb)引起的感染性疾病，可侵犯全身各器官，以肺结 核最为多见。它是一种发展缓慢、如果不加治疗能导致长期健康不良 及死亡的疾病。 结核病在过去被称为“痨病”。它是由于感染结核杆菌而引起的 一种慢性传染病。它传染性强，散播面广，而且不分地域、季节均可 能发生。结核病主要是通过空气传播的呼吸道传染病，此外还可以通 过消化道、皮肤、胎盘和生殖器等途径传染。对人类来说，普遍对结 核菌易感，但感染后是否发病决定于结核菌的毒力、数量以及人体抵 抗力。尤其是人体的抵抗力减退，就容易发生结核病 1。 全球有1/3人口感染了结核杆菌，其中99%的结核病死亡者分布在 发展中国家。患病率高、死亡率高、耐药率高、年递降率低是结核病 近年的疫情特征。100多年以来，虽有不少抗结核病药物被发现，但 每年仍有30万人死于结核病，其中主要是1455岁的青年和中年人。 近几年，结核发病率有上升趋势。据专家预测，如不采取有力措施， 未来10年内全球将有3000万人死于结核病。全球每年有1%的人被结核 杆菌感染，现有活动性肺结核病人2000万，每10秒钟就有1人死于结 核病，每4秒钟就有1人患上结核病。我国现有活动性肺结核病人600 万，每年因结核病死亡25万人。 陕西科技大学毕业论文 2 1.1.2 抗菌活性 抗 菌 活 性 是 指 抗 菌 药 抑 制 或 杀 灭 病 原 微 生 物 的 能 力 。 可 用 体 外 抑 菌 试 验 和 体 内 实 验 治 疗 法 测 定 。 体 外 抑 菌 实 验 对 临 床 用 药 具 有 重 要 参 考 意 义 。 能 够 抑 制 培 养 基 内 细 菌 生 长 的 最 低 浓 度 为 最 小 抑 菌 浓 度 （ minimal inhibitory concentration, mic） 。 以 杀 灭 细 菌 为 评 定 标 准 时 ， 使 活 菌 总 数 减 少 99%或 99.5%以 上 ， 称 为 最 小 杀 菌 浓 度 （ minimal bactericidal concentration, mbc） 。 在 一 批 实 验 中 能 抑 制 50%或 90%受 试 菌 所 需 mic， 分 别 称 为 mic50及 mic90。 抗 菌 药 的 抑 菌 作 用 和 杀 菌 作 用 是 相 对 ， 有 些 抗 菌 药 在 低 浓 度 时 呈 抑 菌 作 用 ， 而 高 浓 度 呈 杀 菌 作 用 。 1.1.3 抗结核病药物的发展历史 最早出现的有效抗结核药物当数链霉素(sm)。它发现于20世纪40 年代，当时单用sm治疗肺结核23个月后就可使临床症状和x线影像 得以改善，并可暂获痰菌阴转。对氨水杨酸(pas)被应用于临床后发 现，sm加pas的治疗效果优于单一用药，而且可以防止结核分支杆菌 产生耐药性。发明异烟肼(inh)后，有人单用inh和联用inh+pas或sm 进行对比治疗试验，再一次证明了联合用药的优势。于是在此基础上 产生了著名的结核病“标准”化疗方案，即sm+inh+pas，疗程一年半 至两年，并可根据药源和患者的耐受性将pas替换为乙胺丁醇(emb)或 氨硫脲(tb1)，俗称“老三化”。20世纪70年代随着利福平(rfp)在临 床上的应用以及对吡嗪酰胺(pza)的重新认识，在经过大量的实验后， 短程化疗成为结核病治疗的最大热点，并取得了令人瞩目的成就。 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 3 1.1.4 抗结合药物回顾 自1944年发现链霉素，20世纪5060年代发现异烟肼与利福平以 来，相继有多种抗结核药问世。根据抗菌作用强弱可分为:1)具有杀 菌作用的药物。如异烟肼、利福平、链霉素、卡那霉素、卷曲霉素、 乙硫异烟胺、吡嗪酰胺等。2)具有一定杀菌作用的药物。如氧氟沙星、 左氧氟沙星等喹诺酮类抗菌药。3)具有抑菌作用的药物。如乙胺丁醇、 环丝氨酸、对氨基水杨酸等。按临床应用可分为一线与二线抗结核药。 前者有异烟肼（nh）、利福平（rfp）、链霉素（sm）、吡嗪酰胺 （pza）、乙胺丁醇（eb）；后者有乙硫异烟胺（eth）、卡那霉素 （km）、环丝氨酸（cs）、卷曲霉素（cpm）、氨硫脲（tbl）、对氨 基水杨酸（pas）、氧氟沙星（oflx） 2。 1.1.5 抗结核新药研究开发的现状 近年来抗结核药物的研究开发获得进一步的发展，发现了一些有 苗头的新化合物，开发的前景也很广阔。 1) 利福霉素类 利福喷丁于1998年在美国获得批准用于治疗结核病。利福布丁获 准用于hiv合并结核病不能应用利福平的患者。苯并口恶嗪利福霉素 (rifalazil, krm-1648, rlz)比利福平具有更强的杀菌作用，对结核 分枝杆菌的mic比利福平强64倍，而半衰期长60h，在小鼠结核病治疗 实验中rlz加吡嗪酰胺的联合灭菌效果可与异烟肼与利福平的联合治 疗效果相比拟，而在停药后复发率更低。现进入期临床研究。但利 福霉素类药物存在交叉耐药性，且有动物实验结果表明它们均对mdr- 陕西科技大学毕业论文 4 tb无效。 2) 氟喹诺酮类(fqs) 研究发现本类中第三代、第四代氟喹诺酮类药物中有不少具有较 强的抗结核分枝杆菌活性，对非结核分枝杆菌亦有作用，目前环丙沙 星、氧氟沙星、左氧氟沙星等成为治疗mdr-tb的主要选择药物。莫西 沙星(moxiflox acin) ( mic 0. 25 lg/ ml) 3、加替沙星(gatiflox acin) (0. 25lg/ml)4和加仑诺沙星(garenox acin)等第四代fqs显 示更强的抗结核活性，具有一定的开发潜力。 3) 新大环内酯类药物(克拉霉素、阿奇霉素、罗红霉素) 这类药物是红霉素的衍生物，抗分枝杆菌的作用机制是菌体内核 糖体的sos亚基可逆性结合，干扰蛋白质的合成。其中罗红霉素抗结 核分枝杆菌作用最强。与利福平和异烟肼有协同作用。此类药物有良 好的药动学特征，口服易吸收，组织穿透性好，组织细胞内浓度高于 血药浓度，并有中等长的半衰期，新大环内酯类药物主要用于非结核 分枝杆菌感染和耐多药结核病的治疗。 4) 恶唑烷酮类 本类属于新型的合成抗菌剂，具有广谱的抗分枝杆菌作用，作用 机制是通过与50s核糖体亚单位相结合抑制细菌蛋白质的合成，目前 正从中开发抗革兰阳性耐药菌和抗分枝杆菌的新药。其中pnu-100480 在治疗小鼠结核感染中证实其疗效，剂量100 mg/kg时与异烟肼25 mg/kg的效果相当，此外在合并的实验中发现其作用与异烟肼或利福 平在不同实验中的活性 5。另一药利奈唑酮(linezolid)在小鼠实验 治疗中比pnu-100480和异烟肼稍差，已试用于耐药结核病的治疗并取 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 5 得明显的疗效 6，但因有血液学毒性等及价格昂贵等问题而受限。 5) 硝基咪唑并吡喃类 源于20世纪70年代印度研究者的发现，cgi-17341对耐药结核分 枝杆菌的mic为0.10.3 lg/ml，体外抗结核活性近于异烟肼、利福 平，动物实验结果亦然，与其他抗结核药物无交叉耐药，是有希望的 抗结核药，正处于期临床研究阶段。本类中筛选出硝基咪唑并吡喃 有效化合物pa-824对敏感结核分枝杆菌和单耐利福平结核分之杆菌的 mic是0.0150.25 lg/ml，多耐药结核分枝杆菌对pa-824同样敏感， 与现有的抗结核药物无交叉耐药性 7。体外实验发现pa-824在低氧环 境下培养的非复制期结核分枝杆菌模型中有作用，其活性类似于甲硝 唑，明显强于cgi-17341和异烟肼(异烟肼对此模型中的结核分枝杆菌 无作用)。应用结核分枝杆菌报告荧光素酶表达的菌株的短期小鼠感 染模型对50种以上的naps化合物的体内活性测定时发现，虽然pa-824 的体外抗结核活性不是最强的， 但在口服25 mg/kg剂量下具有最强 的体内活性，说明pa-824具有较naps中其他化合物良好的药动学特征。 急性动物毒性实验ld50是1000 mg/kg，500 mg/kg连续口服28d，未出 现明显不良反应。pa-824对多耐药结核分枝杆菌、非复制持留性结核 分枝杆菌均具有抗菌活性，说明naps可能具有新的作用机制 8。本类 中筛选出的有效化合物为pa-824，它对药物敏感的结核分枝杆菌及耐 利福平的结核分枝杆菌的mic为0.015-0.25 mg/ml，对耐多药结核分 枝杆菌也敏感。它对缺氧条件下培养的结核分枝杆菌有杀菌活性。治 疗豚鼠气雾感染结核时，40 mg/kg每日一次连用30d时，其疗效与异 烟肼治疗相当。硝基咪唑并吡喃类已证明对持留状态和休眠状态的结 陕西科技大学毕业论文 6 核分枝杆菌有效，这类化合物的出现对改善非复制菌群的作用带来极 大的希望，提示有可能成为缩短疗程的有效药物。 6) 吩噻嗪类 氯法齐明(氯苯吩嗪，clofazimine, cfm)是一种用于麻风病的药 物，近年来开始试用于耐药结核病的治疗。cfm是一种吩嗪染料，通 过与分枝杆菌的dna结合抑制转录而产生抑制分枝杆菌生长的效果。 硫利达嗪(thioridazine) 9是抗精神病药，服药后耐受性较好，氯丙 嗪对敏感菌及耐药菌均有效在体外减慢结核分枝杆菌的生长。此类药 物对人体结核病的治疗作用尚有待进一步研究。 7) 脂肪酸和分枝菌酸合成的抑制剂是抗结核药物开发的一个新领域。 硫内酯霉素(thio lactomy cin, tlm)在试管内小鼠巨噬细胞模型中 显示，tlm有杀灭细胞内结核分枝杆菌作用并呈剂量依赖性。辛磺酰 基乙酰胺(n-octanesulfony lacetamide, osa)对耐异烟肼和多耐药 结核分枝杆菌的mic分别为6.25和12.5 lg/ ml。 8) 硫乙酰霉素 10glax o-smithkline公司抗结核药项目执行董事 duncan博士称，公司正与美国国立卫生研究所(nih)合作开发一种天 然抗结核药物硫乙酰霉素，这种低分子量化合物在体内和体外均 具有抗结核能力，对耐药结核分枝杆菌亦有作用，该研制始于2001年， 进入临床应用可能尚需数年 11。 1.2 计量化学简介 又称化学统计学，数学、统计学、计算机科学与化学结合而形成 的化学分支学科。它应用数学、统计学和其他方法和手段（包括计算 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 7 机）选择最优试验设计和测量方法，并通过对测量数据的处理和解析， 最大限度地获取有关物质系统的成分、结构及其他相关信息。 化学计量学是瑞典umea大学s.沃尔德(s.wold)在1971年首先提出 来的。1974年美国b.r.科瓦斯基和沃尔德共同倡议成立了化学计量学 学会。化学计量学在80年代有了较大的发展，各种新的化学计量学算 法的基础及应用研究取得了长足的进展，成为化学与分析化学发展的 重要前沿领域。它的兴起有力地推动了化学和分析化学的发展，为分 析化学工作者优化试验设计和测量方法、科学处理和解析数据并从中 提取有用信息，开拓了新的思路，提供了新的手段。 化学计量学的研究对象是有关化学量测的基础理论和方法学。它 所研究的内容包括：统计学和统计方法；分析信息理论；采样；试验 优化与设计；分析校正理论；分析信号检测和分析信号处理；化学模 式识别；图像分析；构效关系研究；人工智能和专家系统；人工神经 元网络与自适应化学模式识别；库检索等。其任务是研究有关化学测 量的理论与方法学，应用数学、统计学与信息理论、计算机科学的方 法和手段，科学地设计化学实验，选择最优的测量方法，最有效地获 取体系有用的特征数据，并通过解析测量数据最大限度地从中提取有 关物质的定性、定量、形态、结构等信息。它是一门正在发展的新兴 学科，其主要研究内容包括统计学与统计方法、校正理论、模型估计 和参数估计、实验设计和优化方法、分析信号处理、化学模式识别、 定量构效关系、人工智能和专家系统、软件和库检索等。 陕西科技大学毕业论文 8 1.3 计算机辅助药物分子设计的基本理论与方法 1.3.1 计算机药物辅助设计的基本理论 随着生命科学和信息科学的快速发展，21世纪创新药物研究以全 新的面貌出现。以化学、生物学、数学和计算机科学为基础的计算机 辅助药物分子设计 12(computer-aideddrug design, cadd)在药物研 发中起着重要的作用，是药物研究的主要技术之一，已成为国际上十 分活跃的科学研究领域。 计算机辅助药物设计以计算机为工具，根据前人积累的有关生物 活性物质结构与功能的资料，以及受体在生物体内的作用靶点，采用 各种理论计算方法和分子图形模拟技术，设计出具有特定药效的药物 分子。计算机辅助药物设计方法可以用于研究配体和受体复合物的构 型和立体化学特征、药物与受体的结合模式和特异性、药物分子的活 性基团和药效团模型等，为改进现有的生物活性物质的结构并设计出 新的药物分子提供理论指导和思路 13。 1.3.2 常用的计算机辅助药物设计方法 计算机辅助药物设计是基于对药物和受体间相互作用的理解和研 究。根据生物大分子（受体）是否已知把计算机辅助药物设计方法分 为两类 14，一类是基于配体的药物设计，另一类是基于受体结构的 药物设计。 基于配体的药物设计方法主要是针对未知受体结构的药物分子的 设计，主要包括定 量构效关系方法 15、药效基团模型方法以及类药性分析方法这三种 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 9 方法。基于受体结构的药物设计是通过各种计算化学和分子图形学的 方法来研究受体与配体的结合模式和特征，探讨影响配体与受体结合 的关键分子间作用；结合系统能量和分项能量的分析计算以发现选择 性作用于靶点的配体分子。基于受体结构的药物设计包括活性位点分 析法、数据库搜寻法和全新药物设计。 1.4 定量构效关系研究 1.4.1 定量构效关系研究的基本理论 狭义的构效关系(structure activity relationships, sar)是 指药物的结构发生变化时生物活性的定性变化经验。定量构效关系 (quantitative strucher activity relationships, qsar)是由sar 发展而来的，它采用数学模式来描述药物的生物活性与结构间的定量 依赖关系 16，是适应合理设计生物活性分子的需要而发展起来的 17。 定量构效关系 18-19是指利用理论计算和统计分析工具来研究系列化合 物结构(包括二维分子结构、三维分子结构和电子结构)与其生物效应 (如药物的活性、毒性、药效学性质、药物代谢动力学参数和生物利 用度等)之间的定量关系，即采用数字模型，借助理化参数或结构参 数来描述有机小分子化合物(药物、抑制剂等)与有机大分子化合物 (酶、辅酶或有机大分子)或组织之间(受体、细胞、动物等)的相互作 用关系。 1.4.2 定量构效关系研究的发展 1868年，crumbrown和fraser发表了qsar方面的第一个方程巾 陕西科技大学毕业论文 10 =f(c)，该方程表明 20，化合物的生理活性由可用化学结构c的函数 表示，但并未建立明确的函数模型。最早的可以实施的定量构效关系 方法是美国波蒙拿学院的hansch在1962年提出的hansch方程。其最初 的形式为方程(1-1)， lglc=algp+b+ces+constant (1-1) 即活性与疏水参数lgp、电性参数和立体参数es相关。随后， hansch和日本访问学者藤田稔夫等人一同改进了hansch方程的数学模 型，引入了指示变量、抛物线模型和双线性模型等修正，得到方程 (1-2)，使得方程的预测能力有所提高 21。 lglc=a(lgp) 2+blgp+c+des+constant (1-2) free等人几乎与hansch方法发表的同时发表了freewilson方法，其 直接以分子结构作为变量对生物的生理活性进行回归分析。hansch方 法、freewilson方法等方法均是将分子作为一个整体考虑其性质， 并不能反应分子的三维结构与生理活性之间的关系，因而被称为二维 定量构效关系(2d qsar)。 20世纪80年代在qsar研究中出现了考虑生物活性分子与受体结合 的三维结构性质的研究方法，称为三维定量构效关系(3d-qsar)。如 在1979年crippent 22等提出距离几何学的3d-qsar、1980年 hopfinger23-24等提出分子形状分析方法和1988年cramer 25等提出了 比较分子场方法(comfa)等。比较分子场方法一经提出便席卷整个药 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 11 物设计领域，成为了应用最广泛的基于定量构效关系的药物设计方法； 1990年出现了新的三维定量构效关系方法，如在比较分子场方法基础 上改进的比较分子相似性方法(comsla)以及在距离几何学的3d-qsar 基础上发展的虚拟受体方法等，这些方法都成功得到了一些3d-qsar 模型，为设计高活性生物分子提供了很多有益的提示。 1997年hopfinger等提出了4d-qsar的概念，此方法首次采用遗传 算法选择分子动力学产生的构象来产生最佳的构效关系模型。用每个 格点对用的原子占有率来作为偏最小二乘回归的变量，根据原子的不 同特征定义了七种不同种类的原子模型。4d-qsar方法考虑了药物分 子的整个构象空间，考察了多种原子叠合方式，因此在概念上比传统 的comfa方法有一定的进步。在qsar研究过程中考虑影响生物活性的 因素不断增加， qsar向着更高的维数发展，接着又有了5d- qsar、6d-qsar概念的提出，它们各有特色，但还没被普遍承认，有 待进一步的研究和考证 26。 1.4.3 定量构效关系研究的意义 化学及其相关学科的发展至今已呈现出从描述性向推理性、从宏 观状态研究到微观结构理论发展的趋势。人们在长期实践过程中认识 到，分子结构与其性质密切相关。分子结构一经确定，其性质也随之 而定。分子的性质包括内在性质(如电荷分布)、化学性质(如 pka)和 生物性质(如活性)等各种性质。结构-性质相关（structure- property relationship, spr )主要是研究它们之间的规律。其中研 究分子结构特征与相应生物活性之间关系，即所谓构效关系 陕西科技大学毕业论文 12 (structure-activity relationship, sar)，定量构效关系 (quantitative structure activity relationship, qsar) 被大量 地应用于药物科学研究，其数学模型对于有机化学品的药物活性评价 与预测具有广阔的应用前景。由于该方法具有简单、方便、使用参数 不依赖于实验等优点，从而被广泛应用于预测抗结核病药物的各种药 物活性的研究中 18-21。定量构效关系(quantitative structure- activity relationship, qsar)由 sar 发展而来，其是采用数学模型 来描述分子生物学活性与结构间的定量相关关系 22。其内容涵盖定 量结构活性相关(qsar)、定量结构性质相关(qspr)、定量结构谱学性 质相关(qssr)、定量结构色谱保留指数相关(qsrr)、定量结构热力学 函数相关(qstr)、定量结构药代动力学相关(qskr)、定量结构亲和相 关(qsafr)等诸多方面。随着研究的不断深入和扩展，如今 qsar 研 究已经成为环境化学、计算化学、药学、生物学、生物信息学等多学 科领域的一个前沿课题。定量构效关系发展迅速，自提出至今短短 40 余年的时间随着计算机技术和分子学的快速发展，定量构效关系 已经从经典的二维定量构效关系发展到具有直观性的三维定量构效关 系 27，再到可以模拟化合物分子的全部构象的四维定量构效关系， 直至可以模拟诱导契合的五维定量构效关系，因此，qsar 和 qsrr 的 研究受到了环境化学、农业化学以及药物化学家的关注，也成为了色 谱科学的一个新的研究分支领域，依据化合物结构和保留值之间的定 量保留关系可以对一个新溶质的保留值进行预测。 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 13 1.4.4 定量构效关系的研究现状 目前，有关定量构效关系方面的研究呈现出以下几个特点 28-30： 1) 综合性：主要研究化合物分子结构与物化性质或生物活性之 间的定量函数关系，覆盖了化学、物理学、生命科学等学科的一个交 叉学科领域。同时定量构效关系研究发展至今，越来越多地借助于数 理统计方法和计算机技术的最新发展，所以要求研究者必须熟悉化学、 物理学、生物学、数理统计和计算机等相关知识。 2) 理论性：早期的 qsar 研究往往比较注重定量构效关系模型的 预测功能，即实用性；而最近的定量构效关系研究则更注意定量模型 的因果关系，即理论性。人们总是期望一个成功的数学模型，能从本 质上揭示和解释影响物质某种性质的本质因素，揭示和描述生物活性 的作用机制，从而达到提高有用生物活性，控制有害生物毒性的目的。 3) 智能化：化合物的物化性质和生物活性受到诸多因素的影响， 化合物的结构因素也是多种多样的，包括电子结构、立体结构和理化 参数等。其中某些因素对特定的性质影响较大，而另一些因素则影响 较小，其间的关系复杂多样。当化合物结构范围较宽时，要在化合物 结构与某种性质之间建立满意的数学模型必须借助于多变量分析方法 和计算机的自适应优化建模功能。因此主成分分析、偏最小二乘、判 别分析、聚类分析、模拟退火、人工神经网络、遗传算法等方法被越 来越多地应用于定量构效关系研究，并辅以计算机的智能化技术，促 使定量构效关系研究向智能化方向发展。 4) 程序化：一个定量构效关系模型的建立往往是建立在对大量 陕西科技大学毕业论文 14 化合物的生物活性数据及结构参数分析基础之上，同时还需从诸多结 构参数中筛选出对化合物特定性质具有显著影响的变量。从参数的计 算到相关分析，工作十分繁杂而且容易出错。近期发展起来的 case(computer automated structure evaluation)系统使得化合物 参数的计算，重要变量的筛选，乃至模式分析和模型建立完全程序化。 这样的专家系统，不仅大大方便了模型的建立过程，同时也为那些不 熟悉化学、物理或生物学知识却需要使用构效关系模型的科研工作者 提供了极大的方便。 5) 实用化： (a)为化学品危险性评价提供一种简便实用的途径。通过实验的 方法对化合物进行全面危险性评价不仅需要大量的资金投入，而且历 时较长。通过qsar研究可为化学品的暴露水平和生物效应作出预测和 评价，可大大节省人力物力的投入。 (b)指导合成高效低毒的新化合物。通过定量构效关系研究可发 现并确定对化合物活性起关键作用的结构因素，从而指导高效低毒化 合物的目标分子设计。 (c)建立化学品性质及毒性数据库。建立化学品性质及毒性的定 量构效关系模型有助于从已经测定的数据中最大限度地获取有用信息。 此类模型的建立不仅使得数据库具有预测功能，而且可以发现数据中 偏离模型“可疑数据” 。而这些“可疑数据”或“异常样本”的发现 往往又可以帮助和启示人们寻找一些更为有意义的规律。 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 15 2 原理与方法 2.1 三维全息原子场作用矢量(3d-hovaif)的基本概念及相关计算 在分子电性距离矢量 31-33的基础上，本实验室提出一种有效的3d 分子结构描述子：三维全息原子场作用矢量(3d-hovaif)。该法从分 子立体结构的两个空间不变量原子相对距离和原子自身性质出发， 基于三种常见的与生物活性直接相关的原子间非键作用方式(静电、 立体和疏水作用)，在不借助任何实验参数及毋需样本构象重叠的前 提下得到了用于表征分子结构特征的多维矢量描述子。 有机分子中常见原子有氢、碳、氮、磷、氧、硫、氟、氯、溴、 碘，它们分别属于元素周期表的5个主族(ia、iva、va、via、viia)， 按其所处元素周期表划分为5大类，为了更好地表达分子细微结构特 征，并考虑到同一族原子处于不同杂化状态时化学性质也有较大差异， 继而在上述分类的基础上再进一步把不同主族中的原子按其杂化状态 细分为10类，这样一个分子内部不同类别原子之间的相互作用情况就 有55种(表2-1)。 表 2-1 3d-hovaif 中的 10 类原子及它们的 55 种相互作用情况 序 号. 原子类 型 h c(sp 3) c(sp 2) c(s p) n(sp3 ), p(sp3 ) n(sp2 ), p(sp2 ) n(sp ), p(sp ) o(sp3)， s(sp3) o(sp2 ), s(sp2 ) f, cl， br, i 1 h 1- 1 1-2 1-3 1- 4 1-5 1-6 1-7 1-8 1-9 1-10 陕西科技大学毕业论文 16 2 c(sp3) 2-2 2-3 2- 4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 3 c(sp2) 3-3 3- 4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 3-10 4 c(sp) 4- 4 4-5 4-6 4-7 4-8 4-9 4-10 5 n(sp3), p(sp3) 5-5 5-6 5-7 5-8 5-9 5-10 6 n(sp2), p(sp2) 6-6 6-7 6-8 6-9 6-10 7 n(sp), p(sp) 7-7 7-8 7-9 7-10 8 o(sp3), s(sp3) 8-8 8-9 8-10 9 o(sp2), s(sp2) 9-9 9-10 10 f, cl, br, i 10- 10 本文3d-hovaif采用静电、立体和疏水三种势能来表达不同的作 用形式，这样对于一个有机化合物分子将有355=165对原子作用项 来表征分子结构信息。虽然3d-hovaif中的原子相互作用方式不是配 基与靶点的直接作用，但是在大多数受体未知的情况下3d-hovaif描 述子中包含了丰富的药物分子势能分布信息。 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 17 1）静电作用场 静电作用(electrostatic interaction)是一类重要的非键形式， 经典的点电荷作用方式可用库仑(coulomb)定理(式 2-1)来表述。 (1 m10 ， m n10) (2-1) 式(1)中 rij是原子间 euclid 距离，单位为 nm； e 为单位电荷电量 1.602189210-19 c； 0为真空中的介电常数 8.8541878210-12 c2/jm； z 为原子净电荷数，以电子为单位； m 和 n 为原子所属种类。 通过该式计算分子中所有原子间的静电作用势，并按所属类型将其分 别计入 55 个静电作用项中。 2）立体作用场 立体作用(steric interaction)是空间原子间存在的非偶极-偶 极或偶极诱导作用，这里采用 lennard-jones 方程来描述这种作用方 式(式 2-2)。 式(2)中 ij为原子对势能阱深，取文献值 33-34(表 2-2)； d 为经验 推导的原子间作用能校正常数，取 0.01； rij*=(chrii*+ chrjj*) /2，为校正后的原子对 van der waals 半径，校正因子 ch当 sp3杂化 时取 1.00, sp2杂化取 0.95, sp 杂化取 0.90。 ijnjminrzee,024)( 6*12*,)(ijijnjmiin rrdse(1m10, mn10) (2-2) 陕西科技大学毕业论文 18 表 2-2 lennard-jones 中原子势阱参数 原子 ei(kj/mol )0.5 h 0.3985 c, s，其 它 0.5555 c(sp2) 0.3966 n 1.3142 o 0.8789 3）疏水作用场 疏水作用(hydrophobic interaction)是影响药物分子与生物体 结合的重要因素，使用 kellogg 等提出的 hint 方法 24-27来定义计算 两原子间疏水作用表达式(式 2-3)。 (1m10, mn10) njmi ijrjin teasheij,)( (2-3) 式(3)中 s为原子溶剂可及面积(solvent accessible surface area of atom, sasa)，是以水分子(范德瓦尔斯半径为0.14 nm)为探针在 原子表面滚动其球心形成的表面面积 28(表2-3)； 为原子疏水性常 数，取文献值； t是作用形式的二值判别函数，以表明不同类型原子 疏水作用的熵效应变化方向。 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 19 表 2-3 有机分子中常见原子的范德瓦耳斯半径和溶剂可及面积 原子 范德华半径 (10 - 1nm) sasa(10- 2nm2) h 1.20 84.85 c 1.85 132.73 n 1.54 108.62 p 1.90 136.85 o 1.40 98.52 s 1.85 132.73 f 1.35 94.34 cl 1.81 129.49 br 1.95 141.03 i 2.15 158.37 表2-4 原子疏水/溶解常数 序号. 原子类型 asp 1 cooh -8.80e- 04 2 acooh(a has electrons) 7.06e- 03 陕西科技大学毕业论文 20 3 sh 7.05e- 03 4 c.arn.amh 1.81e- 03 5 xn.amh -7.08e- 03 6 n.amh 9.49e- 04 7 xn.amh -7.85e- 03 8 n.amh -6.59e- 03 9 n+h -1.92e- 02 10 c.arnh -5.01e- 03 11 xnh (n is affected) -1.22e- 02 12 nh (n is affected) -3.15e- 03 13 xnh -7.90e- 03 14 nh -8.41e- 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 21 03 15 c.aroh -2.18e- 03 16 xoh (n is affected) -4.46e- 03 17 oh (n is affected) -2.11e- 02 18 xoh -4.81e- 03 19 oh -8.92e- 03 20 xc.arh 6.52e- 03 21 c.arh (c.ar is hydrophobic carbonc) 5.89e- 03 22 c.arh 7.88e- 03 23 xah (a has electrons) 6.14e- 03 24 ah (a has electrons and is hydrophobic carbon) 9.41e- 03 25 ah (a has electrons) 2.98e- 03 陕西科技大学毕业论文 22 26 oh (charged o) -2.80e- 03 27 xch (c is affected) 3.39e- 03 28 ch (c is affected and is hydrophobic carbon) 1.01e- 02 29 ch (c is affected) 4.52e- 03 30 xch 2.93e- 03 31 ch (c is hydrophobic carbon) 1.23e- 02 32 ch 6.77e- 03 33 so -3.92e- 02 34 po 2.02e- 02 35 xo (o is affected) 2.88e- 02 36 xo -9.03e- 03 37 c.aro 1.15e- 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 23 02 38 ro (o is affected and is in acid) 3.16e- 03 39 ro (o is affected) 2.30e- 02 40 ro -1.82e- 02 41 o-(charged o, “o.co2” in tripos force field) -1.81e- 02 42 nc=o (c is affected) -2.56e- 02 43 oc=o (c is affected) 3.92e- 03 44 c=o (c is affected) -6.56e- 03 45 s=o (s is affected) -5.41e- 03 46 p=o -3.73e- 02 47 n=o(n is affected) 6.60e- 03 48 nc=o -1.40e- 02 陕西科技大学毕业论文 24 49 oc=o -1.05e- 02 50 c=o -1.20e- 02 51 s=o -8.90e- 03 52 n=o 1.36e- 03 53 s.o2c nde 54 pc nde 55 c.arcx nde 56 ac (a has electrons) nde 57 xc nde 58 c.arc (c is hydrophobic carbon) nde 59 c.arc nde 60 rc (r has electrons and c is hydrophobic carbon) nde 61 rc(r has electrons) nde 62 rc(c is hydrophobic carbon) -0.20 63 rc -0.10 64 o-ccn+ nde 65 o-ccn(c in amino acid) nde 66 c-(charged c, “c.cat” in tripos force nde 抗结核病药物的 3d-qsar 定量结构性质关系研究 25 field) 67 x(2) c=x 2.77e- 02 68 nc=o(c is affected) 5.57e- 02 69 oc=o(c is affected) -3.23e- 02 70 c=o(c is affected) 6.89e- 03 71 nc=o -8.63e- 03 72 oc=o 2.24e- 02 73 c=o 8.04e- 02 74 xc=n -3.97e- 02 75 rc=n -1.76e- 02 76 x(2)c=c -3.98e- 03 77 nc=c -1.22e- 02 陕西科技大学毕业论文 26 78 oc=c -4.29e- 03 79 c=c(c is hydrophobic carbon) 1.28e- 02 80 c=c 2.59e- 02 81 xc or x=c or xc 7.75e- 02 82 rc 1.89e- 03 83 n.arc.arn 2.24e- 02 84 n.ar c.aro 3.37e- 02 85 n.arc.ar -9.39e- 03 86 c.arn -7.99e- 03 87 c.aro 5.64e- 03 88 c.ars.o2 -9.75e- 02 89 rc.ar (c.ar is hydrophobic carbon) 3.62