计算机辅助药物设计在分子对接中的应用

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。     

计算机分子模拟技术及人工智能在药物研发中的应用

通过计算机模拟手段进行分子对接、药物筛选、先导物的优化、定量构效关系和药效团模型等药物设计方法,可以揭示药物与受体靶标的作用机制,探索药物靶点的空间结构,最终目标是设计具有能选择性地与某一靶标结合的分子;利用分子模拟技术来构造、显示、分析和储存复杂的分子模型,在三维空间中观测药物小分子的结构特征,更改小分子形状和方位,并探测小分子与受大分子靶点的作用机制,判断药物小分子与受体大分子结合的可能活性位点,还能对药物小分子的结构进行修正,提出改善药物的药效学和动力学性质的方案,在"三维空间"中实现直观、可视化的药物分子设计。人工智能利用大数据和机器学习方法,根据已有的药物研发数据自动设计出上百万种与特定靶标相关的小分子化合物,并根据药效、选择性、ADME等其他条件对化合物进行筛选。而后筛选出来的化合物会被合成并且进行实验检测,然后实验数据会被反馈到AI系统中用于改善下一轮化合物的选择。     

分子对接在药物研发中的应用

药物发现(drug discovery)就是新药的研究与开发,其过程涉及化学、药学、医学、生命科学和计算机科学。药物研发的理想策略是能够同时直接针对药物研究的两个对象:受体和药物。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。药物设计的目的是预测小分子与受体大分子的结合位点,最终目标是发现全新的先导化合物。新药的研究与开发是一个周期长、投入高、创新性强的多学科交叉与渗透的系统工程。利用计算机模拟可以探测受体大分子的性质,解释实验结果以及预测由于配体和受体结构变化而引起的新性质;通过改变配体和受体分子形状和方向的操作,非常直观地看到小分子与受体大分子在靶点的相互作用,由此确定受体和药物的结合位点,还能对配体小分子结构进行修饰,提出改善药物的药效学和动力学性质的改良方案。     

靶向细菌细胞壁新型食品保鲜剂的虚拟筛选

食品保鲜剂种类繁多,然而很多保鲜剂仅对革兰氏阳性菌有效,对革兰氏阴性菌的抑菌效果较差。为了开发对革兰氏阴性菌和阳性菌均具有较好抗菌活性的新型食品保鲜剂,以铜绿假单胞菌的粘肽合成酶PBP3和大肠杆菌的粘肽合成酶PBP1b,PBP4和PBP5为靶点,通过分子对接软件DOCK6.5,对含有580万个小分子化合物的ZINC数据库进行大规模虚拟筛选,从中选出一种打分较高且结构新颖的先导化合物进行有机合成。以山梨酸钾为阳性对照,测定先导化合物对冷鲜肉的保鲜效果,结果表明,先导化合物处理组除了色差略逊于山梨酸钾组外,其pH值、菌落总数、挥发性盐基氮、汁液流失率等指标均优于后者。同时,二者的保鲜效果均显著优于空白对照组。研究结果证明了先导化合物对冷鲜肉具有更优异的保鲜效果,有望进一步将其开发为新型食品保鲜剂。     

基于表面等离子体共振技术筛选与转录因子AP-2γ具有高亲和力的小分子化合物

目的从FDA批准的1018种小分子化合物中筛选与AP-2γ蛋白具有高亲和力的小分子化合物。方法采用表面等离子体共振技术,以FDA分子库的1018种小分子作为固定相,AP-2γ蛋白溶液作为流通相,筛选能高度亲和AP-2γ蛋白的小分子化合物,测定相互作用的动力学常数。结果该研究成功筛选出了80种能与目标AP-2γ蛋白特异性结合的药物分子。同时,通过结合能力动力学分布图可知这80种小分子与AP-2γ蛋白的特异性结合都是稳定的。结论筛选出与AP-2γ蛋白具有高亲和力的小分子化合物,以期为新型抗肿瘤药物的开发提供依据。     

小分子糖及其类似物与α-葡萄糖苷酶的分子对接

以AutoDock 4.2分子对接软件对20种小分子单糖及其类似物与α-葡萄糖苷酶进行分子模拟对接研究,分析对接结合自由能与实验所得IC50的关系,并根据受体与配体的相互作用进一步优化改造抑制剂分子结构。结果显示:α-葡萄糖苷酶分子中氨基酸残基Asp542、Asp443、His600、Asp327和Arg526是化合物与酶形成氢键作用的重要位点。分别将糖环上的O原子替换为N和C原子后,前者的对接结合自由能变得更小,配体与受体结合得更好。对井冈霉胺的分子结构改造后的对接结果显示,六元环上的N原子和环上存在—NH2取代基在分子与α-葡萄糖苷酶对接中起非常重要的作用。本研究可为今后高效α-葡萄糖苷酶抑制剂的筛选和优化设计提供新思路。     

基于分子对接的副溶血弧菌外膜蛋白OmpW天然抑制剂的筛选

为了筛选更加高效、无毒、绿色的副溶血弧菌抑制剂,以副溶血弧菌外膜蛋白OmpW作为受体,利用分子对接方法筛选具有潜在抑菌作用的天然小分子,选用对接结果较理想的柠檬酸和咖啡酸进行试验验证.在测定最小抑菌浓度的基础上,研究去外膜和去壁的副溶血弧菌对小分子敏感性及杀菌曲线的变化,分析外膜蛋白OmpW是否为柠檬酸和咖啡酸的作用位...     

烟碱抑制单胺氧化酶B活性及其对抗帕金森病作用研究

[背景和目的]流行病学调查结果表明,吸烟与帕金森发病率呈负相关,但吸烟对抗帕金森病的机制仍不清楚.本文拟探讨烟碱对单胺氧化酶B (MAO-B)的抑制作用,明确对抗帕金森病的机制.[方法]通过小分子与蛋白对接模型模拟技术,分析烟碱和MAO-B相互作用及蛋白活性抑制率;对细胞及果蝇的帕金森病模型给予烟碱药物干预,利用分子生...     

计算机模拟筛选食用藻蛋白源PAR2抑制肽

该研究主要是通过计算机模拟,从食品来源蛋白质中预测筛选具有蛋白酶激活受体2(Protease Activated Receptor 2,PAR2)抑制作用的生物活性肽,同时预测食用藻类蛋白质酶解后所得的肽段的生物活性、水溶性等理化指标。首先,利用NCBI数据库和蛋白质晶体数据库（Protein Data Bank,PDB）比对选择食用藻类蛋白质,其次通过BIOPEP-UWM数据库模拟酶解,Peptide Ranker进行活性分析,Innovagen和Toxin Pred预测高活性肽,最后采用HPEPDOCK将获得的活性评分超过0.5、水溶性优且无毒的小分子活性肽与PAR2进行分子对接模拟,以探究两者之间的分子结合能力,进而分析判别不同小分子活性肽抑制PAR2活力的潜力和机制。结果表明,小分子寡肽PAGR(-165.80)、PAR(-163.93)、IDQW(-152.95)、DISAW(-154.48)与PAR2具有较高的结合分数,是PAR2潜在的活性抑制肽。该研究旨为藻类蛋白的开发利用以及PAR2抑制剂的挖掘研究提供参考。     

分子对接技术筛选鲈鱼肌球蛋白中黄嘌呤氧化酶抑制肽

传统的蛋白提纯方法需经过分离、收集、纯化和结构解析,过于繁琐且耗时.本文以虚拟酶解及分子对接技术筛选鲈鱼肌球蛋白中黄嘌呤氧化酶(XOD)抑制肽,利用Discovery studio 2017 R2 Client (DS2017)软件预测其药物代谢动力学(ADMET)性质,并进行分子对接.利用高效液相色谱技术和抑制超氧阴...     

小分子靶标核酸适配体研究进展

核酸适配体是能够与靶分子高亲和力、高特异性结合的单链寡核苷酸。目前,在生物传感、疾病诊断和治疗等方面,以核酸适配体作为分子识别元件已经开发了许多具有应用可行性的各种检测方法。尽管核酸适配体具有这些方面的应用可能性,但是目前能够结合小分子的核酸适配体非常少。小分子具有多种多样的生物功能以及临床、商业价值,因此针对小分子靶标展开研究,开发新型、实用的分子识别探针用于检测这些小分子具有重要的研究意义。作者主要介绍了针对小分子靶标核酸适配体开发所面临的技术挑战,以及在生物传感和食品安全应用方面所存在的机遇。     

重组蛋白表达技术的研究进展

当前用于药物生产的分子主要为蛋白小分子,大量的高纯度蛋白无法直接获得,而重组蛋白技术能解决这一难题。该文综述了真核、原核、无细胞以及其他蛋白表达系统在重组蛋白表达方面的研究进展,对于探索选择合适的重组蛋白表达系统以及未来药物研发具有重要意义。     

人乳与牛乳天然小分子蛋白肽的差异对比及功能分析

研究利用超滤技术和Tricine-SDS-PAGE电泳将人乳与牛乳中天然存在的小分子蛋白肽进行分离。蛋白条带经质谱鉴定发现,人乳小分子蛋白肽含有28种,牛乳小分子蛋白肽含有24种,二者存在18种相同蛋白肽。Gene Ontology(GO)功能注释分析发现,在生物过程中,人乳小分子蛋白肽发挥的作用要高于牛乳小分子蛋白肽,尤其体现在免疫过程中的作用;在分子功能上,二者主要分子功能是结合作用,其中人乳小分子蛋白肽的结合作用强,而牛乳小分子蛋白肽参与的转运活性的分子功能大于人乳小分子蛋白肽;在细胞组成上,二者均参与了细胞与细胞膜的组成。通过Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG)代谢通路分析可知,人乳小分子蛋白肽参与酪氨酸和抗原的加工和呈递2个代谢通路,而牛乳小分子蛋白肽仅参与系统性红斑狼疮代谢通路。对人乳和牛乳中的小分子蛋白肽组成进行研究,不仅为揭示人乳蛋白和牛乳蛋白的差异及其生理功能提供了理论依据,而且为婴幼儿食品、母乳化制品达到母乳水平提供有益探索。     

分子对接技术研究热休克蛋白27与β受体激动剂的相互作用

利用分子对接技术,研究热休克蛋白27(heat shock protein 27,HSP27)与β受体激动剂类药物的结合能力,探究HSP27用于检测β受体激动剂的可能性。将人工表达的HSP27和β₂肾上腺素受体(β₂ adrenergic receptor,β₂AR)分别与β受体激动剂类药物进行分子对接,比较它们的结合能力的差异性,并对对接结果进行酶联免疫吸附实验(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)验证。对接结果显示,15种β受体激动剂类药物中有9种药物与HSP27对接的总评分值高于β₂AR。ELISA的结果显示,HSP27可以与HRP-克伦特罗、HRP-非诺特罗和HRP-莱克多巴胺特异性结合,OD值分别为0.685、0525、0.662,这与分子对接结果基本一致。结论:HSP27与β肾上腺素受体激动剂类药物具有较强的结合能力,可以用于检测 β肾上腺素受体激动剂的可能性较大。     

食品药品来源的CFTR氯离子通道抑制剂的研究进展

CFTR氯离子通道是目前国际上新兴的治疗分泌型腹泻的分子药靶,CFTR抑制剂通过阻断离子通道的过度分泌来治疗腹泻症状。由于其抑制剂极为稀少,因此CFTR抑制剂的筛选工作是相关领域中最基础、最关键的环节。天然产物兼具结构和生物活性的多样性,在新药和先导化合物的发现中起着重要作用,是药物开发的主要来源,而食品药品来源的天然产物更因为对人体安全无毒副作用而倍受青睐。食品药品来源的CFTR氯离子通道抑制剂对于CFTR相关的腹泻等疾病的机理研究和治疗具有重要价值,同时也为天然产物资源用于现代药物发现提供了依据。     

基于分子对接技术模拟预测复明片对M胆碱受体的作用

【目的】采用分子对接技术模拟预测复明片与M胆碱受体的作用关系。【方法】建立复明片活性成分数据库,采用Autodocking vina等软件,以M胆碱受体蛋白激动剂IX0作为配体,建立M胆碱受体蛋白的活性位点,对复明片中活性成分进行分子对接模拟预测。【结果】以自带配体IX0(-6.5 kcal/mol)为阈值,复明片中共有217种成分与M胆碱受体蛋白对接亲和力在阈值之上。复明片中活性成分主要作用于以ALA-194、ASN-108、ASN-404、ASP-103、CYS-429、PHE-195、SER-107、TRP-155、TRP-400、TYR-403、TYR-426、TYR-430、VAL-111等氨基酸残基组成的活性位点。【讨论】复明片中活性成分与M胆碱受体蛋白能够成功进行分子对接,其对接位点信息有助于研究复明片活性物质与M胆碱受体的作用机制的阐释及发现新型抗青光眼药物提供参考。     

血管紧张素转化酶抑制二肽抑制ACE作用的柔性分子对接

食源性血管紧张素转化酶（angiotensin Ⅰ-converting enzyme,ACE）抑制肽可有效抑制生物体内ACE活性,进而起到降压疗效,且作用温和,无副作用,是高血压治疗的理想药物,但其分子作用机制一直未有明确解释。本实验选取4 个代表性食源ACE抑制二肽（Gly-Phe、Gly-Tyr、Val-Phe、Ile-Tyr）为研究对象,采用柔性分子对接的方法研究它们与ACE的相互作用模型与分子机理。分子对接结果表明：氢键、亲水、疏水、静电等作用力同时对二肽与ACE的结合有贡献,但以氢键作用为主;ACE分子中Ala354、Glu384、Arg522等氨基酸残基为二肽与其结合的重要活性位点;ACE抑制二肽中氮端氨基对其抑制活性影响显著。通过以上分子机理研究可为指导开发强活性ACE抑制肽提供理论指导。     

超声处理对叶黄素与牛血清白蛋白结合行为的影响

为探究超声处理对叶黄素（LUT）与牛血清白蛋白（BSA）结合行为的影响,采用荧光光谱、紫外-可见吸收光谱法分析不同超声频率（0 Hz/40 kHz/53 kHz）下LUT与BSA的相互作用,通过位点竞争试验和分子对接技术来确定结合位点。结果表明：不同超声频率下LUT对BSA造成荧光猝灭,当超声频率53 kHz时猝灭率最高（50.6%）,同时超声处理使BSA结构的疏水性增强,与紫外-可见吸收光谱测定结果一致。同步荧光表明,超声处理使BSA骨架变得疏松,且在超声频率53kHz时色氨酸荧光强度变化显著。分子对接结果显示：LUT与BSA结合位点位于亚结构域ⅢA和ⅢB之间,已得到位点竞争试验的验证。此外,热力学研究和分子对接结果表明：LUT主要通过氢键和疏水相互作用与BSA自发结合。当超声超声频率53 kHz时,对LUT与BSA的结合行为影响显著。结论：通过改变超声频率,可调控食品中蛋白与小分子相互作用。     

谷物植物化学物中α-葡萄糖苷酶抑制剂的筛选及其分子机制

目的:从谷物植物化学物中筛选潜在的人源α-葡萄糖苷酶抑制剂.方法:构建小分子数据库,采用分子对接结合ADME和Lipinski性质从265种中筛选出了10种具有人源α-葡萄糖苷酶抑制潜力的植物化学物.结果:体外抑制活性实验结果显示牡荆素和异牡荆素两种常见碳苷黄酮及其苷元芹菜素抑制酵母源α-葡萄糖苷酶活力的能力为芹菜素＞...     

芥子酸和米糠谷蛋白非共价相互作用的分子机制研究

为探究芥子酸（sinapic acid,SA）与米糠谷蛋白（rice bran glutelin,RBG）的非共价相互作用的动态过程及其分子机制,本文利用荧光光谱法表征了荧光猝灭机制、结合位点数及热力学参数,并进一步通过分子对接结合分子动力学模拟解析了SA与RBG相互作用的动态过程和分子机制。结果表明,SA以静态猝灭的方式猝灭RBG蛋白的内源荧光形成复合物,结合位点数约为1。两者的结合是自发行为,疏水相互作用是主要驱动力。分子对接发现RBG上存在5个潜在结合位点。进一步的分子动力学模拟表明SA不仅稳定结合在C2位点,而且表现出最低的结合自由能,是最可能的结合位点。蛋白质回旋半径、均方根位移和均方根偏差分析进一步证实了SA与RBG结合的稳定性。结合自由能分解和相互作用分析从蛋白和小分子结构两个角度揭示了6个关键氨基酸（Ile131、Ile90、Gln261、Trp149、Tyr151及Tyr102）和SA的甲氧基对SA与RBG的结合具有重要作用。研究结果为SA-RBG复合物作为功能性食品配料的应用开发提供了理论基础。