专利名称：一种分子体积计算方法及两分子的形状比较方法
技术领域：
本发明涉及药物分子的设计和筛选，特别是一种分子体积计算方法及两分子的形状比较方法。
背景技术：
两个分子的三维形状和药效团(分子中具有特定性质的原子集团)的彼此匹配和定量比较是药物设计中主要方法。分子体积与形状相关，而形状决定分子的物理化学性质，而这种性质决定分子的生物活性。
传统上，分子的形状通过一组相互叠合的硬球模型计算，每个硬球对应一个原子，而球的半径为原子的范德华半径。每个硬球对应的体积密度函数在球内为1，而球外则为
O。这样的体积密度可由单个原子硬球体积密度展开为下面的公式(I)
释)=2獅-2獅綱+ E獅聊細—Z朋耻應撒)+—
=i-IJP-獅
其中fi(r)为原子i的体积密度。如图I所示，一个双原子分子的体积等于两个原子体积的和减去它们之间的叠合体积，即V=VA+VB-VAB。对于三原子分子，则由多个“包含”与“排除”交替项组成V=VA+VB+VC-VAB-VAC-VBC+VABC。对于任意分子，其体积也为一系列“包含”与“排除”交替项组成，用下述公式(2)计算
V ^jF(r)dr
Z-j ^ Z-j ^ir Z.J wMt——
If€j教
其中vi为原子i的体积，vij为原子i和j的(二阶)叠合体积，vijk为原子i, j及k的(三阶)叠合体积，依此类推。对于一个N个原子的分子，以上求和一般要进行到N-I阶原子的置合。运用上述方法计算分子形状的主要缺陷是由于硬球模型得到的体积对原子坐标导数的不连续性，导致计算时间加长，精度下降。
发明内容
本发明提供一种分子体积计算方法及两分子的形状比较方法，以解决现有技术计算分子体积时间较长，精度不高的技术问题。采用的技术方案如下
一种分子体积计算方法，所述方法包括
步骤11，读入第一分子的三维结构信息，所述三维结构信息包括第一分子中每个原子的类型及其坐标数值；步骤12，根据第一分子中各原子的类型得到相应的范德华半径，将三维结构信息转换为一组代表第一分子中各原子的高斯球，每个高斯球的半径与相应原子的范德华半径相同，且每个高斯球的位置与相应原子的坐标相同；
步骤13,计算每对高斯球组的叠合体积,其中第ij组高斯球组包括第i个高斯球和第j个高斯球，第ij组高斯球组的叠合体积为';
步骤14，计算每个高斯球的权重，第i个高斯球的权重％ =，为第i个高斯
> Vi
球的体积，k为一个常数；
步骤15，计算第一分子的自身叠合体积为1" =，以第一分子的自身叠合体
MmJt
·积作为第一分子的体积，其中为第i个高斯球的权重，1为第j个高斯球的权重，为第i个高斯球与第j个高斯球的叠合体积，A为第一分子所有高斯球的集合。进一步的，k的取值为0. 5至I. 0之间。一种两个分子形状的比较方法，所述方法包括
步骤31，系统读入第一分子和第二分子的三维结构信息，计算第一分子和第二分子的自身叠合体积，具体包括
读入第一分子的三维结构信息，所述三维结构信息包括第一分子中每个原子的类型及其坐标数值；
根据第一分子中各原子的类型得到相应的范德华半径，将三维结构信息转换为一组代表第一分子中各原子的高斯球，每个高斯球的半径与相应原子的范德华半径相同，且每个高斯球的位置与相应原子的坐标相同；
计算第一分子中每对高斯球组的叠合体积，其中第ij组高斯球组包括第一分子中第i个高斯球和第j个高斯球，第一分子中的第ij组高斯球组的叠合体积为i ；
——w=_5_
计算第一分子中每个高斯球的权重，第一分子中第i个高斯球的权重丨，
巧为第一分子中第i个高斯球的体积，k为一个常数；
计算第一分子的自身叠合体积为F =_.，A表示第一分子所有高斯球的集
合；
读入第二分子的三维结构信息，所述三维结构信息包括第二分子中每个原子的类型及其坐标数值；
根据第二分子中各原子的类型得到相应的范德华半径，将三维结构信息转换为一组代表第二分子中各原子的高斯球，每个高斯球的半径与相应原子的范德华半径相同，且每个高斯球的位置与相应原子的坐标相同；
计算第二分子中每对高斯球组的叠合体积，其中第ij组高斯球组包括第二分子中第i个高斯球和第j个高斯球，第二分子中的第ij组高斯球组的叠合体积为％’ ；9— v/
计算第二分子中每个高斯球的权重，第二分子中第i个高斯球的权重1^ —
，<为第二分子中第i个高斯球的体积，￥为一个常数；
计算第二分子的自身叠合体积为& =S，B表示第二分子所有高斯球的集
SdSmJt^S
合；
步骤32，计算第一分子和第二分子在多种叠合情况下的分子间体积，选择其中的最大值作为最大分子间体积；
步骤33，根据第一分子的体积、第二分子的体积和最大分子间体积计算第一分子和第 二分子的相似度，以相似度作为两个分子形状的比较结果。进一步的
所述步骤32的分子间体积为分子间叠合体积，具体包括
计算第一分子和第二分子在多种叠合情况下的分子间叠合体积&=_￥11*^"/、■■作
为分子间体积，其中V/力第一分子中第i个原子与第二分子中第j个原子的叠合体积，选
择其中的最大值仏&作为最大分子间体积；
所述步骤33具体包括
计算第一分子和第二分子的相似度^，以相似度作为两个分子形
十 ^2 12V
状的比较结果。进一步的
所述步骤32的分子间体积为第一分子和第二分子的分子间综合叠合体积，具体包括 步骤51，找出每个分子中的药效团及其位置；
步骤52，确定每个分子中的每个药效团的类型；
步骤53，计算第一分子的自身综合叠合体积+其中#为第一分子中的
第i个药效团与第j个药效团之间的叠合体积，且对巧的求和仅限于同类药效团之间；
步骤54，计算第二分子的自身综合叠合体积$ =K+其中#_ 为第二分子中
的第i个药效团与第j个药效团之间的叠合体积，且对的求和仅限于同类药效团之间；
步骤55，计算第一分子和第二分子的分子间综合叠合体积％ =Fc',其中
iI"为第一分子中的第i个药效团与第二个分子中的第j个药效团之间的叠合体积，且对巧 的求和仅限于同类药效团之间；
步骤56，计算第一分子和第二分子在多种叠合情况下的分子间综合叠合体积先作为分子间体积，选择其中的最大值
权利要求
1.一种分子体积计算方法，其特征在于，所述方法包括 步骤(11)，读入第一分子的三维结构信息，所述三维结构信息包括第一分子中每个原子的类型及其坐标数值； 步骤(12)，根据第一分子中各原子的类型得到相应的范德华半径，将三维结构信息转换为一组代表第一分子中各原子的高斯球，每个高斯球的半径与相应原子的范德华半径相同，且每个高斯球的位置与相应原子的坐标相同； 步骤(13),计算每对高斯球组的叠合体积，其中第ij组高斯球组包括第i个高斯球和第j个高斯球，第ij组高斯球组的叠合体积为vi ; 步骤(14)，计算每个高斯球的权重，第i个高斯球的权重
2.根据权利要求I所述的分子体积计算方法，其特征在于，k的取值为0.5至I. O之间。
3.—种两个分子形状的比较方法，其特征在于，所述方法包括 步骤(31)，系统读入第一分子和第二分子的三维结构信息，计算第一分子和第二分子的自身叠合体积，具体包括 读入第一分子的三维结构信息，所述三维结构信息包括第一分子中每个原子的类型及其坐标数值； 根据第一分子中各原子的类型得到相应的范德华半径，将三维结构信息转换为一组代表第一分子中各原子的高斯球，每个高斯球的半径与相应原子的范德华半径相同，且每个高斯球的位置与相应原子的坐标相同； 计算第一分子中每对高斯球组的叠合体积，其中第ij组高斯球组包括第一分子中第i个高斯球和第j个高斯球，第一分子中的第ij组高斯球组的叠合体积为4 ；
4.根据权利要求3所述的一种两个分子形状的比较方法，其特征在于 所述步骤(32)的分子间体积为分子间叠合体积，具体包括 计算第一分子和第二分子在多种叠合情况下的分子间叠合体积
5.根据权利要求3所述的一种两个分子形状的比较方法，其特征在于 所述步骤(32)的分子间体积为第一分子和第二分子的分子间综合叠合体积，具体包括 步骤(51)，找出每个分子中的药效团及其位置； 步骤(52)，确定每个分子中的每个药效团的类型； 步骤(53)，计算第一分子的自身综合叠合体积
6.根据权利要求3飞任一项所述的一种两个分子形状的比较方法，其特征在于，所述k的取值为0.5至I. O之间，所述if的取值为0.5至I. O之间。
全文摘要
本发明涉及药物分子的设计和筛选，特别是一种分子体积计算方法及两分子的形状比较方法。所述方法包括读入第一分子的三维结构信息，所述三维结构信息包括第一分子中每个原子的类型及其坐标数值；根据第一分子中各原子的类型得到相应的范德华半径，将三维结构信息转换为一组代表第一分子中各原子的高斯球；计算每对高斯球组的叠合体积；计算每个高斯球的权重；计算第一分子的自身叠合体积,以第一分子的自身叠合体积作为第一分子的体积。本发明可应用于分子形状的数学表达、药物分子间形状比较、药物分子药效团比较，这些比较方法用于药物分子的虚拟筛选。
文档编号G06F19/00GK102799779SQ20121024510
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月16日 优先权日2012年7月16日
发明者徐峻, 严鑫 申请人:中山大学