1、藥物的構(gòu)效關(guān)系（SAR),本章目錄藥物的作用靶點（Targets)II. 藥物結(jié)構(gòu)III. 藥物-靶標(biāo)的分子識別和相互作用IV. 定量構(gòu)效關(guān)系,I. 藥物的作用靶點（Targets),受體（Receptors）：配體結(jié)合區(qū)+產(chǎn)生功能的效應(yīng)區(qū)，受體、傳感分子、靶標(biāo) 統(tǒng)稱為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路（signal transduction pathway)酶（Enzymes）: 離子通道（Ion Channels）轉(zhuǎn)運蛋

2、白核酸（Nucleic Acids）免疫系統(tǒng)（Immune System)基因（Gene）,受體（Receptors),,對生物活性物質(zhì)具有識別能力并可與之選擇性結(jié)合的生物大分子生物活性物質(zhì)包括：內(nèi)源性物質(zhì)—神經(jīng)遞質(zhì)、激素、抗原、抗體外源性物質(zhì)—藥物、毒物受體有亞型（isomers）藥物是受體的配體，分：激動劑（Agonist)，對受體有親和力，有內(nèi)在活性，與受體結(jié)合產(chǎn)生效應(yīng)拮抗劑（antagonist)，對受體有親

3、和力，無內(nèi)在活性，與受體結(jié)合不激活受體受體包括（圖3-1）：配體門控直接作用的離子通道受體，藥物配體對受體直接作用GPCR （G protein coupled receptor)蛋白-激酶型受體細(xì)胞核激素受體,轉(zhuǎn)導(dǎo)機制,Direct ligand-gated ion channel receptor: 跨膜蛋白，4~5個跨膜a螺旋（20~25 AA）。藥物與跨膜蛋白結(jié)合，影響通道的開關(guān)，信號轉(zhuǎn)化為細(xì)胞膜電位變化，或離子濃度

4、改變。如煙堿樣乙酰膽堿受體，GABAA受體，谷氨酸受體，5-羥色胺受體，甘氨酸受體,Acetylcholine,g-aminobutyric acid (GABA),glutamic acid,5-hydroxy tryptamine (5-HT),2YMD: Choline receptor/5-HT,4MS3: GABAb receptor/GABA(Nature 2013),4OO9: glutamate receptor 5

5、(Nature 2014),離子通道（Ion channels),Ca2+, K+, Na+, Cl-通道,4MS2: Ca2+ channel (Nature 2014),2. GPCR: （占藥物靶點40%~60% ）G-Protein: heterotrimer (a/b/g), 結(jié)合GTPGPCR: 跨膜蛋白，N端膜外，7個a helix（20~25 AA each) 圍成疏水腔穴，配體結(jié)合位點激動GPCR的配體：內(nèi)源性胺

6、，阿片生物堿，類花生酸，脂質(zhì)信號分子，肽類，蛋白配體效應(yīng)分子：酶、選擇性Ca2+, K+通道圖3-2， 3-3作用于GPCR的藥物：b-腎上腺能受體、組胺H1受體、組胺H2受體、阿片m受體、5-HT3受體、多巴胺D2受體 （表3-2）,4NC3: 5-HT2B (Science 2014),3.Tyrosine protein kinase receptor: 將細(xì)胞膜內(nèi)的效應(yīng)蛋白磷酸化，底物位點是tyrosine residu

7、e, 包括insuline, cytokine, EGFR，PDGFR，VEGFR，Bcr-abl kinase跨膜蛋白，400~700AA，胞外結(jié)構(gòu)域同源性較低，胞內(nèi)序列保守，膜附近是ATP結(jié)合位點，ATP磷酸化蛋白的tyrosine。受體激活后刺激癌基因(oncogene)的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，是抗癌藥物的重要靶標(biāo)（表3-3）,4. Nuclear hormone receptor: 調(diào)控DNA轉(zhuǎn)錄，包括甾類激素（雌激素、孕激素、雄激素、

8、皮質(zhì)激素）、甲狀腺素、維生素D3、維生素A等受體。（表3-4）,Imatinib (Glivec by Novartis for 10 cancerseg. CML, GISTs ), targeting Bcr-Abl kinase,Leflonomide for RA, psoriatic arthritis, targeting PDGFR， F=80% t1/2=2 weeks,酶（Enzymes),藥物酶靶：人體內(nèi)固有的酶/

9、侵入體內(nèi)病原體的酶系藥物對酶產(chǎn)生激活、誘導(dǎo)、抑制、復(fù)活等作用是藥物的重要靶點，1/3 藥物是酶抑制劑。抑制劑通常結(jié)合到酶的催化活性中心。Isozyme結(jié)構(gòu)類似，催化相同的反應(yīng)，但反應(yīng)底物和產(chǎn)物不同。特異性抑制劑，避免off-target副作用,Omeprezole: targeting H+/K+ ATPase,Reversible inhibitor,Methotrexate: targeting DHFR for cancer

10、, abortion etc.1000X vs folate, almost irreversible,轉(zhuǎn)運蛋白：去甲腎上腺素攝取蛋白、5-HT重攝取蛋白、神經(jīng)末梢膽堿轉(zhuǎn)運蛋白、P-糖蛋白核酸：DNA, RNA免疫系統(tǒng)：骨髓、淋巴結(jié)、脾、扁桃體、各種淋巴細(xì)胞。機體的正常免疫反應(yīng)是消除入侵微生物和自身穩(wěn)定的重要機制; 免疫增強：疫苗、丙種球蛋白、干擾素; 免疫抑制：環(huán)孢素基因遺傳密碼正?；蚧蚱渌泄δ艿幕?qū)塍w內(nèi)表達(dá)而

11、獲得療效，基因治療，人胰島素、人生長素、乙肝疫苗,其它靶點,II. 藥物結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)非特異性藥物（麻醉劑等）結(jié)構(gòu)特異性藥物（大多數(shù)藥物）活性不取決于熱力學(xué)性質(zhì)有相同的結(jié)構(gòu)特征化學(xué)結(jié)構(gòu)稍加改變，極大的改變生理活性,Adrenaline: 升血壓,Isoproterenol:支氣管擴張藥,特異性（specificity)特異性極高（如尿嘧啶，氟脲嘧啶），中等（磺胺類），很低（抗過敏藥）現(xiàn)代藥物一般要求特異性>30~100，

12、即藥物與靶標(biāo)和非靶標(biāo)的親和力差異要30X以上受體的特異性決定藥物的特異性，藥效的影響因素：藥物理化性質(zhì)，與受體的相互作用,小分子藥物結(jié)構(gòu)解析,General structure elucidation procedure:Determine molecular formula by MSDegree of Unsaturation = [2 + (2 x #Carbons) + #Nitrogens - #Hydrogens -

13、#Halogens]/2 Acquire 1H, HSQC and HMBC, write down chemical shifts and build connectivityAcquire 1D TOCSY & NOESY to resolve ambiguityDraw a tentative structure and check consistency with spectraNote: the presen

14、ce of peaks can be proof of nuclear and its connectivity the absence of peaks can NOT be proof of no connectivity!,2nI+1 Rule: I=1/2 for 1H, 19F, 13C and 15N; I=1 for 2H; n: number of vicinal protons,Gen

15、eral rule: the closer to N (O), the bigger (even bigger) chemical shifts,Karplus-Conroy Eq. 3JHH = a cos2f - 0.28 (a =10 if f90)Martin Karplus: 2013 Nobel laureate. (CHARMM, 量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)結(jié)合計算生物學(xué)問題),Average JCH is around

16、 146 Hz, as is normally used in 13C-1H HSQC,HMBC,Heteronuclear Multiple Bond CorrelationNormally detect 2J or 3J (ca. 3Hz)Do not confuse with HMQC (heteronuclear multiple quantum correlation, similar to HSQC),HMBC wit

17、hout 1J suppression,For small molecule, the splitted 1J correlation can be intuitive to identify HSQC peaksLess s/n compared with HSQCMay need to adjust the long range J coupling,1H-1H Correlation,COSY: 3J 1H-1H (Corr

18、elation Spectroscopy),TOCSY Connectivity(Total Correlation Spectroscopy)more useful),Through SpaceNOESY(Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy) ROESY(Rotating frame Overhauser Effect Spectroscopy) Detect spatia

19、l correlation up to 5?,Through Bond,Typical TOCSY,Selection of NOESY and ROESY,~600 ~1200,NOESY Spectrum,上機實習(xí),目的：小分子的NMR結(jié)構(gòu)解析地點：生科院2樓機房時間：下周, 3-4節(jié)暑期課: “小分子化合物核磁結(jié)構(gòu)解析” 6-7月，為期1周，上午: 小分子的核磁基本理論，下午: 譜圖采集

20、和解析,III. 藥物-靶標(biāo)的分子識別和相互作用,分子識別（Molecular recognition): 本質(zhì)為物理、化學(xué)的互補性。大多為非共價作用（共價作用不可逆，毒性）相互作用類型（表4-4）：電性作用，疏水作用，立體作用Ion-ion interaction：E?1/r, 長程作用，-5~-10kcal/molion-dipole interaction: E ?1/r2，-1~-7kcal/molDipole-dipo

21、le interaction: E ?1/r3, -1~-7kcal/molHydrogen-bond: -1~-7kcal/mol; N-H…O鍵長2.8~3.2A; 方向性：N-H…O=C鍵角， N-H…O為150~180o; C=O…H為100~180ohydrogen bond donor; hydrogen bond acceptorChelation: 常見五元/六元螯合環(huán)，或含硫四元環(huán)。螯合劑可解重金屬中毒（普

22、魯士藍(lán)解鉈中毒）,熵變：結(jié)合后轉(zhuǎn)動自由度受阻。剛性分子與受體的結(jié)合構(gòu)象變化較小，更有利（RO5),藥效團(tuán)（pharmacophore),Ehrlich最早提出，產(chǎn)生特定藥理作用所必需的物理化學(xué)特征及其空間分布。抽象概念，特定原子的特定空間位置。與藥物活性有關(guān)的三維圖像集合，具有相似的三維結(jié)構(gòu)（構(gòu)象、空間排列、空間距離）與相同受體有相同的作用部位，產(chǎn)生相同作用,Feature: 氫鍵給體，氫鍵接受體，正電荷中心，負(fù)電荷中心，疏水中心，

23、芳環(huán)質(zhì)心各個特征之間的距離和取向（氫鍵和芳環(huán)平面）從一組活性化合物（>10）中總結(jié)提煉出：剛性（半剛性，或晶體結(jié)構(gòu)）?結(jié)構(gòu)疊合，共有的藥效團(tuán)特征存在于疊合的結(jié)構(gòu)中（HTS，F(xiàn)BDD的苗頭化合物）?生成模型?檢驗?zāi)Ｐ?藥物由適宜的骨架連接并支撐著必需的藥效團(tuán)，在發(fā)現(xiàn)活性分子的基礎(chǔ)上的骨架變換,優(yōu)勢結(jié)構(gòu)（privileged structure),甾類steroide,苯并氮卓benzepine,苯基二氫吡啶pyridine,苯并

24、螺環(huán),藥效團(tuán)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)：# features, >=3 and =1 rings<=2 COOHNormal features：-NH2,-CONH2,-OH, -C=O, -SO2-, -SO2NH2, -COOH, HCONH2-, -COO-,脒amidine,胍carbamidine,脲carbamide,吡咯pyrrole,吲哚indole,噻唑thiazole,基團(tuán)變化與活性,堿性/酸性基團(tuán)：-SO3H, -

25、PO3H2, -COOH溶解度增加，不易穿越細(xì)胞膜; 堿性基團(tuán)有胺，脒，胍，含氮雜環(huán)酰基：可能參與機體/病原體的?；磻?yīng)烷基：溶解度，分配，離解性，氧化還原，代謝等。甲基：脂/水溶性增加鹵素：F連接于分子易代謝的部位。CF3體積與Cl接近，活性不同。Cl增加分子脂溶性、位阻作用和吸電子性的代謝穩(wěn)定。Cl/Br一般在芳香環(huán)上，脂肪鏈上可離去成為親電試劑；I較少。羥基：改變物理性質(zhì)，改變活性的特異性?？尚纬蓺滏I，可轉(zhuǎn)化為醌參與氧化磷

26、酸化巰基/二硫基：較少應(yīng)用。巰基親核性強，發(fā)生michael addition。二硫基見環(huán)肽藥物醚基/硫醚基：形成氫鍵。硝基：化療，酶促還原為氨基。降低溶解度，pKa, 增加脂溶性，偶極矩，t1/2。,,藥效構(gòu)型,,藥物與受體結(jié)合時，立體結(jié)構(gòu)與受體的互補性越好，活性越強?？臻g距離構(gòu)型構(gòu)象,雌二醇，雌激素受體,E-己烯雌酚,Z-己烯雌酚,僅E構(gòu)型有效,藥效構(gòu)象,構(gòu)象異構(gòu)體：同一個分子內(nèi)各原子和集團(tuán)的空間位置不同Conform

27、ation： Preferential / Pharmacophoric受體與酶的作用部位有立體專一性被受體識別并與受體結(jié)構(gòu)互補的構(gòu)象產(chǎn)生活性,反式優(yōu)勢構(gòu)象，也是藥效構(gòu)象,扭曲式,反式a兒茶酚環(huán)垂直于C-C-N構(gòu)成的平面優(yōu)勢構(gòu)象,反式b兒茶酚環(huán)與C-C-N共平面藥效構(gòu)象,反式b-A,反式b-B藥效構(gòu)象,以靶標(biāo)蛋白為給定三維坐標(biāo)系下：,反式b-A的構(gòu)象等效物活性低,反式b-B的構(gòu)象等效物活性高,,兒茶酚環(huán)沿藍(lán)軸

28、旋轉(zhuǎn)180o,,兒茶酚環(huán)沿藍(lán)軸旋轉(zhuǎn)90o,合成兩個半剛性類似物證明活性構(gòu)象,毒性基團(tuán),親電性基團(tuán)：具有化學(xué)反應(yīng)性，如b-鹵代乙胺，磺酰脂，環(huán)氧乙烷，乙烯亞胺，a,b-不飽和酮/酯，可用作化療，不可用于藥效藥物，可與人體正常的酶/核酸/蛋白發(fā)生共價結(jié)合，例如親核取代，邁克爾加成等。代謝誘導(dǎo)生成毒性基團(tuán)（表5-2）：可引起染色體突變（誘導(dǎo)細(xì)胞分化的藥物可能致畸，維甲類）、肝毒性、心臟毒性（抑制hERG?心律失常，心臟猝死),Retinoi

29、c acid, 治療早幼粒白血病/牛皮癬，致胎鼠畸形發(fā)育,Astermizole, 治療過敏性鼻炎，后發(fā)現(xiàn)抑制hERG K+ ion channel, 1999停用,上機實習(xí),目的：靶點蛋白和藥物的互作地點：生科院2樓機房時間：下周, 3-4節(jié),IV. 定量構(gòu)效關(guān)系,Quantitative Structure-Activity Relationships (QSAR)研究化合物的活性與其結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系，用數(shù)理統(tǒng)計方法研究活性與

30、結(jié)構(gòu)的量變規(guī)律2D QSAR (1960s): 不能研究與受體3D空間作用的情況，不能研究構(gòu)象與構(gòu)型的問題Hansch-藤田稔夫(物化參數(shù)線形加和）Free-Wilson（取代基的活性貢獻(xiàn)+母體化合物的生物活性）Kier(分子連接性）3D QSAR (1988s): 以藥物和受體的三維結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，反映藥物分子與受體作用的能量變化和構(gòu)象（計算機輔助藥物設(shè)計）Hopfinger 分子形狀分析Crippen: distanc

31、e geometryCramer: Comparative molecular field analysis, CoMFA,基本要求：了解基本原理,Hansch-藤田分析,IC50, EC50, LD50,,取代基的疏水性,,Hammett方程中的取代基電性常數(shù),,Taft’s steric constant,,從先導(dǎo)化合物出發(fā)，設(shè)計選擇首批化合物并合成定量測定化合物的活性in vivo /in vitro測算化合物的物理化學(xué)參數(shù)