山大生物信息学课件07-6蛋白质三维结构预测6

1、蛋白质三维结构预测6生物信息学虚拟筛选，也称计算机筛选，即在进行生物活性筛选之前，在计算机上对化合物分子进行预筛选，以降低实际筛选化合物的数目，同时提高先导化合物的发现效率。Virtual screeningLibrary of chemical compounds蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构5. 分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual screening (VS) Free!Commercial蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构5. 分子对接（docking）：虚拟筛选化合物小分子数据库 ZINC 蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构5.

2、 分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual screening (VS) 化合物小分子数据库 ZINC 蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构5. 分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual screening (VS) 蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构5. 分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual screening (VS) 蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构简化分子线性输入规范(simplified molecular input line entry specificati

3、on, SMILES)是一种用ASCII字符串明确描述分子结构的规范。蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构5. 分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual screening (VS) benzoic.mol2 *.mol2 *.pdbqtsplittransform程序处理蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构5. 分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual screening (VS) receptor.pdbqtreceptor.pdb138蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构5. 分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual sc

4、reening (VS) 192 compoundsreceptorX 192 docking192 docking results程序自动完成192次对接蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构5. 分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual screening (VS) 1.RankBenzoic Acid:positive controlRanked by Free Energy蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构5. 分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual screening (VS) Agonist, Antagonist, Inhibitor

5、蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构5. 分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual screening (VS) 144蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构5. 分子对接（docking）：虚拟筛选 Virtual screening (VS) 蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构AutoDock Vina演示视频: /tutorial.html蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构6. 分子对接（docking）：反向对接 Target Fishing 反向对接（Target Fishing）- 是通过把一个小分子与多个靶标蛋白进行分子对接，

6、寻找潜在的靶标。当前软件和技术：还没有标准和成熟的免费软件来实现，只有少数收费软件能实现此功能，以及很少的科研单位通过自己的算法和对已有对接程序的改造来实现。蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构6. 分子对接（docking）：反向对接 Target Fishing 靶标数据库 http:/bioinfo-pharma.u-strasbg.fr/scPDB scPDB：An Annotated Database of Druggable Binding Sites from the Protein DataBankscPDB：收集了标准PDB数据库中含有可以为药物结合的位点的蛋白。可

7、根据配体、蛋白、结合方式为特征进行搜索。当前版本包含：16000 entries, 4000 proteins and 6000 ligands 可以下载到本地使用，每个蛋白一个单独的文件夹，每个文件夹都包含如下文件ligand_xray.mol2：从原始复合物中剥离的配体晶体结构protein.mol2：去除配体结构的蛋白受体结构site.mol2：去除配体结构的蛋白受体结构，仅包含结合位点蛋白质结构 - 四级结构如何获得蛋白质四级结构6. 分子对接（docking）：反向对接 Target Fishing 反向对接（=多个正向对接） 遍历蛋白数据库文件，获得每个蛋白质及其先关文件 软件自动

8、探测结合位点，并标识结合区域 自动循环，使小分子与每个蛋白受体对接 打分、筛选和排序分子动力学模拟（Molecular Dynamic Simulation，MDS） 用计算机来模拟原子及分子的物理运动过程。软件：NAMD，CHARMM，DESMOND, GAUSS，等500-aa protein, 1 ns (10-9 s), 20 Cores : 15 hoursa meaningful simulation 100ns蛋白质结构 - 分子动力学模拟蛋白质结构 - 分子动力学模拟/Gallery/Movies/ 化学类新药研发过程化学药、生物药与生物制药化学药：小分子，可以口服、注射、外用

9、。生物药：蛋白质，只能注射、外用。生物制药：无论化学药还是生物药，利用微生物代谢、发酵等生物技术得到药物。组成生命的有机物质核酸 蛋白质 脂类药物靶点蛋白质药物靶点蛋白质是与各种人类疾病紧密相关，并且可以影响或控制疾病的蛋白质分子。通过药物分子与靶蛋白的结合，便可以达到治疗疾病的效果。要研发治疗某种疾病的药物，前提便是确定该疾病的靶点蛋白质。人体中含有超过10万种蛋白质，其中潜在的药物靶点蛋白估计在8千个左右，这其中已测定三维空间结构的超过1千，已确认为靶点蛋白的约500。药物靶点蛋白质的确定人体内的蛋白质相互作用形成复杂的网络。如果一个蛋白质对疾病有帮助作用，就要阻断它与其他分子相互作用，从

10、而治愈或减轻疾病。如果它对疾病具有遏制作用，就要激活它。这样的蛋白质就是靶点蛋白质（负向靶点/正向靶点）。确定针对某一疾病的靶点蛋白需要长期大量的生理生化实验。药物分子、靶点蛋白质、与疾病之间并不是一一对应的关系。药物靶点蛋白质数据库药物靶点蛋白质数据库药物与靶点蛋白质的关系可以把药物分子和蛋白质分子视为钥匙与锁的关系，但并非严格的一一对应关系。图中显示的是阿莫西林分子与其靶蛋白的相互作用情况。新药物的类别国家药物审批办法中规定了五类化学药品（西药），以下为摘要内容（非文件原文）： 第一类新药：在国内外均未获批上市的合成的或天然物质中提取的化合物制剂。 第二类新药：改变给药途径且尚未在国内外上

11、市销售的制剂。 第三类新药：已在国外上市销售但尚未在国内上市销售的药品 。 第四类新药：改变已上市销售盐类药物的酸根、碱基（或者金属元素），但不改变其药理作用的原料药及其制剂 。 第五类新药：改变国内已上市销售药品的剂型，但不改变给药途径的制剂。 一类新药物的研发过程先导化合物的筛选与发现先导化合物的优化：药理学（药效）研究、毒理学（安全性）研究、临床前药物代谢动力学分析（动物）药物制剂一期临床试验二期临床试验三期临床试验新药审批四期临床试验（上市初期检测）一类新药物的研发过程1. 先导化合物的筛选与发现 目前，寻找先导化合物必然要有一个线索，这个线索主要来源于以下两个方面：（1）天然药物里的

12、药效成分提纯而成的化合物（2）已有的药物化合物 这个线索化合物可以视为“旧药”。搜寻与这个线索化合物结构相似的所有化合物，作为候选的化合物，所谓先导化合物的筛选就是从这些候选化合物里筛选出一个或几个先导化合物。这些候选化合物可能有成千上万个。上万候选化合物如何取得？它们根本上的来源是人工合成或天然产物分离提纯。对于实验室里的科研人员来说，主要是从生化产品市场上购买。 那么，历史上在还没有任何线索的情况下，当时的“新药”是如何发现的？答案：漫长的一点一滴积累，加上偶然的因素。一类新药物的研发过程1. 先导化合物的筛选与发现 如何筛选先导化合物？ HTS高通量筛选：使用仪器进行准确大量的取样，将候

13、选化合物一一与靶蛋白在试管溶液中混合，检测化合物是否与能与靶蛋白结合。那些能结合上的并且以正确的方式结合上的化合物被选出来，成为候选先导化合物。优点：准确可信；缺点：十分昂贵。 计算机模拟筛选：候选化合物的结构从小分子化合物数据库（如ZINC）中下载取得（无需购买实物），完全利用软件模拟筛选的过程。优点：省时、省钱；缺点：准确度较实验方法低。 无论是用HTS高通量还是计算机模拟筛选出来的候选先导化合物再一一通过进一步的更准确的实验进行淘汰和验证，最终确定出一种先导化合物。一类新药物的研发过程1. 先导化合物的筛选与发现 计算机模拟筛选：一类新药物的研发过程2. 先导化合物的优化 由于发现的先导

14、化合物可能具有作用强度或特异性不高、药代动力性质不适宜、毒副作用较强或是化学或代谢上不稳定等缺陷，先导化合物一般不能直接成为药物。因此有必要对先导化合物进行结构优化以确定候选药物。简要的说，先导化合物的优化就是基于结构相似性原理制备一系列化合物，评价其全面的构效关系已对其物理化学及生物化学性质进行优化。优化后再进行体内外活性评价，循环反馈，最终获得优良的化合物：候选药物。申请专利。 （1）临床前药物代谢动力学分析（动物） （2）药理学（药效）与毒理学（安全性）研究 （3）先导化合物三维结构解析一类新药物的研发过程2. 先导化合物的优化 （1）临床前药物代谢动力学分析 临床前药物代谢动力学是定量

15、研究药物在动物体内吸收、分布、代谢和排泄规律，并运用数学原理和方法阐述血药浓度随时间变化的规律。目的是检查药物在体内的稳定性。比如，许多生物活性肽具有高效低毒的特点，但是，体内不稳定，口服无效。 临床前药物代谢动力学要反复在各种动物里进行：小鼠、兔、狗、大型家畜。一类新药物的研发过程2. 先导化合物的优化 （2）药理学（药效）与毒理学（安全性）研究 药管机构要求在实验室及活体中进行实验来确认何种化合物真正在活体中起效，物质在整个机体中的反应如何以及是否可能存在着副作用。只有经临床前实验证实有价值的候选药物才可作为进一步研究的候选药物。 在药理学领域，研究者要检验每个候选药物在活体中的行为。为此

16、，他们首先要确认化合物是否确实被机体摄取、吸收、分布、化学修饰及再次排出；其次，一个重要的问题是化合物的兴奋或抑制作用是否确实实现靶向疾病的缓解，以及该作用的起效时间有多长；最后，他们还必须研究化合物是否会引起任何副作用。 毒理学要检验物质在机体内是否有毒性作用。在活性物质可被第一次用于人体前，需确定能检测到治疗效果的最低浓度与未达到毒性作用的最大浓度剂量之间的范围是很重要的。一类新药物的研发过程2. 先导化合物的优化 （3）先导化合物三维结构解析 解析先导化合物三维结构是想药管机构申请临床试验的必要材料之一。三维结构解析分需要以下三个步骤： i) 化合物的结晶：在之前的实验过程中，先导化合物

17、都是溶解在溶液里面的，要解析其在微观世界里的三维空间结构，必须先使其结单晶（注意单晶与多晶的区别）。 ii) X射线衍射：使用X射线衍射机发出的X射线透射化合物晶体，采集晶体的衍射数据。 iii) 结构解析：使用shelx软件从衍射数据中构建出化合物的三维空间结构。 主要仪器：晶体培养设备、显微镜、X射线衍射、电脑化合物单晶结构实验室化合物样品溶于不同溶剂中以备进行单晶培养与筛选。化合物单晶结构实验室单晶培养、晶型筛选。自主设计制造的晶体培养器化合物单晶结构实验室手工挑选规则的单晶。化合物单晶结构实验室单晶X射线衍射数据收集。化合物单晶结构实验室使用工作站电脑SHELX软件把衍射图谱还原成可视

18、化的原子坐标文件。化合物三维结构山东博仁泰康医药有限公司 西他沙星一类新药物的研发过程3. 药物制剂 药物制剂问题是审批临床试验的最后一关，这个环节要解决以下三个关键问题： （1）药品的用法（剂型）和用量（剂量）的问题。药物的剂型，如针剂、片剂、膏剂、汤剂；药物的剂量，如每日用几次，一次用多少。 （2）药物产能的问题。即便一个药物十分的优良，但如果此药物达不到一定规模的产量也不会被批准临床试验。 （3）去除杂质的问题。一类新药物的研发过程4. 一期临床试验 临床药理学家首先将该“药物”用于6080名健康志愿者。在癌症治疗领域，此阶段将有包括晚期肿瘤患者的加入。随之很多临床研究试图确定在临床前研

19、究中对活性物质的预测是否在人体中仍成立。 当新物质第一次被给予人体时，只给予少数志愿者极少量该物质，然后对其他志愿者逐渐增加剂量以寻找可耐受的不同剂量等级。为此，临床医生将监测血压、心率，并进行大量的心电图监测。临床医生还会取血、尿和粪便的标本以确定人体是如何吸收、分布、代谢以及最终排泄新物质的。在试验中还监测与其他药物或其他营养物质的相互作用。 一期临床试验成功后方可申请二期试验.一类新药物的研发过程5. 二期与三期临床试验 在二期临床试验中，医生有代表性地选择100500名患者测试候选药物。他们考察药物是否达到预期疗效，观察是否产生副作用，并确定最佳剂量。二期临床试验成功后可申请三期试验。 在三期试验中，医生在数千名患者中对药品进行测试。本阶段的目的是证明药品的有效性、安全性以及相对于已上市的标准疗