構效關係

構效關係或稱結構—活性關係（Structure–activity relationship，SAR），是藥物或其他生理活性物質的化學結構與其生理活性之間的關係，是藥物化學的主要研究內容之一。狹義的構效關係研究的對象是藥物，廣義的構效關係研究的對象則是一切具有生理活性的化學物質，包括藥物、農藥、化學毒劑等。最早期的構效關係研究以直觀的方式定性推測生理活性物質結構與活性的關係，進而推測靶酶活性位點的結構和設計新的活性物質結構，隨著資訊技術的發展，以電腦為輔助工具的定量構效關係成為構效關係研究的主要方向，定量構效關係也成為合理藥物設計的重要方法之一。

## 構效關係發展概要

構效關係這一概念是隨著藥物化學這門學科的產生而出現的。1853年，英國醫生斯諾（Snow）首次應用氯仿為維多利亞女王實施無痛分娩手術後，開始深入研究吸入性全身麻醉藥，在研究過程中，確定了首先測定藥物沸點和飽和蒸汽壓的實驗原則，這是歷史上人類首次考慮到藥物分子的理化性質與生理活性的關係，是構效關係研究的雛形。1868年，英國藥理學家托馬斯·理察·弗雷澤和有機化學家亞歷山大·克拉姆·布朗提出了化合物的生理活性依賴於其組分的理論，但這一理論沒有能夠指名何謂組分，也沒有闡明組分與活性的具體關係，是對藥物構效關係一種模糊和朦朧的認識。

19世紀後半葉，人們陸續從作為藥物使用的植物中提取了一系列化合物並成功解析了他們的結構，通過對這些天然來源的分子的歸納分析，藥物化學家發現某些具有類似結構的藥物具有相同的生理活性，從而提出了藥效團的概念，藥效團概念的提出標誌著人類開始認識到分子結構與生理活性之間規律性的聯繫。在藥效團理論的指引下，人們成功地研發了局部麻醉藥物苯佐卡因、普魯卡因；非甾體抗炎藥安替比林以及磺胺類抗菌藥等藥物。

1951年，藥物化學家弗里德曼（Friedman）將等電子體的概念引入藥物化學領域，提出了生物電子等排體的概念，這一概念將結構化學中電子排布和化學性質的理論引入了藥物化學研究領域，成為指導進行結構改造，優化先導化合物的一個重要概念。

1960年代構效關係研究進入定量時代，由藥物化學家Hansch提出的Hansch分析將分子整體的疏水性、電性、立體參數與藥物分子的生理活性聯繫起來，建立了二維定量構效關係方法。1990年代，Cramer等人提出了比較分子場方法（CoMFA），CoMAF方法通過分析分子在三維空間內的疏水場、靜電場和立體場分布，將這些參數對藥物活性回歸。目前CoMFA方法和改進的CoMSIA方法已經成為應用最廣泛的藥物設計基本方法之一。

## 藥動相的構效關係

藥物和其他生理活性物質在機體內需要經過吸收、分布、代謝、排泄的過程，藥物的這一過程被稱作藥物動力相，簡稱藥動相。藥物在藥動相的行為會對藥物生理活性產生非常重大的影響，而由藥物化學所決定的分子理化性質會對藥物在藥動相的行為產生極大的影響，因而在藥動相的構效關係是構效關係研究的一個重點。

影響藥物分子在藥動相行為的性質有：溶解度、脂水分配係數、電離度、氧化還原電位、立體化學、分子間作用力、血漿蛋白結合率等

總體上看，藥物分子結構對藥物在藥動相行為的影響主要體現在五個方面，分別為：藥物吸收的速率和吸收的動力學級數；藥物在機體內的表觀分布容積；藥物在體內代謝的類型和代謝速率；藥物對血漿蛋白或其他生物大分子的結合程度；藥物消除的速率和類型。

### 吸收

吸收過程是藥物由體外進入血液循環的過程，在這一過程中，藥物的溶解度、脂水分配係數、電離度等性質會產生重大的影響，溶解度低的藥物是很難被機體吸收的，同時親水性過強的藥物，則無法通過細胞膜的結構，也很難進入循環系統，而電離度則直接決定了藥物分子在不同pH值條件下在離子態和分子態之間的比例，從而影響藥物的吸收。

### 分布

藥物進入血液後，須向作用部位分布。藥物分子的結構和理化性質也會影響到藥物向一些特定部位的分布，從而影響藥物的作用。例如作用於中樞神經系統的鎮靜催眠藥物，在向靶部位分布的過程中必須透過血腦屏障，親脂性強、分子量小的藥物如硫噴妥鈉比較容易通過血腦屏障，因而大多起效迅速，由於同樣的原因，這類藥物也極容易從腦清除，因而他們維持作用的時間較短，與之相反的則是親水性相對強的苯巴比妥他起效更緩慢，維持中樞抑制作用的時間也更長。與血腦屏障類似的例子還有子宮與胎盤之間的屏障。

另外一個影響藥物分布的因素是藥物與血漿蛋白的結合，藥物與血漿蛋白結合後，無法透過細胞膜，從而無法發揮藥理作用，同時也無法被代謝和排泄。藥物與血漿蛋白的結合可能是可逆的也可能是不可逆的，可逆的結合猶如血液中一個存貯藥品的倉庫，隨著藥物與血漿蛋白結合－解離平衡的移動，可以維持藥物長時間的作用，而不可逆的結合猶如監禁藥物的監獄，使藥物無法發揮應有的生理作用。藥物與血漿蛋白以何種方式何種程度結合，是取決於藥物的結構和理化性質的。

### 消除

粗略的講消除的過程包括藥物的代謝和排泄，肝臟和腎臟在藥物消除過程中扮演了重要角色，而藥物的結構則影響了藥物與肝藥酶系統的作用，決定了藥物以何種方式消除，和藥物消除的速率，這一系列的影響最終都會對藥物的治療作用產生影響。

## 藥效相的構效關係

根據受體學說，藥物和其他生理活性物質產生作用，是通過與機體內受體的結合實現的。藥物通過與受體的結合產生激動或者拮抗的作用。促成藥物與受體的結合的力主要有共價鍵、離子鍵、偶極作用、氫鍵、疏水作用和范德華力等。由於受體大多是具有特定空間結構的生物大分子，而藥物與受體的作用也是有其特定區域的，因而藥物的分子結構自然會對藥物與分子的結合，以及對維繫這種結合的作用力產生影響，這便是藥效相構效關係存在的機理。

經過長期以來的研究，人們陸續總結出一些理論，以期闡明藥物的結構與生理活性的關係。

### 藥效團理論

藥效團理論認為藥物與受體相互作用的第一步是受體分子對藥物分子的識別過程，受體須識別接近的分子是否具有相互結合所必須的性質，所謂藥效團指的就是符合某一受體對配體分子識別所提出的主要三維空間性質要求的分子結構要素。具有某一特定藥效團的分子，也就具有了與某一特定受體結合的主要性質，就會顯現出某種生理活性。

根據這一理論，藥效團並非一系列特定基團，更不是特定的結構骨架，而是具有相似性質的化學基團在空間特定位置的組合。例如嗎啡與哌替啶並不具有相同的結構骨架，但卻具有相同的藥效團，因而可以產生相接近的生理活性。

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### 空間因素

藥物的空間結構對藥物活性產生影響，這種影響主要體現在光學異構體、幾何異構體和構像異構體這三個不同方面

- 光學異構體：有些藥物的光學異構體之間沒有明顯的生理活性差異，這說明手性碳以及相關基團不是這些藥物的作用部位，有些藥物光學異構體之間生理活性強度有一定差異；有些藥物不同光學異構體之間有著完全不同的生理作用，如奎寧系一種抗瘧藥，而它的光學異構體奎尼丁則是一種抗心率失常藥物；有的藥物不同光學異構體之間有相反的活性。
- 幾何異構體：不同的幾何異構也會帶來不同的活性，例如合成雌激素己烯雌酚的幾何異構體完全沒有雌激素活性，而抗組胺藥氯丙硫蒽的幾何異構體則具有抗精神分裂的活性。
- 構像異構體：生理活性物質與受體相互作用的時候，分子的構像會發生變化，與受體結合的構像稱作藥效構像，對大多數分子而言，其藥效構像與穩定構像是不同的，有些藥物會以不同的構像與不同的受體結合，從而產生不同的生理活性，例如組胺可以以偏轉式構像與H1受體結合，誘導炎性反應，同時也可以以反式構像與H2受體結合，抑制胃酸的分泌。

### 生物電子等排體理論

生物電子等排體的概念脫胎於物理學家Langmuir在1919年提出的等電子體概念，生物電子等排體指的是具有相同價電子數，並且具有相近理化性質並能夠產生相似或者相反生理活性的分子或基團。

實驗顯示，以生物電子等排體取代的活性物質分子在生物體內有相似的生理過程，並且作用於相同的受體。

## 定量構效關係

參見定量構效關係

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定量構效關係（QSAR）是藉助分子的理化性質參數或結構參數，以數學手段定量研究有機小分子與生物大分子相互作用的方法。構成定量構效關係的是三個要素：小分子理化性質的參數化；化合物生物活性的定量標識；聯繫理化性質與生理活性的數學模型。

最初的定量構效關係是美國波蒙拿學院化學系的Hansch提出的，他將分子整體的理化性質參數如脂水分配係數、偶極矩、分子體積作為藥物活性函數的自變量通過在兩者之間建立回歸方程找到活性最強的分子所應該具有的理化性質，在原有分子骨架的基礎上，根據這些參數的指引設計新化合物，有目的的尋找新藥，這種方法被稱為二維定量構效關係。在這種方法的協助下，人們成功地推進了喹諾酮類抗生素的發展。而這類藥物也是目前為止應用Hansch方法進行合理藥物設計最成功的案例。

1988年，Cramer等提出了基於分子空間結構的比較分子場方法即所謂CoMFA方法。CoMAF通過比較同系列分子附近空間各點的疏水性、靜電勢等理化參數，將這些參數與小分子生理活性建立聯繫，從而指導新化合物的設計。相比於Hansch方法，CoMFA考慮到了分子內部的空間結構，因而被稱為三維定量構效關係。目前CoMFA和由CoMFA改進而成的CoMSIA方法即比較分子相似性方法已經成為應用最廣泛的合理藥物設計方法。

除了上面提到的Hansch、CoMFA、CoMSIA方法，還有Free-Wilson方法、分子連結性方法、單純形方法、斐波那契搜索法、H-QSAR、模式識別等定量構效關係研究方法。