基于结构的药物分子设计基于结构的药物分子设计一、概况概况二、药物设计的理论基础二、药物设计的理论基础三、已知受体结构的药物设计三、已知受体结构的药物设计四、未知受体结构的药物设计四、未知受体结构的药物设计五、药物设计与组合化学的关系五、药物设计与组合化学的关系六、展望六、展望药物研发的平均周期 先导化合物及其优化随机筛选1000020000个化合物药物候选物临床前研究临床研究市场理论计算、分子模拟计算机辅助药物设计23年23年23年23年34年平均1012年，耗资2.0亿3.5亿美元国际制药工业产值2001年全球处方药总产值 = 3080亿美元 5 年平均增长率 = 14%产值预计增长速度产值预计增长速度增长将会继续下个二十年将以类似的速度增长老龄化人口 慢性疾病将会更多 (如心脏病，糖尿病，关节炎，骨质疏松，老年性慢性支气管炎)新药的不断出现需要开发特别是适用于长期使用的更有效、更安全的药物未满足的医疗需要国外大公司的研发投入国外大公司的研发投入 *Note: Merck Co. total revenue is $40 billion which includes sales from its Merck-Medco PBM division. （十亿美元）（2000年）创新的力量创新的力量不断发现及商品化更新更好的药是制药业的动力和不断发现及商品化更新更好的药是制药业的动力和源泉源泉扩大扩大“老老”市场市场关节炎类疾病/消炎止痛 : Celebrex ($2.6 Bn), Vioxx ($2.2 Bn)糖尿病: Glucophage ($1.2 Bn)消炎: Augmentin ($1.7Bn), Cipro ($1.6 Bn)创造新市场创造新市场伟哥 : Viagra ($1 Bn)治疗骨质疏松 : Fosamax ($1 Bn)妇女保健: Premarin ($1.2 Bn)药物研发突飞猛进药物研发突飞猛进研发中的药物解决问题的出路是尽快提高我国药物设计的水平我国制药工业的规模居于世界前列我国创制新药的能力十分有限国内现状：挑战和机遇国内现状：挑战和机遇医药工业的总产值只占世界医药市场总销售额的35 生产药物的98都是仿制的 药品专利法的实施及进入WTO对仿制的限制将越来越严研发资金投入严重不足 拥有与国际上相近的人才和技术低成本、低消耗、大市场必须改变药业投资的旧观念从仿制为主到高科技带动下的研发创新为主 把握机遇，创制我国自己的新药并进入国际市场 后基因组时代药物研发策略的重大变化尝试法尝试法万分之一到十万分之一的成功率低效率高副作用8 - 12 年推向市场少于500 个药物作用靶标需5亿美元作用才能投入市场针对基因与蛋白质的针对基因与蛋白质的药物设计药物设计计算机辅助方法高成功率6- 8年推向市场将有5,000 - 10,000 药物作用靶标降低费用40左右2000后基因组时代药物开发的一般过程先导化合物的产生先导化合物的产生 先导化合物的优化先导化合物的优化 活性测定活性测定 临床前研究临床前研究 临床研究临床研究 药物药物 10-12 10-12 年的时间年的时间药物靶标发现药物靶标发现药物设计的分类1 1、已知受体三维结构的情形、已知受体三维结构的情形根据受体结构寻找新类型的先导化合物受体与已知化合物作用研究，先导物的优化复合物晶体结构探针搜索法自由能微扰计算2 2、未知受体三维结构的情形、未知受体三维结构的情形系列化合物的定量构效关系研究药效团模型基于结构的药物分子设计基于结构的药物分子设计一、概况概况二、药物设计的理论基础二、药物设计的理论基础三、已知受体结构的药物设计三、已知受体结构的药物设计四、未知受体结构的药物设计四、未知受体结构的药物设计五、药物设计与组合化学的关系五、药物设计与组合化学的关系六、展望六、展望药物设计的理论基础药物与受体作用的锁药物与受体作用的锁- -钥模型钥模型刚性作用，诱导契合实验方法：X-射线晶体学，NMR，CD，荧光，微量量热法，等基于药物作用机制的设计基于药物作用机制的设计刚刚开始Two Key Issues in Lock-Key ModelHow to dock the drug molecule to its targetdifferent docking algorithms rigid docking: rotation & translation soft dockingHow to calculate the binding free energyProblems in Molecular Recognitionattractions when they are far awayconformational changes and induced fitenergetic termsdesolvationdipole-dipole, orbital.分子识别与分子对接分子识别的作用基础分子识别的作用基础- -分子间弱相互作用分子间弱相互作用van der Waals interactionH-bondselectrostaticdipole-dipoleorbital-orbitalsolvent effect.分子识别的广泛存在性分子识别的广泛存在性生物大分子的相互作用，信号传导，生物调控材料组装超分子催化剂设计.分子对接计算分子对接计算一、刚体对接旋转+平移， 6个自由度1. 1. 已知作用位点及一组距离限制已知作用位点及一组距离限制 距离几何算法 Monte-Carlo 模拟退火 对接初始位置确定三个随机数：（1）哪个自由度变（2）变化步长（平移2埃，旋转45度）（3）是否接受变化Edock = K(ri)(ri - r0)2K(ri) = 500 ri1.5埃CAB6rr2. 2. 未知作用位点未知作用位点形状互补表面模式互补表面最小二乘拟合computer-vision mehtod3. 3. 打分标准打分标准几何匹配好坏几何匹配好坏结合能结合能结合面分析结合面分析对于蛋白质对于蛋白质-蛋白质（如抗原蛋白质（如抗原-抗体，酶抗体，酶-蛋白抑制剂）蛋白抑制剂）interface area 1500埃2，hydrogen bonds: 813 pairspacking density: similar to protein core二、柔性对接二、柔性对接1. Soft docking 表面平滑处理，允许原子相互穿透2. 配体构象变化配体构象变化 受体-多肽体系，受体诱导多肽构象变化3. 受体构象变化受体构象变化 侧链构象， 主链4. 受体受体+配体构象变化配体构象变化 induced-fit常用的对接程序常用的对接程序DOCK4.0, DOCK5.0AutoDockFlexFT-DOCKGRAMM.SCORE: A New Empirical Method for Estimating the Binding Affinityof a Protein-Ligand ComplexRenxiao Wang, Liang Liu, Luhua Lai, and Youqi TangInstitute of Physical Chemistry, Peking UniversityJ.Mol.Model. 1998, 4, 379-394.Why to predict binding affinity?Database searchDe novo methodManually designRank the candidatesSynthesis&bioassayIt is the central issue in structure-based drug design.Energetics of the Binding Process Dissecting the binding free energy into componentsFInteraction energy between ligand and protein(enthalpic)FOverall loss in entropy due to association(entropic)FHydrophobic effect(entropic)FEntropy loss due to rotational constraints(entropic)FChanges in conformational energy upon binding (enthalpic)=+Protein-Ligand InteractionsElectrostatic interactionCoordinate bonding with metal ionVan der Waals interactionHydrogen bondingKinteraction = k1KSB + k2KIB+ k3KVC + k4KVB + k5KHBSCORE equation Taking account for VDW interaction, hydrogen bonding, hydrophobic interaction, deformation entropy loss and metal-bonding upon protein-ligand binding process.Correlation between the calculated pKd values andthe experimental values of 170 protein-ligand complexesAtomic Binding ScoreThe overall binding affinity can be decomposedinto the contribution of individual atoms.ALOHA!XLOGP: A New Atom-Addition Method for Calculating Partition CoefficientsRenxiao Wang, Ying Fu, and Luhua LaiInstitute of Physical Chemistry, Peking UniversityJ.Chem.Inf.Comput.Sci. 1997, 37, 615-621Using 80 atom types (C, H, O, N, S, P, halogens)and 5 correction factorsCorrelation between the calculated logP values and the experimental values of 1831 organic compoundsMolecular lipophilicity potential (MLP)of melatonin高通量虚拟筛选策略已知靶蛋白质的结构化合物数据库300万ACD-3D, 化学试剂数据库CSD, 小分子晶体结构数据库NCI-3D,MDDR, 已报导过的药用化合物数据库CA，化学文摘中的化合物天然产物及中草药数据库高通量并行计算方法计算机虚拟筛选策略靶蛋白先导化合物先导化合物小分子库预测无抑制活性预测无抑制活性常用的计算机虚拟筛选策略反向数据库筛选文献阅读及讨论要求Murray, C.W., Baxter, C.A., Frenkel, A.D., The sensitivity of the results of molecular docking to induced fit effects: Application to thrombin, thermolysin and neuraminidase. J. Compt.-Aided Mol. Design 13:547-562(1999)(1) Docking算法在药物设计中的作用。(2) PRO_LEADS采用何种方法进行配体的柔性对接？(3) 结合亲合性的计算方法及合理性？(4) 在受体与配体的对接过程中应该考虑哪些构象变化（分子柔性），现有的程序可以处理哪些，哪些构象变化是目前尚未考虑的？针对所存在的问题可能采取的策略？(5) 三种不同蛋白对接研究的不同结果是什么？