劉景陶　劉映雪

摘 要：計算機輔助藥物設(shè)計的基本出發(fā)點是針對藥物作用靶點和藥物分子的結(jié)構(gòu)、功能及與藥物作用方式，來設(shè)計作用專一、活性強、不良反應少的新藥。藥物分子必須分布到受體生物大分子部位并與受體結(jié)合，才有可能發(fā)揮藥理作用。準確預測藥物分子與受體生物大分子結(jié)合的復合物的結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點，是藥物設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)全新結(jié)構(gòu)的先導化合物是藥物發(fā)現(xiàn)的目標。作為藥物設(shè)計的核心技術(shù)，“分子對接”是基于受體分子結(jié)構(gòu)虛擬篩選的核心，是一種模擬小分子與生物大分子結(jié)合三維結(jié)構(gòu)及其結(jié)合強度的計算方法，通過分子對接（docking）的方法，確定小分子與受體的結(jié)合構(gòu)象，并評價其與受體的結(jié)合活性。

關(guān)鍵詞：計算機輔助藥物設(shè)計；藥物設(shè)計；分子對接；應用

1 藥物-受體相互作用機制

絕大多數(shù)藥物屬于結(jié)構(gòu)特異性藥物，它們的化學結(jié)構(gòu)、化學反應性、分子形狀和大小、立體化學配置、功能基的配置、電子分布以及同靶點結(jié)合的可能狀況等都對生物效應有決定性影響，內(nèi)源性活性物質(zhì)或外源性小分子藥物作為特異性配體作用于機體內(nèi)的靶點，與靶點通過“鎖-鑰”機制相互作用，兩者之間須形狀互補，或通過各自變構(gòu)作用以適應對方的構(gòu)象要求而契合，形成復合物，從而改變大分子的性質(zhì)，而引發(fā)一系列生物化學反應，產(chǎn)生生物活性。

2 分子對接

分子對接（molecular docking）就是將配體分子放置到受體大分子的活性位點中，預測小分子與受體結(jié)合構(gòu)象及作用能的過程，其目的是從小分子數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)合適的化合物作為受體大分子的配體。

3 藥物的結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系

藥物的結(jié)構(gòu)決定著化合物內(nèi)在性質(zhì)，藥物的化學結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系稱為構(gòu)效關(guān)系。構(gòu)效關(guān)系是為了獲得藥物的生物活性與其結(jié)構(gòu)間依賴關(guān)系的規(guī)律，以便能解析和認識藥物的作用機制和作用方式，預測化合物的活性。藥物與靶點發(fā)生作用，產(chǎn)生生物活性的機制一般是藥物與機體內(nèi)生物分子之間發(fā)生某種反應，或者是物理化學平衡的過程。

4 分子對接原理

分子對接的第一步是分子識別，要求分子間空間和能量有互補性?？臻g互補是按照Fisher提出的受體學說，分子對接是指藥物與受體會發(fā)生類似鑰匙與鎖的識別關(guān)系，（lock and key principle），而且這種識別關(guān)系主要依賴兩者在空間形上的相互匹配?？臻g匹配是分子間發(fā)生相互作用的基礎(chǔ)，決定識別過程的選擇性，主要體現(xiàn)在小分子構(gòu)象及小分子在受體活性位點放置的算法；能量匹配是分子間保持穩(wěn)定結(jié)合的基礎(chǔ)，決定識別過程的結(jié)合能力，主要體現(xiàn)在運用何種模式對受體與小分子之間的相互作用力進行衡量（打分）。

5 通過分子模擬技術(shù)進行分子對接

分子模擬（molecular modeling）是通過計算機模擬軟件，形象逼真地模仿實驗，解釋實驗結(jié)果以及預測結(jié)構(gòu)變化引起的新性質(zhì)；通過對分子形狀和方位進行運動操作，可觀察藥物與靶點的相互作用，判斷靶點分子可能的結(jié)合位點，還能對藥物分子進行整修，提出改善藥物的藥效學和動力學性質(zhì)的改良方案。它的原理是利用計算機來構(gòu)造、顯示、分析和儲存復雜的分子模型，提供直觀的3D形象，觀察分子間的相互作用，分子對接的整個過程中，都是利用模擬軟件在計算機虛擬環(huán)境下進行，分子模擬是實現(xiàn)分子對接的有效手段。

分子對接過程的基本步驟：（1）小分子構(gòu)象生成；（2）小分子在受體活性位點的位置，即找出空穴，定出表面；（3）調(diào)整受體位點或藥物的構(gòu)象；（4）受體與小分子之間相互作用力強弱的計算及評價，即計算對接時受體-藥物相互作用能量；（5）進行分子動力學模擬；（6）復合物的全局最優(yōu)結(jié)合構(gòu)象。

在進行模擬分子對接時，首先在配體蛋白質(zhì)上尋找填充受體分子結(jié)合位點。再將已知3D小分子數(shù)據(jù)庫中的每個化合物小分子投映到受體分子表面，并逐一放在靶標分子的活性位點上，按照受體與配體形互補、性質(zhì)互補的原則，配體小分子與受體各自改變其構(gòu)象，以適應對方的要求，尋找其合適的取向和構(gòu)象，使得配體與受體形狀互補、性質(zhì)互補為最佳匹配，從而達到契合態(tài)。依據(jù)受體表面的這些結(jié)合點與配體分子的距離匹配原則，計算預測其結(jié)合的模式和親和力，識別并預測受體-配體復合物結(jié)合構(gòu)象及結(jié)合能。最后按照與受體的結(jié)合能通過打分函數(shù)為小分子打分，評判配體與受體的結(jié)合程度，挑選出接近天然構(gòu)象的與受體親和力最佳的配體。對于與疾病相關(guān)的受體，按其結(jié)構(gòu)在三維小分子數(shù)據(jù)庫直接搜索可能的配體，在庫中所有分子均完成了對接計算之后，即可從中找出與靶標分子結(jié)合的最佳分子。

在分子對接過程中，輸入大分子受體和數(shù)據(jù)庫中小分子（配體）的三維坐標，對接程序預測出復合物的幾何坐標。因為蛋白質(zhì)分子一般都很大，而且結(jié)合位點都有一個凹下去的表面，所以在對接過程中，蛋白質(zhì)大分子幾乎不發(fā)生變化；而配體小分子在對接過程中會有比較大的變化，一般對接程序通過二面角的旋轉(zhuǎn)來考察這種變化。無論是受體大分子還是配體小分子在結(jié)合過程中都會發(fā)生構(gòu)象變化，因此，如果同時考慮受體大分子和配體小分子的柔性勢必可以增加對接結(jié)果的準確性，也有對接程序同時考慮了兩者的柔性。

6 分子對接前準備

在分子對接前，需要進行數(shù)據(jù)準備工作，包括靶點結(jié)構(gòu)預處理和化合物數(shù)據(jù)庫的預處理。

6.1 靶點結(jié)構(gòu)的預處理

生物大分子靶點結(jié)構(gòu)主要由實驗方法測定，如X射線結(jié)晶學和NMR測定。當實驗數(shù)據(jù)缺乏，也可以通過蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測方法如同源模建等得到。

6.2 小分子數(shù)據(jù)庫的預處理

收集文獻上發(fā)表的小分子化合物結(jié)構(gòu)的信息，組成二維（2D）小分子數(shù)據(jù)庫。將二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為三維結(jié)構(gòu)并加上相應的小分子電荷，還需要進行類藥性分析，以去掉一些類藥性差分子。如果化合物結(jié)構(gòu)太多，還可進行多樣性分析。

6.3 打分

依靠精確的打分函數(shù)（scoring function）來評判配體分子和受體結(jié)合能力的強弱，即先對同一個分子的不同結(jié)合構(gòu)象，評價各構(gòu)象的結(jié)合好壞；再對數(shù)據(jù)庫中不同分子的最好結(jié)合構(gòu)象進行評價。根據(jù)打分的結(jié)果挑選化合物（打分比較高的分子），進行類藥性評價，選擇化合物進行生物實驗測試。

通過計算機的模擬技術(shù)，進行虛擬篩選與分子對接，從而揭示藥物與機體靶標的作用機制，探索藥物靶點的空間結(jié)構(gòu)，最終目標是設(shè)計具有預期性質(zhì)的新物質(zhì)，即具有顯著生物活性的藥物分子。也就是通過分子對接確認所有可能與藥物小分子作用的蛋白質(zhì)，篩選出與該疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)，然后研究藥物與該蛋白質(zhì)具體的作用機理，從而揭示化合物結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系（Structure-Aactivity Relationship，SAR），并獲得RAR模型，因此，分子對接主要用于解釋分子作用機制、進行基于受體的虛擬篩選發(fā)現(xiàn)先導化合物；對藥物作用靶點的預測發(fā)揮重要作用，是進行合理藥物設(shè)計的基礎(chǔ)。

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