藥物分子與生物相關物質(zhì)相互作用的方法學研究及其在藥物分析中的應用學院：生命科學學院 班級：2014級生科（1）班 姓名：胡瑞瑞 學號：2014506066藥物分子與生物相關物質(zhì)相互作用的方法學研究及其在藥物分析中的應用藥物分子與生物相關物質(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,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。在生物學中，分子間相互作用1是形成高度專一性識別、反應、調(diào)控、運輸?shù)冗^程的基礎。諸如底物與受體蛋白的結合識別、酶反應，分子信息的讀出、免疫學的抗體一抗原結合、DNA結合蛋白的基因表達的調(diào)控、基因編碼的翻譯和轉(zhuǎn)錄、病毒進入細胞及細胞識別等。當然這些過程在化學體系、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物種通過分子或局部間的弱相互作用力選擇性結合或位點識別，均可看成此領域研究的范疇。故主客體相互作用研究的領域已經(jīng)滲透到包括生命科學、環(huán)境科學、分子生物學、配位化學、超分子化學等前沿領域。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的、化學的、物理化學的、分子生物學等性質(zhì)的變化信息，從而對受體和配體之間的相互作用進行表征與測量。受體與配體之間相互作用的表達方式有多種，包括結合的配比、結合常數(shù)、結合位點、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)之一要算結合常數(shù)。從廣義上說，主客體的相互作用相當于各層次的物質(zhì)間各種力的相互關系，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。在藥學和細胞生物學等研究領域中，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行預測和對污染物毒性進行評價。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、藥理學和藥效學等研究中得到廣泛應用。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行和生理功能得以正常發(fā)揮的基礎。因此，復雜體系的相互作用研究將會在生命科學具有極其重要的價值，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合常數(shù)足夠大，二者的結合為不可逆結合或其解離是慢速的平衡過程，以致可以對結合物濃度進行準確測定。相反，后者通常指作用雙方的結合常數(shù)較小，平衡體系中配體、受體、結合物三者共存;該平衡是可逆的快速解離平衡，結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、細胞一藥物、細菌一藥物、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、復方中藥體系、環(huán)境體系等，直接涉及到生命科學和人類賴以生存的環(huán)境科學。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、毛細管電泳法、平衡透析法、電化學方法、核磁共振技術、計算機分子對接模擬技術等。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。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、結果可靠、方法較成熟等諸多優(yōu)點，其他技術與方法所得的結果一般都需要與熒光光譜法所得到的實驗結果相比較。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，對復雜體系(如復雜中藥體系)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用于主客體分子間相互作用的研究中。發(fā)生作用前后吸收光譜的變化過程可反映受體一配體雙方結構和構象變化的動態(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和增色效應是與其雙螺旋結構有關的特有的光譜性質(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的雙螺旋結構被破壞，而吸收譜帶紅移或減色效應則是DNA分子軸向收縮和構象變化的結果，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。但由于某些藥物分子本身具有生色團，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、化學計量學方法等相結合。圓二色性光譜法，當平面偏振光進入某些物質(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，此效應稱為圓二色性。生物大分子的光學活性來源于其結構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系。CD法就是基于待測樣品的圓二色性與波長之間的關系測定分子不對稱結構的光譜分析法，在分子生物學領域中主要應用于鋇g定蛋白質(zhì)、核酸及多糖等的立體結構信息。CD法是研究蛋白質(zhì)三維二級結構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)遠紫外區(qū) CD光譜(反映骨架膚鏈的構象)的變化，進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構的影響。目前，CD已拓展到真空圓二色譜和磁圓二色譜技術，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活性的物質(zhì)產(chǎn)生光學活性，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，但不改變蛋白質(zhì)的二級結構。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，在生命科學研究中具有重要的地位。據(jù)文獻報道，抗癌藥物分子進入體內(nèi)作用的主要靶標是DNA，它們通過與癌細胞或病毒的DNA發(fā)生相互作用而破壞其結構，從而程度影響DNA的復制和合成等，進而抑制癌細胞的惡性生長。因此，藥物小分子與DNA間相互作用研究是臨床醫(yī)學和藥學等研究工作者共同關注和感興趣的課題，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,指導新藥設計，尤其是藥物的初步體外篩選和指導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：非共價結合、共價鍵結合和剪切作用。目前普遍認為藥物分子與DNA以非共價結合為主。非共價結合包括嵌插作用、溝槽結合和靜電作用，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的結構、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，阻礙DNA信息的正常表達。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合超分子化學理念，研究藥物及其配合物與DNA的作用機理日趨廣泛和深入。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)一切細胞的基本構成物質(zhì)，可充當藥物分子、維生素、礦物質(zhì)與微量元素的載體，是基因表達和生命活動的執(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)的結構為基礎，從分子水平上認識和研究生命現(xiàn)象，己成為現(xiàn)代生命科學發(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，有較復雜的四級結構。維系蛋白質(zhì)空間構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人蛋白質(zhì)疏水腔而與之結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)鞍祝梢酝S多內(nèi)源性和外源性物質(zhì)結合產(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_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雜、艱巨而偉大的任務。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果是否一致，根據(jù)實驗結果對藥物進行篩選、結構修飾和改性，指導臨床合理用藥等。盡管主客體分子間相互作用這一研究課題已進行了很多年，但是由于新藥不斷的應用于臨床，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、新領域的不斷開發(fā)和使用，都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合機理進行研究，預測評估可能產(chǎn)生的影響，為更好的發(fā)揮這些材料的應用提供理論基礎和實驗參考。因此深入研究這一領域仍然具有十分重要的現(xiàn)實意義。總之，這一領域的研究不僅為分析化學開辟了一個極具潛力的研究領域，而且促進了人類對生物體內(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、仿生學等學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，必將促進生命科學與分析化學的共同發(fā)展。參考文獻：1 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