分子对接的原理,方法及应用

30
分子对接的应用
靶标 AmpC -lactamse BCR－ABL Anthrax EF IMPDH Casein kinase II K＋ 通道 Thyroid homone receptor CDK2 靶标分类 Hydrolase Kinase Adenylyl cyclase Dehydrogrnase Kinase Ion channel Nuclear receptor Kinase 靶标结构 X-ray X-ray X-ray X-ray Homology Homology Homology X-ray 小分子库大 小 200k 200k 200k 3500k 400k 50k 250k 50k 所用方法 NWU DOCK DOCK NWU DOCK FlexX DOCK DOCK ICM LIDAEUS 抑制剂活性 M 26 25 20 30 0.08 10 0．75 2 实验数据 X-ray复合物
17
（二）柔性对接的方法
（1）构象的系综方法
Flexibase用来储存小分子库中每个分子的一系列 不同构象，用距离几何和能量最小化的方法产生构象， 每个分子根据rmsd的差异选择25个系列构象。每个 构象采用FLOG刚性对接的方法进行对接。
18
（2）片段的方法
片断的方法是处理小分子柔性的最通用的方法，配 体分割成一些小的片断，这些片断可以认为是刚性构象 或一个小的构象系综。一般，有两种方法来处理: 第一种方法是把一个片段放入受体的作用位点，然后加 上余下的片段，这种方法称为连续构建 “incremental construction”. 第二种方法把所有或一部分片段独立地放入受体的作用 位点，再重新连接至到构成一个完整的配体分子，这种 策略称为“放置&加” “place & join”
200k
Catalyst
Unity/FlexX
0．005
6
X-ray复合物
细胞的抑制活性 实验
X-ray
Reductase Hydrolase Homology X-ray
800k
230k 200k
31
Unity/FlexX
Catalyst/DOCK Unity/FlexX
0.25
0.9
酶动力学实验
非键作用能 基于分子表面的溶剂化计算 半经验的自由能计算
——涉及到底物分子和受体分子间结合能力的预测， 牵涉到结合自由能的计算。
23
5 代表性对接软件
名称 Flex X (Sybyl) LigandFit(Cerius2) Glide (薛定谔软件) 构象搜索方法 片段生长法 蒙地卡罗模拟 系统搜索 结合评价方法 半经验自由能 半经验自由能 半经验自由能 速度 快 快 一般
15
（2）基于几何哈希技术“geometric hashing”的方 法 第一部分中，几何哈希表从被对接的一个配体或一 系列配体中构建 。哈希矩阵含有配体名字和能调整 配体在空间方向的参考框架。 第二部分即识别阶段，蛋白质的特征用来识别哈希 矩阵，每一次匹配表示蛋白质的特征与哈希矩阵中 已定义好方位的配体相匹配，具有大量匹配信息的 哈希矩阵代表着具有几个吻合特征的配体和方位
9
10
4 分子对接的分类
1、刚性对接：对接过程中，研究体系的构象不发生变化。 适合考察比较大的体系，如蛋白质和蛋白质间以及蛋白质 与核酸间的对接。
11
分子对接的分类
2、半柔性对接：对接 过程中，研究体系尤其 是配体的构象允许在一 定的范围内变化。适合 处理大分子和小分子间 对接。来自12分子对接的分类
1） 药物分子和靶酶分子 是柔性的，这样就要求在对 接过程中要相互适应以达到 最佳匹配 2） 分子对接不仅要满足 空间形状匹配，还要满足能 量匹配，底物分子与靶酶分 子能否结合以及结合的强度 最终取决于形成此复合物进 程的结合自由能。
8
3 分子对接的一般过程
建立大量化合物的三维结构数据库 将库中的分子逐一与靶分子进行“对接” 通过不断优化小分子化合物的位置以及分子内部柔 性键的二面角，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
3
已知三维结构数据库中 的分子
通过打分函数挑选出接 近天然构象的与受体亲 和力最佳的配体
放在靶标分子的活性位 点处
预测其结合模式、亲和 力
优化（受体化合物的位 置、构象、分子内部可 旋转键的二面角和受体 的氨基酸残基侧链和骨 架）
寻找受体小分子化合物 与靶标大分子作用的最 佳构象
4
2 分子对接的原理
细胞的抑制活性 实验
酶动力学实验 酶动力学实验 抑制活性、构效 关系 细胞的抑制活性 实验 抑制活性实验 X-ray复合物
TGFRK
cyclophilin tRNA guanine transglycoslase PfDHFR -Amylase
Kinase
Immunophilin
X-ray
X-ray
免费软件 / 只能进行一个分子与蛋白质的 对接计算，不能进行数据库对 接，没有平行化功能。 不需要预先知道活性位点。
25
AutoDock对接软件
准备蛋白质和配体
蛋白质：加电荷和溶剂化，存为pdbqs格式 配体：加电荷，定义搜索的二面角和根片段
3.Morris，G．M．，R．HueyandA．J．Olson，Using AutoDock for
ligand—receptor docking[J]．Curr Protoc Bioinformatics，2008．Chapter8： P．Unit814
4.KANADE S R，SUHAS V L，CHANDRA N.eta1．Functional
3、柔性对接：对接 过程中，研究体系的 构象是基本上可以自 由变化的。一般用于 精确考虑分子间的识 别情况，由于计算过 程中体系的构象可以 变化，所以计算破费 最大。
13
分子对接的基本方法
（一） 刚性的分子对接方法 这种方法是最初的分子对接的方法，在对接中，小 分子和蛋白质两种都保持刚性。
（1）基于最大团搜索的方法 （Clique-Search Based Approaches）
• 配体与受体结合时，彼此存 在静电相互作用、氢键相互 作用、范德华力相互作用和 疏水作用力。 • 配体与受体结合必须满足互 相匹配原则，即配体与受体 几何形状互补匹配、静电相 互作用互补匹配、氢键相互 作用互补匹配、疏水相互作 用互补匹配。
5
理论基础：
“锁和钥匙模型” “诱导契合模型”
19
（3） 遗传算法和进化规划
遗传算法开始应用到分子对接技术，其特点为 ： 第一步，一个称为染色体的线性表示符能够描述构型 的所有自由度，找到这个染色体描述符是算法中最困 难的一步。第二步，确定一个一个类似如打分函数的 目标函数。 著名的GOLD软件包括了这种算法
20
（4）基于分子模拟的方法
模拟退火的方法，Autodock程序就采用了这种方法 分子动力学的方法 Monte Carlo模拟，一种统计力学的方法，这种算法 中最重要的两部分是自由度的描述和能量的评价，合 适的自由度描述可以避免较高能量的构象，用键角、 扭曲角等内座标来描述配体的柔性比用笛卡儿空间的 三维座标描述要强，同样，能量的评价也是最耗时， 这一步时间必须足够的长。
16
(3）基于pose clustering的方法 这种方法与几何哈希的方法相类似，也是一种 基于模式识别的方法。 在LUDI模型中，如图所示，对每一个作用基团，定 义作用中心和作用表面。受体的作用表面近似地用离 散的点表示，和对应的配体的中心目标点相匹配。
三个氢键受体的作用表面
Pose clustering 算法中的作用点
21
分子对接的主要问题
如何找到最佳的结合位置
遗传算法 模拟退火
——牵涉到优化的问题，底物分子和受体分子都是可以 自由转动和平动的，同时两个分子自身的构象也存在变 化，因此它们之间可能的结合方式是非常复杂的，常用 的有遗传算法、模拟退火以及禁忌搜索等。
22
分子对接的主要问题
如何评价对接分子之间的结合强度
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 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 溶剂化作用
26
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
Interaction of diphenols with polyphen oloxidase[J]．FEBS Journa1． 2oo7，274(16)：4177．4187．DOI：10．111l， i．1742．4658．2o07．05944．x．
5.洪渊．基质金属蛋白酶及其抑制剂的分子对接研究[D]．吉林：吉林大学，
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
27
评价：打分函数
每一个对接的算术都会采用平衡了时效和精确度的
简单自由能预测方法，现在的打分函数主要包括三种：
对接两个刚性分子可以理解为分子在空间的匹配 问题，这种匹配可以是一种形状上的互补或相互作用。 如氢键受体与氢键给体的互补。搜索在三维空间中有 效的条件下的最大匹配
14
受体的活性位点
配体
有效匹配的距离图集
受体－配体的示意图，字母代表特征部分如氢键等， 相应的有效匹配的图集如右，三个环性顶点组织的三角形 为这个图集的一个最大团(clique)
2007
参考文献：
6.YANG J M．CHEN C C．GEMDO C K：a generic evo1utiOnarv
Method for molecular docking[J】．Proteins：Structure，Function，and Bioinformatics，2000，55(2)：288．304．DOI：10．1o02／prot．20035．
基于经验的回归参数的方法；基于分子力场的方法和基 于知识的方法、基于知识的打分函数 。
28
对接方法尚需解决的问题：
•溶剂化效应
•分子的柔性
•打分函数
29
分子对接的应用
• 直接揭示药物分子和靶点之间的相互作用方式。 • 预测小分子与靶点蛋白结合时的构象。 • 基于分子对接方法对化合物数据库进行虚拟筛选， 用于先导化合物的发现。 • 预测化合物的亲和力及活性，用于先导化合物的 优化。
分子对接及Autodock的使用
1
分子对接

1.概念 2.原理 3.一般过程 4.分类 5.代表性软件 6.AUTODOCK软件 7.参考文献
2
1 分子对接的概念
分子对接是通过研究配体小分子和受体
生物大分子的相互作用，预测其亲和力，实 现基于结构的药物设计的一种重要方法。 整体上考虑配体与受体的结合效果，较好的 避免局部作用、整体结合欠佳的情况。
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
6
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 。
配体
受体
复合物
受体－配体的锁和钥匙模型
7
分子对接思想来源于“锁和钥匙”，但又比 “锁和钥匙”复杂得多，表现在以下方面：
酶动力学实验 NMR,SPR,层析
参考文献：
1.郑宗平，兰山，秦川，等．天然酪氨酸酶抑制剂研究进展：种类及其构效
关系[食品工业科技，2014，35(8)：374—378．
2.毕云枫，宋风瑞，刘志强．天然酪氨酸酶抑制剂的种类及其对酪氨酸酶抑
制作用的研究进展[J]．吉林大学学报(医学版)，2014，4O(2)：454-459．DOI： 10．13481／i．1671-587x．20140247．
Gold
Affinity（InsightII) AutoDock Dock ICM-Dock Fred (openeye)
遗传算法
蒙地卡罗 /MM/MD 遗传算法 片段生长法 随机全局优化 系统搜索
24
半经验自由能
分子力场 半经验自由能 分子力场 半经验自由能 半经验自由能
快
慢 一般 快 快 快
6 AutoDock对接软件