数据库搜索技术

目前数据库搜寻方法分为两类：一类是基于配体的，即根据药效基团模型进行三维结构数据库搜寻。另一类方法是基于受体的，也称为分子对接法。

7.4.1 三维结构数据库搜索

该类方法一般需先建立一系列活性分子的药效构象，提取出共有的药效基团，进而在现有的数据库中寻找符合药效基团模型的化合物。药效团最重要的应用是作为提问结构搜索三维结构数据库，找出数据库中含有药效团的化合物，如果经实验证实其中某些结构新颖的化合物确实有活性，则意味着先导化合物的发现。

7.4.1.1 药效团识别

三维结构数据库和搜索软件是三维结构数据库搜索技术不可缺少的两大要素。三维结构数据库是指收集大量有机及生物分子立体结构信息的数据库。它包括分子的低能构象和柔性构象等量子化学参数等。早期的三维结构数据库信息只能来源于晶体实验。由于近几年分子生物学、核磁共振、多维核磁共振、X射线晶体学的发展，同步辐射源的应用大大提高了测定蛋白质分子三维结构的能力，越来越多的蛋白质结构得到了解析。

采用三维结构数据库搜索，确定先导化合物的第一步就是首先选定一个药效团结构作为提问结构，接着输入到三维结构搜索系统，在三维数据库中搜索含有该药效团的分子作为命中结构。但命中结构还不是先导化合物，这是因为在庞大的三维结构数据库中可能会有成百上千的分子具有药效团相同的结构，所以还需进一步筛选，从众多的命中结构中找到有库存或可以购买得到且含有必需的疏水区范围的样品，进行生物活性测定。从生物活性测定结果的比较中，选出活性最高的物质作为先导化合物。使用这一方法设计先导化合物的前提条件是先确定药效团，并以此为提问结构去搜索与之相同的基团或分子。药效团是指具有某种生物活性所必需的结构特征及其空间排列方式的物质分子。到目前为止，药效团可以通过以下两种方法得到：①在受体结构已知的情况下，分析受体的作用点和形状，根据形状互补和作用位点互补原则反推出配体的特征结构和形状作为药效团；②受体结构或作用机制不清楚的情况下，对一系列活性化合物进行结构-关系研究，并结合构象分析、经验猜测等手段，总结出一些对活性关系至关重要的原子基团或空间结构作为药效团。

7.4.1.2 子结构匹配

目前，数据库中对于提问结构的匹配算法一般采用子结构匹配的方法。对于给定的两个分子，其结构关系有如下三种（见表7-5）：全结构匹配，子结构匹配或最大共同结构。

表7-5 结构关系

在子结构匹配方法中，一般把分子结构看做有色图，原子看做图中结点，原子类型看做结点颜色，键看做图中边，键的类型看做边的颜色。子结构匹配的类型有：原子类型的匹配；键类型匹配；全匹配（包括原子类型和键类型）；拓扑匹配（忽略原子类型或键类型）等。在全结构匹配中，目标图和提问题的邻接度必须相等。在子结构匹配中，提问图的邻接度不能大于目标图的邻接度。

子结构匹配算法一般有以下几种：回溯法（back-tracking）、划分-松弛法（parti-tioningandrelaxation）和筛分法（screening）。其中回溯法最为有效，并且许多优化的回溯方法如VF算法等应用更为广泛。

7.4.1.3 搜索软件

三维搜索软件是必不可少的搜索工具，该类方法中比较著名的软件有Cata-lyst、DISCO和GASP（见表7-6），这三者的主要区别在于分子柔性的处理以及药物特征的叠合。

表7-6 著名软件

（续表）

7.4.2 分子对接法

分子对接，即将小分子配体对接到受体的活性位点并搜寻其合理的取向和构象。使得配体与受体的形状和相互作用的匹配最佳。在药物设计中，分子对接法主要用来从化合物数据库中搜寻与受体生物大分子有较好亲和力的小分子，从而发现全新的先导化合物。分子对接法由于从整体上考虑配体与受体的结合效果，所以能较好地避免其他方法中容易出现的局部作用较好、整体结合欠佳的情况。目前具有代表性的分子对接软件主要有DOCK、Flex X和GOLD。

按照受体与配体形状互补、性质互补的原则对于与疾病相关的受体按其提问结构在三维小分子数据库直接搜索可能的配体，并将它放置在受体的活性位点处，寻找其合理的放置取向和构象。使得配体与受体形状互补、性质互补为最佳匹配，这就是分子对接。分子对接的目的是在小分子化学数据库中，通过对接搜寻与生物大分子产生较强生物活性的小分子，从而发现药物的先导化合物。

在小分子结构数据库中所存储的小分子构象一般是它的某种低能构象，但是药物分子与受体相互作用产生生物活性的构象通常不一定是这个低能构象。对于配体分子由于可旋转单键的旋转构成不同的构象。柔性配体由此得名。如果在三维结构数据库搜索中只考虑配体分子的存储构象，这就意味着对配体分子不考虑可旋转单键的旋转。假定分子是刚性的，这样的搜索操作就很可能漏掉一些分子。对于这些分子，虽然它们的存储构象并不满足提问结构药效作用的化学基团的理化性质和空间限制，但是在与受体对接时却能够诱导为满足空间限制的构象。所以，考虑分子单键旋转的柔性构象搜索是三维小分子结构数据库搜索不可缺少的步骤。