商素琴商素琴 重庆医科大学重庆医科大学 药学院药学院生物信息学生物信息学蛋白质分子模拟与设计蛋白质分子模拟与设计n蛋白质结构解析n方法: X-射线单晶衍射, NMR *生物信息学2Recombinant Recombinant SomatostatinSomatostatin 生生长长长长抑素抑素* *生物技术制药生物技术制药绪论绪论3 3b b-interferon-interferonb b-interferon-interferonX-X-射线衍射原理射线衍射原理按照确定方式在三维空间按照确定方式在三维空间严格的周期性规则排列严格的周期性规则排列各种原子、分子或离子各种原子、分子或离子晶体晶体点阵点阵晶胞晶胞晶胞结构图晶胞结构图 晶胞晶胞X-射线单晶衍射图谱X-ray Crystallography Basic StepsX-ray Crystallography Basic Steps分离 表达 纯化 结晶目标选 择数据收 集结构解 析结构修 正功能研 究PDBPDB信息信息 蛋白质和小分子的蛋白质和小分子的3D3D结构结构3W1M:克氏锥虫二氢乳清酸脱氢酶与5 - 溴乳清酸盐复合物的晶体结构PDBPDB信息信息* *1010黄素单核苷酸甘油六氨合钴5 - 溴乳清酸盐PDBPDB信息信息* *1111空间群晶胞参数NMRNMR 核磁共振（核磁共振（Nuclear Magnetic ResonanceNuclear Magnetic Resonance） 目前对核磁共振谱的研究主要集中在目前对核磁共振谱的研究主要集中在1 1HH和和1313C C两类原子核的图谱两类原子核的图谱* *1212NMRNMR* *1313蛋白体视紫红质蛋白质分子模拟蛋白质分子模拟 Homology ModelingHomology Modeling 同源模建是一个根据模板蛋白将一级序列同源模建是一个根据模板蛋白将一级序列 转成转成3D3D结构的技术总称；利用已知的蛋白结构的技术总称；利用已知的蛋白 质三级结构为参照，分析氨基酸序列相近质三级结构为参照，分析氨基酸序列相近 的新蛋白的三级结构。的新蛋白的三级结构。 比较权威的蛋白质同源模型构建的服务器比较权威的蛋白质同源模型构建的服务器 是链接在是链接在ExPASyExPASy网站上的网站上的Swiss ModelSwiss Model 考虑因素：蛋白同源性，波动性，关键位考虑因素：蛋白同源性，波动性，关键位 点差异点差异* *生物生物信息学信息学1414软件软件 InsightInsight IIII SybylSybyl 免费软件免费软件ModellerModeller是最经典的同源模建软件，对学是最经典的同源模建软件，对学 术用户免费：术用户免费： http:/salilab.org/modeller/http:/salilab.org/modeller/ swiss-modelswiss-model服务器也可以进行在线模建：服务器也可以进行在线模建： http:/swissmodel.expasy.org/SWISS-http:/swissmodel.expasy.org/SWISS- MODEL.htmlMODEL.html* *1515* *生物技术制药生物技术制药绪论绪论1616蛋白质分子设计蛋白质分子设计 蛋白质工程: 运用蛋白质结构功能和分子 遗传学知识,从改变或合成基因入手,定向 地改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质 蛋白质工程与基因工程的区别： 基因工程是通过基因操作把外源基因转入适当 的生物体内,并在其中进行表达,其产品还是该 基因编码的天然蛋白质。 蛋白质工程则更进一步根据分子设计的方案, 通过对天然蛋白质的基因进行改造,来实现对 其所编码蛋白质的改造,其产品经过改造的,具 有了人类所需特点的蛋白质。nDrug discovery:nSuccessful processnMore than 10 yearsnMore than $300 millionnMore than 10000 tested compoundsnFor one drug!蛋白质与药物设计蛋白质与药物设计I. Choose a diseaseVI. MarketV. Clinical TrialsIV. Optimize leadIII. Find a lead compoundII. Choose a drug targetDiscovering and Developing the One Discovering and Developing the One DrugDrug*生物信息学18Ligand-based drug designLigand-based drug designn2D-QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships)Hansch Analysis*生物信息学19log1/C= a(logP)2 + b logP +c+ d Es +k*20先导化合物的产生先导化合物的产生n天然生物活性物质n以生物化学或药理学为基础的先导物n以药物的副作用为先导物n以药物合成的中间体作为先导物n用普筛的方法发现先导物3D-QSAR3D-QSAR2222CoMFACoMFA Comparative Molecular Field AnalysisComparative Molecular Field Analysis The idea underlying a CoMFA is that The idea underlying a CoMFA is that differences in a target property are often differences in a target property are often related to differences in the shapes of the related to differences in the shapes of the non-covalent fieldsnon-covalent fields surrounding the surrounding the tested molecules. tested molecules. Hypothesis: the tested conformation is Hypothesis: the tested conformation is the conformation to bind with receptor. the conformation to bind with receptor. (low-energy conformation)(low-energy conformation)23232D2D3D3D2424Conformation SearchingConformation SearchingConformation VariationConformation VariationEnergyEnergyStable ConformationStable Conformation2525superpositionsuperposition* *26262727Box and GridBox and Grid28282929Probe Atom or GroupProbe Atom or Group electronic atom, ion or molecule with certain volumeelectronic atom, ion or molecule with certain volume HH2 2O Water, the Hydrophobic Probe O Water, the Hydrophobic Probe HH+ +Electrostatic interaction Electrostatic interaction CHCH3 3 Steric interactionSteric interaction C C+ + spsp3 3Electrostatic & Steric interactionElectrostatic & Steric interaction O: spO: sp2 2carboxy oxygen atom carboxy oxygen atom N:= spN:= sp2 2N with lone pair N with lone pair N N3+3+ spsp3 3amine NH amine NH3 3cation cation OO- -sp sp2 2phenolate oxygen phenolate oxygen 3030Box and GridBox and GridpKi =pKi =B(DB(D1 1) )+ +C(DC(D2 2) )+ + .+ .A APLS:PLS:3131Steric CoMFA Contour Map3232Electrostatic CoMFA Contour Map3333Exp.Pred.Receptor-based drug designReceptor-based drug design*生物信息学34n分子生物学和结构生物学的发展，使得一些靶标生 物大分子的功能被阐明，三维结构被测定n计算机科学的发展，出现了功能先进的图形工作站 ，极大地提高了计算和数据分析的速度和精度； 发 展了许多药物分子设计方法，如基于生物大分子三 维结构的分子对接(Molecular Docking)方法和基 于药物小分子的三维定量构效关系分析方法和数据 库搜寻方法等。* *生物生物信息学信息学3535PDB statisticsPDB statistics* *3636AAAAAAAAAAAAAAFind a Lead CompoundFind a Lead Compound NMRNMRBinding SiteProteinProteinProteinProteinNO OBSERVABLE BIOLOGICAL EFFECT1313C NMRC NMRC C C CCHCHCHCHCHCHCHCH2 2CHCH2 2CHCH3 3CHCH3 3CHCH2 2CHCH3 31313C NMRC NMRC C C CCHCHCHCHCHCHCHCH2 2CHCH3 3ProteinProteinOptimize Optimize epitopeepitopeProteinProteinOptimize Optimize epitopeepitopeOptimize Optimize epitopeepitopeLEAD COMPOUNDLEAD COMPOUNDMeEpitope AEpitope BLead compoundb-Adrenoceptorb-AdrenoceptorADRENALINEADRENALINESALBUTAMOLSALBUTAMOLb-AdrenoceptorSALBUTAMOLSALBUTAMOLa-Adrenoceptor软软软软件件举举举举例例: : Insight IIInsight IInInsightII三维图形环境软件包，在揭示蛋白 质结构功能关系、