药物设计理论与方法

王远强王远强1第三章第三章 基于结构的药物设计基于结构的药物设计2基于结构的药物设计基于结构的药物设计（计算机辅助药物设计）（计算机辅助药物设计）3 第一节第一节 计算机辅助药物设计的基本理论和方法计算机辅助药物设计的基本理论和方法 第二节第二节 基于配体的药物设计方法（定量构效关系方法，基于配体的药物设计方法（定量构效关系方法，药效团模型）药效团模型）第三节第三节 基于受体的药物设计方法（分子对接，虚拟筛选基于受体的药物设计方法（分子对接，虚拟筛选，全新药物设计），全新药物设计）第一节第一节 计算机辅助药物设计算机辅助药物设计的基本理论和方法计的基本理论和方法4一、基于药物一、基于药物-靶标相互作用的药物设计靶标相互作用的药物设计二、类药性预测方法与初步虚拟筛选二、类药性预测方法与初步虚拟筛选三、分子三维结构表示三、分子三维结构表示思考题思考题5 类药性预测方法有哪些？各自的主要内容是什么？一般的分子力场包含哪几项？如何通过理论计算方法得到一个小分子的最低能量结构？一、基于药物一、基于药物-靶标相互作用的靶标相互作用的药物设计药物设计6基于先导化合物和靶分子结合模式的先导化合物的结构优化基于先导化合物和靶分子结合模式的先导化合物的结构优化已有药物已有药物-靶结合作用的增强靶结合作用的增强增加新的药物增加新的药物-靶结合作用靶结合作用复杂分子的结构简化复杂分子的结构简化柔性结构的构象限制柔性结构的构象限制1 1、已有药物、已有药物-靶结合作用的增强靶结合作用的增强7 通过研究先导化合物与靶分子的作用模式可以发现，先导化合物的重要官能团可能不是出于最佳的位置，或者与靶分子的相互作用较弱。可以通过各种结构修饰方法来增强先导化合物与靶分子的相互作用，提高先导化合物对靶分子的亲和力和选择性。8结合基团的替换结合基团的替换 变换结合基团是一种简单的增强药物-靶标相互作用的方法，通过分子对接等方法可以预测最佳的结合基团。在变换结合基团的过程中，需要考虑合成的可行性，一般避免对原合成路线有大的改动。9可作用于可作用于和和肾上腺素受体肾上腺素受体仅作用于仅作用于肾上腺素受体肾上腺素受体烷基替换烷基替换 烷基替换最为常见：甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、异丁基、叔丁基等的变换来考察链的长度和体积对结合的影响。对于有些能同时作用于多个同类受体的药物，可以通过烷基的改变，提高药物选择性。10抗真菌药抗真菌药三唑环用氟代嘧啶环替代后，大大增强了与唑类抗真菌药物作用靶点羊毛甾醇14-去甲基化酶的相互结合作用。芳基替换芳基替换芳香环和杂环的替换：通常可以改变环的大小和杂原子来增强药物与靶分子的结合相互作用。结合基团位置的变化结合基团位置的变化11在研究先导化合物与靶分子的作用模式时发现，有时结合基团并不处于一个最佳的位置，通过调整结合基团的位置，可以增强先导化合物与靶分子的结合相互作用。12血管紧张素血管紧张素(ACE)(ACE)转化酶转化酶结合基团电子性质的变化结合基团电子性质的变化NH2RR-NH213结合基团的电子性质在药物与靶分子的静电相互作用和氢键相互作用中起到非常重要的作用。如：胺基的可质子化程度决定了与结合位点羧基负离子之间作用的强弱。芳香胺弱于脂肪胺。CONH2RCOOR1RCOR1R14 对氢键的影响。如当羰基作为氢键受体时，其氧原子上的电子云密度越高，形成氢键的能力越强。2 2、增加新的药物、增加新的药物-靶结合作用靶结合作用15在基团选取过程中，在基团选取过程中，结合分子模拟方法，结合分子模拟方法，通过理论计算预测通过理论计算预测新分子与靶分子的新分子与靶分子的相互作用能，可大相互作用能，可大大提高设计的成功大提高设计的成功率。率。在研究药物与靶分子的作用模式时，经常可以发现已有的分子并不“完美”，并不能与全部的活性结合位点形成相互作用。16与阿片受体形成新的疏与阿片受体形成新的疏水相互作用。水相互作用。与血管紧张素转化酶形成与血管紧张素转化酶形成新的疏水相互作用。新的疏水相互作用。3、复杂分子的结构简化、复杂分子的结构简化17 通过研究天然产物中得到的先导化合物与靶分子的相互作用模式，找出它们结构中对产生活性必须的部分，然后将不必要的部分删除，简化结构，提高先导化合物合成的可行性，而且有可能减少因多余基团带来的毒副作用。神经化学信使胆囊收缩素拮抗剂注注 意意18 1、随着分子简化，分子体积变小，有可能与其他靶分子作用，因此每一步简化都要跟踪其活性。2、分子简化必须适度。过于简化的分子往往会导致活性和选择性的降低，以及毒副作用的增多。4、柔性结构的构象限制、柔性结构的构象限制19 有些先导化合物含有多个可旋转键（柔性键），分子构象数目多，则分子难于以正确的构象与靶分子结合，降低了结合亲和力。同时，同一个分子的不同构象可能与不同的靶分子结合，缺乏选择性，带来副作用。限制构象的方法：成环固定 引入双键，三键、酰胺、芳环等刚性官能团 立体位阻20引入双键引入双键选择性地作用于多选择性地作用于多巴胺巴胺D3D3，避免与，避免与D2D2的副作用的副作用具有更高的抗肿瘤活性具有更高的抗肿瘤活性安定药安定药在分子的构象限制在分子的构象限制过程中，往往会使过程中，往往会使分子结构更为复杂，分子结构更为复杂，因此在构象限制过因此在构象限制过程中必须同时考虑程中必须同时考虑合成的可行性。合成的可行性。二、类药性预测方法与初步虚拟筛选二、类药性预测方法与初步虚拟筛选21 类药性指化合物与已知药物的相似性。具有类药性的化合物并不是药物，但是具有成为药物的可能，这一类化合物称为类药性分子或药物类似物分子。类药性是一个模糊的概念，在药物研发中，可以说类药性分子是高质量的先导化合物。先导化合物在化学上容易合成，并且具有ADME的性质。在药物研发过程中，测定活性是确认化合物作为先导物的直接指标，而许多特性在先导化合物的优化过程中无法测量。为了降低研发的风险，类药性被更多用于评估化合物可能存在的导致失败的特性。22 多种类药性预测方法已经用于化合物合成前的类药性评价、类药性化合物的广泛收集、类药组合化学库的设计、高通量筛选前化合物的类药性预测等方面。对提高筛选化合物的质量，降低人力物力财力消耗，提高先导化合物发现的几率、促进药物发展的进程具有重要意义。1 1、类药性预测方法、类药性预测方法23（1）结构特征分析法 主要用于研究分子结构中是否具有药物分子常用的结构片段，虽然不能直接用来区分药物与非药物，但有助于定义药物分子的结构，对用于全新药物设计的结构片段库的建立和组合化学库的设计具有重要意义。5100个药物CMC（comprehensive medicinal chemistry database）1179中不同骨架骨架和侧链比较拓扑结构32个片段可描述半数药物考虑原子类型、杂化作用、键级42个片段可描述1/4药物最常出现的取代基：非芳香杂环出现的频率是芳香杂环的两倍。最常出现的功能团是脂肪叔胺、醇羟基、酰胺基。（2）Linpinski五倍率法24五规则对一些化合物的预测五规则对一些化合物的预测25一些药物化学家还仿照里宾斯基五规则提出了用于筛选类先导化合物的五规则：26 化合物的分子量在100至380道尔顿之间 化合物中有尽可能少的氢键受体 化合物中有尽可能少的芳香环 化合物脂水分配系数的对数值在1到3之间 化合物能够与靶受体相结合（3）Ghose法和Oprea法27 Ghose分析了CMC数据库中的6304个化合物，发现80%符合以下规则：AlgP（平均）160相对分子质量480（平均357）40摩尔折射率130（平均97）20原子总数70（平均48）Oprea研究了许多类药库和非类药库，发现三个性质对于区分类药分子和非类药分子非常重要：类药分子类药分子非类药分子非类药分子环数3环数2刚性键数18刚性键数17可旋转键数6可旋转键数5（4）类药指数法28 类药指数（drug-like index,DLI）是通过分析CMC数据库中4836个化合物的25个结构参数，构建了“类药”簇中心。计算化合物的DLI，需计算这25个参数值，然后与类药簇中心的分布进行比较，若化合物的每个参数值都与类药簇中心非常接近，则化合物的DLI就会很高。2 2、初步虚拟筛选方法、初步虚拟筛选方法29 一般可根据分子性质的计算值和分子中可能存在的反应活性子结构和毒性子结构来区分类药和非类药化合物。（1）五倍率法（2）排出含有不利官能团的分子30常见的毒性骨架结构和毒性部位或类型31畸形肿瘤肺血液突变血管32心脏神经失控皮肤腺体泌尿系统肠胃脑和中枢神经肝（3）与已知药物的骨架和侧链比较3311.80%2.50%3.80%2.30%2.30%2.80%2.30%4.80%CMC数据库中药物最常见骨架及出现概率三、分子三维结构表示三、分子三维结构表示34351 1、分子结构表示；、分子结构表示；2 2、分子三维结构信息的获得；、分子三维结构信息的获得；3 3、能量最小化和构象搜索。、能量最小化和构象搜索。1、分子结构的表示、分子结构的表示OHCH2CHNH2OHO36C8H9NO337线型模型线型模型Sticks modelWith Hydrogen Atoms线型模型线型模型Sticks modelWithout Hydrogen Atoms38空间填充模型空间填充模型Space Filling(CPK)棒型模型棒型模型 Tubes model球棍模型球棍模型 Balls and Sticks线型点状模型线型点状模型Sticks and dots modelSurfaces(http:/sci.org/Science/Compchem/feature14.html)39VdW surfaceConnolly molecular surfaceSolvent-accessible surface(Lee and Ricahrds,Connolly)Excluded volumeVdW SurfaceConnolly surfaceProbeSolvent-accessible SurfaceExcluded VolumeExamples40VdW SurfaceSolvent Accessible SurfaceTryptophan:Molecular Surface4142The secondary structure is the basic structure unit蛋白结构的表示蛋白结构的表示43碳图模型C plot model缎带模型Ribbon model卡通模型Cartoon model2、分子三维结构信息的获得、分子三维结构信息的获得44 X-ray Crystallography NMR Spectroscopy Computer-generated 3D structures构象分析和几何优化构象分析和几何优化分子力学分子力学量子力学量子力学45 通过对衍射的位置、强度计算，读出原子坐标值，解析结构得到晶体空间结构,计算机分子模型技术可将上述数学数值和符号转化为高分辨率的分子。（1）46 化合物测定须得到单晶 蛋白质结晶 蛋白质-药物复合物结晶 X X射线晶体学测得的是晶体状态下的优势构象47 可测定溶液中分子结构优势构象，更好代表生物环境下的分子，还能研究动力学特征。可得到蛋白质或核酸与药物相互作用的构象。（2）48 量子力学：可精确计算分子和电子的性质和能量 分子力学：可计算出分子的静态性质，如结构和分子能量（能量中不涉及电子能量项）分子动力学：可计算分子的动态性质，如分子的运动轨迹，也能计算出分子体系的热力学性质，如焓、熵和自由能。（3）Computer-generated 3D structures 量子化学（量子化学（quantum chemistry）49量子化学是一门以量子力学的基本原理和方法来研究化学问题的学科。它从微观角度对分子的电子结构、成键特征和规电子结构、成键特征和规律、各种光谱和波谱以及分子间相互作用进行研究，并藉此律、各种光谱和波谱以及分子间相互作用进行研究，并藉此阐明物质的反应性以及结构和性能关系阐明物质的反应性以及结构和性能关系等等。量子化学学科的建立标志着化学摆脱了单一依靠实验的局面，将化学带入了一个新的时代。量子力学研究微观粒子（电子、原子、分子）运动规律的理论。它用波函数描写粒子的运动状态，以薜定谔方程确定波函数的变化规律并对各物理量进行计算。50从头计算方法（从头计算方法（ab initio）以基本物理常数（Planck常量、电子质量和电量）以及元素的原子序数，不借助于任何经验参数，求解薜定谔方程 计算结果精度高，可靠性大，但是计算量极大，消耗计算机时太多 从头计算法的软件有Gaussian，SPARTAN等51 为了回避从头计算方法的复杂运算，发展了若干种近似性更大的分子轨道理论计算方法。在物理模型上，它们都引入可调参数，体系基于Hartree-Fock-Roothaan方程，借用经验或半经验参数代替分子积分，统称为半经验(semi-empirical method)分子轨道法。半经验计算法可以用于计算较大的分子体系。量子化学半经验计算法量子化学半经验计算法Semiempirical methods 52半经验计算法主要包括：1、完全不考虑双电子作用的单电子近似方法，如HMO、EHMO法等；2、通常所说的半经验量子化学计算方法，主要指的是建立在零微分重叠（Zero Differential Overlap,ZDO）近似基础上的计算方法，该方法忽略积分值很小、且运算复杂的双电子积分。如CNDO、INDO、NDDO、改进的MINDO、MNDO以及AM1和PM3等 分子力学方法分子力学方法53 分子力学又称分子力场，基于经典牛顿力学方程的一种计算分子的平衡结构和能量的方法，来研究分子体系的结构和性质：将原子看成大小不同的橡皮球，把化学键看成长度不等的弹簧，原子之间的化学键，具有标准的键长、键角等，分子内还存在非键相互作用。分子调整自身构象以尽量给出原子位置的最佳排布。由于计算量小，分子力学可研究包括成千上万个原子的分子体系，包括有机小分子、生物大分子。54Steric Energy55The difference between the actual energy of the system and the energy of a hypothetical system is that all structural parameters are at their equilibrium(minimum energy)values.Steric Energy=Estretch+Ebend+Etorsion+Estretch-bend+Etorsion-stretch+EVdW+Ehydrogen+Eelectrostatic+EdipoleEstretchStretch energy(over all bonds)EbendBending energy(over all angles)EtorsionTorsional(dihedral)energy(over all dihedral angles)Estretch-bend Stretch bend energyEtorsion-stretchTorsion stretch energyEVdWVan Der Waals energy(over all atom pairs 1,3)EhydrogenHydrogen bonding energyEelectrostaticElectrostatic energy(over all charged atom pairs 1,3)EdipoleDipole energy常用的分子力场常用的分子力场56 Angle Bending57-5.00.05.010.015.020.025.0energy8090100110120130bond angle C-C-C angle ambermm2mm3energyangleMM3MM2AMBER20)(2)(kvAMBER:6020)(22)(21)(kkvMM2:6050403020)(25)(24)(23)(22)(21)(kkkkkvMM3:Uses of“Steric Energy”“Steric energy”has NO physical meaning,and it is defined differently in different programs Therefore it CAN NOT be used to compare structures calculated by different programs Its use is limited to comparing ISOMERIC structures having the SAME number and kinds of bonds(conformers,stereoisomers).Calculations are very fast Geometry optimizations of small to medium-size molecules can be accomplished on a pc Conformations of macromolecules(including biomacromolecules such as peptides and polysaccharides)can be calculated using workstations or parallel processing computers.A General Force Field Calculation60u InputAtom TypesConnectivity Starting Geometryu Calculate molecular properties at initial geometryu Geometry optimizationu Calculate molecular properties at final geometryu OutputMolecular structureMolecular energyDipole momentsetc.etc.etc.61 分子力学计算 MM2 计算方法 半经验公式 MOPAC 量子力学计算 从头计算 Gaussian计算方法计算方法62 量子力学计算法计算结果的精度要比分子力学计算法高的多，但每一钟计算方法都有它独特的用法。.分子力学计算方法分子力学计算方法MM2 应用范围：体系中有几千个原子；有机物、低聚核苷酸、羧氨酸以及糖等大型分子；气象（只能用分子力学计算法）。包含的可用技术：能量最低化；构象搜索；同一分子的个别点能量比较；分子动力学研究。63.量子计算方法量子计算方法 （1）半经验方法）半经验方法-MOPAC 含有120个重原子并且原子总数在300以内；有机物、有机金属化合物、低聚物（包括缩氨酸、核苷、糖类）；气相或绝对溶剂环境。（2）从头计算法）从头计算法 体系的原子总数在30个以内；气相或绝对溶剂环境；基态、过渡态和激发态的研究（主要方法）；静电势；偶极矩；过渡态几何形状和能量；键分裂能。（3）从头计算法Gaussian程序 Chem3D中添加了Gaussian的菜单，但需要将程序安装后才能使用。3、Energy Minimization（能量优化）（能量优化）64为了确定分子低能构象，就需要求解与其对应的分子为了确定分子低能构象，就需要求解与其对应的分子势能面上的极小值，这一过程称为能量优化（势能面上的极小值，这一过程称为能量优化（energy minimization）。）。Starting geometryEasy to implement;useful for well defined structuresDepends strongly on starting geometry-+65分子力学的能量优化方法较通用，计算速度快，但在最小化中只允许体系能量下降，而不能上升，因而有着陷入局部最小值的缺陷。66energy67Population of MinimaMost minimization method can only go downhill and so locate the closest(downhill sense)minimum.No minimization method can guarantee the location of the global energy minimum.No method has proven the best for all problems.Global minimumMost populated minimumActive Structure基于导数能量最小化方法总结基于导数能量最小化方法总结68Steepest Descent(最速下降法最速下降法)Robust.Convergence guaranteed on quadratic surfaces.Slow to converge especially near the minimum.Conjugate gradient,Quasi NR(共轭梯度法共轭梯度法)Converges in approximately N steps for N degrees of freedom.Convergence guaranteed on quadratic surfaces.Unstable away from the minimum(i.e.,when surface not quadratic).Newton-Raphson(牛顿牛顿-拉普森法拉普森法)Converges in one step on quadratic surfaces.Unstable away from the minimum.Computationally expensive.69Population of MinimaNo minimization method can guarantee the location of the global energy minimum.Global minimumMost populated minimumActive StructureBut,is this what we really want?Conformational Search Outline70Energy minimizationDuplicate eliminationRandomly or systematically generatedstarting geometriesRepresentative structures for eachpotential minimum构象搜索法构象搜索法71系统搜索法（系统搜索法（systematic searching）非系统搜索法（非系统搜索法（non-systematic searching）蒙特卡洛方法（蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）模拟退火方法（模拟退火方法（Simulated Annealing Algorithm）遗传算法（遗传算法（Genetic Algorithm）系统搜索法（systematic searching），系统地搜索整个构象空间，寻找能量最低点。该法在搜索条件的参数下不会遗漏一个构象。最基本的系统搜索法是网格搜索（grid search），也称为树状搜索（tree search）。72非系统搜索法73蒙特卡洛方法（Monte Carlo method），是一种统计抽样方法，它的命名来自于摩纳哥的赌城。基本思想是在求解的空间中随机采样并计算目标函数，以在足够多的采样点中找到一个叫高质量的最优解为最终目标。此方法取样恰当的话，对低能量构象取样概率大，缺点是计算量极大。非系统搜索法74模拟退火方法（Simulated Annealing Algorithm），在分子动力学计算时，以模拟固体退火的过程来求解组和优化，以获得分子的全局优势构象。计算时先使体系升温，在高温（通常500-600K）下进行分子动力学模拟，使分子体系有足够的能量，克服柔性分子中存在的各种能垒，越过能垒后从高温慢慢降低温度，搜索全部构象空间，从中选出一些能量相对较小的构象，然后逐渐降温，再进行分子动力学模拟，此时较高的能垒已无法越过，在极小化后去除能量较高的构象，最后可以得到相应的能量最小的优势构象。非系统搜索法75遗传算法（Genetic Algorithm），将达尔文进化论的自然选择和优化过程引申到科学计算的优化过程中，把待解决的问题化解为一个寻优问题，利用编码方式把寻优问题表达成一个二进制串，经选择、交配和变异三种操作，不断产生新群体，解决组和优化问题。理论计算获得一个分子最低能量构理论计算获得一个分子最低能量构象的步骤象的步骤76 2D分子结构的产生；转换2D分子结构为3D空间结构；构象搜索；能量最小化。77 ChemDraw ISISDraw2D分子结构的产生分子结构的产生绘制分子结构若知道分子的系统命名，则可迅速得到其分子结构，但本身收录的分子是有限的。操作步骤：点击Structure菜单里的Convert name to structure，弹出对话框，输入分子的名称，就可得到分子结构。OHOHNNH24-(7-Amino-1H-indol-4-yl)-5-hydroxy-3-methyl-hexanal78绘制结构式1.普通分子式的绘制绘制右边的三肽分子结构打开文档在工具栏中选择苯环工具在串口单击，绘制苯，用五元环工具绘制五元环NOONHHNOO2-(1,3-dioxoisoindolin-2-yl)-N1,N3-diphenylmalonamide7980选择单双键工具分别绘制单键、双键用文本输入工具输入元素符号选定全部分子，在Structure菜单中选择Clean Up Structure，调整分子结构，这样得到完美的三肽分子结构。最后，给分子结构命名。用菜单中的“Convert Structure to name”命令。81Chem3DHyperchemSybylDSSchrodinger转换转换2D分子结构为分子结构为3D空间结构空间结构分子结构的能量最小化分子结构的能量最小化