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1、,第五章 药物发现的虚拟筛选方法,化学信息学,生物信息学,虚拟筛选,先导物,化学生物学,候选药物,靶点大分子,第一节 概述,虚拟筛选：针对重要疾病特定靶标生物大分子的三维结构或定量构效关系(QSAR)模型，从现有小分子数据库中，搜寻与靶标生物大分子结合或符合QSAR 模型的化合物，进行实验筛选研究。,虚拟筛选流程,基于分子对接虚拟筛选流程,SARS爆发，从现有药物中快速筛选，老药，安全，直接进临床。 SARS冠状病毒(SARS-CoV)蛋白水解酶(Mpro)的同源蛋白模拟结构； 虚拟筛选现有药物库MDL/CMC(http:/ 老药肉桂硫胺（抗精神分裂和抗炎）：SARS-CoV Mpro 的抑制
2、剂；,(A) 肉桂硫胺的化学结构；(B) 肉桂硫胺与SARS-CoV Mpro活性位点的作用方式 （绿线：-NH或-CH氢键相互作用；红线：-CHO 氢键相互作用；蓝线：C145 的巯基(-SH)与肉桂硫胺的C=C 双键作用,酶水平抑制活性IC50 为5.0M，能抑制病毒颗粒的复制； 细胞水平抑制SARS-CoV 的活性为31M；是冠状病毒Mpro 的专一性抑制剂。,第二节 化学信息处理,一、化学信息的表示方法,1、一维结构表示,SMILES编码的立体化学信息表示,第二节 化学信息处理,一、化学信息的表示方法,2、二维结构表示,用图表示苯丙氨酸的结构,（1）图论基础和图的矩阵表示,第二节 化学
3、信息处理,一、化学信息的表示方法,2、二维结构表示,乙醛的邻接矩阵表示和矩阵简化步骤,（2）化合物结构的矩阵表示,两个原子间有键相连，矩阵元素为1,第二节 化学信息处理,一、化学信息的表示方法,3、三维结构表示,甲烷立体结构的笛卡儿坐标系统,原子坐标随坐标原点、分子的摆放位置而变,1，2-二氯乙烷的内坐标系统,描述分子中原子和键的相对位置,第二节 化学信息处理,一、化学信息的表示方法,常见的分子存储格式 （1）Mol格式文件 （2）SDF格式文件,第二节 化学信息处理,二、化合物数据库的生成,ISIS信息管理系统,化学信息管理系统（ISIS/Host） 化学信息生成和管理软件（ISIS/Bas
4、e） 化学绘图软件（ISIS/Draw）,第二节 化学信息处理,二、化合物数据库的生成,1、化合物数据库的生成,2、三维结构数据库,1987年出现CONCORD程序，第一个能把二维连接表转换成三维坐标,摆脱了三维结构信息的来源限制, 使任何拥有二维分子数据库的实验室和公司都可以建立自己的三维结构数据库。之后产生Chem-X、COBRA、CORINA和MOLGEO等一些三维结构转换程序。 利用CONCORD程序得到的三维结构数据库有：FCD-3D、MDDR-3D、CMC-3D、CASRF、CAST-3D、Pomona-92C 目前，各大制药公司和分子设计公司建立的三维结构数据库有：ACD-3D、
5、SYBYL-3DB、Chem-3DBS、NCI-3D。 剑桥结构数据库（CSD）：小分子晶体结构 布鲁克海文国家实验室蛋白质数据库（PDB）：大分子晶体结构,蛋白质结构的4个层次： 一级结构：组成蛋白质的氨基酸序列； 二级结构：骨架原子间的相互作用形成的局部结构，如alpha螺旋，beta片层和loop区等； 三级结构：二级结构在更大范围内堆积形成的空间结构； 四级结构：主要描述不同亚基之间的相互作用。,第三节 生物信息处理,一、序列分析,1、单个序列分析,酪氨酸磷酸酶的蛋白质序列,酪氨酸磷酸酶的二级结构，其中H 代表螺旋，E 代表折叠，B表示桥，G表示310螺旋，I表示螺旋，T表示氢键转角，
6、S代表转向，图7.1（c）显示的是该。,一、序列分析,1、单个序列分析,2、双重序列比较序列对比,3、多重序列比较序列对比,鼠和小龙虾的胰蛋白酶,Mouse IVGGYNCEENSVPYQVSLNS-GYHFCGGSLINEQWVVSAGHCYK-SRIQV Crayfish IVGGTDAVLGEFPYQLSFQETFLGFSFHFCGASIYNENYAITAGHCVYGDDYENPSGLQI * * Mouse RLGEHNIEVLEGNEQFINAAKIIRHPQYDRKTLNNDIMLIKLSSRAVINARVSTISLPTA Crayfish VAGELDMSVNEGSEQTITVS
7、KIILHENFDYDLLDNDISLLKLSGSLTFNNNVAPIALPAQ |- S-S-| Mouse PPATGTKCLISGWGNTASSGADYPDELQCLDAPVLSQAKCEASYPG-KITSNMFCVGFLE Crayfish GHTATGNVIVTGWG-TTSEGGNTPDVLQKVTVPLVSDAECRDDYGADEIFDSMICAGVPE +*|-S-S-| Mouse GGKDSCQGDSGGPVVCNG-QLQGVVSWGDGCAQKNKPGVYTKVYNYVKWIKNTIAAN Crayfish GGKDSCQGDSGGPLAASDTGSTYLAGIVSW
8、GYGCARPGYPGVYTEVSYHVDWIKANAV-,二、蛋白质折叠与三维结构预测,从头（ab initio）预测法 穿针引线(threading)法 同源模建（homology modeling）法,蛋白质的空间结构信息蕴涵于氨基酸序列中。 蛋白质预测工作的理论基础：系统的稳定状态通常是能量最小的状态,酪氨酸磷酸酶的折叠结构,1.寻找同源模板：分辨率，有否晶体X-射线衍射结构，BLAST SCORE G蛋白偶联受体（GPCR）：牛视紫质（PDB） 2.用T-COFFEE计算,确定目标和模板之间一级序列氨基酸残基间的对应位置,第四节 虚拟筛选,三维结构数据库搜寻 相应的三维结构搜索软件促
9、进了三维结构搜索的发展,使三维结构搜索方法真正走向实用。 输入药效团结构，在三维结构数据库中搜索含有该药效团的分子； 搜索到的分子有可能具有药效团所对应的某种生物活性，它可以在实验筛选之前为分子的生物活性作可能性预报； 当搜索结果中有一些分子，与已知活性的分子结构不同，意味着可能发现先导物。 数据库的分子是已经存在的化合物，合成方法已知，甚至已成为商品，可直接购买较快地进入生物测试阶段，提高新药开发的效率。但化合物结构全部来自X射线晶体衍射和中子衍射实验，三维结构搜索发展缓慢。,基于配体的数据库搜寻方法： 根据药效基团（Pharmacophore）模型进行三维结构数据库搜寻。,HIV prot
10、ease inhibitors,H,H,4.1-6.1 ,4.4-6.4 ,1.8-3.8 ,建立一系列活性分子的药效构象； 抽提出共有的药效基团； 在现有的数据库中寻找符合药效基团模型的化合物。 比较著名的软件有： Catalyst（应用普遍） Unity,分子对接法（Docking）： 将小分子配体对接到受体的活性位点，搜寻其合理的取向和构象，使得配体与受体的形状和相互作用的匹配最佳。 在药物设计中，分子对接方法主要用来从化合物数据库中搜寻与受体生物大分子有较好亲和力的小分子，从而发现全新的先导化合物。分子对接由于从整体上考虑配体与受体的结合效果，所以能较好地避免其他方法中容易出现的局部作
11、用较好，整体结合欠佳的情况。 目前具代表性的分子对接软件： DOCK、F1exX 和 GOLD。,基于受体（Receptor）的数据库搜寻方法,对接问题：受体的结构已知，设计可置于受体的连接腔里，形成低内能受体-药物复合物的小分子药物。,对接问题的限制 ：迄今为止，采用X-射线衍射结晶法或核磁共振技术详尽研究过的受体数量较少，大部分受体的三维结构不清楚。,三维结构搜寻的搜寻算法 是一个连续的多步骤过程,一般包括初筛、几何查找和柔性构象搜索三个步骤： 1、初筛：主要筛去不可能与提问结构匹配的分子, 节约时间。大多数搜索系统把在药效团中出现频率较高的原子和基团作为筛子，每一个筛子对应一个编码,如果在提问结构中出现的编码也出现在被查找分子中，那么该分子通过初筛，否则被淘汰。 2、通过初筛的分子需要接受严格的二维子几何结构查找,以确定原子之间的连接方式是否与提问结构匹配。 3、柔性构象搜索与提问结构匹配的分子，要满足二维子结构匹配、提问结构中的空间限制（三维匹配）。 1996年,采用 Chem3DB-3D(1994年7月版本)和NCI-3D数据库，搜索新型HIV-1蛋白酶抑制剂，获得2368个命中结构,其中1200个有库存样品，从中选取50个结构多样、新、有疏水区的化合物进行测试，发现活性最高的两个结构。,