曾嶸，劉冬，李宏偉，倪平

陸軍軍醫(yī)大學(xué) (重慶 400038)

藥物化學(xué)是藥學(xué)生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，然而與化學(xué)專業(yè)的學(xué)生相比，藥學(xué)生存在化學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱、課時(shí)少等情況。在藥物化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生對藥物結(jié)構(gòu)的理解和掌握是教學(xué)的難點(diǎn)，特別是藥物的立體結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)教材僅采用簡單的透視式來表示，學(xué)生往往難以理解。另一方面，藥物的構(gòu)效關(guān)系是本課程的重點(diǎn)，而傳統(tǒng)教材中的藥物構(gòu)效關(guān)系往往只通過一個(gè)平面圖作說明，藥物與受體的識別作用僅通過文字來描述，很不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和掌握。近年來，隨著蛋白晶體結(jié)構(gòu)解析的快速發(fā)展，有關(guān)媒體報(bào)道了越來越多的藥物-蛋白相互作用，同時(shí)，隨著信息科學(xué)的發(fā)展，越來越多的軟件，能夠較為方便地展示藥物-靶點(diǎn)的三維結(jié)構(gòu)。本文闡述利用先進(jìn)的三維分子模型讓學(xué)生充分掌握藥物構(gòu)效關(guān)系與作用靶點(diǎn)，為理解書本理論知識提供參考。

1 三維分子模型

藥物分子結(jié)構(gòu)有不同的表示方法，如分子式、電子式、結(jié)構(gòu)式、鍵線式、球棍模型、比例模型等。應(yīng)用這些表示方法可以將簡單的分子結(jié)構(gòu)清晰地展現(xiàn)出來，但對于普遍具有三維立體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜藥物分子，立體化學(xué)表示式是表述分子構(gòu)型或構(gòu)象的重要工具，包括楔形透視式、鋸架透視式、紐曼投影型和費(fèi)歇爾投影式，這4種立體構(gòu)型式是立體化學(xué)的基礎(chǔ)[1]。由于理解它們要用到高中數(shù)學(xué)中線與平面之間的關(guān)系等立體幾何知識，并基于事先定義的較為復(fù)雜的規(guī)則，其在復(fù)雜分子的表示上不夠直觀，從分子模型到實(shí)際結(jié)構(gòu)還需要一個(gè)空間想象的“解碼”過程，這要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間想象力。而大部分學(xué)生的空間想象能力跟不上，所以對藥學(xué)專業(yè)的學(xué)生來講成為一個(gè)學(xué)習(xí)難點(diǎn)[2]。

三維分子模型是當(dāng)今可視化教學(xué)的一種有效手段，它已被廣泛應(yīng)用于不同的學(xué)科教學(xué)當(dāng)中[3- 4]。運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件來模擬藥物分子立體結(jié)構(gòu)以及演示蛋白質(zhì)分子與藥物分子化學(xué)互補(bǔ)、誘導(dǎo)契合的分子識別過程是一種行之有效的方法，可以很好地幫助學(xué)生理解構(gòu)象異構(gòu)、構(gòu)型異構(gòu)以及生物大分子作用靶點(diǎn)等。利用三維分子模型編輯軟件能夠充分展現(xiàn)各類藥物分子的官能團(tuán)，且分子模型軟件具有編輯功能，學(xué)生可以此對藥效官能團(tuán)進(jìn)行修飾，優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)，從而思考該類藥物如何更好更快地發(fā)揮藥效。

目前使用比較廣泛的分子模型軟件有Chem Bio Office、Marvin suite、Pymol、Sybyl、Gaussian等。蔣超意使用Chem Bio Office中的Chem Bio 3D功能對奎尼丁堿、奎寧堿及其反應(yīng)中間物質(zhì)進(jìn)行三維分子模型構(gòu)建[5- 6]，教師教學(xué)結(jié)束后對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了調(diào)查和檢測，評估分子模型軟件對化學(xué)教學(xué)的作用效果。結(jié)果顯示3D分子模型軟件對學(xué)生在立體化學(xué)分子的空間想象力方面有很大的幫助，并能夠提高其學(xué)習(xí)效率，很好地解決了教學(xué)中抽象內(nèi)容可視化的問題[7]，此軟件可更多地被應(yīng)用在化學(xué)教學(xué)中。由于Chem Bio Office簡單易學(xué)，教師可以利用其核心工具之一的Chem Bio 3D將藥物分子的三維模型展示出來，方便學(xué)生學(xué)習(xí)掌握。Marvin suite是基于Java開發(fā)的化學(xué)建模工具，張小紅等[8]以課程教學(xué)需求為基礎(chǔ)，建立了有機(jī)分子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)的三維模型庫，其根據(jù)官能團(tuán)的不同，建立了各類化合物代表物的3D模型，但同樣此模型更適合有機(jī)化學(xué)教學(xué)。Pymol是一個(gè)開放源代碼的分子三維結(jié)構(gòu)顯示軟件，教師經(jīng)許可后可以免費(fèi)下載并用于教學(xué)。Pymol的基本功能包括生物大分子三維結(jié)構(gòu)顯示、分子編輯動畫、生物分子合并和拆分等，可以形象地展示藥物小分子與作用靶點(diǎn)的誘導(dǎo)契合過程。Pymol常被用于高質(zhì)量科學(xué)論文圖形的制作，且它既可以鼠標(biāo)操作，又可以命令行操作，簡單易學(xué)，比較適合學(xué)生。鐘廣蓉等[9]將Pymol軟件應(yīng)用于生物學(xué)教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。Sybyl、Gaussian兩軟件均可以較好地展示藥物分子的三維構(gòu)型，但使用與教學(xué)相對復(fù)雜。因此，筆者認(rèn)為把Chem Bio 3D、Pymol軟件應(yīng)用于藥物化學(xué)教學(xué)較為適宜。

2 三維分子模型在藥物化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 藥物分子構(gòu)型和構(gòu)象的展示

多手性中心的藥物分子的立體構(gòu)型，僅靠書本中的投影式展示，學(xué)生很難想象，對于不同異構(gòu)體也難以辨別，相反，三維分子模型可以很好地展示藥物分子不同的立體構(gòu)型。以L-赤蘚糖和D-赤蘚糖分子為例，圖1a和圖1b分別為L-赤蘚糖分子和D-赤蘚糖分子的紐曼投影式、費(fèi)歇爾投影式、鋸架透視式以及用Chem Bio 3D做的三維分子模型。顯然，三維分子模型更為直觀明確，不用事先了解各種表達(dá)式的規(guī)則，學(xué)生就能清晰直觀地看出L-赤蘚糖和D-赤蘚糖分子中兩個(gè)手性中心的立體構(gòu)型。兩種構(gòu)型的赤蘚糖，通過三維分子模型表示就可以很好地被區(qū)分，而其他類型的表達(dá)式還需要通過想象進(jìn)行二維到三維的轉(zhuǎn)化才能區(qū)別，極大地增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。此外，使用計(jì)算機(jī)輔助的三維分子模型還能夠進(jìn)行任意角度轉(zhuǎn)動，便于學(xué)生進(jìn)一步觀察分子結(jié)構(gòu)；能夠?qū)θ我鈫捂I進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，方便教師展示所需要的各種分子構(gòu)象。藥物化學(xué)課程的核心要點(diǎn)就是讓學(xué)生掌握藥物結(jié)構(gòu)和藥理活性之間的關(guān)系，而準(zhǔn)確理解藥物分子的結(jié)構(gòu)就是藥物化學(xué)的重要基礎(chǔ)。借助計(jì)算機(jī)輔助三維分子模型，學(xué)生可以很好地認(rèn)清藥物分子的不同立體構(gòu)型和空間構(gòu)象，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

a.L-赤蘚糖的紐曼投影式、費(fèi)歇爾投影式、鋸架透視式、三維分子模型

b.D-赤蘚糖的紐曼投影式、費(fèi)歇爾投影式、鋸架透視式、三維分子模型

圖1赤蘚糖分子模型

2.2 藥物分子構(gòu)效關(guān)系的展示

除了展示藥物分子的立體構(gòu)型和構(gòu)象，三維分子模型在闡述蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以及藥物分子的構(gòu)效關(guān)系方面也有重要的應(yīng)用。以糖皮質(zhì)激素受體和醋酸地塞米松(Dexamethasone Acetate)為例，教師通過Pymol軟件畫出糖皮質(zhì)激素受體(PDB id：4UDC)和地塞米松相互作用三維分子模型(圖2)。學(xué)生通過三維分子模型可以清楚地看到各藥效團(tuán)以及它們的空間構(gòu)型對受體的影響：C3上的羥基與611號精氨酸殘基、C20上的羥基與739號蘇氨酸殘基、C11和C21上的羥基與364號天冬酰胺殘基、C17上的羥基與642號谷氨酸殘基通過氫鍵作用，使地塞米松分子與糖皮質(zhì)激素受體結(jié)合在一起發(fā)生藥理作用。修飾皮質(zhì)激素類藥物的孕甾烷母核會影響其藥理活性，且多個(gè)部位的修飾比單個(gè)部位的修飾更具作用。因此，幾乎在可能被取代的位置都引入了取代基。孕甾烷母核可以引入取代基的位置主要包括C-1～2，C- 6，C-9，C-11β，C-16，C-21。藥物研發(fā)人員通過引入不同位置的取代基與藥理活性檢測，得到了皮質(zhì)激素類藥物的構(gòu)效關(guān)系。對于這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，教材上只是以平面示意圖和表格的形式做出說明，其三維空間結(jié)構(gòu)及其立體選擇性反應(yīng)并沒有清晰地被展示出來。教師通過Pymol軟件畫出的皮質(zhì)激素類藥物地塞米松的三維分子模型(圖3)，學(xué)生可以清晰地看到，地塞米松分子中的三個(gè)羥基，用常規(guī)方法進(jìn)行酯化，如與酸酐或酰氯反應(yīng)時(shí)，只有C-21羥基能被酯化，C-11羥基因C-13及C-18角甲基的位阻，C-17羥基因側(cè)鏈的位阻均不能形成酯(圖3)。再比如皮質(zhì)醇在合成過程中，引入11-羥基時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生α和β異構(gòu)體，而α異構(gòu)體是無效的。因此，必須通過立體選擇性反應(yīng)來進(jìn)行，現(xiàn)在已用的微生物法引入的均是β羥基，這些知識僅通過平面圖無法解釋清楚而被學(xué)生掌握。其余通過C-1～2，C- 6，C-9，C-11β，C-16，C-21等修飾而得到的各種皮質(zhì)激素類藥物結(jié)構(gòu)亦是如此。通過修飾之后的醋酸地塞米松是目前臨床上已經(jīng)使用的最強(qiáng)的糖皮質(zhì)激素類藥物，而鹽皮質(zhì)激素活性副作用大為減弱。

圖2醋酸地塞米松與糖皮質(zhì)激素受體相互作用三維分子模型

圖3 醋酸地塞米松三維分子模型

2.3 藥物分子與靶點(diǎn)的相互作用

藥物分子與靶點(diǎn)的相互作用是藥物化學(xué)教學(xué)中的難點(diǎn)，藥學(xué)生很難對藥物分子與靶點(diǎn)的相互作用有直觀的認(rèn)識。以擬腎上腺素藥物腎上腺素(Adrenaline)為例，其同時(shí)具有較強(qiáng)的α受體和β受體興奮作用，臨床常被用于過敏性休克、心臟驟停和支氣管哮喘的急救，還可制止鼻黏膜和牙齦出血。腎上腺素具有β-苯乙胺的結(jié)構(gòu)骨架(如圖4)，而臨床應(yīng)用的擬腎上腺素藥物絕大多數(shù)都具有這樣一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，β-碳上通常帶有醇羥基，此醇羥基在激動劑與受體相互結(jié)合時(shí)，通過形成氫鍵發(fā)揮作用。因此，β-碳的絕對構(gòu)型，即β-OH立體結(jié)構(gòu)排列對活性有顯著影響。藥物分子立體結(jié)構(gòu)對與受體結(jié)合的影響以及二者如何誘導(dǎo)契合、結(jié)合位點(diǎn)、三維空間構(gòu)型等，教材僅通過文字進(jìn)行描述，大部分學(xué)生無法進(jìn)行想象，只能死記硬背。筆者使用Pymol軟件先將腎上腺素β2受體(PDB id：4LDO)的三維空間構(gòu)型展示出來(圖5)，學(xué)生還可以將此模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放，以了解受體的整體構(gòu)型特點(diǎn)及作用靶點(diǎn)位置。β2受體的結(jié)構(gòu)由核心區(qū)域7段跨膜α螺旋區(qū)，以及膜外N端(N-terminus)、膜內(nèi)C端(C-terminus)、3個(gè)膜外環(huán)(Extracellular loops)、3個(gè)膜內(nèi)環(huán)(Intracellular loops)構(gòu)成。膜外環(huán)2中氨基酸大部分形成α螺旋結(jié)構(gòu)以及小部分無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)。其中膜外環(huán)2有很重要的生理功能，其會形成一個(gè)似蓋子的結(jié)構(gòu)罩住配體結(jié)合位點(diǎn)，這樣很有可能對配體的進(jìn)出造成阻礙，其保守的半胱氨酸Cys184和Cys190與TM3上的部分殘基、配體相互作用，以及Cys190與Cys191，形成二硫鍵，這對穩(wěn)定受體晶體結(jié)構(gòu)以及結(jié)合配體具有重要意義[10]。然后將藥物腎上腺素加載到軟件中，并使二者通過鎖鑰關(guān)系發(fā)生誘導(dǎo)契合，形成氫鍵發(fā)揮作用，學(xué)生可以通過操作觀察學(xué)習(xí)整個(gè)結(jié)合過程。結(jié)合后的復(fù)合物三維空間結(jié)構(gòu)(圖6)。腎上腺素分子中的氨基與1113號天冬氨酸殘基和1316號酪氨酸殘基、C7上的羥基與1113號天冬氨酸殘基和1312號天冬酰胺殘基、C3上的羥基與1293號天冬酰胺殘基和1203號絲氨酸殘基通過氫鍵作用，將腎上腺素分子和β2受體結(jié)合起來發(fā)揮藥理作用。這種三維分子模型既結(jié)合蛋白質(zhì)受體實(shí)際結(jié)構(gòu)又以生動的展示形式有助于學(xué)生更好地理解藥物分子與受體相互作用機(jī)制及過程。

圖4 腎上腺素三維分子模型

圖5腎上腺素β2受體三維分子模型

圖6 腎上腺素與β2受體相互作用三維分子模型

3 結(jié)語

以課程為載體，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，是高等教育工作者的不懈追求。本文從藥物化學(xué)教學(xué)中的實(shí)際難點(diǎn)出發(fā)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助教學(xué)，將三維分子模型引入教學(xué)實(shí)踐。三維分子模型不僅能夠幫助學(xué)生理解復(fù)雜的藥物分子構(gòu)型、抽象的誘導(dǎo)契合過程、氨基酸序列與蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)等，教師還可以將其應(yīng)用于生物大分子的多角度演示、基于分子結(jié)構(gòu)的機(jī)理講析等[11]，尤其對于缺乏空間想象力的學(xué)生而言，三維分子模型可以提升其學(xué)習(xí)效率。學(xué)生通過在軟件上操作觀察，理解某類藥物的藥效團(tuán)后，還可以舉一反三，快速掌握同系列藥物的結(jié)合作用原理，提高創(chuàng)新能力。教學(xué)實(shí)踐表明，三維分子模型極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力，教學(xué)效果顯著提升。不僅如此，教師利用三維分子模型還可以使學(xué)生了解藥物篩選的過程，通過改造修飾藥效團(tuán)來改變藥物不同的代謝時(shí)間、起效速度、穩(wěn)定性等，為日后走上工作科研崗位奠定基礎(chǔ)。