利用计算机辅助药物设计方法有何优点,计算机辅助药物设计是什么？关于计算机辅助药物设计的详细介绍...

计算机辅助药物设计即利用计算机的计算，逻辑判断，图形显示等功能进行药物设计。目前广泛应用于药物研发中，在农药，天然药物多靶点研究中都起到了重要作用，极大地缩短了药物研发的时间。

概述

随着计算机科学的进步，以及数学、化学、物理学、生物化学、药物化学、分子生物学和结构生物学等基础学科的发展，利用量子化学、分子力学、分子动力学计算，以及用计算机图形学、数据库技术、人工智能技术进行药物分子设计的研究在不断地发展、丰富和完善，从而推动药物设计理论和技术的不断发展。药物结构及其活性关系的研究已由以往的二维平面分析上升到如今的三维空间研究，开辟了药物研究的新天地。根据理论计算数据和物理化学测定数据，使用计算机分子图形模拟功能，可以展示已知三维结构的生物大分子，显示模拟药物与受体间契合情况，并计算相互作用的能量变化，研究药物分子的药效构象、诱导契合和与受体作用的动态过程，设计出新的药物分子;还可以预测仅知一级结构的生物大分子的三维结构，进而反推出作用于该生物大分子的药物应有的结构式和空间结构;还能根据一系列同类药物的结构活性数据，抽提出药物作用的基本结构，间接地设计出新的药物分子;此外，还可进一步优化药物的分子结构，增加药物与受体之间的作用强度，或提高药物.的生物利用度。它不仅能够大大减少寻找新药的盲目性和偶然性，也能为药物学家提供理论思维形象化的表达，是药物设计强有力且方便、直观的手段。

计算机辅助药物设计( 简称 CADD 技术) ，是一种以计算机化学为基础，通过计算机的模拟来预测试和计算配体与受体生物大分子之间的关系，从而进行先导化合物的优化与设计。CADD 技术可以大大缩短新药的开发周期，并降低开发成本，是我国医药产业摆脱依赖仿制，缩小与世界先进水平之间的差距。CADD 使新药的开发已成为不同领域的新理论、新方法和新技术组合的系统工程，其中包括蛋白组学、基因组学、计算化学、组合化学、结构生物学、生物信息学、化学信息学以及高通量筛选( HTS) 等相互渗透、紧密结合的多学科协同研究。受体－配体作用假说和分子模拟是 CADD 的理论基础，根据受体结构是否已知，可将 CADD 技术分为间接药物设计( 即基于配体的药物设计，LBDD) 和直接药物设计( 即基于结构的药物设计，SBDD) 两种方式。

直接药物设计(SBDD)可分为三部分：

活性位点分析

基于靶点结构的虚拟筛选

全新药物设计

间接药物设计(LBDD)分为三部分：

药效团模型法的建立：活性类似物法(AAA)、药效团模型法

基于配体相似性的虚拟筛选

3D-QSAR方法：假想受点点阵(HSAL)、分子形状分析(MSA)、比较分子场分析法(CoMFA)

CADD方法

现阶段CADD主流方法有两种，分别是配体小分子药物设计和靶点结构药物设计。

配体小分子设计

配体小分子设计是一种针对未知受体结构进行药物分子设计的方法，其是利用定量构效关系和药效团模型的药物设计方法，是一种适合用于先导化合物发现与优化的方法。通过定量构效的方法对化合物的结构信息、理化参数和生物活性进行分析后建立模型，然后通过专门的方法对分子模型的结构和活性间的变化规律进行分析并与数据库中保有信息进行比对，从而发现一种或优化小分子的活性结构和可能结构。这种设计方法是针对于位置受体结构的设计方法，属于一种不定向但定性的药物设计方法，有点类似于传统药物设计中普筛的思路。

靶点结构设计

与配体小分子设计不同，靶点结构设计面对的是已知的受体，通过分析受体结构特征和药物分子间的相互作用来探究药物活性分析的作用和作用效果，从受体和药物分子间的位置和能量匹配识别进行药物设计。但是这种方法具有一定的局限性，首先需要知道目标结构和其分子活性结构，利用数据库筛选从库中找到相似结构进行设计，本质上是一种药物的定向、 定性设计，是现阶段合理药物设计的核心思路。

计算机药物设计的技术手段

定量构效关系

定量构效关系分析时通过数理研究方法来明确化合物活性与分子结构、物理特性之间的变化规律。CADD 中定量构效关系就是通过利用分子的定量构效关系，通过模拟不同量之下分析活性能够产生的效果，从而实现定向的药物开发。

分子对接技术

分子对接的思路就是通过分析复数种的活性物质几何匹配和能量匹配的过程，推广到药物研究中就是药物活性分析和靶向受体结合的过程。简单来说，就是一种靶向都能够接受特定的活性分析，就像开门一定要用合适的钥匙一样， 通过分子对接研究可以知道什么活性物质能够靶向受体实现结合，明确靶向受体的亲和性，从而确定和性物质的作用机制和功效，进而实现药物设计和筛选。

但是在药物研究中，分子对接的锁和钥匙并非刚性，通常一个受体并不一定只会识别并接受一种物质，而是会与多种物质进行结合，但是通常只有一种物质能够与受体实现完美契合，也就是说所谓的“原装钥匙”，但是当机体原装钥匙出现问题时，就需要药物进行替代，不同药物活性分子和受体结合能力不同，也就表现出不同药效。因此在CADD中实施分子对接，需要处理好两个问题，首先就是对接位置问题， 找到最容易实现对接的受体，也就是最好用的锁。其次就是效率问题，找到原装钥匙之外的最好配匙。这就需要大量的建模和分析，因此是一种很依赖与计算机验算能力的药物设计技术手段。

分子动力学模拟

相比于前面两种方法，分子动力学模拟技术是一种更加稳定和完善的药物设计技术方法，其是定性、定向、定量合理药物设计的典型代表。首先，分子动力学模拟能够在时间尺度上对分子进行动力学分析，可以模拟活性分析进入机体后到完全代谢的全过程， 从而明确活性分析的效能和持续时间，这是一种药物设计定量研究。其次，分子动力学模拟中可以通过模型观察到活性分析的代谢情况、能效发挥以及性质变化，比如一种活性分析进入机体后先经过哪里与哪种酶进行作用，然后代谢成什么物质等，这些都可在分子动力学模拟中实现，从而明确活性物质的作用机制和作用效果，这是一种药物设计定性研究。 此外，分子动力学模拟中可以明确受体和活性分子的对接情况，以及活性分析能够与什么受体进行对接亦或者受体能够与什么活性分子进行对接，从而明确对某 个受体有作用效果的活性分析有哪些亦或者明确一种活性分子对什么受体有作用效果，从而明确活性分子功效或受体亲和情况，这是一种药物设计的定向研究。