计算机模拟进行分子对接

计算机模拟进行分子对接

北京市陈经纶中学王子巍、王喆学科：信息学化学

【内容摘要】

所谓分子对接就是受体和底物之间通过能量匹配和几何匹配而互相识别的过程。分子对接在超分子建筑学和药物设计中都具有非常重要的意义，运用分子对接我们可以揭示超分子体系的结构和形成过程。分子对接主要研究分子间（即配体和受体）相互作用，并且预测并计算结合模式和亲和力的一种理论模拟方法。

近年来，分子对接方法已成为计算机辅助药物研究领域的一项重要技术，在数据库搜索，组合库设计及蛋白作用研究方面得到广泛发展

因此分子对接具有极强的相士意义和发展前景

【关键词】分子对接 Docking Autodock

1、前言：

1.1历史

分子对接这一想法的历史可以追溯到19世纪提出的受体学说，Fisher提出的受体学说认为，药物与体内的蛋白质大分子即受体会发生类似钥匙与锁的识别关系，这种识别关系主要依赖两者的空间匹配。随着受体学说的发展，人们对生理活性分子与生物分子的相互作用有了更加深刻的认识，从基于空间匹配的刚性模型逐渐发展成为基于空间匹配和能量匹配的柔性模型。模型的优化使通过计算模拟分子间相互作用的设想更容易实现。另一方面，计算机和计算科学的迅速发展又使得人们能够处理大量数据，这两方面的因素共同促成了分子对接方法的出现。

早期的分子对接方法用分子力学方法或者量子化学方法计算小分子之间分子识别，在一些分子模拟软件包中也含有分子对接的模块。但是由于算法和计算机处理能力的限制，早期的对接方法较难处理含有大分子的分子对接过程。

1995年由Accelrys公司开发的计算化学软件Affinity上市，这是第一个可以进行有大分子参与的商业化分子对接软件，此后，商业化和免费的分子对接软件层出不穷。现在应用中的分子对接软件涵盖了刚性对接、半柔性对接、柔性对接等各种对接方法，在能量优化方面则使用了人工神经网络、遗传算法、模拟退火、禁忌搜索、局部搜索等各种方法，目前的分子对接方法是研究小分子与大分子相互作用模式、生物大分子间识别、分子自组装、超分子结构等课题的常用方法之一。

1.2原理与方法

分子对接方法的两大课题是分子之间的空间识别和能量识别。空间匹配是分子间发生相互作用的基础，能量匹配是分子间保持稳定结合的基础。对于几何匹

配的计算，通常采用格点计算、片断生长等方法，能量计算则使用模拟退火、遗传算法等方法。

各种分子对接方法对体系均有一定的简化，根据简化的程度和方式，可以将分子对接方法分为三类。

刚性对接：刚性对接方法在计算过程中，参与对接的分子构像不发生变化，仅改变分子的空间位置与姿态，刚性对接方法的简化程度最高，计算量相对较小，适合于处理大分子之间的对接。

半柔性对接：半柔性对接方法允许对接过程中小分子构像发生一定程度的变化，但通常会固定大分子的构像，另外小分子构像的调整也可能受到一定程度的限制，如固定某些非关键部位的键长、键角等，半柔性对接方法兼顾计算量与模型的预测能力，是应用比较广泛的对接方法之一。

柔性对接：柔性对接方法在对接过程中允许研究体系的构像发生自由变化，由于变量随着体系的原子数呈几何级数增长，因此柔性对接方法的计算量非常大，消耗计算机时很多，适合精确考察分子间识别情况。

2、可行性与优势

2.1对接分子

分子对接的目的是找到底物分子和受体分子间的最佳结合位置，所以要面对的重要问题是如何找到最佳的结合位置和如何确定对接分子间的结合强度。

如何找到最佳的结合位置牵涉到优化的问题。底物分子和受体分子都是可以自由转动和平动的，同时两个分子自身的构象也存在变化，因此它们之间可能的结合方式是非常复杂的，所以简单的系统搜索方法是不够的，要引入其他高效的优化方法，常用的有遗传算法、模拟退火以及禁忌搜索等。

如何确定对接分子间的结合强度涉及到底物分子和受体分子间结合能力的预测，牵涉到结合自由能的计算。结合自由能包括以下几个方面的贡献:

1．受体分子和底物分子气态下分子对接过程的自由能变化，约为对接过程中的焓变;

2．受体分子、底物分子以及复合物分子的溶剂化自由能；

3．对接过程中的熵变。

在这几项中，气态下分子对接过程的焓变可以通过分子力学的方法简单求算，但去溶剂化能准确而快速的求算还存在一定的问题，不过熵变的计算可能是最大的问题，因为它的计算需要耗费大量时间，而在实际的应用设计过程中，研究人员总是希望能快速筛选成千上万的分子。所以目前采用的是较为简单的自由能评价方法。

2.2AUTODOCK对接方式

AUTODOCK是Scripps的Olson科研小组开发的分子对接软件包，最新的版

本为3.05，AUTODOCK采用模拟退火和遗传算法来寻找受体和配体最佳的结合位置，用半经验的自由能计算方法来评价受体和配体之间的匹配情况。在AUTODOCK 中，配体和受体之间结合能力采用能量匹配来评价。在1.0和2.0版本中，能量匹配得分采用简单的基于AMBER力场的非键相互作用能。非键相互作用来自于三部分的贡献:范得华相互作用，氢键相互作用，以及静电相互作用。在3.0版中，AUTODOCK提供了半经验的自由能计算方法来评价配体和受体之间的能量匹配。

在最早的AUTODOCK版本中，作者采用了模拟退火来优化配体和受体之间的结合。

3.0版本中，Morris等发展了一种改良的遗传算法，即拉马克遗传算法(LGA)。测试结果表

明，LGA比传统的遗传算法比模拟退火具有更高的效率。在LGA方法中，作者把遗传算法和局部搜索(local search)结合在一起，遗传算法用于全局搜索，而局部搜索用于能量优化。在AUTODOCK中，局部搜索方法是自适应的，它可以根据当前的能量调节步长大小。LGA算法引入了拉马克的遗传理论，LGA最大的特点就是通过进化映射(developmental mapping)把基因型转化为表现型而实现局部搜索和遗传算法的结合。基因型空间通过遗传算子突变和交叉来定义;而表现型则通过问题的解来定义，这里表示体系的能量得分。

2.3其它主要分子对接软件

FlexX

FlexX是德国国家信息技术研究中心生物信息学算法和科学计算研究室开发的分子对接软件，目前已经作为分子设计软件包Sybyl的一个模块实现商业化。FlexX使用碎片生长的方法寻找最佳构像，根据对接自由能的数值选择最佳构像。FlexX程序对接速度块效率高，可以用于小分子数据库的虚拟筛选。

DOCK

Dock是目前应用最广泛的分子对接软件之一，由Kuntz课题组开发。Dock 应用半柔性对接方法，固定小分子的键长和键角，将小分子配体拆分成若干刚性片断，根据受体表面的几何性质，将小分子的刚性片断重新组合，进行构像搜索。在能量计算方面，Dock考虑了静电相互作用、范德华力等非键相互作用，在进行构像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。

3.Autodock分子模型的对接

3.1导入大分子

3.1.1 打开文件

初始引入文件的格式可以是：MMCIF 文件（.cif），MOL2文件(.mol2)，PDB 文件(.pdb)，MEAD文件(.pqr)。推荐为PDB文件(.pdb)最好。