药物设计学第十章-基于化学基因组学的药物设计课件.ppt
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- 药物 设计 第十 基于 化学 基因组 课件
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1、第十章 基于化学基因组学的药物设计cpu_ 上世纪中叶,科学家通过实验证明上世纪中叶,科学家通过实验证明DNA是遗传物质;随后是遗传物质;随后DNA双螺旋结构、中心法双螺旋结构、中心法则等一系列研究成果的提出,遗传信息的携则等一系列研究成果的提出,遗传信息的携带者带者基因基因成为人类生命科学研究的重成为人类生命科学研究的重点。点。而人类基因组计划的顺利完成,使人类而人类基因组计划的顺利完成,使人类第一次在第一次在分子分子水平上全面认识了自己,从此水平上全面认识了自己,从此开始了后基因组时代。开始了后基因组时代。本章将从化学信息学入手,重点对研究本章将从化学信息学入手,重点对研究“从基因到药物从
2、基因到药物”转变的化学基因组学技转变的化学基因组学技术进行论述。术进行论述。化学化学生命生命科学科学内容提要内容提要第一节第一节 化学信息学化学信息学第二节第二节 生物信息学生物信息学第三节第三节 化学基因组学与药物设计化学基因组学与药物设计第一节第一节 化学信息学化学信息学一、化学信息学的基本定义一、化学信息学的基本定义二、化学数据的分析和化学数据库的创建二、化学数据的分析和化学数据库的创建三、先导化合物的发现与结构优化三、先导化合物的发现与结构优化四、类药先导物的筛选与四、类药先导物的筛选与ADMETu 化学信息学是化学科学的一门新的、交叉化学信息学是化学科学的一门新的、交叉领域的分支学科
3、,它的产生与发展是基于领域的分支学科,它的产生与发展是基于化学信息量化学信息量指数般指数般增长增长,特别是,特别是组合化学组合化学及及高通量筛选高通量筛选的迅速发展。的迅速发展。u 化学信息学的产生与发展是与药物研究与化学信息学的产生与发展是与药物研究与开发息息相关的,但它的应用却覆盖了化开发息息相关的,但它的应用却覆盖了化学学科的各个领域。对化学信息学的研究学学科的各个领域。对化学信息学的研究也成为热门方向之一。也成为热门方向之一。一、化学信息学的基本定义一、化学信息学的基本定义u 化学数据化学数据的使用和管理以及的使用和管理以及计算机计算机在化学在化学计算中的应用与在化学中引进信息概念的计
4、算中的应用与在化学中引进信息概念的早期研究是密不可分的。早期研究是密不可分的。u Gerg Paris认为:化学信息学是一个一般认为:化学信息学是一个一般的术语,它包括化学信息的设计、建立、的术语,它包括化学信息的设计、建立、组织、管理、检索、分析、判别、可视化组织、管理、检索、分析、判别、可视化及使用。及使用。关于化学信息学的定义及研究领域,目前关于化学信息学的定义及研究领域,目前国内外的学者尚存在争议。国内外的学者尚存在争议。较为准确的定义较为准确的定义 利用计算机及其网络技术,利用计算机及其网络技术,对化学信息进行表述、管理、分析、模拟对化学信息进行表述、管理、分析、模拟和传播,实现化学
5、信息的提取、转化与共和传播,实现化学信息的提取、转化与共享,揭示化学信息的内在实质与内在联系享,揭示化学信息的内在实质与内在联系的学科。的学科。ADMET 药物的药物的吸收、分布、代谢、排谢、毒性吸收、分布、代谢、排谢、毒性 经历了多年的发展,化学信息学已经取得经历了多年的发展,化学信息学已经取得了巨大的成就了巨大的成就:为化学家们提供了许多必备的工具为化学家们提供了许多必备的工具(化学数化学数据库、化学制图软件据库、化学制图软件);从传统的研究领域从传统的研究领域(合成设计、结构解析、合成设计、结构解析、定量构效关系的研究定量构效关系的研究),逐步扩展到一些新,逐步扩展到一些新的领域,的领域
6、,(虚拟组合化学、虚拟筛选、虚拟组合化学、虚拟筛选、ADMET、全新药物设计、全新药物设计)。二、化学数据的分析和化学数据库的创建二、化学数据的分析和化学数据库的创建2.1 化学数据的分析化学数据的分析 化学信息学是为解决化学领域中大量化学信息学是为解决化学领域中大量数据数据处理处理和和信息提取信息提取任务而结合其他相关学科任务而结合其他相关学科所形成的一门新兴学科。所形成的一门新兴学科。这门新兴学科是在这门新兴学科是在化学计量学化学计量学和和计算化学计算化学的基础上演化和发展起来的,并吸收和融的基础上演化和发展起来的,并吸收和融合了许多学科的精华。合了许多学科的精华。化学计量学化学计量学 运
7、用运用数学、统计学、计算机技数学、统计学、计算机技术术以及其他相关学科的以及其他相关学科的理论与方法,优化理论与方法,优化化学量测过程化学量测过程,并从化学量测数据中最大,并从化学量测数据中最大限度的提取有用的限度的提取有用的化学信息化学信息。QSAR quantitative structure-activity relationships 一种借助分子的理化性质参数或结构参数,一种借助分子的理化性质参数或结构参数,以以数学数学和和统计学统计学手段定量研究手段定量研究有机小分子有机小分子与生物大分子相互作用与生物大分子相互作用、有机小分子在生、有机小分子在生物体内物体内吸收、分布、代谢、排泄
8、、毒性吸收、分布、代谢、排泄、毒性等等生理相关性质的方法。生理相关性质的方法。计算化学计算化学是应是应化学数据定量分析化学数据定量分析的需要而的需要而产生的,它为化学信息学提供数据计算和产生的,它为化学信息学提供数据计算和信息解析工具。信息解析工具。一般而言,计算化学需要满足两个基本要一般而言,计算化学需要满足两个基本要求:求:准确准确求解问题;求解问题;快速快速求解问题。求解问题。2.2 化学数据库的创建化学数据库的创建 化学信息可分为与传媒有关的信息及与物化学信息可分为与传媒有关的信息及与物质有关的信息。质有关的信息。化学信息的形式化学信息的形式包括:包括:文字、符号、数字、文字、符号、数
9、字、形貌、图形及表格等形貌、图形及表格等。这些化学信息最主。这些化学信息最主要的组织、管理形式是要的组织、管理形式是形成数据库形成数据库。化学数据库的创建包括化学信息的创建、化学数据库的创建包括化学信息的创建、存储和展示。存储和展示。随着人类进入后基因组时代,化学信息学随着人类进入后基因组时代,化学信息学得到了飞速的发展,各种得到了飞速的发展,各种化学信息数据库化学信息数据库的创建也有很大发展。的创建也有很大发展。世界上许多著名的公司都建立了化学信息世界上许多著名的公司都建立了化学信息系统和化学数据库。系统和化学数据库。中国科学院化学部中国科学院化学部也也建有专门的化学数据库。建有专门的化学数
10、据库。近年来,我国也非常重视近年来,我国也非常重视中药数据库中药数据库的建的建立和完善,并取得了初步的成果。立和完善,并取得了初步的成果。数据库数据库a.分子文库计划(美国国家健康研究院)分子文库计划(美国国家健康研究院)b.小分子生物活性数据库(哈佛大学)小分子生物活性数据库(哈佛大学)c.蛋白质结构信息集成检索数据库蛋白质结构信息集成检索数据库d.药物数据库、药物与天然产物数据库(中药物数据库、药物与天然产物数据库(中科院上海有机所)科院上海有机所)e.世界药物索引世界药物索引f.致癌性数据库致癌性数据库g.化合物结构数据库化合物结构数据库h.化学反应数据库化学反应数据库i.毒性化合物数据
11、库(中科院上海有机所)毒性化合物数据库(中科院上海有机所)j.中药化学数据库(中科院过程工程研究所)中药化学数据库(中科院过程工程研究所)*ACS数据库数据库(http:pubs.acs.org)中与药物化学或合成中与药物化学或合成有关的杂志有关的杂志 Journal of American Chemistry Society Journal of Medicinal Chemistry Journal of Organic Chemistry Organic Letters Organic Process Research&Development Journal of Natural pro
12、ducts*ELSEVIER数据库数据库(http:)中中与药物化学或合成有关的杂志与药物化学或合成有关的杂志 Bioorganic&Medicinal chemistry Bioorganic&Medicinal Chemistry Letters European Journal of Medicinal Chemistry Tetrahedron Tetrahedron Letters Tetrahedron:Asymmetry*John Wiley(http:)数据库数据库中与与药物化学或合成有关的杂志中与与药物化学或合成有关的杂志 Angewandte Chemie Internat
13、ional European Journal of Organic Chemistry*RSC(http:/www.rsc.org)数据库中与与药物化学或数据库中与与药物化学或合成有关的杂志合成有关的杂志 Chemical Communication Green Chemistry New Journal of Chemistry Organic&Biomolecular Chemistry*万方数据、维普中文科技期刊、万方数据、维普中文科技期刊、CNKI中国期刊中国期刊全文数据库全文数据库中部分与药物化学或合成有关的杂志中部分与药物化学或合成有关的杂志 中国药物化学杂志中国药物化学杂志 药学
14、学报药学学报 中国药科大学学报中国药科大学学报 沈阳药科大学学报沈阳药科大学学报 有机化学有机化学 化学学报化学学报 高等学校化学学报高等学校化学学报 中国医药工业杂志中国医药工业杂志 化学试剂化学试剂 化学世界化学世界 中国化学中国化学(Chinese Journal of Chemistry)中国化学快报中国化学快报(Chinese Chemistry Letters)合成化学合成化学 中国新药杂志中国新药杂志 中国现代应用药学杂志中国现代应用药学杂志 中国药学杂志中国药学杂志三、先导化合物的发现与结构优化三、先导化合物的发现与结构优化 化学信息学在先导化合物的化学信息学在先导化合物的产生
15、产生和和优化优化方方面扮演者重要角色。面扮演者重要角色。化合物库的设计、定量构效关系、计算化化合物库的设计、定量构效关系、计算化学、分学、分/混组合化学、平行合成以及进一步混组合化学、平行合成以及进一步的虚拟筛选的虚拟筛选都发挥了其应有的作用。都发挥了其应有的作用。根据化合物库的来源不同,可将根据化合物库的来源不同,可将发现先导发现先导化合物的方法化合物的方法分为以下四种:分为以下四种:1.大范围、多品种的大范围、多品种的随机筛选随机筛选发现先导化合物;发现先导化合物;2.通过通过主题库的筛选主题库的筛选发现先导化合物;发现先导化合物;3.基于基于已有知识已有知识进行的进行的定向筛选定向筛选发
16、现先导化合物;发现先导化合物;4.运用运用虚拟合成和虚拟筛选虚拟合成和虚拟筛选发现先导化合物。发现先导化合物。在实践中,从化合物库发现新颖的先导化合在实践中,从化合物库发现新颖的先导化合物并非只用上述一种方法,而多数是物并非只用上述一种方法,而多数是综合运综合运用某些方法用某些方法。随着人类基因组、蛋白质组合生物芯片等研随着人类基因组、蛋白质组合生物芯片等研究的进展,必将发现更多的疾病相关基因,究的进展,必将发现更多的疾病相关基因,在针对这些靶标进行在针对这些靶标进行高通量筛选之前高通量筛选之前,必须,必须首先具有首先具有结构多样性、高品质、大范围的化结构多样性、高品质、大范围的化合物库合物库
17、可供筛选,这是高通量筛选技术的关可供筛选,这是高通量筛选技术的关键,是发现有价值先导物的源泉。键,是发现有价值先导物的源泉。四、化学信息学与先导化合物的筛选四、化学信息学与先导化合物的筛选 类药先导物的筛选与类药先导物的筛选与ADMET 随着药物研发新技术的应用,新药研发的随着药物研发新技术的应用,新药研发的进程不断加快。进程不断加快。然而现代开发新药的要求也在不断提高,然而现代开发新药的要求也在不断提高,特别是要想发现那些能满足不断特别是要想发现那些能满足不断提高审批提高审批要求的、具有足够疗效的、选择性和要求的、具有足够疗效的、选择性和ADMET性质理想的药物性质理想的药物,已变得越来越,
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