计算机辅助药物设计简介

第三节

计算机辅助药物设计简介

学习目标熟悉计算机辅助药物设计的基本原理了解对接术，构象分子场分析法，3-D定量构效关系，药效结构模型法

简介

20世纪80年代初期计算机辅助分子造型术与合理药物设计相结合，发展成现总称为计算机辅助药物设计(CADD)的一大类方法.计算机辅助药物设计是应用量子力学、分子动力学、构效关系等基础理论数据研究药物对酶、受体等的作用的药效模型，从而达到药物设计目的。计算机辅助药物设计的基本原理首先通过X－单晶衍射等技术获得受体大分子结合部位的结构，并且采用分子模拟软件分析结合部位的结构性质，如静电场、疏水场、氢键作用位点分布等信息。然后再运用数据库搜寻或者全新药物分子设计技术，识别得到分子形状和理化性质与受体作用位点相匹配的分子，合成并测试这些分子的生物活性，经过几轮循环，即可以发现新的先导化合物。计算机辅助药物设计大致包括活性位点分析法、数据库搜寻、全新药物设计。

对接术（Docking）

分子对接法是基于受体的，即将小分子配体对接到受体的活性位点，并搜寻其合理的取向和构象，使得配体与受体的形状和相互作用的匹配最佳。在药物设计中，分子对接方法主要用来从化合物数据库中搜寻与受体生物大分子有较好亲和力的小分子，从而发现全新的先导化合物。对接术的特点分子对接由于从整体上考虑配体与受体的结合效果，所以能较好地避免其他方法中容易出现的局部作用较好，整体结合欠佳的情况。目前具代表性的分子对接软件主要有DOCK。对接术实例研究人员以HIV蛋白酶为靶进行酶抑制剂设计的研究，用HIV蛋白酶的晶体结构数据推算出该酶结构的互补结构，再以剑桥结构数据库中分子形状数据库调出分子进行对比，叠合，打分。通过分子模拟，用DOCK程序成功设计了抗艾滋病药物沙奎那韦（saquinvir）。

构象分子场分析方法

（ConformationalMolecularFieldAnalysis，Comfa）

CoMFA是应用最广泛的合理药物设计方法之一，这种方法认为，药物分子与受体间的相互作用取决于化合物周围分子场的差别，以定量化的分子场参数作为变量，对药物活性进行回归分析便可以反应药物与生物大分子之间的相互作用模式进而有选择地设计新药。

CoMFA方法的一般操作过程将具有相同结构母环的分子在空间中叠合，使其空间取向尽量一致。然后用一个探针粒子在分子周围的空间中游走，计算探针粒子与分子之间的相互作用，并记录下空间不同坐标中相互作用的能量值，从而获得分子场数据。甲烷分子---立体场，水分子---疏水场，氢离子---静电场等等，一些成熟的比较分子场程序可以提供数十种探针粒子供用户选择。探针粒子探测得到的大量分子场信息作为自变量参与对分子生理活性数据的回归分析，由于分子场信息数据量很大，属于高维化学数据，因而在回归分析过程中必须采取数据降维措施，最常用的方式是偏最小二乘回归，此外主成分分析也用于数据的分析。

CoMFA方法的特点比较分子场分析方法(CoMFA)是目前在三维定量构效关系(3D-QSAR)中应用最为广泛的方法之一。但传统的比较分子场分析方法在具体的实现过程中还存在着一些缺陷和不足，包括分子场势能函数的选择，活性构象的确定，分子的叠合以及分子场变量的选取等等

3-D定量构效关系（3-DQSAR）

三维定量构效关系是引入了药物分子三维结构信息进行定量构效关系研究的方法，这种方法间接地反映了药物分子与大分子相互作用过程中两者之间的非键相互作用特征，相对于二维定量构效关系有更加明确的物理意义和更丰富的信息量，因而1980年以来，三维定量构效关系逐渐取代了二维定量构效关系的地位，成为基于机理的合理药物设计的主要方法之一。3-D定量构效关系（3-DQSAR）目前应用最广泛的三维定量构效关系方法是CoMFA

和CoMSIA即比较分子场方法和比较分子相似性方法，除了上述两种方法，3D-QSAR还有DG3D-QSAR、MSA、GERM等众多方法。

药效结构模型法

（PharmacophoreModeling）

药效团模型方法就是一种最为杰出的基于配体结构的药物分子设计方法。利用分子的三维结构信息进行药物分子设计已经成为药物化学领域一项常规的技术。依据所依赖结构的不同(受体的三维结构或者配体的三维结构)，药物设计的方法又可以分为两种：基于(受体)结构的药物设计方法和基于配体结构的药物设计方法。当受体结构未知时，则可以通过已知活性的配体分子的三维结构，建立恰当的构效关系模型来指导进行药物分子结构的优化和改造这种方法叫做基于配体结构的药物设计方法。药效结构模型法

（PharmacophoreModeling）

药效团是指药物活性分子中对活性起着重要作用的“药效特征元素”及其空间排列形式。这些“药效特征元素”是配体与受体发生相互作用时的活性部位，它们可以是某些具体的原子或原子团，比如氧原子、羟基、羰基等，也可以是抽象的化学功能结构，如疏水团、氢键给体、氢键受体等。药效结构模型法

（PharmacophoreModeling）

图1展示了一个经典的5-HT6

受体拮抗剂药效团模型。该药效团模型由4个药效特征组成，其中两个为疏水团(蓝色球所示)，一个为正电基团(红色球)，另一个为氢键受体基团(绿色球，含方向)。各个药效特征之间存在几何约束，相互之间的距离以及角度需满足一定限制条件。任何药物分子，如果能够满足这一个药效团，就具备了与5-HT6

受体结合的必要条件第四节新药研究和开发中的基本技术学习目标了解“基因工程”的一般原理，方法及其在新药研发中的应用。基本概念DNA重组(DNArecombinant):

不同来源的两个DNA分子在体外进行特异的切割，重新连接，形成新的杂合DNA分子的过程。基因克隆(geneticcloning):用分离纯化的DNA片段在体外与载体DNA连接，将重组DNA分子导入宿主细胞，经过扩增、筛选鉴定等程序，获得含重组DNA的大量活细胞。

将基因进行克隆，并利用克隆的基因表达、制备特定的蛋白质或多肽产物，或定向改造细胞乃至生物个体的特性所用的方法及相关的工作。基因工程是生物技术的核心和关键。基因工程(geneticengineering)基因工程的基本程序分—载体和目的基因的分离切—限制性内切酶接—载体与目的基因连接成重组体转—基因序列转入细胞筛—目的基因序列克隆的筛选和鉴定表—克隆基因的表达基因工程的基本程序目的基因---是指已被或欲被分离、改造、扩增和表达的特定基因或DNA片段，能编码某一产物或某一性状切割－－－核酸酶通过切割相邻两个核苷酸残基之间的磷酸二酯键，从而导致核酸分子多核苷酸链发生水解断裂的蛋白酶叫做核酸酶限制性核酸内切酶---能够识别双链DNA(dsDNA)分子中特定核苷酸序列并将其切断的酶,常常简称为限制酶(restrictionenzymes)。一种限制性内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并能在特定的切点上切割DNA分子。基因工程的基本程序基因工程的基本程序DNA连接酶---最早是从T4噬菌体感染的大肠杆菌中发现和提取的，催化两个相邻DNA片段3，OH与5，磷酸基之间形成磷酸二酯键。既可以连接两个具有粘性末端的DNA片段，也可以连接两个具有平端的DNA片段，但是连接后者所需的酶量往往是连接前者的50倍。基因工程的基本程序载体的功能---为目的基因提供进入受体细胞的转移能力；提供在受体细胞中的复制能力或整合能力；提供在受体细胞中的扩增能力或表达能力。

基因工程的基本程序脂质体法基因工程的基本程序由于重组率和转化率不可能达到理想极限，因此必须借助各种筛选和鉴定方法区分转化子与非转化子、重组子与非重组子、目的重组子与非目的重组子。基因工程的基本程序克隆基因正确表达的条件最基本条件：应该能够进行正常的转录和转译，以及在正常情况下还与转译后加工及新生多肽在细胞中的分布有关。重要条件：编码的蛋白质产物应能维持正常的稳定性。具有核糖体结合位点；具有克隆基因的功能（强）启动子；插入序列的正确取向。“基因工程”在新药研发中的应用美国中佛罗里达大学的一位研究人员培育的可以产生胰岛素的莴苣加拿大阿尔伯达大学的大学生，在参加国际基因工程机器大赛中，培育出一种能产生乙醇燃料的大肠杆菌基因工程与药品制造业1.重组疫苗2.抑生长素3.胰岛素4.干扰素5.人生长素用于大量生产过去难以得到或几乎不可能得到的蛋白质－肽类药物

重组疫苗重组疫苗是指将一个病毒、细菌或其它微生物的遗传物质进行人工修饰.

DNA重组疫苗，以这一方式面世的第一种疫苗是乙型肝炎疫苗。该疫苗对乙型肝炎表面抗原HBsAg进行克隆扩增，应用重组DNA技术从酵母菌生产疫苗。胰岛素生物合成人胰岛素（现阶段临床最常使用的胰岛素）：利用生物工程技术，获得的高纯度的生物合成人胰岛素，其氨基酸排列顺序及生物活性与人体本身的胰岛素完全相同。

干扰素1980-1982年，科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从每1升细胞培养物中可以得到20-40毫升干扰素。从1987年开始，用基因工程方法生产的干扰素进入了工业化生产，并且大量投放市场2005年：聚乙二醇干扰素α-2a通过美国FDA批准,正式用于乙肝治疗。

药物的生产：胰岛素1000磅牛胰10克胰岛素200升发酵液10克胰岛素干扰素1200升人血1升发酵液2－3万美元/