第06講-基于配體的藥物設(shè)計(jì)

1、王遠(yuǎn)強(qiáng)王遠(yuǎn)強(qiáng)1思考題思考題2 簡(jiǎn)述三維定量構(gòu)效關(guān)系方法CoMFA和CoMSIA之間的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。 什么是藥效團(tuán)？如何運(yùn)用藥效團(tuán)模型進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)。2334 Hansch模型、Free-Wilson模型等方法并不能細(xì)致地反應(yīng)分子的三維結(jié)構(gòu)與生理活性之間的關(guān)系，因而又被稱作二維定量構(gòu)效關(guān)系（2D-QSAR）。 （1）對(duì)于一些新的不常見(jiàn)的取代基無(wú)法獲得合適的理化參數(shù)去描述； （2）對(duì)于藥物受體相互作用信息缺少相應(yīng)參數(shù)描述； （3）對(duì)于所得到的結(jié)果不能獲得直觀的圖形輸出，難以將描述符的意義和結(jié)構(gòu)修飾相聯(lián)系。 1980年前后人們開(kāi)始探討基于分子構(gòu)象的三維定量與其各類活性之間關(guān)系，這一類的QSAR方法被

2、稱為3D-QSAR。553D-QSAR 3D-QSAR是以配體和靶點(diǎn)的三維結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，根據(jù)分子的內(nèi)能變化和分子間相互作用的能量變化，將已知一系列藥物的理化參數(shù)和三維結(jié)構(gòu)參數(shù)與藥效擬合出定量關(guān)系，再以此關(guān)系預(yù)測(cè)新化合物的活性，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改造。 進(jìn)行3D-QSAR分析必須先推斷出配體的藥效構(gòu)象和藥效基團(tuán)，因此3D-QSAR與藥效團(tuán)模型是密不可分的。663D-QSAR 3D-QSAR實(shí)際上是QSAR與計(jì)算化學(xué)和分子圖形學(xué)相結(jié)合的研究方法，是研究藥物與受體間的相互作用、推測(cè)模擬受體圖像、建立藥物結(jié)構(gòu)活性關(guān)系，并進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)的有力工具。分子形狀分析 （Molecular Shape Analy

3、sis, MSA）計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)自動(dòng)評(píng)價(jià)方法（Computer Automated Structure Evaluation，CASE）假想受點(diǎn)點(diǎn)陣（Hypothetical Active Site Lattice，HASL）距離幾何法（Distance Geometry Methods, DGM）比較分子場(chǎng)分析方法（Comparative Molecular Field Analysis, CoMFA )比較分子相似性因子分析(Comparative Molecular Similarity Indices Analysis, CoMSIA)7分子形狀分析分子形狀分析 （Molecular Sh

4、ape Analysis, MSA）分子形狀分析法是Hopginger教授1980年提出的，屬于分子構(gòu)象分析與Hansch方法結(jié)合的產(chǎn)物。 該方法認(rèn)為柔性分子可以有很多構(gòu)象，而受體所能接受的構(gòu)象是有限的。因此分子的活性與該分子形狀對(duì)空腔的適應(yīng)能力有關(guān)。 MSA使用可以表達(dá)分子形狀的參數(shù)作為自變量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析求出QSAR方程。8分子形狀分析分子形狀分析 基本步驟基本步驟 但是，MSA給出的分子形狀參數(shù)很簡(jiǎn)單，常常不能區(qū)分藥物分子在形狀上的差別，且有些引入的參數(shù)物理意義不明確，屬于初級(jí)的3D-QSAR，因此MSA的使用受到很大的限制。9計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)自動(dòng)評(píng)價(jià)方法（Computer Automated

5、Structure Evaluation，CASE）是kolpman教授提出的。該方法以程序自動(dòng)地把分子分為若干個(gè)碎片，從有生物活性化合物中得到的碎片作為有活性的，無(wú)生物活性化合物得到的碎片則為無(wú)活性的，形成一個(gè)分子碎片的數(shù)據(jù)庫(kù)。然后用回歸法對(duì)碎片和生物活性進(jìn)行相關(guān)性分析，建立定量關(guān)系式，并以此對(duì)新化合物進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。10假想受點(diǎn)點(diǎn)陣（Hypothetical Active Site Lattice，HASL）該方法先計(jì)算出相似或不同類型配體構(gòu)象的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象，將最低能量的配體分子結(jié)構(gòu)置于一個(gè)規(guī)則正交的三維網(wǎng)格，由用戶指定一個(gè)理化性質(zhì)，比如疏水性或電荷密度等，加于三維網(wǎng)格中作為第四維，計(jì)算網(wǎng)格中點(diǎn)

6、陣的所有能量值，然后與每個(gè)分子的生物活性相關(guān)聯(lián)，得到假象的受體點(diǎn)陣模型。對(duì)某一分子而言，其對(duì)應(yīng)分子點(diǎn)陣與復(fù)合點(diǎn)陣所共享點(diǎn)的局部活性的加和，即為該分子的預(yù)測(cè)活性。11距離幾何法（距離幾何法（Distance Geometry Methods, DGM） 距離幾何法認(rèn)為，藥物與靶點(diǎn)相互作用是通過(guò)藥物的活性基團(tuán)和受體結(jié)合部位相應(yīng)的結(jié)合點(diǎn)直接作用實(shí)現(xiàn)的。 藥物的活性高低可以通過(guò)其活性基團(tuán)和受體結(jié)合點(diǎn)的結(jié)合能來(lái)衡量。 基本步驟： （1）定義分子中可能的作用位點(diǎn)； （2）計(jì)算分子的距離矩陣，用原子的距離矩陣得到分子作用位點(diǎn)的距離矩陣； （3）定義靶點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn)的分布，其相對(duì)位置 也用距離矩陣來(lái)表示； （4）

7、確定靶點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn)的分布，通過(guò)靶點(diǎn)和藥物的距離矩陣來(lái)確定最佳的結(jié)合模式及靶點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn)的空間分布。位點(diǎn)定義主觀性大計(jì)算繁瑣1212 1988年Cramer等提出的比較分子場(chǎng)分析方法（Comparative Molecular Field Analysis，CoMFA），是QSAR研究領(lǐng)域中的一個(gè)重大貢獻(xiàn)。該方法分析藥物分子周圍的作用勢(shì)場(chǎng)分布，把勢(shì)場(chǎng)與藥物分子的生物活性定量的聯(lián)系起來(lái)，用以推測(cè)靶點(diǎn)的某些性質(zhì)，并可依此建立其作用模型來(lái)設(shè)計(jì)新的化合物，定量的預(yù)測(cè)其活性強(qiáng)度。比較分子場(chǎng)分析方法比較分子場(chǎng)分析方法（Comparative Molecular Field Analysis，CoMFA）1313

8、基本假設(shè)： （1）在分子水平上，影響生物活性的相互作用通常是非共價(jià)力，而藥物的生物活性可通過(guò)分子周圍的力場(chǎng)來(lái)反應(yīng)。這種分子力場(chǎng)（立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)）體現(xiàn)在三維分子力場(chǎng)（立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)）體現(xiàn)在三維空間空間。 （2）一系列類似化合物以同一機(jī)制作用于同一受體,受體活性部位的分子場(chǎng)分布是確定的。1414 按照該方法的原理，如果一組結(jié)構(gòu)類似的化合物一組結(jié)構(gòu)類似的化合物以同樣的方式作用與同一個(gè)受體化合物，那么它們與受體分子之間的各種作用場(chǎng)應(yīng)該有一定的相似性，而其活性取決于每個(gè)化合物周圍分子場(chǎng)的差別。 分子藥理學(xué)研究表明，引起生物學(xué)效應(yīng)的藥物分子與受體的相互作用大多是一種可逆性的非鍵合作用，如范德華力范德華力、

9、靜電相互作用靜電相互作用、疏水作用疏水作用和氫鍵氫鍵等，并稱這些相互作用為場(chǎng)場(chǎng)，將這些非鍵合作用用分子的場(chǎng)來(lái)描述。 因此，在不了解受體三維結(jié)構(gòu)的情況下，研究這些藥物分子周圍的作用勢(shì)場(chǎng)的分布情況，作為化合物的結(jié)構(gòu)特征變量，用數(shù)學(xué)方法建立他們與化合物的生物活性之間關(guān)系的模型，用以推測(cè)受體的某些性質(zhì)，并可依據(jù)所建立的作用模型來(lái)設(shè)計(jì)新的化合物。定量的預(yù)測(cè)其活性強(qiáng)度。CoMFA原理原理1515Steric field Grid maps for CoMFA and field calculation method 1NatomsijCijijiQQED R1261NatomsijijvdwiijijAB

10、ERR1616CoMFA操作基本過(guò)程操作基本過(guò)程1 1、構(gòu)建分子，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化確定活性構(gòu)象、構(gòu)建分子，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化確定活性構(gòu)象( (藥效構(gòu)象藥效構(gòu)象) )。2 2、計(jì)算分子中的原子的電荷、計(jì)算分子中的原子的電荷。獲取原子凈電荷以便能計(jì)算分子的靜電力場(chǎng) 在有受體的晶體結(jié)構(gòu)和受體與小分子的作用位點(diǎn)清楚的情況下，采用分子對(duì)接的方法確定分子的活性構(gòu)象是目前比較普遍的活性構(gòu)象獲得方法。 17173、選擇合適的疊加規(guī)則疊加分子，這是選擇合適的疊加規(guī)則疊加分子，這是CoMFA的關(guān)鍵步驟的關(guān)鍵步驟 疊合一般分為骨架疊合骨架疊合和場(chǎng)疊合場(chǎng)疊合。對(duì)于結(jié)構(gòu)差異大的化合物，疊加規(guī)則的選取對(duì)于研究的結(jié)果有很大的影響。

11、骨架疊合有以下幾種規(guī)則可供選擇： 1）在了解作用機(jī)理的前提下，可以用已知的活性構(gòu)象作為模板，構(gòu)建其余分子的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行局部?jī)?yōu)化后與已知的活性構(gòu)象疊合。2）在活性構(gòu)象未知的情況下，用活性最高的分子低能構(gòu)象作為模板，構(gòu)建并局部?jī)?yōu)化其他分子的結(jié)構(gòu)，與模板分子進(jìn)行疊合。3）或者在活性構(gòu)象未知的情況下，可以用活性類似法（Active Analogue Approach，AAA）對(duì)分子進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)象搜索，找出其共同的構(gòu)象，從而確立活性構(gòu)象進(jìn)行疊合。18活性類似法（活性類似法（Active Analogue Approach，AAA） 活性類似法（AAA）又稱為共同模板假設(shè)（Common template h

12、ypothesis）或共同構(gòu)象假設(shè)（Common conformation hypothesis） 方法：從一系列配體中抽出關(guān)鍵特征，進(jìn)行各配體構(gòu)象的重疊，使每個(gè)配體盡可能處于低能構(gòu)象，同時(shí)盡可能讓關(guān)鍵特征重疊在一起。經(jīng)反復(fù)重疊，找到最佳的疊合構(gòu)象。 從這些重疊構(gòu)象的范德華表面，推測(cè)得到假設(shè)的同一受體結(jié)合位點(diǎn)作用所必須的結(jié)構(gòu)特征。194）如果分子的結(jié)構(gòu)差異較大時(shí)，骨架疊合方法不是理想的疊加法。可以采用場(chǎng)擬合（field fit）方法進(jìn)行疊合。首先計(jì)算出各個(gè)藥物分子的力場(chǎng)，經(jīng)3個(gè)平移自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度及某些扭角調(diào)整，然后使它們與模板（一般為活性最高的藥物）的力場(chǎng)差別最小。 5）用對(duì)接后的分子

13、集作為CoMFA中疊合分子集的做法，并與傳統(tǒng)的低能構(gòu)象疊合方法相比較，得到了較好的計(jì)算結(jié)果。 在實(shí)際的計(jì)算操作中，沒(méi)有哪種方法更加優(yōu)越的比較，究竟選取哪種疊合方式更加究竟選取哪種疊合方式更加有利于所研究的體系要視具有利于所研究的體系要視具體情況而定體情況而定 204、在疊合的分子周圍產(chǎn)生一個(gè)包容所有分子的矩形盒子，并劃分成規(guī)則排列的格點(diǎn)。用某種基團(tuán)或者小分子（H+，Csp3+，H2O，CH3等）作為探針，在網(wǎng)格中以一定的步長(zhǎng)移動(dòng)（0.42埃米），計(jì)算在每個(gè)點(diǎn)與每個(gè)化合物構(gòu)象式間的立體場(chǎng)能和靜電勢(shì)等。連同活性數(shù)據(jù)值，建立數(shù)據(jù)表。 常用的探針有：常用的探針有：Csp3+ 計(jì)算立體能和靜電能計(jì)算立體

14、能和靜電能H2O 計(jì)算疏水場(chǎng)和氫鍵計(jì)算疏水場(chǎng)和氫鍵CH3 計(jì)算計(jì)算van der Waals場(chǎng)場(chǎng)H+ 計(jì)算靜電場(chǎng)計(jì)算靜電場(chǎng)215、用PLS建立分子場(chǎng)與生物活性之間的關(guān)系，并用交叉驗(yàn)證來(lái)檢驗(yàn)PLS得到的模型的可靠性 由于格點(diǎn)數(shù)多，往往采集到2000個(gè)以上的力場(chǎng)值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)化合物樣本數(shù)，因?yàn)椴荒苡镁€性回歸（MLR）分析處理，而用偏最小二乘（PLS），以克服自變量數(shù)目超過(guò)因變量數(shù)目所帶來(lái)的問(wèn)題。PCA vectorsPLS vectorsConfidence volumes Of PC 22QSARequationPLSContourMapsPredictionsQSAR Table = SYBYL

15、 MSSBio2323CoMFA模型的預(yù)測(cè)能力評(píng)價(jià)由統(tǒng)計(jì)指標(biāo)press 和交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)確定。其中： 代表觀測(cè)值， 是計(jì)算值 press 越趨近于0，則模型的預(yù)測(cè)效果越好。 大于大于0.5 才表示此模型可以用于預(yù)測(cè)新的化合物的活性才表示此模型可以用于預(yù)測(cè)新的化合物的活性 2exp()predpressyyexpypredy221()predmeanpressQyy246.利用3D-QSAR模型預(yù)測(cè)新化合物的活性25257、用三維等勢(shì)線圖形（、用三維等勢(shì)線圖形（contour map）顯示）顯示QSAR模型，模型，顯示立體與靜電的有利與不利區(qū)域，根據(jù)此圖設(shè)計(jì)新的顯示立體與靜電的有利與不利區(qū)域，

16、根據(jù)此圖設(shè)計(jì)新的化合物，并預(yù)測(cè)其活性?；衔铮㈩A(yù)測(cè)其活性。 CoMFA可以用等值線圖的方式將各種場(chǎng)的分布用圖形直觀地表示出來(lái)。從圖上可以清楚地觀察到各種場(chǎng)分布強(qiáng)弱對(duì)化合物活性的影響，從而可以根據(jù)模型的指導(dǎo)和對(duì)實(shí)際情況的分析，對(duì)現(xiàn)有化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾和改造，設(shè)計(jì)新的分子結(jié)構(gòu)。 Electrostatic map indicating red contours around regions where high electron density (negative charge) is expected to increase activity, and blue contours repres

17、ent areas where low electron density (partial positive charge) is expected to increase activity.26 Steric map indicating areas where steric bulk is predicted to increase (green) or decrease (yellow) activity.27如何得到較好的CoMFA模型 提高交互檢驗(yàn)的q2的方法： 1. 改變化合物的疊合方式 2. 活性構(gòu)象的選擇 3. 改變化合物的空間取向 4. 調(diào)節(jié)格點(diǎn)大小 5. 選擇不同的探針原子

18、 消除空間取向?qū)2的影響的方法 1. 全取向全空間搜索法（AOS-APS） 2. 交互檢驗(yàn)的q2引導(dǎo)的區(qū)域選擇方法2828 CoMFA自問(wèn)世以來(lái)，由于其預(yù)測(cè)能力強(qiáng)，模型形象、直觀，已逐漸成為應(yīng)用最為廣泛的3D-QSAR方法。 它從微觀即從分子和原子的水平上揭示了藥物分子與受體相互作用的空間特征和在空間結(jié)合的理化性質(zhì)。 特點(diǎn)：將分子特征的表述、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和圖形顯示結(jié)合在一起，具有直觀和實(shí)用性。29CoMFA方法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)+ 3D visualization of important features+ Predictive power within scanned space+ Suitab

19、le to describe receptor-ligand interactions+ Good correlation within related set 此外，CoMFA僅考慮立體場(chǎng)和靜電場(chǎng) 所選用的分子勢(shì)能函數(shù)在某些格點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)顯著變化，出現(xiàn)異常數(shù)值，需要定義能量的截?cái)啵╟ut off）值，導(dǎo)致某些區(qū)域的分子場(chǎng)信息不能很好的表達(dá)。30CoMFA應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 用CoMFA方法分析了乙內(nèi)酰脲類化合物在(R,R)-N-3,5-二硝基苯甲酰基-1,2-二胺型手性固定相上拆分效果的因素，成功地解釋了影響這一類化合物拆分效果的原因。將CoMFA方法用于手性拆分的研究，不僅進(jìn)一步擴(kuò)充了CoM

20、FA方法的應(yīng)用，也為拆分機(jī)理的研究提供了新的有用的工具。 具有光學(xué)活性的乙內(nèi)酰脲類化合物及其衍生物具有抗癲癇病活性，是一種重要的藥物中間體，大量用于合成青霉素和頭孢菌類抗生素 NNOOR4R3*R1R2模板分子結(jié)構(gòu)圖示模板分子結(jié)構(gòu)圖示 以活性最高的化合物作為模板，用商業(yè)化軟件包BioMedCaChe對(duì)所有分子進(jìn)行低能構(gòu)象搜索并用AM1方法優(yōu)化后進(jìn)行疊合，疊合點(diǎn)為圖中標(biāo)有*的原子。進(jìn)行CoMFA計(jì)算時(shí)，隨機(jī)選取16個(gè)化合物作為預(yù)測(cè)集，用以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)能力，其余化合物作為訓(xùn)練集。將重迭好的分子置于一個(gè)正規(guī)三維網(wǎng)格中，格點(diǎn)間距離為0.2 nm。用探針計(jì)算分子在每個(gè)格點(diǎn)上的立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)，其閾值均采

21、用默認(rèn)值。最后用偏最小二乘法（PLS）對(duì)每個(gè)格點(diǎn)上的分子場(chǎng)進(jìn)行交叉驗(yàn)證，確定最佳主成分?jǐn)?shù)及交叉驗(yàn)證的回歸系數(shù) 最終的CoMFA模型的實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的相關(guān)關(guān)系如圖 5-芳基乙內(nèi)酰脲類分子拆分的實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值芳基乙內(nèi)酰脲類分子拆分的實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值 立體場(chǎng)等值線圖立體場(chǎng)等值線圖 靜電場(chǎng)等值線圖靜電場(chǎng)等值線圖 立體場(chǎng)圖示中綠色區(qū)域表示該區(qū)域增加取代基的體積有利于化合物的分離，而黃色區(qū)域表示增加取代基的體積不利于化合物的分離。靜電場(chǎng)圖中紅色區(qū)域表示增加取代基的負(fù)電性有利于提高化合物的分離效果，藍(lán)色區(qū)域則表示增加取代基的正電性對(duì)分離有利 3535CoMSIA簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 比較分子相似性指數(shù)分析法（Compar

22、ative molecular similarity indices analysis，CoMSIA） CoMSIA 是CoMFA的擴(kuò)展方法，同樣需要分子活性構(gòu)象的選擇、分子疊合、建立空間場(chǎng)范圍以及數(shù)據(jù)相關(guān)等過(guò)程，活性構(gòu)象的選擇、分子的疊合方式也同樣會(huì)顯著影響模型的預(yù)測(cè)能力。 3636不同之處：不同之處：CoMSIA在計(jì)算探針原子或基團(tuán)與分子之間的相互作用時(shí)采用了與距離相關(guān)的高斯函數(shù)形式。 采用高斯函數(shù)的形式，可以有效地避免在傳統(tǒng)CoMFA方法中由靜電場(chǎng)和立體場(chǎng)的函數(shù)形式所引起的缺陷。由于分子場(chǎng)能量在格點(diǎn)上的迅速衰減，不再需要定義能量的截?cái)嘀怠?,1( )nqrF Kprobe kikiqiA

23、je 37分子場(chǎng)采用5種不同的相似性場(chǎng)計(jì)算： 立體場(chǎng) 靜電場(chǎng) 疏水場(chǎng) 氫鍵給體場(chǎng) 疏水受體場(chǎng)由于力場(chǎng)考慮更全面，三維構(gòu)效模型更優(yōu)，在一般情況下，CoMSIA會(huì)得到更加滿意的3D-QSAR模型。選擇91個(gè)基于六氫吡啶結(jié)構(gòu)的CCR5抑制劑進(jìn)行構(gòu)效關(guān)系研究，采用了CoMFA和CoMSIA兩種分子場(chǎng)分析方法。 基于六氫吡啶結(jié)構(gòu)的CCR5抑制劑所有的分子在Sybyl分子模擬軟件包（Triops,Triops Inc.,USA）中搭建或通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的碎片庫(kù)組建而成。先用系統(tǒng)搜尋方法搜尋出化合物的最低能量構(gòu)象，然后在Triops力場(chǎng)中用共軛梯度最小化進(jìn)行優(yōu)化。在分子場(chǎng)分析中，分子的疊合規(guī)則是影響計(jì)算結(jié)果的重要因

24、素。在這里，采用了兩種疊合方法：1）骨架疊合。以生物活性最好的化合物為模板，通過(guò)最小二乘法疊合優(yōu)化其它分子公共骨架中的原子坐標(biāo)的均方根偏差（RMS），以得到最佳的疊合方式。2）場(chǎng)疊合。首先計(jì)算出活性最好的化合物的立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)，作為參考場(chǎng)，其它分子則在它們起始構(gòu)象的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，以盡可能地與模板分子場(chǎng)疊合 分別基于骨架疊合（左）和場(chǎng)疊合（右）兩種方式得到的疊合分子立體示意圖 表1采用兩種疊合方式時(shí)CoMFA和CoMSIA的計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目CoMFACoMSIA(ALL)CoMSIA(SEHA)CoMSIA(SEH)CoMSIA(SE)IIIIIIIIIIIIIIIqcv20.7260.7560.

25、7180.7080.7160.7210.7270.7200.6450.674標(biāo)準(zhǔn)偏差0.4550.4300.4660.4740.4780.4640.4540.4610.5180.497r20.8910.9180.8810.8850.8710.8990.8800.8790.8390.855F136.585186.34198.11101.809113.328118.069123.373121.60686.98995.589r2pred0.8780.8370.8800.8880.8780.8870.8720.8890.8910.877SEE0.2870.2500.3020.2970.3120.278

26、0.3010.3030.3490.331比例(%)立體場(chǎng)52.447.712.012.716.717.218.619.529.830.7靜電場(chǎng)47.652.333.632.439.840.348.848.970.269.3疏水場(chǎng)20.920.728.228.132.631.5氫鍵受體場(chǎng)13.412.915.314.5氫鍵給體場(chǎng)20.121.4I：骨架疊合 II：場(chǎng)疊合S:立體場(chǎng) E：靜電場(chǎng) H：疏水場(chǎng) A：氫鍵受體場(chǎng) D：氫鍵給體場(chǎng) ALL：上述五種分子場(chǎng) CoMFA法中立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)等勢(shì)圖 434344 When drug molecule interact with target, in

27、order to produce fine geometry match and energy match, they may use special conformation, that is “active conformation”. For a drug molecule, different groups have different influence on activity So, the conception of “Pharmacophore” is used.一、藥效團(tuán)模型概述一、藥效團(tuán)模型概述藥效團(tuán)（藥效團(tuán)（Pharmacophore model） 在藥物分子和靶點(diǎn)發(fā)生相

28、互作用時(shí)，藥物分子為了能和靶點(diǎn)產(chǎn)生好的幾何匹配和能量匹配，會(huì)采用特定的構(gòu)象模式，即活性構(gòu)象。454646 藥效團(tuán)藥效團(tuán)是指藥物活性分子中對(duì)活性起著重要作用的“藥效特征元素”及其空間排列形式。是藥效特征元素的集合, 保持化合物活性所需要的結(jié)構(gòu)特征。 藥效特征元素pharmacophoric feature elements活性化合物所共有的，對(duì)化合物的活性有重要影響的一組原子(團(tuán))。 藥效特征元素中的原子或官能團(tuán)可通過(guò)氫鍵、靜電作用、范德華作用和疏水鍵等與受體中受點(diǎn)發(fā)生結(jié)合。二、藥效團(tuán)特征元素 在早期的藥效團(tuán)模型中，藥效團(tuán)模型的提問(wèn)結(jié)構(gòu)中一般只包括一些具體的原子或原子團(tuán)，比如氮原子、羧基、苯環(huán)等

29、。 從藥物分子與受體相互作用的角度看，藥物分子中某個(gè)位置上并不一定必須包含某種特定原子或者原子團(tuán)才能產(chǎn)生必需的特征相互作用。 藥效特征元素特指一般化的化學(xué)功能結(jié)構(gòu)，比如氫鍵受體、氫鍵給體、疏水中心、芳環(huán)中心、正負(fù)電荷中心、排斥體積等。47(一) 氫鍵受體 氫鍵相互作用是配體與受體之間相互識(shí)別非常重要的相互作用，因此氫鍵特征在藥效團(tuán)模型中占有重要地位。氫鍵特征可以分為兩類：氫鍵給體和氫鍵受體。 廣義來(lái)講，任何帶有孤對(duì)電子的原子，如氮、氧、氟、硫等，都可以作為氫鍵受體。但過(guò)于寬泛的定義往往會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的命中結(jié)構(gòu)，從而降低搜索的選擇性。因此，在一般的藥效團(tuán)模型方法中(Discovery Studio,

30、 Catalyst)，僅僅只考慮藥物分子中最常見(jiàn)的氫鍵受體形式，包括： A sp 或sp2 雜化的氧原子； B與碳原子以雙鍵形式相連的硫原子； C與碳原子以雙鍵或三鍵相連的氮原子48(二) 氫鍵給體 氫鍵給體主要包括氫原子以及與之相連的氧原子和氮原子，一般有： A 非酸性羥基； B氨基； C次氨基，但不包括三氟甲基磺酰胺和四唑中的次氨基。49 需要特別指出的是，由于配體與受體之間的氫鍵相互作用一般具有明確的方向性，因此對(duì)于一個(gè)氫鍵給體或受體的描述，僅僅靠一個(gè)點(diǎn)是不夠的。在藥效團(tuán)模型軟件中(Discovery Studio, Catalyst)，一般都采用兩個(gè)點(diǎn)來(lái)描述氫鍵特征，一個(gè)點(diǎn)表示氫鍵特征

31、中重原子的空間位置，而另一個(gè)點(diǎn)表示氫鍵給體或受體的矢量方向。50氫鍵受體與氫鍵給體矢量方向示意圖氫鍵受體與氫鍵給體矢量方向示意圖(三) 疏水中心 疏水相互作用是配體與受體相互識(shí)別的重要作用方式。配體與受體上的疏水基團(tuán)總是傾向于形成緊密的疏水堆積作用，形成疏水性內(nèi)核。疏水基團(tuán)一般由非極性原子組成，有疏水相互的片段很多，如甲基、乙基、苯環(huán)等。疏水中心無(wú)需用矢量表示，只需要用一個(gè)點(diǎn)表示配體與受體形成疏水相互作用的部位就可以了。51(四) 芳環(huán)中心 芳環(huán)可以參與藥物分子和蛋白受體之間電子離域系統(tǒng)的 相互作用。芳環(huán)中心主要包括五元和六元芳環(huán)，如噻吩、苯環(huán)等。在藥效團(tuán)模型方法中，芳環(huán)需要由兩個(gè)參量來(lái)定義：

32、一個(gè)參量是芳環(huán)的空間位置，即芳環(huán)中所有原子的幾何中心；另一個(gè)參量是芳環(huán)平面矢量方向，一般用垂直于芳環(huán)平面的矢量來(lái)描述。52(五) 電荷中心 配體上的電荷中心是指配體上的帶電基團(tuán)，由于具有較多的部分電荷，這些基團(tuán)往往可以和受體形成鹽橋或較強(qiáng)的靜電吸引作用。電荷中心既可以是帶有電荷的原子，也可以是在生理PH下會(huì)發(fā)生電離的中性基團(tuán)。比如，在生理PH下，脂肪胺會(huì)質(zhì)子化形成正電荷中心，而羧基會(huì)去質(zhì)子化形成負(fù)電荷中心。此外，電子離域系統(tǒng)，如羧酸鹽、胍基、脒基等也可能形成電荷中心。 在藥效團(tuán)模型方法中，正負(fù)電荷中心都是由一個(gè)電荷中心點(diǎn)表示其所在位置，沒(méi)有方向性。 電荷中心可以分為兩類：正電荷中心和負(fù)電荷中心

33、。53 正電荷中心包括：A帶正電荷的原子；B伯、仲、叔脂肪胺中的氮原子；C氮-氮雙取代的脒基中的亞氨氮原子或三氮取代的胍基中的亞氨氮原子；54 負(fù)電荷中心包括：A帶負(fù)電的原子；B三氟甲基磺酰胺中的氮原子；C羧酸、亞磺酸或磷酸中羥基氧；D磷酸二酯和磷酸酯中羥基；E硫酸和磺酸中羥基氧；F磷酸單酯和磷酸中兩個(gè)羥基氧；G四唑中的氨基氮原子。55(六) 排斥體積 在藥效團(tuán)模型中，排斥體積也是一種重要的組成成分。與其余藥效特征不同，排斥體積并不是對(duì)應(yīng)于配體上特殊的原子或者基團(tuán)，而是基于配體分子的空間特征。在配體和受體相互作用時(shí)，在配體的某些取代位置上存在某些原子或原子團(tuán)可能會(huì)和受體產(chǎn)生不利的原子碰撞，這些

34、位置上的原子或原子團(tuán)占有的位置就構(gòu)成排斥體積。在排斥體積中存在原子或原子團(tuán)會(huì)大大降低化合物的活性。56（七）藥效特征的幾何約束（七）藥效特征的幾何約束 完整的藥效團(tuán)模型中除了必須包含藥效特征元素(如氫鍵給體、疏水中心、正電中心等)之外，還需要包括藥效特征元素之間的空間約束，這些約束是指各特征元素的位置約束，各特征元素之間的距離、角度、取向等。 常用的藥效團(tuán)模型方法中，藥效特征元素可以抽象為點(diǎn)(比如疏水中心、電荷中心)、線(比如氫鍵)、面(比如芳環(huán)平面)的形式出現(xiàn)。 特征元素或它們之間幾何關(guān)系的約束可以采用多種形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，如：位置約束可以是點(diǎn)的空間活動(dòng)范圍；距離限制可以是點(diǎn)點(diǎn)間的距離，或點(diǎn)到線的

35、距離；角度限制可以是三點(diǎn)的角度，直線與平面的角度，或者是平面與平面的角度等57585-HT6 受體拮抗劑藥效團(tuán)模型示意圖受體拮抗劑藥效團(tuán)模型示意圖三、藥效團(tuán)的構(gòu)建三、藥效團(tuán)的構(gòu)建 是在受體結(jié)構(gòu)未知或者在作用機(jī)制不明確的情況下，通過(guò)事先收集一系列活性小分子，進(jìn)行結(jié)構(gòu)-活性研究，并結(jié)合構(gòu)象分析、分子疊合等手段，得到一個(gè)基于這些配體分子的共同特征的藥效團(tuán)。該藥效團(tuán)可以反映這些化合物在三維結(jié)構(gòu)上一些共同的原子、基團(tuán)或化學(xué)功能結(jié)構(gòu)及其空間取向，這些特征往往對(duì)于配體的活性起著至關(guān)重要的作用。 受體結(jié)構(gòu)已知的情況下，分析受體的作用位點(diǎn)以及藥物分子和受體之間的相互作用模式，根據(jù)預(yù)測(cè)的復(fù)合物結(jié)構(gòu)或相互作用信息來(lái)

36、推知可能的藥效團(tuán)結(jié)構(gòu)，得到基于受體結(jié)構(gòu)的藥效團(tuán)。 5959A、基于配體的藥效團(tuán)、基于配體的藥效團(tuán) 基本步驟（一） 活性小分子的選取訓(xùn)練集分子的質(zhì)量高低直接決定著所得到藥效團(tuán)的準(zhǔn)確度。訓(xùn)練集分子的選取原則是：分子數(shù)目以 2-32 為宜；分子骨架需具備一定的差異性，從而能夠代表不同系列同系物的結(jié)構(gòu)特征；盡量選擇活性最強(qiáng)的化合物；選擇結(jié)構(gòu)剛性大的分子效果比柔性分子好。（二）小分子構(gòu)象分析在選擇好訓(xùn)練集分子之后，就需要對(duì)每個(gè)化合物進(jìn)行構(gòu)象分析，得到在某一能量范圍內(nèi)的低能構(gòu)象。對(duì)于每一個(gè)化合物分子，得到的構(gòu)象數(shù)目可能會(huì)有 10-255 個(gè)，與分子本身的柔性有關(guān)。（三）分子疊合及藥效團(tuán)的產(chǎn)生在疊合時(shí)，小分子的公共藥效特征元素往往作為分子間疊合的疊合點(diǎn)。用來(lái)建立藥效團(tuán)模型的分子需要和受體之間具有相似的作用機(jī)制，這樣才能保證所有分子具有相似的藥效模式。（四）藥