第十一章基于靶点结构的药物分子设计
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• 代表性的活性位点分析方法的软件有GRID、MCSS和 HINT等相关程序。
GRID
• GRID程序由Goodford研究小组开发，其基本原理是将 靶点蛋白的活性部位划分为有规则的网格，应用分子力 场的方法计算探针分子（水分子或甲基等）在不同的格 点上与受体活性部位的相互作用能，以此解析探针分子 与靶点活性部位的相互作用情况，发现最佳作用位点。
折叠识别（fold recognition）
• 当目标蛋白质找不到已知结构的蛋白质作模板时，可 以采用蛋白质折叠识别方法进行三维结构预测。
• 折叠识别法就是总结出已知的蛋白质结构模式作为目 标蛋白质进行匹配的模式，然后经过现有的数据库的 观察，总结出可以区分正误结构的平均势函数作为判 别标准，来选择最佳的匹配方式。
活性位点的分析方法
• 通过探针来探测简单的分子或碎片如何能够与生物大 分子的活性位点很好地结合。用于分析的探针可以是 一些简单的分子或碎片，例如水或苯环作为探针，通 过分析它们与活性位点的相互作用情况，可以找到这 些分子或碎片在活性部位中的可能结合位置。
• 活性位点分析法通常不能直接产生完整的配体分子，但 它得到的有关靶点结合的信息对后面的全新药物设计和 分子对接等都有很好的指导意义。
序列比对
• 序列比对是同源模建的关键，大多数的序列比对方法 都是以目标蛋白质和模板蛋白质序列之间的相似性为 基础的，其准确性可以通过进行多序列比对得到提高。 目前常用的序列比对程序有FASTA和BLAST等。许多 药物设计软件公司也开发了同源模建法预测蛋白的软 件模块，如Tripos公司的Composer、Accelyrs公司的 Homology等。
• Adlington等应用MCSS对前列腺特异性免疫抗原 （PSA）的活性位点进行了详细分析，以此对已有的 PSA抑制剂进行结构优化，从而得到了迄今为止活性 最高的PSA抑制剂，其IC50为（226±10）nmol/L。
HINT
• HINT（hydrophobic interaction）是Kellogg等研究 的计算分子脂水分配系数及评价的程序，目前已商 业化并已有SYBYL和InsightⅡ下的版本。在SYBYL 最新版本中，HINT已作为一个正式模块推出，并能 够进一步计算和显示疏水场及两分子间的疏水相互 作用，并为CoMFA计算提供疏水场值。
• 蛋白质结构的测定速度却远远落后于基因组测序和氨 基酸序列的测定速度，无法满足蛋白组学及其相关的 学科需要。
同源模建的主要步骤 （1）目标序列与模板序列的比对； （2）根据同源蛋白的多重序列比对结果，确定同源蛋
白的结构保守区以及相应的框架结构； （3）目标蛋白质结构保守区的主链建模； （4）目标蛋白质结构变异区的主链建模； （5）侧链的安装和优化； （6）对模建结构进行优化和评估。
基于配体结构的药物设计
• 是从研究一系列药物分子对同一受体的活性出发， 比较它们的结构变化与生物活性之间的关系，找到 对该受体能发生结合并产生活性的最普遍的结构因 素，并根据此结构特征设计新的药物分子。
以靶点结构为主的药物设计可分为三大类
• 全新药物设计：根据靶点活性位点构建配体 • 分子对接：以靶点结构来搜寻配体 • 基于片段的药物设计：根据靶点活性位置来构建配
体片段
全新药物设计
靶点-配体复合物 晶体结构
结合位点 分析
配体设计 片段药物设计
配体合成
片段设计
配体设计
活性测试
数据库搜索 分子对接
购买少量 化合物
基于生物大分子靶点结构的药物设计方法
第一节 靶蛋白结构的预测
wk.baidu.com
• 蛋白质结构与功能研究已成为后基因组时代最具挑战 性的研究课题。
• 当前测定蛋白质结构的主要方法仍然是X-射线晶体学 方法和多维核磁共振技术。
第二节 分子对接与虚拟筛选
一、分子对接
• 分子对接（molecular docking）是通过研究小分子配 体与靶点生物大分子相互作用，预测其结合模式和亲 和力，进而实现基于结构的药物设计的一种重要方法。 根据配体与靶点作用的“锁钥原理”，分子对接可以 有效地确定与靶受体活性部位空间和电性特征互补匹 配的小分子化合物。
从头预测（de novo prediction）
• 蛋白质结构从头预测是一个尚未成熟的研究领域，但 发展潜力十分巨大。因为该方法不需要知道任何一个 目标序列的同源蛋白质，仅从蛋白质的一级结构预测 其高级结构，一旦从头预测的方法获得重大突破，将 有助于人们理解蛋白质折叠的过程，影响蛋白质结构 稳定性的因素等基本问题。
• 应用GRID程序研究流感病毒的重要靶点神经氨酸酶时， 以氨为探针分子搜寻神经氨酸酶结合位点时发现用胍基 取代抑制剂Neu5Ac2en的4-羟基，得到的化合物扎那米 韦（zanamivir）活性大为提高，现已作为抗A型感冒病 毒药物上市。
MCSS
• MCSS是Karplus课题组发展的一种活性位点分析方 法，其基本思路与GRID方法相似，但处理方式更为 细致、深入。例如GRID方法中仅考虑探针和蛋白质 的非键相互作用，而MCSS法进一步包括了探子分子 片段的构象能；GRID计算采用系统搜索法将探针分 子片段依次放在每个格点上，而MCSS法将探针分子 以多拷贝形式放置在活性口袋中，利用蒙特卡罗模拟 结合分子力学进行优化来寻找最佳作用位点。
3. 了解全新药物设计的常用方法、磁共振检测技术的分类 和原理；SAR-by-NMR的原理和应用；Tether和二次 Tether技术的原理；结晶筛选的研究流程。
基于靶点结构的药物设计
• 是指一般应用由X射线衍射、磁共振或分子模拟 （同源建模法等）提供的蛋白质结构信息，来辅助 设计具有生物活性的化合物的过程。
药物设计学
第十一章 基于靶点结构的
药物分子设计
【学习要求】
1. 掌握基于靶点结构的药物设计、全新药物设计、计算机 虚拟筛选、基于片段药物设计的基本概念。
2. 熟悉蛋白质三维结构预测法、分子对接方法及分类、基 于片段药物设计的基本思路、基于片段药物设计的优点； 片段筛选的主要检测技术；片段优化的常用方法。
GRID
• GRID程序由Goodford研究小组开发，其基本原理是将 靶点蛋白的活性部位划分为有规则的网格，应用分子力 场的方法计算探针分子（水分子或甲基等）在不同的格 点上与受体活性部位的相互作用能，以此解析探针分子 与靶点活性部位的相互作用情况，发现最佳作用位点。
折叠识别（fold recognition）
• 当目标蛋白质找不到已知结构的蛋白质作模板时，可 以采用蛋白质折叠识别方法进行三维结构预测。
• 折叠识别法就是总结出已知的蛋白质结构模式作为目 标蛋白质进行匹配的模式，然后经过现有的数据库的 观察，总结出可以区分正误结构的平均势函数作为判 别标准，来选择最佳的匹配方式。
活性位点的分析方法
• 通过探针来探测简单的分子或碎片如何能够与生物大 分子的活性位点很好地结合。用于分析的探针可以是 一些简单的分子或碎片，例如水或苯环作为探针，通 过分析它们与活性位点的相互作用情况，可以找到这 些分子或碎片在活性部位中的可能结合位置。
• 活性位点分析法通常不能直接产生完整的配体分子，但 它得到的有关靶点结合的信息对后面的全新药物设计和 分子对接等都有很好的指导意义。
序列比对
• 序列比对是同源模建的关键，大多数的序列比对方法 都是以目标蛋白质和模板蛋白质序列之间的相似性为 基础的，其准确性可以通过进行多序列比对得到提高。 目前常用的序列比对程序有FASTA和BLAST等。许多 药物设计软件公司也开发了同源模建法预测蛋白的软 件模块，如Tripos公司的Composer、Accelyrs公司的 Homology等。
• Adlington等应用MCSS对前列腺特异性免疫抗原 （PSA）的活性位点进行了详细分析，以此对已有的 PSA抑制剂进行结构优化，从而得到了迄今为止活性 最高的PSA抑制剂，其IC50为（226±10）nmol/L。
HINT
• HINT（hydrophobic interaction）是Kellogg等研究 的计算分子脂水分配系数及评价的程序，目前已商 业化并已有SYBYL和InsightⅡ下的版本。在SYBYL 最新版本中，HINT已作为一个正式模块推出，并能 够进一步计算和显示疏水场及两分子间的疏水相互 作用，并为CoMFA计算提供疏水场值。
• 蛋白质结构的测定速度却远远落后于基因组测序和氨 基酸序列的测定速度，无法满足蛋白组学及其相关的 学科需要。
同源模建的主要步骤 （1）目标序列与模板序列的比对； （2）根据同源蛋白的多重序列比对结果，确定同源蛋
白的结构保守区以及相应的框架结构； （3）目标蛋白质结构保守区的主链建模； （4）目标蛋白质结构变异区的主链建模； （5）侧链的安装和优化； （6）对模建结构进行优化和评估。
基于配体结构的药物设计
• 是从研究一系列药物分子对同一受体的活性出发， 比较它们的结构变化与生物活性之间的关系，找到 对该受体能发生结合并产生活性的最普遍的结构因 素，并根据此结构特征设计新的药物分子。
以靶点结构为主的药物设计可分为三大类
• 全新药物设计：根据靶点活性位点构建配体 • 分子对接：以靶点结构来搜寻配体 • 基于片段的药物设计：根据靶点活性位置来构建配
体片段
全新药物设计
靶点-配体复合物 晶体结构
结合位点 分析
配体设计 片段药物设计
配体合成
片段设计
配体设计
活性测试
数据库搜索 分子对接
购买少量 化合物
基于生物大分子靶点结构的药物设计方法
第一节 靶蛋白结构的预测
wk.baidu.com
• 蛋白质结构与功能研究已成为后基因组时代最具挑战 性的研究课题。
• 当前测定蛋白质结构的主要方法仍然是X-射线晶体学 方法和多维核磁共振技术。
第二节 分子对接与虚拟筛选
一、分子对接
• 分子对接（molecular docking）是通过研究小分子配 体与靶点生物大分子相互作用，预测其结合模式和亲 和力，进而实现基于结构的药物设计的一种重要方法。 根据配体与靶点作用的“锁钥原理”，分子对接可以 有效地确定与靶受体活性部位空间和电性特征互补匹 配的小分子化合物。
从头预测（de novo prediction）
• 蛋白质结构从头预测是一个尚未成熟的研究领域，但 发展潜力十分巨大。因为该方法不需要知道任何一个 目标序列的同源蛋白质，仅从蛋白质的一级结构预测 其高级结构，一旦从头预测的方法获得重大突破，将 有助于人们理解蛋白质折叠的过程，影响蛋白质结构 稳定性的因素等基本问题。
• 应用GRID程序研究流感病毒的重要靶点神经氨酸酶时， 以氨为探针分子搜寻神经氨酸酶结合位点时发现用胍基 取代抑制剂Neu5Ac2en的4-羟基，得到的化合物扎那米 韦（zanamivir）活性大为提高，现已作为抗A型感冒病 毒药物上市。
MCSS
• MCSS是Karplus课题组发展的一种活性位点分析方 法，其基本思路与GRID方法相似，但处理方式更为 细致、深入。例如GRID方法中仅考虑探针和蛋白质 的非键相互作用，而MCSS法进一步包括了探子分子 片段的构象能；GRID计算采用系统搜索法将探针分 子片段依次放在每个格点上，而MCSS法将探针分子 以多拷贝形式放置在活性口袋中，利用蒙特卡罗模拟 结合分子力学进行优化来寻找最佳作用位点。
3. 了解全新药物设计的常用方法、磁共振检测技术的分类 和原理；SAR-by-NMR的原理和应用；Tether和二次 Tether技术的原理；结晶筛选的研究流程。
基于靶点结构的药物设计
• 是指一般应用由X射线衍射、磁共振或分子模拟 （同源建模法等）提供的蛋白质结构信息，来辅助 设计具有生物活性的化合物的过程。
药物设计学
第十一章 基于靶点结构的
药物分子设计
【学习要求】
1. 掌握基于靶点结构的药物设计、全新药物设计、计算机 虚拟筛选、基于片段药物设计的基本概念。
2. 熟悉蛋白质三维结构预测法、分子对接方法及分类、基 于片段药物设计的基本思路、基于片段药物设计的优点； 片段筛选的主要检测技术；片段优化的常用方法。