综述：基于结构的共价探针理性设计

这篇综述系统阐述了共价探针（covalent probes）在靶向药物开发中的关键作用，重点解析了结构生物学（SBDD）与计算化学（如QM/MM、CpHMD）在共价结合机制研究中的应用，涵盖可逆/不可逆探针（reversible/irreversible）、反应能垒（kinact/Ki）优化及KRASG12C/D/R等"不可成药"靶点的突破性进展。

　　

共价探针的崛起

从青霉素的偶然发现到KRAS^G12C抑制剂Sotorasib的临床成功，共价探针已从"毒性隐患"转变为药物开发新范式。与传统非共价药物不同，共价探针通过亲电基团（如丙烯酰胺）与蛋白质亲核残基（如半胱氨酸）形成稳定共价键，实现长效抑制。

可逆vs不可逆探针

不可逆探针的k_off趋近于零，但可能引发免疫原性；可逆探针（如硼酸类）则通过动态平衡降低毒性。在PROTACs开发中，可逆共价特性既能稳定结合"不可成药"靶点，又能实现降解循环。

结构驱动的共价结合机制

共价结合涉及多态能量景观：

1. 结合态：类似非共价复合物

2. 近攻击构象（NAC）：键角适合反应的临界状态

3. 过渡态（TS）：决定反应速率的瞬态结构

4. 产物态：共价键形成后的稳定结构

亲核残基的预测技术

pKa计算：

• 高通量：PROPKA（秒级预测）、Poisson-Boltzmann方程

• 分子动力学：CpHMD模拟半胱氨酸硫醇盐状态

• QM/MM：精确计算反应能垒但耗时

机器学习：

• DeepKa预测残基质子化状态

• HyperCys鉴定超反应性半胱氨酸

反应性优化策略

通过量子化学计算调控亲电性：

• 前沿轨道理论：LUMO能量预测磺酰氟（SuFEx）反应速率

• 过渡态模拟：丙烯酰胺与EGFR C797S的质子转移路径

共价对接技术

1. 产物态对接：AutoDock柔性侧链法

2. 反应性对接：AutoDock-GPU模拟NAC构象

3. 混合方法：SILCS-Covalent结合FragMaps与蒙特卡洛采样

挑战与展望

当前瓶颈在于自动化流程开发，需整合：

• 过渡态自动识别

• 非经典亲核靶点（如天冬氨酸）的化学设计

• 新型反应类型（如N端缬氨酸捕获）的普适性规则

KRAS^G12D（苹果酸内酯靶向）和KRAS^G12R（丁二酮靶向）的成功案例，证明定制化共价化学可攻克弱亲核性突变，为肿瘤精准治疗开辟新径。