第讲基于配体的药物设计 ppt课件.ppt

药 物 设 计 学,王远强,1,思考题,3,简述三维定量构效关系方法CoMFA和CoMSIA之间的相同点和不同点。什么是药效团？如何运用药效团模型进行药物设计。,3,4,第二节 基于配体的药物设计方法之一-定量构效关系,4,5,Hansch模型、Free-Wilson模型等方法并不能细致地反应分子的三维结构与生理活性之间的关系，因而又被称作二维定量构效关系（2D-QSAR）。,（1）对于一些新的不常见的取代基无法获得合适的理化参数去描述；（2）对于药物受体相互作用信息缺少相应参数描述；（3）对于所得到的结果不能获得直观的图形输出，难以将描述符的意义和结构修饰相联系。,1980年前后人们开始探讨基于分子构象的三维定量与其各类活性之间关系，这一类的QSAR方法被称为3D-QSAR。,6,6,3D-QSAR,3D-QSAR是以配体和靶点的三维结构特征为基础，根据分子的内能变化和分子间相互作用的能量变化，将已知一系列药物的理化参数和三维结构参数与药效拟合出定量关系，再以此关系预测新化合物的活性，进行结构的优化和改造。进行3D-QSAR分析必须先推断出配体的药效构象和药效基团，因此3D-QSAR与药效团模型是密不可分的。,7,7,3D-QSAR,3D-QSAR实际上是QSAR与计算化学和分子图形学相结合的研究方法，是研究药物与受体间的相互作用、推测模拟受体图像、建立药物结构活性关系，并进行药物设计的有力工具。,分子形状分析（Molecular Shape Analysis,MSA）计算机结构自动评价方法（Computer Automated Structure Evaluation，CASE）假想受点点阵（Hypothetical Active Site Lattice，HASL）距离几何法（Distance Geometry Methods,DGM）比较分子场分析方法（Comparative Molecular Field Analysis,CoMFA)比较分子相似性因子分析(Comparative Molecular Similarity Indices Analysis,CoMSIA),8,分子形状分析（Molecular Shape Analysis,MSA）,分子形状分析法是Hopginger教授1980年提出的，属于分子构象分析与Hansch方法结合的产物。该方法认为柔性分子可以有很多构象，而受体所能接受的构象是有限的。因此分子的活性与该分子形状对空腔的适应能力有关。MSA使用可以表达分子形状的参数作为自变量，经统计分析求出QSAR方程。,9,分子形状分析 基本步骤,但是，MSA给出的分子形状参数很简单，常常不能区分药物分子在形状上的差别，且有些引入的参数物理意义不明确，属于初级的3D-QSAR，因此MSA的使用受到很大的限制。,10,计算机结构自动评价方法（Computer Automated Structure Evaluation，CASE）,是kolpman教授提出的。该方法以程序自动地把分子分为若干个碎片，从有生物活性化合物中得到的碎片作为有活性的，无生物活性化合物得到的碎片则为无活性的，形成一个分子碎片的数据库。然后用回归法对碎片和生物活性进行相关性分析，建立定量关系式，并以此对新化合物进行定量预测。,11,假想受点点阵（Hypothetical Active Site Lattice，HASL）,该方法先计算出相似或不同类型配体构象的优势构象，将最低能量的配体分子结构置于一个规则正交的三维网格，由用户指定一个理化性质，比如疏水性或电荷密度等，加于三维网格中作为第四维，计算网格中点阵的所有能量值，然后与每个分子的生物活性相关联，得到假象的受体点阵模型。对某一分子而言，其对应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。,12,距离几何法（Distance Geometry Methods,DGM）,距离几何法认为，药物与靶点相互作用是通过药物的活性基团和受体结合部位相应的结合点直接作用实现的。药物的活性高低可以通过其活性基团和受体结合点的结合能来衡量。,基本步骤：（1）定义分子中可能的作用位点；（2）计算分子的距离矩阵，用原子的距离矩阵得到分子作用位点的距离矩阵；（3）定义靶点结合位点的分布，其相对位置 也用距离矩阵来表示；（4）确定靶点结合位点的分布，通过靶点和药物的距离矩阵来确定最佳的结合模式及靶点结合位点的空间分布。,13,13,1988年Cramer等提出的比较分子场分析方法（Comparative Molecular Field Analysis，CoMFA），是QSAR研究领域中的一个重大贡献。,该方法分析药物分子周围的作用势场分布，把势场与药物分子的生物活性定量的联系起来，用以推测靶点的某些性质，并可依此建立其作用模型来设计新的化合物，定量的预测其活性强度。,比较分子场分析方法（Comparative Molecular Field Analysis，CoMFA）,14,14,基本假设：（1）在分子水平上，影响生物活性的相互作用通常是非共价力，而药物的生物活性可通过分子周围的力场来反应。这种分子力场（立体场和静电场）体现在三维空间。（2）一系列类似化合物以同一机制作用于同一受体,受体活性部位的分子场分布是确定的。,15,15,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性的非键合作用，如范德华力、静电相互作用、疏水作用和氢键等，并称这些相互作用为场，将这些非键合作用用分子的场来描述。因此，在不了解受体三维结构的情况下，研究这些药物分子周围的作用势场的分布情况，作为化合物的结构特征变量，用数学方法建立他们与化合物的生物活性之间关系的模型，用以推测受体的某些性质，并可依据所建立的作用模型来设计新的化合物。定量的预测其活性强度。,CoMFA原理,16,16,Electrostatic field,Steric field,Biological Activity=a Steric0001+b Steric 0002+.+m Steric4913+n Elec0001+.+y Elec4913+intercept,Grid maps for CoMFA and field calculation method,17,17,CoMFA操作基本过程,1、构建分子，进行结构优化确定活性构象(药效构象)。,2、计算分子中的原子的电荷。获取原子净电荷以便能计算分子的静电力场,在有受体的晶体结构和受体与小分子的作用位点清楚的情况下，采用分子对接的方法确定分子的活性构象是目前比较普遍的活性构象获得方法。,18,18,3、选择合适的叠加规则叠加分子，这是CoMFA的关键步骤,叠合一般分为骨架叠合和场叠合。对于结构差异大的化合物，叠加规则的选取对于研究的结果有很大的影响。骨架叠合有以下几种规则可供选择：,1）在了解作用机理的前提下，可以用已知的活性构象作为模板，构建其余分子的结构，并进行局部优化后与已知的活性构象叠合。,2）在活性构象未知的情况下，用活性最高的分子低能构象作为模板，构建并局部优化其他分子的结构，与模板分子进行叠合。,3）或者在活性构象未知的情况下，可以用活性类似法（Active Analogue Approach，AAA）对分子进行系统构象搜索，找出其共同的构象，从而确立活性构象进行叠合。,19,活性类似法（Active Analogue Approach，AAA）,活性类似法（AAA）又称为共同模板假设（Common template hypothesis）或共同构象假设（Common conformation hypothesis）,方法：从一系列配体中抽出关键特征，进行各配体构象的重叠，使每个配体尽可能处于低能构象，同时尽可能让关键特征重叠在一起。经反复重叠，找到最佳的叠合构象。从这些重叠构象的范德华表面，推测得到假设的同一受体结合位点作用所必须的结构特征。,20,4）如果分子的结构差异较大时，骨架叠合方法不是理想的叠加法。可以采用场拟合（field fit）方法进行叠合。首先计算出各个药物分子的力场，经3个平移自由度和3个转动自由度及某些扭角调整，然后使它们与模板（一般为活性最高的药物）的力场差别最小。,5）用对接后的分子集作为CoMFA中叠合分子集的做法，并与传统的低能构象叠合方法相比较，得到了较好的计算结果。,在实际的计算操作中，没有哪种方法更加优越的比较，究竟选取哪种叠合方式更加有利于所研究的体系要视具体情况而定,21,4、在叠合的分子周围产生一个包容所有分子的矩形盒子，并划分成规则排列的格点。用某种基团或者小分子（H+，Csp3+，H2O，CH3等）作为探针，在网格中以一定的步长移动（0.42埃米），计算在每个点与每个化合物构象式间的立体场能和静电势等。连同活性数据值，建立数据表。,常用的探针有：Csp3+计算立体能和静电能H2O 计算疏水场和氢键CH3 计算van der Waals场H+计算静电场,22,5、用PLS建立分子场与生物活性之间的关系，并用交叉验证来检验PLS得到的模型的可靠性 由于格点数多，往往采集到2000个以上的力场值，远远超过化合物样本数，因为不能用线性回归（MLR）分析处理，而用偏最小二乘（PLS），以克服自变量数目超过因变量数目所带来的问题。,23,QSARequation,PLS,ContourMaps,Predictions,QSAR Table=SYBYL MSS,Bio,24,24,CoMFA模型的预测能力评价由统计指标press 和交叉验证相关系数确定。,其中：代表观测值，是计算值,press 越趋近于0，则模型的预测效果越好。,大于0.5 才表示此模型可以用于预测新的化合物的活性,25,6.利用3D-QSAR模型预测新化合物的活性,26,26,7、用三维等势线图形（contour map）显示QSAR模型，显示立体与静电的有利与不利区域，根据此图设计新的化合物，并预测其活性。,CoMFA可以用等值线图的方式将各种场的分布用图形直观地表示出来。从图上可以清楚地观察到各种场分布强弱对化合物活性的影响，从而可以根据模型的指导和对实际情况的分析，对现有化合物进行结构修饰和改造，设计新的分子结构。,Electrostatic map indicating red contours around regions where high electron density(negative charge)is expected to increase activity,and blue contours represent areas where low electron density(partial positive charge)is expected to increase activity.,27,Steric map indicating areas where steric bulk is predicted to increase(green)or decrease(yellow)activity.,28,如何得到较好的CoMFA模型,提高交互检验的q2的方法：1.改变化合物的叠合方式 2.活性构象的选择 3.改变化合物的空间取向 4.调节格点大小 5.选择不同的探针原子消除空间取向对q2的影响的方法 1.全取向全空间搜索法（AOS-APS）2.交互检验的q2引导的区域选择方法,29,29,CoMFA自问世以来，由于其预测能力强，模型形象、直观，已逐渐成为应用最为广泛的3D-QSAR方法。,它从微观即从分子和原子的水平上揭示了药物分子与受体相互作用的空间特征和在空间结合的理化性质。,特点：将分子特征的表述、统计学方法和图形显示结合在一起，具有直观和实用性。,30,CoMFA方法的优点与缺点,3D visualization of important featuresPredictive power within scanned spaceSuitable to describe receptor-ligand interactionsGood correlation within related set,Alignment is often difficultCoMFA results may be extremely sensitive to a number of factors,such as overall orientation of aligned compounds,lattice shifting,step size and the probe atom type.,此外，CoMFA仅考虑立体场和静电场所选用的分子势能函数在某些格点附近会出现显著变化，出现异常数值，需要定义能量的截断（cut off）值，导致某些区域的分子场信息不能很好的表达。,31,CoMFA应用实例,用CoMFA方法分析了乙内酰脲类化合物在(R,R)-N-3,5-二硝基苯甲酰基-1,2-二胺型手性固定相上拆分效果的因素，成功地解释了影响这一类化合物拆分效果的原因。将CoMFA方法用于手性拆分的研究，不仅进一步扩充了CoMFA方法的应用，也为拆分机理的研究提供了新的有用的工具。,具有光学活性的乙内酰脲类化合物及其衍生物具有抗癫痫病活性，是一种重要的药物中间体，大量用于合成青霉素和头孢菌类抗生素,模板分子结构图示,以活性最高的化合物作为模板，用商业化软件包BioMedCaChe对所有分子进行低能构象搜索并用AM1方法优化后进行叠合，叠合点为图中标有*的原子。进行CoMFA计算时，随机选取16个化合物作为预测集，用以检验模型的预测能力，其余化合物作为训练集。将重迭好的分子置于一个正规三维网格中，格点间距离为0.2 nm。用探针计算分子在每个格点上的立体场和静电场，其阈值均采用默认值。最后用偏最小二乘法（PLS）对每个格点上的分子场进行交叉验证，确定最佳主成分数及交叉验证的回归系数,最终的CoMFA模型的实验值和预测值的相关关系如图,5-芳基乙内酰脲类分子拆分的实验值和预测值,立体场等值线图,静电场等值线图,立体场图示中绿色区域表示该区域增加取代基的体积有利于化合物的分离，而黄色区域表示增加取代基的体积不利于化合物的分离。静电场图中红色区域表示增加取代基的负电性有利于提高化合物的分离效果，蓝色区域则表示增加取代基的正电性对分离有利,36,36,CoMSIA简介,比较分子相似性指数分析法（Comparative molecular similarity indices analysis，CoMSIA）,CoMSIA 是CoMFA的扩展方法，同样需要分子活性构象的选择、分子叠合、建立空间场范围以及数据相关等过程，活性构象的选择、分子的叠合方式也同样会显著影响模型的预测能力。,37,37,不同之处：,CoMSIA在计算探针原子或基团与分子之间的相互作用时采用了与距离相关的高斯函数形式。,采用高斯函数的形式，可以有效地避免在传统CoMFA方法中由静电场和立体场的函数形式所引起的缺陷。由于分子场能量在格点上的迅速衰减，不再需要定义能量的截断值。,38,分子场采用5种不同的相似性场计算：立体场 静电场 疏水场 氢键给体场 疏水受体场由于力场考虑更全面，三维构效模型更优，在一般情况下，CoMSIA会得到更加满意的3D-QSAR模型。,选择91个基于六氢吡啶结构的CCR5抑制剂进行构效关系研究，采用了CoMFA和CoMSIA两种分子场分析方法。,基于六氢吡啶结构的CCR5抑制剂,所有的分子在Sybyl分子模拟软件包（Triops,Triops Inc.,USA）中搭建或通过标准的碎片库组建而成。先用系统搜寻方法搜寻出化合物的最低能量构象，然后在Triops力场中用共轭梯度最小化进行优化。在分子场分析中，分子的叠合规则是影响计算结果的重要因素。在这里，采用了两种叠合方法：1）骨架叠合。以生物活性最好的化合物为模板，通过最小二乘法叠合优化其它分子公共骨架中的原子坐标的均方根偏差（RMS），以得到最佳的叠合方式。2）场叠合。首先计算出活性最好的化合物的立体场和静电场，作为参考场，其它分子则在它们起始构象的基础上进行调整，以尽可能地与模板分子场叠合,分别基于骨架叠合（左）和场叠合（右）两种方式得到的叠合分子立体示意图,表1采用两种叠合方式时CoMFA和CoMSIA的计算结果,I：骨架叠合 II：场叠合S:立体场 E：静电场 H：疏水场 A：氢键受体场 D：氢键给体场 ALL：上述五种分子场,CoMFA法中立体场和静电场等势图,44,44,第三节 基于配体的药物设计方法之二 药效团模型,45,When drug molecule interact with target,in order to produce fine geometry match and energy match,they may use special conformation,that is“active conformation”.For a drug molecule,different groups have different influence on activitySo,the conception of“Pharmacophore”is used.,一、药效团模型概述,药效团（Pharmacophore model）,在药物分子和靶点发生相互作用时，药物分子为了能和靶点产生好的几何匹配和能量匹配，会采用特定的构象模式，即活性构象。,46,47,47,药效团是指药物活性分子中对活性起着重要作用的“药效特征元素”及其空间排列形式。是药效特征元素的集合,保持化合物活性所需要的结构特征。药效特征元素pharmacophoric feature elements活性化合物所共有的，对化合物的活性有重要影响的一组原子(团)。药效特征元素中的原子或官能团可通过氢键、静电作用、范德华作用和疏水键等与受体中受点发生结合。,二、药效团特征元素,在早期的药效团模型中，药效团模型的提问结构中一般只包括一些具体的原子或原子团，比如氮原子、羧基、苯环等。从药物分子与受体相互作用的角度看，药物分子中某个位置上并不一定必须包含某种特定原子或者原子团才能产生必需的特征相互作用。药效特征元素特指一般化的化学功能结构，比如氢键受体、氢键给体、疏水中心、芳环中心、正负电荷中心、排斥体积等。,48,(一)氢键受体,氢键相互作用是配体与受体之间相互识别非常重要的相互作用，因此氢键特征在药效团模型中占有重要地位。氢键特征可以分为两类：氢键给体和氢键受体。广义来讲，任何带有孤对电子的原子，如氮、氧、氟、硫等，都可以作为氢键受体。但过于宽泛的定义往往会导致过多的命中结构，从而降低搜索的选择性。因此，在一般的药效团模型方法中(Discovery Studio,Catalyst)，仅仅只考虑药物分子中最常见的氢键受体形式，包括：A sp 或sp2 杂化的氧原子；B与碳原子以双键形式相连的硫原子；C与碳原子以双键或三键相连的氮原子,49,(二)氢键给体,氢键给体主要包括氢原子以及与之相连的氧原子和氮原子，一般有：A 非酸性羟基；B氨基；C次氨基，但不包括三氟甲基磺酰胺和四唑中的次氨基。,50,需要特别指出的是，由于配体与受体之间的氢键相互作用一般具有明确的方向性，因此对于一个氢键给体或受体的描述，仅仅靠一个点是不够的。在药效团模型软件中(Discovery Studio,Catalyst)，一般都采用两个点来描述氢键特征，一个点表示氢键特征中重原子的空间位置，而另一个点表示氢键给体或受体的矢量方向。,51,氢键受体与氢键给体矢量方向示意图,(三)疏水中心,疏水相互作用是配体与受体相互识别的重要作用方式。配体与受体上的疏水基团总是倾向于形成紧密的疏水堆积作用，形成疏水性内核。疏水基团一般由非极性原子组成，有疏水相互的片段很多，如甲基、乙基、苯环等。疏水中心无需用矢量表示，只需要用一个点表示配体与受体形成疏水相互作用的部位就可以了。,52,(四)芳环中心,芳环可以参与药物分子和蛋白受体之间电子离域系统的 相互作用。芳环中心主要包括五元和六元芳环，如噻吩、苯环等。在药效团模型方法中，芳环需要由两个参量来定义：一个参量是芳环的空间位置，即芳环中所有原子的几何中心；另一个参量是芳环平面矢量方向，一般用垂直于芳环平面的矢量来描述。,53,(五)电荷中心,配体上的电荷中心是指配体上的带电基团，由于具有较多的部分电荷，这些基团往往可以和受体形成盐桥或较强的静电吸引作用。电荷中心既可以是带有电荷的原子，也可以是在生理PH下会发生电离的中性基团。比如，在生理PH下，脂肪胺会质子化形成正电荷中心，而羧基会去质子化形成负电荷中心。此外，电子离域系统，如羧酸盐、胍基、脒基等也可能形成电荷中心。在药效团模型方法中，正负电荷中心都是由一个电荷中心点表示其所在位置，没有方向性。电荷中心可以分为两类：正电荷中心和负电荷中心。,54,正电荷中心包括：A带正电荷的原子；B伯、仲、叔脂肪胺中的氮原子；C氮-氮双取代的脒基中的亚氨氮原子或三氮取代的胍基中的亚氨氮原子；,55,负电荷中心包括：A带负电的原子；B三氟甲基磺酰胺中的氮原子；C羧酸、亚磺酸或磷酸中羟基氧；D磷酸二酯和磷酸酯中羟基；E硫酸和磺酸中羟基氧；F磷酸单酯和磷酸中两个羟基氧；G四唑中的氨基氮原子。,56,(六)排斥体积,在药效团模型中，排斥体积也是一种重要的组成成分。与其余药效特征不同，排斥体积并不是对应于配体上特殊的原子或者基团，而是基于配体分子的空间特征。在配体和受体相互作用时，在配体的某些取代位置上存在某些原子或原子团可能会和受体产生不利的原子碰撞，这些位置上的原子或原子团占有的位置就构成排斥体积。在排斥体积中存在原子或原子团会大大降低化合物的活性。,57,（七）药效特征的几何约束,完整的药效团模型中除了必须包含药效特征元素(如氢键给体、疏水中心、正电中心等)之外，还需要包括药效特征元素之间的空间约束，这些约束是指各特征元素的位置约束，各特征元素之间的距离、角度、取向等。常用的药效团模型方法中，药效特征元素可以抽象为点(比如疏水中心、电荷中心)、线(比如氢键)、面(比如芳环平面)的形式出现。特征元素或它们之间几何关系的约束可以采用多种形式来实现，如：位置约束可以是点的空间活动范围；距离限制可以是点点间的距离，或点到线的距离；角度限制可以是三点的角度，直线与平面的角度，或者是平面与平面的角度等,58,59,5-HT6 受体拮抗剂药效团模型示意图,三、药效团的构建,是在受体结构未知或者在作用机制不明确的情况下，通过事先收集一系列活性小分子，进行结构-活性研究，并结合构象分析、分子叠合等手段，得到一个基于这些配体分子的共同特征的药效团。该药效团可以反映这些化合物在三维结构上一些共同的原子、基团或化学功能结构及其空间取向，这些特征往往对于配体的活性起着至关重要的作用。受体结构已知的情况下，分析受体的作用位点以及药物分子和受体之间的相互作用模式，根据预测的复合物结构或相互作用信息来推知可能的药效团结构，得到基于受体结构的药效团。,60,60,A、基于配体的药效团,基本步骤（一）活性小分子的选取训练集分子的质量高低直接决定着所得到药效团的准确度。训练集分子的选取原则是：分子数目以 2-32 为宜；分子骨架需具备一定的差异性，从而能够代表不同系列同系物的结构特征；尽量选择活性最强的化合物；选择结构刚性大的分子效果比柔性分子好。（二）小分子构象分析在选择好训练集分子之后，就需要对每个化合物进行构象分析，得到在某一能量范围内的低能构象。对于每一个化合物分子，得到的构象数目可能会有 10-255 个，与分子本身的柔性有关。（三）分子叠合及药效团的产生在叠合时，小分子的公共药效特征元素往往作为分子间叠合的叠合点。用来建立药效团模型的分子需要和受体之间具有相似的作用机制，这样才能保证所有分子具有相似的药效模式。（四）药效团模型的评价、修正以及数据库搜索,61,62,B、基于靶点的药效团模型,1受体结构的输入及活性位点的定义：2活性位点扫描和药效特征的产生：3药效特征的聚类：4药效团的修正以及数据库搜索,63,64,64,65,Recognition programs of pharmacophore,Receptor(1993)Apex-3D(1993,Accelrys)GASP(1995,Sybyl module)DISCO(1993,Sybyl module)CATALYST(Accelrys)GALAHAD(Sybyl module)DS HipHopDS HypoGen,共同点：都是间接药物设计方法 基于共同的前提，即所研究的活性化合物与靶点相互作用的活性部位是一致的不同点：（1）QSAR所研究的是基于同一骨架的系列化合物，侧重于先导化合物的优化过程（2）药效团模型则高度概括了不同结构类型的多种化合物，更能体现活性配体分子的抽象特征。,66,Pharmacophore model and QSAR,67,67,四、药效团模型的应用,基于药效团模型设计高活性化合物；虚拟筛选。,68,应用实例一：HIV-1整合酶抑制剂的改造,HIV-1 整合酶对于 HIV 病毒在人体内存活并形成持续感染起着至关重要的作用。HIV-1 整合酶抑制剂能够有效地拮抗整合酶的活性，从而抑制病毒感染，达到治疗疾病的目的。研究人员首先从文献收集了 5 种已知的 HIV-1 整合酶抑制剂(见图 9)，以此作为训练集使用 Catalyst 的 Hiphop 算法拟合产生了一个基于这些抑制剂共同特征的药效团，该药效团由两个氢键给体(HBD)、一个氢键受体(HBA)和一个疏水团组成,69,使用Hiphop算法来产生药效团,70,预测未知化合物的活性,71,指导化合物的改造,基于化合物构效关系的药效团,药效团对新化合物分子进行活性预测,药效团指导下的化合物合成改造,75,应用实例二：虚拟筛选,Beta 分泌酶是人体一种非常重要的药物治疗靶标，设计和开发有效的 Beta 分泌酶抑制剂长期以来一直吸引着众多制药公司的关注。2003 年 Johnson&Johnson 研发部门的 Wendy Sanderson 研究员成功采用基于受体结构药效团的方法，进行了 Beta 分泌酶抑制剂的开发研究。研究人员首先从 Beta 分泌酶的晶体结构出发，寻找到酶的催化活性口袋，将其定义为活性位点，然后采用 Cerius2 中的 SBP 模块，从活性位点周围的环境出发产生药效特征，并进行聚类，最终得到一个基于受体结构的药效团，该药效团由一个氢键给体、一个疏水团和一个芳香疏水特征组成。,基于受体结构的药效团,基于受体结构的药效团模型,