使用Flare的组合库枚举器（Library enumerator）进行化学修饰

摘要：在基于配体和基于结构设计方法中，配体的互变异构体和质子化状态的正确归属对于分子建模实验的成功是至关重要的，因为它可能对配体的形状和静电性质产生重大影响。Flare™是Cresset推出的综合计算化学软件工具，它的配体准备模块可以自动进行配体处理。然而，在某些情况下，你可能需要根据你对所研究的化学系列的了解，进一步微调特定配体的互变异构体或质子化状态。在本文中，我们演示了如何在使用Flare的Library Enumeration模块时实现这一过程。

作者：Oliver Hills/2023-05-18
编译：肖高铿

配体准备

Pinoxaden（图1）是一种出苗后内吸性除草剂，用于控制杂草。它通过抑制乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）在羧基转移酶（CT）口袋中的结合，从而抑制脂肪酸合成。Pinoxaden是一种前药除草剂，特戊酸酯基团水解后产生其生物活性形式，得到pKa为3.81的Pinoxaden酸。

图1. Pinoxaden的化学结构式

分析Pinoxaden酸与ACCase CT口袋结合的共晶结构（PDB 3PGQ），我们可以看到生物活性构象中的酮式-烯醇式 (图 2)。烯醇基团由于它的低pKa而发生去质子化。负电荷的氧原子占据了CT口袋的氧阴离子口袋（oxyanion pocket），最大限度地实现静电互补，并与ILE1735和ALA1627的骨架酰胺发生氢键相互作用。

图2. Pinoxaden酸在ACCase（PDB 3PGQ）结合位点中的生物活性构象。显示了静电互补（EC）表面，并标记了氧阴离子口袋中的氨基酸残基。

然而，当设计Pinoxaden的新型类似物时，化学家可能将吡唑烷骨架绘制绘制为二酮或酮式-烯醇式的，如图3所示。

图3. Pinoxaden二酮式（左）与酮式-烯醇式（右）的2D表示

为了准备该配体结构以用于分子对接计算，我们希望所有配体都是酮式-烯醇式的互变异构体形式，并且在理想情况下是去质子化的（见图4右下角）。这可以在Flare中通过手动编辑配体来完成。然而，当有许多配体需要准备的情况下，这是一项相当耗时且乏味的任务。

图4. Pinoxaden吡唑啉骨架的互变异构（上）与去质子化（下）反应

利用Flare的配体准备工具

作为替代方案，我们可以在Flare中使用配体准备模块，它包含了生成互变异构体、在pH=7为条件下的配体形式电荷处理等选项（见图5）。该工作流可以高效地将二酮转化为质子化的酮式-烯醇式。

图5.Flare V7的Ligand Prep具有互变异构体枚举、手性中心枚举、脱盐、在pH7条件下重新分配电荷的功能。

然而，该工作流采用的是一种基于规则算法来对配体进行质子化状态处理，在本算例中，烯醇式没有被识别为具有酸性；此外1,3-二酮在生命科学中也不是那么常见的子结构，生成了如图4右上角的结构。

快速生成虚拟化合物库与阵列

对于这种特殊情况，我们使用Flare中的组合库枚举（Library Enumeration）工具对所有配体同时进行化学修饰。Flare中的组合库枚举工具基于RDKit枚举方法²，其中用户可以指定详细说明化学转化的反应SMARTS，以执行所需的化学变化。在我们的例子中，我们只对吡唑啉母核进行化学修饰感兴趣，这意味着我们的反应SMARTS字符串只需要包含与该官能团匹配的SMARTS模式。从自动配体准备工作流中获得的中性酮式-烯醇式开始，组合库枚举可以将配体直接转化为我们希望用于对接的烯醇式生物活性形式，如图6所示。

图6. 用组合库枚举将中性的酮式-烯醇式转化为去质子化的酮式-烯醇式生物活性形式

此外，如果Pinoxaden类似物以二酮形式存在（如图3中左所示），我们可以完全跳过配体准备步骤，直接使用组合库枚举将1,3-二酮转化为所需的去质子化酮式-烯醇式，所用反应如下图7所示。

图7. 用组合哭枚举将pyrazolidine-1,3-dione转化为去质子化的酮式-烯醇式生物活性形式

在上述反应中，为了确保产物处于所需的去质子化形式，重要的是确保“Charge products for pH7”选项未被勾选，以确保结果处于所需酸性形式。

我们现在已经避免了需要手动逐个编辑配体设计，相反，我们可以在Flare中高效地准备所需形式的配体。

结论

本算例演示了如何使用组合库枚举工具来改变配体的互变异构体和质子化状态。除了使用自定义反应的选项外，Flare中的组合库枚举工具还支持50多种常见的合成化学反应。这些反应“开箱即用”，以支持虚拟配体库的生成。

参考文献

Muehlebach M, Boeger M, Cederbaum F, Cornes D, Friedmann AA, Glock J, Niderman T, Stoller A, Wagner T. Aryldiones incorporating a [1,4,5]oxadiazepane ring. Part I: Discovery of the novel cereal herbicide pinoxaden. Bioorg Med Chem. 2009 Jun 15;17(12):4241-56. doi: 10.1016/j.bmc.2008.12.062. Epub 2009 Jan 3. PMID: 19167895.
https://www.rdkit.org/docs/RDKit_Book.html#chemical-reaction-handling