如何全面分析分子间相互作用1

一说起分子间的相互作用,大家的第一反应往往是亲和力。没错,亲和力确实是判定分子间相互作用的重要参数。它可以帮助我们了解生物学过程和分子识别过程,驱动药物先导物的发现,并帮助我们选择最优的生物药物,优化药物的安全性和药效,以及药物剂型和制造工艺。
然而,亲和力并不是一切……
同样的亲和力,不一样的动力学(结合\解离速率)
从下图可以看出,同样的亲和力,却可以有两种不同结合、解离速率的动力学过程。这些与速率有关的信息,在药品开发中非常有用。例如,人们需要安眠药物能够及早发挥效果。如果有多个候选对象药物,就需要通过Biacore来选择能从受体中快速解离的药物。反之,为了让抗癌药物能够在体内长时间保持药效,就要选择解离速度慢而能够长时间与受体结合的候选药物。

同样的亲和力,不一样的热力学
在此,我们有必要先复习一些物理化学的知识。吉布斯自由能是热力学中的一个重要参数。相互作用中的吉布斯自由能△G,是自发性或有利性的测量。如果△G是负的,则反应是自发的。如果△G是正的,反应不会发生。关于△G,还有一个熟悉的方程式:△G = △H — T△S
以下三个不同的化合物结合在同样的靶标上,它们均具有同样的亲和力或ΔG(见蓝色条柱)。如果单以此来评级筛选药物,它们是完全相同的。但是如果你研究它们各自的结合机理(见红色和绿色条柱),它们又是完全不同的。

A. 结合亲和力来自于专有的氢键或范德华力的相互作用,表示为焓变ΔH;同时也存在由于构象变化带来的熵变ΔS。药物的这种结合模式,表明药物具有很好的结合特异性和选择性,是使药物成为最佳选择的好的开端,但是同时由于极性较高(熵变为负),也有容易引起膜透性的问题。
B. 结合亲和力来自于非特异性的疏水效应,表现为显著有利的熵变ΔS,同时由于表面无氢键形成所带来的去水合过程需要消耗的不利焓变ΔH。药物的这种结合模式,说明药物结合不具有特异性,而且溶解度较差,容易产生副作用和抗药性。
C. 结合亲和力来自于有利的氢键效应和疏水效应。药物的这种结合模式是较为理想的:既具有结合作用的特异性,又可以保持一定的膜透性。
因此,在目前的药物设计中,来自于热力学方面的信息,愈来愈成为一种不可或缺的证据。