分子对接原理方法与应用

1、关于分子对接的原理方法及应用第1页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四分子对接是通过研究配体小分子和受体生物大分子的相互作用，预测其亲和力，实现基于结构的药物设计的一种重要方法。整体上考虑配体与受体的结合效果，较好的避免局部作用、整体结合欠佳的情况。1 分子对接的概念2第2页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四3第3页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四2 分子对接的原理配体与受体结合时，彼此存在静电相互作用、氢键相互作用、范德华力相互作用和疏水作用力。配体与受体结合必须满足互相匹配原则，即配体与受体几何形状互补匹配、静电相互作用互补

2、匹配、氢键相互作用互补匹配、疏水相互作用互补匹配。4第4页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四理论基础： “锁和钥匙模型”“诱导契合模型”重要原则：互补性： 决定识别过程的选择性预组织性： 决定识别过程的结合能力5第5页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四分子对接的最初思想起源于Fisher E提出的“锁和钥匙模型”，即受体与配体的相互识别首要条件是空间结构的匹配 。 配体 受体 复合物 受体配体的锁和钥匙模型 6第6页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四1）药物分子和靶酶分子是柔性的，这样就要求在对接过程中要相互适应以达到最佳匹配2

3、）分子对接不仅要满足空间形状匹配，还要满足能量匹配，底物分子与靶酶分子能否结合以及结合的强度最终取决于形成此复合物进程的结合自由能。分子对接思想来源于“锁和钥匙”，但又比“锁和钥匙”复杂得多，表现在以下方面：7第7页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四建立大量化合物的三维结构数据库将库中的分子逐一与靶分子进行“对接”通过不断优化小分子化合物的位置以及分子内部柔性键的二面角，寻找小分子化合物与靶标大分子作用的最佳构象，计算其相互作用及结合能在库中所有分子均完成了对接计算之后，即可从中找出与靶标分子结合的最佳分子3 分子对接的一般过程8第8页，共32页，2022年，5月20日，

4、11点12分，星期四9第9页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四1、刚性对接：对接过程中，研究体系的构象不发生变化。适合考察比较大的体系，如蛋白质和蛋白质间以及蛋白质与核酸间的对接。4 分子对接的分类10第10页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四2、半柔性对接：对接过程中，研究体系尤其是配体的构象允许在一定的范围内变化。适合处理大分子和小分子间对接。分子对接的分类11第11页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四3、柔性对接：对接过程中，研究体系的构象是基本上可以自由变化的。一般用于精确考虑分子间的识别情况，由于计算过程中体系的构象可

5、以变化，所以计算破费最大。分子对接的分类12第12页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四分子对接的基本方法（一） 刚性的分子对接方法 这种方法是最初的分子对接的方法，在对接中，小分子和蛋白质两种都保持刚性。 （1）基于最大团搜索的方法 （Clique-Search Based Approaches） 对接两个刚性分子可以理解为分子在空间的匹配问题，这种匹配可以是一种形状上的互补或相互作用。如氢键受体与氢键给体的互补。搜索在三维空间中有效的条件下的最大匹配 13第13页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四受体的活性位点 配体 有效匹配的距离图集 受体配体的

6、示意图，字母代表特征部分如氢键等，相应的有效匹配的图集如右，三个环性顶点组织的三角形为这个图集的一个最大团(clique) 14第14页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四（2）基于几何哈希技术“geometric hashing”的方法 第一部分中，几何哈希表从被对接的一个配体或一系列配体中构建 。哈希矩阵含有配体名字和能调整配体在空间方向的参考框架。 第二部分即识别阶段，蛋白质的特征用来识别哈希矩阵，每一次匹配表示蛋白质的特征与哈希矩阵中已定义好方位的配体相匹配，具有大量匹配信息的哈希矩阵代表着具有几个吻合特征的配体和方位 15第15页，共32页，2022年，5月20日

7、，11点12分，星期四(3）基于pose clustering的方法 这种方法与几何哈希的方法相类似，也是一种基于模式识别的方法。 在LUDI模型中，如图所示，对每一个作用基团，定义作用中心和作用表面。受体的作用表面近似地用离散的点表示，和对应的配体的中心目标点相匹配。 三个氢键受体的作用表面 Pose clustering 算法中的作用点 16第16页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四（二）柔性对接的方法（1）构象的系综方法 Flexibase用来储存小分子库中每个分子的一系列不同构象，用距离几何和能量最小化的方法产生构象，每个分子根据rmsd的差异选择25个系列构象。

8、每个构象采用FLOG刚性对接的方法进行对接。 17第17页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四（2）片段的方法 片断的方法是处理小分子柔性的最通用的方法，配体分割成一些小的片断，这些片断可以认为是刚性构象或一个小的构象系综。一般，有两种方法来处理:第一种方法是把一个片段放入受体的作用位点，然后加上余下的片段，这种方法称为连续构建 “incremental construction”.第二种方法把所有或一部分片段独立地放入受体的作用位点，再重新连接至到构成一个完整的配体分子，这种策略称为“放置&加” “place & join” 18第18页，共32页，2022年，5月20日

9、，11点12分，星期四（3） 遗传算法和进化规划 遗传算法开始应用到分子对接技术，其特点为 ：第一步，一个称为染色体的线性表示符能够描述构型的所有自由度，找到这个染色体描述符是算法中最困难的一步。第二步，确定一个一个类似如打分函数的目标函数。 著名的GOLD软件包括了这种算法 19第19页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四（4）基于分子模拟的方法 模拟退火的方法，Autodock程序就采用了这种方法 分子动力学的方法 Monte Carlo模拟，一种统计力学的方法，这种算法中最重要的两部分是自由度的描述和能量的评价，合适的自由度描述可以避免较高能量的构象，用键角、扭曲角等

10、内座标来描述配体的柔性比用笛卡儿空间的三维座标描述要强，同样，能量的评价也是最耗时，这一步时间必须足够的长。 20第20页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四如何找到最佳的结合位置 遗传算法模拟退火 牵涉到优化的问题，底物分子和受体分子都是可以自由转动和平动的，同时两个分子自身的构象也存在变化，因此它们之间可能的结合方式是非常复杂的，常用的有遗传算法、模拟退火以及禁忌搜索等。分子对接的主要问题21第21页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四如何评价对接分子之间的结合强度非键作用能基于分子表面的溶剂化计算半经验的自由能计算 涉及到底物分子和受体分子间结合能

11、力的预测，牵涉到结合自由能的计算。分子对接的主要问题22第22页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四5 代表性对接软件名称构象搜索方法结合评价方法速度Flex X (Sybyl)片段生长法半经验自由能快LigandFit(Cerius2)蒙地卡罗模拟半经验自由能快Glide (薛定谔软件)系统搜索半经验自由能一般Gold遗传算法半经验自由能快Affinity（InsightII)蒙地卡罗/MM/MD分子力场慢AutoDock遗传算法半经验自由能一般Dock片段生长法分子力场快ICM-Dock随机全局优化半经验自由能快Fred (openeye)系统搜索半经验自由能快23第2

12、3页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四免费软件/只能进行一个分子与蛋白质的对接计算，不能进行数据库对接，没有平行化功能。不需要预先知道活性位点。6 AutoDock对接软件24第24页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四准备蛋白质和配体蛋白质：加电荷和溶剂化，存为pdbqs格式配体：加电荷，定义搜索的二面角和根片段格点对接：保留探针原子和受体之间的相互作用能对接计算：遗传算法评价函数：半经验的自由能计算范德华相互作用氢键相互作用静电相互作用溶剂化作用AutoDock对接软件25第25页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四小分子问题起

13、始构象对对接结果有一定影响对接时应以代谢物的结构进行对分子进行加电荷和加氢处理蛋白质问题如何选择合理的蛋白质活性位点对接问题搜索结合模式的正确性、对接的效率、评分的正确性采用多个软件进行评价，减少结合模式搜索误差定量指标，需要结合分子动力学进一步评价分子对接计算的注意点26第26页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四评价：打分函数 每一个对接的算术都会采用平衡了时效和精确度的简单自由能预测方法，现在的打分函数主要包括三种：基于经验的回归参数的方法；基于分子力场的方法和基于知识的方法、基于知识的打分函数 。 27第27页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四

14、对接方法尚需解决的问题：分子的柔性溶剂化效应打分函数28第28页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四直接揭示药物分子和靶点之间的相互作用方式。预测小分子与靶点蛋白结合时的构象。基于分子对接方法对化合物数据库进行虚拟筛选，用于先导化合物的发现。预测化合物的亲和力及活性，用于先导化合物的优化。分子对接的应用29第29页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四分子对接的应用靶 标靶标分类靶标结构小分子库大小所用方法抑制剂活性M实验数据AmpC -lactamseHydrolaseX-ray200kNWU DOCK26X-ray复合物BCRABLKinaseX-ra

15、y200kDOCK25细胞的抑制活性实验Anthrax EFAdenylyl cyclaseX-ray200kNWU DOCK20酶动力学实验IMPDHDehydrogrnaseX-ray3500kFlexX30酶动力学实验Casein kinase IIKinaseHomology400kDOCK0.08抑制活性、构效关系K 通道Ion channelHomology50kDOCK10细胞的抑制活性实验Thyroid homone receptorNuclear receptorHomology250kICM075抑制活性实验CDK2KinaseX-ray50kLIDAEUS2X-ray复合

16、物TGFRKKinaseX-ray200kCatalyst0005X-ray复合物cyclophilinImmunophilinX-rayUnity/FlexX6细胞的抑制活性实验tRNA guanine transglycoslaseX-ray800kUnity/FlexX0.25酶动力学实验PfDHFRReductaseHomology230kCatalyst/DOCK0.9酶动力学实验-AmylaseHydrolaseX-ray200kUnity/FlexXNMR,SPR,层析30第30页，共32页，2022年，5月20日，11点12分，星期四1.郑宗平，兰山，秦川，等天然酪氨酸酶抑制剂研究进展：种类及其构效关系食品工业科技，2014，35(8)：3743782.毕云枫，宋风瑞，刘志强天然酪氨酸酶抑制剂的种类及其对酪氨酸酶抑制作用的研究进展J吉林大学学报(医学版)，2014，4O(2)：454-459DOI：1013481i1671-587x201402473.Morris，GM，RHueyandAJOlson，Using AutoDock for ligandreceptor dockingJCurr Protoc Bioinformatics，2008Chapter8：PUnit8144.KANADE S R，