藥物分子與生物相關(guān)物質(zhì)之間的相互作用研究具有非常重要的意義.doc

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1、 藥物分子與生物相關(guān)物質(zhì)相互作用的方法學(xué)研究及其在藥物分析中的應(yīng)用 學(xué)院：生命科學(xué)學(xué)院 班級：2014級生科（1）班 姓名：胡瑞瑞 學(xué)號：2014506066 藥物分子與生物相關(guān)物質(zhì)相互作用的方法學(xué)研究及其在藥物分析中的應(yīng)用 藥物分子與生物相關(guān)物質(zhì)之間的相互作用研究具有非常重要的意義。隨著研究者研究水平的不斷提高,分析儀器的不斷更新和新藥的不斷問世,藥物與生物分子之間的研究方法也在不斷的增多和更新。本論文主要包括分子間相互作用研究的重要意義,

2、分子間相互作用的體系分類，分子間相互作用研究的方法及特點,藥物分子與生物相關(guān)物質(zhì)間相互作用。 分子間相互作用的研究意義： 分子一旦形成后就處于其間相互作用的力場之中，而這種力場在很大程度上會影響物質(zhì)的性質(zhì)和功能。在生物學(xué)中，分子間相互作用[1]是形成高度專一性識別、反應(yīng)、調(diào)控、運輸?shù)冗^程的基礎(chǔ)。諸如底物與受體蛋白的結(jié)合識別、酶反應(yīng)，分子信息的讀出、免疫學(xué)的抗體一抗原結(jié)合、DNA結(jié)合蛋白的基因表達(dá)的調(diào)控、基因編碼的翻譯和轉(zhuǎn)錄、病毒進(jìn)入細(xì)胞及細(xì)胞識別等。當(dāng)然這些過程在化學(xué)體系、環(huán)境體系中也廣泛存在，涉及金屬離子一配體、酸一堿、細(xì)菌一藥物、污染物等諸多方面，只要研究的內(nèi)容涉及兩個或多個化學(xué)物種通

3、過分子或局部間的弱相互作用力選擇性結(jié)合或位點識別，均可看成此領(lǐng)域研究的范疇。故主客體相互作用研究的領(lǐng)域已經(jīng)滲透到包括生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、分子生物學(xué)、配位化學(xué)、超分子化學(xué)等前沿領(lǐng)域。 相互作用的一方通常被稱為受體(主體)，另一方被稱為配體(客體)。相互作用研究則是獲得受體與配體之間相互作用前后生物學(xué)的、化學(xué)的、物理化學(xué)的、分子生物學(xué)等性質(zhì)的變化信息，從而對受體和配體之間的相互作用進(jìn)行表征與測量。受體與配體之間相互作用的表達(dá)方式有多種，包括結(jié)合的配比、結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點、作用方式、自由能變等參數(shù)，其中表征相互作用強弱最重要的參數(shù)之一要算結(jié)合常數(shù)。從廣義上說，主客體的相互作用相當(dāng)于各層次的物質(zhì)間各

4、種力的相互關(guān)系，包括小分子之間、大分子之間、小分子與大分子及分子組裝體之間的結(jié)合。其相互作用方式包括共價作用和非共價作用，其中非共價鍵力的弱相互作用力包括范德華力、親水一疏水相互作用、靜電力和氫鍵等。 在藥學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等研究領(lǐng)域中，測量分子間相互作用的強弱也是一個重要的研究內(nèi)容，由此可對藥物藥效進(jìn)行預(yù)測和對污染物毒性進(jìn)行評價。因此，分子間相互作用研究有望在新藥篩選、污染物毒性評價、藥理學(xué)和藥效學(xué)等研究中得到廣泛應(yīng)用。另外，[2]分子間相互作用在一定程度上影響到生物大分子的生理作用，是各種生理活動得以正常進(jìn)行和生理功能得以正常發(fā)揮的基礎(chǔ)。因此，復(fù)雜體系的相互作用研究將會在生命科學(xué)具有極其重要

5、的價值，也是人類探索生命奧秘的一個著眼點，對揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)具有深遠(yuǎn)意義。 分子間相互作用的體系分類[3]大體歸納為如下幾類: 第一，按照分子間相互作用力的大小，可將體系分為強相互作用體系和弱相互作用體系。前者通常是指配體一受體間的結(jié)合常數(shù)足夠大，二者的結(jié)合為不可逆結(jié)合或其解離是慢速的平衡過程，以致可以對結(jié)合物濃度進(jìn)行準(zhǔn)確測定。相反，后者通常指作用雙方的結(jié)合常數(shù)較小，平衡體系中配體、受體、結(jié)合物三者共存;該平衡是可逆的快速解離平衡，結(jié)合物的濃度通常會隨外界條件的改變而改變 第二，按照相互作用通常研究的應(yīng)用對象，可將體系分為蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-糖、蛋白質(zhì)一藥物小分子、DNA一藥物、細(xì)

6、胞一藥物、細(xì)菌一藥物、抗體一抗原、手性分子-手性選擇劑等。 第三，按照主客體分子間相互作用的方式分類，包括范德華力、親水一疏水相互作用、靜電力和氫鍵等。 第四，按照相互作用體系中組分的多少，可將體系分為受體一配體的“一對一的簡單相互作用體系和“一對多”或“多對多”的復(fù)雜相互作用體系。后者在自然界中的存在更為普遍，如生物體系、復(fù)方中藥體系、環(huán)境體系等，直接涉及到生命科學(xué)和人類賴以生存的環(huán)境科學(xué)。 分子間相互作用研究的方法及特點： 從理論上說，只要分子間的相互作用可引起體系某種性質(zhì)的改變，包括物理的、化學(xué)的、生物的性質(zhì)，且這種性質(zhì)的改變可通過某些手段得以檢測，則這種相互作用就可以被研究和利

7、用，也可通過體系性質(zhì)或行為的改變，建立新的研究方法。目前研究主客體間相互作用的常用方法有:光譜法(包括熒光、紫外一可見、紅外、拉曼、圓二色性光譜法等)、[4]親和液相色譜法、毛細(xì)管電泳法、平衡透析法、電化學(xué)方法、核磁共振技術(shù)、計算機分子對接模擬技術(shù)等。 熒光光譜法[5]是近年來研究分子間尤其是藥物分子與蛋白質(zhì)/核酸分子間相互作用的重要手段。熒光光譜包括熒光激發(fā)和熒光發(fā)射光譜，通常是指物質(zhì)吸收了較短波長的電磁輻射后，電子被激發(fā)躍遷至較高單線態(tài)能級，再返回到基態(tài)時所產(chǎn)生的較長波長的特征發(fā)射光譜。通常有熒光碎滅法、熒光增強法和熒光偏振法三種方法，其中熒光碎滅法最常用，包括動態(tài)碎滅和靜態(tài)碎滅兩種方式

8、。 熒光光譜法具有實驗操作簡單方便、數(shù)據(jù)處理相對容易、信息量大、結(jié)果可靠、方法較成熟等諸多優(yōu)點，其他技術(shù)與方法所得的結(jié)果一般都需要與熒光光譜法所得到的實驗結(jié)果相比較。但此法對研究物質(zhì)的純度要求較高，研究體系必須是純的單組分之間的相互作用，且必須有熒光光譜信號的變化，而某些共存物質(zhì)光譜信號干擾較大，對復(fù)雜體系(如復(fù)雜中藥體系)的研究有一定的局限[6]。 近年來熒光聯(lián)合其他技術(shù)的分析越來越多，使得藥物分子和DNA、蛋白質(zhì)等大分子間的相互作用的研究方法和理論不斷發(fā)展 基于有些主體分子與客體分子作用后的吸收光譜會有一定程度改變，紫外一可見吸收光譜法可應(yīng)用于主客體分子間相互作用的研究中。發(fā)生作用前

9、后吸收光譜的變化過程可反映受體一配體雙方結(jié)構(gòu)和構(gòu)象變化的動態(tài)過程。如某些藥物分子與蛋白質(zhì)或DNA發(fā)生相互作用時，會導(dǎo)致它們的固有吸收峰強度、峰形或峰位發(fā)生變化，吸收光譜的減色效應(yīng)和增色效應(yīng)是與其雙螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)的特有的光譜性質(zhì)，通過UV光譜性質(zhì)的檢測可直觀表明主客體分子之間是否相互作用。如在研究藥物與DNA作用時，增色意味著DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，而吸收譜帶紅移或減色效應(yīng)則是DNA分子軸向收縮和構(gòu)象變化的結(jié)果，據(jù)此可判斷藥物分子與DNA的作用模式。 紫外一可見吸收光譜法具有設(shè)備簡單，操作方便，實驗室易普及等諸多優(yōu)點，目前已成為研究小分子與大分子相互作用的常用技術(shù)。但由于某些藥物分子本身具有生

10、色團，其吸收與生物大分子的吸收存在重疊的可能性，在光譜特征的判斷和相互作用的機理分析中存在一定的困難。因此，在實際分析中往往需要將此方法與其他方法如熒光法、化學(xué)計量學(xué)方法等相結(jié)合。 圓二色性光譜法，當(dāng)平面偏振光進(jìn)入某些物質(zhì)傳播時，如果出射光的偏振面相對于入射光的偏振面有一定的角度差時，則這種物質(zhì)被稱為光學(xué)活性物質(zhì)，這種物質(zhì)還可能存在光吸收各向異性，即對左旋和右旋兩種圓偏振光的吸收率不同，從而使平面偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，此效應(yīng)稱為圓二色性。生物大分子的光學(xué)活性來源于其結(jié)構(gòu)的不對稱或手性碳原子以及這些碳原子對附近生色團的影響，這與其生物活性也有著密切的關(guān)系。CD法就是基于待測樣品的圓二色性與波長

11、之間的關(guān)系測定分子不對稱結(jié)構(gòu)的光譜分析法，在分子生物學(xué)領(lǐng)域中主要應(yīng)用于鋇g定蛋白質(zhì)、核酸及多糖等的立體結(jié)構(gòu)信息。CD法是研究蛋白質(zhì)三維二級結(jié)構(gòu)的非常重要的手段之一，通過CD可靈敏地觀察到加入藥物分子前后蛋白質(zhì)遠(yuǎn)紫外區(qū) CD光譜(反映骨架膚鏈的構(gòu)象)的變化，進(jìn)而可直觀了解藥物分子與蛋白質(zhì)作用對蛋白分子二級結(jié)構(gòu)的影響。目前，CD已拓展到真空圓二色譜和磁圓二色譜技術(shù)，在磁場的作用下可使CD信號增大幾個數(shù)量級或原來沒有光學(xué)活性的物質(zhì)產(chǎn)生光學(xué)活性，大大提高測量靈敏度和測量范圍。金景、劉一等利用CD、紫外光譜及熒光光譜分別研究了維生素B12、石吊蘭素與HSA的相互作用，表明二藥物可以和蛋白質(zhì)相互作用，但不

12、改變蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)。 藥物一主體分子間相互作用： 藥物分子—DNA。脫氧核糖核酸( DNA) [7]是生物體內(nèi)遺傳信息的載體物質(zhì)。不言而喻，DNA在生物的生長、繁殖、遺傳、變異和轉(zhuǎn)化等過程中起著重要作用，在生命科學(xué)研究中具有重要的地位。據(jù)文獻(xiàn)報道，抗癌藥物分子進(jìn)入體內(nèi)作用的主要靶標(biāo)是DNA，它們通過與癌細(xì)胞或病毒的DNA發(fā)生相互作用而破壞其結(jié)構(gòu)，從而程度影響DNA的復(fù)制和合成等，進(jìn)而抑制癌細(xì)胞的惡性生長。因此，藥物小分子與DNA間相互作用研究是臨床醫(yī)學(xué)和藥學(xué)等研究工作者共同關(guān)注和感興趣的課題，此類研究對于闡明藥物的作用機制、某些疾病的致病機理、以藥物分子為探針更方便的檢測DNA,指導(dǎo)新藥

13、設(shè)計，尤其是藥物的初步體外篩選和指導(dǎo)功能分子的合成等都具有很重要的研究意義。藥物分子一DNA的作用模式主要有3種：非共價結(jié)合、共價鍵結(jié)合和剪切作用。目前普遍認(rèn)為藥物分子與DNA以非共價結(jié)合為主。非共價結(jié)合包括嵌插作用、溝槽結(jié)合和靜電作用，其中嵌插作用研究最多。影響藥物嵌插方式的因素很多，如DNA的結(jié)構(gòu)、化合物的形狀、插入基團、取代基的空間位阻差異等。藥物小分子化合物與DNA作用，可以同時存在一種或幾種基本的作用方式，常常會誘發(fā)許多生物效應(yīng)，阻礙DNA信息的正常表達(dá)。同時，三種作用模式還憑籍分子間弱相互作用力而加強。 目前采用不同手段結(jié)合超分子化學(xué)理念，研究藥物及其配合物與DNA的作用機理日趨

14、廣泛和深入。 藥物分子一蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)[8]是生命體的重要組成物質(zhì)，是生物體內(nèi)一切細(xì)胞的基本構(gòu)成物質(zhì)，可充當(dāng)藥物分子、維生素、礦物質(zhì)與微量元素的載體，是基因表達(dá)和生命活動的執(zhí)行物質(zhì)，具有催化、運輸、保護、防御、免疫、調(diào)節(jié)等生理功能。以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，從分子水平上認(rèn)識和研究生命現(xiàn)象，己成為現(xiàn)代生命科學(xué)發(fā)展的主要方向之一。蛋白質(zhì)是由20種氨基酸通過膚鍵和不同方式形成的生物大分子，有較復(fù)雜的四級結(jié)構(gòu)。維系蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的作用力主要有二硫鍵、酉旨鍵、離子鍵、配位鍵、氫鍵、范德華力、疏水作用等。藥物分子通常主要通過疏水作用進(jìn)人蛋白質(zhì)疏水腔而與之結(jié)合由于蛋白分子中存在酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸等芳香族

15、氨基酸殘基，使得蛋白分子具有一定的內(nèi)源熒光和紫外吸收等。 血清白蛋白[9]的一個重要特征是具有結(jié)合正常的代謝產(chǎn)物(如長鏈脂肪酸、類固醇、膽紅素等)和很多外來的非生物物質(zhì)(如藥物)以及一些激素等。因此血清白蛋白是血漿中含量最豐富的載體蛋白和重要的運輸?shù)鞍?，可以同許多內(nèi)源性和外源性物質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生一定的相互作用，從而起到存儲和轉(zhuǎn)運內(nèi)源代謝產(chǎn)物和外源藥物分子的作用。就這樣，藥物通過血漿的貯存和運輸?shù)竭_(dá)受體部位產(chǎn)生藥理作用;同時藥物與蛋白的作用方式和作用力大小也影響到藥物在體內(nèi)的運輸、分布、清除，基于此可通過改變游離型藥物濃度來改善藥效。因此，對于闡明藥物的作用機制具有非常重要的意義。 近年來，由于藥

16、物的種類繁多且不斷更新，藥物與蛋白的相互作用很容易受體內(nèi)條件的影響而導(dǎo)致個體差異較大，又有很多不同的研究方法，同一藥物用不同的手段研究的結(jié)果有可能會截然不同，蛋白的種類也較多等[10]，以上這些原因，使得藥物與蛋白的相互作用研究成為一項復(fù)雜、艱巨而偉大的任務(wù)。因此，目前有不少研究者致力于開發(fā)研究新方法，通過不同的手段研究并比較研究結(jié)果是否一致，根據(jù)實驗結(jié)果對藥物進(jìn)行篩選、結(jié)構(gòu)修飾和改性，指導(dǎo)臨床合理用藥等。 盡管主客體分子間相互作用這一研究課題已進(jìn)行了很多年，但是由于新藥不斷的應(yīng)用于臨床，也不乏一些舊藥物在使用過程中出現(xiàn)新問題;新型化合物不斷涌現(xiàn)和其新性能、新用途、新領(lǐng)域的不斷開發(fā)和使用，都

17、需要科研工作者對這些物質(zhì)與生物體及生物大分子的結(jié)合機理進(jìn)行研究，預(yù)測評估可能產(chǎn)生的影響，為更好的發(fā)揮這些材料的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實驗參考。因此深入研究這一領(lǐng)域仍然具有十分重要的現(xiàn)實意義。 總之，這一領(lǐng)域的研究不僅為分析化學(xué)開辟了一個極具潛力的研究領(lǐng)域，而且促進(jìn)了人類對生物體內(nèi)物質(zhì)間相互作用信息、能量傳遞及轉(zhuǎn)換過程的更加深入了解。相信在生物學(xué)、仿生學(xué)等學(xué)科的有力推動與滲透下，這一研究從理論上將日臻完善，從分析方法上將不斷更新，必將促進(jìn)生命科學(xué)與分析化學(xué)的共同發(fā)展。 參考文獻(xiàn)： [1] 陳艷晶. 殼聚糖和藥物分子與生物大分子相互作用

18、及其分析應(yīng)用的研究[D].山東大學(xué),2007. [2] 藥物與生物大分子相互作用的研究[D]. 喬春玉.吉林大學(xué) 2009. [3] 高蘇亞. 藥物分子與生物相關(guān)物質(zhì)相互作用的方法學(xué)研究及其在藥物分析中的應(yīng)用[D].西北大學(xué),2012. [4] 高效親和色譜法測定丹皮酚與固定化人血清白蛋白結(jié)合域[J]. 于雪,張君才,衛(wèi)引茂. 色譜. 2010(07). [5] 熒光光譜法研究雙醋瑞因與人血清白蛋白的相互作用[J]. 呂茜茜,高蘇亞,夏冬輝,李華. 應(yīng)用化學(xué). 2011(07). [6] 熒光光譜法研究幾種藥物小分子與人血清白蛋白的相互作用[D]. 呂茜茜.西北大學(xué) 2011. [7] 卓琳. 黃酮類化合物及其配合物與DNA的相互作用研究[D].西北師范大學(xué),2004. [8] 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)[M]. 清華大學(xué)出版社 , 閻隆飛,孫之榮主編, 1999. [9] 藥物—人血清白蛋白相互作用的毛細(xì)管電泳法研究[D]. 何攀.河北大學(xué) 2009. [10] 某些中藥活性組分與蛋白質(zhì)相互作用研究[D]. 李金華.蘭州大學(xué) 2009.