分子对接的原理,方法及应用
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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）
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
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
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
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．
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
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。
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
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
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
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
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：
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。
12
分子对接的分类
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。
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，
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．
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)
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
Im来自百度文库unophilin
X-ray
X-ray
• 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”
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
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”
免费软件 http://autodock.scripps.edu/ 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
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
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
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：
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。
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）
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
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
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
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．
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
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。
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
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
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
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
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：
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。
12
分子对接的分类
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。
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，
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．
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)
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
Im来自百度文库unophilin
X-ray
X-ray
• 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”
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
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”
免费软件 http://autodock.scripps.edu/ 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
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
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
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：
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。