生物信息學在藥物設計中的應用

宋曉航 華中師范大學第一附屬中學

生物信息學在藥物設計中的應用

宋曉航 華中師范大學第一附屬中學

生物信息學作為一個綜合性的交叉學科，運用了生物、數學、物理、信息科學及計算機科學等領域的理論知識。隨著互聯網技術的飛速發展以及生物信息數據庫的建立與完善，生物信息學的發展也加快了進程。如今生物信息學被廣泛應用于基因疾病診斷、蛋白質結構預測等方面，在藥物設計中也扮演著重要角色。

生物信息學 受體 藥物設計

隨著對于基因中遺傳信息研究的日益深入，人們逐漸掌握了基因表達的規律，這也為人們分析推測蛋白質結構提供了理論基礎。而針對受體蛋白質的特異性進行藥物的開發可以提高藥物的靶向性，顯著提升藥物療效并縮短研發周期，本文將結合我們在高中所學知識對這一問題加以探究。

1 生物信息學基礎

通過高中的生物學習我們了解到，人類的遺傳信息存儲于DNA之中，DNA是脫氧核糖核苷酸長鏈，是由四種脫氧核糖核苷酸組成的雙螺旋結構，四種脫氧核糖核苷酸的排列順序中就包含了遺傳信息。遺傳信息的表達則是DNA分子通過局部解螺旋，與細胞之內游離的核糖核苷酸進行配對，使核糖核苷酸按照特定序列進行排列，形成核糖核苷酸長鏈，我們稱之為信使RNA，即mRNA，來完成遺傳信息轉錄。之后信使RNA從核孔進入到細胞質之中，信使RNA首先與細胞質中的核糖體結合，之后啟動翻譯，tRNA與mRNA配對并轉運相應的氨基酸，氨基酸之間再通過肽鍵相連形成多肽。每個mRNA在翻譯之后都會形成特定的多肽，多肽之間進一步結合并折疊形成特殊的空間結構就生成了蛋白質，基因表達得以完成。

目前隨著人們對于基因科技的研究，早已發現了轉運RNA密碼子與其所攜帶氨基酸之間的聯系，這樣就可以通過DNA分子中脫氧核糖核苷酸的排列順序來推測蛋白質的氨基酸序列，進一步推測蛋白質結構。部分遺傳疾病也可以通過異常的蛋白質氨基酸順序來推測DNA分子缺陷，通過基因檢測來進行檢查。但是DNA分子中參與蛋白質合成的只是其中一小部分，我們把這部分遺傳信息稱為編碼區，在非編碼區中同樣也包含了大量遺傳信息。之前人們對于非編碼區的遺傳信息作用不是很了解，但近年來通過研究發現了非編碼區基因與蛋白質的空間結構間的聯系，可以更好地推測蛋白質的空間結構。

可DNA中的遺傳信息量太過龐大，對于遺傳信息的分析無疑是一件繁重的工作。不過隨著信息化技術的發展，生物遺傳信息數據庫的逐步完善，生物信息學目前可以結合數學、物理等理論對遺傳信息數據進行快速全面的分析，也在各個領域得到了廣泛應用。

2 生物信息學在藥物設計中的應用

以往的藥物設計，是基于動物的組織結構來篩選合適的藥理模型，之后再在自然界中尋找或者通過人工合成來獲得合適的先導物。在這之后對于先導物的結構進行優化，直到藥物達到臨床使用要求。這種方式研制出的藥物雖然療效可以得到保證，但是研發周期長且研發資金消耗巨大，對于新出現的因難雜癥也缺乏快速解決手段，局限性較大。

區別于以往先確定藥理模型再篩選先導物的模式，利用生物信息學可以通過對于受體的結構分析來設計出合適的先導體，再以此為基礎進行藥物的設計研制。

生物信息學可以通過對于受體細胞的結構分析來確定能與之特異性結合的分子結構，并以此結構作為先導體主要結構進行接下來的藥物設計。之后可以對數據庫之中活性分子的藥效構象進行分析，確定藥效基團模型，并在數據庫之中搜尋具有相關構象的化合物。然后將具有藥效的活性分子結構與先導體結構進行結合，完成藥物設計。這一結合過程可以通過分析篩選出適宜的兩個分子進行對接，也可以通過電腦計算通過先導物分子的逐步延長完成活性部分的合成。這兩種過程都可以設計出易與受體結合且具有藥效的新型藥物，相較于以往的藥物設計方法不僅耗時短，而且靶向型更強，對于新的疑難雜癥也具備快速解決的能力，大大提升了藥物設計的效率。

而且在藥物設計中通過對于基因遺傳信息的分析也可以對藥物可能帶來的毒副作用進行分析并加以規避。同時對于數據庫中患者信息的分析也能更好掌握藥品受眾與市場，對于藥品設計規劃起到指導意義。

3 結束語

目前藥物設計存在設計周期長、適用范圍小、研發資金高等問題。利用生物信息學對受體結構進行分析確定先導體結構，進而進行藥物設計可以有效解決上述問題。而且通過生物信息學對于基因的分析還能提前分析藥物毒副作用，減少藥物對人體影響。可見運用生物信息學進行藥物設計擁有光明的前景，將成為未來的主流。以上就是我們對于生物信息學在藥物設計中應用的探究成果，對于其中超出了高中所學的范圍的生物知識需要我們在日后的學習中加強課外拓展研究，做到更加深入全面的了解。

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