計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)在分子對(duì)接中的應(yīng)用

劉景陶　劉映雪

摘 要：計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)是針對(duì)藥物作用靶點(diǎn)和藥物分子的結(jié)構(gòu)、功能及與藥物作用方式，來(lái)設(shè)計(jì)作用專一、活性強(qiáng)、不良反應(yīng)少的新藥。藥物分子必須分布到受體生物大分子部位并與受體結(jié)合，才有可能發(fā)揮藥理作用。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)藥物分子與受體生物大分子結(jié)合的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點(diǎn)，是藥物設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)全新結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)化合物是藥物發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)。作為藥物設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，“分子對(duì)接”是基于受體分子結(jié)構(gòu)虛擬篩選的核心，是一種模擬小分子與生物大分子結(jié)合三維結(jié)構(gòu)及其結(jié)合強(qiáng)度的計(jì)算方法，通過(guò)分子對(duì)接（docking）的方法，確定小分子與受體的結(jié)合構(gòu)象，并評(píng)價(jià)其與受體的結(jié)合活性。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)；藥物設(shè)計(jì)；分子對(duì)接；應(yīng)用

1 藥物-受體相互作用機(jī)制

絕大多數(shù)藥物屬于結(jié)構(gòu)特異性藥物，它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)性、分子形狀和大小、立體化學(xué)配置、功能基的配置、電子分布以及同靶點(diǎn)結(jié)合的可能狀況等都對(duì)生物效應(yīng)有決定性影響，內(nèi)源性活性物質(zhì)或外源性小分子藥物作為特異性配體作用于機(jī)體內(nèi)的靶點(diǎn)，與靶點(diǎn)通過(guò)“鎖-鑰”機(jī)制相互作用，兩者之間須形狀互補(bǔ)，或通過(guò)各自變構(gòu)作用以適應(yīng)對(duì)方的構(gòu)象要求而契合，形成復(fù)合物，從而改變大分子的性質(zhì)，而引發(fā)一系列生物化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生生物活性。

2 分子對(duì)接

分子對(duì)接（molecular docking）就是將配體分子放置到受體大分子的活性位點(diǎn)中，預(yù)測(cè)小分子與受體結(jié)合構(gòu)象及作用能的過(guò)程，其目的是從小分子數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)合適的化合物作為受體大分子的配體。

3 藥物的結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系

藥物的結(jié)構(gòu)決定著化合物內(nèi)在性質(zhì)，藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系稱為構(gòu)效關(guān)系。構(gòu)效關(guān)系是為了獲得藥物的生物活性與其結(jié)構(gòu)間依賴關(guān)系的規(guī)律，以便能解析和認(rèn)識(shí)藥物的作用機(jī)制和作用方式，預(yù)測(cè)化合物的活性。藥物與靶點(diǎn)發(fā)生作用，產(chǎn)生生物活性的機(jī)制一般是藥物與機(jī)體內(nèi)生物分子之間發(fā)生某種反應(yīng)，或者是物理化學(xué)平衡的過(guò)程。

4 分子對(duì)接原理

分子對(duì)接的第一步是分子識(shí)別，要求分子間空間和能量有互補(bǔ)性?？臻g互補(bǔ)是按照Fisher提出的受體學(xué)說(shuō)，分子對(duì)接是指藥物與受體會(huì)發(fā)生類似鑰匙與鎖的識(shí)別關(guān)系，（lock and key principle），而且這種識(shí)別關(guān)系主要依賴兩者在空間形上的相互匹配?？臻g匹配是分子間發(fā)生相互作用的基礎(chǔ)，決定識(shí)別過(guò)程的選擇性，主要體現(xiàn)在小分子構(gòu)象及小分子在受體活性位點(diǎn)放置的算法；能量匹配是分子間保持穩(wěn)定結(jié)合的基礎(chǔ)，決定識(shí)別過(guò)程的結(jié)合能力，主要體現(xiàn)在運(yùn)用何種模式對(duì)受體與小分子之間的相互作用力進(jìn)行衡量（打分）。

5 通過(guò)分子模擬技術(shù)進(jìn)行分子對(duì)接

分子模擬（molecular modeling）是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬軟件，形象逼真地模仿實(shí)驗(yàn)，解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變化引起的新性質(zhì)；通過(guò)對(duì)分子形狀和方位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)操作，可觀察藥物與靶點(diǎn)的相互作用，判斷靶點(diǎn)分子可能的結(jié)合位點(diǎn)，還能對(duì)藥物分子進(jìn)行整修，提出改善藥物的藥效學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的改良方案。它的原理是利用計(jì)算機(jī)來(lái)構(gòu)造、顯示、分析和儲(chǔ)存復(fù)雜的分子模型，提供直觀的3D形象，觀察分子間的相互作用，分子對(duì)接的整個(gè)過(guò)程中，都是利用模擬軟件在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下進(jìn)行，分子模擬是實(shí)現(xiàn)分子對(duì)接的有效手段。

分子對(duì)接過(guò)程的基本步驟：（1）小分子構(gòu)象生成；（2）小分子在受體活性位點(diǎn)的位置，即找出空穴，定出表面；（3）調(diào)整受體位點(diǎn)或藥物的構(gòu)象；（4）受體與小分子之間相互作用力強(qiáng)弱的計(jì)算及評(píng)價(jià)，即計(jì)算對(duì)接時(shí)受體-藥物相互作用能量；（5）進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬；（6）復(fù)合物的全局最優(yōu)結(jié)合構(gòu)象。

在進(jìn)行模擬分子對(duì)接時(shí)，首先在配體蛋白質(zhì)上尋找填充受體分子結(jié)合位點(diǎn)。再將已知3D小分子數(shù)據(jù)庫(kù)中的每個(gè)化合物小分子投映到受體分子表面，并逐一放在靶標(biāo)分子的活性位點(diǎn)上，按照受體與配體形互補(bǔ)、性質(zhì)互補(bǔ)的原則，配體小分子與受體各自改變其構(gòu)象，以適應(yīng)對(duì)方的要求，尋找其合適的取向和構(gòu)象，使得配體與受體形狀互補(bǔ)、性質(zhì)互補(bǔ)為最佳匹配，從而達(dá)到契合態(tài)。依據(jù)受體表面的這些結(jié)合點(diǎn)與配體分子的距離匹配原則，計(jì)算預(yù)測(cè)其結(jié)合的模式和親和力，識(shí)別并預(yù)測(cè)受體-配體復(fù)合物結(jié)合構(gòu)象及結(jié)合能。最后按照與受體的結(jié)合能通過(guò)打分函數(shù)為小分子打分，評(píng)判配體與受體的結(jié)合程度，挑選出接近天然構(gòu)象的與受體親和力最佳的配體。對(duì)于與疾病相關(guān)的受體，按其結(jié)構(gòu)在三維小分子數(shù)據(jù)庫(kù)直接搜索可能的配體，在庫(kù)中所有分子均完成了對(duì)接計(jì)算之后，即可從中找出與靶標(biāo)分子結(jié)合的最佳分子。

在分子對(duì)接過(guò)程中，輸入大分子受體和數(shù)據(jù)庫(kù)中小分子（配體）的三維坐標(biāo)，對(duì)接程序預(yù)測(cè)出復(fù)合物的幾何坐標(biāo)。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子一般都很大，而且結(jié)合位點(diǎn)都有一個(gè)凹下去的表面，所以在對(duì)接過(guò)程中，蛋白質(zhì)大分子幾乎不發(fā)生變化；而配體小分子在對(duì)接過(guò)程中會(huì)有比較大的變化，一般對(duì)接程序通過(guò)二面角的旋轉(zhuǎn)來(lái)考察這種變化。無(wú)論是受體大分子還是配體小分子在結(jié)合過(guò)程中都會(huì)發(fā)生構(gòu)象變化，因此，如果同時(shí)考慮受體大分子和配體小分子的柔性勢(shì)必可以增加對(duì)接結(jié)果的準(zhǔn)確性，也有對(duì)接程序同時(shí)考慮了兩者的柔性。

6 分子對(duì)接前準(zhǔn)備

在分子對(duì)接前，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，包括靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)預(yù)處理和化合物數(shù)據(jù)庫(kù)的預(yù)處理。

6.1 靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)的預(yù)處理

生物大分子靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，如X射線結(jié)晶學(xué)和NMR測(cè)定。當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏，也可以通過(guò)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法如同源模建等得到。

6.2 小分子數(shù)據(jù)庫(kù)的預(yù)處理

收集文獻(xiàn)上發(fā)表的小分子化合物結(jié)構(gòu)的信息，組成二維（2D）小分子數(shù)據(jù)庫(kù)。將二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為三維結(jié)構(gòu)并加上相應(yīng)的小分子電荷，還需要進(jìn)行類藥性分析，以去掉一些類藥性差分子。如果化合物結(jié)構(gòu)太多，還可進(jìn)行多樣性分析。

6.3 打分

依靠精確的打分函數(shù)（scoring function）來(lái)評(píng)判配體分子和受體結(jié)合能力的強(qiáng)弱，即先對(duì)同一個(gè)分子的不同結(jié)合構(gòu)象，評(píng)價(jià)各構(gòu)象的結(jié)合好壞；再對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中不同分子的最好結(jié)合構(gòu)象進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)打分的結(jié)果挑選化合物（打分比較高的分子），進(jìn)行類藥性評(píng)價(jià)，選擇化合物進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

通過(guò)計(jì)算機(jī)的模擬技術(shù)，進(jìn)行虛擬篩選與分子對(duì)接，從而揭示藥物與機(jī)體靶標(biāo)的作用機(jī)制，探索藥物靶點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)，最終目標(biāo)是設(shè)計(jì)具有預(yù)期性質(zhì)的新物質(zhì)，即具有顯著生物活性的藥物分子。也就是通過(guò)分子對(duì)接確認(rèn)所有可能與藥物小分子作用的蛋白質(zhì)，篩選出與該疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)，然后研究藥物與該蛋白質(zhì)具體的作用機(jī)理，從而揭示化合物結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系（Structure-Aactivity Relationship，SAR），并獲得RAR模型，因此，分子對(duì)接主要用于解釋分子作用機(jī)制、進(jìn)行基于受體的虛擬篩選發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物；對(duì)藥物作用靶點(diǎn)的預(yù)測(cè)發(fā)揮重要作用，是進(jìn)行合理藥物設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

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