藥物設(shè)計學(xué)第五章藥物發(fā)現(xiàn)的虛擬篩選方法

1、第五章第五章 藥物發(fā)現(xiàn)的虛擬篩選方法藥物發(fā)現(xiàn)的虛擬篩選方法化學(xué)信息學(xué)化學(xué)信息學(xué)生物信息學(xué)生物信息學(xué)虛擬篩選虛擬篩選先導(dǎo)物先導(dǎo)物化學(xué)生物學(xué)化學(xué)生物學(xué)候選藥物候選藥物靶點(diǎn)大分子靶點(diǎn)大分子第一節(jié)第一節(jié) 概述概述虛擬篩選：針對重要疾病特定靶標(biāo)生物大分子的三維結(jié)構(gòu)或虛擬篩選：針對重要疾病特定靶標(biāo)生物大分子的三維結(jié)構(gòu)或定量構(gòu)效關(guān)系定量構(gòu)效關(guān)系(qsar)(qsar)模型，從現(xiàn)有小分子數(shù)據(jù)庫中，搜尋與模型，從現(xiàn)有小分子數(shù)據(jù)庫中，搜尋與靶標(biāo)生物大分子結(jié)合或符合靶標(biāo)生物大分子結(jié)合或符合qsar qsar 模型的化合物，進(jìn)行實(shí)驗?zāi)Ｐ偷幕衔?，進(jìn)行實(shí)驗篩選研究。篩選研究。虛擬篩選流程虛擬篩選流程基于分子對接虛擬篩選

2、流程基于分子對接虛擬篩選流程sarssars爆發(fā)，從現(xiàn)有藥物中快速篩選，老藥，安全，直接進(jìn)臨爆發(fā)，從現(xiàn)有藥物中快速篩選，老藥，安全，直接進(jìn)臨床。床。sarssars冠狀病毒冠狀病毒(sars-cov)(sars-cov)蛋白水解酶蛋白水解酶(mpro)(mpro)的同源蛋白模擬的同源蛋白模擬結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)；虛擬篩選現(xiàn)有藥物庫虛擬篩選現(xiàn)有藥物庫mdl/cmc(http:/ mpro sars-cov mpro 的抑的抑制劑；制劑；(a) (a) 肉桂硫胺的化學(xué)結(jié)構(gòu)；肉桂硫胺的化學(xué)結(jié)構(gòu)；(b) (b) 肉桂硫胺與肉桂硫胺與sars-cov mprosars-cov mpro活性位點(diǎn)的作用方式活性位點(diǎn)的

3、作用方式（綠線：（綠線：-nh-nh 或或-ch-ch 氫鍵相互作用；紅線：氫鍵相互作用；紅線：-ch-ch o o 氫鍵相互作用；藍(lán)線：氫鍵相互作用；藍(lán)線：c145 c145 的巰基的巰基(-sh)(-sh)與肉桂硫胺的與肉桂硫胺的c=c c=c 雙鍵作用雙鍵作用酶水平抑制活性酶水平抑制活性ic50 ic50 為為5.0m5.0m，能抑制病毒顆粒，能抑制病毒顆粒的復(fù)制；的復(fù)制；細(xì)胞水平抑制細(xì)胞水平抑制sars-cov sars-cov 的的活性為活性為31m31m；是冠狀病毒；是冠狀病毒mpro mpro 的專一性抑制劑。的專一性抑制劑。第二節(jié)第二節(jié) 化學(xué)信息處理化學(xué)信息處理一、化學(xué)信息的表

4、示方法一、化學(xué)信息的表示方法1 1、一維結(jié)構(gòu)表示、一維結(jié)構(gòu)表示smilessmiles編碼的立體化學(xué)信息表示編碼的立體化學(xué)信息表示第二節(jié)第二節(jié) 化學(xué)信息處理化學(xué)信息處理一、化學(xué)信息的表示方法一、化學(xué)信息的表示方法2 2、二維結(jié)構(gòu)表示、二維結(jié)構(gòu)表示用圖表示苯丙氨酸的結(jié)構(gòu)用圖表示苯丙氨酸的結(jié)構(gòu)（1 1）圖論基礎(chǔ)和圖的矩陣表示）圖論基礎(chǔ)和圖的矩陣表示第二節(jié)第二節(jié) 化學(xué)信息處理化學(xué)信息處理一、化學(xué)信息的表示方法一、化學(xué)信息的表示方法2 2、二維結(jié)構(gòu)表示、二維結(jié)構(gòu)表示乙醛的鄰接矩陣表示和矩陣簡化步驟乙醛的鄰接矩陣表示和矩陣簡化步驟（2 2）化合物結(jié)構(gòu)的矩陣表示）化合物結(jié)構(gòu)的矩陣表示兩個原子間有鍵相兩個原

5、子間有鍵相連，矩陣元素為連，矩陣元素為1 1第二節(jié)第二節(jié) 化學(xué)信息處理化學(xué)信息處理一、化學(xué)信息的表示方法一、化學(xué)信息的表示方法3 3、三維結(jié)構(gòu)表示三維結(jié)構(gòu)表示甲烷立體結(jié)構(gòu)的笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)甲烷立體結(jié)構(gòu)的笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)原子坐標(biāo)隨坐標(biāo)原點(diǎn)、原子坐標(biāo)隨坐標(biāo)原點(diǎn)、分子的擺放位置而變分子的擺放位置而變1 1，2-2-二氯乙烷的內(nèi)坐標(biāo)系統(tǒng)二氯乙烷的內(nèi)坐標(biāo)系統(tǒng)描述分子中原子描述分子中原子和鍵的相對位置和鍵的相對位置第二節(jié)第二節(jié) 化學(xué)信息處理化學(xué)信息處理一、化學(xué)信息的表示方法一、化學(xué)信息的表示方法常見的分子存儲格式常見的分子存儲格式（1 1）molmol格式文件格式文件（2 2）sdfsdf格式文件格式文件第二

6、節(jié)第二節(jié) 化學(xué)信息處理化學(xué)信息處理二、化合物數(shù)據(jù)庫的生成二、化合物數(shù)據(jù)庫的生成isisisis信息管理系統(tǒng)信息管理系統(tǒng)化學(xué)信息管理系統(tǒng)（化學(xué)信息管理系統(tǒng)（isis/hostisis/host）化學(xué)信息生成和管理軟件（化學(xué)信息生成和管理軟件（isis/baseisis/base）化學(xué)繪圖軟件（化學(xué)繪圖軟件（isis/drawisis/draw）第二節(jié)第二節(jié) 化學(xué)信息處理化學(xué)信息處理二、化合物數(shù)據(jù)庫的生成二、化合物數(shù)據(jù)庫的生成1 1、化合物數(shù)據(jù)庫的生成、化合物數(shù)據(jù)庫的生成2 2、三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫19871987年出現(xiàn)年出現(xiàn)concordconcord程序，第一個能把二維連接表轉(zhuǎn)換成三

7、維坐程序，第一個能把二維連接表轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)標(biāo), ,擺脫了三維結(jié)構(gòu)信息的來源限制擺脫了三維結(jié)構(gòu)信息的來源限制, , 使任何擁有二維分子數(shù)據(jù)使任何擁有二維分子數(shù)據(jù)庫的實(shí)驗室和公司都可以建立自己的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。之后產(chǎn)庫的實(shí)驗室和公司都可以建立自己的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。之后產(chǎn)生生chem-xchem-x、cobracobra、corinacorina和和molgeomolgeo等一些三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換程序。等一些三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換程序。利用利用concordconcord程序得到的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫有：程序得到的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫有：fcd-3dfcd-3d、mddr-3dmddr-3d、cmc-3dcmc-3d、cas

8、rfcasrf、cast-3dcast-3d、pomona-92cpomona-92c目前，各大制藥公司和分子設(shè)計公司建立的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫有：目前，各大制藥公司和分子設(shè)計公司建立的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫有：acd-3dacd-3d、sybyl-3dbsybyl-3db、chem-3dbschem-3dbs、nci-3dnci-3d。劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（csdcsd）：小分子晶體結(jié)構(gòu)）：小分子晶體結(jié)構(gòu)布魯克海文國家實(shí)驗室蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（布魯克海文國家實(shí)驗室蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（pdbpdb）：大分子晶體結(jié)構(gòu)）：大分子晶體結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的4 4個層次：個層次：一級結(jié)構(gòu)：組成蛋白質(zhì)的氨基酸序列

9、；一級結(jié)構(gòu)：組成蛋白質(zhì)的氨基酸序列；二級結(jié)構(gòu)：骨架原子間的相互作用形成的局部結(jié)構(gòu)，二級結(jié)構(gòu)：骨架原子間的相互作用形成的局部結(jié)構(gòu)，如如alphaalpha螺旋，螺旋，betabeta片層和片層和looploop區(qū)等；區(qū)等；三級結(jié)構(gòu)：二級結(jié)構(gòu)在更大范圍內(nèi)堆積形成的空間三級結(jié)構(gòu)：二級結(jié)構(gòu)在更大范圍內(nèi)堆積形成的空間結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)；四級結(jié)構(gòu)：主要描述不同亞基之間的相互作用。四級結(jié)構(gòu)：主要描述不同亞基之間的相互作用。 第三節(jié)第三節(jié) 生物信息處理生物信息處理一、序列分析一、序列分析1 1、單個序列分析、單個序列分析酪氨酸磷酸酶的蛋白質(zhì)序列酪氨酸磷酸酶的蛋白質(zhì)序列酪氨酸磷酸酶的二酪氨酸磷酸酶的二級結(jié)構(gòu)，其中級結(jié)構(gòu)

10、，其中h h 代代表螺旋，表螺旋，e e 代表折代表折疊，疊，b b表示表示橋，橋，g g表示表示310310螺旋，螺旋，i i表表示示螺旋，螺旋，t t表示氫表示氫鍵轉(zhuǎn)角，鍵轉(zhuǎn)角，s s代表轉(zhuǎn)向，代表轉(zhuǎn)向，圖圖7.17.1（c c）顯示的）顯示的是該。是該。 一、序列分析一、序列分析1 1、單個序列分析、單個序列分析2 2、雙重序列比較、雙重序列比較序列對比序列對比3 3、多重序列比較、多重序列比較序列對比序列對比鼠和小龍蝦的胰蛋白酶鼠和小龍蝦的胰蛋白酶mouseivggynceensvpyqvslns-gyhfcggslineqwvvsaghcyk-sriqvcrayfishivggtda

11、vlgefpyqlsfqetflgfsfhfcgasiynenyaitaghcvygddyenpsglqi*mouserlgehnievlegneqfinaakiirhpqydrktlnndimliklssravinarvstislptacrayfishvageldmsvnegseqtitvskiilhenfdydlldndisllklsgsltfnnnvapialpaq|-s-s-|mouseppatgtkclisgwgntassgadypdelqcldapvlsqakceasypg-kitsnmfcvgflecrayfishghtatgnvivtgwg-ttseggntpdvlqkvtvp

12、lvsdaecrddygadeifdsmicagvpe+*|-s-s-|mouseggkdscqgdsggpvvcng-qlqgvvswgdgcaqknkpgvytkvynyvkwikntiaancrayfishggkdscqgdsggplaasdtgstylagivswgygcarpgypgvytevsyhvdwikanav-數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫pdb5&/swiss-prot#n;pir#owlembltremblgenbank/y3s-i0:?9(v%6s:nprosite3r,b/_7p7i-k/uswiss-model!f)&f,#sw8)fswiss-3dimagedsspfsspscop

13、cath2z5o*;a6e-y&_pfam說明說明1j1e#f.q8u5蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)*s!i%h7*s7l)r6k蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫7a,.d6,h8q蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫非冗余蛋白質(zhì)序列核酸序列數(shù)據(jù)庫!embl的翻譯數(shù)據(jù)庫核酸序列數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)功能位點(diǎn):o*d4a-d/tt;p6l65m,s從序列模建結(jié)構(gòu)/s2k,&n,o1|三維結(jié)構(gòu)圖示蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)參數(shù)已知空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)家族蛋白質(zhì)分類數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)分類數(shù)據(jù)庫;e7nq#$h&r3?132r(b蛋白質(zhì)家族和結(jié)構(gòu)域y.t1s5bh!;d.i%a網(wǎng)址鏈接網(wǎng)址鏈接/pdb/spr

14、ot//6u;x/s8p2m4e;c*_7w)dhttp:/www.bioinf.man.ac.uk/dbbrowser/owl/57:c/q0e7lhttp:/www.embl-heidelberg.de//sprot/,l&e$a8g(p2i0c+whttp:/www.ncbi./genbank//prosite/9d41a8?8v;?/swissmod/swiss-model.html$3j+y#x%phttp:

15、//sw3d/http:/www.cmbi.kun.nl/gv/dssp/*6dd&stxhttp:/www.ebi.ac.uk/dali/fssp/fssp.htmlhttp:/scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/&r9s&e/v&y:lhttp:/www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath//二、蛋白質(zhì)折疊與三維結(jié)構(gòu)預(yù)測二、蛋白質(zhì)折疊與三維結(jié)構(gòu)預(yù)測從頭（從頭（ab initioab initio）預(yù)測法）預(yù)測法穿針引線穿針引線(threading)(threading)法法同源模建（同源

16、模建（homology modelinghomology modeling）法）法蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)信息蘊(yùn)涵于氨基酸序列中。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)信息蘊(yùn)涵于氨基酸序列中。蛋白質(zhì)預(yù)測工作的理論基礎(chǔ)：系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)通蛋白質(zhì)預(yù)測工作的理論基礎(chǔ)：系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)通常是能量最小的狀態(tài)常是能量最小的狀態(tài)酪氨酸磷酸酶的折疊結(jié)構(gòu)酪氨酸磷酸酶的折疊結(jié)構(gòu)1.1.尋找同源模板：分辨率，有否晶體尋找同源模板：分辨率，有否晶體x-x-射線射線衍射結(jié)構(gòu)，衍射結(jié)構(gòu)，blast scoreblast scoreg g蛋白偶聯(lián)受體（蛋白偶聯(lián)受體（gpcrgpcr）：牛視紫質(zhì)（）：牛視紫質(zhì)（pdbpdb）2.2.用用t-coffeet-c

17、offee計算計算, ,確定目標(biāo)和模板之間一確定目標(biāo)和模板之間一級序列氨基酸殘基間的對應(yīng)位置級序列氨基酸殘基間的對應(yīng)位置第四節(jié)第四節(jié) 虛擬篩選虛擬篩選三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫搜尋三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫搜尋 相應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)搜索軟件促進(jìn)了三維結(jié)構(gòu)搜索的發(fā)展相應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)搜索軟件促進(jìn)了三維結(jié)構(gòu)搜索的發(fā)展, ,使三維結(jié)構(gòu)搜索方法真正走向?qū)嵱?。使三維結(jié)構(gòu)搜索方法真正走向?qū)嵱?。輸入藥效團(tuán)結(jié)構(gòu)，在三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中搜索含有該藥效團(tuán)輸入藥效團(tuán)結(jié)構(gòu)，在三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中搜索含有該藥效團(tuán)的分子；的分子；搜索到的分子有可能具有藥效團(tuán)所對應(yīng)的某種生物活性，搜索到的分子有可能具有藥效團(tuán)所對應(yīng)的某種生物活性，它可以在實(shí)驗篩選之前為分子的生物活

18、性作可能性預(yù)報；它可以在實(shí)驗篩選之前為分子的生物活性作可能性預(yù)報；當(dāng)搜索結(jié)果中有一些分子，與已知活性的分子結(jié)構(gòu)不同，當(dāng)搜索結(jié)果中有一些分子，與已知活性的分子結(jié)構(gòu)不同，意味著可能發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)物。意味著可能發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)物。數(shù)據(jù)庫的分子是已經(jīng)存在的化合物，合成方法已知，甚至數(shù)據(jù)庫的分子是已經(jīng)存在的化合物，合成方法已知，甚至已成為商品，可直接購買較快地進(jìn)入生物測試階段，提高新已成為商品，可直接購買較快地進(jìn)入生物測試階段，提高新藥開發(fā)的效率。但化合物結(jié)構(gòu)全部來自藥開發(fā)的效率。但化合物結(jié)構(gòu)全部來自x x射線晶體衍射和中射線晶體衍射和中子衍射實(shí)驗，三維結(jié)構(gòu)搜索發(fā)展緩慢。子衍射實(shí)驗，三維結(jié)構(gòu)搜索發(fā)展緩慢。 基于配體的

19、數(shù)據(jù)庫搜尋方法：基于配體的數(shù)據(jù)庫搜尋方法： 根據(jù)藥效基團(tuán)根據(jù)藥效基團(tuán)（pharmacophorepharmacophore）模型進(jìn)行三維模型進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫搜尋。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫搜尋。hivproteaseinhibitorshh4.1-6.1 4.4-6.4 1.8-3.8 建立一系列活性分子的藥效構(gòu)象；建立一系列活性分子的藥效構(gòu)象；抽提出共有的藥效基團(tuán)；抽提出共有的藥效基團(tuán)；在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫中尋找符合藥效基在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫中尋找符合藥效基團(tuán)模型的化合物。團(tuán)模型的化合物。比較著名的軟件有：比較著名的軟件有：catalystcatalyst（應(yīng)用普遍）（應(yīng)用普遍）unityunity分子對接法（分子對

20、接法（dockingdocking）：）： 將小分子配體對接到受體的活性位點(diǎn)，搜尋其合理的取將小分子配體對接到受體的活性位點(diǎn)，搜尋其合理的取向和構(gòu)象，使得配體與受體的形狀和相互作用的匹配最佳。向和構(gòu)象，使得配體與受體的形狀和相互作用的匹配最佳。 在藥物設(shè)計中，分子對接方法主要用來從化合物數(shù)據(jù)庫在藥物設(shè)計中，分子對接方法主要用來從化合物數(shù)據(jù)庫中搜尋與受體生物大分子有較好親和力的小分子，從而發(fā)現(xiàn)中搜尋與受體生物大分子有較好親和力的小分子，從而發(fā)現(xiàn)全新的先導(dǎo)化合物。分子對接由于從整體上考慮配體與受體全新的先導(dǎo)化合物。分子對接由于從整體上考慮配體與受體的結(jié)合效果，所以能較好地避免其他方法中容易出現(xiàn)的局部的結(jié)合效果，所以能較好地避免其他方法中容易出現(xiàn)的局部作用較好，整體結(jié)合欠佳的情況。作用較好，整體結(jié)合欠佳的情況。目前具代表性的分子對接軟件：目前具代表性的分子對接軟件： dockdock、f1exx f1exx 和和 goldgo