计算机辅助药物分子设计教案课件

会计学1计算机辅助药物分子设计第1页/共64页会计学1计算机辅助药物分子设计第1页/共64页药物：是人类用来预防、治疗、诊断疾病，或为了调节人体功能、提高生活质量、保持身体健康的化学品。新药需求：对生活水平要求提高；对新疾病（HIV、SARS、H1N1）的诊断与治疗；耐药性。药物的设计与研发：成为一门新的学科。第2页/共64页药物：是人类用来预防、治疗、诊断疾病，或为了调节人体功能、提我国制药业目前状况：以仿制为主，自己创制的新药仅占2％-3％。药物研发的时间和费用：一种新药，花费10~12年，耗资10亿美元。计算机辅助药物设计：发展新的理论计算方法，从传统偶然发现到计算机辅助设计。第3页/共64页我国制药业目前状况：以仿制为主，自己创制的新药仅占2％-3％第4页/共64页第4页/共64页新药研究的三个重要阶段先导(导向)化合物(Leadcompound)的发现;先导化合物的优化研究;临床与开发研究。第5页/共64页新药研究的三个重要阶段先导(导向)化合物(Leadc第6页/共64页第6页/共64页第7页/共64页第7页/共64页新药物研究的主要途径天然产物的获得(先导药物主要来源);现有药物的开发(包括部分结构改造);生理学机理研究(包括代谢研究);90年代诞生了组合化学(CombinatorialChemistry)；偶然发现与随机筛选药物合理设计与高通量筛选(MassScreeningorHighThroughputScreening)第8页/共64页新药物研究的主要途径天然产物的获得(先导药物主要来源);第9页/共64页第9页/共64页青霉素的发现

1928年的一天，弗莱明和往常一样，一到实验室，便观察培养皿里的葡萄球菌的生长情况。突然，他发现一个培养皿里生长了一团青绿色的霉。他注意到，青霉周围呈现出一片清澈。弗莱明立刻意识到，这是葡萄球菌被杀死的迹象。为了证实自己的判断，弗莱明用吸管从培养皿中吸取了一滴溶液，涂在干净的玻璃上，然后放在高倍显微镜下观察。结果，溶液里一个葡萄球菌也没有。发现，青霉所分泌的物质，对白喉菌、炭疽菌等，都有强效的杀菌效果。第10页/共64页青霉素的发现1928年的一天，弗莱明和往常一样，一到第11页/共64页第11页/共64页计算机辅助药物设计传统药物设计具有很大的盲目性，一般平均要筛选10000种化合物以上才能得到一种新药，因此开发效率很低。随着计算机技术及计算化学、分子生物学和药物化学的发展，药物设计进入了理性阶段，它是依据生物化学、酶学、分子生物学以及遗传学等生命科学的研究成果，针对潜在的药物设计靶点，并参考其它类源性配体或天然产物的化学结构特征，利用计算化学和分子模拟方法设计出合理的药物分子。第12页/共64页计算机辅助药物设计传统药物设计具有很大的盲目性，一般平均要筛第13页/共64页第13页/共64页第14页/共64页第14页/共64页第15页/共64页第15页/共64页第16页/共64页第16页/共64页第17页/共64页第17页/共64页白血病青光眼第18页/共64页白血病青光眼第18页/共64页第19页/共64页第19页/共64页药物设计目标：设计一个与受体结合能力强的化合物第20页/共64页药物设计目标：第20页/共64页依据酶催化反应物的结构设计第21页/共64页依据酶催化反应物的结构设计第21页/共64页计算受体与配体相互作用的方法量子化学法QM分子力学MM量子化学与分子力学结合方法QM/MM第22页/共64页计算受体与配体相互作用的方法量子化学法QM第22页/共64页分子力学方法第23页/共64页分子力学方法第23页/共64页分子力学优缺点优点：计算速度快概念清楚，便于理解及应用缺点：不能处理电荷的极化现象不能很好处理金属原子不能处理化学键的断裂第24页/共64页分子力学优缺点优点：第24页/共64页第25页/共64页第25页/共64页第26页/共64页第26页/共64页0.5~1.0第27页/共64页0.5~1.0第27页/共64页第28页/共64页第28页/共64页第29页/共64页第29页/共64页第30页/共64页第30页/共64页第31页/共64页第31页/共64页第32页/共64页第32页/共64页第33页/共64页第33页/共64页第34页/共64页第34页/共64页第35页/共64页第35页/共64页第36页/共64页第36页/共64页第37页/共64页第37页/共64页类药5规则类药五原则，是辉瑞公司资深药物化学家ChristopherA.Lipinski在1997年提出的筛选类药分子的五条基本法则，符合Lipinski规则的化合物会有更好的药代动力学性质，在生物体内代谢过程中会有更高的生物利用度，因而也更有可能成为口服药物。类药五原则（ruleoffive）也称为Lipinski规则，其内容如下：一个小分子药物中要具备以下性质

1.分子量小于500；

2.氢键给体数目小于5；3.氢键受体数目小于10；4.脂水分配系数小于5；

5.可旋转键的数量不超过10个。第38页/共64页类药5规则类药五原则，是辉瑞公司资深药物化学家Christo类药5规则在长期的实践过程中，药物化学家们对Lipinski规则作出简化，形成“四规则”和“三规则”，但是四规则和三规则有时仍然被称作“五规则”，这里的五指的是各条规则的判别值均为5或500。简化后的四规则去掉了关于可旋转键的数量限制；三规则进一步去掉了对氢键受体数量的限制。这是根据口服药物总结出的经验型规律，是小分子药物设计的有效指导原则。第39页/共64页类药5规则在长期的实践过程中，药物化学家们对Lipinski脂水分配系数脂水分配系数（lipo-hydropartitioncoefficient）为化合物在脂相和水相间达到平衡时的浓度比值，通常是以化合物在有机相中的浓度为分子，在水相中的浓度为分母。脂水分配系数越大，越易溶于脂，反之则越易溶于水。易溶于脂的物质在机体内呈现亲脂性或疏水性，而易溶于水的现象称为亲水性脂水分配系数以P表示，化合物在有机相中浓度Co，在水相的浓度Cw

第40页/共64页脂水分配系数脂水分配系数（lipo-hydropartit脂水分配系数(cont.)Sincethedifferencesareusuallyonaverylargescale,Log10(P)isused.OH1-octanolOHHwater第41页/共64页脂水分配系数(cont.)Sincethediffere第42页/共64页第42页/共64页基于密度泛函理论与蛋白模型的流感病毒抑制剂的设计第43页/共64页基于密度泛函理论与蛋白模型的流感病毒抑制剂的设计第43页/共Neuraminidases

cleavehostreceptorshelpreleaseofnewvirions第44页/共64页Neuraminidases第44页/共64页流感病毒神经氨酸酶与抑制剂的复合物第45页/共64页流感病毒神经氨酸酶与抑制剂的复合物第45页/共64页第46页/共64页第46页/共64页基于密度泛函与蛋白模型的方法传统力场计算方法：缺点：精度低，不具有普遍性；优点：速度快。传统量子力学方法：缺点：速度慢，体系小，没有被广泛应用；优点：精度高；基于蛋白模型与密度泛函的方法：简化计算体系，提高计算精度；第47页/共64页基于密度泛函与蛋白模型的方法传统力场计算方法：缺点：精度低，蛋白模型方法的应用

－流感病毒抑制剂的设计流感病毒的危害性：传染性强；威胁生命安全，例如H5N1、H1N1。神经氨酸酶流感药物：扎那米韦(Zanamivir)、奥塞米韦(Oseltamivir)。新型流感病毒抑制剂的必要性：抗药性的新变异病毒的出现；提高药效。第48页/共64页蛋白模型方法的应用

－流感病毒抑制剂的设计流感病毒的危害性：蛋白质三维晶体结构（PDB:1FKG）受体蛋白质模型（~400个原子）DFT方法优化各项构型（蛋白质模型，配体，蛋白质-配体复合体）计算各项能量受体蛋白与配体的相互作用能判断配体与受体的结合能力强弱配体设计蛋白质三维晶体结构（PDBcode:1FKG）受体蛋白质模型（~400个原子）DFT方法优化各项构型（蛋白质模型，配体，蛋白质-配体复合体）计算各项的能量受体蛋白与配体的相互作用能判断配体与受体的结合能力强弱配体设计研究方法第49页/共64页蛋白质三维晶体结构（PDB:1FKG）受体蛋白质模型（~40FKBP12与抑制剂的复合物thebindingpocketofFKBP12第50页/共64页FKBP12与抑制剂的复合物thebindingpockFKBP12与抑制剂的复合物

DFT结果第51页/共64页FKBP12与抑制剂的复合物

DFT结果第51页/共64页FKBP12与抑制剂的复合物

Autodock结果第52页/共64页FKBP12与抑制剂的复合物

Autodock结果第52页/第53页/共64页第53页/共64页基于奥塞米韦(Oseltamivir)的抑制剂设计

已设计了5个化合物，其活性约为奥塞米韦的100倍。第54页/共64页基于奥塞米韦(Oseltamivir)的抑制剂设计已设计了磺酰脲除草剂氯嘧磺隆（CE)与拟南芥乙酰乳酸合成酶复合物的晶体结构配体分子CE第55页/共64页磺酰脲除草剂氯嘧磺隆（CE)与拟南芥乙酰乳酸合成酶复合物的晶结论：量子力学与模型蛋白相结合的方法可以作为除草剂设计的一种可靠方法，可以用来对配体-受体结合的好坏进行排序，可用来预测抑制剂的生物活性。第56页/共64页结论：第56页/共64页作业：理解药物设计中的基本概念。先导化合物发现的途径：药物：受体：配体：先导化合物：基于受体的药物设计的基本方法和定义：分子对接的基本原理：计算机辅助药物设计的意义和概念从头设计第57页/共64页作业：理解药物设计中的基本概念。第57页/共64页我国制药业目前状况：以仿制为主，自己创制的新药仅占2％-3％。药物研发的时间和费用：一种新药，花费10~12年，耗资10亿美元。计算机辅助药物设计：发展新的理论计算方法，从传统偶然发现到计算机辅助设计。第58页/共64页我国制药业目前状况：以仿制为主，自己创制的新药仅占2％-3％我国制药业目前状况：以仿制为主，自己创制的新药仅占2％-3％。药物研发的时间和费用：一种新药，花费10~12年，耗资10亿美元。计算机辅助药物设计：发展新的理论计算方法，从传统偶然发现到计算机辅助设计。第59页/共64页我国制药业目前状况：以仿制为主，自己创制的新药仅占2％-3％白血病青光眼第60页/共64页白血病青光眼第60页/共64页第61页/共64页第61页/共64页第62页/共64页第62页/共64页脂水分配系数(cont.)Sincethedifferencesareusuallyonaverylargescale,Log10(P)isused.OH1-octanolOHHwater第63页/共64页脂水分配系数(cont.)Sincethediffere脂水分配系数(cont.)Sincethedifferencesareusuallyonaverylargescale,Log10(P)isused.OH1-octanolOHHwater第64页/共64页脂水分配系数(cont.)Sincethediffere会计学65计算机辅助药物分子设计第1页/共64页会计学1计算机辅助药物分子设计第1页/共64页药物：是人类用来预防、治疗、诊断疾病，或为了调节人体功能、提高生活质量、保持身体健康的化学品。新药需求：对生活水平要求提高；对新疾病（HIV、SARS、H1N1）的诊断与治疗；耐药性。药物的设计与研发：成为一门新的学科。第2页/共64页药物：是人类用来预防、治疗、诊断疾病，或为了调节人体功能、提我国制药业目前状况：以仿制为主，自己创制的新药仅占2％-3％。药物研发的时间和费用：一种新药，花费10~12年，耗资10亿美元。计算机辅助药物设计：发展新的理论计算方法，从传统偶然发现到计算机辅助设计。第3页/共64页我国制药业目前状况：以仿制为主，自己创制的新药仅占2％-3％第4页/共64页第4页/共64页新药研究的三个重要阶段先导(导向)化合物(Leadcompound)的发现;先导化合物的优化研究;临床与开发研究。第5页/共64页新药研究的三个重要阶段先导(导向)化合物(Leadc第6页/共64页第6页/共64页第7页/共64页第7页/共64页新药物研究的主要途径天然产物的获得(先导药物主要来源);现有药物的开发(包括部分结构改造);生理学机理研究(包括代谢研究);90年代诞生了组合化学(CombinatorialChemistry)；偶然发现与随机筛选药物合理设计与高通量筛选(MassScreeningorHighThroughputScreening)第8页/共64页新药物研究的主要途径天然产物的获得(先导药物主要来源);第9页/共64页第9页/共64页青霉素的发现

1928年的一天，弗莱明和往常一样，一到实验室，便观察培养皿里的葡萄球菌的生长情况。突然，他发现一个培养皿里生长了一团青绿色的霉。他注意到，青霉周围呈现出一片清澈。弗莱明立刻意识到，这是葡萄球菌被杀死的迹象。为了证实自己的判断，弗莱明用吸管从培养皿中吸取了一滴溶液，涂在干净的玻璃上，然后放在高倍显微镜下观察。结果，溶液里一个葡萄球菌也没有。发现，青霉所分泌的物质，对白喉菌、炭疽菌等，都有强效的杀菌效果。第10页/共64页青霉素的发现1928年的一天，弗莱明和往常一样，一到第11页/共64页第11页/共64页计算机辅助药物设计传统药物设计具有很大的盲目性，一般平均要筛选10000种化合物以上才能得到一种新药，因此开发效率很低。随着计算机技术及计算化学、分子生物学和药物化学的发展，药物设计进入了理性阶段，它是依据生物化学、酶学、分子生物学以及遗传学等生命科学的研究成果，针对潜在的药物设计靶点，并参考其它类源性配体或天然产物的化学结构特征，利用计算化学和分子模拟方法设计出合理的药物分子。第12页/共64页计算机辅助药物设计传统药物设计具有很大的盲目性，一般平均要筛第13页/共64页第13页/共64页第14页/共64页第14页/共64页第15页/共64页第15页/共64页第16页/共64页第16页/共64页第17页/共64页第17页/共64页白血病青光眼第18页/共64页白血病青光眼第18页/共64页第19页/共64页第19页/共64页药物设计目标：设计一个与受体结合能力强的化合物第20页/共64页药物设计目标：第20页/共64页依据酶催化反应物的结构设计第21页/共64页依据酶催化反应物的结构设计第21页/共64页计算受体与配体相互作用的方法量子化学法QM分子力学MM量子化学与分子力学结合方法QM/MM第22页/共64页计算受体与配体相互作用的方法量子化学法QM第22页/共64页分子力学方法第23页/共64页分子力学方法第23页/共64页分子力学优缺点优点：计算速度快概念清楚，便于理解及应用缺点：不能处理电荷的极化现象不能很好处理金属原子不能处理化学键的断裂第24页/共64页分子力学优缺点优点：第24页/共64页第25页/共64页第25页/共64页第26页/共64页第26页/共64页0.5~1.0第27页/共64页0.5~1.0第27页/共64页第28页/共64页第28页/共64页第29页/共64页第29页/共64页第30页/共64页第30页/共64页第31页/共64页第31页/共64页第32页/共64页第32页/共64页第33页/共64页第33页/共64页第34页/共64页第34页/共64页第35页/共64页第35页/共64页第36页/共64页第36页/共64页第37页/共64页第37页/共64页类药5规则类药五原则，是辉瑞公司资深药物化学家ChristopherA.Lipinski在1997年提出的筛选类药分子的五条基本法则，符合Lipinski规则的化合物会有更好的药代动力学性质，在生物体内代谢过程中会有更高的生物利用度，因而也更有可能成为口服药物。类药五原则（ruleoffive）也称为Lipinski规则，其内容如下：一个小分子药物中要具备以下性质

1.分子量小于500；

2.氢键给体数目小于5；3.氢键受体数目小于10；4.脂水分配系数小于5；

5.可旋转键的数量不超过10个。第38页/共64页类药5规则类药五原则，是辉瑞公司资深药物化学家Christo类药5规则在长期的实践过程中，药物化学家们对Lipinski规则作出简化，形成“四规则”和“三规则”，但是四规则和三规则有时仍然被称作“五规则”，这里的五指的是各条规则的判别值均为5或500。简化后的四规则去掉了关于可旋转键的数量限制；三规则进一步去掉了对氢键受体数量的限制。这是根据口服药物总结出的经验型规律，是小分子药物设计的有效指导原则。第39页/共64页类药5规则在长期的实践过程中，药物化学家们对Lipinski脂水分配系数脂水分配系数（lipo-hydropartitioncoefficient）为化合物在脂相和水相间达到平衡时的浓度比值，通常是以化合物在有机相中的浓度为分子，在水相中的浓度为分母。脂水分配系数越大，越易溶于脂，反之则越易溶于水。易溶于脂的物质在机体内呈现亲脂性或疏水性，而易溶于水的现象称为亲水性脂水分配系数以P表示，化合物在有机相中浓度Co，在水相的浓度Cw

第40页/共64页脂水分配系数脂水分配系数（lipo-hydropartit脂水分配系数(cont.)Sincethedifferencesareusuallyonaverylargescale,Log10(P)isused.OH1-octanolOHHwater第41页/共64页脂水分配系数(cont.)Sincethediffere第42页/共64页第42页/共64页基于密度泛函理论与蛋白模型的流感病毒抑制剂的设计第43页/共64页基于密度泛函理论与蛋白模型的流感病毒抑制剂的设计第43页/共Neuraminidases

cleavehostreceptorshelpreleaseofnewvirions第44页/共64页Neuraminidases第44页/共64页流感病毒神经氨酸酶与抑制剂的复合物第45页/共64页流感病毒神经氨酸酶与抑制剂的复合物第45页/共64页第46页/共64页第46页/共64页基于密度泛函与蛋白模型的方法传统力场计算方法：缺点：精度低，不具有普遍性；优点：速度快。传统量子力学方法：缺点：速度慢，体系小，没有被广泛应用；优点：精度高；基于蛋白模型与密度泛函的方法：简化计算体系，提高计算精度；第47页/共64页基于密度泛函与蛋白模型的方法传统力场计算方法：缺点：精度低，蛋白模型方法的应用

－流感病毒抑制剂的设计流感病毒的危害性：传染性强；威胁生命安全，例如H5N1、H1N1。神经氨酸酶流感药物：扎那米韦(Zanamivir)、奥塞米韦(Oseltamivir)。新型流感病毒抑制剂的必要性：抗药性的新变异病毒的出现；提高药效。第48页/共64页蛋白模型方法的应用

－流感病毒抑制剂的设计流感病毒的危害性：蛋白质三维晶体结构（PDB:1FKG）受体蛋白质模型（~400个原子）DFT方法优化各项构型（蛋白质模型，配体，蛋白质-配体复合体）计算各项能量受体蛋白与配体的相互作用能判断配体与受体的结合能力强弱配体设计蛋白质三维晶体结构（PDBcode:1FKG）受体蛋白质模型（~400个原子）DFT方法优化各项构型（蛋白质模型，配体，蛋白质-配体复合体）计算各项的能量受体蛋白与配体的相互作用能判断配体与受体的结合能力强弱配体设计研究方法第49页/共64页蛋白质三维晶体结构（PDB:1FKG）受体蛋白质模型（~40FKBP12与抑制剂的复合物thebindingpocketofFKBP12第50页/共64页FKBP12与抑制剂的复合物thebindingpockFKBP12与抑制剂的复合物

DFT结果第51页/共64页FKBP12与抑制剂的复合物

DFT结果第51页/共64页FKBP12与抑制剂的复合物

Autodock结果第52页/共64页FKBP12与抑制剂的复合物

Autodock结果第52页/第53页/共64页第53页/共64页基于奥塞米韦(Oseltamivir)的抑制剂设计

已设计了5个化合物，其活性约为奥塞米韦的1