药物设计学第六讲QSAR与药效团

1、 1 1思考题思考题 简述三维定量构效关系方法CoMFA和CoMSIA之间的相同点和不同点。 什么是药效团？如何运用药效团模型进行药物设计。 2 2 3 Hansch模型、Free-Wilson模型等方法并不能细致地反应分子的三维结构与生理活性之间的关系，因而又被称作二维定量构效关系（2D-QSAR）。 （1）对于一些新的不常见的取代基无法获得合适的理化参数去描述； （2）对于药物受体相互作用信息缺少相应参数描述； （3）对于所得到的结果不能获得直观的图形输出，难以将描述符的意义和结构修饰相联系。 1980年前后人们开始探讨基于分子构象的三维定量与其各类活性之间关系，这一类的QSAR方法被称为

2、3D-QSAR。 4 43D-QSAR 3D-QSAR是以配体和靶点的三维结构特征为基础，根据分子的内能变化和分子间相互作用的能量变化，将已知一系列药物的理化参数和三维结构参数与药效拟合出定量关系，再以此关系预测新化合物的活性，进行结构的优化和改造。 进行3D-QSAR分析必须先推断出配体的药效构象和药效基团，因此3D-QSAR与药效团模型是密不可分的。 5 53D-QSAR 3D-QSAR实际上是QSAR与计算化学和分子图形学相结合的研究方法，是研究药物与受体间的相互作用、推测模拟受体图像、建立药物结构活性关系，并进行药物设计的有力工具。分子形状分析 （Molecular Shape Ana

3、lysis, MSA）计算机结构自动评价方法（Computer Automated Structure Evaluation，CASE）假想受点点阵（Hypothetical Active Site Lattice，HASL）距离几何法（Distance Geometry Methods, DGM）比较分子场分析方法（Comparative Molecular Field Analysis, CoMFA )比较分子相似性因子分析(Comparative Molecular Similarity Indices Analysis, CoMSIA) 6分子形状分析分子形状分析 （Molecular

4、 Shape Analysis, MSA）分子形状分析法是Hopginger教授1980年提出的，属于分子构象分析与Hansch方法结合的产物。 该方法认为柔性分子可以有很多构象，而受体所能接受的构象是有限的。因此分子的活性与该分子形状对空腔的适应能力有关。 MSA使用可以表达分子形状的参数作为自变量，经统计分析求出QSAR方程。 7分子形状分析分子形状分析 基本步骤基本步骤 但是，MSA给出的分子形状参数很简单，常常不能区分药物分子在形状上的差别，且有些引入的参数物理意义不明确，属于初级的3D-QSAR，因此MSA的使用受到很大的限制。 8计算机结构自动评价方法（Computer Autom

5、ated Structure Evaluation，CASE）是kolpman教授提出的。该方法以程序自动地把分子分为若干个碎片，从有生物活性化合物中得到的碎片作为有活性的，无生物活性化合物得到的碎片则为无活性的，形成一个分子碎片的数据库。然后用回归法对碎片和生物活性进行相关性分析，建立定量关系式，并以此对新化合物进行定量预测。 9假想受点点阵（Hypothetical Active Site Lattice，HASL）该方法先计算出相似或不同类型配体构象的优势构象，将最低能量的配体分子结构置于一个规则正交的三维网格，由用户指定一个理化性质，比如疏水性或电荷密度等，加于三维网格中作为第四维，计

6、算网格中点阵的所有能量值，然后与每个分子的生物活性相关联，得到假象的受体点阵模型。对某一分子而言，其对应分子点阵与复合点阵所共享点的局部活性的加和，即为该分子的预测活性。 10距离几何法（距离几何法（Distance Geometry Methods, DGM） 距离几何法认为，药物与靶点相互作用是通过药物的活性基团和受体结合部位相应的结合点直接作用实现的。 药物的活性高低可以通过其活性基团和受体结合点的结合能来衡量。 基本步骤： （1）定义分子中可能的作用位点； （2）计算分子的距离矩阵，用原子的距离矩阵得到分子作用位点的距离矩阵； （3）定义靶点结合位点的分布，其相对位置 也用距离矩阵来表

7、示； （4）确定靶点结合位点的分布，通过靶点和药物的距离矩阵来确定最佳的结合模式及靶点结合位点的空间分布。位点定义主观性大计算繁琐 1111 1988年Cramer等提出的比较分子场分析方法（Comparative Molecular Field Analysis，CoMFA），是QSAR研究领域中的一个重大贡献。该方法分析药物分子周围的作用势场分布，把势场与药物分子的生物活性定量的联系起来，用以推测靶点的某些性质，并可依此建立其作用模型来设计新的化合物，定量的预测其活性强度。比较分子场分析方法比较分子场分析方法（Comparative Molecular Field Analysis，CoM

8、FA） 1212基本假设： （1）在分子水平上，影响生物活性的相互作用通常是非共价力，而药物的生物活性可通过分子周围的力场来反应。这种分子力场（立体场和静电场）体现在三维分子力场（立体场和静电场）体现在三维空间空间。 （2）一系列类似化合物以同一机制作用于同一受体,受体活性部位的分子场分布是确定的。 1313 按照该方法的原理，如果一组结构类似的化合物一组结构类似的化合物以同样的方式作用与同一个受体化合物，那么它们与受体分子之间的各种作用场应该有一定的相似性，而其活性取决于每个化合物周围分子场的差别。 分子药理学研究表明，引起生物学效应的药物分子与受体的相互作用大多是一种可逆性的非键合作用，如

9、范德华力范德华力、静电相互作用静电相互作用、疏水作用疏水作用和氢键氢键等，并称这些相互作用为场场，将这些非键合作用用分子的场来描述。 因此，在不了解受体三维结构的情况下，研究这些药物分子周围的作用势场的分布情况，作为化合物的结构特征变量，用数学方法建立他们与化合物的生物活性之间关系的模型，用以推测受体的某些性质，并可依据所建立的作用模型来设计新的化合物。定量的预测其活性强度。CoMFA原理原理 1414Steric field Grid maps for CoMFA and field calculation method 1515CoMFA操作基本过程操作基本过程1 1、构建分子，进行结构优

10、化确定活性构象、构建分子，进行结构优化确定活性构象( (药效构象药效构象) )。2 2、计算分子中的原子的电荷、计算分子中的原子的电荷。获取原子净电荷以便能计算分子的静电力场 在有受体的晶体结构和受体与小分子的作用位点清楚的情况下，采用分子对接的方法确定分子的活性构象是目前比较普遍的活性构象获得方法。 16163、选择合适的叠加规则叠加分子，这是选择合适的叠加规则叠加分子，这是CoMFA的关键步骤的关键步骤 叠合一般分为骨架叠合骨架叠合和场叠合场叠合。对于结构差异大的化合物，叠加规则的选取对于研究的结果有很大的影响。 骨架叠合有以下几种规则可供选择： 1）在了解作用机理的前提下，可以用已知的活

11、性构象作为模板，构建其余分子的结构，并进行局部优化后与已知的活性构象叠合。2）在活性构象未知的情况下，用活性最高的分子低能构象作为模板，构建并局部优化其他分子的结构，与模板分子进行叠合。3）或者在活性构象未知的情况下，可以用活性类似法（Active Analogue Approach，AAA）对分子进行系统构象搜索，找出其共同的构象，从而确立活性构象进行叠合。 17活性类似法（活性类似法（Active Analogue Approach，AAA） 活性类似法（AAA）又称为共同模板假设（Common template hypothesis）或共同构象假设（Common conformation

12、 hypothesis） 方法：从一系列配体中抽出关键特征，进行各配体构象的重叠，使每个配体尽可能处于低能构象，同时尽可能让关键特征重叠在一起。经反复重叠，找到最佳的叠合构象。 从这些重叠构象的范德华表面，推测得到假设的同一受体结合位点作用所必须的结构特征。 18184）如果分子的结构差异较大时，骨架叠合方法不是理想的叠加法。可以采用场拟合（field fit）方法进行叠合。首先计算出各个药物分子的力场，经3个平移自由度和3个转动自由度及某些扭角调整，然后使它们与模板（一般为活性最高的药物）的力场差别最小。 5）用对接后的分子集作为CoMFA中叠合分子集的做法，并与传统的低能构象叠合方法相比较

13、，得到了较好的计算结果。 在实际的计算操作中，没有哪种方法更加优越的比较，究竟选取哪种叠合方式更加究竟选取哪种叠合方式更加有利于所研究的体系要视具有利于所研究的体系要视具体情况而定体情况而定 19194、在叠合的分子周围产生一个包容所有分子的矩形盒子，并划分成规则排列的格点。用某种基团或者小分子（H+，Csp3+，H2O，CH3等）作为探针，在网格中以一定的步长移动（0.42埃米），计算在每个点与每个化合物构象式间的立体场能和静电势等。连同活性数据值，建立数据表。 常用的探针有：常用的探针有：Csp3+ 计算立体能和静电能计算立体能和静电能H2O 计算疏水场和氢键计算疏水场和氢键CH3 计算计

14、算van der Waals场场H+ 计算静电场计算静电场 20 21215、用PLS建立分子场与生物活性之间的关系，并用交叉验证来检验PLS得到的模型的可靠性 由于格点数多，往往采集到2000个以上的力场值，远远超过化合物样本数，因为不能用线性回归（MLR）分析处理，而用偏最小二乘（PLS），以克服自变量数目超过因变量数目所带来的问题。 22QSARequationPLSContourMapsPredictionsQSAR Table = SYBYL MSSBio 2323CoMFA模型的预测能力评价由统计指标press 和交叉验证相关系数确定。其中： 代表观测值， 是计算值 press 越

15、趋近于0，则模型的预测效果越好。 大于大于0.5 才表示此模型可以用于预测新的化合物的活性才表示此模型可以用于预测新的化合物的活性 246.利用3D-QSAR模型预测新化合物的活性 25257、用三维等势线图形（、用三维等势线图形（contour map）显示）显示QSAR模型，模型，显示立体与静电的有利与不利区域，根据此图设计新的显示立体与静电的有利与不利区域，根据此图设计新的化合物，并预测其活性。化合物，并预测其活性。 CoMFA可以用等值线图的方式将各种场的分布用图形直观地表示出来。从图上可以清楚地观察到各种场分布强弱对化合物活性的影响，从而可以根据模型的指导和对实际情况的分析，对现有化

16、合物进行结构修饰和改造，设计新的分子结构。 2626 Steric map indicating areas where steric bulk is predicted to increase (green) or decrease (yellow) activity. Electrostatic map indicating red contours around regions where high electron density (negative charge) is expected to increase activity, and blue contours represen

17、t areas where low electron density (partial positive charge) is expected to increase activity. 27 28如何得到较好的CoMFA模型 提高交互检验的q2的方法： 1. 改变化合物的叠合方式 2. 活性构象的选择 3. 改变化合物的空间取向 4. 调节格点大小 5. 选择不同的探针原子 消除空间取向对q2的影响的方法 1. 全取向全空间搜索法（AOS-APS） 2. 交互检验的q2引导的区域选择方法 2929 CoMFA自问世以来，由于其预测能力强，模型形象、直观，已逐渐成为应用最为广泛的3D-QSA

18、R方法。 它从微观即从分子和原子的水平上揭示了药物分子与受体相互作用的空间特征和在空间结合的理化性质。 特点：将分子特征的表述、统计学方法和图形显示结合在一起，具有直观和实用性。 30CoMFA方法的优点与缺点+ 3D visualization of important features+ Predictive power within scanned space+ Suitable to describe receptor-ligand interactions+ Good correlation within related set 此外，CoMFA仅考虑立体场和静电场 所选用的分子势能

19、函数在某些格点附近会出现显著变化，出现异常数值，需要定义能量的截断（cut off）值，导致某些区域的分子场信息不能很好的表达。31 3232CoMSIA简介简介 比较分子相似性指数分析法（Comparative molecular similarity indices analysis，CoMSIA） CoMSIA 是CoMFA的扩展方法，同样需要分子活性构象的选择、分子叠合、建立空间场范围以及数据相关等过程，活性构象的选择、分子的叠合方式也同样会显著影响模型的预测能力。 3333不同之处：不同之处：CoMSIA在计算探针原子或基团与分子之间的相互作用时采用了与距离相关的高斯函数形式。 采用

20、高斯函数的形式，可以有效地避免在传统CoMFA方法中由静电场和立体场的函数形式所引起的缺陷。由于分子场能量在格点上的迅速衰减，不再需要定义能量的截断值。 34分子场采用5种不同的相似性场计算： 立体场 静电场 疏水场 氢键给体场 疏水受体场由于力场考虑更全面，三维构效模型更优，在一般情况下，CoMSIA会得到更加满意的3D-QSAR模型。 3535选择91个基于六氢吡啶结构的趋化因子（CCR5）抑制剂进行构效关系研究，采用了CoMFA和CoMSIA两种分子场分析方法。 基于六氢吡啶结构的基于六氢吡啶结构的CCR5CCR5抑制剂抑制剂例一、趋化因子例一、趋化因子CCR5抑制剂的三维构效关系研究抑

21、制剂的三维构效关系研究 3636（1）所有的分子在Sybyl分子模拟软件包（Triops,Triops Inc.,USA）中搭建或通过标准的碎片库组建而成。（2）先用系统搜寻方法搜寻出化合物的最低能量构象，然后在Triops力场中用共轭梯度最小化进行优化。（3）在分子场分析中，分子的叠合规则是影响计算结果的重要因素。在这里，采用了两种叠合方法：1）骨架叠合。以生物活性最好的化合物为模板，通过最小二乘法叠合优化其它分子公共骨架中的原子坐标的均方根偏差（RMS），以得到最佳的叠合方式。2）场叠合。首先计算出活性最好的化合物的立体场和静电场，作为参考场，其它分子则在它们起始构象的基础上进行调整，以尽

22、可能地与模板分子场叠合 3737分别基于骨架叠合（左）和场叠合（右）两种方式得到的叠合分子立体示意图 3838表1 采用两种叠合方式时CoMFA和CoMSIA的计算结果项目CoMFACoMSIA(ALL)CoMSIA(SEHA)CoMSIA(SEH)CoMSIA(SE)IIIIIIIIIIIIIIIqcv20.7260.7560.7180.7080.7160.7210.7270.7200.6450.674标准偏差0.4550.4300.4660.4740.4780.4640.4540.4610.5180.497r20.8910.9180.8810.8850.8710.8990.8800.879

23、0.8390.855F136.585186.34198.11101.809113.328118.069123.373121.60686.98995.589r2pred0.8780.8370.8800.8880.8780.8870.8720.8890.8910.877SEE0.2870.2500.3020.2970.3120.2780.3010.3030.3490.331立体场52.447.712.012.716.717.218.619.529.830.7静电场47.652.333.632.439.840.348.848.970.269.3疏水场20.920.728.228.132.631.5氢

24、键受体场13.412.915.314.5氢键给体场20.121.4I：骨架叠合 II：场叠合S:立体场 E：静电场 H：疏水场 A：氢键受体场 D：氢键给体场 ALL：上述五种分子场 3939CoMFA法中立体场和静电场等势图 Green: bulk group Yellow: small groupRed: negative chargeBlue: positive charge 4040CoMSIA疏水场等势图 hydrophobically favorablehydrophobically disfavorable 4141H-bond donor favoredH-bond accep

25、tor disfavoredH-bond donor disfavoredH-bond acceptor favoredCoMSIA氢键供体和氢键受体场等势图 42例二、孕酮受体激动剂的三维构效关系研究例二、孕酮受体激动剂的三维构效关系研究 43 44 45 46 47 48 49 5050 51 When drug molecule interact with target, in order to produce fine geometry match and energy match, they may use special conformation, that is “active

26、conformation”. For a drug molecule, different groups have different influence on activity So, the conception of “Pharmacophore” is used.一、药效团模型概述一、药效团模型概述 5252药效团（药效团（Pharmacophore model） 5353 药效团药效团是指药物活性分子中对活性起着重要作用的“药效特征元素”及其空间排列形式。是药效特征元素的集合, 保持化合物活性所需要的结构特征。 药效特征元素pharmacophoric feature element

27、s活性化合物所共有的，对化合物的活性有重要影响的一组原子(团)。 药效特征元素中的原子或官能团可通过氢键、静电作用、范德华作用和疏水键等与受体中受点发生结合。 54二、Pharmacophoric Feature Element 55 56 (一) 氢键受体 氢键相互作用是配体与受体之间相互识别非常重要的相互作用，因此氢键特征在药效团模型中占有重要地位。氢键特征可以分为两类：氢键给体和氢键受体。 广义来讲，任何带有孤对电子的原子，如氮、氧、氟、硫等，都可以作为氢键受体。但过于宽泛的定义往往会导致过多的命中结构，从而降低搜索的选择性。因此，在一般的药效团模型方法中(Discovery Studi

28、o, Catalyst)，仅仅只考虑药物分子中最常见的氢键受体形式，包括： A sp 或sp2 杂化的氧原子； B与碳原子以双键形式相连的硫原子； C与碳原子以双键或三键相连的氮原子57 (二) 氢键给体 氢键给体主要包括氢原子以及与之相连的氧原子和氮原子，一般有： A 非酸性羟基； B氨基； C次氨基，但不包括三氟甲基磺酰胺和四唑中的次氨基。58 需要特别指出的是，由于配体与受体之间的氢键相互作用一般具有明确的方向性，因此对于一个氢键给体或受体的描述，仅仅靠一个点是不够的。在药效团模型软件中(Discovery Studio, Catalyst)，一般都采用两个点来描述氢键特征，一个点表示氢

29、键特征中重原子的空间位置，而另一个点表示氢键给体或受体的矢量方向。59氢键受体与氢键给体矢量方向示意图氢键受体与氢键给体矢量方向示意图 (三) 疏水中心 疏水相互作用是配体与受体相互识别的重要作用方式。配体与受体上的疏水基团总是倾向于形成紧密的疏水堆积作用，形成疏水性内核。疏水基团一般由非极性原子组成，有疏水相互的片段很多，如甲基、乙基、苯环等。疏水中心无需用矢量表示，只需要用一个点表示配体与受体形成疏水相互作用的部位就可以了。60 (四) 芳环中心 芳环可以参与药物分子和蛋白受体之间电子离域系统的 相互作用。芳环中心主要包括五元和六元芳环，如噻吩、苯环等。在药效团模型方法中，芳环需要由两个参

30、量来定义：一个参量是芳环的空间位置，即芳环中所有原子的几何中心；另一个参量是芳环平面矢量方向，一般用垂直于芳环平面的矢量来描述。61 (五) 电荷中心 配体上的电荷中心是指配体上的带电基团，由于具有较多的部分电荷，这些基团往往可以和受体形成盐桥或较强的静电吸引作用。电荷中心既可以是带有电荷的原子，也可以是在生理PH下会发生电离的中性基团。比如，在生理PH下，脂肪胺会质子化形成正电荷中心，而羧基会去质子化形成负电荷中心。此外，电子离域系统，如羧酸盐、胍基、脒基等也可能形成电荷中心。 在药效团模型方法中，正负电荷中心都是由一个电荷中心点表示其所在位置，没有方向性。 电荷中心可以分为两类：正电荷中心

31、和负电荷中心。62 正电荷中心包括：A带正电荷的原子；B伯、仲、叔脂肪胺中的氮原子；C氮-氮双取代的脒基中的亚氨氮原子或三氮取代的胍基中的亚氨氮原子；63 负电荷中心包括：A带负电的原子；B三氟甲基磺酰胺中的氮原子；C羧酸、亚磺酸或磷酸中羟基氧；D磷酸二酯和磷酸酯中羟基；E硫酸和磺酸中羟基氧；F磷酸单酯和磷酸中两个羟基氧；G四唑中的氨基氮原子。64 (六) 排斥体积 在药效团模型中，排斥体积也是一种重要的组成成分。与其余药效特征不同，排斥体积并不是对应于配体上特殊的原子或者基团，而是基于配体分子的空间特征。在配体和受体相互作用时，在配体的某些取代位置上存在某些原子或原子团可能会和受体产生不利的

32、原子碰撞，这些位置上的原子或原子团占有的位置就构成排斥体积。在排斥体积中存在原子或原子团会大大降低化合物的活性。65 66（七）药效特征的几何约束（七）药效特征的几何约束 675-HT6 受体拮抗剂药效团模型示意图受体拮抗剂药效团模型示意图 6868三、药效团的构建三、药效团的构建 A、基于配体的药效团、基于配体的药效团 基本步骤（一）配体的选择（二）构象分析（三）特征提取（四）结构提取69 70 71 72 73 74Selection for active conformation Rigid moleculeoptimized molecule 7575(1)简化方法：最强活性化合物的优势构象简化方法：最强活性化合物的优势构象 Flexible molecule 7676(2)(2)活性化合物类似法活性化合物类似法 77 78 79 80B、基于靶点的药效团模型、基于靶点的药效团模型 8181 83 84 负片映射负片映射85 8686受体映射，包络面为虚拟受体结合构象受体映射，包络面为虚拟受体结合构象 87 88 89Recognit