藥物化學(xué)計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)原理與方法,計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)Computer-aided drug design，CADD就是利用計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算功能、全方位的邏輯判斷功能、一目了然的圖形顯示功能，將量子化學(xué)、分子力學(xué)、藥物化學(xué)、生命科學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和信息科學(xué)等學(xué)科交叉融合，從藥物分子的作用機(jī)制入手進(jìn)行藥物設(shè)計(jì),受體（receptor）是生物體的細(xì)胞膜上或細(xì)胞內(nèi)的特異性大分子藥物小分子稱為配體（ligand）藥物在產(chǎn)生藥理作用時(shí)，配體首先

2、要分布到受體部位，并與受體結(jié)合,計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì),計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)受體與配體結(jié)合部位（binding site）是計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究問(wèn)題，一般只涉及受體中的幾個(gè)氨基酸殘基計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)能夠與靶酶或受體結(jié)合的新的配體,合理藥物設(shè)計(jì),藥物的活性是因一個(gè)藥物的小分子（配體，Ligand）和另一個(gè)較大的分子受體（Receptor）或酶（Enzyme），相結(jié)合產(chǎn)生 分子進(jìn)入酶的特殊空穴（活性點(diǎn)），

3、與酶結(jié)合可干擾酶的催化作用，影響代謝，使疾病得到治療,5,研究?jī)?nèi)容,研究小分子和大分子的立體空間和化學(xué)結(jié)合作用 早期的研究者用示意圖和各種分子模型 直觀地表示小分子和大分子之間存在立體空間和化學(xué)結(jié)合作用,6,二氫葉酸還原酶的分子模型（1）,7,二氫葉酸還原酶的分子模型（2）,8,二氫葉酸還原酶的分子模型（3）,9,計(jì)算機(jī)輔助分子造型術(shù)的優(yōu)越性,在顯示器屏幕上建立三維化學(xué)分子結(jié)構(gòu)模型 利用多年來(lái)計(jì)算化學(xué)（Calculationa

4、l Chemistry ）的成果在模型基礎(chǔ)上來(lái)計(jì)算各種分子的特性和分子間的相互作用 使用Chem-X分子造型軟件，根據(jù)X射線衍射解析分子結(jié)晶確定的原子的位置得到蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)的模型,10,計(jì)算機(jī)輔助分子造型術(shù)的優(yōu)越性,在屏幕上隨心所欲地移動(dòng)分子圍繞假定的軸旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)并移向某個(gè)部位可使特定的鍵轉(zhuǎn)動(dòng) 可以計(jì)算分子的性質(zhì) 兩原子間的距離和角度，分子體積、表面積及分子形狀分子的電子特性、氫鍵、供體/受體或帶電基團(tuán)的性質(zhì)

5、研究分子間的相互作用，基團(tuán)之間的結(jié)合等等,11,屏幕上隨意處理,利用圖示化的技術(shù)，化學(xué)家可在顯示器屏幕上隨意剪裁連接建造組合分子使之適應(yīng)所作用的大分子 如：受體、酶和DNA,12,小分子和大分子結(jié)合的示意圖,13,計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)直接藥物設(shè)計(jì)（direct drug design）靶點(diǎn)或受體的三維結(jié)構(gòu)已知間接藥物設(shè)計(jì)（ indirect drug design ）受體三維結(jié)構(gòu)未知,直接藥物設(shè)計(jì),全新藥物設(shè)計(jì),基于靶

6、點(diǎn)結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)搜尋,模板定位法原則生長(zhǎng)法分子碎片法動(dòng)力學(xué)算法,間接藥物設(shè)計(jì),3D－ QSAR,藥效基團(tuán)模型的建立,基于藥效幾天模型的三維結(jié)構(gòu)搜尋,假想受點(diǎn)點(diǎn)陣（HASL）分子形狀分析(MSA）比較分子場(chǎng)分析法（CoMFA）,活性類似物法(AAA)藥效基團(tuán)模型法,距離幾何法（DG）等,一、直接藥物設(shè)計(jì),幾個(gè)概念直接藥物設(shè)計(jì)（direct drug design） 首先從與生物活性有關(guān)靶點(diǎn)比如受體入手，闡明靶點(diǎn)的

7、功能、三維結(jié)構(gòu)、內(nèi)源性配基或天然底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，以計(jì)算機(jī)輔助展示這些物質(zhì)的受點(diǎn)，然后用各種方法得到選擇性作用于該部位的配基分子。,但知道受體的三維結(jié)構(gòu)并不意味著就知道配基與受體作用的受點(diǎn),是基于受體蛋白與小分子配基的互補(bǔ)結(jié)合，包括空間互補(bǔ)及疏水作用、離子鍵、氫鍵、電荷轉(zhuǎn)移等作用常用活性部位分析法(active site analysis,ASA)來(lái)分析配基分子中的原子或基團(tuán)與受體作用的活性部位 它用一些簡(jiǎn)單的分子或碎片

8、作為探針來(lái)探測(cè)配基分子活性部位可能的結(jié)合位置。典型軟件 GRID（Molecular Discovery Ltd.）,受點(diǎn)的確定,GRID簡(jiǎn)介 GRID將受體的活性部位劃分為有規(guī)則的網(wǎng)格，把探針逐個(gè)置于每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上，應(yīng)用力場(chǎng)分析方法，計(jì)算探針原子(或基團(tuán))與已知三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子表面之間的相互作用能，得出一系列能量值，負(fù)的能量值代表著探針與蛋白分子間的作用區(qū)域；根據(jù)探針的不同，可確定作用是屬哪一類型；確定

9、了受體的受點(diǎn)，按照空間互補(bǔ)作用和靜電互補(bǔ)作用相互關(guān)系，可以用來(lái)設(shè)計(jì)配基分子。,配基分子的設(shè)計(jì)方法： 基于靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)搜尋 全新藥物設(shè)計(jì),（一）三維結(jié)構(gòu)搜尋,理論依據(jù) 受體的分子識(shí)別理論，即受體對(duì)配基的分子識(shí)別是配基的某些部位與受體的受點(diǎn)在性質(zhì)上呈某種互補(bǔ)性，包括基團(tuán)配置、電性、疏水性和空間排列。,三維結(jié)構(gòu)搜尋（three－dimensional structure searching） 又稱數(shù)

10、據(jù)庫(kù)搜尋法或數(shù)據(jù)庫(kù)算法，是利用計(jì)算機(jī)人工智能的模式識(shí)別技術(shù)，把三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中的小分子數(shù)據(jù)逐一地與搜尋標(biāo)準(zhǔn)（即提問(wèn)結(jié)構(gòu)）進(jìn)行匹配計(jì)算，尋找符合特定性質(zhì)和三維結(jié)構(gòu)形狀的命中結(jié)構(gòu)（hits），從而發(fā)現(xiàn)合適的藥物分子。,基于靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)的三維搜尋設(shè)計(jì)新藥的要點(diǎn),藥物作用的專一性取決于它只能選擇性地作用于靶點(diǎn)影響藥物作用專一性和選擇性的因素有藥物和靶點(diǎn)分子的理化性質(zhì)，研究藥物－受體復(fù)合物能揭示藥物與靶點(diǎn)結(jié)合時(shí)精細(xì)的和復(fù)雜的分子間相互作用探究這些分

11、子間相互作用、并預(yù)測(cè)一個(gè)搜尋命中的藥物如何模仿天然配基對(duì)接于受體受點(diǎn)是基于靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)的三維搜尋設(shè)計(jì)新藥的要點(diǎn)。,對(duì)接（docking）,定義：是指受體和配基之間通過(guò)能量匹配和空間匹配而姓扈識(shí)別形成分子復(fù)合物，并預(yù)測(cè)復(fù)合物結(jié)構(gòu)的操作過(guò)程對(duì)接常用于研究藥物和受體相互作用的模型，特別適用于受體的作用機(jī)制、空間配置等研究得較清楚的方面。對(duì)接可以手工進(jìn)行，也可用軟件自動(dòng)完成對(duì)接是三維結(jié)構(gòu)搜尋的基礎(chǔ),手工對(duì)接： 是根據(jù)操作者的經(jīng)驗(yàn)，

12、在計(jì)算機(jī)上通過(guò)顯示的圖像從不同方向作受體和藥物的分子對(duì)接，然后經(jīng)能量?jī)?yōu)化，得到復(fù)合物的結(jié)構(gòu)自動(dòng)對(duì)接 一般過(guò)程：先在受體找出空穴，定出表面，再將配基置于空穴，根據(jù)受體受點(diǎn)與藥物的性質(zhì)和形狀的互補(bǔ)性，調(diào)整受體受點(diǎn)或藥物的構(gòu)象，計(jì)算對(duì)接時(shí)各各取向的受體－藥物相互作用能量，進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，求得復(fù)合物的全局最優(yōu)結(jié)合構(gòu)象，即得到最佳的對(duì)接,1、通過(guò)三維結(jié)構(gòu)搜尋，有望尋找到與受體受點(diǎn)性質(zhì)和形狀互補(bǔ)的、與已知活性化合物類似的配基，也有

13、可能尋找到與已知活性分子結(jié)構(gòu)炯然不同的新的結(jié)構(gòu)類型——三維搜尋為設(shè)計(jì)新型先導(dǎo)化合物提供了又一種方法,三維結(jié)構(gòu)搜尋的特點(diǎn),2、三維結(jié)構(gòu)搜尋方法可以在實(shí)驗(yàn)藥理篩選之前為數(shù)據(jù)庫(kù)中的分子作生物活性的可能性預(yù)報(bào)，這其實(shí)是進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助藥物篩選（computer－aided screening）計(jì)算機(jī)輔助藥物篩選也稱虛擬篩選（virtual screening）——它以酶、受體等生物大分子三維圖像代替生物樣品，以數(shù)據(jù)庫(kù)化合物結(jié)構(gòu)代替化合物樣品，

14、以對(duì)接代替藥理體外篩選(screening in vitro),計(jì)算機(jī)輔助藥物篩選又可稱為計(jì)算機(jī)篩選（screening in silico）計(jì)算機(jī)試驗(yàn)篩選選出有效的化合物結(jié)構(gòu)，再用藥物體外試驗(yàn)篩選，可大大減少合成化合物的數(shù)量，提高藥物篩選命中率,三維結(jié)構(gòu)搜尋的特點(diǎn),3、三維搜尋得到的化合物都是已知的，比如FCD-3D（Fine Chemicals Directory－3D，三維精細(xì)化學(xué)品錄），數(shù)據(jù)庫(kù)中的每個(gè)化合物都是商品，從而可不

15、必在實(shí)驗(yàn)室合成，直接購(gòu)得進(jìn)入生物測(cè)試階段，縮短了藥物開發(fā)的時(shí)間，提高了效率。,三維結(jié)構(gòu)搜尋的特點(diǎn),三維結(jié)構(gòu)搜尋的缺點(diǎn) 不能很好地對(duì)形狀合適的分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的調(diào)整和改造，使之完全與受體相匹配。,因此常在此基礎(chǔ)上對(duì)基于生物活性的命中結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,直接和間接藥物設(shè)計(jì)的三維結(jié)構(gòu)搜尋方法示意圖,三維結(jié)構(gòu)搜尋的基本要素：三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋標(biāo)準(zhǔn)搜尋方法,基于靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)搜尋（直接藥物設(shè)計(jì)）和基于藥學(xué)基團(tuán)模型的三維

16、結(jié)構(gòu)搜尋（間接藥物設(shè)計(jì)）所用的三維結(jié)構(gòu)搜尋方法是大致相同的。,三維化學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù),三維化學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中三維活性信息來(lái)源于試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法包括X射線晶體學(xué)和NMR等常用的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù) 小分子的劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（CSD）和大分子的美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)(PDB）理論計(jì)算數(shù)據(jù)通過(guò)量子力學(xué)、分子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)等計(jì)算技術(shù)來(lái)研究分子的三維結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢(shì)構(gòu)象,一些商品化軟件,結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換程序CONCO

17、RD（美國(guó)Pearlman等人開發(fā)） 可迅速地將二維結(jié)構(gòu)表達(dá)式自動(dòng)轉(zhuǎn)換為低能構(gòu)象式，通過(guò)CONCORD轉(zhuǎn)換，得到FCD-3D等三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)其他結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換軟件WIZARD/COBRA、Flexibase、Poling、CORINA、Chem-X、MOLGEO、AIBA和MIMUMBA等,搜尋標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行三維搜尋必須要有合理的搜尋標(biāo)準(zhǔn)（searching criteria）搜尋標(biāo)準(zhǔn)，也就是詢問(wèn)條件或提問(wèn)結(jié)構(gòu)（query），它是用與

18、受體受點(diǎn)相互作用的藥效基團(tuán)單元的結(jié)構(gòu)特征及它們之間的空間關(guān)系說(shuō)明所組成的三維結(jié)構(gòu),詢問(wèn)條件提出的兩種方法,受體結(jié)構(gòu)已知，可直接根據(jù)受體受點(diǎn)的性質(zhì)和形狀反推出互補(bǔ)性配基的特征結(jié)構(gòu)及空間構(gòu)象（藥效基團(tuán)模式圖），以此來(lái)定義搜尋配基的詢問(wèn)條件；受體結(jié)構(gòu)未知，可根據(jù)一組活性配基的藥效基團(tuán)模式圖或3D－QSAR分析，定義出詢問(wèn)條件,詢問(wèn)條件,常采用三點(diǎn)藥效基團(tuán)，也采用四點(diǎn)藥效基團(tuán)，甚至五點(diǎn)藥效基團(tuán)點(diǎn)數(shù)的選擇首先處決與初步QSAR研究，觀察藥效基

19、團(tuán)主要有哪些作用點(diǎn)通常將不重要的作用點(diǎn)除去，以避免因點(diǎn)數(shù)太多而引起的計(jì)算量劇增以及條件過(guò)于苛刻而漏篩。,藥效基團(tuán)連接圖,HIV－1整合酶抑制劑的四點(diǎn)藥效基團(tuán)模型,血管緊張速轉(zhuǎn)化酶抑制劑藥效基團(tuán),例：詢問(wèn)條件的構(gòu)成,三維結(jié)構(gòu)搜尋的搜尋算法,搜尋過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的多步驟的過(guò)程，一般包括初篩、幾何搜尋和柔性構(gòu)象搜尋3個(gè)步驟。搜尋軟件：1997年第一個(gè)三維結(jié)構(gòu)搜尋軟件MOLPAT問(wèn)世；現(xiàn)有的一些程序軟件： SOLON，CAVEA

20、T，MACCS-3D，DOCK，Sybyl/Docking，Autodock，F(xiàn)lexX,FlexiDock，3DSEARCH，ALADDIN，ISIS/BASE，Chem-X，SYBYL－3DB Unity和Catalyst,搜尋方式分類： 三維幾何搜尋 三維相似性搜尋 柔性構(gòu)象搜尋 大分子三維結(jié)構(gòu)搜尋,（1）三維幾何搜尋,就是按分子的詢問(wèn)條件即三維幾何特征進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)搜尋先用簡(jiǎn)單的詢問(wèn)條件對(duì)

21、數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)篩選，篩去大部分（95％以上），不滿足三維限制條件的化合物，對(duì)初篩合格的分子再用三維幾何限制條件來(lái)逐條驗(yàn)證是否符合必需的三維幾何特征，搜尋到所需要的分子。,（2）三維相似性搜尋,分子相似性（molecular similarity） 是比較一個(gè)分子與另一個(gè)分子相似性程度的定量尺度，其值以相似性指數(shù)表示。三維相似性搜尋（three－dimensional similarty search），用戶指定一個(gè)化合物作為詢

22、問(wèn)條件，搜尋與其結(jié)構(gòu)相似的分子，得到按與詢問(wèn)條件相似性遞減順序排列的一系列結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)： 這個(gè)過(guò)程比常規(guī)的三維結(jié)構(gòu)搜尋的限制要少，分子并不需要與受體受點(diǎn)相匹配，只要相似即可，結(jié)構(gòu)相似的分子往往能具有相似的活性特征,（3）柔性構(gòu)象搜尋,由于受體是柔性的大分子，它可通過(guò)自身的構(gòu)象變化，開啟或關(guān)閉與其他分子結(jié)合的受點(diǎn)，從而控制機(jī)體內(nèi)的生物反應(yīng)受體與配基的結(jié)合常伴有構(gòu)象變化，即所謂的誘導(dǎo)契合。柔性配基在與受體結(jié)合時(shí)也會(huì)發(fā)生構(gòu)象的改變

23、，這樣就必須使用柔性詢問(wèn)條件,柔性詢問(wèn)條件比剛性詢問(wèn)條件復(fù)雜,數(shù)據(jù)庫(kù)中的三維結(jié)構(gòu)只儲(chǔ)存了一個(gè)固體狀態(tài)的（X射線晶體學(xué)數(shù)據(jù)）或者日夜?fàn)顟B(tài)的（NMR數(shù)據(jù)）低能構(gòu)象而低能構(gòu)象與受體結(jié)合構(gòu)象往往并不一致每個(gè)結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)庫(kù)的三維結(jié)構(gòu)搜尋只能檢出許許多多的構(gòu)象式的一種，而這種構(gòu)象式并不一定就是藥效構(gòu)象因此只有作柔性對(duì)接，即考慮到分子的生物活性構(gòu)象，采用柔性構(gòu)象搜尋，才能在搜尋化合物低能數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，命中其他也能符合構(gòu)象要求的化合物,能進(jìn)行軟性搜尋的

24、軟件：,DOCK可協(xié)同三維幾何搜尋進(jìn)行柔性搜尋其它： MACCS-3D， SYBYL－3DB Unity，Chem DBS-3D和3DFS（中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所計(jì)算機(jī)化學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室）,（4）大分子三維結(jié)構(gòu)搜尋,對(duì)大分子（主要是蛋白質(zhì)）的三維結(jié)構(gòu)搜尋還處于起步階段常采用三維相似性搜尋方式搜尋蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)構(gòu)成蛋白質(zhì)骨架的Cα原子和二級(jí)結(jié)構(gòu)因素，如α螺旋，β折疊及其之間的舉例和角度，在數(shù)據(jù)庫(kù)中識(shí)別其共有特性，搜尋出相

25、似的蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)三維搜尋程序：,POSSUM和PROTEP能根據(jù)α螺旋，β折疊進(jìn)行三維搜尋,（二）全新藥物設(shè)計(jì),全新藥物設(shè)計(jì)（de novo drug design）亦翻譯成從頭設(shè)計(jì)，也可稱為三維結(jié)構(gòu)生成或從頭構(gòu)造法它根據(jù)受體受點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)和性質(zhì)要求，直接借助計(jì)算機(jī)自動(dòng)構(gòu)造出形狀和性質(zhì)互補(bǔ)的新的配基分子三維結(jié)構(gòu)由于它能提出結(jié)構(gòu)全新的具有啟發(fā)性的先導(dǎo)化合物，故謂之全新或從頭設(shè)計(jì),特點(diǎn),是一種直接藥物設(shè)計(jì)方法，從理論上講這一方法

26、考慮了受體與配基之間相互作用的優(yōu)勢(shì)和穩(wěn)定性，要比數(shù)據(jù)庫(kù)中搜尋的結(jié)構(gòu)要好，而且得到的先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)可能是全新的，不被任何人的偏見所干擾,全新藥物設(shè)計(jì)的歷史,全新藥物設(shè)計(jì)的思想和方法是在近十幾年才出現(xiàn)的1989年Lewis和Dean用自動(dòng)模板定位進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)；1991年Nishibata和Itai提出了基于受體結(jié)構(gòu)的自動(dòng)原子生長(zhǎng)法；同年Moon和Howe提出了基于受體結(jié)構(gòu)的分子碎片法的概念這些方法出現(xiàn)時(shí)間并不長(zhǎng)，但發(fā)展非常迅速，顯

27、示出極大的優(yōu)越性，并開發(fā)了不少相應(yīng)的軟件工具,全新藥物設(shè)計(jì)的方法,出發(fā)點(diǎn)是受體受點(diǎn)與配基之間的互補(bǔ)性在受體的受點(diǎn)配上基本構(gòu)建塊（building block），然后通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的搜尋和計(jì)算，在構(gòu)建塊上安置合適的原子或原子團(tuán)，得到與受體的性質(zhì)和形狀互補(bǔ)的真正的分子。,全新藥物設(shè)計(jì)的方法分類,模板定位法原子生長(zhǎng)法分子碎片法,模板定位法,模板定位法（automated molecular template－directed drug de

28、sign）最早由Lewis在1989年提出該法先在受體的受點(diǎn)用模板構(gòu)建出一個(gè)形狀互補(bǔ)的三維分子骨架，再根據(jù)受體的性質(zhì)把分子骨架轉(zhuǎn)化為具體的分子結(jié)構(gòu)這一過(guò)程的前一步稱為一級(jí)結(jié)構(gòu)生成，第二步稱為二級(jí)結(jié)構(gòu)生成,模板定位法全新藥物設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖,原子生長(zhǎng)法,原子生長(zhǎng)法（autobuild）由Nishibata等提出是根據(jù)靶點(diǎn)的性質(zhì)，如靜電、氫鍵和疏水性等，逐個(gè)地增加原子，配上與受點(diǎn)形狀和性質(zhì)互補(bǔ)的分子，也就是說(shuō)基本構(gòu)建塊是原子在原子庫(kù)中

29、含有原子生長(zhǎng)所需要的各種類型的原子，如sp3雜化碳、芳香碳（sp2）、羰基氧（sp2）、羥基氧（sp3）、氨基氮（sp3）等；還有各種類型的化學(xué)鍵，如單鍵、雙鍵、三鍵、芳香鍵、酰胺鍵等,分子碎片法,分子碎片法（molecular fragment approach）又稱化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)算法或片段連接算法，最早由Moon等人在1991年提出該法應(yīng)用的基本構(gòu)建塊為碎片，每個(gè)碎片由單一官能團(tuán)（如羥基、羰基或苯環(huán)等）構(gòu)成根據(jù)各碎片的連接增長(zhǎng)的方式

30、不同，可分為碎片連接法和碎片生長(zhǎng)法,碎片連接法,碎片連接法（linked－fragment approach或fragment connection methods）首先要有儲(chǔ)存有各種碎片的碎片庫(kù)和各種連接子（linker）的連接子庫(kù)連接子有－CH2-、－CH2CH2－、－CH2CH2CH2－、－CH=CH－、-COO－、-CONH-、-O-等,操作,先在受體的受點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生網(wǎng)格，用探針原子分析受點(diǎn)的表面性質(zhì)，如疏水、氫鍵、靜電、范德華

31、力等性質(zhì)，根據(jù)性質(zhì)的不同，將受點(diǎn)區(qū)域劃分為不同的能容納一個(gè)碎片的子區(qū)域，如氫鍵供體、氫鍵接納體、脂肪疏水、芳香疏水和靜電作用區(qū)等然后搜尋碎片庫(kù)，找到形狀和性質(zhì)符合要求的碎片，對(duì)接上去。再搜尋連接子庫(kù)，形狀合適的連接子將各子區(qū)域的碎片連接起來(lái)，就可以得到一個(gè)完整的分子對(duì)產(chǎn)生的一系列分子用分子力學(xué)計(jì)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，挑選出最好的幾個(gè)結(jié)構(gòu)供下步研究,碎片連接法的軟件：,CAVEATSPLICEHOOKNEWLEADPRO-LIG

32、AND等,碎片生長(zhǎng)法,碎片生長(zhǎng)法（fragmentbuild）類似于原子生長(zhǎng)法它在受體受點(diǎn)上根據(jù)性質(zhì)、形狀的要求，以碎片而不是原子逐個(gè)地生長(zhǎng)來(lái)構(gòu)建成一個(gè)分子,操作,碎片生成的起始點(diǎn)可以是受點(diǎn)上指定的種子原子，也可以是核心碎片核心碎片是連接在受點(diǎn)上能量合適的碎片，可以從碎片庫(kù)中得到，或選擇配基分子中的一個(gè)片斷然后根據(jù)作用能量的大小生長(zhǎng)出一個(gè)一個(gè)的碎片，最后得到一個(gè)完整的分子從分子力學(xué)優(yōu)化所得到的一系列結(jié)構(gòu)中挑出合理的幾個(gè)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一

33、步研究,特點(diǎn) 由于分子碎片法是以化學(xué)上合理的碎片作為設(shè)計(jì)的基本定位，所得到的新分子在結(jié)構(gòu)上被接受，所以這一方法成為當(dāng)前全新藥物設(shè)計(jì)的主流,軟件,LUDI，LEAPFROG,SPROUT,CLIX,GROW,SPLICE,GROMOL和GEMINI等,SAR by NMR法,1996年以Abbott實(shí)驗(yàn)室S.W.Fesik為首的科學(xué)家在一系列論文中報(bào)道了核磁共振法構(gòu)效關(guān)系研究方法設(shè)計(jì)產(chǎn)生新藥,該方法的基本思想,先測(cè)得15N標(biāo)

34、記的受體蛋白的一組1H－15N2D HSQC數(shù)據(jù)并找出相關(guān)關(guān)系然后在各等分量受體溶液中加入各種配基如果配基與受體不能作用，則HSQC譜保持不變；如果配基與受體結(jié)合，則會(huì)改變之間的局部化學(xué)環(huán)境，1H-N15相關(guān)譜圖將會(huì)發(fā)生化學(xué)位移的變化一般化學(xué)位移變化越大，反映出配基與受體活性部位的結(jié)合越緊密、作用越強(qiáng)。從活性位移的變化與配基結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得到受體的活性部位圖形。,用SAR by NMR法產(chǎn)生配基的過(guò)程,先用NMR方法篩選結(jié)

35、合于15N標(biāo)記受體各相鄰受點(diǎn)的小分子，一旦篩選出能有效結(jié)合的分子，則繼續(xù)對(duì)其類似物作篩選改變分子的濃度，用2DHSQC譜作為結(jié)合常數(shù)的參數(shù)，得出構(gòu)效關(guān)系根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化與受體的結(jié)合將若干個(gè)小分子化合物片段結(jié)構(gòu)互相連接，并測(cè)得受體與配基的復(fù)合物3D結(jié)構(gòu)作結(jié)合能預(yù)測(cè)最后人工合成出這一連接而成的新的化合物。,SAR by NMR法產(chǎn)生配基的例子,其他方法,Pearlman和Murcko在1993年提出的動(dòng)力學(xué)算法（dynamic a

36、lgorithm），又稱原子填充法（atom filling）基于三維結(jié)構(gòu)搜尋的全新藥物設(shè)計(jì)（three－dimensional structure searching based de novo drug design）蒙特卡洛全新配基生成（Monte Carlo de novo ligand generator，MCDNLG）,二、間接藥物設(shè)計(jì),在受體三維結(jié)構(gòu)未知的情況下，可采用間接藥物設(shè)計(jì)（indirect drug desi

37、gn）結(jié)構(gòu)相似、作用類型相同、活性大小不一的一系列配基，可能會(huì)有共同的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，它們能與同一受體的受點(diǎn)作用；因此可以在一系列配基的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，尋找它們共同的藥效基團(tuán)這是一種間接的藥物設(shè)計(jì)方法包括3D-QSAR方法、建立藥效基團(tuán)模型的方法以及在此基礎(chǔ)上的三維結(jié)構(gòu)搜尋方法,3D-QSAR方法,Three－dimensional quantitative structure－activity relationships將藥物的理化參

38、數(shù)和三維結(jié)構(gòu)參數(shù)與藥效擬合出定量關(guān)系，再以此關(guān)系設(shè)計(jì)新的化合物。,藥效基團(tuán)模型方法,Pharmacophore modeling是對(duì)一系列活性化合物作3D-QSAR分析研究，并結(jié)合構(gòu)象分析總結(jié)出一些對(duì)活性至關(guān)重要的原子和基團(tuán)以及空間關(guān)系，反推出與之結(jié)合的受體的立體形狀、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，推測(cè)得到靶物質(zhì)信息，即得到虛擬受體模型（pseudoreceptor model），以此來(lái)設(shè)計(jì)新的配基分子,3D-QSAR方法和藥效基團(tuán)模型方法是密不可分的

39、，由于藥效基團(tuán)模型中包含了藥物和受體結(jié)合的三維結(jié)構(gòu)信息，因此3D-QSAR方法不僅能優(yōu)化化合物的結(jié)構(gòu)，還能設(shè)計(jì)出新的先導(dǎo)化合物,基于藥效基團(tuán)模型的三維結(jié)構(gòu)搜尋方法,Phamarcophore based three－dimensional structure searching是以藥效基團(tuán)模型為搜尋標(biāo)準(zhǔn)（即提問(wèn)結(jié)構(gòu)）來(lái)搜尋小分子三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，得到新配基分子該法是在3D-QSAR方法和藥效基團(tuán)模型方法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用三維結(jié)構(gòu)搜尋方法的

40、間接藥物設(shè)計(jì),活性類似物法,Active analogue approach，AAA由Mashall于1979年提出又稱共同模板假設(shè)（common template hypothesis）或共同構(gòu)象假設(shè)（common conformation hypothesis）,這一方法從一組不同結(jié)構(gòu)和生物活性的配基的低能構(gòu)象中抽提出關(guān)鍵的特征，即指定出分子之間對(duì)應(yīng)的重要基團(tuán)，進(jìn)行各配基構(gòu)象的重疊，使每個(gè)分子盡可能處于低能構(gòu)象，關(guān)鍵特征盡可能重

41、疊在一起，經(jīng)反復(fù)疊合，找到最佳的重疊構(gòu)象從這些重疊構(gòu)象的范德華力表面推測(cè)得到假設(shè)的同一受體受點(diǎn)作用所必需的空間結(jié)構(gòu)，而無(wú)活性化合物的總體積代表著受體中的“禁區(qū)”，即該部位已被受體的殘基占據(jù)，而不能容納配基這樣就能間接地得知受體的三維作用受點(diǎn),假想受點(diǎn)點(diǎn)陣,1998年，Doweyko提出一種稱為假想受點(diǎn)點(diǎn)陣（hypothetical active site lattice，HASL）的3D-QSAR模型該方法先計(jì)算出相似或不同類型配

42、基構(gòu)象的最小能量，并將整個(gè)分子置于一個(gè)規(guī)則、正交的三維網(wǎng)格，由用戶指定一個(gè)理化性質(zhì)，比如疏水性或電子密度等加于三維網(wǎng)格中作為第四維，將每個(gè)分子的生物活性值相對(duì)應(yīng)點(diǎn)陣的所有點(diǎn)平均，得到假想的受點(diǎn)點(diǎn)陣模型對(duì)某一分子而言，其對(duì)應(yīng)的分子點(diǎn)陣與復(fù)合點(diǎn)陣所共享點(diǎn)的局部活性的加和，即為該分子的預(yù)測(cè)活性,距離幾何法(distance geometry,DG),1977年，由Crippen開創(chuàng)，又稱距離映射法（distance map）的基于藥效基團(tuán)模

43、型的三維結(jié)構(gòu)搜尋方法基本觀點(diǎn)：藥物－受體的相互作用是通過(guò)藥物的活性基團(tuán)與受體受點(diǎn)相應(yīng)的結(jié)合點(diǎn)直接作用而發(fā)生的，藥物的活性大小與藥物和受體結(jié)合點(diǎn)的結(jié)合能大小有關(guān)，通過(guò)選擇合理的受體結(jié)合點(diǎn)分布模型和藥物分子的結(jié)合模式，建立起與藥物活性基團(tuán)和受體結(jié)合點(diǎn)類型相關(guān)的能量參數(shù)，以此定量預(yù)測(cè)其結(jié)合能，進(jìn)而推知藥物的作用強(qiáng)度。,操作時(shí)先構(gòu)造出一個(gè)配基的大致3D模型，并選擇最低能量的構(gòu)象，求得一個(gè)表示分子內(nèi)兩個(gè)原子或基團(tuán)距離的矩陣，并定出上下限，用這樣

44、一個(gè)由若干個(gè)分子內(nèi)兩點(diǎn)間舉例構(gòu)成的空間矩陣來(lái)表示整個(gè)分子在受體的受點(diǎn)設(shè)置一系列空間點(diǎn)，分成空的（配基點(diǎn)可以進(jìn)入并與受體作用）和滿的（空間已被受體原子占領(lǐng)，配基點(diǎn)不能進(jìn)入）兩種，然后進(jìn)行搜尋，即可尋找出藥物的活性基團(tuán)與受體受點(diǎn)相結(jié)合的模型利用結(jié)合能參數(shù)搜尋結(jié)合最佳的結(jié)合模式，計(jì)算出結(jié)合能，即可預(yù)測(cè)新化合物的生物活性。,操作方法,分子形狀分析,molecular shape ananlysis，MSA是Hopfinger在1980年發(fā)

45、表的一種3D-QSAR研究方法。MAS認(rèn)為柔性分子可以有多種構(gòu)象，因此有多種形狀，而受體對(duì)所能接受的配基的形狀是有要求的，所以分子的活性就與配基分子形狀對(duì)受體腔的適應(yīng)能力有關(guān)MAS使用一些可以表達(dá)分子形狀的參數(shù)，如以體系參照分子的重疊體積、分子勢(shì)能積分差異等作為變量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析求出QSAR關(guān)系式。,MAS把經(jīng)典Hansch分析的變量擴(kuò)展到包含分子三維結(jié)構(gòu)的形狀參數(shù)，使QSAR關(guān)系式更精確，同時(shí)也為研究藥物－受體作用模型提供參考,CA

46、SE方法,Computer automated structrue evalution，CASE由Klopman提出基本思路： 先對(duì)所有化合物分子以Klopman線性符合作結(jié)構(gòu)編碼，把化合物的編碼及其生物活性數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)文件中；再以程序自動(dòng)地把分子分為若干個(gè)碎片，從有生物活性化合物中得到的碎片作為有活性的，而無(wú)生物活性化合物中得到的碎片則作為無(wú)活性的，形成一個(gè)分子碎片的數(shù)據(jù)庫(kù)；然后用回歸法對(duì)碎片和生物活性進(jìn)行相關(guān)性分析，

47、建立定量關(guān)系式，并以此對(duì)新化合物進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。以新化合物對(duì)定量模型作更新、修正，可提高模型的精度。,比較分子場(chǎng)分析法,又稱比較分子力場(chǎng)分析法或稱比較分子場(chǎng)分析法（Comparative molecular field analysis，CoMFA），1988年提出分子藥理學(xué)研究表明，引起生物學(xué)效應(yīng)的藥物分子與受體的相互作用大多是一種可逆的非鍵合作用，如范德華力、靜電相互作用（庫(kù)侖作用）和氫鍵，這些非鍵合作用可以用分子的勢(shì)場(chǎng)來(lái)描述。這樣

48、在不了解受體三維結(jié)構(gòu)的情況下，研究這些藥物分子周圍3種作用勢(shì)場(chǎng)的分布情況，把它們與藥物分子的生物活性定量地聯(lián)系起來(lái)，用以推測(cè)受體的某些性質(zhì)，并可依建立起作用模型來(lái)設(shè)計(jì)新的化合物，定量地預(yù)測(cè)其活性強(qiáng)度。,CoMFA要點(diǎn),該法假定配基與受體的結(jié)合是非共價(jià)鍵結(jié)合的，兩者的親和力或配基的生物活性與配基分子周圍的空間立體場(chǎng)或靜電場(chǎng)有關(guān)（立體場(chǎng)用Linnard－Jones位能計(jì)算，靜電場(chǎng)用Columb位能計(jì)算）將分子的勢(shì)場(chǎng)對(duì)應(yīng)至網(wǎng)格點(diǎn)上表示分子周

49、圍的環(huán)境，再在勢(shì)場(chǎng)基礎(chǔ)上來(lái)比較分子，分析其與活性之間的關(guān)系能同時(shí)用于非同系化合物的結(jié)構(gòu)與活性分析,CoMFA操作過(guò)程,（1）構(gòu)建出分子的三維結(jié)構(gòu)，以分子力學(xué)和量子化學(xué)計(jì)算被研究化合物的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象，按照合理的重疊規(guī)則和根據(jù)對(duì)藥效圖形的推測(cè)和判斷，把這些分子三維結(jié)構(gòu)重疊在一個(gè)包容全部化合物分子的空間網(wǎng)格（grid或lattice）上。文獻(xiàn)中重疊規(guī)則的選用：第一種是如果知道作用機(jī)制，可用已知的活性構(gòu)象作為模板，其他分子與之重疊；第二種用

50、AAA法對(duì)一系列分子進(jìn)行系統(tǒng)搜尋，找出它們的共同構(gòu)象，從而確定其活性構(gòu)象第三種直接用活性最高的分子作模板，其他分子與之重疊,（2）選擇一個(gè)合適的探針原子、基團(tuán)或分子，在空間網(wǎng)格上逐點(diǎn)移動(dòng)，每行進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)（一般0.04～0.2nm）均計(jì)算出探針與化合物的相互作用能，以確定化合物分子周圍各種作用力場(chǎng)的空間分布。,（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 由于網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)目比化合物的數(shù)目，即生物活性樣本數(shù)目大得多，因此采用偏最小二乘法（PLS）進(jìn)行回歸，以克服自

51、變量數(shù)目大大超過(guò)因變量數(shù)目所帶來(lái)的問(wèn)題；通過(guò)交叉驗(yàn)證（cross validation）和因子分析（FA）建立起3D-QSAR方程。,為使3D－QSAR方程有較好的回歸效果，一般樣本數(shù)是變量數(shù)的5倍以上,如有35個(gè)化合物，則可以選取6～7個(gè)參數(shù),（4）用得出的3D－QSAR預(yù)測(cè)未知物的活性，計(jì)算某一新化合物分子周圍的力場(chǎng)分布，輸入到該模型中。如果不正確，則重復(fù)步驟（2）和（3），直到得出具有最佳預(yù)測(cè)功能的3D-QSAR。,CoMFA

52、方法操作示意圖,藥效基團(tuán)模型法,Pharmacophore perception是對(duì)一系列活性化合物進(jìn)行3D-QSAR，并結(jié)合構(gòu)象分析，得出該類藥物的藥效基團(tuán)模型運(yùn)用三維活性預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)Apex-3D（Activity Prediction Expert System，Biosym公司），能自動(dòng)識(shí)別生物活性分子中的藥效基團(tuán),該方法分步,（1）根據(jù)化合物的活性將其分類（2）在整個(gè)構(gòu)象空間中搜索最低能量構(gòu)象，對(duì)得到的所以構(gòu)象進(jìn)行能量最

53、小化，尋找出最低能量構(gòu)象；建立分子的三維藥效基團(tuán)模型，然后計(jì)算出用于識(shí)別藥效基團(tuán)的各種電性性質(zhì)、疏水性質(zhì)和體積性質(zhì)描述符，如芳香環(huán)中心，親脂區(qū)域、電子和氫鍵供體和接納體性質(zhì)、HOMO和LUMO能量指數(shù)以及摩爾折射率等,（3）識(shí)別出屬于同一活性級(jí)別所以化合物的共同結(jié)構(gòu)模式，并統(tǒng)計(jì)它在各個(gè)活性級(jí)別化合物中出現(xiàn)頻率，由此計(jì)算出用于確定藥效基團(tuán)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)（4）基于具有同種藥效的藥物很可能作用于同一受體的學(xué)說(shuō)，疊加具有同一藥效基團(tuán)的分子，并進(jìn)行