计算机辅助药物设计在分子对接中的应用

刘景陶　刘映雪

摘 要：计算机辅助药物设计的基本出发点是针对药物作用靶点和药物分子的结构、功能及与药物作用方式，来设计作用专一、活性强、不良反应少的新药。药物分子必须分布到受体生物大分子部位并与受体结合，才有可能发挥药理作用。准确预测药物分子与受体生物大分子结合的复合物的结构和结合位点，是药物设计中最重要的环节，发现全新结构的先导化合物是药物发现的目标。作为药物设计的核心技术，“分子对接”是基于受体分子结构虚拟筛选的核心，是一种模拟小分子与生物大分子结合三维结构及其结合强度的计算方法，通过分子对接（docking）的方法，确定小分子与受体的结合构象，并评价其与受体的结合活性。

关键词：计算机辅助药物设计；药物设计；分子对接；应用

1 药物-受体相互作用机制

绝大多数药物属于结构特异性药物，它们的化学结构、化学反应性、分子形状和大小、立体化学配置、功能基的配置、电子分布以及同靶点结合的可能状况等都对生物效应有决定性影响，内源性活性物质或外源性小分子药物作为特异性配体作用于机体内的靶点，与靶点通过“锁-钥”机制相互作用，两者之间须形状互补，或通过各自变构作用以适应对方的构象要求而契合，形成复合物，从而改变大分子的性质，而引发一系列生物化学反应，产生生物活性。

2 分子对接

分子对接（molecular docking）就是将配体分子放置到受体大分子的活性位点中，预测小分子与受体结合构象及作用能的过程，其目的是从小分子数据库中发现合适的化合物作为受体大分子的配体。

3 药物的结构与生物活性的关系

药物的结构决定着化合物内在性质，药物的化学结构与生物活性的关系称为构效关系。构效关系是为了获得药物的生物活性与其结构间依赖关系的规律，以便能解析和认识药物的作用机制和作用方式，预测化合物的活性。药物与靶点发生作用，产生生物活性的机制一般是药物与机体内生物分子之间发生某种反应，或者是物理化学平衡的过程。

4 分子对接原理

分子对接的第一步是分子识别，要求分子间空间和能量有互补性。空间互补是按照Fisher提出的受体学说，分子对接是指药物与受体会发生类似钥匙与锁的识别关系，（lock and key principle），而且这种识别关系主要依赖两者在空间形上的相互匹配。空间匹配是分子间发生相互作用的基础，决定识别过程的选择性，主要体现在小分子构象及小分子在受体活性位点放置的算法；能量匹配是分子间保持稳定结合的基础，决定识别过程的结合能力，主要体现在运用何种模式对受体与小分子之间的相互作用力进行衡量（打分）。

5 通过分子模拟技术进行分子对接

分子模拟（molecular modeling）是通过计算机模拟软件，形象逼真地模仿实验，解释实验结果以及预测结构变化引起的新性质；通过对分子形状和方位进行运动操作，可观察药物与靶点的相互作用，判断靶点分子可能的结合位点，还能对药物分子进行整修，提出改善药物的药效学和动力学性质的改良方案。它的原理是利用计算机来构造、显示、分析和储存复杂的分子模型，提供直观的3D形象，观察分子间的相互作用，分子对接的整个过程中，都是利用模拟软件在计算机虚拟环境下进行，分子模拟是实现分子对接的有效手段。

分子对接过程的基本步骤：（1）小分子构象生成；（2）小分子在受体活性位点的位置，即找出空穴，定出表面；（3）调整受体位点或药物的构象；（4）受体与小分子之间相互作用力强弱的计算及评价，即计算对接时受体-药物相互作用能量；（5）进行分子动力学模拟；（6）复合物的全局最优结合构象。

在进行模拟分子对接时，首先在配体蛋白质上寻找填充受体分子结合位点。再将已知3D小分子数据库中的每个化合物小分子投映到受体分子表面，并逐一放在靶标分子的活性位点上，按照受体与配体形互补、性质互补的原则，配体小分子与受体各自改变其构象，以适应对方的要求，寻找其合适的取向和构象，使得配体与受体形状互补、性质互补为最佳匹配，从而达到契合态。依据受体表面的这些结合点与配体分子的距离匹配原则，计算预测其结合的模式和亲和力，识别并预测受体-配体复合物结合构象及结合能。最后按照与受体的结合能通过打分函数为小分子打分，评判配体与受体的结合程度，挑选出接近天然构象的与受体亲和力最佳的配体。对于与疾病相关的受体，按其结构在三维小分子数据库直接搜索可能的配体，在库中所有分子均完成了对接计算之后，即可从中找出与靶标分子结合的最佳分子。

在分子对接过程中，输入大分子受体和数据库中小分子（配体）的三维坐标，对接程序预测出复合物的几何坐标。因为蛋白质分子一般都很大，而且结合位点都有一个凹下去的表面，所以在对接过程中，蛋白质大分子几乎不发生变化；而配体小分子在对接过程中会有比较大的变化，一般对接程序通过二面角的旋转来考察这种变化。无论是受体大分子还是配体小分子在结合过程中都会发生构象变化，因此，如果同时考虑受体大分子和配体小分子的柔性势必可以增加对接结果的准确性，也有对接程序同时考虑了两者的柔性。

6 分子对接前准备

在分子对接前，需要进行数据准备工作，包括靶点结构预处理和化合物数据库的预处理。

6.1 靶点结构的预处理

生物大分子靶点结构主要由实验方法测定，如X射线结晶学和NMR测定。当实验数据缺乏，也可以通过蛋白质结构预测方法如同源模建等得到。

6.2 小分子数据库的预处理

收集文献上发表的小分子化合物结构的信息，组成二维（2D）小分子数据库。将二维结构转化为三维结构并加上相应的小分子电荷，还需要进行类药性分析，以去掉一些类药性差分子。如果化合物结构太多，还可进行多样性分析。

6.3 打分

依靠精确的打分函数（scoring function）来评判配体分子和受体结合能力的强弱，即先对同一个分子的不同结合构象，评价各构象的结合好坏；再对数据库中不同分子的最好结合构象进行评价。根据打分的结果挑选化合物（打分比较高的分子），进行类药性评价，选择化合物进行生物实验测试。

通过计算机的模拟技术，进行虚拟筛选与分子对接，从而揭示药物与机体靶标的作用机制，探索药物靶点的空间结构，最终目标是设计具有预期性质的新物质，即具有显著生物活性的药物分子。也就是通过分子对接确认所有可能与药物小分子作用的蛋白质，筛选出与该疾病相关的蛋白质，然后研究药物与该蛋白质具体的作用机理，从而揭示化合物结构-活性关系（Structure-Aactivity Relationship，SAR），并获得RAR模型，因此，分子对接主要用于解释分子作用机制、进行基于受体的虚拟筛选发现先导化合物；对药物作用靶点的预测发挥重要作用，是进行合理药物设计的基础。

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