计算机辅助药物设计的方法学CADD计算机辅助药物设计的方法学计算机辅助药物设计的出发点是基于对药物和受体间相互作用的理解和研究。根据生物大分子(受体)的结构是否已知，计算机辅助药物设计有着两种不同的策略：直接药物设计间接药物设计计算机辅助药物设计的方法学直接法根据已知受体的三维结构设计配基分子间接法则在未知受体三维结构的情况下，从一系列配基分子中归纳出受体受点的要求，再以此设计新的配基。计算机辅助药物设计的方法学直接药物设计全新药物设计模板定位法原子生长法分子碎片法动力学算法基于靶点结构的三维结构搜寻计算机辅助药物设计的方法学间接药物设计 药效基团模型的建立活性类似物法(AAA)药效基团摸型法基于药效基团模型的三维结构搜寻距离几何法(DG)3D-QSAR假想受点点阵(HASL)分子形状分析(MSA)比较分子场分析法(CoMFA )计算机辅助药物设计的方法学 对于己知靶点(如受体)的结构，可用全新药物设计，即根据受体受点的形状和性质，利用计算机程序计算和分子图形显示直接设计其结构互补的激动剂或拮抗剂。这是一种模建的方法（buillders） ,恰如量体裁衣式订做服装。计算机辅助药物设计的方法学还有一种是基于靶点三维结构的用分子对接方法三维搜寻小分子数据库。 它是依据受体受点，在一个已知的三维数据库中进行搜寻，从而找到与之结构和性质互补的配基分子。这是一种扫掠的方法（scanners），有如在服装店挑选合身的成衣。计算机辅助药物设计的方法学到目前为止，大部分受体的结构并不知道，有些只获知受体蛋白的一级结构知识，由于测试水平和晶体的获得仍有一定限制，因此能获得的三维结构是很有限的。在这些情况下，可以根据一系列具有生物活性的分子，利用计算机技术对有活性的各类化合物进行计算分析，以得到一个三维定量构效关系(3D-QSAR)模型。并通过计算机图形显示化合物的构象，推测受体的空间形象，然后以此虚拟受体为依据进行药物设计。这种药物分子设计方法有如量衣裁新衣做服装1. 直接药物设计 直接药物设计(direct drug design)首先从与生物活性有关的靶点比如受体入手，阐明靶点的功能、三维结构、内源性配基或天然底物的化学结构特征，以计算机辅助展示这些物质的受点 ，然后用各种方法得到选择性作用于该部位的配基分子。靶点的确定配基分子的设计1. 直接药物设计但知道受体的三维结构并不意味着就知道配基与受体作用的受点。受点的确定是基于受体蛋白与小分子配基的互补结合，包括空间互补及疏水作用、离子键、氢键、电荷转移等作用。常用活性部位分析法(active site analysis，ASA)来分析配基分子中的原子或基团与受体作用的活性部位，它用一些简单的分子或碎片作为探针来探测配基分子活性部位可能的结合位置。GRID 是一个典型的软件，将受体的活性部位划分为有规则的网格，把探针逐个置于每个网格点上，应用力场分析方法，计算探针原子(或基团)与已知三维结构的蛋白质分子表面之间的相互作用能，得出一系列能量值。负的能量值代表着探针与蛋白分子间的作用区域;根据探针的不同，可确定作用是属哪一类型;确定了受体的受点，按照空间互补作用和静电互补作用相互关系，可以用来设计配基分子。基于靶点结构的三维结构搜寻全新药物设计三维结构搜寻三维结构搜寻(three-dimensional structure searching)又称数据库搜寻法或数据库算法，是利用计算机人工智能的模式识别技术，把三维结构数据库中的小分子数据逐一地与搜寻标准(即提问结构)进行匹配计算，寻找符合特定性质和三维结构形状的命中结构(hits)，从而发现合适的药物分子。三维结构搜寻方法可以在实验药理筛选之前为数据库中的分子作生物活性的可能性预报，这其实是进行计算机辅助药物筛选( computer aided screening)。计算机辅助药物筛选也称虚拟筛选(virtual screening)，它是以酶、受体等生物大分子三维图像代替生物样品，以数据库化合物结构代替化合物样品，以对接代替药理体外筛选。计算机试验筛选出有效的化合物结构，再用药物体外试验筛选，可大大减少合成化合物的数量，提高药物筛选命中率。三维结构搜寻三维结构搜寻对接(docking)是指受体和配基之间通过能量匹配和空间匹配而相互识别形成分子复合物，并预测复合物结构的操作过程。对接常用于研究药物和受体相互作用的模型，特别适用于受体的作用机制、空间配置等研究得较清楚的方面。三维结构搜寻对接的一般过程是: 先在受体找出空穴，定出表面; 再将配基置于空穴，根据受体受点与药物的性质和形状的互补性，调整受体受点或药物的构象; 计算对接时各个取向的受体一药物相互作用能量，进行分子动力学模拟，求得复合物的全局最优结合构象，即得到最佳的对接。三维结构搜寻对接是三维结构搜寻的基础。通过三维结构搜寻，有望寻找到与受体受点性质和形状互补的、与已知活性化合物类似的配基，也有可能寻找到与已知活性分子结构迥然不同的新的结构类型。因此，三维搜寻为设计新型先导化合物提供了又一种方法。三维结构搜寻三维结构搜寻的基本要素: 三维结构数据库、 搜寻标准 搜寻方法。基于靶点结构的三维结构搜寻(直接药物设计)和基于药效基团模型的三维结构搜寻(间接药物设计)所用的三维结构搜寻方法是大致相同的。三维结构搜寻三维化学结构数据库在三维结构搜寻中常用的晶体结构数据库有小分子的剑桥结构数据库（CSD）和大分子的美国布鲁克海文国家实验室蛋白质数据库（PDB）二维化学结构转换为三维结构三维结构搜寻搜寻标准搜寻标准(search criteria)，询问条件或提问结构，它是用与受体受点相互作用的药效基团单元的特征结构及它们之间的空间关系说明所组成的三维结构。三维结构搜寻询问条件的提出通常有2种方法:如果受体结构已知，可直接根据受体受点的性质和形状反推出互补性配基的特征结构及空间关系(药效基团模式图)，以此来定义搜寻配基的询问条件；在受体结构未知的情况下则可根据一组活性配基的药效基团模式图或3D-QSAR分析，定义出询问条件。三维结构搜寻三维结构搜寻的搜寻算法根据搜寻方式不同，可分为三维几何搜寻三维相似性搜寻柔性构象搜寻常用算法软件: DOCK FlexX三维结构搜寻DOCKDOCK程序首先从大分子的分子表面得到受点的腔穴。腔穴由许多接触分子表面2个点的不同半径的重叠球状区域组成，球体中心为潜在的配基原子位置，然后在分子三维结构数据库中搜寻，将配基的原子放入腔穴中进行适配，使所有的配基原子间距离与相应的球状区域的中心间距离相等，于是配基就可以在受点中定向。三维结构搜寻DOCK定向后配基与受体不能有空间上的冲突。如果配基的定位是可接受的，则对此作用模型进行打分。通过不同配基原子和不同的受点球状区域的匹配，得到新的配基定位，保留最高得分的分子，进行下步操作。三维结构搜寻FlexXFlexX程序通过分析受体原子周围能潜在地与配基相作用的作用位点的分布来定义出结合部位。受体的作用位点为受体原子周围空间的点，能与配基所对应的原子以氢键、盐桥、疏水作用等方式产生有利的结合。三维结构搜寻FlexXFlexX搜寻过程如下:先定义出所有的作用位点及其作用距离，从配基原子中生成询问条件，对作用位点作搜寻。全新药物设计 全新药物设计(de novo drug design)，亦译从头设计，也可称为三维结构生成或从头构造法。它根据受体受点的空间结构和性质要求，直接借助计算机自动构造出形状和性质互补的新的配基分子三维结构。全新药物设计由于它能提出结构全新的具有启发性的先导化合物，故谓之全新或从头设计。它是一种直接药物设计方法，从理论上讲这一方法考虑了受体与配基之间相互作用的优势和稳定性，要比数据库中搜寻的结构要好，而且得到的先导化合物结构可能是全新的，不被任何人的偏见所干扰。全新药物设计全新药物设计的出发点也是受体受点与配基之间的互补性，在受体的受点配上基本构建块( building block) ,然后通过数据库的搜寻和计算，在构建块上安置合适的原子或原子团，得到与受体的性质和形状互补的真正的分子。全新药物设计根据构建块的不同，全新药物设计的方法可分为：模板定位法原子生长法分子碎片法SAR by NMR法全新药物设计无论用何种设计方法，得到的都是大量的分子，从这些分子中挑选出最好配基的步骤称为打分。根据分数的高低，选取高分段分子结构供进一步研究。全新药物设计-模板定位法模板定位法，该法先在受体的受点用模板构建出一个形状互补的三维分子骨架，再根据受体的性质把分子骨架转化为具体的分子结构。这一过程的第一步称为一级结构生成，第二步称为二级结构生成。全新药物设计-模板定位法在一级结构生成中，首先要建立一个模板库。模板(template)为三维分子图形，顶点表示原子，线表示化学键。每个模板的顶点可以用任何合适的具不同杂化状态的原子所取代，因而可产生许多片段。全新药物设计-模板定位法把一个具有合适形状的模板放在靶点位置上，其中一个顶点置于靶点中心，将模板围绕顶点旋转而得到最佳位置，然后按一定方式连接上新的模板，向着剩余的靶点方向生长骨架，得到满足所有的立体条件的空间骨架，去掉超出边界的和与靶点发生碰撞的顶点，即得到分子骨架。全新药物设计-模板定位法在二级结构生成过程中，根据靶点的其他性质，如静电、氢键和疏水性质等，用适当的原子或原子团和键取代分子骨架中的顶点和线，产生能与靶点性质互补的新分子。全新药物设计-模板定位法全新药物设计-原子生长法原子生长法是根据靶点的性质，如静电、氢键和疏水性等，逐个地增加原子，配上与受点形状和性质互补的分子，也就是说基本构建块为原子。在原子库中含有原子生长所需要的各种类型的原子，还有各种类型的化学键。全新药物设计-原子生长法基本步骤第一步是产生起始点，起始点有两种:一种是受体受点表面易形成氢键的原子，称为锚原子或种子原子。一般为电负性较大的原子如氧、氮等;另一种是预先对接在受体受点上已知的配基或配基的一部分，称为起始结构。全新药物设计-原子生长法基本步骤第二步是原子生长，其方式有两种：一种是系统生长法，它利用原子一一组合生长出所有可能的分子;另一种是随机生长法。全新药物设计-分子碎片法分子碎片法(molecular fragment approach)又称化学数据库算法或片段连接算法。该法应用的基本构建块为碎片，每个碎片由单一官能团(如羚基、羰基或苯环等)构成，根据各碎片的连接增长的方式不同，可分为碎片连接法和碎片生长法。全新药物设计-分子碎片法碎片连接法首先要有储存有各种碎片的碎片库和各种连接子的连接子库。根据性质的不同，将受点区域划分为不同的能容纳一个碎片的子区域。然后搜寻碎片库。找到形状和性质符合要求的碎片，对接上去。再搜寻连接子库，寻找合适的连接子将各子区域的碎片连接起来，就可以得到一个完整的分子。全新药物设计-分子碎片法对产生的一系列分子用分子力学计算进行结构优化，挑选出最好的几个结构供下步研究。全新药物设计-分子碎片法全新药物设计-分子碎片法全新药物设计-分子碎片法碎片生长法类似于原子生长法，但它在受体受点上根据性质、形状的要求，以碎片而不是以原子逐个地生长来构建成一个分子。碎片生成的起始点可以是受点上指定的种子原子，也可以是核心碎片。全新药物设计-分子碎片法碎片生长法核心碎片是连接在受点上能量合适的碎片，可以从碎片库中得到，或选择配基分子中的一个片断。然后根据作用能量的大小生长出一个一个的碎片，最后得到一个完整的分子。从分子力学优化所得到的一系列结构中挑出合理的几个结构作进一步研究。全新药物设计-分子碎片法全新药物设计-分子碎片法全新药物设计-分子碎片法全新药物设计-分子碎片法由于分子碎片法是以化学上合理的碎片作为设计的基本单位，所得到的新分子在结构上容易被接受，所以这一方法成为当前全新药物设计的主流。全新药物设计-SAR by NMR核磁共振法构效关系研究(SARby NMR)方法设计产生新药。该方法的基本思想是先测得N标记受体蛋白的一组数据并找出相关关系，然后在各等分量受体溶液中加人各种配基。全新药物设计-SAR by NMR如果配基与受体不能作用，则保持不变;如果配基与受体结合，则会改变之间的局部化学环境，相关谱图将会发生化学位移的变化。一般化学位移变化越大，反映出配基与受体活性部位的结合越紧密、作用越强。从化学位移的变化与配基结构的对应关系，可以得到受体的活性部位图形。全新药物设计其他基于三维结构搜寻的全新药物设计此方法先根据受体受点的特性，在小分子化合物数据库中作三维结构搜寻，然后以搜寻得到的结构为出发点，进行结构改造，使其与受体受点充分匹配。这是一种介于三维结构搜寻和全新药物设计的方法，可比喻为将选购来的服装改制成更合体型的款式.2. 间接药物设计在受体三维结构未知的情况下，可采用间接药物设计方法。结构相似、作用类型相同、活性大小不一的一系列配基，可能会有共同的结构基础，它们能与同一受体的受点作用，因此可以在一系列配基的结构基础上，寻找它们共同的药效基团。间接药物设计方法包括: 3D-QSAR方法、建立药效基团模型的方法以及在此基础上的三维结构搜寻方法。同源蛋白模建同源蛋白是由两个或两个以上由同一祖先蛋白质趋异进化而产生的蛋白质利用蛋白质的同源性，用已知三维结构的同源蛋白质为样板可以进行同源蛋白的模建，这种方法称为同源蛋白模建法。同源蛋白模建同源蛋白模建的基本步骤为:(1)根据未知蛋自质的氨基酸序列，在蛋自质数据库中寻找一个或几个同源蛋白，作为推算和模建未知目标蛋白质的模板；(2)显示并重叠目标蛋白质及模板蛋自质的一级序列；(3)通过结构比较和序列分析找出模板的结构保守区； 同源蛋白模建(4)找出未知的目标分子与已知结构的模板分子共同的二级结构区域，构建目标分子的局部主链结构；(5)根据已知结构，连接目标分子中二级结构片段；(6)用分子力学和分子动力学方法对模建的初始模型作优化，获得未知蛋自质的结构。活性类似物法这一方法从一组不同结构和生物活性的配基的低能构象中抽提出关键的特征，即指定出分子之间对应的重要基团，进行各配基构象的重叠，使每个分子尽可能处于低能构象，关键特征尽可能重叠在一起，经反复叠合，找到最佳的重叠构象。活性类似物法假想受点点阵该方法先计算出相似或不同类型配基构象的最小能量，并将整个分子置于一个规则、正交的三维网格，由用户指定一个理化性质，比如疏水性或电子密度等加于三维网格中作为第四维，将每个分子的生物活性值相对应点阵的所有点平均，得到假想的受点点阵模型。对某一分子而言，其对应的分子点阵与复合点阵所共享点的局部活性的加和，即为该分子的预测活性。距离几何法其基本观点是:药物-受体的相互作用是通过药物的活性基团与受体受点相应的结合点直接作用而发生的，药物的活性大小与药物和受体结合点的结合能大小有关。距离几何法通过选择合理的受体结合点分布模型和药物分子的结合模式，建立起与药物活性基团和受体结合点类型相关的能量参数，以此定量预测其结合能，进而推知药物的作用强度。距离几何法操作时先构造出一个配基的大致3D模型，并选择最低能量的构象，求得一个表示分子内两个原子或基团之间距离的矩阵，并定出上下限，用这样一个由若干个分子内两点间距离构成的空间矩阵来表示整个分子。距离几何法在受体的受点设置一系列空间点，分成空的（配基点可以进入并与受体作用)和满的(空间已被受体原子占领，配基点不能进入)两种，然后进行搜寻，即可寻找出药物的活性基团与受体受点相结合的模型。距离几何法利用结台能参数搜寻结合最佳的结合模式，计算出结合能，即可预测新化合物的生物活性。分子形状分析认为柔性分子可以有多种构象，因此有多种形状，而受体对所能接受的配基的形状是有要求的，所以分子的活性就与配基分子形状对受体腔的适应能力有关分子形状分析MSA使用一些可以表达分子形状的参数，如以体系参照分子的重叠体积、分子势场积分差异等作为变量。经统计分析求出QSAR关系式。分子形状分析MSA把经典Hansch分析的变量扩展到包含分子三维结构的形状参数，使QSAR关系式更精确。同时也为研究药物受体作用模型提供参考。比较分子场分析法分子药理学研究表明，引起生物学效应的药物分子与受体的相互作用大多是一种可逆的非键合作用，如范德瓦耳斯力、静电相互作用(库仑作用)和氢键，这些非键合作用可以用分子的势场来描述。比较分子场分析法这样，在不了解受体三维结构的情况下，研究这些药物分子周围3种作用势场的分布情况.把它们与药物分子的生物活性定量地联系起来，用以推测受体的某些性质，并可依此建立起作用模型来设计新的化合物，定量地预测其活性强度。比较分子场分析法基于这一机理，建立了比较分子力场分析法或称比较分子场分析法(comparative molecular field analysis，CoMFA)，该法假定配基与受体的结合是非共价的，两者的亲和力或配基的生物活性与配基分子周闹的空间立体场或静电场有关。比较分子场分析法将分子的势场对应至网格点上表示分子周围的环境，再在势场的基础上来比较分子，分析其与活性之间的关系。比较分子场分析法CoMFA能同时用于非同系化合物的结构与活性分析，自1988年提出以来，已成为目前应用最广的3D-QSAR技术。它的操作过程包括以下四个步骤。比较分子场分析法(1)构建出分子的三维结构，以分子力学和量子化学计算被研究化合物的优势构象，按照合理的重叠规则和根据对药效图形的推测和判断，把这些分子三维结构重餐在一个包容全部化合物分子的空间网格上。比较分子场分析法(2)选择一个合适的探针原子、基团或分子，在空问网格上逐点移动.每行进一个步长均计算出探针与化合物的相互作用能，以确定化合物分子周围各种作用力场的空间分布。比较分子场分析法由此得到与每一网格相对应的上千个至数千个场能量值，把其连同生物活性值建成QSAR数据表。比较分子场分析法比较分子场分析法(3)采用偏最小二乘法(PLS)进行回归(4)用得出的3D-QSAR预测未知物的活性，计算某一新化合物分子周围的力场分布，输人到该模型中。如果不正确，则重复步骤(2)和(3)，直到得出具有最佳预测功能的3D-QSAR。比较分子场分析法 由于CoMFA产生的3D-QSAR方程中系数数目很多，难以看出其系数与生物活性间的关系。因此3D-QSAR方程常用直观性较强的、能勾画出受体受点三维势场配置的三维系数等势图表示。比较分子场分析法系数等势图用等值线或几种不同颜色的曲面，清晰地显示出哪些部位的正或负静电场有利于活性，哪些部位允许或不允许有大基团存在。比较分子场分析法比较分子场分析法勾画出与该化合物互补的受体部位模型，对设计新化台物和预测其活性有良好的指导作用。比较分子场分析法2D-QSAR是基于热力学和线性自由能相关分析，3D-QSAR是根据探针在分子的空间各网格点上能量的变化与分布，是2D-QSAR的深化和发展。2D-QSAR使用的立体参数只是给出总的体积或粗略的立体形状，对于描述构型、构象是无能为力的。2D-QSAR只能用于同一种结构类型的化合物，而CoMFA能对结构差异较大的不同种类化合物作分析，这是2DQSAR所不能比拟的。 比较分子场分析法反过来，2DQSAR也能补充3DQSAR之缺陷。虽然CoMFA方法可以模拟药物与受体的三维空间互补的作用模型，但在没有药物一受体复合物晶体结构的情况下，目前还不能保证所推测的药效构象完全正确。因此对柔性较大的化合物，2DQSAR仍将发挥重要作用。比较分子场分析法另外，Hansch方法所处理的过程包括了药物的吸收、分布、转运和过膜的药动学和到达受点的药物与受体相互作用的药效学，比较分子场分析法而CoMFA方法仅能处理纯药效学的数据，比如酶、受体、或细胞测定的体外数据，而对包含药动学成分的活性数据，如整体动物的体内生物活性测定数据、生物利用度等则不适宜。比较分子场分析法因此CoMFA方法与Hansch方法相结合使用，相互补充，取长补短。药效基团模型法对一系列活性化合物进行3D-QSAR研究，并结合构象分析，得出该类药物的药效基团模型。运用三维活性预测专家系统Apex-3D，能自动识别生物活性分子中的药效基团。