合理藥物設(shè)計和虛擬篩選

1、 1.2 1.2 合理藥物設(shè)計和虛擬篩選合理藥物設(shè)計和虛擬篩選主講人主講人 黃霄黃霄v重點：重點：合理藥物設(shè)計思路；合理藥物設(shè)計思路； 分子對接。分子對接。v難點：難點：分子對接的合理藥物設(shè)計思路。分子對接的合理藥物設(shè)計思路。一一. .合理藥物設(shè)計（合理藥物設(shè)計（rational drug design)rational drug design)（一）概述（一）概述 定義定義：以分子病理學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)靶點的三：以分子病理學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)靶點的三維空間構(gòu)型，并參考內(nèi)源活性分子和外源活維空間構(gòu)型，并參考內(nèi)源活性分子和外源活性分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征設(shè)計出針對疾病的藥性分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征設(shè)計出針對疾病的藥物

2、。物。v優(yōu)點優(yōu)點：設(shè)計目的明確，設(shè)計出的分子更具合：設(shè)計目的明確，設(shè)計出的分子更具合理性，減少所篩選的化合物數(shù)量，縮短研究理性，減少所篩選的化合物數(shù)量，縮短研究開發(fā)周期。開發(fā)周期。v特點特點：起點是分子內(nèi)靶標；注重受體與配基：起點是分子內(nèi)靶標；注重受體與配基的形狀互補性的形狀互補性、性質(zhì)互補性性質(zhì)互補性、協(xié)調(diào)運動和溶協(xié)調(diào)運動和溶劑效應(yīng)。劑效應(yīng)。v依據(jù)依據(jù): :受體結(jié)構(gòu)已知，受體一級序列已知；受受體結(jié)構(gòu)已知，受體一級序列已知；受體結(jié)構(gòu)尚未闡明體結(jié)構(gòu)尚未闡明, ,知道一些配基的結(jié)構(gòu)知識。知道一些配基的結(jié)構(gòu)知識。v類型類型：基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計；基于機理的藥：基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計；基于機理的藥物設(shè)計。物

3、設(shè)計。（二）實例（二）實例 例例1：核苷酸尿嘧啶（核酸合成）核苷酸尿嘧啶（核酸合成）5-5-氟核苷氟核苷酸尿嘧啶（代謝拮抗劑）酸尿嘧啶（代謝拮抗劑）抗腫瘤藥抗腫瘤藥例例2 2：第一個被批準的：第一個被批準的HIV-1HIV-1蛋白酶藥物：蛋白酶藥物：SaquinavirSaquinavir（沙奎那韋（沙奎那韋 ）HIV-1PRHIV-1PR切斷切斷Tyr-ProTyr-Pro、PhePhe-Pro-Pro的酰胺鍵的酰胺鍵哺乳類動物哺乳類動物多肽內(nèi)切多肽內(nèi)切酶酶設(shè)計底物模擬物設(shè)計底物模擬物抑制劑所需抑制劑所需的最短長度的最短長度抑制劑中心帶抑制劑中心帶羥基的碳原子羥基的碳原子傾向于傾向于R R構(gòu)

4、型構(gòu)型Saquinavir Saquinavir K Ki i= =0.120.12nM nM 19951995年被年被FDAFDA批批準上市準上市HIV-1PRHIV-1PR切斷切斷Tyr-ProTyr-Pro、PhePhe-Pro-Pro的酰胺鍵的酰胺鍵HIV-1PRHIV-1PR切斷切斷Tyr-ProTyr-Pro、PhePhe-Pro-Pro的酰胺鍵的酰胺鍵HIV-1PRHIV-1PR切斷切斷Tyr-ProTyr-Pro、PhePhe-Pro-Pro的酰胺鍵的酰胺鍵HIV-1PRHIV-1PR哺乳類動物哺乳類動物多肽內(nèi)切多肽內(nèi)切酶酶切斷切斷Tyr-ProTyr-Pro、PhePhe-P

5、ro-Pro的酰胺鍵的酰胺鍵HIV-1PRHIV-1PR哺乳類動物哺乳類動物多肽內(nèi)切多肽內(nèi)切酶酶切斷切斷Tyr-ProTyr-Pro、PhePhe-Pro-Pro的酰胺鍵的酰胺鍵HIV-1PRHIV-1PR設(shè)計底物模擬物設(shè)計底物模擬物哺乳類動物哺乳類動物多肽內(nèi)切多肽內(nèi)切酶酶切斷切斷Tyr-ProTyr-Pro、PhePhe-Pro-Pro的酰胺鍵的酰胺鍵HIV-1PRHIV-1PR設(shè)計底物模擬物設(shè)計底物模擬物哺乳類動物哺乳類動物多肽內(nèi)切多肽內(nèi)切酶酶切斷切斷Tyr-ProTyr-Pro、PhePhe-Pro-Pro的酰胺鍵的酰胺鍵HIV-1PRHIV-1PR抑制劑所需抑制劑所需的最短長度的最短長

6、度設(shè)計底物模擬物設(shè)計底物模擬物哺乳類動物哺乳類動物多肽內(nèi)切多肽內(nèi)切酶酶切斷切斷Tyr-ProTyr-Pro、PhePhe-Pro-Pro的酰胺鍵的酰胺鍵HIV-1PRHIV-1PR抑制劑所需抑制劑所需的最短長度的最短長度設(shè)計底物模擬物設(shè)計底物模擬物哺乳類動物哺乳類動物多肽內(nèi)切多肽內(nèi)切酶酶切斷切斷Tyr-ProTyr-Pro、PhePhe-Pro-Pro的酰胺鍵的酰胺鍵HIV-1PRHIV-1PR哺乳類動物哺乳類動物多肽內(nèi)切多肽內(nèi)切酶酶HIV-1PRHIV-1PR哺乳類動物哺乳類動物多肽內(nèi)切多肽內(nèi)切酶酶HIV-1PRHIV-1PR哺乳類動物哺乳類動物多肽內(nèi)切多肽內(nèi)切酶酶HIV-1PRHIV-1P

7、R哺乳類動物哺乳類動物多肽內(nèi)切多肽內(nèi)切酶酶抑制劑中心帶抑制劑中心帶羥基的碳原子羥基的碳原子傾向于傾向于R R構(gòu)型構(gòu)型抑制劑所需抑制劑所需的最短長度的最短長度HIV-1PRHIV-1PR哺乳類動物哺乳類動物多肽內(nèi)切多肽內(nèi)切酶酶HIV-1PRHIV-1PR例例3 3：v伊馬替尼（伊馬替尼（ImatinibImatinib):):粒細胞染色體換位粒細胞染色體換位產(chǎn)生融合蛋白激酶產(chǎn)生融合蛋白激酶持續(xù)激活持續(xù)激活慢性粒細胞慢性粒細胞白血病。白血病。v伊馬替尼是融合激酶的小分子抑制劑。伊馬替尼是融合激酶的小分子抑制劑。伊馬替尼伊馬替尼絡(luò)氨酸激酶絡(luò)氨酸激酶絡(luò)氨酸激酶絡(luò)氨酸激酶二二. .虛擬篩選（虛擬篩選（v

8、irtual screening)virtual screening)（一）定義（一）定義：基于藥物設(shè)計理論，借助計算機：基于藥物設(shè)計理論，借助計算機技術(shù)和專業(yè)應(yīng)用軟件，從大量化合物中挑選技術(shù)和專業(yè)應(yīng)用軟件，從大量化合物中挑選出一些有苗頭的化合物，進行實驗活性評價出一些有苗頭的化合物，進行實驗活性評價的一種方法，其目的是從幾十乃至上百萬個的一種方法，其目的是從幾十乃至上百萬個分子中篩選出新的先導(dǎo)化合物。分子中篩選出新的先導(dǎo)化合物。（二）虛擬篩選流程（二）虛擬篩選流程（三）虛擬篩選方式一：分子對接（三）虛擬篩選方式一：分子對接1.原理原理：分子對接是基于兩個或多個分子之間：分子對接是基于兩個或多

9、個分子之間通過幾何匹配和能量匹配相互識別的過程，通過幾何匹配和能量匹配相互識別的過程，相互接近和定向后契合，形成穩(wěn)定復(fù)合物。相互接近和定向后契合，形成穩(wěn)定復(fù)合物。 Fisher EFisher E提出的提出的“鎖和鑰匙模型鎖和鑰匙模型”。即受體。即受體與配體的相互識別首要條件是空間結(jié)構(gòu)的匹配與配體的相互識別首要條件是空間結(jié)構(gòu)的匹配 配體配體 受體受體 復(fù)合物復(fù)合物 受體配體的鎖和鑰匙模型受體配體的鎖和鑰匙模型 2.優(yōu)點：優(yōu)點：對接由于從整體上考慮配體與受體的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

10、欠佳的情易出現(xiàn)的局部作用較好，整體結(jié)合欠佳的情況。況。Oh boy! What a perfect match 大量化合物（例如大量化合物（例如幾十至上百萬個化合物）幾十至上百萬個化合物）的的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫； 庫中的分子逐一與庫中的分子逐一與靶標分子進行靶標分子進行“對接對接（dockingdocking），尋找），尋找最佳最佳構(gòu)象構(gòu)象，計算計算其相互作用其相互作用力及結(jié)合能。力及結(jié)合能。 找出與靶標分子結(jié)合找出與靶標分子結(jié)合的最佳分子（前的最佳分子（前5050名或名或前前100100名）名） 3.3.對接過程對接過程對接問題：受體的結(jié)構(gòu)已知，設(shè)計可置于受體的連接對接問題：受體的

11、結(jié)構(gòu)已知，設(shè)計可置于受體的連接腔里，形成低內(nèi)能受體腔里，形成低內(nèi)能受體- -藥物復(fù)合物的小分子藥物。藥物復(fù)合物的小分子藥物。對接問題的限制對接問題的限制 ：迄今為止，采用：迄今為止，采用X-X-射線衍射結(jié)晶法或核射線衍射結(jié)晶法或核磁共振技術(shù)詳盡研究過的受體數(shù)量較少，大部分受體的三維磁共振技術(shù)詳盡研究過的受體數(shù)量較少，大部分受體的三維結(jié)構(gòu)不清楚。結(jié)構(gòu)不清楚。分 子分 子對接對接活性部位活性部位外周結(jié)合部位外周結(jié)合部位鏈鏈接接 -13.4 -19.0 -20.9 0.0新化合物新化合物4.4.實例實例例例1 1：乙酰膽堿酯酶抑制劑的設(shè)計乙酰膽堿酯酶抑制劑的設(shè)計例例2 2v多佐胺（商品名多佐胺（商品

12、名TrusoptTrusopt）是一種碳酸酐酶抑制劑。）是一種碳酸酐酶抑制劑。它是一種抗青光眼外用眼藥水。由默克公司研制的它是一種抗青光眼外用眼藥水。由默克公司研制的這種藥物，這種藥物，19951995年引入市場。年引入市場。 v數(shù)據(jù)庫十萬多個分子數(shù)據(jù)庫十萬多個分子 59045904個分子個分子初篩初篩與已知抑制劑與已知抑制劑相似性篩選相似性篩選100100個候個候選化合物選化合物FlexXFlexX對接篩選對接篩選1313個化合個化合物物生物活性測試生物活性測試7 7個化個化合物合物5.課堂思考題課堂思考題v日本山形大學(xué)和國立癌癥研究中心的聯(lián)合研日本山形大學(xué)和國立癌癥研究中心的聯(lián)合研究小組注意到，一種被稱為究小組注意到，一種被稱為JNKJNK的蛋白激酶的蛋白激酶對對于維持于維持“癌干細胞癌干細胞”的存活必不可少。以此的存活必不可少。以此為思路以分子對接的虛擬篩選方式設(shè)計新藥。為思路以分子對接的虛擬篩選方式設(shè)計新藥。靶點靶點研究結(jié)構(gòu)研究結(jié)構(gòu)確定活性部位確定活性部位靶點與藥物復(fù)靶點與藥物復(fù)合物的三維合物的三維結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)及理論計算及理論計算蛋白數(shù)據(jù)庫蛋白數(shù)據(jù)庫同同源源蛋蛋白白預(yù)預(yù)測測計計算算機機模模擬擬法法 新化合物新化合物活性測定活性測定先導(dǎo)化合物先導(dǎo)化合物確定活性部位確定活性部位參考文獻參考文獻v11畢開順畢開順. .藥學(xué)導(dǎo)論藥學(xué)導(dǎo)論M.M.第