计算机辅助药物分子设计

1、QSAR发展介绍及其应用实例发展介绍及其应用实例 QSAR分析方法及其进展 分子对接技术的发展 三唑杀菌剂的三维定量构效关系研究 三氮唑醇类抗真菌药物的比较分子力场分析 1. QSAR分析方法 QSAR即结构 - 活性关系 ,即构效关系 ,也就是化合物的结构与其生物 活性之间的规律性关系。QSAR,就是对已知先导化合物的一系列衍 生物进行定量的生物活性测定 ,分析衍生物的主要理化参数和生物 活性的关系 ,建立结构 - 活性数学模型 ,并以这种数学模型来指导药 物分子设计。 应用： 产生先导化合物 优化先导化合物 从分子水平和亚分子水平上阐明作用机制 分析方法分类 1.1 取代基多参数法 ( H

2、ansch法 ) 应用最广泛、理论最完善而被奉为经典的 QSAR方法 log1 /c= K 1 2 + K 2 + K 3 + K 4 Es+ K 5 + K 1 K 5 均为常数 c 是指药物产生一定生物活性 (如 IC50、 LD50 、最低致死量MLC)的浓度 为取代基的疏水性参数 ,根据取代化合物及其母体在正辛醇及水中的分配 系数而推导出来 是取代基的电性参数 ,通常采用 Hammett常数 Es则表示取代基的空间位阻参数 ( Taft常数 ) 1.2 Free-Wilson法 Free-Wilson法又称“数学模型”、“加和模型”、“全新途径” Free- Wilson法认为 ,药物

3、分子中的某一结构碎片 (X)或结构因素 ( F)在某一特定位 置对生物活性有特定贡献 ( G)。这些特定贡献具有加和性 ,其和就等于化合 物的生物活性( log1/c): Log1/c= A+ GirXir+ GjsFjs A 参比化合物的生物活性 Xir 第 i个结构碎片在 r位置上存在 ( = 1)或不存在 (= 0) Fjs 第 j个结构因素在 s位置上存在 (= 1)或不存在 (= 0) Gir和 Gis分别为 Xir和 Fjs对生物活性的贡献 1.3 分子轨道法 ( MO) 对于两个电子以上的多电子体系 ,只能通过原子轨道法或分子轨道法 ( Molecular orbital,MO)

4、得到近似解。 目前在构效关系分析中运用的都是分子轨道 法。量子化学参数进行多重回归分析。量子化学理论在 QSAR研究中常用的方法 包括:经验法半经验法非经验法 运用分子轨道法研究构效关系 ,可以通过研究药物的电子结构 ,确定尚不清楚 的受体活性中心的反应性能 ,估计有关受体的活性基团 ,预测活性更强的化合物 , 推断药物的稳定构象 ,从而找到受体构象 ,阐明药理作用机制。 1.4 距离比较法 ( DISCO) 对于同一受体 ,一系列化合物共有的原子或基团对于分子与受体的结合起重要 作用 ,这些原子或基团的集合就是药效基团 ( Pharmacophore) ,其空间分布即构 成了三维药效基团 D

5、ISCO法的主要计算步骤可分为: 1)选取一组与受体具有相同结合方式的活性化 合物;2)在整个构象空间内 ,搜索每个化合物可能存在的一系列低能构象 ( Local minimum)组成的构象集; 3)识别并标记各种分子中的特征原子部位 (即特征基 团 ); 4)选取活性最高分子的优势构象作为分子间距离比较的模板; 5)指定分子 特征匹配参数 ,进行簇检验 ,得出模型; 6)根据计算和构象的实际迭合情况 ,确定 合理的药效团模型; 7)根据药效团 ,在小分子三维库中寻找具有给定药效团的配 体分子。 1.5 比较分子力场分析法 ( CoMFA) 比较分子力场分析法 ( Comparism mole

6、cular field analysis, CoM FA)主要是通过计算一 定空间网络中各系列化合物和各种探针原子或基团 ( H+, CH 3 , CH 3 -, -OH等 )作用的 立体场和静电场 ,建立三维模型 ,从而定量预测设计化合物的活性 ,确定下一步合成对 象。 它假设药物分子与受体的作用是非键作用 ,活性区域立体场和静电场分布的不 同可以解释药物分子之间生物活性的不同。 如果数据质量较高 ,一般可得到预测能力较强的模型 ,因此在国际上得到了广泛应用 CoMFA法充分考虑了药物分子与受体在三维空间的互补性 ,弥补了 Hansch方法的不 足 ,但该方法所使用的潜参数缺乏明确的物理化学

7、意义 ,且无法给出定量的概念。 这 正是Hansch 法的优点。因此 ,通常是将 CoM FA与 Hansch法结合使用 1.6 分子模拟法 ( MS) 相似化合物表现相似活性是分子模拟法 ( Molecular similarity, MS)的原理基础。分子模拟法中的 分子模拟参数 ,是以分子三元性质相似性作为表现点 ,而此点正是3D-QSAR 应用时的关键之点。 1.7 分子对接法 ( MD) 随着 X射线衍射及核磁共振等技术的发展 ,越来越多的生物大分子的三维结构被测定出来。基于受 体结构的药物设计也就更具有现实意义 ,由此成功地创制了许多药物。 分子对接法 ( Molecular do

8、ck, MD)就是基于受体三维结构的药物设计方法 ,将小分子配体放置于受体 的活性位点处 ,并寻找其合理的取向和构象 ,使配体与受体的形状和相互作用匹配最佳。这种方法从 整体上考虑配体与受体的效果 ,能比较好地避免其它方法中容易出现的局部作用较好而整体欠佳的 情况;小分子配体基本上来自现有化合物数据库或制药公司的法人数据库 ,合成路线比较成熟 ,且其 中很大一部分可以向供应商定购。 按分子对程序寻找配体与受体结合构象的方法的差异 ,可以将分子对接程序分为 局部优化法、深度搜索法和全局优化法。 常用的程序包括 Sybyl中的 Docking模 块 ,可用于计算配体与受体之间的相互作用 ,也可用于

9、复合物的结构优化 DOCK程序则由开始时只考虑配体与受体之间的刚性形状对接 ,到采用分子力场势能 函数作为评价函数 ,至最新版 DOCK 4. 0开始考虑配体的柔性。 AutoDock则考虑了小 分子配体的柔性 ,在进行配体取向和构象搜索时 ,采用模拟退火和遗传算法来寻找最 优结合取向和构象。 Flex X是一种快速、精确的柔性对接算法 ,在对接时考虑了配体 分子的许多可能构象 , FlexDock则同时考虑了配体与受体的柔性 ,并采用遗传算法对 它们的结合构象进行优化 1.8 人工神经网络法 ( ANN) 人工神经网络 ( Artificial neural networks, ANN)是对

10、生物神经网络的模拟和抽象 ,是一 种由大量基本信息处理单元通过复杂的连接而构成的非线性动力学系统 ,具有并行 性、容错性、非线性和自学习性等特点 ,可以反映复杂的构效关系 ,近年来在药物设 计中应用颇多。 1.9 Leapfrog法 Leapfrog法是一种第二代的从头药物设计法。 它以受体的三维结构为基础 ,结合了许多先进的药物设 计学者在实践中积累的经验和方法以及最新的思想。 这种方法根据小分子化合物与药物受体作用的 结合能 ( Binding energy)大小 ,寻找最佳配体 ,受体分子三维结构可以直接自大分子库中输入 ,也可从 CoM FA模型中反推出空间起作用的受体位点 ,可根据需

11、要在特定状态下设计新的先导物 ,也可用多种 方法修饰改造分子三维结构 ,然后计算与受体作用的结合能大小 ,或者加入设计者关心的合成难度、 稳定性等因素 ,评价所预测的化合物 ,也可对已有先导化合物提出改进 ,从三维结构数据库中寻找出更 加匹配的配体分子。 Tripos 公司还将 CoMFA 与 Leapfrog 联用 ,将CoMFA力场分布作为假想受体模型 ,进行新化合物 设计和先导化合物的结构改造 QSAR还有许多别的方法 ,如将构象分析与 Hansch法相结合的分子形状分析法 ( Molecular shape analysis, M SA)、距离几何法 ( Distance geomet

12、ry, DG) 等 ,在此不一一介绍。 QSAR涉及 许多学科 ,特别是与量子化学、分子力学、结构化学、计算机辅助设计、统计学、分子生物 学等有密切联系。 随着相关学科的深入发展 , QSAR研究中经典的、传统的方法将不断完善 , 新方法会层出不穷 ,各种方法也因出发点和侧重点不同而相互交叉渗透。 人们为了更快捷、 更全面地获得所需信息 ,实际应用时也必然将各种方法有机地结合使用。 同时 ,我们还必须看到 ,对于许多分子内的效应 ,如诱导效应和共轭效应 ,尚无精确方法 ,许多基 团参数尚无可查 ,因此 ,经常无法进行 QSAR分析。各种模拟结果也未必是最佳的合成分子 ,因 为还要涉及到合成的难

13、易程度等。且最佳未必就是最现实、最经济。此外 ,活性成分分离、 生物活性测定和作用机制研究等仍是必不可少的基础工作 , QSAR并不能解决药物设计创制中 的一切问题。 2.分子对接 分子对接技术( Molecular Docking) 作为计算机辅助药物设计的一种主要方法， 目前已被广泛应用于新药研发的多个环节分子对接是通过小分子配体与受 体生物大分子的相互作用，预测其结合模式及亲合力，进而实现基于结构的 药物设计的一种重要方法，其本质是两个或多个分子之间相互识别的过程， 该过程涉及分子之间的空间匹配和能量匹配 分子对接技术作为计算机辅助药物设计领域的极其重要的 方法，不仅可以研究药物分子及其

14、靶标之间的详细相互作 用，还可以用来发现并优化药物先导物 “锁 钥模型( lock-key model) ” “诱导契合学说( induced fit the- ory) ” 分子对接方法分类 刚性对接 即在对接计算的过程中，参与对接的分子的构 象并不发生变化，只有分子的空间位置和姿态发生 变化 由于在刚性对接中，受体和配体的空间形状 均被视为固定不变的，所以该方法简化程度较高，并 且计算难度和计算量都较小，故适用于处理结构比 较大的分子 柔性对接 在对接计算过程中，允许配体和受体的构象 发生自由的变化，由于变量随着体系的原子数呈几 何级数增长，因此柔性对接方法对计算机软件、硬 件系统要求都比

15、较高，还要求高精度的分子构象， 因此其计算量非常大，耗时也较多，得到的对接精 度也比较高，适用于精确考察分子间的识别情况 最具代表性的分子对接软件是 FlexX 2.三唑杀菌剂的三维定量构效关系研究 利用限制性构象搜寻确定了三唑杀菌剂 13 个化合物的重叠规则, 并利用比较分子力场分析 ( CoMFA) 方法进行了三维定量构效关系( QSAR) 研究, 得到了具有较强预测能力的 QSAR 模型 三唑类化合物就属 DMI 型杀菌剂. 其基本作用方式是通过 N-杂环自由电子束缚与甾醇 14 -脱甲 基酶相关的细胞色素 P450 的血红素铁来抑制甾醇合成 利用 CoMFA 5 方法研究分子三维构效关

16、系的关键是药效团模型或重叠规则的确定 . 当配体 与受体结合时, 二者的构象均可能发生变化. 由 X 射线衍射所测定的配体晶态时的构象或经分子力 学优化所得最低能量构象并不一定就是配体与受体作用时的药效构象( 活性构象) . 本文采用限制性 构象搜寻方法 2.1药效团模型 这一方法的基本出发点是: 既然一组化合物( 包括不同类型) 对同一受体有相同的抑制作用, 按照配体与 受体相结合时的形状互补学说( 即琐匙关系) ,这一组化合物在其构象空间就应该存在相同或至少是相似 的共同构象 ,这一共同构象即应为与受体相互作用时的药物构象 . 对研究的 13 种化合物进行分析,发现均有如图 所示的相似骨架

17、 . 选择图中标星 号的原子,并以原子间的距离 r1, r2, r3, r4, r5 为限制 ,进行系统构象搜寻, 即寻找 13 个化合物分子中具有相同 r1, r2 ,r3, r4, r5 值的构象 以此图为限制条件 ,对其它分子进行限制性系统构象搜寻13 个 分子均得到“一个”构象, 即相对于距离空间的唯一构象由此 得到了 13 个分子的共同构象 2.2 CoMFA 计算 在CoMFA 分析中 ,空间场和静电场能的阈值均为 30 kcal/mol ,选取依距离的变化介电常数( 1/ r) . 采用不同大小的计算区域, 不同步长 , 不同探针原子进行了多次交叉验证偏最小二乘计算( LOO) . 从各次所得 r 2 ( PRESS) 值及最佳组成份数的比较中 ,最后确定计算空间 表 1 列出了 13种市售三唑杀菌剂抑制灰葡萄孢活性的实验值 ,CoMFA 计算值及残差 2.3 结论 从 CoMFA 模型的空间场和静电场能所占比例可以看出 ,立体能对抑制灰葡 萄孢活性起主要作