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1、第四章 基于配体结构的药物设计 药物设计（ligand-based drug design，LBDD）【学习要求】1.掌握基于配体结构的药物设计的基本概念；Hansch 方程及理化结构参数；比较力场分析法及其基本过程；药效团与基于药效团三维数据库搜索的基本概念。2.熟悉2D-QSAR 和3D-QSAR 的常用研究方法；构建三维药效团的几种常用方法；几何优化与构象搜索的基本概念。3.了解骨架跃迁技术。基于配体的药物设计 当前对于基因组学和蛋白组学的研究不断深入，被解析的蛋白质三维结构也越来越多。但对于许多与药物开发有关的重要靶酶或受体却进展较慢，其原因主要在于它们常常是存在于细胞膜的蛋白，很难培
2、养晶体并对其进行解析。在这种情况下，只能通过“基于配体的药物设计”这种间接的方法，从研究配体的三维结构信息入手，推测配体与靶点的作用方式，并以此指导我们的药物分子设计。基于配体的药物设计分类 基于配体的药物设计主要包括两个方面的研究内容，第一种是研究一系列药物的定量构效关系（quantitative structure-activity relationships，QSAR），第二种方法是构建共同作用于同一靶点的药效团（pharmacophore）模型。第一节 定量构效关系 定量构效关系研究是应用数学模式来表达药物的化学结构因素与特定生物活性强度的相互关系，通过定量解析药物与靶点特定的相互作用
3、，从而寻找药物的化学结构与生物活性间的量变规律，从而为新一轮的结构优化提供理论依据。定量构效关系化合物训练集 测试集参数计算统计分析定量构效关系模型验证测试集验证应用1.Hansch 方法 认为药物经过结构改造成为其衍生物时，其生物活性的改变主要与结构改变后引起的疏水性、电子效应以及空间效应的变化相关。当每一因素对生物活性具有独立的、加和性的贡献时，可通过统计学方法导出这些理化参数与生物活性的关系式，即Hansch 方程。log1/C=K1（log P）2+K2log P+K3+K4Es+K5 对于系列化合物，如果只改变基本骨架的取代基时，可以用 代替log P 得下式：log1/C=K1（）
4、2+K2log P+K3+K4Es+K5 一、二维定量构效关系 2.Free-Wilson 方法（构效关系）log 1/C=ai+ai=取代基的贡献=母体结构的活性贡献 Free-Wilson 方法又称基团贡献法，是1964年Free 与Wilson 根据多变量回归分析理论，在对有机物子结构信息和生物活性的相关研究基础上建立的一种方法。该方法一组同源化合物的生物活性是其母体结构（基本结构）的活性贡献与取代基活性贡献之和。1.分子形状分析法（molecular shape analysis，MSA）首先要确定药物分子体系的活性构象，并将其作为分子体系的参照构象。然后将药物分子相应构象与参照构象进
5、行合理重叠，进而求算它们的分子形状参数。二、三维定量构效关系 2.距离几何法（distance geometry，DG）（1）定义药物分子中可能的作用位点。（2）计算配体分子的距离矩阵。（3）定义靶点结合位点的分布。（4）通过配体分子结合位点以及靶点分子活性位点的距离矩阵来确定最佳结合模式以及靶点活性位点的空间分布。3.比较分子力场分析法（comparative molecular field analysis，CoMFA）（1）确定化合物的活性构象。（2）按照一定规则将药物分子构象进行叠合。（3）将重叠好的分子放置在一个足够大的三维网格中，计算场效应。（4）偏最小二乘法分析。（5）用三维等势
6、线系数图（contour maps）显示QSAR 方程。CoMFA 流程图4.比较分子相似因子分析法（comparative molecular similarity indices analysis，CoMSIA）CoMSIA 作为更新的一种方法，定义了五种分子场进行定量构效关系研究，包括立体场、静电场、疏水场、氢键场（包括氢键受体和氢键给体）；而且在分子场能量函数上的计算也有效克服了传统CoMFA 方法的缺陷。许多学者应用CoMFA 和CoMSIA 对同一系列化合物进行3D-QSAR 研究，均发现CoMSIA 计算受网格设置和分子空间的影响较小，更易于操作且统计预测能力更强。第二节 药效团
7、模型及其应用 药效团（pharmacophore）又称药效基团，其概念源于化合物的一部分结构发生变化时，生物活性也发生相应改变，而其余部分结构发生变化时其生物活性发生却很小。这些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或基团，被称为药效团元素。药效团是药效团元素的集合。当进一步考虑相关药效团元素的空间位置时，就属于三维药效团概念范畴。因而，三维药效团包括药效团元素及其特殊的空间排列组合。药效团和定量构效关系的比较 相同：都是以间接药物设计原理的基本假设为前提，即具有同类活性的一系列化合物与靶点相互作用的活性部位是一致的。不同：定量构效关系研究的是基于同一母核（或骨架）的系列化合物
8、，侧重于对先导化合物的优化过程；药效团模型则高度概括了不同结构类型的多种先导化合物的构效关系，更能体现活性配体分子的抽象特征。早期的药效团元素往往是经验性的，即通过实验观察找出对活性有贡献的共同原子或功能基。用于建立三维药效团模型的药效团元素则更强调与靶点能发生弱相互作用的原子或基团，如这些原子或基团通过氢键、静电力或范德华力与受体的键合点发生作用。1.药效团元素一、药效团元素的概念 通 常，一 些 杂 原 子 或 极 性 官 能 团 常 被 选 为 药 效 团 元 素，例 如 氧 原 子、氮 原 子、羧 基、氨 基 和 羟 基。药 物 分 子 中的 芳 杂 环 系 统 能 够 和 靶 点 的
9、 芳 香 环 侧 链 发 生 强 烈 的-相 互 作 用，因 而，芳 香 环 也 常 被 选 为 药 效 团 元 素。除 此之 外，还 有 一 些 假 原 子 如 氢 键 供 体、氢 键 受 体、疏 水 中心、正电基团和负电基团等。CATALYST 处理药效团元素示意图 2.几何约束 一般是通过特征元素之间的距离、角度、二面角来定义的，其中距离限制是最为常见的约束形式。ACEI 药效团模型1.活性类似物法 Marsholl 等提出的活性类似物方法（active analogue approach，AAA）是最早出现的药效团识别方法。AAA 方法是根据具有结构多样性的活性化合物和非活性化合物的构
10、效关系，寻找对活性起主要作用的基团、活性构象以及三维药效团模型。目前该方法已经实现商业化，SYBYL 软件中Receptor 模块就是基于活性类似物方法的原理设计的药效团识别程序。二、三维药效团的构建方法2.DISCO（距离比较法，distance comparison）距离比较法是MARTIN 开发的药效团识别方法，已经成为SYBYBL 的一个模块实现商业化。一般可以提供多个药效团模型，对每一种模型均需要验证，求选出最好的药效团模型。在SYBYL 软件包中，DISCO 得到的药效团模型可以作为提问结构，采用Unity 模块进行基于药效团模型的数据库搜索来寻找先导化合物。3.GASP（gene
11、tic algorithm similarity program）GASP 是 基 于 遗 传 算 法 的 药 效 团 识 别 方 法，由Gareth Jones 提 出，现 已 作 为SYBYL 的 一 个 模 块 实 现 商 业 化。GASP 共 定 义 氢 键 受 体、氢 键 给 体 和 芳 香 中 心 三 种 药 效团 元 素。进 行 分 子 叠 合 时，一 般 先 选 定 一 个 刚 性 分 子作 模 板，其 他 分 子 叠 合 在 这 个 模 板 分 子 上。利 用 遗 传算法再进行药物分子之间的柔性叠合和药效团识别。分子叠合和药效团的优劣主要通过范德华能量得分、公共体积得分和相似
12、性得分的三种得分函数来评估。该方法得到的药效团模型可作为SYBYL 中Unity 的提问结构进行数据库搜索。4.APEX-3D 该软件最早由Biosym 公司推出的自动识别药效团的专家系统，主要是基于Valery Golender 提出的逻辑结构分析方法。该方法首先对活性分子和非活性分子进行构象处理，然后采用多种方法通过计算分子结构参数（如电性、疏水性质和体积性质等），接着进行构象叠合和药效团搜索，并用统计方法对搜索到的几十个甚至几百个药效团打分。药效团确定后还可以进行三维定量构效关系研究。5.CATALYST CATALYST 是美国MSI 公司开发的面向药物研究领域的综合性的药物开发软件。
13、由于这一软件为药效团模拟提供了完善的解决方案，使得CATALYST 成为近年来在国际上应用最为广泛的基于药效团模型的药物开发软件。每一药效特征元素包括：（1）化学功能 包括疏水团、正电/负电基团和氢键供体/受体。这些默认的化学功能还可以进一步细化或重新定义，进行灵活和独立的分析。（2）三维空间的位置和定向 主要通过绝对坐标来定义不同化学特征的空间位置，如化学特征间的距离，还可以辨别结构对映体。（3）每个化学功能用彩球图像表示。如配体和活性结合位点的氢键受体和供体用表示重原子一端的两个球表示。球的大小代表位置精确度。小球意味着该特征的精确位置对活性很重要，大球表示位置要求低一些。药效团模型的建立
14、三、基于药效团的三维数据库搜索 三维数据库搜索作为一种计算机筛选方法，是利用计算机模式识别技术，在三维结构数据库中搜寻具有特定三维结构形状的分子。药效团是具有特定生物活性的化合物所必须具有的结构特征，利用三维数据库搜索方法从已知化合物中寻找符合药效团要求的化合物，再通过药理测试确证该化合物活性，已成为发现先导化合物的有效方法，可大大缩短先导化合物的发现周期。现 在 已 有 很 多 商 用 数 据 库 系 统 可 支 持 基 于 药 效 团 结 构特 征 的 结 构 搜 索。比 较 常 用 的 有 早 期 的3D-SEARCH、MDL 信 息 系 统 公 司 的 ISIS/Base、化 学 设
15、计 公 司 的Chem-X、Tripos 公 司 的 Unity 和 MSI 公 司（现 为Accerlry 公 司）的CATALYST 等 软 件。我 国 自 行 设 计的 三 维 结 构 搜 索 软 件3DFS 近 年 在 科 研 工 作 中 也 得 到 一定应用。基于药效团三维数据库搜索的基本过程 基于药效团的三维结构搜索方法的基本要素 基于药效团的三维结构搜索方法有三个基本要素，分别为三维结构数据库、提问结构（药效团）和搜索算法。（1）三维结构数据库 过去化合物三维结构信息主要来源于X-单晶衍射实验，因此剑桥晶体数据库是最早的可查询的大型三维结构数据库。后来出现能够将化合物二维分子模型
16、转变为三维分子模型的软件CONCORD，才使得公司和科研机构能够将本室或本公司的二维分子数据库转变为三维结构数据。目前可供利用的商用或科研用途的三维结构数据库有ACD-3D、Chem-3DBS、NCI-3D 等。（2）提问结构 研究人员一般通过构建药效团模型，得到三维结构搜索的提问结构。提问结构也经历了一个从基于原子的简单定义到基于化学功能定义的发展过程。早期的提问结构通常只由一些原子和原子间的距离限制组成，后来扩展到点、线、面的角度和二面角的空间限制，同时对原子的定义也更加详细和灵活。（3）搜索算法 三维结构的搜索一般包括初筛、几何查找和柔性搜索三个步骤。在初筛过程中，主要是删去根本不可能与
17、提问结构匹配的分子，减少下一步查找时间；几何查找是指通过初筛的分子继续进行的二维子结构查找，以确定原子间的连接方式是否与提问结构匹配；柔性构象搜索是要求符合提问结构的分子在二维结构匹配的基础上，还要满足三维匹配。四、骨架跃迁技术的概念与应用 骨架跃迁（scaffold hopping）概念是1999年罗氏制药公司研究员Schneider 博士提出的，其目的是以药效团模型为依据，采用计算技术在已知的数据库中，寻找与苗头化合物完全不同的拓扑骨架，但仍然保持原有的生物活性。换句话说，骨架跃迁就是从已知的活性分子结构出发，根据其药效团模型，通过计算化学方法发现新的拓扑结构和活性分子。应用骨架跃迁原理的
18、成功例子 Roche 公司从先导化合物钙通道阻滞剂咪拉地尔（mibefradil）的结构出发，进行药效团和骨架跃迁研究，成功地得到了活性更好和副作用更少的候选药物分子clopimozid。骨架跃迁的特点增加药物的溶解度，将亲脂性的骨架用极性骨架替换；改变药物的分配性，调整骨架亲水/亲脂的相对程度；提高药物的稳定性，将容易发生代谢作用的骨架用代谢稳定性的毒性低的骨架替换；改善药代动力学性质；降低分子的柔性；提高对受体的亲和力，有的骨架不只是对药效团起支撑作用，而且也参与同受体的结合，改变骨架可以提高对受体的亲和力；从知识产权的角度考虑，中心骨架的改变，产生了新的结构，能够获得专利保护。基于药效团
19、模型的药物设计应用举例 2001 年，Kurogi 等采用基于药效团的数据库搜索进行了MC 增生抑制剂的设计。通过研究已知的MC 增生抑制剂，应用CATALYST 构建该类抑制剂的药效团模型。构象分析时保留了与最低能量构象相差为20kal/mol 的构象，最大构象数为250个。得到的最佳药效团包括7个药效团元素。根据得到的药效团模型，用CATALYST 搜索了Maybridge 3D 的数据库，从47 045个化合物结构中发现了41个命中结构。最后挑选了4个分子进行生物活性测试，初筛药理结果显示，这4个分子都具有明显的抑制MC 增生作用。【思考题】1.什么叫基于配体结构的计算机辅助药物分子设计？其研究内容有哪些？2.应用CoMFA 进行3D-QSAR 研究的基本步骤是什么？应用交叉验证的目的是什么？3.基于药效团的三维结构搜索与基于分子对接的三维数据库搜索有何异同？