第九章自由能计算药物设计的基本方法

1、第九章第九章 药物设计的基本方法药物设计的基本方法配体配体-受体相互作用及其结合自由能的理论计算受体相互作用及其结合自由能的理论计算受体-配体相互作用生物大分子-生物大分子小分子-生物大分子 受体：药物在体内作用的位点，即药物作用受体：药物在体内作用的位点，即药物作用“靶靶标标”。现在受体概念已推广到生物大分子上特定。现在受体概念已推广到生物大分子上特定的结合部位，即酶、离子通道和核酸等生物大分的结合部位，即酶、离子通道和核酸等生物大分子都可作为药物的受体。子都可作为药物的受体。许多蛋白质重要的生理和药理功能，是通许多蛋白质重要的生理和药理功能，是通过与小分子相互作用体现出来，例如酶与过与小分

2、子相互作用体现出来，例如酶与底物的相互作用体现酶的催化功能。底物的相互作用体现酶的催化功能。因此对小分子配体因此对小分子配体-生物大分子相互作用有生物大分子相互作用有一个全面、准确的了解，是基于受体结构一个全面、准确的了解，是基于受体结构知识进行合理药物设计的基础，而其中对知识进行合理药物设计的基础，而其中对配体配体-受体结合自由能的计算机模拟和理论受体结合自由能的计算机模拟和理论计算研究，在药物设计中起着十分重要的计算研究，在药物设计中起着十分重要的作用。作用。许多药物或其他生物活性分子的活性是通许多药物或其他生物活性分子的活性是通过与受体生物大分子的相互作用表现出来，过与受体生物大分子的相

3、互作用表现出来，所以药物与受体的结合亲和性（所以药物与受体的结合亲和性（binding affinity）与药物的活性直接相关。）与药物的活性直接相关。分子生物学X射线衍射晶体学核磁共振生物大分子三维结构 由热力学原理，结合自由能与结合常数存在：由热力学原理，结合自由能与结合常数存在：0lndGRTK9.2 配体配体-受体相互作用的热力学过程受体相互作用的热力学过程配体（包括药物）与受体结合时，主要存配体（包括药物）与受体结合时，主要存在两种相互作用：在两种相互作用： （1）共价相互作用（酶催化底物水解形成）共价相互作用（酶催化底物水解形成过渡态复合物、烷基化抗癌药物过渡态复合物、烷基化抗癌药

4、物-受体复合受体复合物等）物等） （2）非键相互作用）非键相互作用 （更为常见，利于药物（更为常见，利于药物的代谢和排泄）的代谢和排泄）9.2.1 结合亲和性结合亲和性 蛋白质和配体之间的相互作用涉及两个分子在一蛋白质和配体之间的相互作用涉及两个分子在一定时间内的物理接触，这些接触是特殊的并导致定时间内的物理接触，这些接触是特殊的并导致一种吸引力。一种吸引力。 一般来说，蛋白质和配体的相互作用依赖于溶液一般来说，蛋白质和配体的相互作用依赖于溶液中配体、蛋白质和盐的浓度：中配体、蛋白质和盐的浓度： 当体系达到平衡时，离解平衡常数：当体系达到平衡时，离解平衡常数：11 dkR LKkRL 根据热力

5、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 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00lndGRTK9.2.2 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。 药物药物-受体相互作用时的焓、熵和自由能变化用下受体相互作用时的焓、熵和自由能变化用下列公式计算列公式计算： 由上式可知，从

6、热力学的观点来看，药物由上式可知，从热力学的观点来看，药物-受体相受体相互作用是一个综合平衡的过程，并且药物还必须互作用是一个综合平衡的过程，并且药物还必须取一定的构象，使其能取一定的构象，使其能“适应适应”受体结合部位的受体结合部位的“空腔空腔”形状和构象变化。同时，为迎合药物的形状和构象变化。同时，为迎合药物的结合，受体的构象也会发生相应的变化，这就是结合，受体的构象也会发生相应的变化，这就是所谓的诱导契合。所谓的诱导契合。药物药物-受体结合，存在静电相互作用、氢键受体结合，存在静电相互作用、氢键相互作用、范德华相互作用和疏水相互作相互作用、范德华相互作用和疏水相互作用。用。前三种作用控制

7、药物前三种作用控制药物-受体相结合，疏水作受体相结合，疏水作用是药物用是药物-受体结合的驱动力。疏水作用力受体结合的驱动力。疏水作用力强，药物和受体才能排除水分子相互结合。强，药物和受体才能排除水分子相互结合。药物和受体都可以与水形成氢键，两者结药物和受体都可以与水形成氢键，两者结合时还要打破这些氢键。合时还要打破这些氢键。综上所述，药物分子与受体结合时，需遵循以综上所述，药物分子与受体结合时，需遵循以下互补匹配规则下互补匹配规则: 这些互补性质可以用分子表这些互补性质可以用分子表面性质来表示。面性质来表示。 生物大分子和药物小分子的生物大分子和药物小分子的各种表面性质，可用分子模各种表面性质

8、，可用分子模拟方法计算。拟方法计算。 MOLCAD/SYBYL可计算分可计算分子的静电、氢键和疏水性质，子的静电、氢键和疏水性质， Delphi/InsightII可计算分子可计算分子的静电性质。的静电性质。9.3 分子动力学与自由能微扰方法分子动力学与自由能微扰方法热力学循环热力学循环当药物与受体结合时，自由能变化为：当药物与受体结合时，自由能变化为： G的绝对值难以直接求得，如要比较两个药物的绝对值难以直接求得，如要比较两个药物D和和D与同一受体与同一受体R结合的强度，可用热力学循结合的强度，可用热力学循环计算：环计算：G1和G2可用实验方法测定，而G3和G4可用自由能微扰计算由热力学循环

9、得：由热力学循环得：其中K1、K2分别为药物D和D与受体的结合常数，这样便可用理论计算的方法比较两个药物与同一受体的亲和性。对原有药物进行结构改造，可用热力学循环计算 G，从中设计出与受体结合得比原化合物好的类似物。上述热力学循环所计算的两个药物、抑制上述热力学循环所计算的两个药物、抑制剂或其他配体的结构要求比较相似，但在剂或其他配体的结构要求比较相似，但在药物设时总希望类似物的结构变化大一些，药物设时总希望类似物的结构变化大一些，或能进行多基团取代，用上述方法计算就或能进行多基团取代，用上述方法计算就比较困难，这时可用自由能变化外推法计比较困难，这时可用自由能变化外推法计算。算。 自由能变化

10、外推法是将一个药物的结构逐步变到另一个自由能变化外推法是将一个药物的结构逐步变到另一个药物的结构，即药物的结构，即D D1 1DD2 2DDMM, ,这时热力学循环变成：这时热力学循环变成：计算自由能变化时，如果加入自由能的二计算自由能变化时，如果加入自由能的二阶和三阶导数，则大大改进了分子在水溶阶和三阶导数，则大大改进了分子在水溶液中的偶极距计算精度。液中的偶极距计算精度。自由能计算在药物设计中的应用自由能计算在药物设计中的应用应用自由能计算方法，可以计算药物应用自由能计算方法，可以计算药物-受体受体相互结合时的自由能变化，从而发现与受相互结合时的自由能变化，从而发现与受体结合得好的化合物。

11、同时必须注意，用体结合得好的化合物。同时必须注意，用FEP方法计算配体方法计算配体-受体相互作用能的前提受体相互作用能的前提是配体与同一受体的作用方式应相同或相是配体与同一受体的作用方式应相同或相似。似。9.4 结合自由能的经验计算方法结合自由能的经验计算方法自由能微扰方法计算结合自由能比较严格，自由能微扰方法计算结合自由能比较严格，但取样困难、计算量大，力场参数误差也但取样困难、计算量大，力场参数误差也会影响计算结果。因此，在三维数据库搜会影响计算结果。因此，在三维数据库搜寻和全新药物设计中，利用自由能微扰方寻和全新药物设计中，利用自由能微扰方法来计算配体与受体的结合自由能尚未达法来计算配体

12、与受体的结合自由能尚未达到实用化阶段。到实用化阶段。相对来说，结合自由能的经验计算具有计相对来说，结合自由能的经验计算具有计算速度快的优点，已经被应用于三维数据算速度快的优点，已经被应用于三维数据库搜寻和全新药物设计。库搜寻和全新药物设计。结合自由能的经验计算方法将结合自由能结合自由能的经验计算方法将结合自由能分解为（分解为（1）受体与配体之间的静电作用）受体与配体之间的静电作用以及范德华作用；（以及范德华作用；（2）受体与配体在结）受体与配体在结合时构象能的变化；（合时构象能的变化；（3）结合时由于平）结合时由于平动、转动、振动和内旋转自由能变化引起动、转动、振动和内旋转自由能变化引起的熵的

13、变化；（的熵的变化；（4）疏水相互作用。）疏水相互作用。将结合自由能写成如下形式：将结合自由能写成如下形式： 需要注意的是，应避免重复计算某些效应（考虑需要注意的是，应避免重复计算某些效应（考虑溶剂化作用时易引起这个问题）。溶剂化作用时易引起这个问题）。一般来说，复合物的形成过程中，可能发一般来说，复合物的形成过程中，可能发生电荷的重新分布，这种电荷的重新分布生电荷的重新分布，这种电荷的重新分布导致净吸引力。如果电荷的重新分布是在导致净吸引力。如果电荷的重新分布是在配体或受体中，称为极化；如果是发生在配体或受体中，称为极化；如果是发生在配体和受体之间，则称为电荷转移。配体和受体之间，则称为电荷转移。计算构象变化的影响计算构象变化的影响（1）蛋白质的构象变化）蛋白质的构象变化在一些复合物的结合过程中，受体的构象变在一些复合物的结合过程中，受体的构象变化不大，而在另外一些中可能变化很大。化不大，而在另外一些中可能变化很大。蛋白质在结合时的构象变化过程涉及到疏水蛋白质在结合时的构象变化过程涉及到疏水表面的包埋（去溶剂化有利于结合）和构表面的包埋（去溶剂化有利于结合）和构象的变化（包括主链和侧链的构象变化，象的变化（包括主链和侧链的构象变化，不利于结合）不利于结合）去溶剂化效应可以通过两种方法来计算：去溶剂化效应可以通过两种方法来计算：一种是用原子溶剂化参数；另一种是