自由能计算药物设计的基本方法

关于自由能计算药物设计的基本方法受体-配体相互作用生物大分子-生物大分子小分子-生物大分子第2页,共41页，2024年2月25日，星期天受体：药物在体内作用的位点，即药物作用“靶标”。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子都可作为药物的受体。第3页,共41页，2024年2月25日，星期天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，例如酶与底物的相互作用体现酶的催化功能。因此对小分子配体-生物大分子相互作用有一个全面、准确的了解，是基于受体结构知识进行合理药物设计的基础，而其中对配体-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作用。第4页,共41页，2024年2月25日，星期天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，所以药物与受体的结合亲和性（bindingaffinity）与药物的活性直接相关。第5页,共41页，2024年2月25日，星期天分子生物学X射线衍射晶体学核磁共振生物大分子三维结构第6页,共41页，2024年2月25日，星期天由热力学原理，结合自由能与结合常数存在：第7页,共41页，2024年2月25日，星期天9.2配体-受体相互作用的热力学过程配体（包括药物）与受体结合时，主要存在两种相互作用：（1）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-受体复合物等）（2）非键相互作用（更为常见，利于药物的代谢和排泄）第8页,共41页，2024年2月25日，星期天9.2.1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：第9页,共41页，2024年2月25日，星期天当体系达到平衡时，离解平衡常数：第10页,共41页，2024年2月25日，星期天根据热力学定律，离解过程的自由能变化和焓的变化：实验测定的自由能与离解常数：第11页,共41页，2024年2月25日，星期天当体系达到平衡时，自由能等于0第12页,共41页，2024年2月25日，星期天9.2.2配体-受体结合的热力学配体-受体结合的热力学过程药物与受体存在与体液环境中，与周围的水分子存在溶剂化作用。第13页,共41页，2024年2月25日，星期天药物-受体相互作用时的焓、熵和自由能变化用下列公式计算：由上式可知，从热力学的观点来看，药物-受体相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“适应”受体结合部位的“空腔”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，这就是所谓的诱导契合。第14页,共41页，2024年2月25日，星期天第15页,共41页，2024年2月25日，星期天药物-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用。前三种作用控制药物-受体相结合，疏水作用是药物-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。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。第16页,共41页，2024年2月25日，星期天综上所述，药物分子与受体结合时，需遵循以下互补匹配规则:第17页,共41页，2024年2月25日，星期天这些互补性质可以用分子表面性质来表示。生物大分子和药物小分子的各种表面性质，可用分子模拟方法计算。

MOLCAD/SYBYL可计算分子的静电、氢键和疏水性质，

Delphi/InsightII可计算分子的静电性质。第18页,共41页，2024年2月25日，星期天9.3分子动力学与自由能微扰方法第19页,共41页，2024年2月25日，星期天热力学循环当药物与受体结合时，自由能变化为：第20页,共41页，2024年2月25日，星期天⊿G的绝对值难以直接求得，如要比较两个药物D和D’与同一受体R结合的强度，可用热力学循环计算：⊿G1和⊿G2可用实验方法测定，而⊿G3和⊿G4可用自由能微扰计算第21页,共41页，2024年2月25日，星期天由热力学循环得：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。第22页,共41页，2024年2月25日，星期天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，用上述方法计算就比较困难，这时可用自由能变化外推法计算。第23页,共41页，2024年2月25日，星期天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D1→D2→…→DM,这时热力学循环变成：第24页,共41页，2024年2月25日，星期天计算自由能变化时，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液中的偶极距计算精度。第25页,共41页，2024年2月25日，星期天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-受体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。同时必须注意，用FEP方法计算配体-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似。第26页,共41页，2024年2月25日，星期天第27页,共41页，2024年2月25日，星期天第28页,共41页，2024年2月25日，星期天9.4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，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到实用化阶段。第29页,共41页，2024年2月25日，星期天相对来说，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分解为（1）受体与配体之间的静电作用以及范德华作用；（2）受体与配体在结合时构象能的变化；（3）结合时由于平动、转动、振动和内旋转自由能变化引起的熵的变化；（4）疏水相互作用。第30页,共41页，2024年2月25日，星期天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（考虑溶剂化作用时易引起这个问题）。第31页,共41页，2024年2月25日，星期天一般来说，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；如果是发生在配体和受体之间，则称为电荷转移。第32页,共41页，2024年2月25日，星期天计算构象变化的影响第33页,共41页，2024年2月25日，星期天（1）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，不利于结合）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；另一种是通过热容的变化来计算。第34页,共41页，2024年2月25日，星期天（2）配体构象的变化如果假定自由的配体只有一种构象，那么配体的自由能变化可以类似于受体那样进行处理。但配体一般不会只有一种构象。因此在计算自由能变化时，要进行系综平均。第35页,共41页，2024年2月25日，星期天溶剂化效应的计算第36页,共41页，2024年2月25日，星期天第