計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

第三節(jié)

計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

學(xué)習(xí)目標(biāo)熟悉計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的基本原理了解對(duì)接術(shù)，構(gòu)象分子場(chǎng)分析法，3-D定量構(gòu)效關(guān)系，藥效結(jié)構(gòu)模型法

簡(jiǎn)介

20世紀(jì)80年代初期計(jì)算機(jī)輔助分子造型術(shù)與合理藥物設(shè)計(jì)相結(jié)合，發(fā)展成現(xiàn)總稱為計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)(CADD)的一大類方法.計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)是應(yīng)用量子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、構(gòu)效關(guān)系等基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)研究藥物對(duì)酶、受體等的作用的藥效模型，從而達(dá)到藥物設(shè)計(jì)目的。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的基本原理首先通過X－單晶衍射等技術(shù)獲得受體大分子結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)，并且采用分子模擬軟件分析結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如靜電場(chǎng)、疏水場(chǎng)、氫鍵作用位點(diǎn)分布等信息。然后再運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋或者全新藥物分子設(shè)計(jì)技術(shù)，識(shí)別得到分子形狀和理化性質(zhì)與受體作用位點(diǎn)相匹配的分子，合成并測(cè)試這些分子的生物活性，經(jīng)過幾輪循環(huán)，即可以發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)大致包括活性位點(diǎn)分析法、數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋、全新藥物設(shè)計(jì)。

對(duì)接術(shù)（Docking）

分子對(duì)接法是基于受體的，即將小分子配體對(duì)接到受體的活性位點(diǎn)，并搜尋其合理的取向和構(gòu)象，使得配體與受體的形狀和相互作用的匹配最佳。在藥物設(shè)計(jì)中，分子對(duì)接方法主要用來從化合物數(shù)據(jù)庫(kù)中搜尋與受體生物大分子有較好親和力的小分子，從而發(fā)現(xiàn)全新的先導(dǎo)化合物。對(duì)接術(shù)的特點(diǎn)分子對(duì)接由于從整體上考慮配體與受體的結(jié)合效果，所以能較好地避免其他方法中容易出現(xiàn)的局部作用較好，整體結(jié)合欠佳的情況。目前具代表性的分子對(duì)接軟件主要有DOCK。對(duì)接術(shù)實(shí)例研究人員以HIV蛋白酶為靶進(jìn)行酶抑制劑設(shè)計(jì)的研究，用HIV蛋白酶的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)推算出該酶結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，再以劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中分子形狀數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)出分子進(jìn)行對(duì)比，疊合，打分。通過分子模擬，用DOCK程序成功設(shè)計(jì)了抗艾滋病藥物沙奎那韋（saquinvir）。

構(gòu)象分子場(chǎng)分析方法

（ConformationalMolecularFieldAnalysis，Comfa）

CoMFA是應(yīng)用最廣泛的合理藥物設(shè)計(jì)方法之一，這種方法認(rèn)為，藥物分子與受體間的相互作用取決于化合物周圍分子場(chǎng)的差別，以定量化的分子場(chǎng)參數(shù)作為變量，對(duì)藥物活性進(jìn)行回歸分析便可以反應(yīng)藥物與生物大分子之間的相互作用模式進(jìn)而有選擇地設(shè)計(jì)新藥。

CoMFA方法的一般操作過程將具有相同結(jié)構(gòu)母環(huán)的分子在空間中疊合，使其空間取向盡量一致。然后用一個(gè)探針粒子在分子周圍的空間中游走，計(jì)算探針粒子與分子之間的相互作用，并記錄下空間不同坐標(biāo)中相互作用的能量值，從而獲得分子場(chǎng)數(shù)據(jù)。甲烷分子---立體場(chǎng)，水分子---疏水場(chǎng)，氫離子---靜電場(chǎng)等等，一些成熟的比較分子場(chǎng)程序可以提供數(shù)十種探針粒子供用戶選擇。探針粒子探測(cè)得到的大量分子場(chǎng)信息作為自變量參與對(duì)分子生理活性數(shù)據(jù)的回歸分析，由于分子場(chǎng)信息數(shù)據(jù)量很大，屬于高維化學(xué)數(shù)據(jù)，因而在回歸分析過程中必須采取數(shù)據(jù)降維措施，最常用的方式是偏最小二乘回歸，此外主成分分析也用于數(shù)據(jù)的分析。

CoMFA方法的特點(diǎn)比較分子場(chǎng)分析方法(CoMFA)是目前在三維定量構(gòu)效關(guān)系(3D-QSAR)中應(yīng)用最為廣泛的方法之一。但傳統(tǒng)的比較分子場(chǎng)分析方法在具體的實(shí)現(xiàn)過程中還存在著一些缺陷和不足，包括分子場(chǎng)勢(shì)能函數(shù)的選擇，活性構(gòu)象的確定，分子的疊合以及分子場(chǎng)變量的選取等等

3-D定量構(gòu)效關(guān)系（3-DQSAR）

三維定量構(gòu)效關(guān)系是引入了藥物分子三維結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行定量構(gòu)效關(guān)系研究的方法，這種方法間接地反映了藥物分子與大分子相互作用過程中兩者之間的非鍵相互作用特征，相對(duì)于二維定量構(gòu)效關(guān)系有更加明確的物理意義和更豐富的信息量，因而1980年以來，三維定量構(gòu)效關(guān)系逐漸取代了二維定量構(gòu)效關(guān)系的地位，成為基于機(jī)理的合理藥物設(shè)計(jì)的主要方法之一。3-D定量構(gòu)效關(guān)系（3-DQSAR）目前應(yīng)用最廣泛的三維定量構(gòu)效關(guān)系方法是CoMFA

和CoMSIA即比較分子場(chǎng)方法和比較分子相似性方法，除了上述兩種方法，3D-QSAR還有DG3D-QSAR、MSA、GERM等眾多方法。

藥效結(jié)構(gòu)模型法

（PharmacophoreModeling）

藥效團(tuán)模型方法就是一種最為杰出的基于配體結(jié)構(gòu)的藥物分子設(shè)計(jì)方法。利用分子的三維結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行藥物分子設(shè)計(jì)已經(jīng)成為藥物化學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)常規(guī)的技術(shù)。依據(jù)所依賴結(jié)構(gòu)的不同(受體的三維結(jié)構(gòu)或者配體的三維結(jié)構(gòu))，藥物設(shè)計(jì)的方法又可以分為兩種：基于(受體)結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)方法和基于配體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)方法。當(dāng)受體結(jié)構(gòu)未知時(shí)，則可以通過已知活性的配體分子的三維結(jié)構(gòu)，建立恰當(dāng)?shù)臉?gòu)效關(guān)系模型來指導(dǎo)進(jìn)行藥物分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改造這種方法叫做基于配體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)方法。藥效結(jié)構(gòu)模型法

（PharmacophoreModeling）

藥效團(tuán)是指藥物活性分子中對(duì)活性起著重要作用的“藥效特征元素”及其空間排列形式。這些“藥效特征元素”是配體與受體發(fā)生相互作用時(shí)的活性部位，它們可以是某些具體的原子或原子團(tuán)，比如氧原子、羥基、羰基等，也可以是抽象的化學(xué)功能結(jié)構(gòu)，如疏水團(tuán)、氫鍵給體、氫鍵受體等。藥效結(jié)構(gòu)模型法

（PharmacophoreModeling）

圖1展示了一個(gè)經(jīng)典的5-HT6

受體拮抗劑藥效團(tuán)模型。該藥效團(tuán)模型由4個(gè)藥效特征組成，其中兩個(gè)為疏水團(tuán)(藍(lán)色球所示)，一個(gè)為正電基團(tuán)(紅色球)，另一個(gè)為氫鍵受體基團(tuán)(綠色球，含方向)。各個(gè)藥效特征之間存在幾何約束，相互之間的距離以及角度需滿足一定限制條件。任何藥物分子，如果能夠滿足這一個(gè)藥效團(tuán)，就具備了與5-HT6

受體結(jié)合的必要條件第四節(jié)新藥研究和開發(fā)中的基本技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解“基因工程”的一般原理，方法及其在新藥研發(fā)中的應(yīng)用。基本概念DNA重組(DNArecombinant):

不同來源的兩個(gè)DNA分子在體外進(jìn)行特異的切割，重新連接，形成新的雜合DNA分子的過程?；蚩寺?geneticcloning):用分離純化的DNA片段在體外與載體DNA連接，將重組DNA分子導(dǎo)入宿主細(xì)胞，經(jīng)過擴(kuò)增、篩選鑒定等程序，獲得含重組DNA的大量活細(xì)胞。

將基因進(jìn)行克隆，并利用克隆的基因表達(dá)、制備特定的蛋白質(zhì)或多肽產(chǎn)物，或定向改造細(xì)胞乃至生物個(gè)體的特性所用的方法及相關(guān)的工作?；蚬こ淌巧锛夹g(shù)的核心和關(guān)鍵?；蚬こ?geneticengineering)基因工程的基本程序分—載體和目的基因的分離切—限制性內(nèi)切酶接—載體與目的基因連接成重組體轉(zhuǎn)—基因序列轉(zhuǎn)入細(xì)胞篩—目的基因序列克隆的篩選和鑒定表—克隆基因的表達(dá)基因工程的基本程序目的基因---是指已被或欲被分離、改造、擴(kuò)增和表達(dá)的特定基因或DNA片段，能編碼某一產(chǎn)物或某一性狀切割－－－核酸酶通過切割相鄰兩個(gè)核苷酸殘基之間的磷酸二酯鍵，從而導(dǎo)致核酸分子多核苷酸鏈發(fā)生水解斷裂的蛋白酶叫做核酸酶限制性核酸內(nèi)切酶---能夠識(shí)別雙鏈DNA(dsDNA)分子中特定核苷酸序列并將其切斷的酶,常常簡(jiǎn)稱為限制酶(restrictionenzymes)。一種限制性內(nèi)切酶只能識(shí)別一種特定的核苷酸序列，并能在特定的切點(diǎn)上切割DNA分子?；蚬こ痰幕境绦蚧蚬こ痰幕境绦駾NA連接酶---最早是從T4噬菌體感染的大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)和提取的，催化兩個(gè)相鄰DNA片段3，OH與5，磷酸基之間形成磷酸二酯鍵。既可以連接兩個(gè)具有粘性末端的DNA片段，也可以連接兩個(gè)具有平端的DNA片段，但是連接后者所需的酶量往往是連接前者的50倍?；蚬こ痰幕境绦蜉d體的功能---為目的基因提供進(jìn)入受體細(xì)胞的轉(zhuǎn)移能力；提供在受體細(xì)胞中的復(fù)制能力或整合能力；提供在受體細(xì)胞中的擴(kuò)增能力或表達(dá)能力。

基因工程的基本程序脂質(zhì)體法基因工程的基本程序由于重組率和轉(zhuǎn)化率不可能達(dá)到理想極限，因此必須借助各種篩選和鑒定方法區(qū)分轉(zhuǎn)化子與非轉(zhuǎn)化子、重組子與非重組子、目的重組子與非目的重組子?；蚬こ痰幕境绦蚩寺』蛘_表達(dá)的條件最基本條件：應(yīng)該能夠進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯，以及在正常情況下還與轉(zhuǎn)譯后加工及新生多肽在細(xì)胞中的分布有關(guān)。重要條件：編碼的蛋白質(zhì)產(chǎn)物應(yīng)能維持正常的穩(wěn)定性。具有核糖體結(jié)合位點(diǎn)；具有克隆基因的功能（強(qiáng)）啟動(dòng)子；插入序列的正確取向?！盎蚬こ獭痹谛滤幯邪l(fā)中的應(yīng)用美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)的一位研究人員培育的可以產(chǎn)生胰島素的萵苣加拿大阿爾伯達(dá)大學(xué)的大學(xué)生，在參加國(guó)際基因工程機(jī)器大賽中，培育出一種能產(chǎn)生乙醇燃料的大腸桿菌基因工程與藥品制造業(yè)1.重組疫苗2.抑生長(zhǎng)素3.胰島素4.干擾素5.人生長(zhǎng)素用于大量生產(chǎn)過去難以得到或幾乎不可能得到的蛋白質(zhì)－肽類藥物

重組疫苗重組疫苗是指將一個(gè)病毒、細(xì)菌或其它微生物的遺傳物質(zhì)進(jìn)行人工修飾.

DNA重組疫苗，以這一方式面世的第一種疫苗是乙型肝炎疫苗。該疫苗對(duì)乙型肝炎表面抗原HBsAg進(jìn)行克隆擴(kuò)增，應(yīng)用重組DNA技術(shù)從酵母菌生產(chǎn)疫苗。胰島素生物合成人胰島素（現(xiàn)階段臨床最常使用的胰島素）：利用生物工程技術(shù)，獲得的高純度的生物合成人胰島素，其氨基酸排列順序及生物活性與人體本身的胰島素完全相同。

干擾素1980-1982年，科學(xué)家用基因工程方法在大腸桿菌及酵母菌細(xì)胞內(nèi)獲得了干擾素，從每1升細(xì)胞培養(yǎng)物中可以得到20-40毫升干擾素。從1987年開始，用基因工程方法生產(chǎn)的干擾素進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)，并且大量投放市場(chǎng)2005年：聚乙二醇干擾素α-2a通過美國(guó)FDA批準(zhǔn),正式用于乙肝治療。

藥物的生產(chǎn)：胰島素1000磅牛胰10克胰島素200升發(fā)酵液10克胰島素干擾素1200升人血1升發(fā)酵液2－3萬美元/