计算机辅助药物设计概述

分子动力学计算是起始于20 世纪70 年代，到目前已有40多年的的历史。用于分子动力学计算的系统也日趋丰富，从单原子分子到多原子分子的简单系统、再到今天聚合物分子甚至是生物大分子这样极其复杂体系的系统。随着系统复杂程度的增加，力场也由最简单的范德华作用增加自身的复杂性。

分子动力学模拟广泛应用团簇、气相、液相、固相等体系的微观动力学行为，在近几年的研究当中，生物大分子的分子得到了长足的发展[53-55]。其原因可以归结如下: 从原子尺度上观察到生物大分子在溶液中的行为，单纯的依靠实验仪器是很困难的，MD 模拟则可以用于分析诸多体系的各种运动性质，并且能够给出蛋白质、核酸等生物大分子内部运动随时间变化的具体情况；类似的原子体系具有共性，实验数据为动力学模拟提供了各种势能参数，发现原子运动的规律，使用或修正势能参数能够导致结果的变化，进而发现体系某一性质。快速达到系统的热平衡，需要将起始速度、位置、模拟温度、积分步长等是执行分子动力学计算选择好，否则会浪费时间，或者无法达到平衡。通常选择能量最低构象作为初始结构。因为小分子的空间比较小，初始结构选择较为宽松，可以通过分子力学或量子力学的构象分析得到小分子的构象。相对于小分子化合物，生物大分子不论是原子数目、构象空间还是分子量都是极其庞大的，因此生物大分子不同的初始构象对模拟结果会造成极大的影响，进行选择时需要慎重。随着技术的发展，可以生物大分子的初始构象的构造方法是多种多样的，比较常见的有核磁共振实验、X 射线晶体衍射、以及生物化学实验结果。目前，PDB 数据库中提供的蛋白质结构大多是由X 射线晶体衍射得到，有一小部分只有NMR的结果，并且一般的蛋白结构不包括氢原子坐标，这是限于X 射线晶体实验中较低的分辨率。因此，生物大分子的初始结构需要多方面的预处理：首先，结构修补及加氢饱的结构修饰；其次，借助手工或者程序添加缺失的重原子坐标在很多情况下。蛋白质的加氢是非常复杂的过程，这主要是因为在氨基酸残基上氢原子的质子化，会受到PH的影响，就算是同一种类型的氨基酸残基，由于周边体系周围环境及附近氨基酸残基极化情况的不同，如暴露在蛋白质表面、溶液直接接触、埋在体系的内部等，也会导致其等电点的数值并不恒定的。第三，给体系选择一个溶剂化模型模拟在真实环境中的状态，可以分为显性溶剂化模型（SPC、TIP3P、TIP4P等）和隐性溶剂化模型，前者应用比较普遍。水环境的添加常用的有球形水环境、周期性水环境和层状水环境三种方式。在这三种模式中周期性水环境是最为符合实际的溶液环境的，但是这样会使得计算体系非常大，耗费较多的计算时间。在某个指定体系的周围加入厚度为 d 的水分子环境称之为球形水环境，采用球形水环境或者层状水环境可以有效的控制计算的时间。考虑到新加入的粒子位置的合理性及实验测定生物大分子结构的误差，必须用分子力学进行优化生物大分子预处理后的结构，经过优化后的最终构象才能够进行分子动力学模拟。第二代力场[56]，MM 形态力场[57]

，Amber 力场[58]，CVFF 力场[59]，CHARmm 力场[60]是分子动力学计算中常用的力场，本文中重点应用了Amber 力场进行了HCV NS3/4A丝氨酸蛋白酶抑制剂BI201335在

R155、A156、D168位突变点的耐药机制

分子动力学（molecular dynamics，MD）和自由能计算已经广泛用于研究

蛋白质的折叠、蛋白质与蛋白质的相互作用、蛋白质与配体及抑制剂的相互

作用。从原子层次上理解蛋白质与抑制剂的相互作用有助于合理药物的设计。MM-PBSA方法，是目前广泛使用的一种基于经验方程的自由能计算方法。

这种方法把能量分解为包括真空下的范德华相互作用能、静电作用能、溶剂

化能和熵变对结合自由能的贡献。抑制剂与蛋白质各残基的相互作用有助于

理解抑制剂与蛋白质的作用机制。