宋曉航 華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)

生物信息學(xué)在藥物設(shè)計中的應(yīng)用

宋曉航 華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)

生物信息學(xué)作為一個綜合性的交叉學(xué)科，運用了生物、數(shù)學(xué)、物理、信息科學(xué)及計算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域的理論知識。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展以及生物信息數(shù)據(jù)庫的建立與完善，生物信息學(xué)的發(fā)展也加快了進(jìn)程。如今生物信息學(xué)被廣泛應(yīng)用于基因疾病診斷、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測等方面，在藥物設(shè)計中也扮演著重要角色。

生物信息學(xué) 受體 藥物設(shè)計

隨著對于基因中遺傳信息研究的日益深入，人們逐漸掌握了基因表達(dá)的規(guī)律，這也為人們分析推測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)。而針對受體蛋白質(zhì)的特異性進(jìn)行藥物的開發(fā)可以提高藥物的靶向性，顯著提升藥物療效并縮短研發(fā)周期，本文將結(jié)合我們在高中所學(xué)知識對這一問題加以探究。

1 生物信息學(xué)基礎(chǔ)

通過高中的生物學(xué)習(xí)我們了解到，人類的遺傳信息存儲于DNA之中，DNA是脫氧核糖核苷酸長鏈，是由四種脫氧核糖核苷酸組成的雙螺旋結(jié)構(gòu)，四種脫氧核糖核苷酸的排列順序中就包含了遺傳信息。遺傳信息的表達(dá)則是DNA分子通過局部解螺旋，與細(xì)胞之內(nèi)游離的核糖核苷酸進(jìn)行配對，使核糖核苷酸按照特定序列進(jìn)行排列，形成核糖核苷酸長鏈，我們稱之為信使RNA，即mRNA，來完成遺傳信息轉(zhuǎn)錄。之后信使RNA從核孔進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)之中，信使RNA首先與細(xì)胞質(zhì)中的核糖體結(jié)合，之后啟動翻譯，tRNA與mRNA配對并轉(zhuǎn)運相應(yīng)的氨基酸，氨基酸之間再通過肽鍵相連形成多肽。每個mRNA在翻譯之后都會形成特定的多肽，多肽之間進(jìn)一步結(jié)合并折疊形成特殊的空間結(jié)構(gòu)就生成了蛋白質(zhì)，基因表達(dá)得以完成。

目前隨著人們對于基因科技的研究，早已發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)運RNA密碼子與其所攜帶氨基酸之間的聯(lián)系，這樣就可以通過DNA分子中脫氧核糖核苷酸的排列順序來推測蛋白質(zhì)的氨基酸序列，進(jìn)一步推測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。部分遺傳疾病也可以通過異常的蛋白質(zhì)氨基酸順序來推測DNA分子缺陷，通過基因檢測來進(jìn)行檢查。但是DNA分子中參與蛋白質(zhì)合成的只是其中一小部分，我們把這部分遺傳信息稱為編碼區(qū)，在非編碼區(qū)中同樣也包含了大量遺傳信息。之前人們對于非編碼區(qū)的遺傳信息作用不是很了解，但近年來通過研究發(fā)現(xiàn)了非編碼區(qū)基因與蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系，可以更好地推測蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。

可DNA中的遺傳信息量太過龐大，對于遺傳信息的分析無疑是一件繁重的工作。不過隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，生物遺傳信息數(shù)據(jù)庫的逐步完善，生物信息學(xué)目前可以結(jié)合數(shù)學(xué)、物理等理論對遺傳信息數(shù)據(jù)進(jìn)行快速全面的分析，也在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2 生物信息學(xué)在藥物設(shè)計中的應(yīng)用

以往的藥物設(shè)計，是基于動物的組織結(jié)構(gòu)來篩選合適的藥理模型，之后再在自然界中尋找或者通過人工合成來獲得合適的先導(dǎo)物。在這之后對于先導(dǎo)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，直到藥物達(dá)到臨床使用要求。這種方式研制出的藥物雖然療效可以得到保證，但是研發(fā)周期長且研發(fā)資金消耗巨大，對于新出現(xiàn)的因難雜癥也缺乏快速解決手段，局限性較大。

區(qū)別于以往先確定藥理模型再篩選先導(dǎo)物的模式，利用生物信息學(xué)可以通過對于受體的結(jié)構(gòu)分析來設(shè)計出合適的先導(dǎo)體，再以此為基礎(chǔ)進(jìn)行藥物的設(shè)計研制。

生物信息學(xué)可以通過對于受體細(xì)胞的結(jié)構(gòu)分析來確定能與之特異性結(jié)合的分子結(jié)構(gòu)，并以此結(jié)構(gòu)作為先導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行接下來的藥物設(shè)計。之后可以對數(shù)據(jù)庫之中活性分子的藥效構(gòu)象進(jìn)行分析，確定藥效基團(tuán)模型，并在數(shù)據(jù)庫之中搜尋具有相關(guān)構(gòu)象的化合物。然后將具有藥效的活性分子結(jié)構(gòu)與先導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合，完成藥物設(shè)計。這一結(jié)合過程可以通過分析篩選出適宜的兩個分子進(jìn)行對接，也可以通過電腦計算通過先導(dǎo)物分子的逐步延長完成活性部分的合成。這兩種過程都可以設(shè)計出易與受體結(jié)合且具有藥效的新型藥物，相較于以往的藥物設(shè)計方法不僅耗時短，而且靶向型更強，對于新的疑難雜癥也具備快速解決的能力，大大提升了藥物設(shè)計的效率。

而且在藥物設(shè)計中通過對于基因遺傳信息的分析也可以對藥物可能帶來的毒副作用進(jìn)行分析并加以規(guī)避。同時對于數(shù)據(jù)庫中患者信息的分析也能更好掌握藥品受眾與市場，對于藥品設(shè)計規(guī)劃起到指導(dǎo)意義。

3 結(jié)束語

目前藥物設(shè)計存在設(shè)計周期長、適用范圍小、研發(fā)資金高等問題。利用生物信息學(xué)對受體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析確定先導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而進(jìn)行藥物設(shè)計可以有效解決上述問題。而且通過生物信息學(xué)對于基因的分析還能提前分析藥物毒副作用，減少藥物對人體影響?？梢娺\用生物信息學(xué)進(jìn)行藥物設(shè)計擁有光明的前景，將成為未來的主流。以上就是我們對于生物信息學(xué)在藥物設(shè)計中應(yīng)用的探究成果，對于其中超出了高中所學(xué)的范圍的生物知識需要我們在日后的學(xué)習(xí)中加強課外拓展研究，做到更加深入全面的了解。

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[1]嚴(yán)鑫,丁鵬,劉志紅,王領(lǐng),廖晨鐘,顧瓊,徐峻.藥物分子設(shè)計中的大數(shù)據(jù)問題[J].科學(xué)通報,2015,60(Z1):558-565.