第十章分子对接

1、第十章第十章 药物设计的基本方法药物设计的基本方法分子对接分子对接内容内容分子对接简介分子对接简介分子对接法的基本原理分子对接法的基本原理分子对接软件分子对接软件DockAutoDockCADD基于结构方法分类10.1 引言引言 分子对接就是两个或多个分子之间通过分子对接就是两个或多个分子之间通过几何匹配几何匹配和和能量匹配能量匹配而相互识别的过程。而相互识别的过程。 分子对接在酶学研究以及药物设计中具有分子对接在酶学研究以及药物设计中具有十分重要的意义。十分重要的意义。 在酶激活剂、酶抑制剂与酶相互作用以及药物分在酶激活剂、酶抑制剂与酶相互作用以及药物分子产生药理反应的过程中，小分子（通常意

2、义上的子产生药理反应的过程中，小分子（通常意义上的LigandLigand）与靶酶（通常意义上的）与靶酶（通常意义上的ReceptorReceptor）相互互结合，）相互互结合，首先就需要两个分子充分接近，采取合适的取向，使首先就需要两个分子充分接近，采取合适的取向，使两者在必要的部位相互契合，发生相互作用，继而通两者在必要的部位相互契合，发生相互作用，继而通过适当的构象调整，得到一个稳定的复合物构象。过适当的构象调整，得到一个稳定的复合物构象。 通过分子对接确定复合物中两个分子正确的相对通过分子对接确定复合物中两个分子正确的相对位置和取向，研究两个分子的构象，特别是底物构象位置和取向，研究两

3、个分子的构象，特别是底物构象在形成复合物过程中的变化，是确定酶激活剂、抑制在形成复合物过程中的变化，是确定酶激活剂、抑制剂作用机制以及药物作用机制，设计新药的基础。剂作用机制以及药物作用机制，设计新药的基础。 大肠杆菌乙酰辅酶A羧化酶肉桂醛 在药物设计中，分子对接方法主要用来从小分子数据库中在药物设计中，分子对接方法主要用来从小分子数据库中搜寻与受体生物大分子有较好亲和力的小分子，进行药理搜寻与受体生物大分子有较好亲和力的小分子，进行药理测试，从中发现新的先导化合物。测试，从中发现新的先导化合物。 优点：小分子配体来自现有化合物数据库或制药公司自己优点：小分子配体来自现有化合物数据库或制药公司

4、自己 的数据库，合成路线比较成熟；的数据库，合成路线比较成熟； 分子对接方法从整体上考虑受体与配体结合的效果分子对接方法从整体上考虑受体与配体结合的效果 加速先导化合物的发现进程。加速先导化合物的发现进程。10.2 分子对接法的基本原理分子对接法的基本原理 配体与受体的结合过程是一个很复杂的过程，涉及到配体和配体与受体的结合过程是一个很复杂的过程，涉及到配体和受体的去溶剂化、配体和受体（主要是活性位点处的残基）受体的去溶剂化、配体和受体（主要是活性位点处的残基）的构象变化以及配体与受体之间的相互作用。的构象变化以及配体与受体之间的相互作用。 配体与受体的结合强弱取决于结合过程的自由能变化：配体

5、与受体的结合强弱取决于结合过程的自由能变化：lnbindingdGRTK 结合自由能也可以表示成：结合自由能也可以表示成：bindingbindingbindingGHT S 大部分的分子对接法忽略了全部的熵效应，而在焓效应中也只考虑配体与受体的相互作用能 配体与受体的相互作用：配体与受体的相互作用：bondHticelectrostavdweractionEEEEint其中氢键采用的形式和力场有关配体与受体的相互作用：配体与受体的相互作用：分子对接计算是把配体分子放在受体活性位点分子对接计算是把配体分子放在受体活性位点的位置，然后按照几何互补、能量互补、化学的位置，然后按照几何互补、能量互补

6、、化学环境互补的原则来实时评价配体与受体相互作环境互补的原则来实时评价配体与受体相互作用的好坏，并找到两个分子之间最佳的结合模用的好坏，并找到两个分子之间最佳的结合模式式 。 分子对接最初思想起源于分子对接最初思想起源于Fisher E.的的“锁和钥锁和钥匙模型匙模型”，认为，认为“锁锁”和和“钥匙钥匙”的相识别的的相识别的首要条件是他们在空间形状上要互相匹配首要条件是他们在空间形状上要互相匹配 配体和受体分子之间的识别要比配体和受体分子之间的识别要比“锁和钥匙锁和钥匙”模型复杂的多：模型复杂的多： 1.1.配体和受体分子的构象是变化的，而不是刚性的，配体和配体和受体分子的构象是变化的，而不是

7、刚性的，配体和受体在对接过程中互相适应对方，从而达到更完美的匹配；受体在对接过程中互相适应对方，从而达到更完美的匹配；2.2.其次，分子对接不但要满足空间形状的匹配，还要满足能其次，分子对接不但要满足空间形状的匹配，还要满足能量的匹配。量的匹配。 配体和受体之间的通过底物分子与靶酶分子能否结合以及结合的强度最终是由形成此复合物过程的结合自由能变化Gbind所决定的。 互补性（互补性（complementarity）和预组织）和预组织（pre-organization）是决定分子对接过）是决定分子对接过程的两个重要原则，前者决定识别过程的程的两个重要原则，前者决定识别过程的选择性，而后者决定识别

8、过理的结合能力。选择性，而后者决定识别过理的结合能力。互补性包括空间结构的互补性和电学性质互补性包括空间结构的互补性和电学性质的互补性。的互补性。 1958年年Koshland提出了分子识别过程中提出了分子识别过程中的诱导契合（的诱导契合（induced fit）概念，指出配）概念，指出配体与受体相互结合时，受体将采取一个能体与受体相互结合时，受体将采取一个能同底物达到最佳结合的构象。同底物达到最佳结合的构象。分子对接方法根据不同的简化程度可以大致分分子对接方法根据不同的简化程度可以大致分为以下三类：为以下三类： （1）刚性对接；研究体系的构象不发生变化）刚性对接；研究体系的构象不发生变化 （

9、2）半柔性对接；研究体系尤其是配体的构象）半柔性对接；研究体系尤其是配体的构象允许在一定的范围内变化允许在一定的范围内变化 （3）柔性对接；研究体系的构象基本上是可以）柔性对接；研究体系的构象基本上是可以自由变化的自由变化的 刚性对接适合考察比较大的体系，比如蛋白质和蛋白质以刚性对接适合考察比较大的体系，比如蛋白质和蛋白质以及蛋白质和核酸之间的相互作用，他计算较为简单，原理及蛋白质和核酸之间的相互作用，他计算较为简单，原理也相对简单，主要是考虑构象之间的契合程度。也相对简单，主要是考虑构象之间的契合程度。 半柔性对接适合于处理小分子和大分子之间的对接。在对半柔性对接适合于处理小分子和大分子之间

10、的对接。在对接过程中，小分子的构象一般是可以变化的，但大分子则接过程中，小分子的构象一般是可以变化的，但大分子则是刚性的。由于小分子相对较小，因此在一定程度考察柔是刚性的。由于小分子相对较小，因此在一定程度考察柔性的基础上，还可以保持较高的计算效率，在药物设计尤性的基础上，还可以保持较高的计算效率，在药物设计尤其在基于分子数据库的虚拟筛选过程中，一般采用半柔性其在基于分子数据库的虚拟筛选过程中，一般采用半柔性的分子对接方法。的分子对接方法。 柔性对接方法一般用于精确考察分子之间的识别情况，由柔性对接方法一般用于精确考察分子之间的识别情况，由于在计算过程中体系的构象是可以变化的，因此柔性对接于在

11、计算过程中体系的构象是可以变化的，因此柔性对接在提高了对接准确性的同时却需要耗费较长的计算时间。在提高了对接准确性的同时却需要耗费较长的计算时间。分子对接的目的：找到底物分子和受体分子的分子对接的目的：找到底物分子和受体分子的最佳结合位置最佳结合位置找到最佳的结合位置评价对接分子之间的结合强度构象搜索方法按照分子对接程序寻找配体与受体结合构按照分子对接程序寻找配体与受体结合构象方法的差异，可以分为三种：象方法的差异，可以分为三种： 1、局部优化法、局部优化法 2、深度搜寻法、深度搜寻法 3、全局优化法、全局优化法局部优化法：不对配体和受体进行构象搜寻，局部优化法：不对配体和受体进行构象搜寻，只

12、是对初始构象进行优化，得到配体与受体结只是对初始构象进行优化，得到配体与受体结合的一个局部最优构象；合的一个局部最优构象；深度搜寻法：采用深度优先搜寻法或广度优先深度搜寻法：采用深度优先搜寻法或广度优先搜寻法，通过有限的步骤，找到一个相对较好搜寻法，通过有限的步骤，找到一个相对较好的局部最优结合构象。的局部最优结合构象。全局优化法：在进行构象搜寻时，利用模拟退全局优化法：在进行构象搜寻时，利用模拟退火算法或遗传算法，寻找配体与受体的全局最火算法或遗传算法，寻找配体与受体的全局最优结合构象。优结合构象。对接类型对接类型对接方法类型对接方法类型对接方法对接方法Flexible-Ligand Doc

13、king柔性配体对接Systematic系统方法Conformational 构象Fragmentation 片段生长Database 数据库Random/stochastic随机方法Monte Carlo (MC) 蒙特卡罗Genetic algorithm (GA) 遗传算法Tabu Search 禁忌搜索Simulation methods模拟方法Molecular dynamics (MD) 分子动力学Energy minimization 能量最小化Flexible-Protein Docking柔性蛋白对接Molecular dynamics (MD) 分子模拟Monte Carl

14、o (MC) 蒙特卡罗Rotamer libraries 旋转异构体库Protein-ensemble grids 蛋白集合栅格Soft-receptor modeling 软受体建模表1： 常用的分子对接方法 10.3 分子对接软件分子对接软件表2：有代表性的分子对接软件名称名称优化方法优化方法评价函数评价函数速度速度DOCK片断生长分子力场、表面匹配得分、化学环境匹配得分快AutoDock遗传算法半经验自由能评价函数一般ICM-Docking随机全局优化半经验自由能评价函数快GOLD遗传算法半经验自由能评价函数快FlexX片断生长半经验自由能评价函数快Affinity蒙特卡罗/分子力学/分

15、子动力学分子力场慢ZDock&RDock几何匹配/分子动力学CAPRI* /分子力场慢FlexiDock遗传算法分子力场慢eHiTS系统搜索半经验自由能评价函数快Hex几何匹配CAPRI*快分子对接软件最常用的分子对接软件被引次数统计 10.4 DOCK 基本情况基本情况 第一个分子对接程序。由加利福尼亚州立大学旧金山分校第一个分子对接程序。由加利福尼亚州立大学旧金山分校Kuntz小组于小组于1982年开发。目前版本为年开发。目前版本为DOCK6.610.4.1 基本原理基本原理10.4.1.1 形状匹配形状匹配受体与配体的原子之间的距离大于其范德受体与配体的原子之间的距离大于其范德华

16、半径之和；华半径之和；配体中能形成氢键的原子，都有一个受体配体中能形成氢键的原子，都有一个受体的氮原子或氧原子在其的氮原子或氧原子在其0.35 nm范围之内范围之内所有的配体原子都在受体的结合位点内所有的配体原子都在受体的结合位点内Dock利用利用球形集合球形集合来表示受体活性位点以来表示受体活性位点以及配体的形状。及配体的形状。对于受体，程序产生一个球集，使之填充受体分子表面的口袋。如果配体与受体匹配较好的话，配体的球集应该能较好地填充受体的球集。10.4.1.2 匹配算法匹配算法 大分子配体的对接时间计算时间较长；在大分子配体的对接时间计算时间较长；在复合物结构中，由于配体的大部分表面不复

17、合物结构中，由于配体的大部分表面不会参与相互作用。因此，将表面分成不同会参与相互作用。因此，将表面分成不同的部分，每一部分分别进行匹配，这一过的部分，每一部分分别进行匹配，这一过程称为分簇（程称为分簇（cluster）.也就是说采取了也就是说采取了“分而治之分而治之”的匹配算法。的匹配算法。10.4.1.3 基于经验势能函数的评价函数 Dock中引入经验势能函数做为评价函数。 优点：预先对受体原子的作用进行加和，并存入 网格文件中，计算能力增大，对接结果精确。 Dock采用分子力学方法，并基于Amber力场参数。力场中的非键作用只包含静电作用和范德力场中的非键作用只包含静电作用和范德华作用，氢

18、键作为静电作用处理。华作用，氢键作为静电作用处理。10.4.2 柔性对接柔性对接Dock4.0之前的版本没有考虑配体的柔性。之前的版本没有考虑配体的柔性。 之后的版本，增加了配体和受体的柔性，之后的版本，增加了配体和受体的柔性，大大改善对接结果。大大改善对接结果。考虑配体分子的柔性确定刚性片段柔性搜寻1.确定刚性片段确定刚性片段 柔性分子可以看成由刚性片段组成；柔性分子可以看成由刚性片段组成； 刚性片段中的原子由不能旋转的键连接；刚性片段中的原子由不能旋转的键连接； 相邻的刚性片段由可以旋转的键连接。相邻的刚性片段由可以旋转的键连接。 环的处理确定可旋转的键2. 柔性搜寻柔性搜寻 Dock有两

19、种柔性搜寻方法： 一种是锚优先搜寻（anchor-first search） 一种是同时搜寻（simultaneous search） a. 锚优先搜寻锚优先搜寻对接锚片段加一个刚性片段，先内后外 先大后小3）构象搜寻，得到NcNt个构象4）根据构象能量差异按照一定 标准，选取Nc个构象5）回到第2步，不断加锚，直到 所有的锚片段都对接过，跳过 5，得到对接构象。b. 同时搜寻 先进行构象搜寻，然后将搜寻得到的构先进行构象搜寻，然后将搜寻得到的构象分别对接到受体的结合位点中。象分别对接到受体的结合位点中。 根据参数设置不同，可以进行系统搜寻根据参数设置不同，可以进行系统搜寻或随机搜寻。或随机搜

20、寻。10.5 AutoDock AutoDock是是The Scripps Research Institute的的OIson科研小组使用科研小组使用C语语言开发的分子对接软件包，目前最言开发的分子对接软件包，目前最新的版本为新的版本为4.2。 AutoDock是一个软件包，其中主要是一个软件包，其中主要包含包含AutoGrid和和AutoDock两个程序。两个程序。其中其中AutoGrid主要负责格点中相关主要负责格点中相关能量的计算，而能量的计算，而AutoDock则负责构则负责构象搜索及评价。象搜索及评价。 10.5.1 评价函数评价函数A. 3.0以前的版本采用经验势函数为评价函数以前

21、的版本采用经验势函数为评价函数B. 3.0版本开始采用经验结合自由能为评价函数版本开始采用经验结合自由能为评价函数A. 经验势能函数经验势能函数 AutoDock的经验势能函数包括三项：静电的经验势能函数包括三项：静电作用、范德华作用和氢键作用。作用、范德华作用和氢键作用。 力场采用力场采用Amber力场力场 根据热力学定律，离解过程的自由能变化根据热力学定律，离解过程的自由能变化和焓的变化：和焓的变化： 实验测定的自由能与离解常数：实验测定的自由能与离解常数：GHT S 0lndGGRTK B. 经验结合自由能经验结合自由能 当体系达到平衡时，自由能等于当体系达到平衡时，自由能等于00lnd

22、GRTK配体配体-受体结合的热力学受体结合的热力学配体配体-受体结合的热力学过程受体结合的热力学过程 药物与受体存在与体液环药物与受体存在与体液环境中，与周围的水分子存境中，与周围的水分子存在溶剂化作用。在溶剂化作用。对接过程中的去溶剂化效应 Autodock的经验结合自由能评价函数：的经验结合自由能评价函数：,1261210,()( )()i ji ji jI Jvdwhbondi ji jijijijijACDBGGGE trrrr ,( )ijelectortorsoli jijijq qGG NGr r AutoDock在早期版本中使用的是模拟退火算法（Simulated Anneal

23、ing Algorithm）来寻找配体与受体最佳的结合位置状态，而从3.0版本开始使用一种改良的遗传算法，即拉马克遗传算法（Lamarckian Genetic Algorithm，LGA）。 测试结果表明，LGA比传统的遗传算法和模拟退火具有更高的效率。在LGA方法中，作者把遗传算法和局部搜索（Local search）结合在一起，遗传算法用于全局搜索，而局部搜索用于能量优化。 10.5.2 柔性搜寻方法柔性搜寻方法a.模拟退火算法模拟退火算法 指定结合位点随机地差生配体 的一个构象随机改变配体的位置、取向， 产生了一个新的构象，并比较 两者与受体的结合能 如果新的构象能低于原来的，则 接受

24、新构象如果能量高于原来的，则降低温 度，在新温度下重复步骤24. 在同一初始条件下反复进行多次b. 遗传算法遗传算法模仿生物的遗传和进化，对多极值优化问模仿生物的遗传和进化，对多极值优化问题的解群进行选择、杂交和突变操作，使题的解群进行选择、杂交和突变操作，使得解群不断优化，直至收敛于全局最优解得解群不断优化，直至收敛于全局最优解或近似全局最优解。或近似全局最优解。 AutoDock优点优点1. 同时考虑配体的柔性和蛋白质结合部位同时考虑配体的柔性和蛋白质结合部位侧链的柔性侧链的柔性2. 网格计算，加快计算网格计算，加快计算网格计算和网格计算和dock的区别：的区别：Dock中，格点上保存的不

25、是能量，而是中，格点上保存的不是能量，而是受体上原子作用加和；受体上原子作用加和；Autodock中，格点上保存的是探针原子中，格点上保存的是探针原子和受体之间的相互作用能。和受体之间的相互作用能。AutoDock格点作用能计算格点作用能计算通过通过AutoDock程序包中的程序包中的Autogrid程序程序完成，格点计算包括三部分：范德华作用、完成，格点计算包括三部分：范德华作用、氢键作用和库伦作用氢键作用和库伦作用对于范德华相互作用的计算，对于范德华相互作用的计算， 每个格点上每个格点上保存的范德华能量的值的数目与要对接的保存的范德华能量的值的数目与要对接的配体上的原子类型的数目一样。配体

26、上的原子类型的数目一样。如果一个配件中含有如果一个配件中含有C、O和和H三种原子类三种原子类型，那么在每个格点上就需要用三个探针型，那么在每个格点上就需要用三个探针原子来计算探针原子与受体之间的范德华原子来计算探针原子与受体之间的范德华相互作用值。当配体和受体进行分子对接相互作用值。当配体和受体进行分子对接时，配体中某个原子和受体之间的相互作时，配体中某个原子和受体之间的相互作用能通过周围用能通过周围8个格点上的这种原子类型个格点上的这种原子类型为探针的格点值用内插法得到。为探针的格点值用内插法得到。 静电相互作用的计算采用了一个静电势格静电相互作用的计算采用了一个静电势格点，在格点上储存受体

27、分子的静电势。当点，在格点上储存受体分子的静电势。当配体和受体分子对接时，某个原子和受体配体和受体分子对接时，某个原子和受体之间的静电相互作用能通过周围格点上静之间的静电相互作用能通过周围格点上静电势以及原子上的部分电荷就可以计算得电势以及原子上的部分电荷就可以计算得到。到。 计算氢键相互作用时，格点的处理和范德计算氢键相互作用时，格点的处理和范德华相互作用有点类似，每个格点上需要保华相互作用有点类似，每个格点上需要保存配体分子中所有氢键给体与氢键受体之存配体分子中所有氢键给体与氢键受体之间的相互作用能量，而且这些能量都是在间的相互作用能量，而且这些能量都是在氢键在最佳情况下的氢键能量值。氢键在最佳情况下的氢键能量值。 AutoDock格点对接示意图 用围绕受体活性位点的氨基酸残基形成一个范围更大的Box 用不同类型的原子作为探针进行扫描，计算格点能量 AutoDock程序对配体在Box范围内进行构象搜索，根据能量评分对结果进行排序。 分子对接在药物设计中的应用分子对接在药物设计中的应用一一、HIV-1蛋白酶Kuntz等利用Dock程序研究HIV-1蛋白酶体系，根据分子相似性对剑桥晶体数据库进行搜寻。然后选择那些可以与活性位点处的天冬氨酸作用的带有NH或者OH且易于合成的化合物。DesJ