分子模拟总结

HMG-CoA 合成酶
HM还G原-C酶oA（限速酶）
甲羟戊酸
ATP
甲羟戊酸激酶
丙酮酸 + 3-磷酸甘油醛 脱氧木酮糖-5-磷酸
二甲烯丙基焦磷酸 (DMAPP)
5-甲羟戊酸磷酸
磷酸甲羟戊酸激酶 CO2
5-焦磷酸甲羟戊酸
异戊二烯 焦磷酸异构酶
5-焦磷酸甲羟戊酸脱羧酶
异戊二烯焦磷酸 (IPP)
类异戊二烯
生物界HMGR 基因进化树
频率分析计算
# RHF/6-31G(d) Freq Test 注意: 频率分析计算时所采用的理论方法和基组必须 与几何构型优化采用的方法和基组完全相同。
判断极小值，过渡态，高阶鞍点的标准 ZPE，吉布斯自由能，焓如何查找 振动模式的查找，显示，以及红外拉曼光谱图的计算
过渡态反应路径
• 猜测可能的过渡态计算： Opt=(TS, CalcFC,noeigentest) B3LYP/6-31+G* Freq
创新药物研究流程
新靶标发现 新先导化合物发现 药物开发
基因/功能
靶标
新候选物
新药
功能基因 研究
靶标发现
靶标确证
先导化合 物发现
先导化合 物优化
临床前 研究
临床研究
市场
先导化合物
随机筛选 10, 000 ~ 20, 000
化合物
4-6 年
药物候选物
期长: 10-12 年 耗资大: > 5.50 亿美元，年增长率> 20％ 风险高: 7个上市新药仅1个盈利
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
4
5
6 PH 7
8
9
V (u/mg) V (u/mg)
25
20
15
10
5
0
15
25
35
45
55
65
T (℃)
V (U/mg)
V (U/mg)
25
D7S14
理论背景 单点能计算 几何构型优化0 频率分析计算 验证：极小值、过渡态、高价鞍点 反应路径—过渡态
理论背景
一、
1. MM分子力学
2. MD分子动力学
3. 电子结构理论
a) Semi-empirical (半经验方法) HMO、AM1、MNDO、PM3、INDO/S等方法
b) Ab initio Methods (从头算方法) Hartree-Fock/HF方法
• 频率分析，判断是否为过渡态
• IRC计算，验证是否为本反应所对应的过渡态
IRC=CalcFC b3lyp/6-31+G*
• 将IRC向前向后分别获得的分子结构进行极小值优 化，获得本过渡态所对应的反应物与产物
opt freq b3lyp/6-31+G*
注意事项：
(1) 重点记清楚所学的每个关键词代表的意思 (2) SCF Done的能量代表什么能量？ (3) 频率计算中所给出的零点振动能，零点总能
ESPrinpt 2.2 作图
Fig：模建的A链与已解析的单体叠合图， RMSD=0， 白色为模建的A链，紫红色为已解析的单体。
http://swissmodel.expasy.org/
含底物HMG-CoA和辅酶ANDPH的SP-HMG-CoA reductase二聚体的分子动力学模拟
2.5
RMSF of Backbone l (in Angstrom)
Bochar, D. A.,.. Mol. Genet. Metab. 1999, 66, 122-127.
肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae，SP）是革兰氏阳性球菌中的一种，早在 1881年由法国的Pasteur和美国的Sterberg首先于患有大叶性肺炎的人类唾液中发现。
TOP 500 compounds
Similary analyse Visual inspection
~30 compounds
Expression, purification, and enzymatic assays of SP-HMG-CoA reductase
V (Umg -1)
30
25
20
PDB:1qax
PDB:1qay
Eva S.Istvan, etc EMBO J 2000, 19:819-830.
Sequence Alignment
Sequence Identities: 40.1%
Homology modeling
s
ca
s
c
c
ca/c
s
s
s ca
cc
s
ca/s ca
c
figure: Sequence Alignment : s: Substate c: Coenzyme ca: catalysis Sequence identity = 40.1% , Sequence similarity = 60.1%
* 计算的名称: 对所进行计算任务的描述 * 电荷,自旋多重度 * 分子几何构型
RHF，MP2计算的能量（查找的关键词，注意单位） HOMO, LUMO轨道，电荷分布, 偶极矩
几何构型优化
# RHF/6-31G(d) Opt Test
• 对于Gaussian03，默认收敛标准为同时满足 四个条件
• 优化后最终能量的查找方式
量，热力学总能量，体系的熵，体系的焓等要 弄清楚 (4) 特征振动频率分析，及其相对应的位移 (5) 过渡态优化中活化能的计算，画势能曲线！
激发态计算的应用
hn
Phycobilin
HOMO
Spectrum of -subunit (PCB)
Absorbtion Spectrum (Exptl. )
临床前研究
2-3 年 临床研究
(phase I, II, III)
3-4 年
创新药物研究是最激动人心的挑战！
新药研究的两个阶段：药物发现和开发
化合物资源
药物发现 DICOVERY
1.药物先导化合物的发现 2.药物先导化合物的结构优化
药物候选化合物
药物开发 DEVELOPMENT
1. 临床前研究 2. 临床研究
200
0.8
100
21A×' 100
0
0.4 0.0
21A' × 500
-100 300 350 400 450 500 550 600 650 700 -200 -300
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Wavelength ( nm )
Wavelength ( nm )
2 84
Photoreaction center of the purple bacterium Rhodopseudomonas viridis.
Bacteriochlorophyll-b
Photoreaction center of the purple bacterium Rhodopseudomonas viridis.
分子模拟&分子对接
医药产业 — 新世纪的支柱产业和经济增长点
世界医药市场的总销售额
（亿美元）
7000
百度文库
2200
4300
发达国家
–24 大 制 药 公 司 合 计 市 场资本达18370亿美元
–成为继 IT 银行 电传视讯
后第四大创利支柱产业
1997年
2003年
2010年
其利润率高居各行业榜首，达17.2%，显著高于占据第二位的 电讯业（8.1%）和第三位的计算机产业（7.3%）。
HL
1.3
Py
1.2
-60
BM
Px/BLP
-90
1.2
Excitation Spectrum 1.0 (ZINDO)
0.8
0.6
0.41.17
0.2
HM
0.0
1.7
1.6
1.5
/ BL PBL
Py
Px/BLP
BM HL
1.4
1.3
1.2
1.1
Excited Energy (eV)
Absorption spectra and Circular Dichroism spectra of PSRC from Rps. viridis
肺炎链球菌是人类细菌性肺炎、菌血症、脑膜炎的重要致病原，也是幼儿中耳炎、 鼻窦炎最常见的病原，在世界上有很高的发病率和死亡率。
目前针对肺炎链球菌临床采用的抗生素主要是青霉素、红霉素等。随着这些抗 生素的广泛使用，肺炎链球菌的耐药性问题日渐突出。针对革兰氏阳性球菌的新 型抑制剂的研发有着重要意义。
PM-HMGR结合有HMG-CoA、NDA+的二 聚体的晶体复合物结构图
新先导化合物发现
合理药物设计药物开发策略
基于配体的药物设计方法 基于受体结构的药物设计 基于药物作用机理的药物设计
a、定量构效关系(3D-QSAR) b、药效基团模型方法
a、活性位点分析方法 b、数据库搜寻法 c、全新药物设计
类异戊二烯生物合成途径
乙酰CoA
乙酰乙酰 CoA硫解酶
乙酰乙酰CoA
3-羟基-3-甲基戊二酸单酰CoA （HMG-CoA)
594
LUMO
α84
HOMO-1
J. Phys. Chem. B, 109 (2005) 11088-11090
608
β84
Spectrum of β-subunit (PCB)
β155
588
Gauss Fitting
能量传递优势途径 b4155
584 184
b484 b384
b1155
484
b684 b184
Lawrence, C. M., Science. 1995, 268, 1758-1762.
Tabernero, L., J. Biol. Chem. 2003, 278, 19933-19938.
他汀类抑制剂对Class-II HMGR的抑制活性比Class-I HMGR差很多
假单胞菌HMGR的晶体结构
-1.0
Rps.viridis
0.5 Reaction Center
(Exptl.)
0.0 (b)
-0.5
1.57
1.492 Circular Dichroism Spectrum 1.265
1.46
-91.00
CD Spectrum
60 (ZINDO)
30
0
1.7
1.6
-30 (c)
BL/PBL
1.5 HM 1.4
Circular Dichroism Spectrum (Exptl. )
Oscillator Strength
R/10-40cgs
1.6
Excitation Spectrum
11A'
500 Circular Dichroism Spectrum
400 300
(TDDFT-PCM)
11A'
1.2 (TDDFT-PCM)
SPECS database ~210, 000 compounds The Lipinski Rules 2D-Query
~100, 000 compounds
Flex-Pharm/Cscore
~30, 000 compounds
FlexX/Cscore
FlexX-Pharm定义的限制药效团模型
Rps. viridis
1.0
Rps.viridis Reaction Center 1.51
0.5
(Exptl.)
0.0 (a)
Circular Dichroism Spectrum 1.27
Rps. viridis
III
reaction center
(Exptl.) IV II
V
-0.5
I
1.47
c) Density Functional Theory 密度泛函理论 DFT/(B3LYP，X3LYP，PW91）等方法
4. 量子统计理论
二、开壳层 vs. 闭壳层
三、Basis set基组
精度 体系 低大
高小
单点能计算
* 设置计算的理论等级和计算类型 # HF/3-21G Pop=Reg SCF=Tight
Vmax=31.08±0.98
15
Km=75.85±4.43
n=1.46±0.09
10
5
0 0
50 100 150 200 250 300 350 400 HMG-CoA (M)
Fig.. Purification of 6×-His-tagged S. pneumoniae HMGR. Lane 1: Molecular weight standards (KDa). Lane 2: supernatant from induced recombinant cell lysate. 3: precipitate from induced recombinant cell lysate. Lane 4: flowing through. Lane 5: 50 mM imidazole elution. Lane 6～7: 250 mM imidazole elution
2
1.5
1
0.5
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Residue Number
2.5
SP-HMGR-All
HMG-Site
NADP-Site
2
RMSD (in Angstrom) '
1.5
1
0.5
0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Time (ps)