进入本世纪以来,人们对生活质量的要求越来越高,也越来越意识到只有与大自然和谐相处才能实现可持续发展,而“绿色”随之成了当今最火热的词之一。农药作为一种特殊的化学产品,进入本世纪以来,既给人类带来了巨大的利益,也带来了大量的环境、健康等诸多问题,也使得绿色新农药的创制成为人类面临的一项紧迫任务。绿色农药具有活性高、选择性好、对农作物无害、低残留等优点,其创制的一个关键点在于找到活性高、选择性好的先导化合物。随着结构生物学及计算化学等学科的不断发展,计算机辅助药物设计(CADD)方法得到了极大发展,使用CADD方法来指导新农药的创制,成为新农药创制中的一个极具潜力的方法。原卟啉原Ⅸ氧化酶(PPO)是叶绿素和血红素生物合成中的一个关键酶,它不仅是除草剂的重要靶标,也可以作为医药的靶标。以PPO为靶标的除草剂因其优良的特性一直广受关注,但是这类除草剂使用中遇到的一些问题也要求我们继续开发新的靶向PPO的抑制剂。本文的主要内容正是围绕着这一重要靶标展开的基于CADD方法的新抑制剂设计工作。对已知高活性化合物的构效关系研究可以为新抑制剂的设计提供很好的参照。本文第二章我们首先以hPPO和mtPVO的晶体结构为基础,分别对含苯并噻唑的噁二唑啉酮及噻二唑啉酮类抑制剂和含苯并噻唑的三唑啉酮类抑制剂进行了基于分子对接采样、MM-PBSA计算的构效关系研究。对结合的优势构象集进行基于MM-PBSA的结合能评价并与实验值相关,可以有效地对结合模式进行验证,基于得到的结合模式,我们对这两个类型的抑制剂的构效关系进行了讨论。另一方面,对二苯醚类、苯基异恶唑类和吡唑苯基醚类化合物基于分子对接的抑制剂叠合方法和CoMFA理论的3D-QSAR研究则表明,不同的取代基的引入可显著影响与酶的相互作用,进而影响其活性,得到的具有较强预测能力的3D-QSAR模型可以用于指导抑制剂的设计。除了提高活性,提高PPO抑制剂的选择性也十分重要。本文的第三章节我们首先分析了烟草的PPO和人源的PPO的活性空腔的差别,同时合理的推测这些差别可能是造成选择性的原因,我们设计了一系列的方法来验证我们的推测和我们所提出的模型。从已有的低选择性的商品化抑制剂入手,通过计算模拟,一步步揭示了选择性的具体原因。根据我们的研究结果,采用碎片重组的方法设计了新型的骨架并借助虚拟筛选优化取代基,得到了一系列的高活性、高选择性的PPO抑制剂,经过除草活性实验,这批抑制剂均具有较高的选择性,最高达到了2000多倍,实验结果证明我们之前提出的选择性机制是正确的、可靠的,这种思路可以用于选择性抑制的设计。苗头化合物到先导化合物的优化过程是农药先导发现的关键步骤。考虑到传统的基于构效关系的苗头化合物优化过程的缺点,在本文的第四章,我们发展了一种基于动力学采样,取代基生长和结合自由能计算的计算取代基优化(CSO)方法。该方法可以用来快速预测在苗头化合物的特定位置引入取代基是否能够提高得到的化合物与受体的结合能力,可以用于指导从苗头化合物到先导化合物的优化过程。我们尝试将该方法应用到细胞色素bcl复合物抑制剂苗头化合物优化当中,测试得到的酶活数据显示出与计算数值良好的线性相关,r2达到0.8,验证了CSO方法的准确性。通过对类农药性的筛选,我们最终选择了7个化合物进行了杀菌活性的测试,其中化合物18在田间测试中显示了优于对照商品化化合物AZ的活性,可以作为新的杀菌剂先导化合物。对化合物18与bcl复合物的晶体结构的解析表明,我们预测得到的结合方式是十分准确的,这也进一步验证了CSO方法的可靠性。寻找新的骨架常常给优良先导化合物的发现带来新的希望。本文的第五章,我们尝试在之前研究经验的指导之下,采用虚拟筛选的方法来找寻新的靶向PPO的高选择性活性骨架。我们设计了一条具有针对性的新筛选策略,既考虑了PPO为靶标的除草剂的结构特点,又兼顾了不同物种的差异性。经过一致性分子对接,分子动力学优化和MM-PBSA的计算,最终我们选出25个结构简单且新颖的化合物,这些化合物大部分都与Phe392、Arg98、Phe353和Gly175有较强的相互作用。活性结果显示,筛出的这25个化合物,除了2个溶解性不好,其他化合物活性均在微摩尔水平,而且有的选择性也非常理想,证明了我们设计的筛选策略是非常成功的。我们的工作,是在PPO研究中首次考虑了物种的选择性的虚拟筛选。这部分的工作不仅发现了多个结构全新的值得进一步改造的抑制剂分子,同时也为今后其他靶标的筛选的研究提供了策略上的借鉴。