第十一全新藥物設(shè)計(jì)

第十一章藥物設(shè)計(jì)的基本方法

——全新藥物設(shè)計(jì)11.1引言在前幾章中已經(jīng)談及，近年來(lái)由于生物學(xué)和蛋白質(zhì)化學(xué)的迅速發(fā)展，大大降低了蛋白質(zhì)提取和純化的難度。蛋白質(zhì)表達(dá)技術(shù)的發(fā)展，使人們可以獲取足夠量的蛋白質(zhì)來(lái)進(jìn)行各種水平的研究。同時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定方法和核磁共振測(cè)定技術(shù)，無(wú)論是軟件、硬件還是基本方法都得到了迅速發(fā)展。這樣越來(lái)越多的受體蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)被測(cè)定，為基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。最近幾年基于受體的藥物設(shè)計(jì)許多制藥公司發(fā)表的研究結(jié)果表明，蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)信息在新藥的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中起著重要的作用，基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)方法在新藥研究過(guò)程中的作用已經(jīng)日益明顯。雖然不能過(guò)分強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的作用，基于受體三維結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)只是藥物設(shè)計(jì)諸多方法中的一種，并且只有與合成藥物化學(xué)家和藥理學(xué)家進(jìn)行各種合作，才能獲得令人滿意的結(jié)果。然而，理論計(jì)算方法和基于受體藥物設(shè)計(jì)方法的確已經(jīng)可以幫助加快新藥上市的速度。隨著蛋白質(zhì)同源建模技術(shù)也取得了很大的進(jìn)展，使得許多靶標(biāo)蛋白的折疊方式得到預(yù)測(cè)，模建合理的具有一定精確度的生物大分子的三維結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)。隨著人們建立生物大分子結(jié)構(gòu)能力的提高，人們發(fā)展了許多理論計(jì)算方法，來(lái)分析受體作用位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特征、模擬藥物與受體相互作用的規(guī)律、設(shè)計(jì)與作用位點(diǎn)相匹配的新分子。這些方法均可列入全新藥物設(shè)計(jì)的范疇。“全新配體設(shè)計(jì)”、“全新抑制劑設(shè)計(jì)”和“全新藥物設(shè)計(jì)”具有相同的含義。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道來(lái)看，受體生物大分子的三維結(jié)構(gòu)可以來(lái)自X射線衍射和NMR測(cè)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也可以是用3D-QSAR分析、藥效團(tuán)模擬或者同源蛋白建模的假想受體模型。本課程中以實(shí)驗(yàn)測(cè)定的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)為例。根據(jù)全新藥物設(shè)計(jì)的方法，可以分為兩類：一、根據(jù)生物大分子的三維結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)出與結(jié)合位點(diǎn)相匹配的結(jié)構(gòu)

二、分子對(duì)接方法，從數(shù)據(jù)庫(kù)中搜尋到與結(jié)合位點(diǎn)相匹配的分子11.2全新藥物設(shè)計(jì)概述測(cè)定生物大分子三維結(jié)構(gòu)，確定了其配體的結(jié)合部位。如果所測(cè)定的結(jié)構(gòu)本身就是配體-受體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，就更容易確定藥物可能的作用位點(diǎn)。如果沒(méi)有作用位點(diǎn)的信息，僅知道生物大分子的三維結(jié)構(gòu)，也有一些理論計(jì)算方法來(lái)搜尋配體的作用位點(diǎn)。獲得受體生物大分子結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)后，可以用分子模擬軟件，分析結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如靜電分布，疏水場(chǎng)分布、氫鍵作用位點(diǎn)等，然后用全新藥物設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出分子形狀和理化性質(zhì)與受體作用位點(diǎn)相匹配的分子，合成這些分子并測(cè)試其生物活性，經(jīng)過(guò)幾輪循環(huán)，可發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物。全新藥物設(shè)計(jì)軟件須滿足的要求使用方便，最好配備圖形界面，使得非專業(yè)研究人員也能迅速掌握；快速、實(shí)時(shí)，即軟件在設(shè)計(jì)新分子時(shí)速度要快，以便提高藥物設(shè)計(jì)成功的機(jī)會(huì)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)要合理，不含化學(xué)和生物上不穩(wěn)定的基團(tuán)，容易合成能產(chǎn)生多個(gè)結(jié)構(gòu)分子產(chǎn)生的先導(dǎo)化合物活性要高適用于所有的受體生物大分子，而不是某一類或幾類11.3全新藥物設(shè)計(jì)方法11.3.1活性位點(diǎn)分析方法Activesiteanalysis,ASA方法ASA方法用來(lái)探測(cè)哪些原子或基團(tuán)能與生物大分子的活性（結(jié)合）部位有較好的相互作用。用于分析的探針?lè)肿邮且恍┖?jiǎn)單的分子或者碎片，例如水或苯環(huán)，找到這些分子或者碎片在活性部位中的可能結(jié)合位置。ASA方法不能產(chǎn)生完整的分子，所以嚴(yán)格來(lái)講，不算是全新藥物設(shè)計(jì)方法。但是，公認(rèn)ASA方法在全新藥物設(shè)計(jì)方法中非常重要，并且是一個(gè)成功的全新藥物設(shè)計(jì)方法的重要組成部分。例如在碎片連接法中，需要首先將碎片對(duì)接到活性部位合適的位置上。將一些典型的分子碎片放置到受體活性部位中合適的位置上。例如，苯環(huán)被放置在疏水性的口袋中，一些羰基被放置在氫鍵供體的位置上，羥基被放置在氫鍵受體的位置上。屬于ASA方法的軟件有GRID，GREEN等相關(guān)程序，還有一些基于蒙特卡羅模擬退火法的程序如MCSS，NINT等。所選擇的碎片與生物大分子結(jié)合好壞的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：基于能量計(jì)算的方法，即用分子力場(chǎng)方法計(jì)算碎片與受體生物大分子的作用能采用從晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)碎片打分。1.能量計(jì)算方法的缺點(diǎn)是計(jì)算較為費(fèi)時(shí)，并且計(jì)算結(jié)果依賴于力場(chǎng)參數(shù)；再者，能量計(jì)算過(guò)程中，必須考慮溶劑效應(yīng)等因素，如果這些因素不加考慮會(huì)影響計(jì)算精度。2.在數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋或ASA中考慮這些復(fù)雜的因素，則計(jì)算較為費(fèi)時(shí)，這就失去了藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值。Wholemolecule,WM方法WM方法主要采用分子對(duì)接，分子對(duì)接就是將整個(gè)三維數(shù)據(jù)庫(kù)中的有機(jī)分子契合到受體生物大分子的活性部位上去，看小分子的形狀和結(jié)構(gòu)性質(zhì)是否與活性部位的形狀和結(jié)構(gòu)性質(zhì)匹配，然后根據(jù)一定的評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的每個(gè)分子打分，挑選出打分值比較高的化合物進(jìn)行篩選，以發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物。11.3.2整體分子方法ConnectionMethod分子連接法有四種：位點(diǎn)連接法、碎片連接法、連續(xù)構(gòu)造法和隨機(jī)連接法。11.3.3分子連接法1.位點(diǎn)連接法位點(diǎn)指受體活性部位空間中的一點(diǎn)，在這一點(diǎn)能設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)與受體原子有良好作用的配體原子。例如在苯丙氨酸的側(cè)鏈周圍，可以設(shè)置一些疏水性的位點(diǎn)。如果位點(diǎn)上已經(jīng)設(shè)置了合適的配體原子，這一位點(diǎn)被滿足。位點(diǎn)連接法就是將小分子碎片放置到活性部位上，來(lái)滿足活性部位的一個(gè)或幾個(gè)位點(diǎn)，同時(shí)小分子碎片也因此找到了合適的位置。這樣，位點(diǎn)連接法與碎片放置法有些相似，甚至稱位點(diǎn)連接法是碎片放置法的特例。連接法示意圖搜尋并構(gòu)建活性部位的位點(diǎn)，氫鍵供體和受體與疏水性基團(tuán)附近一定范圍的區(qū)域均可設(shè)置位點(diǎn)選一碎片分子放置在活性部位合適的位置，并使分子碎片的某些原子與一些位點(diǎn)相匹配即氫鍵的供體對(duì)應(yīng)受體，疏水性基團(tuán)對(duì)應(yīng)疏水基團(tuán)等。在第一個(gè)分子碎片上加入另一個(gè)碎片，并使分子碎片的某些原子滿足相鄰位點(diǎn)的需要直到活性部位的所有位點(diǎn)或大部分位點(diǎn)被滿足由于碎片的選擇和連接方式有多種，所以用該方法設(shè)計(jì)的分子不止一個(gè)。

2.碎片連接法碎片連接法就是將與受體活性位點(diǎn)有較好作用的基團(tuán)用分子連接基團(tuán)連接起來(lái)。這一途徑的基本想法是一些與受體活性部位有較好作用的基團(tuán)，對(duì)連接后對(duì)分子與受體總的作用均有貢獻(xiàn)。從上面的例子上可以看到組成整個(gè)分子的各部分，如它們本身能與受體很好地結(jié)合，則它們對(duì)整個(gè)分子與受體的結(jié)合能作貢獻(xiàn)，這是碎片連接法的基本設(shè)想。從上面的例子來(lái)看，這一設(shè)想是合理的。核磁共振的方法篩選分子碎片，例1.計(jì)算機(jī)軟件來(lái)篩選分子碎片庫(kù)或小分子數(shù)據(jù)庫(kù)中的分子，例2.先用碎片庫(kù)搜尋