分子對接方法

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1、分 子 對 接 計算機輔助藥物設計的方法學v基于配體的藥物設計方法v基于受體的藥物設計方法v基于結(jié)構(gòu)的藥物設計 基于受體的藥物設計方法v通過受體的特征以及受體和藥物分子之間的相互作用方式來進行藥物設計的方法。v“有的放矢”v主要方法v 分子對接法v從頭設計 分子對接v1.概念v2.原理v3.一般過程v4.分類v5.代表性軟件v6.DOCK軟件v7.AUTODOCK軟件 1 分子對接的概念v受體和藥物分子之間通過空間匹配和能量匹配而相互識別形成分子復合物，并預測復合物結(jié)構(gòu)的操作過程。v整體上考慮配體與受體的結(jié)合效果，較好地避免局部作用較好、整體結(jié)合欠佳的情況。 2 分子對接的原理v理論基礎：v

2、“鎖和鑰匙模型”v “誘導契合模型”v重要原則：v互補性：決定識別過程的選擇性v預組織性：決定識別過程的結(jié)合能力 分子對接的最初思想起源于Fisher E提出的“鎖和鑰匙模型”。即受體與配體的相互識別首要條件是空間結(jié)構(gòu)的匹配 配體 受體 復合物 受體配體的鎖和鑰匙模型 Oh boy! What a perfect match 這類方法首先要建立大量化合物（例如幾十至上百萬個化合物）的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，然后將庫中的分子逐一與靶標分子進行“對接”（docking），通過不斷優(yōu)化小分子化合物的位置（取向）以及分子內(nèi)部柔性鍵的二面角（構(gòu)象），尋找小分子化合物與靶標大分子作用的最佳構(gòu)象，計算其相互作用及結(jié)

3、合能。在庫中所有分子均完成了對接計算之后，即可從中找出與靶標分子結(jié)合的最佳分子（前50名或前100名） 3分子對接的基本原理藥物與受體的結(jié)合強度取決于結(jié)合的自由能變化G結(jié)合 = H結(jié)合 - TS結(jié)合 = -RT ln Ki大部分的分子對接法忽略了全部的熵效應，而在焓效應也只考慮配體與受體的相互作用能，即：Einteraction= Evdw + Eelectrostatic + Eh-bond 3 分子對接的一般過程v找出空穴，定出表面v調(diào)整受體位點或藥物的構(gòu)象v計算對接時受體藥物相互作用能量v進行分子動力學模擬v復合物的全局最優(yōu)結(jié)合構(gòu)象 4 分子對接的分類v剛性對接：研究體系的構(gòu)象不發(fā)生變化

4、。v半柔性對接：研究體系尤其是配體的構(gòu)象允許在一定范圍內(nèi)變化。v柔性對接：研究體系的構(gòu)象是可以自由變化的。 3分子對接的基本方法（一） 剛性的分子對接方法 這種方法是最初的分子對接的方法，在對接中，小分子和蛋白質(zhì)兩種都保持剛性。 （1）基于最大團搜索的方法 （Clique-Search Based Approaches） 對接兩個剛性分子可以理解為分子在空間的匹配問題，這種匹配可以是一種形狀上的互補或相互作用。如氫鍵受體與氫鍵給體的互補。搜索在三維空間中有效的條件下的最大匹配 受體的活性位點 配體 有效匹配的距離圖集 受體配體的示意圖，字母代表特征部分如氫鍵等，相應的有效匹配的圖集如右，三個環(huán)

5、性頂點組織的三角形為這個圖集的一個最大團(clique) Dock對接程序中剛性對接的算法就是基于這種思想 Dock利用球集來表示受體活性位點和配體的形狀 一系列的球集填充在受體活性位點的表面，這些球集代表能被配體占據(jù)的體積。配體可以用球集表示或者用自己的原子表示，在Dock程序中，四個有效匹配的對應點被考慮，先考慮配體中第一個球集與活性位點的球集的匹配，第二個點則滿足d ，其中d為第二個匹配點中配體和受體的球心與第一個點球心的距離，第三個點又必需滿足與前兩個球心的距離限制，以上過程一直進行到找不到更多匹配點為止。 （2）基于幾何哈希技術(shù)“geometric hashing”的方法 第一部分中

6、，幾何哈希表從被對接的一個配體或一系列配體中構(gòu)建 。哈希矩陣含有配體名字和能調(diào)整配體在空間方向的參考框架。 第二部分即識別階段，蛋白質(zhì)的特征用來識別哈希矩陣，每一次匹配表示蛋白質(zhì)的特征與哈希矩陣中已定義好方位的配體相匹配，具有大量匹配信息的哈希矩陣代表著具有幾個吻合特征的配體和方位 (3）基于pose clustering的方法 這種方法與幾何哈希的方法相類似，也是一種基于模式識別的方法。 在LUDI模型中，如圖所示，對每一個作用基團，定義作用中心和作用表面。受體的作用表面近似地用離散的點表示，和對應的配體的中心目標點相匹配。 三個氫鍵受體的作用表面 Pose clustering 算法中的作

7、用點 （二）柔性對接的方法（1）構(gòu)象的系綜方法 Flexibase用來儲存小分子庫中每個分子的一系列不同構(gòu)象，用距離幾何和能量最小化的方法產(chǎn)生構(gòu)象，每個分子根據(jù)rmsd的差異選擇25個系列構(gòu)象。每個構(gòu)象采用FLOG剛性對接的方法進行對接。 （2）片段的方法 片斷的方法是處理小分子柔性的最通用的方法，配體分割成一些小的片斷，這些片斷可以認為是剛性構(gòu)象或一個小的構(gòu)象系綜。一般，有兩種方法來處理:第一種方法是把一個片段放入受體的作用位點，然后加上余下的片段，這種方法稱為連續(xù)構(gòu)建 “incremental construction”.第二種方法把所有或一部分片段獨立地放入受體的作用位點，再重新連接至到

8、構(gòu)成一個完整的配體分子，這種策略稱為“放置&加” “place & join” 第一個連續(xù)構(gòu)建的算法是Kuntz發(fā)展的Dock程序，首先，一個單獨的錨碎片通過手工選擇對接進受體的活性結(jié)合位點，并且考慮了氫鍵的作用。其次這個錨的優(yōu)勢位置主要包含有有大量匹配氫鍵對，高打分值，和低相似性。接著，一種回溯的算法（backtracking algorithm）用來搜索整個配體在結(jié)合位點的非重疊放置空間，在當前位置加上一個碎片后，優(yōu)化的方法用來減少立體的張力和改善氫鍵的幾何構(gòu)型。最后的位置通過過濾，優(yōu)化和基于力場的方法來打分評價。FlexX也是一個基于連續(xù)構(gòu)建算法的對接程序 （3） 遺傳算法和進化規(guī)劃 遺

9、傳算法開始應用到分子對接技術(shù)，其特點為 ：第一步，一個稱為染色體的線性表示符能夠描述構(gòu)型的所有自由度，找到這個染色體描述符是算法中最困難的一步。第二步，確定一個一個類似如打分函數(shù)的目標函數(shù)。 著名的GOLD軟件包括了這種算法 （4）基于分子模擬的方法 模擬退火的方法，Autodock程序就采用了這種方法 分子動力學的方法 Monte Carlo模擬，一種統(tǒng)計力學的方法，這種算法中最重要的兩部分是自由度的描述和能量的評價，合適的自由度描述可以避免較高能量的構(gòu)象，用鍵角、扭曲角等內(nèi)座標來描述配體的柔性比用笛卡兒空間的三維座標描述要強，同樣，能量的評價也是最耗時，這一步時間必須足夠的長。 分子對接的

10、主要問題v如何找到最佳的結(jié)合位置v 遺傳算法v模擬退火v如何評價對接分子之間的結(jié)合強度v非鍵作用能v基于分子表面的溶劑化計算v半經(jīng)驗的自由能計算 5 代表性對接軟件名稱 構(gòu)象搜索方法 結(jié)合評價方法 速度Flex X (Sybyl)片段生長法半經(jīng)驗自由能快LigandFit(Cerius2)蒙地卡羅模擬 半經(jīng)驗自由能快Glide (薛定諤軟件)系統(tǒng)搜索 半經(jīng)驗自由能一般Gold 遺傳算法半經(jīng)驗自由能快Affinity（InsightII)蒙地卡羅/MM/MD分子力場慢AutoDock 遺傳算法半經(jīng)驗自由能一般Dock 片段生長法分子力場 快ICM-Dock 隨機全局優(yōu)化半經(jīng)驗自由能快Fred (

11、openeye)系統(tǒng)搜索半經(jīng)驗自由能快 Flex X對接軟件v商業(yè)軟件模塊（Sybyl)v對接過程v 確定核心結(jié)構(gòu)片段v采用形態(tài)聚類算法，放置核心結(jié)構(gòu)v采用樹形搜索算法，其他部分片段依次生長連接在核心結(jié)構(gòu)上 LigandFit對接軟件v商業(yè)軟件模塊（Cerius2)v對接過程v 發(fā)現(xiàn)活性位點v進行配體分子的構(gòu)象搜索v進行分子對接v計算評分 Dock對接軟件v學術(shù)用戶免費軟件http:/docking.org/v 對接過程準備蛋白質(zhì)和配體分子計算MS表面積進行活性位點特征描述建立評分格點對接計算 v評分函數(shù)基于AMBER力場的分子間能量評分（范德華靜電）、接觸評分 AutoDock對接軟件v免費

12、軟件http:/autodock.scripps.edu/v只能進行一個分子與蛋白質(zhì)的對接計算，不能進行數(shù)據(jù)庫對接，沒有平行化功能。v不需要預先知道活性位點。 DOCK軟件v自動地模擬配體分子在受體活性位點地作用情況，并把理論預測最佳地相互作用方式記錄下來。v自動搜索配體的v三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。 Dock軟件v步驟1.分子的準備工作2.活性位點的確定3.格點對接4.柔性對接 分子的準備工作v在Chimera軟件中進行v 加氫原子v加電荷v得到的文件：v 1）rec_charged.mol2v 2）rec_noH.pdb v 3）lig_charged.mol2 活性位點的確定v填充受體分子表面口袋

13、或凹槽的球集v每個負像代表一個可能的活性位點v聚類分析 負像個數(shù)的簡化原則v只考慮半徑最小的負像v僅保留夾角小于90度的負像（位于口袋淺表）v與負像相切的表面點必須間隔4個殘基v去掉半徑大于5埃的負像 程序命令v生產(chǎn)分子表面點v dms input_file -n -w 1.4 o output_filev例如：dms rec_noH.pdb-n -w 1.4 o rec.msv得到文件：rec.ms不含氫原子的受體文件形成負像文件名 程序命令產(chǎn)生負像文件 sphgen 默認的參數(shù)文件：INSPH默認輸入文件為rec.mc默認得到負像文件為rec.sph 默認得到一個計算過程描述文件：OUTS

14、PH 格點計算v依據(jù)受體表面的這些結(jié)合點與配體分子的距離匹配原則，將配體分子投映到受體分子表面v保留僅是與受體有個的特征值v命令v showbox box.inv輸出文件：rec_box.pdb AutoDock對接軟件v準備蛋白質(zhì)和配體v蛋白質(zhì)：加電荷和溶劑化，存為pdbqs格式v配體：加電荷，定義搜索的二面角和根片段v格點對接：保留探針原子和受體之間的相互作用能v對接計算：遺傳算法v評價函數(shù)：半經(jīng)驗的自由能計算 v 范德華相互作用v氫鍵相互作用v靜電相互作用v溶劑化作用 8 分子對接計算的注意點v小分子問題v 起始構(gòu)象對對接結(jié)果有一定影響v對接時應以代謝物的結(jié)構(gòu)進行v對分子進行加電荷和加氫

15、處理v蛋白質(zhì)問題如何選擇合理的蛋白質(zhì)活性位點v對接問題v搜索結(jié)合模式的正確性、對接的效率、評分的正確性 v采用多個軟件進行評價，減少結(jié)合模式搜索誤差v定量指標，需要結(jié)合分子動力學進一步評價 評價：打分函數(shù) 每一個對接的算術(shù)都會采用平衡了時效和精確度的簡單自由能預測方法，現(xiàn)在的打分函數(shù)主要包括三種：基于經(jīng)驗的回歸參數(shù)的方法；基于分子力場的方法和基于知識的方法、基于知識的打分函數(shù) 。 （1）基于力場的方法 只考慮熱焓對能量的貢獻，不考慮熵的影響，一般情況下，采用標準力場的非鍵作用能如真空靜電和范德華作用能用作打分函數(shù)，如DOCK程序中采用AMBER的能量函數(shù)： ligi recj ijjibiji

16、jaijij DrqqrBrAE 1 1 332 （2） 基于經(jīng)驗的打分函數(shù) 基于經(jīng)驗的打分函數(shù)用多元回歸的方法擬合各種物理參數(shù)對結(jié)合自由能的貢獻，如FlexX程序中采用下列函數(shù)，所采用的方程包括，配體旋轉(zhuǎn)鍵的個數(shù)、氫鍵、離子鍵，疏水和芳香環(huán)的堆積作用，以及親水作用。這種方法能快速直接地估算結(jié)合自由能， （3）基于知識的打分函數(shù) 最初應用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測，打分函數(shù)用統(tǒng)計力學的方法得自蛋白質(zhì)配體的復合物結(jié)構(gòu)，結(jié)合自由能用函數(shù)為分子間距離的平均能的加和來計算?；谥R的打分函數(shù)是一種比較有前途的方法 虛擬篩選的具體流程 包括4個步驟：受體模型的建立；小分子庫的產(chǎn)生；計算機篩選和命中化合物的后處理。

17、 第一步，受體模型的建立： 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的準備是虛擬篩選的重要一步。虛擬篩選的蛋白靶標的結(jié)構(gòu)可以從PDB庫(http:/www.rcsb.org/pdb/index.html)中直接下載使用 也可以通過和家族中同源蛋白的序列、結(jié)構(gòu)信息比較，同源模建而得 1）大分子結(jié)構(gòu)獲取 2）接著是結(jié)合位點的描述，選擇合適的配體結(jié)合口袋對分子對接至關重要 一種是直接從配體受體復合物結(jié)構(gòu)中抽出；選擇口袋有兩種方式：如果沒有復合物結(jié)構(gòu)，則需要根據(jù)生物功能如結(jié)合、突變等實驗信息來手動選擇結(jié)合部位 第二步，建立小分子數(shù)據(jù)庫 二維結(jié)構(gòu)用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換程序如CORINA、CONCORD實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。 建好的三維結(jié)構(gòu)加氫加電

18、荷后，便可以用于對接程序。 第三步，對接和打分，這一步是虛擬篩選的核心步驟。 對接操作就是把每個小分子放到受體蛋白的配體結(jié)合位點，優(yōu)化配體構(gòu)像和位置，使之與受體有最佳的結(jié)合作用，給最佳結(jié)合構(gòu)象打分，對所有化合物根據(jù)打分排序，然后從化合物庫中挑出打分最高的小分子。 最后一步是命中化合物的后處理 通過計算分子的類藥性質(zhì)ADME/T (吸收absorption、器官分布distribution、體內(nèi)代謝metabolism、排泄excretion 和毒性toxicity)性質(zhì)的估算，排除那些不具有類藥性質(zhì)的分子。 可以利用一些經(jīng)驗規(guī)則如“五規(guī)則” 等，快速排除那些不適合進一步藥物開發(fā)的分子。 通過以

19、上四步處理，大部分分子從化合物庫中剔除，形成一個合理大小的化合物庫，僅對這些適合成藥的化合物或購買、或合成、或分離得到，然后再進行實際的生物測試。 對接方法尚需解決的問題：分子的柔性溶劑化效應打分函數(shù) 分子對接的應用靶 標靶標分類靶標結(jié)構(gòu)小分子庫大小所用方法抑制劑活性M實驗數(shù)據(jù)AmpC -lactamse Hydrolase X-ray 200k NWU DOCK 26 X-ray復合物BCRABL Kinase X-ray 200k DOCK 25細胞的抑制活性實驗Anthrax EF Adenylyl cyclase X-ray 200k NWU DOCK 20酶動力學實驗IMPDH De

20、hydrogrnase X-ray 3500k FlexX 30酶動力學實驗Casein kinase II Kinase Homology 400k DOCK 0.08抑制活性、構(gòu)效關系K 通道Ion channel Homology 50k DOCK 10細胞的抑制活性實驗Thyroid homone receptor Nuclear receptor Homology 250k ICM 075抑制活性實驗CDK2 Kinase X-ray 50k LIDAEUS 2 X-ray復合物TGFRK Kinase X-ray 200k Catalyst 0005 X-ray復合物cycloph

21、ilin Immunophilin X-ray Unity/FlexX 6細胞的抑制活性實驗tRNA guanine transglycoslase X-ray 800k Unity/FlexX 0.25酶動力學實驗PfDHFR Reductase Homology 230k Catalyst/DOCK 0.9酶動力學實驗-Amylase Hydrolase X-ray 200k Unity/FlexX NMR,SPR,層析 （一） 配體對CDK2，CDK4激酶選擇性的研究細胞周期蛋白依賴性蛋白激酶（cyclin-dependent kinases, CDKs）是一類Ser/Thr 蛋白激酶，

22、直接參與調(diào)控細胞分裂周期，顧名思義，CDK只在周期蛋白Cyclin活化下才能工作. 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了13種CDK蛋白激酶和25種周期蛋白Cyclin，但它們具體的生物功能還不十分明了。其中CDK2、CDK5、CDK6已經(jīng)解析出晶體結(jié)構(gòu)，但CDKs的一級序列存在高的同源性，它們之間一級序列的高同源性暗示了三維結(jié)構(gòu)的相似性 CDK1、CDK2、CDK4、CDK6是基于CDKs結(jié)構(gòu)化學治療癌癥的主要靶標。至今為止，文獻報告的CDKs抑制劑有多種 盡管化合物結(jié)構(gòu)各異，但所有CDKs的小分子抑制劑有一些共同的特點： （1）一般小的分子量 （ autoMS protein.pdb （四） 用sphgen產(chǎn)生

23、表征口袋形狀的球集，得到protein.sph文件，該文件即為球集文件。用showsphere程序由protein.sph生成sphere.pdb，用Sybyl或Weblab等程序觀看球集的分布。 （五）用showbox產(chǎn)生一表征網(wǎng)格范圍的文件box.pdb （六）計算打分用的網(wǎng)格文件，首先建立grid4的輸入文件grid.in，所需文件還有protein.mol2和box.pdb，然后用以下命名生成網(wǎng)格文件： grid4 i grid.in （七）建立dock的輸入文件dock.in，所需文件還有protein.sph、database.mol2和網(wǎng)格文件，然后進行dock： dock4 i dock.in （八）Dock完畢后得到結(jié)果文件result.info和result.mol2，以及保留恢復文件result.rst。（九）中途非正常退出，可以用如下命令繼續(xù)：dock4 i dock.in -r