分子對接在農(nóng)藥學基礎(chǔ)中的應用

董利利 康占海 馬樹杰 張利輝 所鳳閱

（河北農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，河北 保定 071001）

農(nóng)藥學基礎(chǔ)是植物保護和動植物檢疫專業(yè)本科生的主干課程和核心專業(yè)課之一。該課程通過教授農(nóng)藥學相關(guān)概念和基本理論知識，使學生掌握殺蟲劑、殺菌劑和除草劑的作用方式，以及抗藥性產(chǎn)生機制等，有利于農(nóng)藥科學、合理和高效使用[1-2]。農(nóng)藥學基礎(chǔ)教學涉及多學科領(lǐng)域的交叉融合，與社會需求緊密結(jié)合，其教學要與時俱進[3-4]。農(nóng)藥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要工具之一，其正確適量使用對保障糧食生產(chǎn)安全和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益具有重要作用[5]。實踐中，不當使用農(nóng)藥會對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生不利影響，因此，開發(fā)安全、高效且環(huán)保的新農(nóng)藥具有重要意義[6]。目前，新農(nóng)藥創(chuàng)制的相關(guān)內(nèi)容在農(nóng)藥學基礎(chǔ)中所占比例逐步加大，積極推進農(nóng)藥創(chuàng)制內(nèi)容的教學改革，可以推動農(nóng)藥研發(fā)科技的進步，促進學科交叉，提高農(nóng)藥學教育質(zhì)量，并進一步培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

隨著計算機等技術(shù)的不斷進步，計算機輔助藥物設計在藥物設計領(lǐng)域中的應用越來越廣泛[7]，該技術(shù)可以加快藥物研發(fā)過程，降低藥物研發(fā)成本，提高研發(fā)成功率。分子對接是計算機輔助藥物設計中的重要組成部分，該技術(shù)可將藥物和目標蛋白質(zhì)進行匹配，并預測藥物和蛋白質(zhì)的相互作用[8]。通過分子對接，可以驗證新藥分子與目標蛋白的親和力，預測藥物的結(jié)合機制，進而優(yōu)化藥物分子結(jié)構(gòu)，提高藥物的生物活性。在農(nóng)藥學教學中，分子對接可作為有效的輔助工具，幫助學生深入理解農(nóng)藥分子與靶標的作用機制，指導學生進行農(nóng)藥設計和優(yōu)化。本文從多方面介紹分子對接技術(shù)及其在農(nóng)藥學基礎(chǔ)教學中的應用效果，科普分子對接的重要作用，以增強學生的學習興趣，提升學生的綜合技能。

1 分子對接技術(shù)分析

分子對接依據(jù)配體與受體作用的“鎖—鑰原理”，利用計算機模擬小分子配體與受體生物大分子進行相互結(jié)合[9]。配體與受體的相互作用力主要包括靜電作用力、氫鍵作用力、疏水作用力和范德華作用力等，計算作用力可以預測二者的結(jié)合模式以及親和力，從而指導優(yōu)化藥物設計。其中，靜電作用力、氫鍵作用力和范德華力控制藥物與受體結(jié)合，疏水作用力是藥物與受體結(jié)合的驅(qū)動力，如果疏水作用力強，藥物和受體就能排除水分子，相互結(jié)合。分子對接技術(shù)中，小分子配體與受體生物大分子的相互結(jié)合過程主要可分為3種模式，包括剛性對接、半柔性對接和柔性對接。剛性對接中，小分子和受體一般被當作剛體進行計算，受體和配體的構(gòu)象不發(fā)生變化，適合研究比較大的體系如蛋白—蛋白、蛋白—核酸，計算簡單，主要考慮二者的契合程度；半柔性對接中，允許小分子的構(gòu)象在結(jié)合過程中發(fā)生一定范圍的變化，但大分子是剛性的，與真實情況更加相似且又能保持較高的計算效率；柔性對接中，允許小分子和受體都發(fā)生構(gòu)象變化，可以提高對接準確性，但耗時較長。在藥物設計和虛擬篩選過程中，多采用半柔性的分子對接方法。

2 分子對接軟件概述

分子對接軟件大致可以分為學術(shù)軟件和商業(yè)軟件。通常用于學術(shù)研究的開源分子對接軟件有AutoDock、AutoDock Vina和VCSF DOCK等，商業(yè)軟件則有Glide、GOLD、SYBYL 和MOE 等，軟件的模擬結(jié)果因打分函數(shù)的不同而具有差異性。其中AutoDock是一款開源且廣泛使用的分子對接軟件[10]，其采用蒙特卡羅模擬和分子力場算法，能夠識別化合物中的鍵、角和二面角，并根據(jù)化合物的原子性質(zhì)進行最佳匹配，支持能量值、得分函數(shù)等多種評估指標，可通過計算機程序模擬和預測小分子與蛋白質(zhì)、核酸等大分子的結(jié)合方式和強度，并評估化合物的親和力；VCSF DOCK 是一種高效的分子對接程序[11]，可用于預測小分子和大分子之間的結(jié)合方式和能量，具有較高的精確性和速度，支持靈活對接和半靈活對接等多種模式；Glide是一款商業(yè)化的基于網(wǎng)格的分子對接軟件[12]，不僅具有較高的配體靈敏性、預測準確性和超強計算速度，還提供了豐富的評估指標和可視化工具，其獨特算法結(jié)合了分子動力學、分子力學和圖論方法，可用于高通量篩選、復合物分析和虛擬篩選等領(lǐng)域；GOLD 由晶體數(shù)據(jù)中心開發(fā)[13]，采用GoldScore和ChemScore打分函數(shù)預測小分子與受體之間的結(jié)合強度、結(jié)合位點和相互作用方式；SYBYL 是一款研究藥物小分子和生物大分子相互作用的藥物設計與分子模擬軟件，內(nèi)置surflex-Dock打分函數(shù)，依托經(jīng)驗打分函數(shù)和基于分子相似性的搜索引擎，將小分子對接到蛋白的結(jié)合位點，評估小分子與蛋白的結(jié)合強度[14]；MOE 軟件是集可視化、模擬和應用開發(fā)于一體的綜合應用環(huán)境和技術(shù)開發(fā)平臺[15]，其中Dock 模塊既可以采用基于力場的GBVI/WSA dG 打分函數(shù)評估配體與受體的結(jié)合自由能，還可以使用內(nèi)嵌的GOLD、Surflex 和Flex*對接算法，該平臺還包含了同源模建、虛擬分子設計、定量構(gòu)效關(guān)系研究、藥效團模型、分子對接、全新藥物設計和分子動力學模擬等模塊，功能比較強大。

3 分子對接技術(shù)在農(nóng)藥學基礎(chǔ)教學中的應用效果分析

3.1 拓展教學內(nèi)容

農(nóng)藥學基礎(chǔ)涵蓋了農(nóng)藥分子的作用靶標、作用方式、作用機制、代謝行為及抗性產(chǎn)生機制等內(nèi)容，分子對接技術(shù)的引入可以使學生更好地從分子和原子層面理解知識點。

3.1.1 掌握農(nóng)藥與靶標分子間親和力和選擇性差異的原因分子對接可以評估農(nóng)藥和靶標之間的親和力和選擇性，即評價農(nóng)藥分子與作用靶標之間的相互吸引力和特異性，從而直觀反映農(nóng)藥的藥效和選擇性等指標。例如，可以利用分子對接技術(shù)比較不同農(nóng)藥分子與靶標結(jié)合時的能量變化，根據(jù)打分函數(shù)的數(shù)值獲得農(nóng)藥分子與靶標的結(jié)合力強弱，從而評估二者間的親和力和選擇性。

3.1.2 從原子層面理解農(nóng)藥與靶標分子的相互作用通過分子對接技術(shù)，可以將農(nóng)藥分子對接到目標生物分子中，預測二者之間的相互作用方式和強度，有助于了解農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)特征和生物活性機制，為農(nóng)藥優(yōu)化設計提供理論支持。例如，在農(nóng)藥學基礎(chǔ)的教學過程中，可以將農(nóng)藥與目標生物分子（蛋白質(zhì)、核酸等）進行分子對接模擬，分析農(nóng)藥分子與生物靶標的結(jié)合情況，并從原子層面介紹農(nóng)藥與靶標的作用方式和作用力，讓學生直觀理解農(nóng)藥分子的作用機制，增強學生的學習興趣。

3.1.3 理解農(nóng)藥抗藥性產(chǎn)生機理分子對接技術(shù)可以模擬農(nóng)藥分子與作用靶標之間的結(jié)合，從而預測可能導致抗性產(chǎn)生的突變位點，有助于更好地理解抗藥性產(chǎn)生機理，指導降低抗藥性的二代農(nóng)藥的分子設計和優(yōu)化。在教學中可以引導學生進行分子對接實驗，探究農(nóng)藥分子與作用靶標的關(guān)鍵作用力和作用位點，提出靶標可能產(chǎn)生抗性的突變位點，并進行分子對接的初步驗證。

3.1.4 理解生物體內(nèi)的農(nóng)藥代謝行為分子對接技術(shù)可以模擬和預測農(nóng)藥分子在生物體內(nèi)的吸收、代謝過程，有助于提高農(nóng)藥的研發(fā)效率和成功率，并指導農(nóng)藥的應用和管理。在教學中可以引導學生進行分子對接，比較不同農(nóng)藥分子與常用代謝通路相關(guān)靶標分子之間的相互作用情況和動力學特征，從而探究農(nóng)藥在生物體內(nèi)的行為規(guī)律和影響因素。

3.2 優(yōu)化教學方法

分子對接技術(shù)作為一種強有力的輔助工具，是農(nóng)藥設計和研發(fā)過程中不可或缺的一環(huán)。在農(nóng)藥學基礎(chǔ)教學中引入分子對接技術(shù)，可以培養(yǎng)學生的計算機技能、創(chuàng)新意識和科學素養(yǎng)等，提升學生的綜合素質(zhì)。

3.2.1 培養(yǎng)計算機技能隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機已經(jīng)成為農(nóng)藥設計和研發(fā)過程中不可或缺的工具之一。因此，培養(yǎng)學生的計算機技能和計算化學實操知識十分重要。引導學生進行分子對接實驗，可以幫助其掌握計算化學的基本實驗方法，提高計算機技能和科研能力。

3.2.2 激發(fā)創(chuàng)新思維農(nóng)藥學分子對接技術(shù)可以幫助學生深入理解農(nóng)藥結(jié)構(gòu)和生物活性之間的關(guān)系。在教學過程中，可以開放性地引入不同農(nóng)藥分子和生物靶標，引導學生通過分子對接的方法將不同農(nóng)藥分子與靶標一一對應，在探討農(nóng)藥結(jié)構(gòu)與生物活性關(guān)系的同時，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，提高其解決問題的能力。

3.2.3 加強團隊協(xié)作能力計算化學上機操作和分子對接實驗可以加強學生之間的交流和互動，通過小組討論和實驗操作，在鞏固學生實驗操作相關(guān)知識的同時，提高其團隊協(xié)作能力。

3.3 豐富教學資源

引入分子對接技術(shù)，可以豐富農(nóng)藥學基礎(chǔ)的教學資源。在教學實踐中可引入不同的分子對接軟件以及相關(guān)應用案例，讓學生熟悉并掌握各種軟件的使用方法和特點，從而開拓其知識面和技能范圍，拓寬農(nóng)藥學基礎(chǔ)的教學范圍，提升教學效果和質(zhì)量。

4 結(jié)語

農(nóng)藥學基礎(chǔ)是一門研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有害生物及其防治技術(shù)的綜合性課程，是農(nóng)業(yè)院校的一門核心課程。該課程涉及化學、生物學、生態(tài)學和環(huán)境科學等多個領(lǐng)域，農(nóng)藥分子作用方式和作用機制是該門課程的重點和難點。分子對接技術(shù)利用計算機模擬小分子藥物分子與生物大分子相互識別的過程，預測小分子與大分子（如蛋白質(zhì)、核酸等）之間的結(jié)合方式和強度，從而指導農(nóng)藥的設計和優(yōu)化，在農(nóng)藥設計中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。本文總結(jié)分析了分子對接技術(shù)及其在農(nóng)藥學基礎(chǔ)教學中的應用效果以及重要作用，將分子對接技術(shù)引入農(nóng)藥學基礎(chǔ)教學中，引導學生進行分子對接實驗，可以幫助學生掌握農(nóng)藥與靶標分子間親和力和選擇性差異的原因，理解農(nóng)藥與靶標分子的相互作用，理解農(nóng)藥抗藥性產(chǎn)生機理，理解生物體內(nèi)的農(nóng)藥代謝行為，還可以幫助學生培養(yǎng)計算機技能，激發(fā)創(chuàng)新思維，加強團隊協(xié)作能力，從而提高教學效果和質(zhì)量。因此，將分子對接技術(shù)應用到農(nóng)藥學基礎(chǔ)的教學中能促進學科交叉，提高農(nóng)藥學教學質(zhì)量，并進一步培養(yǎng)創(chuàng)新人才。