分子生物学方法研究受体功能

2一把钥匙开一把锁——药物与受体

在研究药物的化学结构与生物活性的关系时，人们发现有些化学结构差异很大的药物，生物活性非常相似；而化学结构十分相似的药物，却表现出不同的药效。药物是如何产生药效的？药物的化学结构与生物活性之间的关连和规律是什么？受体学说就是为了从理论上回答这些问题而创立的学说，它企图从分子和细胞水平上阐明药物小分子和生物大分子的结合和效应。

受体（receptor）概念起源于20世纪初期。早在1878年兰利（Langley）在实验药理的萌芽时期，针对阿托品和毛果芸香碱的拮抗作用首次提出机体有接受物质（receptivesubstance）的概念。1905年在研究箭毒和烟碱对横纹肌松弛和收缩的拮抗作用时，提出二者竞争同一接受物质的设想。

1913年欧利希（Ehrlich）从化学治疗剂的研究中提出了受体概念。他从人体抗原-抗体反应的特异性和专一性中得到启发，并用以解释化学药物的特异性和选择性：化学药物分子具有一定的立体结构如一把钥匙，病原体及宿主细胞具有不同立体结构的“侧链”，像不同的锁一样，只有当二者立体结构互补，才能结合而产生效应。在此基础上提出了化学药物治疗“锁与钥”的概念，将“锁”的部分即存在于生物细胞并能与化学治疗剂专一性结合并引起效应的重要功能蛋白称为受体。

自从提出药物“受体”的概念以来，并不断深入对其研究，通过几十年的发展，配基（药物）与受体结合的基本特征可归纳为：①受体具有识别特异配基的能力，其识别的基础是两者化学结构和空间结构互补。②配基与受体结合后方可引发生物效应，其结合具有特异性、饱和性和可逆性的特点。③与受体结合的配基，其生物效应可分为激动剂和拮抗剂。

1975年科思（Cohen）等采用同位素标记的特异性配基示踪，从电鳗的电层细胞中分离纯化得到乙酰胆碱受体，这一成果使受体从推理的概念变为解剖的实体。随着受体的分离，研究受体的方法和技术的发展，使受体学说在新药设计及新药筛选等方面得到广泛的应用。

大多数药物的受体结构是未知的，在这种情况下的药物设计是以系列化合物的结构与活性间的关系作为基础和依据。现今通用的方法是对各个药物分子骨架、杂原子和功能基的种类和配置在三维空间加以比较，用计算机图形学把多个分子按照一定的程序设定在同一空间并重叠起来，从结构的类似程度与药理活性强度的变化规律，演绎出与这类分子与受体相互作用的理化环境、空间结构的样式以及药物在受体处占有的空间。

用分子力场法和分子轨道法可以对药物分子的构象进行能量最优化计算，从而确定药物分子的一系列结构参数，在一定程度上反映出受体的结构。虽然每个药物分子只是部分地反映了受体的结构，但一系列药物分子包括构象在内的结构信息集合起来，就比较完全地反映出受体的结合形状，并由此推导出产生活性所必需的结构因素和相对位置，即与药物分子结合部位的大小、形状、疏水/亲水区域、表面静电势、氢键、离子键等三维信息，这对设计出新的活性更强的化合物，有良好的指导作用。

由于蛋白质化学和生物大分子分离纯化技术的进步，X射线结晶学与磁共振测定技术的发展，许多复杂蛋白质结构及其复合物的立体结构逐渐被解析。已知的受体结构信息为药物设计提供了可靠的分子模型和依据。受体蛋白可视作主体分子，配体为客体分子，根据受体的三维结构进行药物设计的最常用的方法是“到客研究”（dockingstudy）。到客（docking）英文意思是对接，所谓“到客研究”，是指配体与受体分子识别和结合的模拟过程，多是模拟最稳定的复合物结构，模拟的内容包括客体分子与蛋白形成复合物的结构、稳定性、结合方式以及客体分子的活性构象。研究的方法通常是通过计算化学和图形学，将X射线解析的蛋白质-配体复合物的结构中去掉配体，代之以“放入”其他“客体”分子，进行模拟计算，该分子应有已知的三维结构，并且结构的配置使功能基和（或）杂原子与受体结合部位相匹配，经分子力学计算，得到相互作用能。如果该结合作用趋于稳定，则有可能成为候选化合物。适合于到客研究的程序和数据库有许多种，通过研究结合的样式和稳定性，可以认定各个功能基在结合过程中的作用，参与结合的亚结构及亚结构特征，并且也可了解分子中哪些结构部分不参与结合，从而允许进行较大的分子变换。

在药物设计中，先导化合物的产生往往比先导化合物的优化更为重要，而且更困难。根据已知受体的结构，用计算机产生先导物，主要有两种方法：一是数据库搜寻法，另一是从头建造法。从已知化合物的三维结构数据库，搜寻与受体部位形状呈互补和结构匹配的分子，对于发现先导物是非常有用的。但是为包括尽可能多的结构类型，根据受体结构用计算机建造新的化合物则是个重要补充。结构建造法产生的先导物骨架可能是全新的。从理论上讲，用这个方法得到的化合物与受体之间相互作用的优势和稳定性，应比从数据库中搜寻的结构要好。

受体的研究方兴未艾，分子生物学技术正在进入受体研究领域。利用分离和鉴定基因编码和效应器分子的研究，发现许多迄今尚未认识的受体。利用分离的细胞系表达克隆的人类受体进行高效筛选药物的方法已达实用阶段，将代替现行用富含某种受体的动物组织进行受体亲和力试验的方法，以克服后者的不足。这种新技术的应用将大大促进作用于受体药物的研究。