1、計算機輔助藥物設計（CADD）,一、概述 計算機功能的演變：計算擬合、模擬、繪圖、存貯、檢索、統(tǒng)計、管理、自動控制 藥學學科的各個分支學科都滲入了計算機的應用 計算機技術與新藥開發(fā)過程相結合,構效關系定量構效關系和三維定量構效關系 計算機處理，顯示生物大分子和藥物分子模型 計算機輔助藥物設計技術和藥物設計過程相結合計算機輔助藥物設計,是藥物設計發(fā)展的重要分支。 以計算機為工具，采用各種理論計算方法和分子圖形模擬技術，根據(jù)累積的大量有關結構和功能的資料，設計具有一定藥效作用的新分子。 是實現(xiàn)合理藥物設計的技術手段。 實踐操作是計算化學與分子模擬。,分類,直接設計法： 根據(jù)受體的三維結構進行藥物設

2、計。主要策略：配基對接、3D-數(shù)據(jù)庫搜尋、從頭設計 間接設計法： 在計算機輔助下，確定藥效基團，并依據(jù)藥效團的特征，設計新的活性分子。,二、藥物作用的基本理論,藥物的生物效應是藥物分子和生物大分子之間反應或相互作用的結果。 藥物的結構、化學反應性、分子形狀和大小、立體化學配置、功能基的配置、電子分布等的改變均對生物效應有決定性的影響 探索藥物-生物大分子互相作用的基本原理，是藥物設計最重要的基礎。,1. 受體學說及藥物-受體相互作用的方式和本質,受體(receptor)： 生物體的細胞膜上或細胞以內的一種特異性大分子或大分子復合物,能與具有高度選擇性的化合物結合，并產生特定生物效應。如：蛋白質

3、、酶、核酸、離子通道、多糖、抗原、脂類等。,作用方式：,占領學說（基礎是化學平衡） 藥物的作用強度與受體被藥物分子占領的數(shù)目成正比。 定性的受體概念-定量科學 無法解釋 1. 拮抗劑與激動劑的相反生物效應 2. 部分激動劑達不到最大生物效應,親和力和內在活性學說先形成復合物，再引發(fā)受體產生內在活性。 激動劑；部分激動劑；拮抗劑 對占領學說的補充和修正 無法說明激動劑與拮抗劑和受體結合產生相反效應（分子水平） 絞鏈學說受體由特異性和非特異性二部份組成。激動劑、拮抗劑均可與特異性部位結合，具可逆性。但拮抗劑還可與非特異性部位結合，且結合力較強。 解釋了加入過量的激動劑也不能將拮抗劑除去,速率學說生

4、物效應與單位時間內藥物分子和受體相結合的總數(shù)成正比。 不能在分子水平解釋結構相似的藥物有的是激動劑，有的是拮抗劑。 e. 誘導契合學說在與底物相互作用下，具有柔性和可塑性的酶活性中心被底物誘導發(fā)生構象變化而產生互補性結合。,f. 大分子微擾學說藥物與生物大分子相互作用時，藥物對生物大分子的構象發(fā)生微擾作用，使二者有更好的互補性和適配性。 g. 二態(tài)模型的占領-活化學說未被藥物占領的受體存在非活化態(tài)R和活化態(tài)R*，兩種狀態(tài)處于動態(tài)平衡。激動劑對活化態(tài)受體有較高親和力，使平衡向R*方向移動；拮抗劑對于非活化態(tài)受體的親和力強，平衡向R方向移動。,2.藥物-受體的相互作用力及其立體因素的影響,1).

5、藥物-受體的相互作用力 藥物與受體分子產生特異性結合的基礎是分子識別。分子識別的基本要素有多種。 生物效應的源動力是藥物-受體的相互作用力 藥物-受體的相互作用力分為化學鍵和分子間引力。,2).立體作用,雖然藥物-受體的相互作用一般是通過非共價鍵的弱鍵形成，但由于立體形狀在空間的匹配，相互作用往往很強，這一現(xiàn)象在藥物-受體相互作用及生物活性方面非常重要。 構型異構、構象異構影響藥效學、藥動學性質。,3. 藥物的化學結構與生物活性的關系(SAR),構效關系：藥物的化學結構與生理活性的關系。 目的：獲得藥物的生理活性與其結構間依賴關系的規(guī)律，以便認識、解析藥物的作用方式和作用機理，預測某一化合物的

6、生物活性。,基于受體分子的組成、性狀及空間結構還未深入了解，對藥物進行構效關系研究可間接地闡明藥物的作用機理。 研究內容:藥效、藥動及毒性的構效關系。 得到藥物的藥效基團、藥動基團和毒性基團 高效、低毒、安全,1).藥效團 分子結構中產生活性或毒性的某些特定的基團。,藥效團一般分二類： 一類是具相同藥理作用的類似物。 另一類是化學結構完全不同的分子，但可與同一受體以相同的機理結合，產生同樣的藥理作用。例：雌二醇、己烯雌酚、金雀異黃素,許多藥物呈現(xiàn)活性所需的藥效團較復雜，可稱為結構片斷或亞結構。二者的差別僅是包含的原子或基團的多少。,藥效團說明：受體所選擇的不是配體分子化學結構本身，而是與受體相

7、互作用的配體的理化性質，即分子中官能團的靜電、疏水和大小等性質及官能團三維空間的排列，這為藥物設計提供了很大的想象空間。,2). 藥動團,本身不具有顯著的生物活性，只決定藥物的藥動學性質，影響藥物的吸收、分布、代謝、排泄的基團或亞單位。 藥動學性質在藥物作用中是個重要環(huán)節(jié)。新藥在臨床研究中，約有三分之一因藥動學性質不宜而被淘汰。 模擬自然界存在的物質（氨基酸、磷酸基和糖基） 也稱為載體（改變體內轉運、定位作用）,(1). 天然氨基酸,L-氨基酸和二肽在體內可被主動轉運。,(2). 磷酸基,磷酸基是構成核酸的組分之一。藥物分子中含磷酸或膦酸基團可有助于向細胞內轉運。,(3). 糖基,糖分子是貯存

8、和攜帶信息的載體，在分子識別和細胞間信息交換中起重要作用。糖分子的引入?？商岣哌x擇性，較易透入細胞內。例：雷莫司汀,(4). 膽酸,肝細胞中含有膽酸系統(tǒng)，對膽酸有較強親和力。藥物與膽酸偶聯(lián)后，常具肝細胞靶向特征。,(5). 改變藥動團的方法,a.改變親脂性。例：增加烷基鏈長度，提高整個分子的親脂性。 b.改變電性。例：苯環(huán)對位引入氟原子，減低苯環(huán)在體內被代謝羥基化的速率和程度。 c.改變立體性。例：引入體積較大基團，以保護代謝敏感或易受攻擊的基團。 藥動團與藥效團是互相影響，不能分割、孤立地對待,3). 毒性基團,產生的生物活性為毒性效應的藥效團稱為毒性基團。毒性基團常存在于抗病原體或抗腫瘤藥

9、物中，毒性的選擇性越好，則藥物越安全。 其他類藥物應避免有毒性基團或能在體內經(jīng)代謝轉化生成毒性基團的存在。,毒性基團一般具親電性。主要有： 環(huán)氧化合物和可生成碳正離子的基團。如：芳基、烯基、炔基、環(huán)丙基、含雜原子的類似物。 N-氧化物、N-羥胺、胺類及在體內可以轉化成胺的化合物。 烷基硫酸酯、磺酸酯及-鹵代硫醚類。 -內酯及醌類。 可生成陽碳離子或自由基的某些含鹵素的烷烴、含鹵芳烴、含鹵硝基芳烴。,此外，已知具有誘導細胞分化的藥物，有影響胚胎的正常發(fā)育，造成胎兒畸型的毒性反應。如：治療皮膚病和癌化學預防的維生素甲酸。,4). 藥效構象(pharmacophoric conformation),

10、定義：構象是分子中單鍵的旋轉而形成空間排列方式不同的各種立體形象，藥物分子與受體結合時的構象稱為藥效構象。 藥效構象未必是能量最低的優(yōu)勢構象。 藥物分子的基本結構不同，但會以相同的作用機理引起相同的藥理或毒性效應，這是由于它們具有共同的藥效構象，即構象等效性。,例：鈣離子通道拮抗劑硝苯地平,苯環(huán)鄰位取代基的位阻效應使苯環(huán)處于同二氫吡啶環(huán)呈垂直構象。,維甲酸及其類似物的構象,維甲酸類誘導細胞分化作用，必需滿足以下條件： 分子的一端為疏水性部分，并有一定位阻 分子的另一端為極性基團 疏水性部分和極性基團由共軛多烯連接，整個分布形成共軛體系,4.定量構效關系（QSAR）,定量構效關系：是研究一組化合

11、物的生物活性與其結構特征之間的相互關系，結構特征以理化參數(shù)、分子拓撲參數(shù)、量子化學指數(shù)和（或）結構碎片指數(shù)來表示，用數(shù)理統(tǒng)計的方法進行數(shù)據(jù)回歸分析，并以數(shù)學模型表達和概括出量變規(guī)律。,1). 線性自由能相關方法,即Hansch-藤田分析法。 它的基本依據(jù)是藥物在體內的運轉和與受體的相互作用為藥物分子與生物大分子之間的物理和化學作用。當藥物由給藥部位到達作用部位，需通過若干生物膜，即一定數(shù)量的脂-水界面，因此藥物的運轉過程與藥物的脂水分配系數(shù)有關，藥物到達作用部位表面的濃度高低，必然影響生物活性的強弱。在作用部位，藥物分子以共價鍵、離子鍵、離子-偶極鍵、氫鍵、疏水鍵、電荷轉移復合物、螯合作用、范

12、德華力等，與受體相互作用而產生生物活性。這些作用又與藥物分子的化學結構、電性效應、空間效應等參數(shù)有關。,Log1/C=-k12k2+k3+k4Es+ks,C為化合物產生指定生物效應的物質的濃度 、Es分別為疏水性參數(shù)、電子效應參數(shù)和立體參數(shù) k1、k2、k3和k4是代表各項因素貢獻大小的系數(shù)，即權重，與化合物和測定條件有關。,理化參數(shù)的意義,疏水性參數(shù)取代基疏水常數(shù)，氫原子的值為零，正值代表該取代基比氫親脂性強，負值則親水性強。 電性參數(shù)正值表示為吸電子基，負值表示為推電子基。 立體參數(shù)Es氫的Es值為零，基團越大， Es值越負。,2).FreeWilson模型,它不需要Hansch方法那些理

13、化參數(shù)，只需要將藥物的化學結構進行組合。該模型假定分子的活性是母體化合物與取代基活性貢獻之和，不論其他位置取代基變換與否。 常用于同源系列化合物的設計。但結構參數(shù)缺乏物理意義，難以指導新化合物設計而受到限制。,3). 分子連接性法 利用拓撲學原理描述反映化合物分支程度的分支指數(shù)與化合物某些性質的線性關系。 4).模式識別法(圖像識別） 即通過運用統(tǒng)計方法、數(shù)值計算、決策理論和幾何圖形分析等手段，對樣本的性質、行為或歸屬進行鑒別和分類。 5).人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法 是一種數(shù)學抽象描述，它是一類全新的模擬人腦的信息加工處理系統(tǒng)。,5. 三維定量構效關系（3DQSAR),3DQSAR的研究方法 要研究三

14、維定量構效關系，必須借助計算機進行。 3DQSAR實際上是QSAR與計算機化學和計算機分子圖形學相結合的研究方法，是研究藥物與受體間的相互作用、推測模擬受體圖象、建立藥物結構活性關系表達式，進行藥物設計的有力工具。,3DQSAR的評價,3DQSAR從微觀即從分子和原子的水平上揭示了藥物分子與受體相互作用的空間特征和在空間結合的理化本質。 2DQSAR則從藥效學（包括藥代動力學）的宏觀作用上考察構效關系，可作為預測同源物的生物活性，是優(yōu)化設計的工具。 2DQSAR可以大批量地處理多達一二百個化合物的數(shù)據(jù)組，但3DQSAR目前難以辦到。,三、有關理論計算、技術和設備,1.理論計算基礎 量子化學、分

15、子力學、分子動力學,2.重要技術,1).X-射線晶體學 X-射線晶體學是以X-射線通過晶體產生衍射而測定出晶體結構的實驗方法。 通過分析衍射點的排列方式和測量間距的大小來推算分子在晶體結構中的排列方式和重復周期的大小，并通過測量衍射點的強度，計算出晶胞中每個原子的空間坐標，從而測定整個分子的結構和晶體結構。,晶體結構測定理論的發(fā)展和測定、計算方法的計算機化，使生物學等學科真正地進入分子水平，在計算機輔助三維藥物分子設計中起到關鍵作用。 蛋白質晶體學除了能得到蛋白質結晶外，也能得到蛋白配基復合物的結晶。通過共結晶和結晶浸潤技術，X射線晶體學可以測定配基受體復合物的晶體結構，如酶與酶抑制劑的復合物

16、，這樣可了解到藥物和受體相互作用的三維模型，對藥物設計提供詳細和確實的論據(jù)。,2).核磁共振技術,X射線晶體學測定出的是在晶體狀態(tài)下的優(yōu)勢構象，并不能反映出生物條件下體液中分子的狀態(tài)。 生物核磁共振技術（BioNMR）則可測定溶液中分子結構優(yōu)勢構象及其動力學性質，得到的三維結構信息更能代表生物環(huán)境下的分子，還能研究生物大分子內部動力學的特點。,缺點是被測定分子的相對分子質量一般不超過兩萬。二維核磁共振（2DNMR）方法的發(fā)展，提高了測定結果提供的分子結構信息的質和量。 近年來出現(xiàn)的三維核磁共振技術，不僅進一步提高了信號的分辨能力，而且能解析二維核磁共振所不能解決的結構問題。,NMR給出的結構信

17、息主要有：,確定質子的歸屬以推導出結構式。較高級的2DNMR技術（如二維相關譜COSY/二維NOE譜、NOESY以及COSY-NOESY聯(lián)用等）可以給出所用氨基酸殘基特定質子的歸屬。 從NOE相差和偶合常數(shù)進一步確定核間距離和二面角約束，以獲得立體化學信息。 根據(jù)氫鍵約束給出分子內和分子間氫鍵信息。 利用現(xiàn)代計算機分子圖形技術及相關軟件，用動力學模擬和能量優(yōu)化進行構象分析，得到合理的構象模型。,3).其他結構分子生物學測定技術,膜蛋白在低溫下可形成二維晶體，用低溫電鏡技術測定出二維晶體的結構。此法的優(yōu)點是所需樣品量極少，分辨率較好，在二維方向一般為0.30.4nm，而第三維即深度僅為0.51n

18、m。 掃描隧道顯微鏡能夠實時地觀察單個原子在物質表面實三維表面結構，以及與表面電子行為有關的物理化學性質。,4).計算機分子模型技術,利用計算機圖形學能夠在計算機屏幕上建立分子的三維化學模型，根據(jù)這些形象的分子圖形，可直觀地研究分子特性和分子鍵的相互作用。這種利用計算機圖形技術進行分子模擬的技術稱為計算機分子模型技術。,計算機模型的表示方式有,線型（stick）模型 棒型（tube）模型 球棍（balls and stick）模型 網(wǎng)格填充（spacefill）模型 實體填充模型（又稱CPK模型）,歸納起來計算機分子模型技術主要能提供以下信息：,分子的三維結構 分子的物理和化學特性 一分子與其

19、他不相同的分子之間的結構比較 藥物分子與受體形成的復合物的三維結構 預測相關的新化合物的結構特征 各種分子的構象變化、柔韌性以及動力學性質 測定結構活性關系和設計特異功能的分子。,3. 計算機硬件和軟件,計算機強大的計算功能和分子圖形模擬功能 硬件和工作站 常見的計算機圖形工作站有 Silicon Graphics IRIS(SGI) Sun Graphics Apollo,軟件和專家系統(tǒng),基本軟件：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、參數(shù)運算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)、解析系統(tǒng)、預測系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和操作系統(tǒng) 專家系統(tǒng)：用計算機模擬專家處理專業(yè)問題的思維、推理方法、作出判斷和決策，用計算機代替專家工作的軟件系統(tǒng),四、計算機輔

20、助藥物設計的意義,合理藥物設計的概念 基于對疾病過程的分子病理生理學的理解，根據(jù)靶點的分子結構，并參考效應子的化學結構特征設計出對該疾病的藥物分子，從而引導設計走向合理化。 特點：活性強、作用專一、副作用低 基于結構的藥物設計（對藥物和受體的結構在分子水平上的全面、準確地了解） 基于機理的藥物設計（藥物設計的目標和方向）,2. 計算機輔助藥物設計的特征,多學科交叉的前沿領域。其基礎包括：數(shù)、理、化以及生命科學等基礎學科；理化測試先進技術；計算機科學 大量化學信息的計算機計算處理 大量高技術軟件產品的產生,五、計算機輔助藥物設計的方法學,直接藥物設計 全新藥物設計 模板定位法 原子生長法 分子碎

21、片法 動力學算法 基于靶點結構的三維結構搜尋 間接藥物設計 3DQSAR 假想受點點陣（HASL） 分子形狀分析（MSA） 比較分子場分析（CoMFA） 藥效基團模型的建立 活性類似物法（AAA） 藥效基團模型法 基于藥效基團模型的三維結構搜尋 距離幾何法（DG),1. 三維結構搜尋 利用計算機人工智能的模式識別技術，把三維結構數(shù)據(jù)庫中的小分子數(shù)據(jù)逐一地與搜索標準進行匹配計算，尋找符合特定性質和三維結構形狀的分子，從而發(fā)現(xiàn)合適的藥物分子。 三維結構數(shù)據(jù)庫:劍橋結構數(shù)據(jù)庫、Brookhaven國家實驗室蛋白質數(shù)據(jù)庫 搜尋標準（詢問條件）3點藥效基團,2. 全新藥物設計（直接藥物設計）,全新藥物設計（從頭設計）它根據(jù)受體受點的形狀和性質要求，直接借助計算機自動構造出形狀和性質互補的新的配基分子三維結構。由于它能提出結構全新的具有啟發(fā)性的先導化合物，故謂之全新或從頭設計。 條件：必須知道蛋白質的三維