药物分子设计
近些年来各种各样的新型疾病依次出现。因此寻找可以治愈这些疾病的药物对人们来说至关重要。随着分子生物学和药物化学的发展药物设计进入了理性阶段其中药物分子设计是目前新药发现的主要方向。它是依据生物化学、酶学、分子生物学以及遗传学等生命科学的研究成果针对这些基础研究中所揭示的包括酶、受体、离子通道及核酸等潜在的药物设计靶点并参考其它类源性配体或天然产物的化学结构特征设计出合理的药物分子[1]。本文主要就药物分子设计研究策略中的选择性与基于受体-配体之间的结合力作进一步详细介绍。
药物设计开始由定性进入定量研究阶段为定量药物设计奠定理论和实践基础[2]。药物设计逐渐形成一门独立的分支学科。70年代以后药物设计开始综合运用药物化学、分子生物学、量子化学、统计数学基础理论和当代科学技术以及电子计算机等手段开辟了药物设计新局面。随着分子生物学的进展对酶与受体的理解更趋深入对有些酶的性质、酶反应历程、药物与酶复合物的精细结构得到阐明模拟与受体相结合的药物活性构象的计算机分子图像技术在新药研究中已取得可喜的成果。运用这些新技术从生化和受体两方面进行药物设计是新药设计的趋向[3]。
计算机辅助药物分子设计大致可分为直接药物设计(基于结构的药物设计) 、间接药物设计(基于受体的药物设计) 和基于结构的药物设计与组合技术相结合的策略[4]。直接法是从已知受体的三维结构设计配体或药物分子，前提条件是受体的三维立体结构已知[5]。间接法则是从一系列作用于同一受体并显效的药物分子中找出共同的基本结构，根据结构的相似性与性质的相似性之间的关系，推导出新的先导化合物。间接法的优点是绕开了确定受体立体结构这一难点。
直接药物设计方法
设计过程大体分为三步:分析受体的构象，确定受体的活性区域，在活性区域搜索可能的结合位点; 寻找与受体结合位点相匹配的配体分子，得到候选化合物; 最后是对候选化合物进行评价，有人形象地称之为对分子打分[6]。
对于已知X-光晶体结构或MD-NMR 结构的受体用有关分子结构中原子的精确位置以及原子相互关系的信息，进行分子结构的模拟与能量优化[7-8]确定受体的结合位点空间形状和特征分布(电性、疏水性、氢键和范德华力等) 。这种解析过程称为构象分析，构象分析之后，从受体的三维结构出发，利用计算机找出结合位点(如氢键结合位点和疏水作用方式位点) ，按照结合部位对配体的互补性要求来设计先导化合物。
针对受体构象分析与结合部位的确定角度来说，一般而言，药物是小分子，而作为受体的蛋白质等生物分子是大分子。配体小分子-生物大分子相互作用，要求立体互补性和化学互补性。配体与受体的结合部位包括识别位点、活性位点、变构区域以及一些必要的非功能区。在确定受体的结合部位之前必须知道受体的三维药效结构(构象分析) 。目前，大体有下列两类方法用于探索配体与受体的作用方式，以寻求合适的配体分子。
间接药物设计法
直接法虽取得了一定的成绩，但目前已知结构的受体数目还不多，许多受体蛋白因难以结晶而不能通过衍射方法测定结构。多维核磁共振技术还仅限相对分子质量4万以下的蛋白质的结构测定[9]。因此，只好在从一系列与同一受体作用具有相似生物效应的配体结构基础上进行研究，首先搜索各个配体的药效构象，然后按一定的规则进行构象重叠，以求得在这一系列配体中重叠构象的共同部分
以此反推受体结合部位的大致情况。
案例分析：
线粒体呼吸链主要由四种复合物组成其中细胞色素bc 1复合物亦称复合物Ⅲ是细胞呼吸链的重要组成部分也是杀菌剂的重要作用靶标之一近年来以复合物Ⅲ为靶标的杀菌剂应用越来越广泛。在复合物Ⅲ结构和功能已研究的基础上杀菌剂分别可以结合在Q i 和Q o 位点阻断辅酶Q 正常的电子传递。目前已经商品化的Q o 位点的杀菌剂大约有20种左右而对于Q i 位点的杀菌剂来说仅有两种分别是氰霜唑和吲唑磺菌胺但是关于这两种结构的晶体结构并没有已调研发现关于其结合的作用模式也是不清晰的已解析出的pdb 晶体结构中Q i 位点大多是以天然产物抗霉素A 就抗霉素A 与已商品化Q i 杀菌剂首先需要搞明白抗霉素A 的作用机理随后确定两个商品化杀菌剂的作用模式。那么根据基于配体-受体之间的结合力进行讨论并分析。
上图1是线粒体呼吸链图2是辅酶Q 的电子传递
首先针对抗霉素A 结合模式（如图所示）经过分析杀菌剂与辅酶Q 是竞争性关系我把氨基酸Lys 、Asp 和His 分别进行质子化Lyn 、Ash 和Hip 、Hid 主要是为了比较并解释抗霉素A 稳定结合在Qi 位点时周围氨基酸处于何种状态。最后计算吉布斯自由结合能数据发现氨基酸都处于Lys 、Asp 和His 状态最合理（如图所示）。
2.8Å 2.6Å Phe220 Ser205 His201 Lys227 Asp228
其次针对商品化的吲唑磺菌胺分析吲唑磺菌胺结构可以看出对对接结果中挑选合理构象为吲唑磺酰胺结构朝向腔低以此构象作为研究对象采取上述相同方法对氨基酸进行质子化后结果发现仅从MM_pbsa角度来说仍都不如氨基酸处于Lys 、Asp 和His 合理（如下图）。
Phe220-206
Lys227-213
但是由于吲唑磺菌胺有两个磺酰结构因此又进一步对天门冬氨酸进行质子化Asp-Ash 对其构象处于Asp 质子化前后分别做10ns 的动力学分析结果表明当Asp228Ash 质子化时所选构象更稳定如图所示是Asp228Ash 质子化后MM-pbsa 结合能表动力学结合模式图动力学轨迹图。
Ami__VDWAALS______EEL______EPB______ENPOLAR_____DELTA_G_GAS_____DELTA_G_solv_____DELTA TOTAL____-TS_____GB
md -35.1299 -18.5920 29.6995 -4.8615 -53.7220 -28.8840 8.1566 -20.7273
Asp228Ash
3.2Å 2.9Å Ser205-191 Asp228-214 Phe220 3.2Å 2.8Å Ser205 His201 Ser35-21
针对可能存在的氢键进行距离检测设置了四组氢键数据表明较稳定如下图所示。
总结：
对于药物分子设计研究策略来说利用计算机进行设计并预测及验证受体-配体之间的作用力这些计算手段都为药物设计的发展提供了方法并奠定了有效的研究基础。本文针对体系线粒体复合物中细胞色素bc 1复合物Q i 位点的抑制剂小分子与受体之间的作用做了简单的介绍。也就是说基于受体-配体之间的研究角度要从多方面考虑其结合力会受到多方面的共同作用。
药物分子是由药效团和结构骨架构成的，药效团是由不连续的离散的原子、
基团或片段所构成，但需结合在分子骨架上，形成具体的分子。骨架具有连续性，相同的药效团附着在不同的分子骨架上，构成了作用于同一靶标而结构多样的化合物。骨架依据受体的柔性和可塑性形成了“杂乱性”的空间，显示了受体结合部位的杂乱性。杂乱性越大，可容纳的配体分子的结构多样性就越多，意味着结构修饰与变换的余地大，成药的机会多。由苗头化含物演化成先导物，进而优化成候选药物，这由化合物变革成安全、有效、稳定、可控的药物过程就是保持药效团、变换分子骨架、修饰基团和边链的过程。结构骨架的变化可分为3个层次：以电子等排原理变换骨架结构；以优势结构为导向变换骨架结构；以结构-活性演化的方式变换骨架结构，即骨架迁越。骨架迁越的目的是改善分子的物化、药代、稳定性和赋予分子的结构新颖性。由苗头化合物演化成先导物，进而优化成候选药物，在由活性化合物变成安全、有效、稳定、可控的药物过程中，是在保持药效团的前提下，变换分子骨架、修饰基团和边链的分子操作，这是药物化学的精髓，凝集和整合了诸多学科和领域的原理、知识与技术。为了提高新药创制的成功率，需要在正确的理念和策略指导下，恰当地运用这些化学和生物学的原理和方法。
参考文献：
[1] 陈凯先, 罗小民, 蒋华良. 药物分子设计的发展[J]. 中国科学院, 2000, 4: 255-269.
[2] 许志宏，周家驹，杨章远等. 计算机化学的发展和前沿[J].中国科学院院刊，1992, 1:11~16.
[3] 陈安进，石杰. 计算机辅助药物设计中用于建模的计算方法研究进展[J].中国海洋大学学报，2005，35(3):407~411.
[4] 王礼琛, 刘春河. 计算机在药物合成中的应用[J].药学进展，1998，22(4):236~240.
[5] KuntzI D ，BlaneyJM ，OatleySJ ，etal.AGeometric ApproachtoMacromolecularLigandInteractions[J].J MolBiol，1982，161:260~288.
[6] 骆兆文，来鲁华. 基于蛋白质结构的药物分子设计[J].国外医学药学分册，1995，22(6):331~335.
[7] Andre I, M azeau K, T arav el FR, et a l. NMR and molecular modeling of so pho rose and so phorotriose in solution[ J] . New J Chem 1995, 19( 3) : 331~ 339.
[8] BergaminiJF ，BiossetC ，MazeauK ，
inferred etal.Conformationalbehaviorofoligogalactomannanchains
fromNMRspectroscopyandmolecularmodeling[J].NewJChem，1995，19(1):115~122.
[9] 稽汝运, 曾繁星, 唐赟. 根据受体结构进行药物设计研究[J]. 化学研究与应用, 1999, 11(6): 591~ 597.
药物分子设计
近些年来各种各样的新型疾病依次出现。因此寻找可以治愈这些疾病的药物对人们来说至关重要。随着分子生物学和药物化学的发展药物设计进入了理性阶段其中药物分子设计是目前新药发现的主要方向。它是依据生物化学、酶学、分子生物学以及遗传学等生命科学的研究成果针对这些基础研究中所揭示的包括酶、受体、离子通道及核酸等潜在的药物设计靶点并参考其它类源性配体或天然产物的化学结构特征设计出合理的药物分子[1]。本文主要就药物分子设计研究策略中的选择性与基于受体-配体之间的结合力作进一步详细介绍。
药物设计开始由定性进入定量研究阶段为定量药物设计奠定理论和实践基础[2]。药物设计逐渐形成一门独立的分支学科。70年代以后药物设计开始综合运用药物化学、分子生物学、量子化学、统计数学基础理论和当代科学技术以及电子计算机等手段开辟了药物设计新局面。随着分子生物学的进展对酶与受体的理解更趋深入对有些酶的性质、酶反应历程、药物与酶复合物的精细结构得到阐明模拟与受体相结合的药物活性构象的计算机分子图像技术在新药研究中已取得可喜的成果。运用这些新技术从生化和受体两方面进行药物设计是新药设计的趋向[3]。
计算机辅助药物分子设计大致可分为直接药物设计(基于结构的药物设计) 、间接药物设计(基于受体的药物设计) 和基于结构的药物设计与组合技术相结合的策略[4]。直接法是从已知受体的三维结构设计配体或药物分子，前提条件是受体的三维立体结构已知[5]。间接法则是从一系列作用于同一受体并显效的药物分子中找出共同的基本结构，根据结构的相似性与性质的相似性之间的关系，推导出新的先导化合物。间接法的优点是绕开了确定受体立体结构这一难点。
直接药物设计方法
设计过程大体分为三步:分析受体的构象，确定受体的活性区域，在活性区域搜索可能的结合位点; 寻找与受体结合位点相匹配的配体分子，得到候选化合物; 最后是对候选化合物进行评价，有人形象地称之为对分子打分[6]。
对于已知X-光晶体结构或MD-NMR 结构的受体用有关分子结构中原子的精确位置以及原子相互关系的信息，进行分子结构的模拟与能量优化[7-8]确定受体的结合位点空间形状和特征分布(电性、疏水性、氢键和范德华力等) 。这种解析过程称为构象分析，构象分析之后，从受体的三维结构出发，利用计算机找出结合位点(如氢键结合位点和疏水作用方式位点) ，按照结合部位对配体的互补性要求来设计先导化合物。
针对受体构象分析与结合部位的确定角度来说，一般而言，药物是小分子，而作为受体的蛋白质等生物分子是大分子。配体小分子-生物大分子相互作用，要求立体互补性和化学互补性。配体与受体的结合部位包括识别位点、活性位点、变构区域以及一些必要的非功能区。在确定受体的结合部位之前必须知道受体的三维药效结构(构象分析) 。目前，大体有下列两类方法用于探索配体与受体的作用方式，以寻求合适的配体分子。
间接药物设计法
直接法虽取得了一定的成绩，但目前已知结构的受体数目还不多，许多受体蛋白因难以结晶而不能通过衍射方法测定结构。多维核磁共振技术还仅限相对分子质量4万以下的蛋白质的结构测定[9]。因此，只好在从一系列与同一受体作用具有相似生物效应的配体结构基础上进行研究，首先搜索各个配体的药效构象，然后按一定的规则进行构象重叠，以求得在这一系列配体中重叠构象的共同部分
以此反推受体结合部位的大致情况。
案例分析：
线粒体呼吸链主要由四种复合物组成其中细胞色素bc 1复合物亦称复合物Ⅲ是细胞呼吸链的重要组成部分也是杀菌剂的重要作用靶标之一近年来以复合物Ⅲ为靶标的杀菌剂应用越来越广泛。在复合物Ⅲ结构和功能已研究的基础上杀菌剂分别可以结合在Q i 和Q o 位点阻断辅酶Q 正常的电子传递。目前已经商品化的Q o 位点的杀菌剂大约有20种左右而对于Q i 位点的杀菌剂来说仅有两种分别是氰霜唑和吲唑磺菌胺但是关于这两种结构的晶体结构并没有已调研发现关于其结合的作用模式也是不清晰的已解析出的pdb 晶体结构中Q i 位点大多是以天然产物抗霉素A 就抗霉素A 与已商品化Q i 杀菌剂首先需要搞明白抗霉素A 的作用机理随后确定两个商品化杀菌剂的作用模式。那么根据基于配体-受体之间的结合力进行讨论并分析。
上图1是线粒体呼吸链图2是辅酶Q 的电子传递
首先针对抗霉素A 结合模式（如图所示）经过分析杀菌剂与辅酶Q 是竞争性关系我把氨基酸Lys 、Asp 和His 分别进行质子化Lyn 、Ash 和Hip 、Hid 主要是为了比较并解释抗霉素A 稳定结合在Qi 位点时周围氨基酸处于何种状态。最后计算吉布斯自由结合能数据发现氨基酸都处于Lys 、Asp 和His 状态最合理（如图所示）。
2.8Å 2.6Å Phe220 Ser205 His201 Lys227 Asp228
其次针对商品化的吲唑磺菌胺分析吲唑磺菌胺结构可以看出对对接结果中挑选合理构象为吲唑磺酰胺结构朝向腔低以此构象作为研究对象采取上述相同方法对氨基酸进行质子化后结果发现仅从MM_pbsa角度来说仍都不如氨基酸处于Lys 、Asp 和His 合理（如下图）。
Phe220-206
Lys227-213
但是由于吲唑磺菌胺有两个磺酰结构因此又进一步对天门冬氨酸进行质子化Asp-Ash 对其构象处于Asp 质子化前后分别做10ns 的动力学分析结果表明当Asp228Ash 质子化时所选构象更稳定如图所示是Asp228Ash 质子化后MM-pbsa 结合能表动力学结合模式图动力学轨迹图。
Ami__VDWAALS______EEL______EPB______ENPOLAR_____DELTA_G_GAS_____DELTA_G_solv_____DELTA TOTAL____-TS_____GB
md -35.1299 -18.5920 29.6995 -4.8615 -53.7220 -28.8840 8.1566 -20.7273
Asp228Ash
3.2Å 2.9Å Ser205-191 Asp228-214 Phe220 3.2Å 2.8Å Ser205 His201 Ser35-21
针对可能存在的氢键进行距离检测设置了四组氢键数据表明较稳定如下图所示。
总结：
对于药物分子设计研究策略来说利用计算机进行设计并预测及验证受体-配体之间的作用力这些计算手段都为药物设计的发展提供了方法并奠定了有效的研究基础。本文针对体系线粒体复合物中细胞色素bc 1复合物Q i 位点的抑制剂小分子与受体之间的作用做了简单的介绍。也就是说基于受体-配体之间的研究角度要从多方面考虑其结合力会受到多方面的共同作用。
药物分子是由药效团和结构骨架构成的，药效团是由不连续的离散的原子、
基团或片段所构成，但需结合在分子骨架上，形成具体的分子。骨架具有连续性，相同的药效团附着在不同的分子骨架上，构成了作用于同一靶标而结构多样的化合物。骨架依据受体的柔性和可塑性形成了“杂乱性”的空间，显示了受体结合部位的杂乱性。杂乱性越大，可容纳的配体分子的结构多样性就越多，意味着结构修饰与变换的余地大，成药的机会多。由苗头化含物演化成先导物，进而优化成候选药物，这由化合物变革成安全、有效、稳定、可控的药物过程就是保持药效团、变换分子骨架、修饰基团和边链的过程。结构骨架的变化可分为3个层次：以电子等排原理变换骨架结构；以优势结构为导向变换骨架结构；以结构-活性演化的方式变换骨架结构，即骨架迁越。骨架迁越的目的是改善分子的物化、药代、稳定性和赋予分子的结构新颖性。由苗头化合物演化成先导物，进而优化成候选药物，在由活性化合物变成安全、有效、稳定、可控的药物过程中，是在保持药效团的前提下，变换分子骨架、修饰基团和边链的分子操作，这是药物化学的精髓，凝集和整合了诸多学科和领域的原理、知识与技术。为了提高新药创制的成功率，需要在正确的理念和策略指导下，恰当地运用这些化学和生物学的原理和方法。
参考文献：
[1] 陈凯先, 罗小民, 蒋华良. 药物分子设计的发展[J]. 中国科学院, 2000, 4: 255-269.
[2] 许志宏，周家驹，杨章远等. 计算机化学的发展和前沿[J].中国科学院院刊，1992, 1:11~16.
[3] 陈安进，石杰. 计算机辅助药物设计中用于建模的计算方法研究进展[J].中国海洋大学学报，2005，35(3):407~411.
[4] 王礼琛, 刘春河. 计算机在药物合成中的应用[J].药学进展，1998，22(4):236~240.
[5] KuntzI D ，BlaneyJM ，OatleySJ ，etal.AGeometric ApproachtoMacromolecularLigandInteractions[J].J MolBiol，1982，161:260~288.
[6] 骆兆文，来鲁华. 基于蛋白质结构的药物分子设计[J].国外医学药学分册，1995，22(6):331~335.
[7] Andre I, M azeau K, T arav el FR, et a l. NMR and molecular modeling of so pho rose and so phorotriose in solution[ J] . New J Chem 1995, 19( 3) : 331~ 339.
[8] BergaminiJF ，BiossetC ，MazeauK ，
inferred etal.Conformationalbehaviorofoligogalactomannanchains
fromNMRspectroscopyandmolecularmodeling[J].NewJChem，1995，19(1):115~122.
[9] 稽汝运, 曾繁星, 唐赟. 根据受体结构进行药物设计研究[J]. 化学研究与应用, 1999, 11(6): 591~ 597.