全新药物设计

全新药物设计正处于发展的阶段，已经有了很多算法， 但每一种算法都并非完善，或多或少存在着各种局限性， 在很大程度上人的经验因素在药物设计中占有很大的比 重，目前面临的主要问题有： （1）片段和蛋白的柔性 （2）和分子对接的程序一样，全新药物设计 的方法也缺乏一种完善、有效的评价方法来评 估配体，现有的打分方法都存在着各自的缺陷 和局限性
（二） 产生合适的配体分子 根据活性位点的特征，产生相应的相匹配的配体小分子 片段，用连接基团将小分子片段连接成完整的分子。
（三）配体分子活性的评估 对连接完整的配体分子，通过一定的方法来评价它们 与靶标分子的结合活性，并且进行排序，从中选择部 分评价最佳的配体分子进行一步的结构优化或合成。 （四）配体分子的合成和活性测试 选择评价最佳的配体分子进行合成，并且测定其活 性，经过几轮循环，发现新的先导化合物。
（二）碎片连接法
碎片连接法（见图）就是将与受体活性位点有较好作用的基团用连接基 团连接起来，这一基本思想就是组成整个分子的各部分，它们本身能与受 体有很好的结合，对整个分子与受体的结合都有贡献。这种方法可以很快 地把位于活性口袋中的候选片段进行连接得到完整的配体分子，碎片与受 体活性部位的结合方式可以用多种方法得到，碎片间的连接方式也有多种， 同时也可以设计柔性骨架，考虑碎片和骨架的柔性。但设计的分子可能比 较复杂，难以合成。代表软件有HOOK，CAVEAT，SPLICE等。
全新药物设计的方法很多，但这些方法的基本思路是相 似的，就是通过分析蛋白质活性口袋的特征来得到和口 袋特征相匹配的配体分子或片段，主要分为活性位点分 析法、分子连接法两种方法。
1 活性位点分析法（active site ananlysis, ASA） ASA方法主要预测与生物大分子有较好结合的原子或基团， 用来分析的探针分子可能是一些简单的分子或碎片，例如 水或苯环，结果可找到这些分子或碎片在活性部位中的可 能结合位置。因为这一方法无法产生完整的分子，但在全 新药物设计方法中十分重要，并且是一个成功的全新药物 设计nnection method）
分子连接有四种不同的方法，分别为位点（site point）连接法， 碎片（fragment）连接法、逐步生产法（sequential build-up）和 随机（random）连接法。
（一）位点连接法
位点连接法是程序LUDI、Verlinde等采用的方法，位点就是 结合口袋中与受体化学特征相匹配的配体的结构模式，其定义 了活性口袋中配体分子可能的化学特征，在这一点能放置一个 或几个与受体原子有良好作用的配体原子。位点连接法就是根 据位点的特征和位置在活性口袋放入合适的小分子碎片，在片 段上进行合适的生长和连接以得到完整的配体分子。代表软件 有GLIX，LUDI等。
如Agouron公司成功地运用GRID软件设计出胸苷酸合成酶抑制剂。 Pissabarro等运用GRID和LUDI相结合的方法，成功设计出了活性较 高的PLA2酶的抑制剂。
2）MCSS（multiple copy simultaneous search，MCSS）， MCSS是karplus等人发展的一套方法，目前已经作为 InsightII中的一个模块实现了商业化， 这一方法基本要点在运用CHARMM力场进行分子动力学模 拟时，忽略溶剂分子间的非键相互作用，这样在分子动力学 模拟时，溶剂分子在能量合适的区域就叠合在一起，从而提 高了搜寻溶剂分子与受体分子结合区域的效率。小分子碎片 如水和苯分子可当作溶剂分子，运用分子动力学的方法搜寻 分子碎片与受体的结合区域，对低能碎片结合区域通过能量 优化和比较结合能，从而确定碎片的最佳作用位点。
3）HINT，是Kellogg等人发展的计算分子酯水分配系数 以及评价分子间相互作用的方法。HINT软件能较好地搜 寻出受体与配体疏水性基团结合的疏水区域，结果与晶体 结构测定结果一致。
优点：
ASA方法能获得不同碎片与受体结合的最佳位置，并且通 过能量评价可以发现不同碎片与受体结合的取向，为以后 的分子连接性方法打下了基础，再者运用不同的碎片作为 探针，大大扩大了分子设计的范围，可以提供多个候选分 子参考合成。 缺点 就是ASA方法不能设计出完整的分子，必须靠经验将不同 的碎片连接成分子，或与其他全新药物设计方法合用设计 出完整的分子。
（3）设计过程中只考虑受体和配体的作用，无法考 虑药物复杂的作用机制
（4）可能设计的基团在化学和生物上不稳定，再者 难于合成
§8.2 全新药物设计的一些重要方法 全新药物设计方法出现的时间虽然不长,但发展极为 迅速, 最早的全新设计方法为GRID ，然后各种方法 应运而生，现已开发出一批实用性较强的软件,其主 要软件有LUDI 、Leapfrog 、SPROUT、 Builder 等, 其中LUDI最为常用
采用ASA方法有关的软件有： 1）Grid，是Goodford等发展的评价小的有机分子片段 和受体相互作用的方法。 其基本的原理将受体生物大分子的活性部位划分 为有规则的网格点，将探针分子放置在这些网格点上， 用分子力场的方法计算网格点上各种探针分子与受体 活性位点原子的相互作用能，从而搜寻出各种探针分 子的最佳作用区域
（三）逐步生长法
逐步生长法以一个片段为起点，逐步生长得到一个完整的配体分子的方法。 如果以不同的孤立片段做为起点，可以得到不同的配体分子，这种方法在生长的 过程中，新加入的片段一般会进行构象分析来确定最佳构象，这样很大程度上可 以避免漏筛，但这种的局限性在于怎样让分子的生长跨越活性口袋中那些对配体 贡献不大的结合区域，再者怎么避免组合膨胀问题，因为在一个片段的基础上， 片段生长有很多种方式，以次类推，生长多次后，生产的分子数是很大的，同时， 生产的分子，很大一部分无法合成。代表软件有Leapfrog，LEGEND， SPROUT等。
如图 显示了怎样将一些典型分子碎片放置在受体活性部位中的合适位置上。
疏水区
O
=O H
氢键给体区
评价选择的碎片和靶标蛋白活性位点结合好坏的方法有 好几种： 基于能量计算的方法，用分子力场的方法，计算碎 片与受体大分子的作用能，这种方法计算量大，计算依 赖如力场参数，并且在能量计算中，溶剂的作用十分重 要 现在发展了一些经验计算方法来克服这些缺点，这些 经验参数是建立在大量实验数据的基础上，虽然其物 理意义不是十分明确，但实用，并且计算速度比能量 计算方法快
全新药物设计
§8.1 全新药物设计的基本原理和主要问题
全新药物设计（de novo drug design）就是根据 靶标分子结合位点的几何特征和化学性质，设计 出与其相匹配的具有全新结构的化学结构。
全新药物设计的一般过程
确定活性部位结构特征
产生匹配的配体分子
预测设计化合物的活性
候选化学物的合成 和活性测试
具体步骤：
（一） 确定活性位点
根据靶标的三维结构以及受体－配体的作用特征，合理定义受体 活性结合位点的结构和化学特征，如疏水场分布、氢键作用位点、 静电场分布、立体结构等特征，这些特征除了从受体的结构或生化 实验中得到外，也可以用一些计算的方法得到如COMFA模型、药效 基团模型、分子对接模型等等
（四）随机连接法 基本原理和前三种连接法相类似。 常见软件有CONCEPTS，CONCERTS， RECEPTORS等
§8.3 全新药物设计的重要应用
Teruki Honma等人报道了利用LEGEND程序进行CDK4抑制剂的设计工 作。作者在CDK2三维晶体结构的基础上，用同源模建的方法得到CDK4 的三维模建结构，再基于CDK4的模建结构，设计了一类新的抑制剂， 如图所示。首先根据CDK2与抑制剂的结合特征，结合序列联配，可以 确定CDK4的结合口袋和配体的结构特征。然后运用LEGEND全新药物 设计，采用氢键数大于等于2、环的数目大于等于1，氢键的成键顺序从 Val96 C＝O → Val 96 N－H → Glu94 C＝O → Lys35 N－H的标准产生 1000个全新的结构，在这些结构中，大部分是无法通过商业途径买到或 难以合成。
氢键给体
氢键受体
疏水区
A.抑制剂L828276与CDK2复合物 B. 抑制剂staurosporin与CDK2复 合物 C.抑制剂roscovitine与CDK2的复合物 D. 预测的CDK4抑制剂结构特征