吕炜
第一节药效团技术基本原理
利用分子的三维结构信息进行药物分子设计已经成为药物化学领域一项常规的技术。依据所依赖结构的不同(受体的三维结构或者配体的三维结构)，药物设计的方法又可以分为两种：基于(受体)结构的药物设计方法和基于配体结构的药物设计方法。当受体(蛋白质、酶或DNA)的三维结构已知时，可以采用基于结构的药物设计方法，采用分子对接或从头设计技术，通过研究配体与受体之间的相互作用信息进行药物设计。而当受体结构未知时，则可以通过已知活性的配体分子的三维结构，建立恰当的构效关系模型来指导进行药物分子结构的优化和改造，这种方法叫做基于配体结构的药物设计方法。药效团模型方法就是一种最为杰出的基于配体结构的药物分子设计方法。 一． 药效团的基本概念：
在药物分子和靶点发生相互作用时，药物分子为了能和靶点产生好的几何匹配和能量匹配，会采用特定的构象模式，即活性构象。而且对于一个药物分子，分子中的不同基团对其活性影响是不同的，有些基团的改变对分子活性的影响甚小，而另外一些基团的变化则对分子与靶点的结合起着非常重要的影响。于是，就需要引入一个药效团(Pharmacophore)的概念。药效团是指药物活性分子中对活性起着重要作用的“药效特征元素”及其空间排列形式。这些“药效特征元素”是配体与受体发生相互作用时的活性部位，它们可以是某些具体的原子或原子团，比如氧原子、羟基、羰基等，也可以是抽象的化学功能结构，如疏水团、氢键给体、氢键受体等。 图1展示了一个经典的5-HT6受体拮抗剂药效团模型。该药效团模型由4个药效特征组成，其中两个为疏水团(蓝球所示)，一个为正电基团(红球)，另一个为氢键受体基团(绿球，含方向)。各个药效特征之间存在几何约束，相互之间的距离以及角度需满足一定限制条件。任何药物分子，如果能够满足这一个药效团，就具备了与5-HT6受体结合的必要条件。
图1. 5-HT6受体拮抗剂药效团模型示意图
作为基于配体结构的药物设计中的最主要的两种方法，定量构效关系方法和药效团模型法虽然都是以配体小分子的结构作为起点，但二者之间存在明显不同。定量构效关系方法一般用于研究一系列骨架相同的同系列化合物，所得到的定量构效关系模型只能用于指导这一系列化合物的改造和活性预测。而药效团模型法可以从骨架不同类的先导化合物出发，得到与生物活性有关的重要的药效团特征，这
组药效团特征是对配体小分子活性特征的抽象与简化。也就是说只要小分子拥有药效团特征，就可能具备有某种生物活性，而这些活性配体分子的结构未必需要相同，因此药效团模型方法可以用来寻结构全新的先导化合物。
药效团模型方法包含两个层面的内容：药效团模型的构建以及数据库搜索。药效团模型的构建是指从一系列活性小分子出发得到合适的药效团模型。而如果想通过药效团模型来到新的先导化合物，就需要采用基于药效团模型的数据库搜索。通过数据库搜索，可以寻包含特定药效团特征的化合物，这些具有特定药效团特征的化合物可能具有相应的生物活性。药效团模型方法作为一种发现先导化合物的有效方法在药物研发领域已经得到了广泛的应用。近年来，文献也报道大量通过基于药效团的数据库搜索方法到先导化合物的成功实例。可以预见，随着小分子三维结构数据库信息量的迅速增加以及计算机技术的快速发展，药效团模型方法在药物设计中会受到越来越多的关注。
二． 药效特征元素的定义：
在早期的药效团模型中，药效团模型的提问结构中一般只包括一些具体的原子或原子团，比如氮原子
、羧基、苯环等。但是，从药物分子与受体相互作用的角度看，药物分子中某个位置上并不一定必须包含某种特定原子或者原子团才能产生必需的特征相互作用。例如，药物分子上某个原子能作为氢键受体和蛋白产生氢键相互作用，那么这个位置上的原子既可以是O，也可以是N和S。在这种情况下，仅仅在药效团模型中定义具体的原子或原子团显然是不够的，需要引入更一般化的基于功能的药效特征元素。这些药效特征元素特指一般化的化学功能结构，比如氢键受体、氢键给体、疏水中心、芳环中心、正负电荷中心、排斥体积等。下面将对这些药效特征进行简要的介绍。
(一)氢键受体
氢键相互作用是配体与受体之间相互识别非常重要的相互作用，因此氢键特征在药效团模型中占有重要地位。氢键特征可以分为两类：氢键给体和氢键受体。
广义来讲，任何带有孤对电子的原子，如氮、氧、氟、硫等，都可以作为氢键受体。但过于宽泛的定义往往会导致过多的命中结构，从而降低搜索的选择性。因此，在一般的药效团模型方法中(Discovery Studio, Catalyst)，仅仅只考虑药物分子中最常见的氢键受体形式，包括：A．sp或sp2杂化的氧原子；
B．与碳原子以双键形式相连的硫原子；
C．与碳原子以双键或三键相连的氮原子
(二)氢键给体
氢键给体主要包括氢原子以及与之相连的氧原子和氮原子，一般有：
A．非酸性羟基；
B．氨基；
C．次氨基，但不包括三氟甲基磺酰胺和四唑中的次氨基。
需要特别指出的是，由于配体与受体之间的氢键相互作用一般具有明确的方向性，因此对于一个氢键给体或受体的描述，仅仅靠一个点是不够的。在药效团模型软件中(Discovery Studio, Catalyst)，一般都采用两个点来描述氢键特征，一个点表示氢键特征中重原子的空间位置，而另一个点表示氢键给体或受体的矢量方向。对于氢键给体，矢量方向为重原子和与之相连的氢原子的成键方向。对于氢键受体，矢量方向一般为重原子和其上孤对电子连线的方向。如图2所示，为Discovery Studio软件包中氢键给体(紫)和氢键受体(绿)特征的示意图。在比较一个药效团和测试分子中的氢键特征时，不仅要比较氢键特征的位置，还需要比较氢键特征的矢量方向。
图2. 氢键受体与氢键给体矢量方向示意图
(三)疏水中心
疏水相互作用是配体与受体相互识别的重要作用方式。配体与受体上的疏水基团总是倾向于形成紧密
的疏水堆积作用，形成疏水性内核。疏水相互作用本质上包含了熵效应和范德华相互作用两个部分。疏水基团一般由非极性原子组成，有疏水相互的片段很多，如甲基、乙基、苯环等。
与氢键给体、氢键受体特征不同，疏水中心无需用矢量表示，只需要用一个点表示配体与受体形成疏水相互作用的部位就可以了，见图3。
(四)芳环中心
芳环可以参与药物分子和蛋白受体之间∏电子离域系统的∏-∏相互作用。芳环中心主要包括五元和六元芳环，如噻吩、苯环等。在药效团模型方法中，芳环需要由两个参量来定义：一个参量是芳环的空间位置，即芳环中所有原子的几何中心；另一个参量是芳环平面矢量方向，一般用垂直于芳环平面的矢量来描述，见图3。
图3. 疏水中心和芳环中心药效特征示意图
(五)电荷中心
配体上的电荷中心是指配体上的带电基团，由于具有较多的部分电荷，这些基团往往可以和受体形成
盐桥或较强的静电吸引作用。电荷中心既可以是带有电荷的原子，也可以是在生理PH下会发生电离的中性基团。比如，在生理PH下，脂肪胺会质子化形成正电荷中心，而羧基会去质子化形成负电荷中心。此外，∏电子离域系统，如羧酸盐、胍基、脒基等也可能形成电荷中心。电荷中心可以分为两类：正电荷中心和负电荷中心。
正电荷中心包括：
A．带正电荷的原子；
B．伯、仲、叔脂肪胺中的氮原子；
C．氮-氮双取代的脒基中的亚氨氮原子或四氮取代的胍基中的亚氨氮原子；
D．至少含有一个未取代氢原子的脒基中的氮原子中心或至少含有一个未取代氢原子的胍基中的氮原子中心。
负电荷中心包括：
A．带负电的原子；
B．三氟甲基磺酰胺中的氮原子；
C．羧酸、亚磺酸或磷酸中羟基氧和氧代氧的原子中心；
D．磷酸二酯和磷酸酯中羟基和氧代氧的原子中心；
E．硫酸和磺酸中羟基氧和两个氧代氧的原子中心；
F．磷酸单酯和磷酸中氧代氧和两个羟基氧的原子中心；
G．四唑中的氨基氮原子。
在药效团模型方法中，正负电荷中心都是由一个电荷中心点表示其所在位置，没有方向性，见图4。
图4. 正电荷中心(左)和负电荷中心(右)药效特征示意图
(六)排斥体积
在药效团模型中，排斥体积也是一种重要的组成成分。与其余药效特征不同，排斥体积并不是对应于配体上特殊的原子或者基团，而是基于配体分子的空间特征。在配体和受体相互作用时，在配体的某些取代位置上存在某些原子或原子团可能会和受体产生不利的原子碰撞，这些位置上的原子或原子团占有的位置就构成排斥体积。在排斥体积中存在原子或原子团会大大降低化合物的活性，见图5。
图5. 排斥体积药效特征示意图
(七)药效特征的几何约束
一个完整的药效团模型中除了必须包含药效特征元素(如氢键给体、疏水中心、正电中心等)之外，还需要包括药效特征元素之间的空间约束，这些约束是指各特征元素的位置约束，各特征元素之间的距离、角度、取向等。
在常用的药效团模型方法中(如Discovery Studio, Catalyst)，药效特征元素可以抽象为点（比如疏水中心、电荷中心）、线（比如氢键）、面（比如芳环平面）的形式出现。而这些特征元素或它们之间几何关系的约束可以采用多种形式来实现，如：位置约束可以是点的空间活动范围；距离限制可以是点点间的距离，或点到线的距离；角度限制可以是三点的角度，直线与平面的角度，或者是平面与平面的角度等(参考图1)。其中距离限制是最为常见的约束形式。但是仅仅限制药效特征元素之间的相对距离，无法反映化合物的立体选择性，不能表达手性的要求，因为一个构象中原子的相对关系和它的镜像是完全相同的，但是它们的活性可能完全不
同。比如S，S型的captopril有ACE抑制活性（一种血管紧张素转化酶抑制剂），而R，R型却没有活
性。在这种情况下，就需要添加更为严格的角度、二面角以及位置约束，才能得到特异性比较高的药效团模型。
第二节药效团模型的构建方法
药效团模型的构建主要有两种方法：第一种是在受体结构未知或者在作用机制不明确的情况下，通过事先收集一系列活性小分子，进行结构-活性研究，并结合构象分析、分子叠合等手段，得到一个基于这些配体分子的共同特征的药效团。该药效团可以反映这些化合物在三维结构上一些共同的原子、基团或化学功能结构及其空间取向，这些特征往往对于配体的活性起着至关重要的作用。另一种方法就是受体结构已知的情况下，分析受体的作用位点以及药物分子和受体之间的相互作用模式，根据预测的复合物结构或相互作用信息来推知可能的药效团结构，得到基于受体结构的药效团。
一. 基于配体活性小分子共同特征的药效团：
从一系列活性小分子出发，构建基于配体结构共同特征的药效团步骤如下：
1．活性小分子的选取：
构建药效团模型的第一步就是选取恰当的活性小分子。例如，如果想构建一个肾上腺素β1受体拮抗剂的药效团模型，就必须事先收集一系列具有肾上腺素β1受体拮抗活性的小分子作为训练集。训练集分
子的质量高低直接决定着所得到药效团的准确度。训练集分子的选取原则是：分子数目以2-32为宜；分子骨架需具备一定的差异性，从而能够代表不同系列同系物的结构特征；尽量选择活性最强的化合物；选择结构刚性大的分子效果比柔性分子好。
2．小分子构象分析：
在选择好训练集分子之后，就需要对每个化合物进行构象分析，得到在某一能量范围内的低能构象。对于每一个化合物分子，得到的构象数目可能会有10-255个，与分子本身的柔性有关。构象分析保留的构象数目必须适中，太少则可能不到分子的活性构象，太多则会给构象叠合造成一定的困难。在Discovery Studio和Catalyst中都会对保留的构象数有明确的限制。3．分子叠合及药效团的产生：
在得到每个小分子的多构象以后，就需要对这些构象进行叠合以到共同的药效团模型。在叠合时，小分子的公共药效特征元素往往作为分子间叠合的叠合点。分子叠合往往会提供多个药效团模型，或者说分子存在多种公共的药效特征元素空间分布形式。用来建立药效团模型的分子需要和受体之间具有相似的作用机制，这样才能保证所有分子具有相似的药效模式。如果分子集合中的分子能和受体产生多种完全不同的结合模式，则很难得到有效的药效团模型。
另外，对于刚性较大的分子，构象空间有限，活性构象一般接近能量最低构象，分子叠合比较容易到一致的药效模式。但对于柔性较大的分子，由于构象空间增大，分子叠合和活性构象的确定难度也
加大。
4．药效团模型的评价、修正以及数据库搜索：
最后一步是药效团模型的修正。分子叠合得到的药效团模型往往不是最优的，可能还需要根据自己的经验和其它实验或计算的结果对药效团模型作进一步的修正，比如加入排斥体积。药效团构建最终的目的是为了使用得到的药效团模型指导实验化合物的改造，或者使用药效团模型搜索化合物数据库，寻骨架新颖的先导化合物分子。
二. 基于受体结构的药效团：
基于受体结构的药效团主要在配体-受体复合物的晶体结构已经清楚地条件下使用，操作
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