宋晓航 华中师范大学第一附属中学

生物信息学在药物设计中的应用

宋晓航 华中师范大学第一附属中学

生物信息学作为一个综合性的交叉学科，运用了生物、数学、物理、信息科学及计算机科学等领域的理论知识。随着互联网技术的飞速发展以及生物信息数据库的建立与完善，生物信息学的发展也加快了进程。如今生物信息学被广泛应用于基因疾病诊断、蛋白质结构预测等方面，在药物设计中也扮演着重要角色。

生物信息学 受体 药物设计

随着对于基因中遗传信息研究的日益深入，人们逐渐掌握了基因表达的规律，这也为人们分析推测蛋白质结构提供了理论基础。而针对受体蛋白质的特异性进行药物的开发可以提高药物的靶向性，显著提升药物疗效并缩短研发周期，本文将结合我们在高中所学知识对这一问题加以探究。

1 生物信息学基础

通过高中的生物学习我们了解到，人类的遗传信息存储于DNA之中，DNA是脱氧核糖核苷酸长链，是由四种脱氧核糖核苷酸组成的双螺旋结构，四种脱氧核糖核苷酸的排列顺序中就包含了遗传信息。遗传信息的表达则是DNA分子通过局部解螺旋，与细胞之内游离的核糖核苷酸进行配对，使核糖核苷酸按照特定序列进行排列，形成核糖核苷酸长链，我们称之为信使RNA，即mRNA，来完成遗传信息转录。之后信使RNA从核孔进入到细胞质之中，信使RNA首先与细胞质中的核糖体结合，之后启动翻译，tRNA与mRNA配对并转运相应的氨基酸，氨基酸之间再通过肽键相连形成多肽。每个mRNA在翻译之后都会形成特定的多肽，多肽之间进一步结合并折叠形成特殊的空间结构就生成了蛋白质，基因表达得以完成。

目前随着人们对于基因科技的研究，早已发现了转运RNA密码子与其所携带氨基酸之间的联系，这样就可以通过DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序来推测蛋白质的氨基酸序列，进一步推测蛋白质结构。部分遗传疾病也可以通过异常的蛋白质氨基酸顺序来推测DNA分子缺陷，通过基因检测来进行检查。但是DNA分子中参与蛋白质合成的只是其中一小部分，我们把这部分遗传信息称为编码区，在非编码区中同样也包含了大量遗传信息。之前人们对于非编码区的遗传信息作用不是很了解，但近年来通过研究发现了非编码区基因与蛋白质的空间结构间的联系，可以更好地推测蛋白质的空间结构。

可DNA中的遗传信息量太过庞大，对于遗传信息的分析无疑是一件繁重的工作。不过随着信息化技术的发展，生物遗传信息数据库的逐步完善，生物信息学目前可以结合数学、物理等理论对遗传信息数据进行快速全面的分析，也在各个领域得到了广泛应用。

2 生物信息学在药物设计中的应用

以往的药物设计，是基于动物的组织结构来筛选合适的药理模型，之后再在自然界中寻找或者通过人工合成来获得合适的先导物。在这之后对于先导物的结构进行优化，直到药物达到临床使用要求。这种方式研制出的药物虽然疗效可以得到保证，但是研发周期长且研发资金消耗巨大，对于新出现的因难杂症也缺乏快速解决手段，局限性较大。

区别于以往先确定药理模型再筛选先导物的模式，利用生物信息学可以通过对于受体的结构分析来设计出合适的先导体，再以此为基础进行药物的设计研制。

生物信息学可以通过对于受体细胞的结构分析来确定能与之特异性结合的分子结构，并以此结构作为先导体主要结构进行接下来的药物设计。之后可以对数据库之中活性分子的药效构象进行分析，确定药效基团模型，并在数据库之中搜寻具有相关构象的化合物。然后将具有药效的活性分子结构与先导体结构进行结合，完成药物设计。这一结合过程可以通过分析筛选出适宜的两个分子进行对接，也可以通过电脑计算通过先导物分子的逐步延长完成活性部分的合成。这两种过程都可以设计出易与受体结合且具有药效的新型药物，相较于以往的药物设计方法不仅耗时短，而且靶向型更强，对于新的疑难杂症也具备快速解决的能力，大大提升了药物设计的效率。

而且在药物设计中通过对于基因遗传信息的分析也可以对药物可能带来的毒副作用进行分析并加以规避。同时对于数据库中患者信息的分析也能更好掌握药品受众与市场，对于药品设计规划起到指导意义。

3 结束语

目前药物设计存在设计周期长、适用范围小、研发资金高等问题。利用生物信息学对受体结构进行分析确定先导体结构，进而进行药物设计可以有效解决上述问题。而且通过生物信息学对于基因的分析还能提前分析药物毒副作用，减少药物对人体影响。可见运用生物信息学进行药物设计拥有光明的前景，将成为未来的主流。以上就是我们对于生物信息学在药物设计中应用的探究成果，对于其中超出了高中所学的范围的生物知识需要我们在日后的学习中加强课外拓展研究，做到更加深入全面的了解。

[1]胡俊,梁学友,杨建红.生物信息学与药物设计[J].中国医药科学,2014,4(02):138-139+150.

[1]严鑫,丁鹏,刘志红,王领,廖晨钟,顾琼,徐峻.药物分子设计中的大数据问题[J].科学通报,2015,60(Z1):558-565.