10分钟教你掌握分子对接模拟软件(医药向)

首先介绍一下自己吧， 本人毕业于南方某知名 211大学药学系， 目前于澳门科技 大学攻读硕士研究生。从本科开始自己就在接触 CADD（计算机辅助药物设计） 方面的软件知识， 在此将分享一些自己的纯干货！ 下面将以一个实例操作带大家 迅速认识和掌握分子模拟对接， 希望给各位从事医药行业和药物化学合成的同学 带来帮助。

话不多说，下面进入正题。

首先我们搞清楚一个概念： 什么是分子模拟对接。 分子模拟对接简单来说就是利 用电脑软件将受体蛋白与配体分子进行模拟对接，计算它们的结合能（ KJ/MOL）

大小来判断结合是否紧密， 若结合效果比较理想， 那么该蛋白受体或配体则是我 们理想的分子，可以进一步进行实验室操作， 避免盲目实验带来的人力经济损失。

接下来我将介绍一下本篇文章的主角， 也是我们所要用到的软件 PyRx、Chemdraw、

AutodockTools 以及 PyMol。为了便于理解，简要概括之： Chemdraw为化合物分 子绘图软件； PyRx为 Autodock Vina 算法搭载软件，能够调用其算法直接进行 模拟对接；

AutodockTools 是 PyMol 为对接结果成像软件，可以进一步分析其结 构。

下面正式进入正题， 我将大致分为三个板块来进行推进： 受体配体的准备； 分子 对接；结果分析。研究类型为：已知若干配体分子结构，通过受体蛋白测试配体 分子活性。

本次筛选意在以 COMT酶为受体，从 20 种与常见氨基酸形成环二肽的目标化合物 中筛选出与 COMT酶受体结合最为紧密的一种环二肽结构，大大减少了随机筛选 的盲目性，有利于进一步研究该类化合物分子的生物学活性与改造成抗帕金森疾 病前药的可能。图 1

展示了 20 种不同环二肽结构物质的统一结构，随着 R 基团 的不同，所对应的氨基酸也不同。而表 1 则展示了 20 种不同环二肽的分子式。

图

1 Cycol[DOPA

（6-NO2）

-AA]

表

1

待筛选的

20

种配体分子

配体名称

（Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

Cycol[DOPA

分子量

Cycol[DOPA

6-NO2

）

-Ala]

（

6-NO2

）

-Arg]

（

6-NO2

）

-Asn]

（

6-NO2

）

-Asp]

（

6-NO2

）

-Cys]

（

6-NO2

）

-Gln]

（

6-NO2

）

-Glu]

（

6-NO2

）

-Gly]

（

6-NO2

）

-His]

（

6-NO2

）

-Ile]

（

6-NO2

）

-Leu]

（

6-NO2

）

-Lys]

（

6-NO2

）

-Met]

（

6-NO2

）

-Phe]

（

6-NO2

）

-Pro]

（

6-NO2

）

-Ser]

（

6-NO2

）

-Thr]

（

6-NO2

）

-Trp]

（

6-NO2

）

-Tyr]

（

6-NO2

）

-Val]

307.079

351.089

350.104

351.089

339.145

364.131

365.116

293.052

373.141

349.16

349.16

364.17

365.199

383.177

333.117

323.087

337.105

422.213

399.176

335.133

一、受体配体的准备

首先谈谈受体分子的准备工作。 一般来讲， 受体分子作为目标靶点， 在我们 人体内通常以大分子蛋白质的形式存在， 而 PDB数据库则覆盖了世界上 70%的人 源、鼠源等的蛋白数据。 我们打算在该网站上下载一个简单不含辅酶的蛋白， 我 们选择了代码为

4PYI 的酶（基于配体分子靶标为 COMT酶从而选择之）。

图

2 4PYI

型

COMT酶

4PYI 蛋 白 受 体 选 择 PDB 下 载 格 式 进 行 下 载 （ 另 存 为路 径 最 好 选

择 C:UsersAdministratorDesktop 以避免 Windows 操作系统不兼容导致的程序 运行崩溃），下载文件导入 AutodockTools 进行受体前处理。

1. 除水： Autodocktools 菜单栏 Edit 中点击 Delete Water 除去蛋白分子中的水 分子，避免其对分子对接的干扰。

2. 加氢：AutodockTools 菜单栏 Edit 中点击 Hydrogens—Add。参数设置： Polar

Only ；No bong order ；Renumber atoms to include new hydrogens 。

3. 设置原子类型： AutodockTools 菜单栏 Edit 中点击 Atoms—Assign AD4 type 。

4. 保存： File —Save—Write PDBQT。保存为 PDBQT格式便于分子对接。

配体是分子对接的变量， 也是虚拟筛选的目标群体， 本次筛选的 20种 Cyclo（DOPA

（6-NO2） -AA）需要手动绘制加以表现，本次用到的绘制工具为

Chem3D，绘制完毕后对配体进行后处理。

1. 绘制：利用 Chemdraw对 20种 Cyclo（DOPA（6-NO2）-AA）分别进行绘制，再 将绘制结果直接导入 Chem3D输出为 mol2 文件。

2. 能量最小化：分别将不同 mol2 文件导入 PyRx 软件，在右下角菜单栏选择 “ Energy

Minimization Parameters ”进行能量最小化处理，参数设置： Force Field —uff ；Optimization Algorithm —Conjugate Gradients ；Total number of steps —200；Number

of steps for update —1；Stop if energy difference is less than —0.001 。最后将能量最小化的分子另存为原格式。

Chemdraw与

3. 格式转换：将经过能量最小化后的 mol2 分子通过 Ligand Input 导入

AutodockTools ，然后在 Ligand Output 选项里选择 Save as PDBQ，T 最终将 mol2 文件格式转换为 PDBQT格式（与受体格式相同） 。

、分子对接

经过受体与配体分子的准备后可以得到两种分子的 PDBQT格式的文件等待

进一步分子对接，分子对接在 PyRx软件中调用 Autodock Vina 算法进行模拟对 接。

1. 导入：将 20 种配体分子导入 PyRx 软件的 Ligands 选项并全部选中； 另外将已 进行处理的 4PYI 酶导入 Macromolecules 选项并选中。

2.对接：将 20种配体与 4PYI受体选中后选择计算网格大小， 参数设置： Center

X：-20.757 Y ：-22.666 Z:0.8213; Dimensions

(Angstrom) X: 55.0259 Y: 55.0259 Z: 55.0259

Run Vina 等待计算结果。

；Exhaustiveness ：30。最后

图

3 PyRx

分子对接操作界面

三、虚拟筛选的结果分析与结论

表

2 20

种配体分子结合能数据

Ligand

Cycol[DOPA

（

6-NO2

）

-Ala

]

Binding Affinity

（

kcal/mol

）

- 8.3

-8.7

-8.3

Cycol[DOPA

（

6-NO2）-Arg

]

Cycol[DOPA

（

6-NO2）-Asn]

Cycol[DOPA

（

6-NO2）-Asp]

Cycol[DOPA

（

6-NO2）-Cys]

Cycol[DOPA

（

6-NO2

）

-Gln

]

Cycol[DOPA

（

6-NO2

）

-Glu

]

Cycol[DOPA

（

6-NO2

）

-Gly

]

Cycol[DOPA

（

6-NO2

）

-His

]

Cycol[DOPA

（

6-NO2）-Ile]

Cycol[DOPA

（

6-NO2）-Leu]

Cycol[DOPA

（

6-NO2）-Lys]

Cycol[DOPA

（

6-NO2

）

-Met

]

Cycol[DOPA

（

6-NO2）-Phe]

Cycol[DOPA

（

6-NO2）-Pro]

Cycol[DOPA

（

6-NO2）-Ser]

Cycol[DOPA

（

6-NO2）-Thr]

-8

-7.8

-8.1

-8.1

-8

-8.3

-8.4

-8.2

-7.9

-7.9

-9

-8.3

-7.9

-8.1

Cycol[DOPA

（

6-NO2

）

-Trp

]

Cycol[DOPA

（

6-NO2

）

-Tyr

]

-9.2

-8.8

-8.3

Cycol[DOPA

（

6-NO2）-Val]

由表格数据可知， Cycol[DOPA（ 6-NO2）-Trp] 结合能为-9.2 kcal/mol ，通过 PyMOL

展现其氢键作用力良好，该分子共与五个氨基酸分子发生氢键相互作用，且在

surface 模式下发现该分子与蛋白质受体凹槽部分结合紧密， 所以该分子属于最 佳目标化合物。

图

4 Cyclo[DOPA(6-NO2)-Trp]

与

COMT相互作用

图

5 Cyclo[DOPA(6-NO2)-Trp]

的蛋白结合位点

本次虚拟筛选将二十种含常见氨基酸的配体进行分子对接， 通过直观的数据分析 筛选出与 COMT结合最为紧密的配体分子作为我们的观察对象，含 Trp 的环二肽 拥有最好的对接性能，我们将保留其对接参数， ， Cycol[DOPA（6-NO2）-Trp] 结 合能为 -8

kcal/mol ，氢键作用与分子结合位点分析结果较好，有进一步合成探 索的实验价值。