關鍵詞：三維定量構效關系，分子動力學，基於結構的藥物設計，分子對接
計算機模擬已經成為繼實驗、理論之後的第三種研究手段，在科學的各個領域都得到了廣泛的應用，並且發展迅速。藥物設計與分子模擬也是如此，其總體趨勢是計算精度越來越高，與實驗結合日趨緊密。近年來，國內藥物設計與分子模擬研究工作取得了長足的進展，其中，定量構效關系在藥物研究中的應用廣泛，已成為藥物結構改造的壹個有力工具；分子模擬研究發展較快，計算的方法多樣化，模擬的時間、空間尺度也越來越接近真實體系，取得了壹些水平較高的成果。
壹、定量構效關系
定量構效關系是最早發展起來的壹種分子設計方法，壹旦確定已知的化合物的生物活性與其結構之間的定量關系，研究者就可以依據這壹關系對化合物結構進行改造，以獲得更高的活性。3D-QSAR（尤其是比較分子力場分析方法）由於其預測能力強，模型形象、直觀，已成為最常用的藥物設計方法之壹。
噻唑烷二酮和芳酮酸類等PPAR?激動劑，能夠增強胰島素與其受體結合的信號傳導，促進脂肪代謝。利用比較分子力場分析方法對這兩類化合物進行了三維定量構效關系研究，揭示了芳酮酸類化合物比噻唑烷二酮類化合物活性更高的原因，並推測PPAR?與這壹類化合物結合時，活性位點的形狀可能和與羅咯列酮結合時不壹樣[1]。
雙叔丁基苯基雜環化合物是COX-2的抑制劑，具有抗炎作用。對三類含雙叔丁基苯基雜環化合物進行三維定量構效關系研究，在三種可能的疊合模型中，選擇了交叉驗證結果最好的壹種。研究結果表明：靜電作用對化合物的活性貢獻稍大於範德華作用；增加雜環的正電荷，可以提高化合物的活性[2]。
采用比較分子力場分析方法對1－咪唑基苯並二氮雜卓（草頭卓）類法尼基蛋白轉移酶抑制劑進行研究，發現在苯並二氮雜卓（草頭卓）中的苯環上增加取代基的體積會使化合物活性降低，在咪唑環上增大取代基的體積能夠提高化合物的活性[3]。
吡裏酮類化合物是壹類很有藥用前途的抗炎鎮痛劑，利用計算機輔助藥物設計專家系統（Apex-3D）研究了5,6－二芳基取代吡裏酮類化合物的抗炎活性與其分子結構之間的定量關系。研究表明：化合物的活性與吡裏酮環的1位取代基的?電荷密度正相關，而與分子的疏水性負相關[4]。
采用比較分子力場分析方法分析了壹組?－羥基丁烯羥酸內酯類內皮激素拮抗劑的結構活性關系。在計算中，除考察靜電場和立體場之外，還引入了氫鍵場。結果表明，引入氫鍵場可以明顯地改善計算結果。另外，還分別考察了格點距離以及探針原子類型對計算結果的影響[5]。
采用壹系列幾何結構參數以及由ClogP軟件計算得到的logP值作為結構參數，對21個鉀離子通道開放劑進行了定量構效關系研究。研究結果表明，氫鍵受體原子與疏水部分中心距離HA-Hy，以及芳環中心垂線和芳環中心與疏水部分中心連線的夾角?對動脈舒張活性影響較顯著[6]。
利用CATALYST軟件得到了酪氨酸激酶抑制劑的三維藥效基團模型，所研究的兩類化合物具有完全不同的骨架，但其藥效基團相似，說明兩者的結合模式相似。這兩類化合物的藥效基團包括壹個氫鍵受體，壹個氫鍵給體，壹個脂肪類疏水團和壹個芳香類疏水團。在此基礎上，進行了三維構效關系研究[7]。
以黃酮為模板，對壹系列黃酮類化合物進行了定量構效關系研究及從頭算研究。根據CoMFA, CoMSIA和HQSAR分析以及靜電勢計算結果，提出了合理的藥效基團模型，並提出了壹種黃酮類化合物與GABAA受體結合的模型[8]。
二、基於結構的藥物設計
基於結構的藥物設計是尋找新結構的藥物先導化合物的方法之壹，國內運用基於結構的藥物設計方法發現活性化合物的例子也越來越多，不過，因為知識產權等方面的原因，這方面的論文發表較少，因此本文僅能介紹方法的發展。
在對已知抑制劑與磷脂酶A2的復合物晶體結構的分析的基礎上，設計了新的抑制劑，並利用SCORE程序對其生物活性進行了預測。隨後進行了化學合成及藥理測試，結果表明設計的兩種化合物都有壹定的活性，並且實驗值與SCORE的預測值具有對應關系[9]。
利用同源模建方法、序列進化蹤跡分析，研究了蛋白質前提加工酶furin/kexin與水蛭抑制劑（eglin C）突變體的相互作用模式，闡明了furin/kexin各個亞類的底物/抑制劑的***性和差異性。在此基礎上，利用界面再設計策略進行了furin/kexin抑制劑的理性再設計[10]。
對DycoBlock(Dynamically Assembling Molecular Building Block)方法進行了改進，主要包括利用結合能和溶劑可及性表面積(SASA)對DycoBlock產生的分子進行篩選，並發展了壹個基於分子相似性的分類方法。利用COX-2及其選擇性抑制劑SC-558對其方法進行了測試，重現晶體結構的比率由以前的16.7%上升到58.8%[11]。在DycoBlock的基礎上發展了F-DycoBlock，在進行多拷貝隨機分子動力學的過程中，壹方面考慮小分子配體柔性，同時考慮小分子配體的平均場對大分子的影響，因而還可以考慮蛋白質的柔性。利用COX-2以及HIV-1蛋白水解酶兩個體系對其進行了測試[12]。
三、分子模擬
分子模擬通過對生物大分子的結構和動力學行為的模擬，為闡明其結構、生物功能提供了豐富的信息。壹般來說，這些信息用實驗方法獲取是比較困難的，因此，分子模擬已成為研究生物大分子結構和功能的壹種重要手段。
Threading方法對於根據同源性比較低的模板蛋白預測目標蛋白三維結構已經取得壹定的成功，但仍難以處理那些模板蛋白以及目標蛋白三維結構相似，而二級結構在序列中的順序不壹致的情況。研究發現預先對目標序列中的交錯的二級結構片段作適當的調整，可以顯著地提高Threading方法的預測能力[13]。
利用蒙特卡羅方法對蛇毒神經毒素的八種不同Loop III序列在自由態以及與短鏈神經毒素埃拉布毒素b（Erabutoxin b）結合狀態的構象性質進行研究，發現遠程作用確實對蛋白質表面的Loop區的構象及穩定性有影響，而近程作用只是提供候選的構象，還須經過遠程作用的過濾[14]。
BLIP是目前效果最好的TEM-1-?內酰氨酶的蛋白類抑制劑，它的結構域1中的壹個?轉角結構B1可以與TEM-1-?內酰氨酶的活性部位結合，從而抑制其活性。利用圓二色譜、傅立葉紅外光譜和核磁***振譜研究了B1在磷酸鹽緩沖溶液中的構象，結果表明，B1在溶液中形成了?轉角結構 [15]。
采用分子動力學方法對豬胰島素二聚體進行模擬，並利用連續介質模型有限差分方法計算二聚體的靜電勢，利用溶劑可及性表面分析二聚體的疏水性，還考察了不同的PH值對二聚體的靜電作用和疏水作用的影響。分析表明，在弱酸弱堿條件下，二聚體的靜電作用和疏水作用比較有利；在PH值為6.2時，二聚體的疏水作用最佳[16]。
利用分子動力學方法對喜樹堿進行構象搜尋，並利用AM1，PM3以及ab initio方法對與晶體結構比較接近的構象進行優化。ab initio方法優化得到的結構與晶體結構更接近，喜樹堿E環內酯部分形成了分子內氫鍵，使其內酯鍵反應活性提高，使其易受水的影響開環而失去活性。研究還表明，喜樹堿在與TopoI-DNA復合物作用時，要破壞分子內氫鍵，能量補償較大[17, 18]。
采用快速退火進化算法對氨基酸與?-環糊精的結合進行了模擬。對14種包合物的結合常數與作用能的線性回歸分析表明，兩者之間存在非常好的相關性。通過對作用能進行分析，發現範德華作用起主要作用。對不同手性的氨基酸與?-環糊精的作用能進行了比較，解釋了?-環糊精的手性選擇性[19]。
利用自由能微擾方法計算了兩種hydroxamate類的抑制劑和MMP-3的相對結合自由能。自由能計算采用了慢增長和固定窗口增長兩種方法，並且都采用了雙向采樣策略。計算得到的結合自由能與實驗值吻合得很好，同時從動力學模擬的軌跡分析了抑制劑與MMP-3之間的重要相互作用[20]。
通過同源模建方法得到了枯草桿菌（Bacillus subtilis）色氨酸tRNA合成酶的三維結構，分析結果表明合成酶的二級結構含有16個?螺旋和5個?折疊，唯壹的色氨酸Trp92位於兩個亞基的界面上。另外，還對配基結合位點、活性位點以及與tRNATrp可能的結合方式進行了預測[21]。
蛋白質的折疊是壹個自由能驅動的過程，天然的蛋白質構象處於壹個熱力學的低能量態。基於蛋白質結構域是折疊單位的設想，蛋白質結構域作為壹個獨立的折疊單元，應該不僅在結構上相對致密，而且在能量上也應該相對穩定。因此，用折疊自由能來劃分結構域更為合理。利用去折疊自由能的方法對50種不同的雙結構域蛋白質進行了結構域分析，大多數劃分結果與文獻壹致；少數結果雖然與文獻不壹致，但去折疊自由能方法的劃分結果可能更合理[22]。
采用布朗動力學對蠍毒Lq2與鉀離子通道的結合進行模擬，蠍毒的三維結構取自NMR實驗測定的22個結構，結果表明只有4個結構能夠以高概率和較好的靜電作用與鉀離子通道結合。對上述4種結構進行三聯體接觸分析，構建了復合物的三維結構模型，並確定了Lq2與鉀離子通道之間的主要相互作用[23]。
采用同源模建和分子動力學方法，模建了memapsin 2蛋白水解酶的三維結構。memapsin 2蛋白水解酶的活性部位為壹個富含?-折疊的結構域所支撐，活性部位通過壹段?螺旋與該結構域連接。?-發夾結構中的Tyr132是天冬氨酸蛋白水解酶的***同特征。分析表明，雖然M2蛋白水解酶的結構比較獨特，但仍屬於天冬氨酸蛋白水解酶超家族[24]。
四、數據庫與虛擬篩選
如果已經掌握了足夠的有關靶標以及與靶標結合的化合物的信息，針對大的化合物數據庫的虛擬篩選非常具有吸引力，並可作為壹種與高通量篩選互為補充的尋找先導化合物的方法。最近，在超級計算機上對Kuntz發展的DOCK程序進行了並行化，大大加快了數據庫篩選的速度。采用這種方法，從商用的化合物數據庫以及中國天然產物數據庫中找到了壹系列對鉀離子通道，?-分泌酶以及PPAR?等靶標具有生物活性的化合物。但由於要申請專利，結果還沒有發表
壹個包含範德華作用、金屬配位作用、氫鍵作用、去溶劑化作用以及小分子構象變化等項的打分函數SCORE，被用於評價DOCK4找到的小分子與蛋白質的結合構象。用兩者結合得到的程序SCOREDOCK對200個蛋白－配體復合物進行測試，發現SCORE能夠明顯地提高DOCK計算精度[25]。
通過Fortran PowerStation和Visual C++混合編程，將在DOS下運行的、用於研究分子結構和生物活性關系的計算機輔助篩選生物活性化合物軟件（Computer-Aided Screening bioActive Compounds, CASAC）移植到Windows系統[26]。
基於XML（eXtensible Markup Language）,構建了海洋天然產物數據庫，目前數據庫中包含了大約11000種海洋天然化合物的分子結構及其生物來源、生物活性、藥效、物理化學參數和參考文獻等信息。與XML的集成有利於該數據庫的管理、查詢、Web發布、數據交換以及未來的擴展，目前已具備Web檢索的功能[27, 28]。
提出了壹種將遺傳算法與隨機搜尋相結合的分子對接算法，並采取分步考慮形狀互補和能量最優的策略。對隨機選取的8個復合物結構測試結果表明：計算所得構象及取向與晶體結構接近，大部分情況下，最小的均方根偏差小於1.0[29]。
5,6-二芳基取代吡裏酮類化合物是壹類新型的抗炎鎮痛劑，利用分子對接方法研究了這壹類化合物的作用機理。從分子對接結果來看，ZZ-122與COX-2結合的比較好，靜電作用和範德華作用都是負值，範德華作用是主要作用；而與COX-1結合構象嚴重扭曲，兩者之間存在強烈的範德華斥力。這壹結果表明，該類化合物可能是比較好的COX-2選擇性抑制劑[30]。