药物设计学第六讲QSAR与药效团

药物设计学兰州大学药学院李加忠11思考题•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。药物设计学兰州大学药学院李加忠22第二节基于配体的药物设计方法之一--定量构效关系药物设计学兰州大学药学院李加忠3•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。药物设计学兰州大学药学院李加忠443D-QSAR3D-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。药物设计学兰州大学药学院李加忠553D-QSAR3D-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（MolecularShapeAnalysis,MSA）•计算机结构自动评价方法（ComputerAutomatedStructureEvaluation，CASE）•假想受点点阵（HypotheticalActiveSiteLattice，HASL）•距离几何法（DistanceGeometryMethods,DGM）•比较分子场分析方法（ComparativeMolecularFieldAnalysis,CoMFA)•比较分子相似性因子分析(ComparativeMolecularSimilarityIndicesAnalysis,CoMSIA)药物设计学兰州大学药学院李加忠6分子形状分析（MolecularShapeAnalysis,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。药物设计学兰州大学药学院李加忠7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。药物设计学兰州大学药学院李加忠8计算机结构自动评价方法（ComputerAutomatedStructureEvaluation，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。药物设计学兰州大学药学院李加忠9•假想受点点阵（HypotheticalActiveSiteLattice，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。药物设计学兰州大学药学院李加忠10距离几何法（DistanceGeometryMethods,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。•位点定义主观性大•计算繁琐药物设计学兰州大学药学院李加忠11111988年Cramer等提出的比较分子场分析方法（ComparativeMolecularFieldAnalysis，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（ComparativeMolecularFieldAnalysis，CoMFA）药物设计学兰州大学药学院李加忠1212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。药物设计学兰州大学药学院李加忠1313按照该方法的原理，如果一组结构类似的化合物以同样的方式作用与同一个受体化合物，那么它们与受体分子之间的各种作用场应该有一定的相似性，而其活性取决于每个化合物周围分子场的差别。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原理药物设计学兰州大学药学院李加忠1414ElectrostaticfieldStericfieldBiologicalActivity=aSteric0001+bSteric0002+...........+mSteric4913+nElec0001+..........+yElec4913+interceptGridmapsforCoMFAandfieldcalculationmethodgridspacing/Agridpointprobeatom药物设计学兰州大学药学院李加忠1515CoMFA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。药物设计学兰州大学药学院李加忠16163、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（ActiveAnalogueApproach，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。药物设计学兰州大学药学院李加忠17活性类似法（ActiveAnalogueApproach，AAA）活性类似法（AAA）又称为共同模板假设（Commontemplatehypothesis）或共同构象假设（Commonconformationhypothesis）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。药物设计学兰州大学药学院李加忠18184）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（fieldfit）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药物设计学兰州大学药学院李加忠19194、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（0.4—2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vanderWaals场H+—计算静电场药物设计学兰州大学药学院李加忠20药物设计学兰州大学药学院李加忠21215、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。药物设计学兰州大学药学院李加忠22QSARequationPLSContourMapsPredictionsQSARTable=SYBYLMSSBio药物设计学兰州大学药学院李加忠2323CoMFA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药物设计学兰州大学药学院李加忠246.利用3D-QSAR模型预测新化合物的活性药物设计学兰州大学药学院李加忠25257、用三维等势线图形（contourmap）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。药物设计学兰州大学药学院李加忠2626Stericmapindicatingareaswherestericbulkispredictedtoincrease(green)ordecrease(yellow)activity.Electrostaticmapindicatingredcontoursaroundregionswherehighelectrondensity(negativecharge)isexpectedtoincreaseactivity,andbluecontoursrepresentareaswherelowelectrondensity(partialpositivecharge)isexpectedtoincreaseactivity.药物设计学兰州大学