眼見(jiàn)為實(shí)：大規(guī)模分析小分子/蛋白晶體結(jié)構(gòu)

2017年10月1日 | Filed under: 制藥工業(yè),制藥企業(yè),藥物化學(xué),新藥研發(fā),制藥常識(shí),文獻(xiàn)綜合 | Posted by: 路人丙

underthehood_v6fwd_1 【新聞事件】：最近加拿大一個(gè)研究小組分析了（doi: 10.1039/c7md00381a）蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)（PDB）里的11016個(gè)蛋白/小分子配體的晶體結(jié)構(gòu)（其中6444個(gè)配體有實(shí)驗(yàn)結(jié)合能數(shù)據(jù)），從中提取了750873個(gè)原子水平相互作用。作者發(fā)現(xiàn)高效率配體的疏水作用富集明顯，而分子片段則以極性作用為主。最常見(jiàn)的七種相互作用是疏水作用、氫鍵、pi-疊加、弱氫鍵、鹽橋、酰胺疊加、和正離子-pi疊加。

【藥源解析】：隨著蛋白結(jié)晶技術(shù)的進(jìn)步，大量蛋白/小分子化合物晶體結(jié)構(gòu)被解析，為大規(guī)模分析分子相互作用成為可能。晶體結(jié)構(gòu)雖然是瞬間結(jié)構(gòu)、不能反映溶液里的動(dòng)態(tài)平衡，但也在很大程度體現(xiàn)了蛋白/化合物的結(jié)合方式，所以是非常重要的信息。更重要的是這些結(jié)果信息來(lái)自電子密度，基本算是親所見(jiàn)，所以非常可靠。現(xiàn)在新藥項(xiàng)目有目標(biāo)蛋白晶體結(jié)構(gòu)（structurally enabled）是個(gè)重要條件，對(duì)先導(dǎo)物優(yōu)化效率有很大影響。

現(xiàn)在PDB已經(jīng)有十幾萬(wàn)個(gè)晶體結(jié)構(gòu)，包括76056個(gè)小分子蛋白結(jié)構(gòu)，其中13000個(gè)化合物有結(jié)合強(qiáng)度數(shù)據(jù)，但作者只選了分辨率在2.5埃以下的結(jié)構(gòu)作為分析對(duì)象。不同蛋白因?yàn)樘烊坏孜锊煌越Y(jié)合腔的形狀和物化性質(zhì)可以相差很多。PDB晶體結(jié)構(gòu)涵蓋500多個(gè)蛋白家族，所以多樣性相當(dāng)不錯(cuò)。化合物庫(kù)的建立和篩選策略也間接影響這些晶體里相互作用的出現(xiàn)頻率。如片段篩選需要高濃度，所以要求化合物水溶性很高。另外通過(guò)極性相互作用提高活性更難，所以也要求片段設(shè)計(jì)盡量以極性基團(tuán)為主。這可以解釋片段晶體結(jié)果中極性作用更多的發(fā)現(xiàn)。

小分子與蛋白結(jié)合在原子水平可以被劃分成各種微觀作用力。如果兩個(gè)原子在空間上比4埃更近，作者則認(rèn)為二者有相互作用。這不一定總正確，尤其對(duì)于分子量較大、剛性較大的分子。因?yàn)榉肿幼杂啥仁怯邢薜模坏讉€(gè)關(guān)鍵相互作用決定了配體的位置，大部分其它原子只能服從大局，與蛋白的某個(gè)原子空間上接近不一定是相互吸引。如同你父母換工作你跟著轉(zhuǎn)學(xué)，不是因?yàn)槟阆矚g新學(xué)校。所以這些相互作用出現(xiàn)頻率不完全和其強(qiáng)度正相關(guān)。如鹽橋的結(jié)合能非常高，但只排第五。而對(duì)角度非常敏感的氫鍵和對(duì)距離非常敏感（與距離10的12次方成反比，挪一下屁股結(jié)合能就全沒(méi)了）的范德華力卻排在前面。

藥物發(fā)現(xiàn)實(shí)踐中一般要通過(guò)高通量篩選先找到結(jié)合力不錯(cuò)的先導(dǎo)物，這個(gè)先導(dǎo)物基本有了目標(biāo)藥物70-80%的結(jié)合能，所以化合物庫(kù)的設(shè)計(jì)對(duì)各種分子相互作用出現(xiàn)頻率影響很大。所謂藥物設(shè)計(jì)是根據(jù)SAR或利用其它設(shè)計(jì)技術(shù)如CADD補(bǔ)充缺失的20-30%結(jié)合能。而這小部分結(jié)合能也不太容易通過(guò)文章中提到的這些特異分子相互作用得到，而是主要通過(guò)所謂的疏水相互作用。疏水相互作用排在第一是有原因的。這個(gè)作用并非是藥物與蛋白之間相互吸引，而是二者都有部分片段不喜歡在水里。這如同突然下雨大街上毫不相干的人都擠到房檐下避雨，并不是這些人相互喜歡。疏水作用雖然沒(méi)有帶來(lái)結(jié)合能但會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的熵值，這是自由能的來(lái)源。遺憾的是疏水作用雖然最容易得到，但除了對(duì)活性有益之外幾乎無(wú)一是處。選擇性、水溶性、代謝穩(wěn)定性以及衍生的藥物-藥物相互作用、制劑、給藥方式等藥物發(fā)現(xiàn)的主要技術(shù)障礙無(wú)不與先導(dǎo)物的過(guò)高脂溶性（疏水性）緊密相關(guān)。

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