计算机辅助药物设计(CADD)，作为现代药物研发的重要工具，在创新药物的开发过程中，不仅为药物的设计提供了很好的理论指导思路，而且还节省了大量的人力物力财力，可以说，CADD的应用，为化合物的成药起到了事倍功半的作用。而分子对接技术，作为基于受体的药物设计的“核心”，在近些年得到了广泛的应用，值得进一步的研究和探索。

1.分子对接技术概念

分子对接技术，作为计算机辅助药物设计的重要方法，通过化学计量学等学科支持，模拟分子的几何结构和分子间作用力，来进行分子间相互作用识别并预测受体-配体复合物结构，是近年来比较成熟的直接药物设计方法。分子对接不仅可以研究配体(药物分子)与其受体(已知的靶蛋白或活性位点)之间的详细相互作用，预测其结合模式及亲合力，还可以用来发现并优化药物先导物分子，进而实现基于结构的药物设计(SBDD)的一种重要方法，其本质是两个或多个分子之间相互识别的过程，该过程涉及分子之间的空间匹配和能量匹配。

分子对接的基础是生物大分子的结构，这些结构信息通常可以通过X-射线晶体衍射和核磁共振(NMR)方法，以及同源模建(homology modeling)方法得到。随着计算机技术的发展、靶酶晶体结构的快速增长以及商用小分子数据库的不断更新，分子对接在药物设计中取得了巨大成功，已经成为SBDD研究中最为重要的方法。

2.分子对接的基本原理是什么？

早期用来阐明配体-受体结合机制的原理是Fisher于1894年提出的“锁钥模型"，配体进入受体的方式类似于锁和钥匙，此时视受体和配体均为刚性结构，即在配体和受体进行分子对接的过程中，空间构象不发生变化。当然，实际过程中药物分子与靶酶分子间的识别要比锁和钥匙复杂得多。首先，分子对接过程中，受体和配体是柔性的，即在结合过程中靶酶和底物的分子构象是变化的。其次，分子对接中受体和配体间不仅要满足空间形状的匹配，还要满足能量的匹配，即结合自由能的变化(△Gbind)决定他们之间能否最终匹配。最后，受体与配体的相互识别过程中，两者之间还存在着氢键作用、静电作用、疏水作用和范德华作用等一系列相互作用。

空间匹配和能量匹配是分子对接过程中需要解决的两大问题。空间匹配是分子间发生相互作用的基础，进行分子对接计算时，首先在受体的表面凹槽产生一系列假定的结合位点,将配体分子放入该位点中，如果两者之间满足分子的空间匹配原则，则可以结合。能量匹配是分子间保持稳定结合的基础，当配体分子进入结合位点时，通过一定的程序计算它们之间的结合模式和结合能，并对结果进行打分，通过打分函数评判配体一受体的结合程度。

由于“锁-钥”原理的局限性，1958年D.E.Koshland提出了“诱导契合"学说，其核心内容为蛋白的活性位点通过与配体的相互作用而发生变化，即蛋白与底物契合并发生结构变化，该原理说明在分子对接的过程中，配体和受体均被视为柔性结构。事实证明，将配体和受体视为柔性结构得到的对接结果相对而言更为准确。

3.分子对接技术都有哪些类别

刚性对接

即在对接计算的过程中，参与对接的分子的构象并不发生变化，只有分子的空间位置和姿态发生变化。由于在刚性对接中，受体和配体的空间形状均被视为固定不变的，所以该方法简化程度较高，并且计算难度和计算量都较小，故适用于处理结构比较大的分子，一般应用于模型建立后的初步分析。

半柔性对接

即在对接计算过程中，受体的构象是刚性的，固定不变，只允许配体的构象在一定范围内变化，如固定某些非关键部位的键角和键长等。因为该对接方法兼顾了整个对接计算过程中的计算量和模型的预测能力，因而广泛应用于小分子和大分子(酶或核酸)之间的对接。在药物的研发和设计方面，该方法已得到了广泛的应用，通过固定受体蛋白的构象，并不断调整药物分子的化学结构，使之相契合，从而得到药物分子的初步设计方案。

柔性对接

即在对接计算过程中，允许配体和受体的构象发生自由的变化，由于变量随着体系的原子数呈几何级数增长，因此柔性对接方法对计算机软件、硬件系统要求都比较高，还要求高精度的分子构象，因此其计算量非常大，耗时较多，得到的对接精度也比较高，适用于精确考察分子间的识别情况。

4.用于分子对接技术的软件

目前，已有多款软件上市，应用于计算机辅助药物设计中的分子对接。如Autodock、DOCK、GOLD、Glide、FlexX、ICM、eHiTS、Autodock Vina、Flip Dock、FRED、surflex-dock、MOE、ligandfit、MS-Dock、FLOG、Dock Vision、hammerhead、EADock、ISE-Dock、ASEDock、HADDOCK等等等等。在这些软件中，总的来说，Autodock、DOCK和FlexX应用较为广泛。

AutoDock

是由Scripps学院Olson实验组开发的柔性配体与生物大分子的分子对接软件，其采用了半柔性的对接方法，允许小分子的构象改变，用结合自由能来评估结果。为了计算高效，AutoDock采用了格点对接的方式，这与DOCK中的格点对接方式不同。它先将受体分子划分成网格点，然后用不同类型的原子作为探针(probe)进行扫描，计算探针原子在格点上与受体的相互作用能并生成gridmap，然后配体与受体对接时直接从gridmap中读取相应格点的作用能而无需重新计算，从而大大加快计算速度又保证了计算精度，因此被广泛的用于虚拟筛选。

Autodock格点对接示意图

DOCK

是19世纪80年代由Kuntz小组开发的第一款对接程序，其应用遗传算法小分子的结合模式进行预测，并使用半柔性对接技术。它的基本步骤为：首先确定小分子键长与键角，然后将配体小分子拆成若干个刚性片断，最后依据受体表面的几何性质，将配体小分子的刚性片断重新组合，进行构象搜索。在能量计算方面，DOCK考虑了静电作用、范德华力等非键相互作用，在进行构象搜索的过程中搜索体系势能面。最终软件以能量评分和原子接触罚分之和作为对接结果的评价依据。

FlexX

目前已成为分子设计软件包SYBYL的一个模块，使用碎片生长方法寻找最佳构象，并根据对接自由能的数值选择最佳构象。该程序不仅对接速度快、效率高，而且还可以用于小分子数据库的虚拟筛选。FlexX是一种用增长的片段放置技术来考虑配体构象柔性的、快捷的自动对接程序。其采用片段生长法进行分子优化的基本思路是：首先选择核心片段，然后

将其放置在活性位点的正确部位，接下来配体分子的其它部分依次“生长”在核心结构上，当配体生长结束以后，可以得到多个最佳的配体和受体的结合形式，之后可以从中选择需要的结果。

FlexX配体分子的生长

5.虽为利器，但仍须改进！

近年来，分子对接技术，已广泛的应用于药物发现阶段的早期虚拟筛选、药物分子设计、先导化合物优化、药物潜在作用靶点发现、药物-靶点相互作用机制、并为重要的药物代谢酶寻找特异性配体等，已成为药物发现过程中非常重要的工具之一。

不过，当下仍存在许多问题亟待解决。如在计算机上研究受体的作用机理，由于脱离了其原先存在的环境，导致其空间构象发生变化，可能无法得到其真实的三维空间结构，而且目前大部分的受体都是通过药理实验推理得到，它们真正的结构还不清晰；分子对接时，靶蛋白的结合位点是否正确，是否使用了不合适的小分子数据库进行筛选，对接模式的选择是否正确，对接试验中的数据是否来自同一篇文献，在分子对接试验中，我们在计算机上进行模拟，可以得到非常详尽的数据，但是这些数据是否与真实状态下的实验数据相匹配，以及在对接打分值很高的情况下是否可以成功地进行分子动力学模拟等等。

所以说，分子对接技术，乃至计算机辅助药物设计中的每一种方法，只有更加科学的解决虚拟与现实的有效衔接，更加完美的模拟体内过程，方能“真正”的在发现药物的道路上大显身手。

参考文献：

1.小分子药物与牛血清白蛋白相互作用研究

2.http://dx.doi.org/10.1016/j.molstruc.2016.07.082

3.http://dx.doi.org/10.1016/j.saa.2016.10.043

4.GPCR配体药效团模拟及其数据库构建研究

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