計算機輔助藥物設計在分子對接中的應用

劉景陶　劉映雪

摘 要：計算機輔助藥物設計的基本出發點是針對藥物作用靶點和藥物分子的結構、功能及與藥物作用方式，來設計作用專一、活性強、不良反應少的新藥。藥物分子必須分布到受體生物大分子部位并與受體結合，才有可能發揮藥理作用。準確預測藥物分子與受體生物大分子結合的復合物的結構和結合位點，是藥物設計中最重要的環節，發現全新結構的先導化合物是藥物發現的目標。作為藥物設計的核心技術，“分子對接”是基于受體分子結構虛擬篩選的核心，是一種模擬小分子與生物大分子結合三維結構及其結合強度的計算方法，通過分子對接（docking）的方法，確定小分子與受體的結合構象，并評價其與受體的結合活性。

關鍵詞：計算機輔助藥物設計；藥物設計；分子對接；應用

1 藥物-受體相互作用機制

絕大多數藥物屬于結構特異性藥物，它們的化學結構、化學反應性、分子形狀和大小、立體化學配置、功能基的配置、電子分布以及同靶點結合的可能狀況等都對生物效應有決定性影響，內源性活性物質或外源性小分子藥物作為特異性配體作用于機體內的靶點，與靶點通過“鎖-鑰”機制相互作用，兩者之間須形狀互補，或通過各自變構作用以適應對方的構象要求而契合，形成復合物，從而改變大分子的性質，而引發一系列生物化學反應，產生生物活性。

2 分子對接

分子對接（molecular docking）就是將配體分子放置到受體大分子的活性位點中，預測小分子與受體結合構象及作用能的過程，其目的是從小分子數據庫中發現合適的化合物作為受體大分子的配體。

3 藥物的結構與生物活性的關系

藥物的結構決定著化合物內在性質，藥物的化學結構與生物活性的關系稱為構效關系。構效關系是為了獲得藥物的生物活性與其結構間依賴關系的規律，以便能解析和認識藥物的作用機制和作用方式，預測化合物的活性。藥物與靶點發生作用，產生生物活性的機制一般是藥物與機體內生物分子之間發生某種反應，或者是物理化學平衡的過程。

4 分子對接原理

分子對接的第一步是分子識別，要求分子間空間和能量有互補性。空間互補是按照Fisher提出的受體學說，分子對接是指藥物與受體會發生類似鑰匙與鎖的識別關系，（lock and key principle），而且這種識別關系主要依賴兩者在空間形上的相互匹配。空間匹配是分子間發生相互作用的基礎，決定識別過程的選擇性，主要體現在小分子構象及小分子在受體活性位點放置的算法；能量匹配是分子間保持穩定結合的基礎，決定識別過程的結合能力，主要體現在運用何種模式對受體與小分子之間的相互作用力進行衡量（打分）。

5 通過分子模擬技術進行分子對接

分子模擬（molecular modeling）是通過計算機模擬軟件，形象逼真地模仿實驗，解釋實驗結果以及預測結構變化引起的新性質；通過對分子形狀和方位進行運動操作，可觀察藥物與靶點的相互作用，判斷靶點分子可能的結合位點，還能對藥物分子進行整修，提出改善藥物的藥效學和動力學性質的改良方案。它的原理是利用計算機來構造、顯示、分析和儲存復雜的分子模型，提供直觀的3D形象，觀察分子間的相互作用，分子對接的整個過程中，都是利用模擬軟件在計算機虛擬環境下進行，分子模擬是實現分子對接的有效手段。

分子對接過程的基本步驟：（1）小分子構象生成；（2）小分子在受體活性位點的位置，即找出空穴，定出表面；（3）調整受體位點或藥物的構象；（4）受體與小分子之間相互作用力強弱的計算及評價，即計算對接時受體-藥物相互作用能量；（5）進行分子動力學模擬；（6）復合物的全局最優結合構象。

在進行模擬分子對接時，首先在配體蛋白質上尋找填充受體分子結合位點。再將已知3D小分子數據庫中的每個化合物小分子投映到受體分子表面，并逐一放在靶標分子的活性位點上，按照受體與配體形互補、性質互補的原則，配體小分子與受體各自改變其構象，以適應對方的要求，尋找其合適的取向和構象，使得配體與受體形狀互補、性質互補為最佳匹配，從而達到契合態。依據受體表面的這些結合點與配體分子的距離匹配原則，計算預測其結合的模式和親和力，識別并預測受體-配體復合物結合構象及結合能。最后按照與受體的結合能通過打分函數為小分子打分，評判配體與受體的結合程度，挑選出接近天然構象的與受體親和力最佳的配體。對于與疾病相關的受體，按其結構在三維小分子數據庫直接搜索可能的配體，在庫中所有分子均完成了對接計算之后，即可從中找出與靶標分子結合的最佳分子。

在分子對接過程中，輸入大分子受體和數據庫中小分子（配體）的三維坐標，對接程序預測出復合物的幾何坐標。因為蛋白質分子一般都很大，而且結合位點都有一個凹下去的表面，所以在對接過程中，蛋白質大分子幾乎不發生變化；而配體小分子在對接過程中會有比較大的變化，一般對接程序通過二面角的旋轉來考察這種變化。無論是受體大分子還是配體小分子在結合過程中都會發生構象變化，因此，如果同時考慮受體大分子和配體小分子的柔性勢必可以增加對接結果的準確性，也有對接程序同時考慮了兩者的柔性。

6 分子對接前準備

在分子對接前，需要進行數據準備工作，包括靶點結構預處理和化合物數據庫的預處理。

6.1 靶點結構的預處理

生物大分子靶點結構主要由實驗方法測定，如X射線結晶學和NMR測定。當實驗數據缺乏，也可以通過蛋白質結構預測方法如同源模建等得到。

6.2 小分子數據庫的預處理

收集文獻上發表的小分子化合物結構的信息，組成二維（2D）小分子數據庫。將二維結構轉化為三維結構并加上相應的小分子電荷，還需要進行類藥性分析，以去掉一些類藥性差分子。如果化合物結構太多，還可進行多樣性分析。

6.3 打分

依靠精確的打分函數（scoring function）來評判配體分子和受體結合能力的強弱，即先對同一個分子的不同結合構象，評價各構象的結合好壞；再對數據庫中不同分子的最好結合構象進行評價。根據打分的結果挑選化合物（打分比較高的分子），進行類藥性評價，選擇化合物進行生物實驗測試。

通過計算機的模擬技術，進行虛擬篩選與分子對接，從而揭示藥物與機體靶標的作用機制，探索藥物靶點的空間結構，最終目標是設計具有預期性質的新物質，即具有顯著生物活性的藥物分子。也就是通過分子對接確認所有可能與藥物小分子作用的蛋白質，篩選出與該疾病相關的蛋白質，然后研究藥物與該蛋白質具體的作用機理，從而揭示化合物結構-活性關系（Structure-Aactivity Relationship，SAR），并獲得RAR模型，因此，分子對接主要用于解釋分子作用機制、進行基于受體的虛擬篩選發現先導化合物；對藥物作用靶點的預測發揮重要作用，是進行合理藥物設計的基礎。

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