第一節(jié)　概述

半個世紀以前，人類已獲得相當多的臨床治療藥物，但這些藥物的發(fā)現(xiàn)多基于經驗和嘗試，主要依靠對大量化合物的篩選和偶然發(fā)現(xiàn)。顯然，這樣的方式帶有盲目性和不可預見性的缺陷，也耗費大量的人力和物力，而且研究效率、成功概率越來越低。

構建藥物化學結構是創(chuàng)制新藥的基本思路。先導化合物（lead compound）是指經各種途徑或方法得到的具有某種特定生物活性且結構新穎的化合物。一般而言，先導物常因其活性不強、選擇性低、吸收差、毒性較大等缺點，不能夠直接藥用。但作為一個新的結構類型和線索，通過改變或修飾結構進一步優(yōu)化，就可能獲得符合要求的候選藥物（drug candidate）。這已被上市新藥與其先導物的較高結構相似性所佐證。

隨著生命科學的迅速發(fā)展，定量構效關系、合理藥物設計、計算機輔助藥物設計、組合化學、高通量篩選等技術方法被廣泛應用到新藥發(fā)現(xiàn)研究之中，由此誕生了藥物分子設計學。藥物分子設計（molecular drug design）通過科學的構思和策略，構建具有預期藥理活性的新化學實體（new chemical entities，NCE），目標是在相關理論和技術方法指導下，發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化先導化合物。

現(xiàn)代新藥研究已成為系統(tǒng)性的創(chuàng)制工程，涉及生命科學、藥物化學、藥理毒理學、生物信息學、計算機科學等諸多領域。這些學科之間的有機結合，能夠提高新藥發(fā)現(xiàn)的速度和質量，使創(chuàng)制的新藥更具安全性、有效性和質量可控性。

一、配基與靶點

配基（ligand）是指能夠與受體（receptor）產生特異性結合的生物活性物質，包括激素、神經遞質、細胞因子和信息分子等內源性以及藥物等外源性生物活性物質。配基與生物大分子在特定位置結合后，可導致整個受體分子構象改變并產生生理活性。受點（binding site）即配基與受體結合的關鍵部位。

靶點是指能夠與藥物結合并產生特定藥理效應的生物大分子，存在于機體靶器官細胞膜上或細胞漿內，包括各種內源性物質與細胞上識別部位結合的受點。

創(chuàng)制新藥，首先應確定防治疾病的目標，再選定藥物作用的靶點。人體的病理過程由多個環(huán)節(jié)構成，當某個環(huán)節(jié)或靶點被抑制或切斷，則可達到治療的目的。靶點類型主要有受體、酶、離子通道和核酸等。已發(fā)現(xiàn)可作為治療藥物靶點總數（未計入抗菌、抗病毒、抗寄生蟲藥的作用靶點）約500個。其中，受體靶點約占52%；酶靶點約占22%；離子通道靶點約占6%；核酸靶點約占3%；其他尚未明確的靶點約占17%（圖2-1）。

1.配基（藥物）

大部分配基信號分子有親水性，如細胞因子、蛋白質多肽類激素、水溶性激素、前列腺素、親水性神經遞質等，不能通過靶細胞膜進入細胞內，故這類配基信號分子的受體定位于靶細胞膜上。另一類配基信號分子包括脂溶性的固醇類激素、甲狀腺激素和維甲酸以及氣體一氧化氮等，可以直接穿過靶細胞膜與細胞質或細胞核受體相互作用，通過調控特定基因的轉錄，利用基因表達產物的表達上調或下調，啟動一系列的生化反應，最終導致靶細胞產生生物效應，這類配基信號分子的受體則定位于靶細胞內。

藥物與受體結合后形成復合物，使受體激動產生信號傳遞至效應器以產生生物學效應的物質稱為受體激動劑（agonist），并且激動劑的活性強度正比于受體被結合的量。如圖2-2所示，乙酰膽堿與心肌細胞的膜受體結合，使得G蛋白的α亞基與β、γ亞基分開；激活的β-γ亞基復合物同K+離子通道結合并將K+離子通道打開。如果與受體結合后，阻礙受體產生生理作用則稱為受體拮抗劑（antagonist）；阿托品是M型受體阻斷劑，它僅能和M型受體結合，阻斷乙酰膽堿的M樣作用而導致心肌舒張。表2-1列出了部分受體激動劑、受體拮抗劑。

2.藥物作用的靶點

（1）受體靶點　指生物體細胞膜上或細胞內能選擇性地與相應遞質、激素、自體活性物質相結合，而且可以產生具有特定效應的生物大分子物質，主要是糖蛋白、脂蛋白、核酸或酶的一部分。如圖2-3所示，受體一部分在細胞膜上，一部分在細胞內。而根據其在細胞中的位置，受體可分為細胞膜受體和細胞內受體。受體本身至少含有兩個活性部位：一個是識別并結合配體的活性部位；另一個是負責產生應答反應的功能活性部位，這一部位只有在與配基結合形成二元復合物并變構后才能產生應答反應，由此啟動一系列的生化反應，最終導致靶細胞產生生物效應。受體的功能包括兩個方面：一是識別特異的配基信號分子并與之結合，通過受體與信號配基分子的識別，使得細胞能夠在充滿無數生物分子的環(huán)境中，辨認和接收某一特定信號。二是識別和接收信號，準確放大并傳遞至細胞，而開始一系列細胞內的信號級聯(lián)，產生特定的細胞生物效應。

受體具有特異性、結構專一性、立體選擇性、飽和性、可逆性及阻斷性等特征（圖2-4）。①特異性：一種特定受體只能與其特定的配基相結合，產生特定的生理效應而不被其他生理信號干擾；②結構專一性：受體對其配基具有高度識別能力，只有結構與其相匹配的配基才能結合；③立體選擇性：受體與配基結合具有嚴格的構象要求，同一化合物不同光學異構體與受體親和力差異大；④飽和性：每一細胞或每一定量組織內，受體的數量是有限的，它能結合的配基的量也有限的，當配基達到一定量后，再增加用量效應卻不再增加，即出現(xiàn)飽和性；⑤可逆性：受體與配基結合后可以解離恢復常態(tài)；⑥阻斷性：某些外源性藥物、代謝產物、抗體等可以同受體結合，占據內源性活性物質與受體結合的部位，阻斷其生物效應。理想的藥物必須具有高度的選擇性和特異性，選擇性要求藥物對某種病理狀態(tài)產生穩(wěn)定的功效，而特異性是指藥物對疾病的某一生理、生化過程有特定的作用，即要求藥物僅與疾病治療相關聯(lián)的受體或受體亞型產生結合。

現(xiàn)已證明有幾百種藥物作用于受體，其中大部分是G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCR）的激動劑或拮抗劑。孤兒受體（orphan receptor）是近些年來提出的一種新概念受體類型，是指其編碼基因與某一類受體家族的編碼有同源性，目前在體內還沒有發(fā)現(xiàn)其相應的配基。但是，孤兒受體的發(fā)現(xiàn)及其受體模型的建立，可以為新藥的發(fā)現(xiàn)提供更多的有效手段。此外，新受體及受體亞型不斷被發(fā)現(xiàn)（表2-2），其生化、生理、藥理等性質相繼被闡明，為新藥設計與發(fā)現(xiàn)提供了理論基礎和更準確的靶點，也為降低藥物毒副作用提供了有效的依據。

（2）酶靶點　酶（enzyme）是一種維持“生命正常運轉”的重要催化劑，其本質是一類具有特殊三維結構且擔負著專一催化作用的蛋白質，能使許多生物化學反應在溫和的條件下以很高的速率和效率進行。由于酶催化生成或滅活一些生理反應的介質和調控劑，從而構成了一類重要的藥物作用靶點。

酶促反應（enzyme reaction）即酶催化的生物化學反應；在酶的催化下發(fā)生化學變化的物質稱為底物（substrate），酶催化過程如圖2-5所示。作為催化劑，酶具有一般催化劑的共性，如可以改變反應速度但不能改變化學反應的平衡，與底物形成穩(wěn)定的過渡態(tài)，降低反應的活化能。此外，酶作為一類特殊的蛋白質又具有其特殊性，酶的催化效率高、反應條件溫和且具有高度的專一性（反應專一性、底物專一性和結構專一性）等。其中，反應專一性是指酶能夠選擇性地催化一種或一類化學反應，而對其他反應沒有影響；底物專一性是指只能作用于某種或某類結構相似的底物；結構專一性專指酶對底物的結構選擇性，只作用于一個特定的底物進行一種特殊反應稱為酶的絕對專一性，如果作用于一類化合物或一類化學鍵上則稱為酶的相對專一性。

酶的種類很多，包括轉移酶、裂合酶、合成酶、異構酶、水解酶、氧化還原酶等。酶與底物作用時，先與底物生成一個中間產物，然后中間產物再轉變?yōu)楫a物并析出酶。在催化反應過程中，直接參加與底物結合并起催化作用的不是整個酶分子，而只是分子中的一小部分，因此就把酶分子中直接與底物結合并與酶催化直接有關的部分稱為酶的活性中心（active center）。酶的活性中心是由某些氨基酸殘基的側鏈基團或其他一些基團所構成，數目有限，空間位置相互接近。活性中心可分為結合部位和活性部位，酶分子中直接與底物結合的部位稱為結合部位，而直接參與催化作用，促使底物發(fā)生化學變化的部位稱作活性部位或催化部位。前者是酶的專一性作用，而后者是酶的催化性質。酶分子活性中心部位一般都含有多個具有催化活性的不對稱中心，這些不對稱中心對底物分子的構型取向起著誘導和定向作用，可以使反應按單一方向進行。酶的作用機制如圖2-6所示。

藥物作用于酶以后能夠提高酶活力，導致催化反應能正常進行的物質稱作酶激動劑（enzyme activator），按照親和力和內在活性學說，親和力和內在活力都大的藥物為激動劑，主要是無機離子或小分子有機物。值得注意的是，激動劑并不是絕對的，一種激動劑對某種酶來說有激活作用，但對另一種酶來說有可能相反。即使是同一種物質，在低濃度時可能為某種酶的激動劑，在高濃度時可能會成為酶抑制劑（enzyme agonist）。酶抑制劑是指可以減弱、抑制甚至破壞酶作用的物質，或使酶分子本身受到破壞，但不引起酶蛋白變性的化學物質，其作用過程如圖2-7所示。酶抑制劑通過抑制某些代謝過程，降低酶促反應產物的濃度而發(fā)揮其藥理作用。抑制劑的作用基礎是通過抑制劑與酶活性中心的催化基團或結合基團、調控基團等結合，或與相應的輔酶、激活劑等的結合以達到限制酶催化底物的反應能力，使底物濃度增加或代謝物濃度降低。

酶活性受到抑制后，底物在體內累加，從而增加底物的生理效應，如膽堿酯酶抑制劑溴吡斯的明可使乙酰膽堿（acetylcholine）水平提高，用于治療重癥肌無力或青光眼。如果產物引起不良后果時，使用抑制劑也可減輕或消除病理狀態(tài)。按抑制作用不同可將抑制劑分為可逆抑制劑（reversible inhibitor）（圖2-8、圖2-9）和不可逆抑制劑（irreversible inhibitor）（圖2-10）。可逆抑制劑與酶分子之間通過非共價鍵或弱的鍵合作用而可逆結合，抑制作用的強弱取決于抑制劑的濃度，可通過稀釋、透析或凝膠過濾方法將抑制劑去除，解除對酶的抑制，恢復酶活性。可逆抑制劑根據抑制劑與酶、底物之間的作用方式和相互關系的不同又可分為競爭性抑制劑（competitive inhibitor，圖2-8）和非競爭性抑制劑（noncompetitive inhibitor，圖2-9），競爭性抑制劑與底物結構相似（圖2-11），競爭性地結合酶的結合部位，抑制劑與底物在同一位置結合，生成酶抑制劑復合物，引起酶分子構象改變，使底物不能再與酶結合形成中間復合物而進一步轉化為產物。非競爭性抑制劑與底物分別結合酶的不同位點，引起酶分子構象改變并導致酶活性下降，抑制劑與酶結合后會影響底物與酶的結合或使不能進一步的生成產物。

（3）離子通道靶點　細胞膜上的一類特殊親水性蛋白質微孔通道（圖2-12），是神經元、肌肉細胞電活動的物質基礎，其作用類似于活化酶，能夠參與調節(jié)人體多種生物功能。神經和肌肉活動的基礎起源于細胞膜兩側離子的濃度差異導致可興奮膜產生特殊的電位變化，從而引發(fā)信號傳導。細胞膜離子通道（ion channel）的分布及活性對細胞、組織的興奮性及功能十分重要。人體組織中存在多種離子通道，如鈉通道、鉀通道、氯通道、鈣通道等，每種通道又存在多種亞型，鉀通道甚至多達數十種通道亞型，這些離子通道既是生理調節(jié)的重要因素，又是藥物作用的靶點。

組成離子通道蛋白的親脂性殘基側鏈在離子通道的外部，與膜的親脂性部分結合，通道內的親水性殘基側鏈可與穿過的相關金屬離子相互作用。為滿足快速傳遞的需求，整個通道大部分是寬敞的，多數通道具有漏斗式的門廳，然后逐漸狹窄，一直到離子通道的門，進門之后通道又逐漸變寬。離子和通道的相互協(xié)調是離子快速通過通道的關鍵，通道通過對離子的識別改變構象，控制孔道門的開關。

離子通道分為電壓門控型、配體門控型和機械門控型三大類。其中，電壓門控型是因膜電位的變化而開啟和關閉，通常以最容易通過的離子來分類命名，如K+、Na+、Ca2+、Cl-通道4種主要類型，每種類型又包含若干亞型。配體門控型是由遞質和通道蛋白質受體分子上結合位點的結合而開啟，通常以遞質受體來分類命名，如乙酰膽堿、谷氨酸、天冬氨酸等受體通道。機械門控型是感受細胞膜表面應力的變化，而實現(xiàn)胞外機械信號向胞內轉導的通道，通常根據通透性來分為離子和非離子選擇性通道，而根據功能作用又可分為張力激活型和張力失活型離子通道。

離子通道是離子透過膜的脂質雙層的唯一有效催化劑，可以使離子滲透速率提高105倍，并且具有高選擇性和催化活性。由于不同的離子通道孔徑不同，只允許特定離子貼緊通道壁進行轉運，所以只有半徑大小和所帶電荷合適的離子才能通過，因為水合離子所帶的水分子影響轉運速率，在轉運過程中，被轉運的離子必須除去所帶的水分子才能穿透膜通道的狹窄部位。離子通道不是連續(xù)開放的，只可能短暫開放，隨即便關閉，且轉運速率極快。離子通道只能被動地跨膜擴散（順濃度梯度或順電化學梯度），允許特異的無機離子，主要是Ca2+、Na+、Cl- 或K+等快速地順化學梯度跨膜擴散。

通過離子通道的轉運可以提高細胞內Ca2+、Na+ 濃度從而觸發(fā)相關的生理效應，如在神經、肌肉等興奮性細胞中決定細胞的興奮性、去極性和傳導性；調節(jié)血管平滑肌舒縮活動；參與突觸的傳遞；維持細胞的正常體積。離子通道可作為惡性腫瘤、糖尿病、心律失常、哮喘等疾病的治療靶點。

①鉀離子通道的組織細胞中分布很廣，大多數類型的離子通道，在細胞增殖、分化和腫瘤細胞的侵襲轉移中發(fā)揮著關鍵作用。顱內神經膠質瘤是最常見的惡性腫瘤，目前主要的治療方法是手術加術后放療和化療，術后5年生存率低，尋找相關的發(fā)病機理和化療靶點具有重要意義。多項研究表明，鉀離子通道在神經膠質瘤呈現(xiàn)出特異性高，并與神經膠質瘤的增殖和分化有密切關系，一些鉀離子通道可以作為神經膠質瘤的診斷和預防因子，有望成為未來神經膠質瘤化療的新靶點，研究鉀離子通道與神經膠質瘤診斷的關系，對預防和治療神經膠質瘤有重要作用。

②血管并發(fā)癥是糖尿病高死亡率的主要原因之一，盡管當前在臨床上能有效控制患者血糖水平，但是糖尿病患者最終死亡于并發(fā)癥。研究表明血管平滑肌上鈣、鉀離子通道與糖尿病血管并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展關系密切，因而探明其病理生理變化有重大意義，可為2型糖尿病血管并發(fā)癥的治療提供新的靶點。

③心律失常是心臟猝死的主要因素，心肌離子通道病變是導致心律失常發(fā)生的主要機制。對Na+、K+、Ca2+通道，肌漿網鈣調控系統(tǒng)，鈉鈣交換體過磷酸化等心肌離子通道病的主要分子生物學基礎進行闡述，為尋找新型抗心律失常藥物提供新的靶點。

④近些年來，支氣管哮喘的全球發(fā)病率呈上升趨勢，哮喘發(fā)病機制及治療靶點的相關研究也越來越深入和廣泛。目前發(fā)現(xiàn)與哮喘相關的離子通道包括鈣離子通道、鉀離子通道、上皮鈉離子通道、酸敏感離子通道及瞬時感受器電位通道等，這些離子通道有望成為哮喘的治療靶點。

離子通道藥物一直是全球藥物研發(fā)的熱點，離子通道也是繼受體后的第二大類藥物靶點。除上述研究之外，還有許多研究表明細胞膜離子通道的功能異常與心腦血管疾病、老年性癡呆、精神分裂癥、重度抑郁癥、糖尿病和癌癥等的發(fā)生發(fā)展密切相關。因此調節(jié)離子通道的功能，糾正由基因（遺傳）或疾病引起的病理改變，是藥物治療的一個重要手段。同時基于離子通道篩選的高通量藥物篩選模型能夠加快離子通道藥物的研究和發(fā)展。

（4）核酸靶點　核酸是基因的基本化學物質，按照其作用不同，核酸可分為脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）兩大類，結構如圖2-13所示。DNA鏈是由兩條脫氧核苷酸鏈通過堿基互補（A-T，G-C相互補充結合）反向平行、旋轉而形成的雙螺旋結構，每個脫氧核苷酸都是由一個相應的堿基、一個脫氧核糖及一個磷酸分子組成。除了堿基種類有腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）四種外，糖基和磷酸基是相同的，堿基的不同決定了脫氧核苷酸種類和性質的差別。RNA鏈由堿基不同的核苷酸結合形成，一般以單鏈形式存在，主要是負責DNA遺傳信息的翻譯和表達。每個核苷酸也是由一個堿基、一個核糖及一個磷酸分子組成，但堿基中的T用尿嘧啶（U）取代，可通過A-U、G-C互補自身形成局部雙鏈和雙螺旋。

根據RNA的功能，可以分為信使RNA（mRNA）、轉運RNA（tRNA）和核糖體RNA（rRNA），三種RNA異同如表2-3所示。mRNA主要功能是將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質合成基地——核糖體，約占全部RNA的5%。tRNA主要功能是將相應的氨基酸轉運到核糖核蛋白體，約占全部RNA的10%～15%。rRNA則是核糖核蛋白體的主要組成部分，約占全部RNA的80%。

多聚核苷酸是由四種不同的核苷酸單元按特定的順序組合而成的線性結構聚合物，因此，它具有一定的核苷酸順序，即堿基順序。堿基順序是能夠存儲遺傳信息的分子形式，DNA分子中四種核苷酸分子不同形式的排列組合決定了生物界物種的多樣性。而mRNA的堿基順序是蛋白質的氨基酸編碼，決定了蛋白質的氨基酸順序。DNA分子的雙螺旋結構是分子中兩條DNA單鏈之間基團相互識別和作用的結果，是DNA二級結構的最基本形式。而在RNA分子中，并不遵守堿基種類和數量比例關系，因為RNA是單鏈分子，其分子中的嘌呤堿基總數不一定等于嘧啶堿基的總數。RNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結構，不能形成雙螺旋的部分則可形成突環(huán)，類似“發(fā)夾型”結構。

藥物設計可以以蛋白質為靶點，同樣可以以核酸為靶點。對腫瘤、病毒等基因表達環(huán)節(jié)（復制、轉錄、翻譯等）進行阻斷，或通過抑制腫瘤、病毒等有害蛋白的合成，即是調整或關閉導致疾病產生的酶和受體的合成來達到藥物設計、治療疾病的目的。目前，以核酸為靶點的藥物設計主要集中在反義核酸技術（antisense nucleic acid technology）和核酶（ribozyme）的設計及小分子與核酸的相互作用兩個方面。反義核酸技術是指用人工合成的或天然存在的寡核苷酸，以堿基互補的方式抑制或封閉靶基因的表達，從而抑制細胞的繁殖。核酶是具有核酸結構但可以發(fā)揮酶的功效，既能存儲和轉運遺傳信息，又能發(fā)揮生物催化功能的RNA分子，是一種金屬依賴酶。

小分子藥物與核酸等生物大分子相互作用包括識別過程和鍵合過程。這種識別作用不僅包括對于生物靶分子的整體識別，也包括對于生物靶分子某一特定部位特定結構的識別，為此識別雙方應該盡可能滿足空間互補、電性互補和能量互補等必需條件。其中空間互補包括靜態(tài)的、動態(tài)的和誘導契合過程，即構象的重組性；電性特征的互補是包括氫鍵的形成、靜電作用、π鍵的堆積、疏水作用以及鍵合位點上電荷分布的最佳匹配等。實際上多數小分子藥物與DNA的作用是通過非共價鍵結合，二者作用的特異性和作用強度的大小就取決于它們之間的非鍵作用，包括外部靜電作用、溝區(qū)（大溝區(qū)、小溝區(qū)）結合、嵌插結合等。如抗病毒藥物紡錘霉素屬于DNA小溝結合配基，研究表明通過形成氫鍵、范德華力等作用實現(xiàn)溝區(qū)結合。而柔紅霉素對β-DNA具有強的構象識別特異性，嵌插入DNA小溝中。

3.藥物-受體相互作用

藥物分子與受體相互作用除靜電作用以外還包括共價鍵和非共價鍵，非共價鍵包括離子鍵、氫鍵、范德華力等，如圖2-14所示。

共價鍵是藥物和受體之間可以產生最強相互作用的組合鍵，形成較難，但是一旦形成便不容易斷裂。幾種類型的相互作用強度如表2-4所示。如一些有機磷農藥、膽堿酯酶抑制劑和烷化劑類抗腫瘤的藥物是通過它與受體間存在共價鍵作用而發(fā)揮作用。具有高張力的四元環(huán)內酯或內酰胺類藥物如β-內酰胺類抗生素也是同樣的情況。

青霉素的抗菌作用就是由于它能和細菌細胞壁生物合成中的轉肽酶生成共價鍵，從而使轉肽酶失活（圖2-15）。

在生理pH值時，藥物分子中的一些官能團，如羧基、磺酰氨基以及脂肪族氨基都呈現(xiàn)出解離狀態(tài)，而季銨鹽在任何pH時都呈電離狀態(tài)。大多數帶電荷的藥物為陽離子，少數為陰離子。另一方面主要由蛋白質構成的受體，其分子表面也有許多可以電離的基團，如精氨酸和賴氨酸的堿性基團，在生理pH時全部質子化，生成帶正電荷的陽離子。組氨酸的咪唑環(huán)，色氨酸的吲哚環(huán)也可以質子化，但程度較低。天冬氨酸和谷氨酸的酸性基團在生理pH時，通常完全電離，生成陰離子基團（圖2-16）。藥物的離子與受體帶相反電荷的離子可形成離子鍵結合，藥物-受體之間形成的這種離子鍵的結合，是非共價鍵中最強的一種，是藥物受體復合物形成過程中的第一個結合點。

受體大多是蛋白質，從蛋白質分子的空間結構來看，電子云密度分布是不均勻的，若干局部區(qū)域的電子云密度較高，即帶有負電荷或部分負電荷，反之則帶正電荷或部分正電荷。如果藥物分子與受體的電荷分布匹配，那么藥物的正電荷與受體的負電荷以及藥物的負電荷與受體的正電荷產生靜電引力，使得藥物分子與受體相互接近。當接近到一定程度時，藥物分子其他部分與受體通過分子間普遍存在范德華作用，從而形成藥物與受體的復合物。如局部麻醉藥分子與受體的結合模型（圖2-17）。

受體的空間結構對于藥物與受體相互作用有重要的影響。另外，藥物分子中官能團距離、手性中心及取代基團的空間分布等都對藥物與受體間的相互作用產生嚴重影響。藥物分子中光學異構體同樣對藥物與受體結合影響較大。一般認為，這類藥物需要通過三點與受體結合，如圖2-18中D-（-）腎上腺素通過下列三個基團與受體在三點結合：①氨基；②苯環(huán)及其二個酚羥基；③側鏈上的醇羥基。而L-異構體只能有兩點結合。

一些藥物，左旋體和右旋體的生物活性類型都不一樣，如扎考必利（Zacopride）是通過拮抗5-HT₃受體而起作用，為一類新型的抗精神病藥。研究表明，（R）-扎考必利是5-HT₃受體的拮抗劑，而（S）-扎考必利則是5-HT₃受體的激動劑。

扎考必利

二、定量構效關系

藥物因不同的結構，而產生不同的藥效。影響藥物產生藥效的主要因素有兩個方面：藥物到達作用部位的濃度以及藥物與受體的作用。

藥物到達作用部位后，與受體形成復合物，產生生理和生化的變化，達到調節(jié)機體功能或治療疾病的目的。藥物與受體的作用一方面依賴于藥物特定的化學結構，以及該結構與受體的空間互補性，酸性非甾類抗炎藥的結構特征及其與受體的互補性如圖2-19所示，另一方面還取決于藥物和受體的結合方式。藥物和受體的結合方式有化學方式和物理方式。

根據藥物作用影響因素將藥物分成兩種類型。①結構非特異性藥物，是指藥物的藥效作用主要受藥物的理化性質影響，受結構影響較小；②結構特異性藥物，是指藥物的作用主要依賴于藥物分子的化學結構，化學結構的變化會直接影響其藥效。大多數藥物屬于結構特異性藥物。結構特異性藥物中，能被受體所識別和結合的三維結構要素的組合又稱為藥效團。受體與藥物的結合實際上是與藥物結構中藥效團的結合，這與藥物結構上官能團的靜電性、疏水性及基團的大小有關。

（1）電子云密度和立體結構與藥效的關系　受體和酶都是以蛋白質為主要成分的生物大分子，蛋白質分子從組成上來講是由各種氨基酸經肽鍵結合而成，在整個蛋白質的鏈上存在各種極性基團造成電子云密度的分布不均勻，有些區(qū)域的電子云密度較高，形成負電荷或部分負電荷；一些區(qū)域的電子云密度較低，通常帶有正電荷或部分正電荷。如果藥物分子的電子云密度分布與受體特定位點相適應，由于電荷產生的靜電力，有利于藥物與受體結合，形成相對穩(wěn)定的藥物-受體復合物。

在藥物和受體相互作用時，兩者之間原子或基團的空間互補程度對藥效產生重要的影響，來自藥物立體結構對藥效的影響主要有：藥物結構中官能團間的距離，藥物結構中取代基的空間排列，以及藥物的手性中心。但是值得注意的是這些藥物的對映異構體之間在生物活性上有時存在很大的差別，有時還會帶來代謝途徑的不同和代謝產物毒副作用的不同。

幾何異構是由雙鍵或環(huán)的剛性或半剛性系統(tǒng)導致分子內旋轉受到限制而產生的。由于幾何異構體的產生，導致藥物結構中的某些官能團在空間排列上的差異，不僅影響藥物的理化性質，而且也改變藥物的生理活性。例如己烯雌酚，其反式異構體中兩個酚羥基排列的空間距離和雌二醇的二個羥基的距離近似，表現(xiàn)出與雌二醇相同的生理活性，而順式異構體中兩個羥基的排列距離比較短，而不具有雌激素活性。

構象是由分子中單鍵的旋轉而造成的分子內各原子不同的空間排列狀態(tài)，這種構象異構體的產生并沒有破壞化學鍵，而產生分子形狀的變化，如組胺的構象不同，結合的受體種類不同（圖2-20）。藥物分子構象的變化與生物活性間有著極其重要的關系，這是由于藥物與受體間相互作用時，要求其結構和構象產生互補性，這種互補的藥物構象稱為藥效構象。藥效構象不一定是藥物的最低能量構象。

（2）鍵合特性與藥效的關系　藥物和生物大分子作用時的鍵合形式對藥效的影響藥物與生物大分子作用時，一般是通過鍵合的形式進行結合，這種鍵合形式有共價鍵和非共價鍵二大類。

共價鍵鍵合類型與發(fā)生的有機合成反應相類似，是一種不可逆的結合形式。共價鍵鍵合類型多發(fā)生在化學治療藥物的作用機制上。例如烷化劑類抗腫瘤藥物，對DNA中鳥嘌呤堿基產生共價結合鍵，產生細胞毒活性。

非共價鍵鍵合類型是一種可逆的結合形式，主要通過以下形式進行鍵合，如：氫鍵、靜電引力、偶極相互作用力、電荷轉移復合物、范德華力、疏水鍵等。

氫鍵是有機反應中應用最廣泛的一種非共價鍵鍵合作用形式，同時也是藥物與生物大分子相互作用的最基本化學鍵合形式。氫鍵一般通過帶有孤對電子的N、O、S等原子和氫原子之間形成的弱化學鍵。藥物和生物大分子以氫鍵鍵合形式相結合的例子非常多，比如磺酰胺類利尿藥是通過氫鍵和碳酸酐酶相結合，其結構位點與碳酸和碳酸酐酶的結合位點相同。另外藥物自身還可以形成分子間氫鍵和分子內氫鍵，一方面可以對藥物的理化性質產生影響，如影響溶解度、極性、酸堿性等。另一方面也會影響藥物的生物活性，如水楊酸甲酯，由于形成分子內氫鍵，用于肌肉疼痛的治療；而對羥基苯甲酸甲酯的酚羥基則無法形成這種分子內氫鍵，其對細菌生長具有抑制作用。

在藥物與生物大分子相互作用時，當碳原子與其他電負性較大的原子，如N、O、S或鹵素等鍵合時，N、O、S或鹵素等電負性較大原子的誘導作用使得電荷分布不均勻，可能會導致電子的不對稱分布，產生電偶極。藥物分子的偶極受到來自生物大分子的離子或其他電偶極基團的相互吸引，而產生相互作用，這種相互作用對穩(wěn)定藥物受體復合物起到重要作用，但是這種離子-偶極、偶極-偶極的作用比離子產生的靜電作用要弱得多。離子-偶極、偶極-偶極相互作用的例子通常見于羰基類化合物，如乙酰膽堿和受體的作用。

電荷轉移復合物發(fā)生在缺電子的電子接受體和富電子的電子供給體之間。這種復合物其實質是分子間的偶極-偶極相互作用。

范德華作用力是由分子之間暫時偶極產生的相互吸引力。由非極性分子中不同原子之間產生的暫時不對稱的電荷分布而導致暫時偶極的形成，其形成使得藥物分子和生物大分子相互作用時得到弱性的引力。范德華作用力是非共價鍵鍵合形式中最弱的一種，其隨著分子間的距離縮短而加強。

上述不同的鍵合方式是藥物和生物大分子相互作用的主要形式。通過這些鍵合作用，有時是弱性的非共價鍵合作用，降低了藥物與生物大分子復合物的能量，增加了復合物的穩(wěn)定性，發(fā)揮藥物的藥理活性作用。藥物與生物大分子的相互作用有時不單純是一種結合模式。如普魯卡因與受體可通過范德華力、偶極-偶極相互作用、疏水性相互作用和靜電引力產生相互作用。

三、分子結構設計

藥物分子結構設計根據受體-配基作用原理，尋找和設計藥物分子。合理藥物設計是在社會對醫(yī)藥需求的強大推動下逐步發(fā)展起來的，主要通過化學學科、生物學科、數學學科、物理學科和計算機學科等理論計算方法和分子圖形模擬技術得以實現(xiàn)。合理藥物設計方法包括直接藥物設計和間接藥物設計兩種方法。

1.直接藥物設計

直接藥物設計又稱為基于受體的合理藥物設計，一般指應用由X 射線衍射（x-ray diffraction，XRD）、核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）或分子模擬（molecular simulation，MS）等檢測手段提供的受體分子的三維結構信息，來輔助尋找、設計能夠與之發(fā)生相互作用并調節(jié)其功能的小分子化合物的過程。

在藥物分子設計中，直接藥物設計占有非常重要的地位。計算機分子模擬技術輔助藥物設計成為合理藥物設計中的重要工具。通常在通過XRD技術或多維NMR獲得受體分子結合部位的結構后，就可以采用計算機分子模擬技術分析結合部位的結構，然后運用數據庫搜尋或運用全新藥物分子設計技術，識別得到分子形狀和理化性質與受體作用位點相匹配的分子結構，合成并測試這些分子的生物活性，經過幾輪循環(huán)，就可以發(fā)現(xiàn)新的先導化合物。

計算機分子模擬技術輔助藥物設計是藥物設計發(fā)展的一個新階段，對基于結構的藥物分子設計具有較大推動作用，此方法仍然存在一些問題亟待解決，如蛋白質受體三維結構的真實性問題；設計出來的藥物分子能否順利地化學合成以及合成的成本問題；藥物在體內的穩(wěn)定性問題以及藥物的毒副作用問題。但是，它為新藥開發(fā)提供了一種新的思維模式，并且可行性很強，其發(fā)展前景是非常廣闊的。

直接藥物設計方法的最大優(yōu)點在于它對靶點的把控，能夠迅速進行設計和優(yōu)化，得到高效配體，有可能構造出全新結構的先導化合物，但是局限性在于設計的化合物在化學合成上可能存在困難，分子設計的成功率較低。直接藥物設計仍屬于定向合成和篩選，即使得到的高效配體與受體有很強的親和性，一旦其生物利用度不高或者體內代謝毒性較大，也就意味著藥物開發(fā)的失敗。研究表明，藥物代謝和毒性分析（ADME/TOX）在開發(fā)新藥的早期階段是極為關鍵的因素。所以在直接藥物設計的過程中，必須同時將設計藥物在體內的吸收、分布、代謝、排泄和毒理方面的性質考慮進去。將基于結構和基于藥物作用機制的計算機輔助藥物設計方法相結合，必定會在新藥發(fā)現(xiàn)研究中發(fā)揮更大的作用。

2.間接藥物設計

合理藥物分子設計在未知受體結構時同樣也可以進行，通常根據間接藥物設計方法，即基于配體結構的藥物設計方法。這方面的研究可分為兩類：一是探索系列小分子藥物三維結構與活性的關系，主要有定量構效關系（3D-QSAR）；二是根據已知藥物結構反推受體結構模型，如藥效基團模型（pharmacophore modeling）等，再進行合理藥物設計。

（1）3D-QSAR方法　通過引入分子的三維結構信息來研究分子的構效關系的一種定量方法。能夠反映分子與生物大分子在相互作用過程中的非鍵相互作用的特點，比2D-QSAR具有更清晰的物理意義和更豐富的信息。

3D-QSAR主要是通過使用藥物化學結構信息的數學模型（如各種取代基參數、拓撲指數、量子化學與分子力學計算參數）及其生物活性之間的關系進行定量分析，并找出結構和活性之間的定量變化規(guī)律，然后根據這種規(guī)律和未知化合物的結構預測未知化合物的性能。

3D-QSAR的建立觀念：①分子的形狀在一定程度上影響其生物活性，分子的活性構象是研究3D-QSAR的關鍵；②藥物與受體之間的相互作用通常是借助可逆的、非共價結合的弱作用力來實現(xiàn)，如氫鍵、范德華引力、靜電引力、疏水作用等。由于3D-QSAR直接反映藥物分子與受體三維空間上的互補性，更準確表達了藥物與受體之間的相互作用，近十多年來3D-QSAR方法得到了迅速發(fā)展。

比較分子力場分析方法（CoMFA）是目前最成熟、應用最廣泛的方法。CoMFA的基本原理是：如果一組類似的化合物以同樣的方式與受體位點相互作用，其生物活性的強弱取決于每個化合物周圍的分子場，這種分子場可以反映藥物分子與受體之間的非鍵相互作用特性。其設計的流程包括數據集設計、3D構象生成、手動分子疊合、分子場計算、計算生成模型、解釋分析結果以及預測生物活性等過程，設計流程如圖2-21所示。

CoMFA將具有相同結構母環(huán)分子在空間中疊合，使空間方向盡可能一致，然后用一個探針粒子在分子周圍的空間中游走，計算探針粒子和分子之間的相互作用，并記錄不同的空間坐標的相互作用能，從而獲得分子場數據。不同的探針粒子可以探測分子周圍不同性質的分子場，甲烷分子作為探針可以探測立體場，水分子作為探針可以探測疏水場，氫離子作為探針可以探測靜電場等，一些成熟的比較分子場程序可以提供數十種探針粒子供用戶選擇。

分子生物學和計算機科學的迅速發(fā)展，使得計算機輔助藥物設計（CADD）在新藥研究中起著非常重要的作用。當受體的三維結構未知時，采用對一組具有類似活性的化合物建立定量結構-活性關系模型，根據QSAR計算結果，藥物化學家可以更有目的性地對生理活性物質進行結構改造。

（2）藥效基團模型方法　為另一種重要的間接藥物設計方法。藥效團是一組具有共同特征的活性化合物（包括特定的化學基團、氫鍵基團、帶正電和負電的基團、疏水基團等）。結合這些藥效基因信息，藥效團模型方法總結了一些原子和基團和關鍵的空間關系，然后推導出與之結合的受體的三維形狀、結構及性質，從而推斷出靶點物質的信息，獲得虛擬受體模型，設計新的配體分子。藥效基團模型方法通常被用于先導物發(fā)現(xiàn)。

QSAR與藥效基團模型方法的共同點在于兩者均研究具有同類活性的一系列化合物與靶點相互作用，并認定其活性部位是一致的。而不同點是QSAR研究的是基于同一母核（或骨架）的系列化合物，側重于對先導化合物的優(yōu)化；藥效基團模型方法研究不同結構類型的多種先導化合物的構效關系，更體現(xiàn)了活性配體分子的抽象特征，涵蓋了設計新配體分子所需要的三維結構信息，為發(fā)現(xiàn)先導化合物新結構類型提供有效途徑。

四、先導物的質量評價

先導化合物的產生及優(yōu)化影響到候選藥物的質量。因此，高質量的先導化合物發(fā)現(xiàn)和確定是新藥研發(fā)成敗的重要起點因素。

1.先導物的質量要求

先導化合物并無統(tǒng)一的評判標準，而且不同類別的藥物評判標準也不盡相同，但其結構及類型應具有新穎性，能夠獲得專利以保障研發(fā)藥物的知識產權。另外，從優(yōu)化過程的結果預測方面已有形成共識的標準，如類藥（drug-like）特征即先導物在藥效學、藥代動力學和理化性質上應達到一定的要求（見表2-5）。

（1）藥效學方面　先導物具有活性是首要前提，活性強度一般在1μmol/L（酶）～0.1μmol/L（受體）范圍。應在細胞水平上呈現(xiàn)活性，因為酶（或受體）和細胞試驗的區(qū)別，還在于后者涉及過膜、多靶標和特異性作用；應有明確的作用機制、方式和環(huán)節(jié)；應存在劑量（濃度）與活性的相關性；應具有明確的構效關系，以表明藥理活性的特異性作用。

（2）藥代動力學方面　應達到藥物在生物體內吸收、分布、代謝以及排泄的基本要求。例如生物利用度應該大于10%，以確保口服的吸收性；消除的半衰期應該大于30min；靜脈注射的清除率應該低于35mL/（min·kg），大鼠肝細胞的清除率應低于14μL/（min·106細胞），人肝微粒體的清除率應低于23μL/（min·mg），以顯示與細胞色素P450有較弱的作用（不是底物、抑制劑或誘導劑），從而保障先導物有起碼的代謝穩(wěn)定性；分布容積應大于0.5L/kg；與血漿蛋白的結合率低于99.5%，以避免發(fā)生藥物-藥物相互作用。

（3）化學結構與理化性質　先導化合物一般含有1～5個脂肪鏈或芳香環(huán)，一般含2～15個可旋轉的柔性鍵，不超過2個氫鍵給體和不多于8個氫鍵接受體；相對分子質量應低于400，以便在優(yōu)化過程中有較大化學空間添加原子、基團或片段和增加相對分子質量的余地；水溶性應大于10μg/mL，脂水分配系數或分布系數在3.0之內，確保被優(yōu)化分子的溶解性和分配性低限。偏離這些因素難以保障上述的藥效、藥代性質。

2.先導物的質量判斷

（1）化學空間較大　活性強度不應作為選擇苗頭或先導化合物的唯一指標，其他因素也不應忽視。相對分子質量高的先導化合物與靶標的結合力更強，一般比分子質量低的先導化合物活性更強。這似乎是優(yōu)點，但因為結構中往往有“冗余”的原子或基團，對吸收、過膜和代謝等是不利因素，以致活性強度被這些不利因素影響或抵消，而且過多的原子減小了化學修飾空間，難以添加更有益的基團。因此，先導化合物的相對分子質量不應過大、單憑活性強度不能作為確定先導物的單一指標。

傳統(tǒng)的高通量篩選（HTS）篩選出來的先導化合物，往往忽略分子的成藥性，即使發(fā)現(xiàn)了高活性較高的化合物，卻也會因藥代性質等缺陷而無研發(fā)前景。基于片段篩選的方法是篩選相對分子質量低的分子。雖然只與靶標的一部分結合且活性較弱，但這些片段分子有其獨特優(yōu)勢：相對分子質量低的分子與靶標結合的原子效率較高；分子結構簡單，優(yōu)化設計與合成容易；所篩選的化合物數量不多，只有千余個，結構簡單，還提高了與靶標蛋白的結合和匹配的概率。Congreve等分析了一系列苗頭物片段的結構特征，發(fā)現(xiàn)相對分子質量小于300，氫鍵的給體或接受不超過3個，脂水分配系數值低于3，概括為“片段3規(guī)則”。這個規(guī)則對于篩選良好理化和藥代性質而有發(fā)展前景的苗頭化合物具有重要指導意義。

（2）配體效率　用于衡量苗頭化合物或先導物及其優(yōu)化質量的指標之一。配體效率（ligand efficiency，LE）是指配體（苗頭、先導物等）中每個原子對結合能的貢獻，以表征化合物的活性效率，在選取先導物和優(yōu)化過程中是很有價值的參數。配體效率整合了Andrews提出的功能基的結合能貢獻和Kuntz提出的每個原子實際的實驗結合力，用以評估配體與受體結合的能力。

LE的計算方法首先是將復合物結合常數K_d轉換為在溫度300K時的結合自由能（ΔG），然后ΔG除以非氫原子數，得出每個原子的自由能貢獻即配體效率。

ΔG=-RTlnK_d

LE=ΔG/N

式中，R為氣體常數；T為熱力學溫度；N為非氫原子數。

配體效率將配體化合物的相對分子質量與活性強度有機統(tǒng)一起來，用以比較活性化合物的質量，評價先導物的成藥性。因此，應選取有較高配體效率的化合物，而相對分子質量低、結構簡單的化合物往往有較高的配體效率，具有提高活性的潛力。