配體—受體相互作用與識別的研究

1、配體受體相互作用與識別的研究 北京工業(yè)大學碩士學位論文配體?受體相互作用與識別的研究姓名:于永輝申請學位級別:碩士專業(yè):流體力學指導教師:王存新2003.5.1摘要摘 要近年來,用計算機來模擬生物分子的相互作用與識別已經(jīng)受到了相當大的關注。在眾多的模擬方法中,分子對接已成為其中非常重要而又受到廣泛應用的方法之一。所謂分子對接就是已知兩個分子的三維結構,考察它們之間是否可以結合,并預測復合物的結合模式。通常熱力學上認為生物分子的穩(wěn)定構象是自由能最低的構象,因此,分子對接的目的就是找到能量最低的構象。分子對接包含兩個方面,一是快速有效的搜索算法,可以在可能的空間進行構象搜索:另一個是好的打分函數(shù),

2、能夠在合理的時間內(nèi)正確有效地從搜索到的結構中區(qū)分出近天然構象。本論文的主要研究內(nèi)容如下:.采用本組在和的剛性對接算法基礎上改進的半柔性對接算法,以種蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)復合物體系為例,我們研究了如何正確有效地從對接采樣中挑選出近天然構象的方法。比較了不同的能量打分函數(shù)、能量優(yōu)化以及分子動力學模擬方法對區(qū)分近天然構象的作用。在對接結構的過濾中,采用三重過濾技術,來篩選合理的結合模式,用靜電能蛆。、去水化自由能。以及范德華能絲。的不同組合對這些結構打分以獲得近天然結構,并進而評價這些能量項組合在區(qū)分近天然構象方面的能力。結果發(fā)現(xiàn)結合自由能函數(shù)?？?。有比較強的區(qū)分近天然構象的能力。同時,對對接結構進行能量

3、優(yōu)化后再打分,發(fā)現(xiàn)有助于打分函數(shù)挑選到距蛋白質(zhì)晶體結構主鏈原予的均方根偏差較小的近天然構象。研究還發(fā)現(xiàn)模擬方法有助于進一步區(qū)分近天然構象。以兩種蛋白質(zhì)復合物為例,對其候選結構進行模擬,根據(jù)軌跡中構象相對于初始摘要北京工業(yè)大學工學碩士學位論文構象的平方平均偏差隨時間的變化來輔助打分函數(shù)排除錯誤構象,得到了較好的結果。.用軟件模擬腦灌注顯像劑”“.的不同的異構體與谷胱甘肽的對接,擬獲得二者的初步結合模式,從分子水平和理論計算上對二者的識別機制以及.的立體構型差異對其滯留效應的影響進行了討論。關鍵詞: 分子對接;能量優(yōu)化:打分函數(shù):分子動力學模擬;近天然構象協(xié)捃, 亡?印. ? 印鋤 .“ ? 仃

4、. 臼哇, 淅.,婦唱【 . 脅, 也 ,、. : 珊 勰 百 ,、?踟.也 色, 劬,唱.,砸? .蠲也也,任也仃, ,、 唱.療?唱如 ?北京工業(yè)大學工學碩士學位論文卜丘 ? . . 血卜 、.? . 、 , 趾們.仃 ,廿腳刪 . 、,艉。? 怕柳 血、 也丘. 也 .: ; ;? 耐腫;?第章緒論第章緒論.研究配體.受體相互作用的背景和意義美國人類基因組計劃實施五年后的總結報告中,對生物信息學硼作了以下定義:生物信息學是一門交叉科學,它包含了生物信息的獲取、處理、存儲、分發(fā)、分析和解釋等在內(nèi)的所有方面,它綜合運用數(shù)學、計算機科學和生物學的各種工具,來闡明和理解大量數(shù)據(jù)所包含的生物學意義

5、。當前,基因組信息學、蛋白質(zhì)的結構模擬以及藥物設計有機地連接在一起,它們是生物信息學的三個重要組成部分“。生物信息學目前已在理論生物學領域占有了核心地位,它在生物、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等學科的應用已無所不在。隨著快速序列測定、基因重組、多維核磁共振、同步輻射、機器人等技術的應用,生物學實驗數(shù)據(jù)呈爆炸趨勢增長,同時計算機和國際互聯(lián)網(wǎng)絡的發(fā)展使對大規(guī)模數(shù)據(jù)的貯存、處理和傳輸成為可能。現(xiàn)在某一實驗室的研究成果一經(jīng)進入生物信息網(wǎng)絡便為全球科學共享。生物信息學作為一門新的學科領域,它是把基因組序列信息分析作為源頭,在獲得了蛋白質(zhì)編碼區(qū)的信息之后進行蛋白質(zhì)空間結構模擬和預測,然后依據(jù)特定蛋白質(zhì)的功能進行必要的

6、藥物設計。功能蛋白組學作為生物信息學的一個分支,主要研究蛋白同源性分析、功能類比、分類;蛋白組表達譜及分析;蛋白間相互作用:蛋白質(zhì)功能;蛋白組平臺的藥物篩選及相關研究。配體一受體相互作用,在許多生理過程中起著重要的作用,如信號傳遞、生理調(diào)節(jié)、基因轉(zhuǎn)錄和酶催化反應等”。配體一受體相互作用包括:生物大分子.生物大分子相互作用,如蛋白質(zhì).蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì).、抗體.抗原等;小分子.生物大分子相互作用,如藥物.蛋白質(zhì)、藥物.、神經(jīng)遞質(zhì)一受體蛋北京工業(yè)大學工學碩士學位論文白等。關于受體學說,可以追溯到、和等人的工作?！?。早期受體概念為藥物在體內(nèi)作用的位點,即藥物作用“靶標”,現(xiàn)在受體概念已推廣到生物大分子上

7、特定的結合部位拍,酶、離子通道和核酸等生物大分子均可作為藥物的受體。蛋白質(zhì)問相互作用存在于機體中每個細胞的生命活動過程中,生物學中的許多現(xiàn)象,如基因的復制、轉(zhuǎn)錄、翻譯和遺傳密碼的分析與破譯以及細胞周期調(diào)控、信號轉(zhuǎn)導和中間代謝等,均受蛋白質(zhì)間相互作用的調(diào)控。某些蛋白質(zhì)由多個亞單位組成,它們之間的相互作用就顯得更為普遍。有些蛋白質(zhì)結合緊密,而有些蛋白質(zhì)只有短暫的相互作用。然而不論哪種情況,它們均控制著大量的細胞活動事件,如:細胞的增殖、分化和死亡。在細胞衰老過程中蛋白質(zhì)合成會有一系列變化:大多數(shù)蛋白質(zhì)合成速度降低;出現(xiàn)一些特異蛋白或原有蛋白發(fā)生了與衰老有關的結構上的改變。細胞的各種重要的生理過程,

8、如信號轉(zhuǎn)導、細胞對外界環(huán)境及內(nèi)部環(huán)境變化的反應等,都是以蛋白質(zhì)間的相互作用為紐帶而進行的?？傊?雖然是所有生物除少數(shù)病毒外遺傳信息的攜帶者,但最終機體的生命活動規(guī)律還是由蛋白質(zhì)的功能來體現(xiàn)的,因而,研究配體一受體的相互作用,有著很重要的生命意義。許多蛋白質(zhì)重要的生理和藥理功能,是通過與小分子相互作用體現(xiàn)出來的如酶與底物的相互作用,體現(xiàn)酶的催化功能,因此對小分子配體與生物大分子相互作用有全面、準確的了解,是基于結構的合理藥物設計的基礎,而對配體一受體相互作用進行計算機模擬和理論計算研究,對配體.受體相互作用的研究起十分重要的作用,并且理論計算可以解決某些實驗不能解決的問題,如酶催化反應過渡態(tài)結構

9、問題【】。第章緒論.國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及分析在過去的十幾年中,分子生物學和一射線衍射晶體學、多維核磁共振.等結構測定技術不斷的發(fā)展,許多受體生物大分子的三維結構已被測定峨”。對于那些僅知一級序列,不知其三級結構的生物大分子,可以用理論方法或分子模擬方法如同源蛋白模建方法預測其三維結構呻?！薄＿@可以為受體.配體相互作用的理論計算以及在此基礎上的合理藥物設計提供受體三維結構的知識。與此同時,計算機科學的發(fā)展,也為對配體一受體相互作用進行高精度的理論計算如自由能微擾計算等提供了良好的硬件平臺【。“。目前,用計算機模擬來研究生物分子的相互作用與識別已經(jīng)受到了相當大的關注。在眾多的模擬方法中,分子對接已成

10、為其中非常重要而又受到廣泛應用的方法之一。計算框圖在嘗試找到兩個分子配體與受體間的最好的匹配模式時,引入了這個術語,也就是分子對接。所謂分子對接就是已知兩個或多個分子藥物與酶或受體蛋白的三維結構,考察它們之間是否可以結合,并預測復合物的結合模式。例如,找到一種可以與某種特定的蛋白質(zhì)結合的抑制劑,就可以阻止該蛋白質(zhì)在人體內(nèi)的毒害作用。.分子對接的步驟一般情況下,分子對接方法可以分為三個階段,見圖.。首先,將受體和配體分子處理為剛體有些算法可能對分子表面進行了軟化處理,搜索平動和轉(zhuǎn)動六維空間,同時利用簡單的分子表面幾何互補性打分,初步排除一些不合理結構;然后,用精細的能量打分對結構作進一步的評價并

11、排序;最后,對排序較靠前的結構進行能量優(yōu)化,允許氨基酸側鏈和骨架的運動。另外,如果在分子對接前能夠獲得任何關于結合位點的信息,那么可以在盡可能早的階段利用它來縮小構象搜索的范圍,提高結構的成功預測率。下面分別就這三個階段作簡要說明:北京工業(yè)大學工學碩士學位論文圖傳統(tǒng)的分子對接方法的三個階段?全空間搜索在不知道受體和配體分子任何結合位點信息的情況下模擬分子間的識別,首先就是要進行全空間的搜索。考慮到搜索的時間問題,目前【“、幾個僅有少數(shù)一些程序能夠作到這一點,如對接程序【,”、基于遺傳算法的程序叭冽和在快速傅立葉變換 ,算法基礎上建立起來的一些對接程序【,”。在等提出完成全局搜索的對接程序中,受

12、體和配體分子被投影到三維空間網(wǎng)格中,根據(jù)格子所處的位置表面還是內(nèi)部賦以整數(shù)值或,然后利用快速點乘的規(guī)則加速采樣。另外,采用遺傳算法進行構象搜索的方法也很多。和所發(fā)展的對接方法就屬于這一類。一”采用溶劑可接近表面來描述蛋白質(zhì)分子,其上標有法線矢量、曲率和氫鍵特性,以表面幾何匹配性為構象選擇壓力第章緒論來挑選近天然構象。一則采用分子勢能作為適應性函數(shù)淘汰或保留對接構象。打分排序經(jīng)過第一階段的構象搜索和初步打分后,一般會得到幾百或幾千個對接結構。為了進一步縮小預測結構的范圍,必須用更加精細、可靠的打分函數(shù)重新評價這些結構,盡可能地使近天然構象排在較靠前的位置。目前存在的打分方法大致可以分為兩類。一類

13、是基于知識的打分函數(shù),如殘基?殘基接觸能模型呻和原子一原子接觸能模型【”,這些模型都是從大量非同源蛋白質(zhì)復合物中獲得的統(tǒng)計性結果。其中,文獻中報道的殘基.殘基接觸勢模型是等人對抗原一抗體類復合物界面深入研究的結果,專門用于抗原與抗體相互作用與識別的研究。另一類是基于分子勢能的打分函數(shù),如分子間的靜電相互作用能、氫鍵相互作用能、去水化自由能和范德華相互作用能,四、【和鋤九均采用了這類方法。結構優(yōu)化結構優(yōu)化在蛋白質(zhì)與小分子的對接模擬中尤為重要。在這一階段,至少要將氨基酸殘基側鏈的柔性,有可能連同主鏈的柔性一同考慮。選擇一個恰當?shù)姆肿恿鍪潜匾?溶劑分子不必明確考慮,可將其產(chǎn)生的效果以能量項的形式

14、在結構優(yōu)化中予以考慮,如程序中則考慮了溶劑化效應。到目前為止,分子對接方法還不能成功地處理復合物形成中較大的構象變化,如蛋白質(zhì)分子域間類似于鉸鏈的運動,只能在一定程度上考慮蛋白質(zhì)分子的柔性。.分子表面的描述模型分子對接基本上模擬的是蛋白質(zhì)表面的相互作用,因此在進行全空間構象搜索之前的首要的問題就是如何描述蛋白質(zhì)的表面刖。對于蛋白質(zhì)表面的描述有很多分子模型,目前的方法主要有:北京工業(yè)大學工學碩士學位論文“表面點模型”在蛋白質(zhì)的表面以一定的密度根據(jù)計算量而定撒點,這些點帶有表面法線矢量,用來定義表面的互補性,如圖一所示:.。.、,、.一. :. 一?、?、./.、. ,。圖.表面點模型圖 矗 圖?

15、展示了復合物表面的一部分,可以用來計算表面匹配互補的程度,球心是靶分子上的一個點,匹配互補測試僅對球內(nèi)的探針點進行。代表探針分子,代表靶分子,是球的半徑,的值通常取作探針原子半徑與靶原子半徑之和的.倍。圖.是互補性的一個定義,。矢量是靶分子上表面點的法線矢量,矢量是探針分子上表面點的法線矢量,矢量是矢量的反響延長矢量。是與之間的夾角。如果小于一個給定的閾值,通常取。?。,那么就認為它們是互補匹配的。第章緒論圖互補性定義療鰣“立方格子模型”用立方體表達蛋白質(zhì)分子的表面和內(nèi)部,這是對用點來表達分子表面的進一步簡化。在這個模型中,一個點的位置用包含它的立方體中心的三個坐標來代替,這些等體積的立方體構

16、成了一個格子空間,但是這些點仍然具有其表面法線矢量。因此,在同一個立方體內(nèi)的點具有相同的坐標,但是仍可以被其上的表面法線所區(qū)分。在實際的操作過程中,選取的立方體的大小以平均包含個點為準。包含表面點的立方體被定義為表面立方體;不包含任意一個表面點,并且存在于蛋白質(zhì)分子表面內(nèi)部的立方體被定義為空間立方體?？臻g立方體用來計算兩個分子間交疊的數(shù)量。如下圖所示:圖探針和靶分子表面立方體的匹配 北京工業(yè)大學工學碩士學位論文圖.展示了探針和靶分子表面立方體的匹配示意圖。為了表達的清晰,將三維坐標系統(tǒng)中的立方體向平面映射成為平方形。探針表面立方體包含兩個表面點,靶分子表面立方體包含個表面點。箭頭代表了表面點的

17、法線。如果探針表面立方體按照圖中所示的矢量平移,那么它將與靶分子表面立方體重合。這樣,這兩個立方體的匹配數(shù)就可以通過下面的方法來確定:如果所有匹配的表面法線對滿足圖.的狀態(tài),那么匹配數(shù)是,這是可能的最大的匹配數(shù)。?露磊僦/ 、,、第章緒論物理模型過于簡單大多數(shù)蛋白質(zhì).蛋白質(zhì)對接算法中的打分函數(shù)都采用經(jīng)驗勢函數(shù),即把體系的總相互作用看作是組成該體系兩兩相互作用的總和原子與原子之間的相互作用又簡化為各種簡單相互作用,如鍵伸縮能、鍵角扭曲能、二面角扭曲能、范德華相互作用、靜電能等的累加。這種把一個多粒子體系量子力學水平上的相互作用,以原子對之間相互作用的和來表示的方法顯然是過于粗略了。同時,描述分子

18、表面的各種模型,如殘基一球模型【、立方格子模型【和表面點模型口”等還不足以表達蛋白質(zhì)分子內(nèi)部和外部的真實情況,對分子柔性的考慮都不夠充分。如何找到結合自由能曲面上的全局極小點通常認為生物分子的穩(wěn)定構象是自由能最低的構象。因此對接模擬的目的就是要找到與最低自由能相對應的構象,但尋找具有大量自由度體系的全局極小問題,目前還無法解決?？茖W家們正在努力解決這些問題。第一個問題關于物理模型改進,它的主要制約因素是計算能力,因為嚴格地說從本世紀年代發(fā)展起來的量子物理理論對描述多粒子體系是嚴格的,其后,年代發(fā)展的量子化學從頭計算方法以及密度泛函理論等,在處理分子體系時雖有一些近似,但物理模型還是合理的。只是

19、由于生物分子粒子數(shù)過多,計算能力不允許才不得不使用經(jīng)驗勢函數(shù)。隨著計算機計算能力的快速提高,使用復雜力場的可能性越來越大,物理模型也將會越來越真實。第二個關于極值搜索問題,它在目前仍是一個沒有解決的問題,但是對它的討論與改進是很多的。要根本解決這一問題,了解真實的發(fā)生在生物體中的事件也許是很重要的。盡管蛋白質(zhì)自由度很大,但在生物體中最終都形成了它的確定的天然態(tài),可以說多極值問題在活體中是解決了的。所以要確定蛋白質(zhì)的構象,應該研究蛋白質(zhì)的折疊過程,要把生物學的信息加到理論模擬中去?；谥R的分子設計方法就是從這一點出發(fā)的。在解決對接問題上涉及到兩個方面】:有效的搜索程序,包含相關的構象北京工業(yè)大

20、學工學碩士學位論文空間;好的打分函數(shù),可以有效的區(qū)分近天然構象與非近天然構象。目前各種分子對接方法在研究配體一受體相互作用與識別時,要想得到一個好的對接模式,必須盡可能的包含這兩個方面。本論文主要內(nèi)容分為三章。第章介紹了分子對接方法的理論機制以及各種對接軟件的應用;第章用本小組在和的剛性對接算法基礎上改進的半柔性對接算法,并在程序中加上了范德華作用能項,從打分函數(shù)與分子動力學模擬兩方面進行了研究,并討論了如何有效地挑選對接采樣中的近天然構象。第章用等開發(fā)的軟件進行谷胱甘肽與腦灌注顯像劑“.的不同的異構體,.型和一型的對接模擬,以從分子水平和理論計算上探討二者的識別機制以及”“.的立體構型差異對

21、其滯留效應的影響。第章分子對接方法及應用第章分子對接方法及應用.分子對接的理論基礎與機制分子對接的最初思想起源于年前.的“鎖和鑰匙模型”,即“把鑰匙開一把鎖”。.認為,“鎖和鑰匙”互補識別的首要條件是它們在空間形狀上要互相匹配。當然分子對接比“鎖和鑰匙”模型要復雜的多。配體和受體的構象是變化的,而不是剛性的。受體和配體在對接過程中互相適應對方,從而達到更完美的匹配。分子對接和“鎖和鑰匙”模型的另一個不同之處是分子對接不僅要滿足空間形狀的匹配,還要滿足能量的匹配。受體和配體能否結合以及結合的強度最終是由形成此復合物過程的結合自由能的變化決定的。.配俸受體識別過程的相互作用力配體.受體識別過程中的

22、作用力可以分為兩種:強相互作用共價鍵和弱相互作用非共價鍵。共價鍵是指維持分子的基本結構,是分子中或分子間的原子之間結合的主要相互作用,決定著生物大分子的一級結構。非共價鍵是指分子間或基團間弱相互作用的總稱,在維持生物大分子的二級、三級、四級結構中以及在維持其功能活性中起著相當重要的作用,也是藥物與受體識別的重要識別方式。在通常情況下,非鍵相互作用包括【】:鹽鍵鹽鍵或稱離子鍵,它是正電荷與負電荷之間的一種靜電相互作用。吸引力與電荷電量的乘積。:成正比,與電荷質(zhì)點間的距離平方成反比,在溶液中此吸引力隨周圍介質(zhì)的介電常數(shù)增大而降低。在生理下,蛋白質(zhì)中的酸性氨基酸和的側鏈可解離成負離子,堿性氨基酸、缸

23、和的側鏈可離解成正離子。在多數(shù)情況下這些基團都分布在球狀蛋白質(zhì)分子表面,而與介質(zhì)水分子發(fā)生電荷.偶極之間的相互作用,形成排列有序的水化層,這對穩(wěn)定蛋白質(zhì)的構象有著一定的作用。鹽鍵的形成不僅是靜電吸北京工業(yè)大學工學碩士學位論文引而且也是熵增的過程。升高溫度時,由于對一項有利,因而增加鹽橋的穩(wěn)定性,此外,鹽鍵因加入非極性溶劑而加強,加入鹽類而減弱。氫鍵由電負性原子與氫形成的基團如?和?具有很大的偶極距,成鍵電子云分布偏向負電性大的重原子核,因此氫原子核周圍的電子分布就少,正電荷的氫核質(zhì)子就在外側裸露。這一正電荷氫核遇到另一個電負性強的原子核時,就產(chǎn)生靜電吸引,即所謂氫鍵。?一。這里、是電負性強的原

24、子、等,?是共價鍵,一了是氫鍵。是氫質(zhì)子供體,是氫質(zhì)子受體。判斷形成氫鍵的準則:原子與之間的距離小于.;與之間的角度大于。氫鍵在維持蛋白質(zhì)的結構中起著極其重要的作用?？梢栽诙嚯闹麈溕系聂驶鹾王０窔渲g形成氫鍵,也可以在側鏈與側鏈、側鏈與介質(zhì)水、主鏈肽基與側鏈或主鏈肽基與水之間形成。大多數(shù)蛋白質(zhì)所采取的折疊策略是使主鏈肽基之間形成最大數(shù)目的分子內(nèi)氫鍵如一螺旋,一折疊,與此同時保持大部分能成氫鍵的側鏈處于蛋白質(zhì)分子的表面將與水相互作用。范德華力范德華力包括三種較弱的作用力,即定向效應、誘導效應和分散效應。定向效應發(fā)生在極性分子或極性基團之間。它是永久偶極間的靜電相互作用,氫鍵可被認為屬于這種范德

25、華力。誘導效應發(fā)生在極性物質(zhì)與非極性物質(zhì)之間,這是永久偶極與由它誘導而來的誘導偶極之間的相互作用。分散效應是在多數(shù)情況下起主要作用的范德華力:它是非極性分子或基團間僅有的一種范德華力,也稱為分散力。這是瞬時偶極間的相互作用,偶極方向是瞬時變化的。瞬時偶極是由于所在分子或基團中電子電荷密度的波動即電子運動的不對稱性造成的。瞬時偶極可以誘導周圍的分子或基團產(chǎn)生誘導偶極,誘導偶極反過來又穩(wěn)定了原來的偶極,因此在它們之間產(chǎn)生了相互作用。范德華力是很弱的作用力,而且隨非共價鍵合原子或分子間距離的六次方第章分子對接方法及應用倒數(shù)即/而變化。當非共價鍵合原子或分子相互挨得太近時,由于電子云重疊,將產(chǎn)生范德華

26、力。實際上范德華力包括吸引力和排斥力兩種相互作用。因此范德華力吸引力只有當兩個非鍵合原子處于一定距離時才能達到最大,這個距離稱為接觸距離或范德華距離,它等于兩個原子的范德華半徑之和。雖然就其個別來說范德華力是很弱的,但是范德華相互作用數(shù)量大并且具有加和性,因此就成為一種不可忽視的作用力。疏水相互作用水介質(zhì)中球狀蛋白質(zhì)的折疊總是傾向于把疏水殘基埋藏在分子的內(nèi)部。這一現(xiàn)象被成為疏水相互作用或疏水效應。它在維持蛋白質(zhì)的三級結構方面占有突出的地位。疏水相互作用其實并不是疏水基團之間有什么吸引力的緣故,而是疏水基團或疏水側鏈出自于避開水的需要而被迫接近。當然,當疏水基團接近到等于范德華距離時,相互間將有

27、弱的范德華引力,但這不是主要的。蛋白質(zhì)溶液系統(tǒng)的熵增是疏水相互作用的主要動力。疏水相互作用是熵驅(qū)動的自發(fā)過程。就藥物和受體而言,它們的非極性部分在體液中均為水合狀態(tài),即被水分子所包圍,當藥物與受體接近到一定程度時,非極性部分周圍的水分子便被擠出去發(fā)生去水合現(xiàn)象,使置換出來的水分子成無序狀態(tài),因而體系的熵增加,焓變值減少,使兩個非極性區(qū)域間的接觸穩(wěn)定化,這種締合就是疏水相互作用的結果。.配體.受體相互作用的熱力學過程配體包括藥物與受體結合時,有共價相互作用如酶催化底物水解形成過渡態(tài)復合物、烷基化劑抗癌藥物.受體復合物等和非鍵相互作用兩種情形,其中藥物和受體結合時,非鍵相互作用比共價相互作用更為常

28、見,因為藥物利用非鍵相互作用與受體結合有利于藥物的代謝和排泄】。此外,非鍵相互作用可以用經(jīng)驗力場如、和等方法計算,而共價相互作用,牽涉到化學鍵的生成與斷裂,必須用量子化學方法計算【】。北京工業(yè)大學工學碩士學位論文本論文在此處著重討論藥物.受體非鍵相互作用,其它配體一受體相互作用以此類推。?孓哼圖?藥物受體相互作用的過程”“ 。圖.示意了藥物.受體相互作用的熱力學過程【”】。藥物與受體存在于體液環(huán)境中,與周圍的水分子存在溶劑化作用,水合焓分別為。,和。,。這時藥物小分子還沒有受到受體的束縛,藥物有平動轉(zhuǎn)動熵叢。和單鍵旋轉(zhuǎn)熵叢。當藥物一受體形成復合物時,藥物和受體要失去水合焓,同時,藥物還將失去平

29、動、轉(zhuǎn)動和單鍵旋轉(zhuǎn)熵,釋放出水分子,增加了水熵叢,和藥物?受體生成焓。因此,藥物.受體相互作用過程中,熵的變化如下:叢笛叢,一叢。一塒這里,昂表示水熵的變化,。表示振動熵,叢。表示藥物的平動轉(zhuǎn)動熵,。表示藥物的單鍵旋轉(zhuǎn)熵。該過程中,焓的變化如下:日珊一一 ?第章分子對接方法及應用這里,日表示藥物.受體復合物的生成焓,。,、。分別表示藥物與受體的水合焓。該過程中,自由能的變化如下式:一?由以上各式知,從熱力學的觀點來看,藥物一受體相互作用是一個綜合平衡的過程,并且藥物還必須取一定的構象,使其能“適應”受體結合部位的“空腔”形狀和構象變化。同時,為與藥物分子相結合,受體的構象也會發(fā)生相應的變化,這

30、就是所謂的“誘導契合”。.配體一受體識別作用中的立體化學因素配體仍以藥物為例一受體結合時,存在靜電相互作用、氫鍵相互作用、范德華相互作用和疏水相互作用,前三種作用控制藥物.受體結合,疏水作用是藥物.受體結合的驅(qū)動力,如疏水作用強,藥物和受體才能排除水分子,相互結合在一起。盡管藥物和受體均與體液形成氫鍵,兩者結合時,要打破這些氫鍵,但這部分氫鍵作用能被藥物.受體間形成的氫鍵補償】。因此,藥物分子與受體結合時,必須遵循以下互補匹配規(guī)則見圖?:幾何形狀互補匹配;靜電相互作用互補匹配正電荷對應負電荷;氫鍵相互作用互補匹配氫鍵供體對應氫鍵受體;疏水相互作用互補匹配疏水區(qū)對應疏水區(qū)。這些互補性質(zhì)往往可以用

31、分子的表面性質(zhì)來表示。生物大分子和藥物小分子的各種表面性質(zhì),可用分子模擬方法計算,如軟件【”中的模塊可計算分子的靜電、氫鍵和疏水性質(zhì),曲 軟件”中的模塊也可計算分子的靜電性質(zhì)。另外,、以及等也可以模擬配體.受體的相互作用。北京工業(yè)大學工學碩士學位論文尊相互怍用奠采櫥置怍甩?.圖藥物受體互補匹配不意圖口叩 ?綜上所述,配體.受體相互作用時須遵循以下互補匹配規(guī)則:幾何形狀互補匹配,原子緊密結合,使其具有較大的接觸面積;靜電相互作用互補匹配,正負電荷相對應;復合物界面包含盡可能多的氫鍵,鹽橋:疏水相互作用互補匹配:盡量避免在界面上出現(xiàn)沒有成對的極性基團。.分子對接與藥物設計分子對接在藥物設計中具有十

32、分重要的意義。在藥物分子產(chǎn)生藥效的過程中,藥物分子需要與靶酶相結合,首先就要求兩個分子能充分接近,并采取合適的取向,使兩者在必要的部位相互契合,發(fā)生相互作用,繼而通過適當?shù)臉嬒笳{(diào)整,得到一個穩(wěn)定的復合物構象。分子對接方法應用于藥物分子設計,主要是用來進行數(shù)據(jù)庫搜尋【。數(shù)據(jù)庫搜尋主要分為兩類:一類是基于藥效基團的數(shù)據(jù)庫搜尋,另一類是基于配體一受體分子對接的數(shù)據(jù)庫搜尋”。程序首先被用來在數(shù)據(jù)庫中搜尋出分子形狀與受體結合部位相匹配的化合物,作為先導化合物,進行新配體如酶抑制劑的設計工作。應用分子對接方法進行數(shù)據(jù)庫搜尋的關鍵在于對所選出的化合物進行評價,即打分第章分子對接方法及應用。打分較高的化合物可

33、作為先導化合物的候選物。程序最初用的打分規(guī)則較為簡單,用配體和受體的表面重疊程度。帥來判別分子對接的好壞,即?嘶氣一其中和氣分別為配體和受體原子的范德華半徑,。是原子間距離,求和遍及所有的受體和配體原子,上式僅考慮了分子的形狀匹配,沒有考慮分子的化學性質(zhì)匹配?！景l(fā)展的程序在進行分子基團與受體活性部位對接時,考慮了氫鍵相互作用和疏水相互作用,用經(jīng)驗規(guī)則決定相互作用的大小,氫鍵相互作用能為. /,疏水作用能為 /,其打分標準為:?/一廠口導。其中,醵口,是經(jīng)驗函數(shù),用于表征配體一受體對接時的氫鍵鍵長和鍵角偏離理想鍵長和鍵角的程度,。為配體與受體活性部位作用的疏水接觸表面積。緒論中所述的藥物.受體相

34、互作用互補匹配規(guī)則,是藥物研究中經(jīng)常提及的鎖匙機理】,也是各種藥物設計方法的基礎。當前分子設計的熱點主要集中在兩個方面,一方面是對具有明顯藥物功能的天然蛋白質(zhì)分子如胰島素、天花粉等加以改性,這與蛋白質(zhì)工程緊密相連;另一方面,主要是基于生物大分子結構知識的藥物設計。藥物的治療作用主要是通過藥物與受體的相互作用。在生物體中受體大多是生物大分子,象蛋白質(zhì)和核酸,而以蛋白質(zhì)居多。如果人們了解了受體蛋白的結構,就可以根據(jù)其結構來研究藥物是怎樣改變它的構象,進而產(chǎn)生治療作用。設想受體各種可能的藥物結構來模擬這種相互作用就有助于找到較好的藥北京工業(yè)大學工學碩士學位論文物。這是當前藥物篩選中的一個合理的和有效

35、的途徑。這種基于大分子結構的藥物設計,使得常規(guī)的藥物開發(fā)從較隨機的篩選,逐漸過渡到理性化,避免了過多的財力和時間的浪費和盲目性。目前已有很多生物大分子作為藥物設計的受體模型,并正在不斷的發(fā)展,大體情況如下:基于酶結構的藥物設計主要是設計特定酶的抑制劑或激動劑。這里酶就是受體,而它的抑制劑或激動劑就是要篩選的藥物。這方面的例子很多,如胸腺嘧啶核苷酸合成酶抑制劑、二氫葉酸還原酶抑制劑、羧肽酶抑制劑、胰蛋白酶抑制劑、凝血酶抑制劑等。蛋白酶類抑制劑的設計是當前的熱門,比如酪氨酸蛋白激酶,它在細胞增值、細胞轉(zhuǎn)化、代謝調(diào)控以及細胞通訊的許多方面都起著十分重要的作用,細胞表面酪氨酸激酶受體的失控信號與細胞內(nèi)

36、的酪氨酸激酶能導致炎癥和癌癥、粥樣硬化、銀屑病等多種疾病。它的抑制劑的設計可以發(fā)展一類有效藥物用于治療上述疾病。基于抗體結構的藥物設計與抗體相關的設計除人源化抗體外,新近還發(fā)展了抗體衍生的小分子藥物。經(jīng)仔細研究過的抗原一抗體相互作用表面,抗體分子與抗原分子互補決定區(qū)只涉及若干個殘基。這就意味著可以模擬互補決定區(qū)的殘基結構設計小的抗體結合肽。這種小肽應當具備抗體的活性。國際上一些科學家設計的具有十幾個殘基的這類肽都有抗原能力?；谥掳?、抑癌基因表達產(chǎn)物的藥物設計細胞表面受體在生命中具有重要作用。近年來已經(jīng)了解了幾個這樣的受體空間結構,如和生長因子?受體,根據(jù)這些受體設計調(diào)節(jié)劑抑制劑,就可調(diào)節(jié)細胞

37、功能,從而影響整個生物體。基于轉(zhuǎn)錄因子結構的藥物設計隨著對真核生物基因表達調(diào)控研究的深入和對空間結構測定數(shù)目的增加,很多轉(zhuǎn)錄因子的結構功能已經(jīng)了解,如鋅指、亮氨酸拉鏈、螺旋.環(huán).螺旋等。根據(jù)這些高分辨率的空間結構信息來設計藥物也提上了日程,國外一些科學家已經(jīng)設計與合成了一些小分子,使它第章分子對接方法及應用們與轉(zhuǎn)錄因子的重要表面區(qū)域互補。研究表明,這樣的分子可以專一地結合到轉(zhuǎn)錄因子表面,從而干擾該基因的活性,調(diào)節(jié)該基因的表達?；诖蠓肿咏Y構的藥物設計種類是很多的。原則上,只要是具有生物功能又已知結構的生物大分子,都可設計與之互補的小分子來調(diào)節(jié)它們的生物功能。.分子對接方法的分類根據(jù)不同的簡化程

38、度,分子對接方法大致可以分為三類:剛性對接剛性對接指在對接過程中,研究體系的構象不發(fā)生變化,其中比較有代表性的是和【”發(fā)展的分子對接算法。剛性對接適合考察比較大的體系,比如蛋白質(zhì).蛋白質(zhì)以及蛋白質(zhì)一核酸之間的對接,它的計算較為粗略,原理也相對簡單。半柔性對接半柔性對接指在對接過程中,研究體系尤其是配體的構象允許在一定范圍內(nèi)變化,其中比較有代表性的對接方法有等發(fā)展的軟件五以及等開發(fā)的軟件,”。半柔性對接方法適合于處理小分子和大分子之間的對接。在對接的過程中,小分子的構象一般是可以變化的,但大分子比如靶酶則是剛性的。由于小分子相對較小,因此在一定程度考察柔性的基礎上,還可以保持較高的計算效率。在藥

39、物設計中,尤其在基于分子對接的數(shù)據(jù)庫搜索中,一般采用半柔性的分子對接方法。柔性對接柔性對接指在對接過程中,研究體系的構象基本是可以自由變化的,其中比較有代表性的方法有公司發(fā)展的基于分子力學和分子動力學的分子對接方法【】。柔性對接方法一般用于精確考察分子之間的識別情況。由于在計算過程中體系的構象是可以變化的,因此柔性對接耗時較長。當然這只是一種簡單的分類方法,在很多分子對接程序方法中,實際上采用了多種處理方法。比如在發(fā)展的程序中,作者實際上把半柔性和柔性的分子對接方法進行了結合。北京工業(yè)大學工學碩士學位論文.分子對接中常用的模擬方法.分子動力學模擬方法分子動力學的基本思想是將微觀粒子視為服從牛頓

40、第二定律的經(jīng)典粒子,使用的基本假說是各態(tài)歷經(jīng)假說,即無限時間平均等于系綜平均或整個構型空間的積分。通過數(shù)值積分方法由各個粒子的瞬時受力情況求出它們的運動經(jīng)典軌跡。因而可用這種方法模擬生物大分子的構象和計算體系的熱力學性質(zhì)。對于對接問題,分子動力學方法同樣可以有效地預測分子可能的結合模式。將復合物系統(tǒng)作為一個整體,但是把探針的平動、內(nèi)部運動,以及受體的運動看成不動的動力學子系統(tǒng),并使它們與不同溫度的熱浴耦合,賦予它們不同的時間常數(shù)。這樣做的目的是可以通過溫度控制在高溫的條件下快速搜索某些自由度,同時,采用低溫熱浴來凍結那些我們不希望改變的自由度。在實驗室坐標下,系統(tǒng)的動能為:去%,是相對于實驗室

41、坐標的速度。在質(zhì)心坐標系下,速度為:%.,一礦?其中,礦.。/是質(zhì)心的運動速度。在實驗室坐標系下,系統(tǒng)的動能可以表示為:,%圭莩一圭軍丟彬式?中的兩項分別為內(nèi)部動能和質(zhì)心動能。為了允許大范圍的探索受體的表面,底物的平移溫度設置在較高的溫度范第章分子對接方法及應用圍內(nèi)肛,從而增加底物的動能,使它跨越高的勢壘,以找到能量更低的構象。底物內(nèi)部運動的溫度設為,以避免不合理的內(nèi)部結構的改變。分子動力學模擬一般分兩步進行,先進行能量優(yōu)化,然后緊跟著進行模擬退火。該方法可以為分子模擬提供許多幫助,如模擬新的同類化合物的能量最低的結構及其動力學軌跡。.蒙特卡洛方法在分子模擬的發(fā)展過程中,蒙特卡洛模擬方法起了很

42、重要的作用,它最先被用于分子體系的計算機模擬。蒙特卡洛方法的基本思想很簡單,是使用經(jīng)驗勢函數(shù)的隨機模擬方法,通過按照定的采樣方法不斷抽取體系構象,使其逐漸趨于熱力學平衡系綜。因為蒙特卡洛模擬是一個隨機或隨機采樣的過程,可以有多種表達法,習慣上,在分子對接中,蒙特卡洛模擬通常表達為重要性采樣或采樣法。該采樣法實際上是一種馬爾可夫鏈蒙特卡洛方法,它先給體系產(chǎn)生一個隨機的運動,緊接著依據(jù)玻爾茲曼概率來判斷是接受還是拋棄該運動。重要性采樣即昀方法】的描述如下:先隨機地選取一個初始狀態(tài)盯。由盯出發(fā),產(chǎn)生一個新的狀態(tài)盯。計算能量和仃。如果仃,新狀態(tài)的能量較低,因而作為“重要”狀態(tài),保留這個解。如果占叮,不

43、能簡單拋棄口,否則,就是忽略了熱運動的影響。這時兩個系統(tǒng)的玻爾茲曼因子的比值.,:“絲掣總是一個小于的數(shù),其中,七是】糊常數(shù),丁是絕對溫度。產(chǎn)生一個到之間的隨機數(shù),如果,保留盯:如果,就拋棄盯,仍用原來的盯。蒙特卡洛方法在分子對接中起著很重要的作用,很多常用的軟件程序采用北京工業(yè)大學工學碩士學位論文了蒙特卡洛方法,如,“、及【】。.模擬退火技術無論是使用分子動力學模擬方法還是蒙特卡洛方法進行生物大分子結構模擬,都會遇到多重極值問題,即:如何在眾多的局域極小中尋找相應于整體能量極小的構象。要實現(xiàn)這一點,首先體系要能夠克服局域高能勢壘,這樣就可以在更廣泛的構象空間進行,然后再引導搜尋向總體極小演化

44、。模擬退火技術可以有效地尋找分子的優(yōu)勢構象。其過程為:先使體系升溫,在高溫下進行分子動力學模擬,使分子體系有足夠的能量,克服柔性分子中存在的各種旋轉(zhuǎn)能壘和順反異構能壘,搜尋全部構象空間,在構象空間中選出一些能量相對極小的構象;然后逐漸降溫,再進行分子動力學模擬,此時較高的能壘已無法越過,在極小化后去除能量較高的構象,最后可以得到相應的能量最小的優(yōu)勢構象。此法優(yōu)點是它取舍構象使既考慮能量下降的變化,也考慮能量上升的構象,因此就有可能跳出局部勢阱,達到全局優(yōu)化。目前,用模擬退火算法得到高質(zhì)量近似解耗時較長,特別是當問題尺度增大時更為明顯。當前模擬退火技術已廣泛應用于生物大分子的模擬和分子對接中,對

45、.射線晶體衍射、等實驗方法得到的生物大分子結構進行修正。.遺傳算法遺傳算法的基本思想源自于達爾文的自然選擇和生物進化學說,是模擬了達爾文進化的大多數(shù)特性并應用了孟德爾遺傳規(guī)律。遺傳選擇和自然淘汰的生物進化過程,符合適者生存的自然規(guī)律,具有“生存檢測”的迭代過程的優(yōu)化算法。習慣上把年提出的稱為傳統(tǒng)的“。傳統(tǒng)的常常用一個二進制的線性數(shù)字串表示個體,若干個體構成一個種群第章分子對接方法及應用。先隨機產(chǎn)生初始種群,然后用“適應性函數(shù)”選擇優(yōu)良的個體,通過雜交和變異來繁衍它們的后代。得分高的個體被選中的可能性大一些,那些未選中的個體就自然消亡,留下來的個體和它們新產(chǎn)生的子代就形成了新的種群。經(jīng)過如此的迭

46、代,直到滿足了預設的終止標準,即最大迭代數(shù)或者能量評估最大值,迭代過程收斂,算法結束,得到總體得分較高的種群。在 .版本中,應用了改進的遺傳算法,使配體在空間中的狀態(tài)對應于基因型,與該狀態(tài)相應的原子坐標對應于表現(xiàn)型。其主要操作步驟九如下:?！跋葘⒚總€個體的基因圖形匹配評估型轉(zhuǎn)譯成其相應的表現(xiàn)型,緊接著對每個個體進行適應性編碼。遺傳算法在進行搜索之前,先將解空間的數(shù)據(jù)表示成基因型串結構數(shù)據(jù)。選擇其目的是為了從當前群體中選出優(yōu)良的個體,使它們有機會作為父代繁衍子孫,原則是適應性越強的個體繁衍子孫的概率越大。雜交通過雜交操作可以得到新一代個體,它們組合了父輩個體的特性。雜交體現(xiàn)了信息交換的思想。變異

47、首先在群體中隨機選擇一個個體,對于選中的個體以一定的概率隨機地改變串結構數(shù)據(jù)中的某個值。變異為新個體的產(chǎn)生提供了機會。定義一個精英參數(shù)來決定自動存活進入下精英選擇一代的優(yōu)秀個體數(shù)。遺傳算法的主要特點是直接對結構對象進行操作,不存在求導和函數(shù)連續(xù)性的限定;具有較好的全局尋優(yōu)能力;采用概率化的尋優(yōu)方法,能自動獲取和指導優(yōu)化的搜索空間,自適應地調(diào)整搜索方向,不需要確定的規(guī)則。作為一種全局優(yōu)化搜索算法,遺傳算法以其簡單通用、適于并行處理及高效、實用等顯著特點,在各個領域得到了廣泛應用,取得了良好的效果,并逐漸成為重要的北京工業(yè)大學工學碩士學位論文智能算法之一。目前,以上提及的分子模擬方法已被廣泛應用于

48、研究配體一受體相互作用及識別的機制的對接模擬中。隨著計算機科學與生物科學的發(fā)展,新的算法也會隨之產(chǎn)生。.幾種有代表性的分子對接軟件及方法分子對接的方法有很多,這里不可能一一介紹。下面主要介紹幾種應用較為廣泛的分子對接方法。實時圖形處理途徑不管是對配體.受體相互作用進行理論計算,還是根據(jù)生物大分子的結構進行新配體的設計,第一步總是將配體對接到受體的結合部位去,形成配體一受體復合物,這一過程稱為分子對接。在進行分子對接時,往往以已知配體一受體復合物的晶體結構為基礎,計算受體結合部位的各種表面性質(zhì)靜電、氫鍵和疏水勢等的分布,刪去原有的配體,計算用于分子對接配體的表面性質(zhì),然后根據(jù)上面所講的互補匹配規(guī)

49、則,將配體對接到受體的結合部位上去?，F(xiàn)有的圖形工作站如和分子模擬軟件如使得這一過程能夠進行。分子對接的目的有兩個:一是為進一步精確的理論計算如、/等計算提供了配體.受體復合物的初始構型;二是可以根據(jù)匹配情況,對配體進行結構修飾,提高配體與受體的親和性,如配體是多肽,可以改變肽鏈骨架,設計出非肽和類肽配體,以提高生物利用度,或?qū)⑷嵝耘潴w環(huán)化,以降低配體.受體結合時的熵損失見式.。實時圖形處理途徑在以結構為基礎的藥物設計中得到了廣泛的應用,并取得了成功,但現(xiàn)已被自動分子對接方法所替代。實時圖像處理途徑的優(yōu)點是能在計算機屏幕上形象直觀地顯示、操作分子間的相互作用過程。和擴”提出的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)剛性對接

50、算法用簡化“蛋白模型一個氨基酸殘基用一個球來表示來模擬分子的表面,采用系統(tǒng)格第章分子對接方法及應用點搜索法采樣構象空間,以幾何互補性為標準過濾掉不合理的構象。在打分函數(shù)中考慮了蛋白質(zhì)分子間的靜電和范德華相互作用。算法的最大優(yōu)點在于球極坐標系統(tǒng)的使用。在這種坐標系下,對已知受體或配體活性位點的識別預測,限制一兩個角度的搜索在一個較小的范圍內(nèi),這樣就在很大程度上減少了程序的運行時間。該算法的缺點在于幾何互補過濾標準并不足以在正確與錯誤的構象間作出區(qū)分,有可能漏選大量的近天然結構。詳細用法見第章。等九為了進行全新藥物設計研究,發(fā)展了自動分子對接程序,這一方法被廣泛地應用于基于受體結構的三維數(shù)據(jù)庫搜尋

51、,并取得了成功”。其基本方法如下:千圖受體分子表面球形表示的示意圖 如 分子表面的“空腔”可用“填充”在分子表面的球形來表示。每一個球與受體分子表面的一個點相切,即經(jīng)該點并與分子表面垂直的直線經(jīng)過球心,同時球體表面與分子表面的另一點相觸見圖.,然后根據(jù)一定的規(guī)則,使得覆蓋受體表面的球形數(shù)最少,同時每一個受體表面的原子僅保留一個球形與之對應,亦即保留那些審。的球形,這樣做的目的是摒棄那些受體表面淺的“溝槽”。另外,半徑大于.的球也不計入,目的是防止受體結合部位延伸北京工業(yè)大學工學碩士學位論文到溶劑中去。按這樣的方法,球形數(shù)聚集體最多的表面即為受體的結合部位配體分子表面可用類似的方法進行球形表示,所不同的是球形與分予的內(nèi)表面相切受體球形與其外表面相切,對于小分子配體,也可用以原子中,為球心,范德華半徑為半徑的球形代替上述球形表示?！奔瘓F匹配 。得到上述受體結合部位和配體表面的球形表示后,必須利用球形表示將