1、药物分子与生物相关物质相互作用的方法学研究及其在药物分析中的应用学院：生命科学学院班级：2014 级生科（1）班姓名：胡瑞瑞学号：2014506066药物分子与生物相关物质相互作用的方法学研究及其在药物分析中的应用药物分子与生物相关物质之间的相互作用研究具有非常重要的意义。随着研究者研究水平的不断提高,分析仪器的不断更新和新药的不断问世,药物与生物分子之间的研究方法也在不断的增多和更新。本论文主要包括分子间相互作用研究的重要意义,分子间相互作用的体系分类，分子间相互作用研究的方法及特点,药物分子与生物相关物质间相互作用。分子间相互作用的研究意义：分子一旦形成后就处于其间相互作用的力场之中，而这
2、种力场在很大程度上会影响物质的性质和功能。在生物学中，分子间相互作用1是形成高度专一性识别、反应、调控、运输等过程的基础。诸如底物与受体蛋白的结合识别、酶反应，分子信息的读出、免疫学的抗体一抗原结合、DNA 结合蛋白的基因表达的调控、基因编码的翻译和转录、病毒进入细胞及细胞识别等。当然这些过程在化学体系、环境体系中也广泛存在，涉及金属离子一配体、酸一碱、细菌一药物、污染物等诸多方面，只要研究的内容涉及两个或多个化学物种通过分子或局部间的弱相互作用力选择性结合或位点识别，均可看成此领域研究的范畴。故主客体相互作用研究的领域已经渗透到包括生命科学、环境科学、分子生物学、配位化学、超分子化学等前沿领
3、域。相互作用的一方通常被称为受体(主体)，另一方被称为配体(客体)。相互作用研究则是获得受体与配体之间相互作用前后生物学的、化学的、物理化学的、分子生物学等性质的变化信息，从而对受体和配体之间的相互作用进行表征与测量。受体与配体之间相互作用的表达方式有多种，包括结合的配比、结合常数、结合位点、作用方式、自由能变等参数，其中表征相互作用强弱最重要的参数之一要算结合常数。从广义上说，主客体的相互作用相当于各层次的物质间各种力的相互关系，包括小分子之间、大分子之间、小分子与大分子及分子组装体之间的结合。其相互作用方式包括共价作用和非共价作用，其中非共价键力的弱相互作用力包括范德华力、亲水一疏水相互作
4、用、静电力和氢键等。在药学和细胞生物学等研究领域中，测量分子间相互作用的强弱也是一个重要的研究内容，由此可对药物药效进行预测和对污染物毒性进行评价。因此，分子间相互作用研究有望在新药筛选、污染物毒性评价、药理学和药效学等研究中得到广泛应用。另外，2分子间相互作用在一定程度上影响到生物大分子的生理作用，是各种生理活动得以正常进行和生理功能得以正常发挥的基础。因此，复杂体系的相互作用研究将会在生命科学具有极其重要的价值，也是人类探索生命奥秘的一个着眼点，对揭示生命现象的本质具有深远意义。分子间相互作用的体系分类3大体归纳为如下几类:第一，按照分子间相互作用力的大小，可将体系分为强相互作用体系和弱相
5、互作用体系。前者通常是指配体一受体间的结合常数足够大，二者的结合为不可逆结合或其解离是慢速的平衡过程，以致可以对结合物浓度进行准确测定。相反，后者通常指作用双方的结合常数较小，平衡体系中配体、受体、结合物三者共存;该平衡是可逆的快速解离平衡，结合物的浓度通常会随外界条件的改变而改变第二，按照相互作用通常研究的应用对象，可将体系分为蛋白质一蛋白质、蛋白质-糖、蛋白质一药物小分子、DNA 一药物、细胞一药物、细菌一药物、抗体一抗原、手性分子-手性选择剂等。第三，按照主客体分子间相互作用的方式分类，包括范德华力、亲水一疏水相互作用、静电力和氢键等。第四，按照相互作用体系中组分的多少，可将体系分为受体
6、一配体的“一对一的简单相互作用体系和“一对多”或“多对多”的复杂相互作用体系。后者在自然界中的存在更为普遍，如生物体系、复方中药体系、环境体系等，直接涉及到生命科学和人类赖以生存的环境科学。分子间相互作用研究的方法及特点：从理论上说，只要分子间的相互作用可引起体系某种性质的改变，包括物理的、化学的、生物的性质，且这种性质的改变可通过某些手段得以检测，则这种相互作用就可以被研究和利用，也可通过体系性质或行为的改变，建立新的研究方法。目前研究主客体间相互作用的常用方法有:光谱法(包括荧光、紫外一可见、红外、拉曼、圆二色性光谱法等)、4亲和液相色谱法、毛细管电泳法、平衡透析法、电化学方法、核磁共振技
7、术、计算机分子对接模拟技术等。荧光光谱法5是近年来研究分子间尤其是药物分子与蛋白质/核酸分子间相互作用的重要手段。荧光光谱包括荧光激发和荧光发射光谱，通常是指物质吸收了较短波长的电磁辐射后，电子被激发跃迁至较高单线态能级，再返回到基态时所产生的较长波长的特征发射光谱。通常有荧光碎灭法、荧光增强法和荧光偏振法三种方法，其中荧光碎灭法最常用，包括动态碎灭和静态碎灭两种方式。荧光光谱法具有实验操作简单方便、数据处理相对容易、信息量大、结果可靠、方法较成熟等诸多优点，其他技术与方法所得的结果一般都需要与荧光光谱法所得到的实验结果相比较。但此法对研究物质的纯度要求较高，研究体系必须是纯的单组分之间的相互
8、作用，且必须有荧光光谱信号的变化，而某些共存物质光谱信号干扰较大，对复杂体系(如复杂中药体系)的研究有一定的局限6。近年来荧光联合其他技术的分析越来越多，使得药物分子和 DNA、蛋白质等大分子间的相互作用的研究方法和理论不断发展基于有些主体分子与客体分子作用后的吸收光谱会有一定程度改变，紫外一可见吸收光谱法可应用于主客体分子间相互作用的研究中。发生作用前后吸收光谱的变化过程可反映受体一配体双方结构和构象变化的动态过程。如某些药物分子与蛋白质或 DNA 发生相互作用时，会导致它们的固有吸收峰强度、峰形或峰位发生变化，吸收光谱的减色效应和增色效应是与其双螺旋结构有关的特有的光谱性质，通过 UV 光
9、谱性质的检测可直观表明主客体分子之间是否相互作用。如在研究药物与 DNA 作用时，增色意味着 DNA 的双螺旋结构被破坏，而吸收谱带红移或减色效应则是 DNA 分子轴向收缩和构象变化的结果，据此可判断药物分子与 DNA 的作用模式。紫外一可见吸收光谱法具有设备简单，操作方便，实验室易普及等诸多优点，目前已成为研究小分子与大分子相互作用的常用技术。但由于某些药物分子本身具有生色团，其吸收与生物大分子的吸收存在重叠的可能性，在光谱特征的判断和相互作用的机理分析中存在一定的困难。因此，在实际分析中往往需要将此方法与其他方法如荧光法、化学计量学方法等相结合。圆二色性光谱法，当平面偏振光进入某些物质传播
10、时，如果出射光的偏振面相对于入射光的偏振面有一定的角度差时，则这种物质被称为光学活性物质，这种物质还可能存在光吸收各向异性，即对左旋和右旋两种圆偏振光的吸收率不同，从而使平面偏振光变为椭圆偏振光，此效应称为圆二色性。生物大分子的光学活性来源于其结构的不对称或手性碳原子以及这些碳原子对附近生色团的影响，这与其生物活性也有着密切的关系。CD 法就是基于待测样品的圆二色性与波长之间的关系测定分子不对称结构的光谱分析法，在分子生物学领域中主要应用于钡 g 定蛋白质、核酸及多糖等的立体结构信息。CD 法是研究蛋白质三维二级结构的非常重要的手段之一，通过 CD 可灵敏地观察到加入药物分子前后蛋白质远紫外区
11、 CD 光谱(反映骨架肤链的构象)的变化，进而可直观了解药物分子与蛋白质作用对蛋白分子二级结构的影响。目前，CD 已拓展到真空圆二色谱和磁圆二色谱技术，在磁场的作用下可使 CD 信号增大几个数量级或原来没有光学活性的物质产生光学活性，大大提高测量灵敏度和测量范围。金景、刘一等利用 CD、紫外光谱及荧光光谱分别研究了维生素 B12、石吊兰素与 HSA 的相互作用，表明二药物可以和蛋白质相互作用，但不改变蛋白质的二级结构。药物一主体分子间相互作用：药物分子DNA。脱氧核糖核酸( DNA) 7是生物体内遗传信息的载体物质。不言而喻，DNA 在生物的生长、繁殖、遗传、变异和转化等过程中起着重要作用，在
12、生命科学研究中具有重要的地位。据文献报道，抗癌药物分子进入体内作用的主要靶标是 DNA，它们通过与癌细胞或病毒的 DNA 发生相互作用而破坏其结构，从而程度影响 DNA 的复制和合成等，进而抑制癌细胞的恶性生长。因此，药物小分子与 DNA 间相互作用研究是临床医学和药学等研究工作者共同关注和感兴趣的课题，此类研究对于阐明药物的作用机制、某些疾病的致病机理、以药物分子为探针更方便的检测 DNA,指导新药设计，尤其是药物的初步体外筛选和指导功能分子的合成等都具有很重要的研究意义。药物分子一 DNA 的作用模式主要有 3 种：非共价结合、共价键结合和剪切作用。目前普遍认为药物分子与 DNA 以非共价
13、结合为主。非共价结合包括嵌插作用、沟槽结合和静电作用，其中嵌插作用研究最多。影响药物嵌插方式的因素很多，如 DNA 的结构、化合物的形状、插入基团、取代基的空间位阻差异等。药物小分子化合物与 DNA 作用，可以同时存在一种或几种基本的作用方式，常常会诱发许多生物效应，阻碍 DNA 信息的正常表达。同时，三种作用模式还凭籍分子间弱相互作用力而加强。目前采用不同手段结合超分子化学理念，研究药物及其配合物与 DNA 的作用机理日趋广泛和深入。药物分子一蛋白质。蛋白质8是生命体的重要组成物质，是生物体内一切细胞的基本构成物质，可充当药物分子、维生素、矿物质与微量元素的载体，是基因表达和生命活动的执行物
14、质，具有催化、运输、保护、防御、免疫、调节等生理功能。以蛋白质的结构为基础，从分子水平上认识和研究生命现象，己成为现代生命科学发展的主要方向之一。蛋白质是由 20 种氨基酸通过肤键和不同方式形成的生物大分子，有较复杂的四级结构。维系蛋白质空间构象的作用力主要有二硫键、酉旨键、离子键、配位键、氢键、范德华力、疏水作用等。药物分子通常主要通过疏水作用进人蛋白质疏水腔而与之结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残基，使得蛋白分子具有一定的内源荧光和紫外吸收等。血清白蛋白9的一个重要特征是具有结合正常的代谢产物(如长链脂肪酸、类固醇、胆红素等)和很多外来的非生物物质(如药物)以及
15、一些激素等。因此血清白蛋白是血浆中含量最丰富的载体蛋白和重要的运输蛋白，可以同许多内源性和外源性物质结合产生一定的相互作用，从而起到存储和转运内源代谢产物和外源药物分子的作用。就这样，药物通过血浆的贮存和运输到达受体部位产生药理作用;同时药物与蛋白的作用方式和作用力大小也影响到药物在体内的运输、分布、清除，基于此可通过改变游离型药物浓度来改善药效。因此，对于阐明药物的作用机制具有非常重要的意义。近年来，由于药物的种类繁多且不断更新，药物与蛋白的相互作用很容易受体内条件的影响而导致个体差异较大，又有很多不同的研究方法，同一药物用不同的手段研究的结果有可能会截然不同，蛋白的种类也较多等10，以上这
16、些原因，使得药物与蛋白的相互作用研究成为一项复杂、艰巨而伟大的任务。因此，目前有不少研究者致力于开发研究新方法，通过不同的手段研究并比较研究结果是否一致，根据实验结果对药物进行筛选、结构修饰和改性，指导临床合理用药等。尽管主客体分子间相互作用这一研究课题已进行了很多年，但是由于新药不断的应用于临床，也不乏一些旧药物在使用过程中出现新问题;新型化合物不断涌现和其新性能、新用途、新领域的不断开发和使用，都需要科研工作者对这些物质与生物体及生物大分子的结合机理进行研究，预测评估可能产生的影响，为更好的发挥这些材料的应用提供理论基础和实验参考。因此深入研究这一领域仍然具有十分重要的现实意义。总之，这一
17、领域的研究不仅为分析化学开辟了一个极具潜力的研究领域，而且促进了人类对生物体内物质间相互作用信息、能量传递及转换过程的更加深入了解。相信在生物学、仿生学等学科的有力推动与渗透下，这一研究从理论上将日臻完善，从分析方法上将不断更新，必将促进生命科学与分析化学的共同发展。参考文献：1 陈艳晶 . 壳聚糖和药物分子与生物大分子相互作用及其分析应用的研究D.山东大学,2007.2 药物与生物大分子相互作用的研究D. 乔春玉.吉林大学 2009.3 高苏亚. 药物分子与生物相关物质相互作用的方法学研究及其在药物分析中的应用D.西北大学,2012.4 高效亲和色谱法测定丹皮酚与固定化人血清白蛋白结合域J. 于雪,张君才,卫引茂. 色谱. 2010(07).5 荧光光谱法研究双醋瑞因与人血清白蛋白的相互作用J. 吕茜茜,高苏亚,夏冬辉,李华. 应用化学. 2011(07).6 荧光光谱法研究几种药物小分子与人血清白蛋白的相互作用D. 吕茜茜.西北大学 2011.7 卓琳 . 黄酮类化合物及其配合物与 DNA 的相互作用研究D.西北师范大学,2004.8 蛋白质分子结构M. 清华大学出版社 , 阎隆飞,孙之荣主编, 1999.9 药物人血清白蛋白相互作用的毛细管电泳法研究D. 何攀.河北大学 2009.10 某些中药活性组分与蛋白质相互作用研究D. 李金华 .兰州大学 2009.
