分子对接

蛋白质的四级结构
有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链， 每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白 质的亚基 (subunit)。 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接
触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级 结构。 亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次 是氢键和离子键。
血 红 蛋 白
的 四 级 结 构
多为氨基酸残基的疏水基团组成的疏水
环境，形成疏水“口袋”。

酶的催化作用取决于活性中心
活性中心以 外的必需基团
底物
催化部位
结合部位
活性中心
酶的催化机制 1. 琐钥学说 2. 诱导契合学说
酶抑制剂
定义: 可以结合酶并抑制酶活性的化合物。
竞争性抑制剂
非竞争性抑制剂
三、分子对接的理论和方法
1 分子对接的概念
-螺旋
-折叠
-转角和无规卷曲
-转角
无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部 分肽链结构。
蛋白质的三级结构
定义 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。
即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。 主要的化学键 疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。
• 肌红蛋白 (Mb)
C 端 N端
Oh boy! What a perfect match
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诱导契合学说:
配体和受体分子的构象是变化的，而
不是刚性的，配体和受体在对接过程中相
互适应对方，从而达到更完美的匹配。
分子对接不但要满足空间形状的匹配,还要
满足能量的匹配。
利用几何互补、能量互补和化学环境互补的 原则评价配体和受体相互作用的好坏。
一级结构(primary structure)
二级结构(secondary structure)
三级结构(tertiary structure)
四级结构(quaternary structure)
高级 结构
蛋白质的一级结构
定义
蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的 排列顺序。
主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。
5.97 6.00 5.96 5.98 6.02 5.48
苯丙氨酸 phenylalanine Phe 脯氨酸 proline Pro
6.30
2. 极性中性氨基酸 色氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸 天冬酰胺 tryptophan serine tyrosine cysteine methionine asparagine Trp Ser Tyr Cys Met Asn W S Y C M N
从一级结构到四级结构
血红蛋白
二、酶及其抑制剂
酶是由活细胞产生的对其特异的底物
起高效催化作用的蛋白质。
酶的分子组成

单纯酶(simple enzyme)：仅由氨基酸残基构成 结合酶(conjugated enzyme) 蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)
全酶 (holoenzyme)
辅助因子
pH>pI
阴离子
等电点(isoelectric point, pI)
在某一pH的溶液中，氨基酸解离成 阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为 兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值 称为该氨基酸的等电点。
（二）肽(peptide)
* 肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合
5.89 5.68 5.66 5.07 5.74 5.41
谷氨酰胺
苏氨酸
glutamine
threonine
Gln
Thr
Q
T
5.65
5.60
3. 酸性氨基酸 天冬氨酸 aspartic acid 谷氨酸 4. 碱性氨基酸 赖氨酸 lysine Lys K
9.74
Asp Glu
D E
2.97 3.22
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常用的分子对接软件被引用次数统计
AutoDock分子对接软件
AutoDock是The Sbripps Research Institute的Olson科研小组使用C语言开发的 免费分子对接软件，包含两个程序：
AutoGrid 格点中相关能量的计算 AutoDock 构象搜索及评价
免费软件/

AutoDock分子对接的流程：
1.围绕受体活性位点的氨基酸残基形成一个
盒子（box）,并划分成格点;
2.用配体不同类型的原子作为探针(probe)进
行扫描,计算格点能量;
3.对配体在box范围内进行构象搜索;
4.根据配体的不同构象、方向、位置及能量
进行评分，最后对结果进行排序。
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AutoDock格点对接示意图
Einteraction= Evdw + Eelectrostatic + Eh-bond
50
3 分子对接的一般过程
找出空穴，定出表面 调整受体位点或药物的构象 计算对接时受体－药物相互作用能量 进行分子动力学模拟 复合物的全局最优结合构象

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4 分子对接的分类
刚性对接：研究体系的构象不发生变化。 半柔性对接：研究体系尤其是配体的构象
AutoDock对接软件




AutoDock分子对接计算的注意点 小分子问题 起始构象对对接结果有一定影响 对接时应以代谢物的结构进行 对分子进行加电荷和加氢处理 蛋白质问题 如何选择合理的蛋白质活性位点 对接问题 搜索结合模式的正确性、对接的效率、评分的正确性 采用多个软件进行评价，减少结合模式搜索误差 定量指标，需要结合分子动力学进一步评价 60
一级结构是蛋白质空间构象和特异生 物学功能的基础。
蛋白质的二级结构
蛋白质分子中肽链的局部空间结 构，即肽链中不同肽段通过自身相互 作用，沿某一主轴盘旋折叠而形成的 局部空间结构。 主链骨架原子的相对空间位置， 并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。 主要的化学键： 氢键
蛋白质二级结构的主要形式
• -螺旋 ( -helix ) • -折叠 ( -pleated sheet ) • -转角 ( -turn ) • 无规卷曲 ( random coil )
* 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团 不全，被称为氨基酸残基(residue)。
* 多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基 酸之间以肽键连接而成的一种结构。 多肽链有两端 N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端
N末端
C末端
牛核糖核酸酶
（三）蛋白质的分子结构
存在自然界中的氨基酸有300余种， 但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种。
COO
-
CH3 R H
H
C
+
NH 3
甘氨酸 丙氨酸 氨基酸的通式
（一）氨基酸
1. 非极性疏水性氨基酸 2. 极性中性氨基酸 3. 酸性氨基酸 4. 碱性氨基酸
1. 非极性疏水性氨基酸 甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 glycine alanine valine leucine isoleucine Gly Ala Val Leu Ile G A V L I F P
允许在一定范围内变化。
5 分子对接的主要问题


如何找到最佳的结合位置（构象搜索方法）
遗传算法 模拟退火
如何评价对接分子之间的结合强度 非键作用能（氢键、范德华作用和静电相互作用）


半经验的自由能计算
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6 代表性对接软件
名称 构象搜索方法 结合评价方法 速度 Flex X (Sybyl) 片段生长法 半经验自由能 快 LigandFit(Cerius2) 蒙地卡罗模拟 半经验自由能 快 Glide (薛定谔软件) 系统搜索 半经验自由能 一般 Gold 遗传算法 半经验自由能 快 Affinity（InsightII) 蒙地卡罗/MM/MD 分子力场 慢 AutoDock 遗传算法 半经验自由能 一般 Dock 片段生长法 分子力场 快 ICM-Dock 随机全局优化 半经验自由能 快 Fred (openeye) 系统搜索 半经验自由能 快

受体和药物分子之间通过空间匹配和能量
匹配而相互识别形成分子复合物，并预测复
合物结构的操作过程。

整体上考虑配体与受体的结合效果，较好 地避免局部作用较好、整体结合欠佳的情况。
44
2 分子对接的原理

理论基础： “锁和钥匙模型” “诱导契合模型”
45
分子对接的最初思想起源于Fisher E提出的 “锁和钥匙模型”。即受体与配体的相互识别首 要条件是空间结构的匹配
(cofactor)
金属离子 小分子化合物

酶的活性中心(active center) 酶分子中直接和底物结合，并和酶催化 作用直接有关的部位 酶的必需基团(essential group)： 酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中， 一些与酶活性密切相关的化学基团。


活性中心的功能部位：
结合部位(binding group)
-OOC-CH-CH
+ NH 3
-S S-CH 2-CH-COO 2
+ NH 3
二硫键
胱氨酸
氨基酸两性解离及等电点
R CH COOH NH 2
+OH+H+
R CH COOH NH 3 +
+OHR CH COO R CH COO -
NH 3 +
+H+
NH 2
pH<pI
阳离子
pH=pI
氨基酸的兼性离子
而形成的化学键。
O NH 2-CH-C H
甘氨酸
+
OH
O NH-CH-C H H
甘氨酸
OH
-HOH
O O NH 2-CH-C-N-CH-C H H H OH
甘氨酰甘氨酸
肽键
* 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化 合物。 * 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨 基酸缩合则形成三肽…… * 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡 肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连 形成的肽称多肽(polypeptide)。
配体
受体
复合物
受体－配体的锁和钥匙模型
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这类方法首先要建立大量化 合物（例如几十至上百万个化合 物）的三维结构数据库，然后将 库中的分子逐一与靶标分子进行 “对接”（docking），通过不 断优化小分子化合物的位置（取 向）以及分子内部柔性键的二面 角（构象），寻找小分子化合物 与靶标大分子作用的最佳构象， 计算其相互作用及结合能。在库 中所有分子均完成了对接计算之 后，即可从中找出与靶标分子结 合的最佳分子（前50名或前100 名）
重要原则： 互补性：决定识别过程的选择性 预组织性：决定识别过程的结合能力
分子对接的基本原理
药物与受体的结合强度取决于结合的自由能变化
结合 = 结合 - T 结合 = -RT ln Ki G H S
大部分的分子对接法忽略了全部的熵效应，而在 焓效应也只考虑配体与受体的相互作用能，即：
分子对接的原理和方法
Molecular docking
1
计算机辅助药物设计的方法
基于配体的药物设计 基于受体的药物设计 基于结构的药物设计

2
基于受体的药物设计方法
通过受体的特征以及受体和药物分子之间 的相互作用方式来进行药物设计的方法。 “有的放矢” 主要方法


分子对接法 从头设计




准备蛋白质和配体 蛋白质：加电荷和溶剂化，存为pdbqt格式 配体：加电荷，定义搜索的二面角和根片段 格点对接：保留探针原子和受体之间的相互作用能 对接计算：遗传算法;模拟退火算法 评价函数：半经验的自由能计算 范德华相互作用 氢键相互作用 静电相互作用 59 溶剂化作用
glutamic acid
精氨酸
arginine
Arg
R
10.76
组氨酸
histidine
His
H
7.59
几种特殊氨基酸
• 脯氨酸 （亚氨基酸）
CH 2 CH 2
CH 2 CHCOO NH 2 +

半胱氨酸
2 -SH
-OOC-CH-CH
+ NH 3
+
HS-CH 2 -CH-COO + NH 3
-HH
催化部位(catalytic group)

结合部位常见基团：His残基的咪唑基、Ser残基的
羟基、Cys残基的巯基及Glu残基的-羧基。

活性中心以外的必需基团：为维持酶活性中心应有
的空间构象所必需。

活性中心的构象特点：
在酶分子整个体积中只占比较小的一部
分，是一个三维实体，或为裂缝，或为 凹陷。
3
一、蛋白质的组成及结构
二、酶及其抑制剂 三、分子对接的理论和方法 四、分子对接软件AutoDock
一、蛋白质的组成及结构
蛋 白 质 (protein) 是 由 许 多 氨 基 酸 (amino acids)通过肽键(peptide bond)相连 形成的高分子含氮化合物。
氨基酸—— 组成蛋白质的基本单位