机制、作用途径等的研究,牵涉到生物化学、分子生物学、结构生物学、酶学、病理学、遗 传学等生命学科。如果疾病的全过程能够阐明,靶点的结构、功能、靶点与药物的作用方 式、产生生理活性的机理以及药物在体内的代谢途径能够完全了解清楚,那么就有可能通过 抑制某些与疾病有关的生理、生化过程来阻断疾病的发生,同时考虑药物在体内的转运、分 布和代谢等因素,使之发挥最大的药效。从合理药物设计的角度来看,基于结构的药物设计 上升到了基于机理的药物设计( mechanism- based drug design)新的高度。显然,人类需要 更多、更详尽的生命科学知识来进行基于结构和机理的合理药物设计,这也是药物设计的目 标和方向。 到现在为止,全世界共有500多个靶点已经阐明,从而为药物筛选或药物设计提供了依 据。比如根据已知的与疾病有关的蛋白质的结构知识设计药物,已有了不少成功的例子,如 胸苷酸合成酶( thymidylate synthase)抑制剂和二氢叶酸还原酶( dihydrofolate reductase) 抑制剂作为抗癌药物;嘌呤核苷磷酸化酶( purine nucleoside phosphorylase)抑制剂作为化 疗剂和免疫抑制剂;肾素(即血管紧张肽原酶, renin)抑制剂用作抗高血压药物;HIV蛋 白酶抑制剂用于治疗艾滋病;流感病毒结合剂作为抗病毒药物;还有与凝血酶有关的抗 药;与血红蛋白相关的治疗镰状红细胞贫血药物;与磷酯酶A2有关的抗炎药;与a蛋白 酶有关的抗心肌梗塞药物;与肿瘤蛋白质(P21)有关的抗癌药和与人类白血球弹性酶有关 的治疗浮肿药物等。根据同源蛋白结构进行药物设计的也有一些例子,比如ACE抑制剂的 设计是基于羧肽酶A( carboxypeptidase A)和嗜热菌蛋白酶( thermolysin)的同源蛋白结 构;肾素抑制剂则基于同源的天冬氨酸蛋白酶( aspartic proteinase)等。 随着科学研究的发展,在基因组学、蛋白质组学、生物信息学、生物芯片技术的推动 下,将发现更多的药物作用新靶点,为药物设计带来更明朗的前途。预计到2010年将发现 5000个靶点,到2030年将达25000个。未来的医药领域的研究空间将会变得无限宽广。另 一方面,化学、物理学、生物学、计算机和信息科学等学科与药物研究的结合、交叉与渗透 日益紧密,将会产生更多的新技术、新方法和新进展,为合理药物设计提供保障。可以预 料,科学家以基因组学的成果为基础,依据已破译的基因序列和功能及其表达蛋白质的功 能,找出控制某种疾病的基因,针对相应的靶点进行药物设计或筛选,会真正实现基于机理 的药物设计 2.2.7先导化合物的优化 先导化合物可能活性不强,作用特异性低,也可能药物代谢动力学性质不佳或存在不良 作用、毒性较大,即ADME/T( absorption, distribution, metabolism, excretion&. toxIcI ty)性质不过关,不能直接药用。因此,需要对先导化合物作结构改造和修饰,以改善药效 学和药动学性质,获得疗效好、毒副作用小的新药结构,这一过程称为先导化合物的优化 ( optimization)。优化是基于结构的药物设计和基于性质的药物设计的重要手段 优化的方法一般都是经验性的操作,需要药物化学家以理论知识、经验和直觉来判别, 经反复实验证实,来设计新的药物。先导化合物优化的一个非常重要的理论是药物的化学结 构与生物活性的相关,在定性构效关系研究(SAR,参见2,5)的基础上,发展成定量的构 效关系研究(QSAR,参见26),直至现代的三维定量构效关系研究(3 D-QSAR,参见 28)模型的建立和处理,可以定量地描述化合物的结构和化学参数、物理参数、化学性质 生物活性,以统计学方法分析处理,以计算机作辅助,可以建立精确的结构和生物活性的相 关关系,以此作指导,进行结构优化,设计出新的化合物分子。三维定量构效关系是计算机
辅助药物设计的重要内容之一。计算机辅助药物设计在优化过程中仍需药物化学的经验来设 定条件,作干预和判断。先导化合物的优化一般有以下几种方法。 2.2.7.1局部修饰 对先导化合物的结构作局部修饰形成类似物,可能增加或降低化合物的药理作用或毒性 作用,改变药物代谢时间或途径,也可能引起相反的药理作用。 局部修饰的方式有:改变分子大小;改变分子柔韧性;增加或减少同系差(CH)的同 系物变换;结构的闭环或开环替换;引入烯键;引入、除去或置换大基团;改变基团的电 性;引人或变换手性中心以及生物电子等排体 2.2.7.2生物电子等排体 电子等排( (isosterism)是指电子数目及排布情况相同的化合物或基团构成电子等排体 ( Isosters),它们具有相似的物理性质。在生物领域里电子等排表现为生物电子等排(bio sosterism),指具有相似物理和化学性质的基团或分子会产生相似或相关的,有时相反的生 物活性。此概念在药物设计中已被广泛用于优化 经典的生物电子等排体(bie有一价基团(如卤素,一CH,-NH, sH等);二价基团(如一O-,一NHr Si-等),三价基团(如 CH=,一N=等);四取代原子(如一C=,一N+=,一P+=等)。非经典的生物电子 等排体有可替代性基团(如一CH=CH s-s CH2-) 功能相似、结构类似,特别是有着相仿药效构象的药物往往作用于同一受体,因此可以 利用已有的药物,分析其化学结构,采用生物电子等排的设计原理,设计出与原有药物的化 学结构相关,但有所区别的衍生物、类似物。由于药物设计不需从某一受体的结构或一类配 基的结构从头摸索,只是模仿原有结构作较小改动,设计出活性类似或有提高的新药。它不 同于完全照抄已有药物的仿制药,也有别于原创性新药,故称为模仿药物(me- too drug) 虽然研制模仿药物不会产生作用全新的药物,但投入少、周期短、成功率高,还不受原有药 物专利权限制。因此从经济效益来说,这是一种设计新药的捷径,各制药公司采用此法大量 开发新的类似药物。从1975年至1994年的20年间,全世界上市的NCEs中有76%属于模 仿药物。比如继Glax公司于1990年上市了5-HT受体阻断剂昂丹司琼后,各国制药公司 纷纷模仿,推出了格拉司琼、托烷司琼、贝美司琼等同类药物(结构式参见图738) 2.2.7.3改变溶解度 改变药物的化学结构,使其水溶性或脂溶性增大,可使药理作用往有利方向发展。如亲 水性的药物脂溶性过低,不易透人细胞膜的脂质层而影响吸收。分子中增加脂溶性基团如烃 基,可以使药物脂水分配系数提高,增加脂溶性而有利于吸收。反之,对于脂溶性过高的药 物可以引入极性大、亲电性基团或制成盐来增加水溶性,提高药物吸收和作用强度。 2.2.7.4剖裂和拼合 对结构比较复杂的先导化合物,可将分子结构剖析成2个或数个亚结构,通过合成和构 效关系的研究,可能找到结构简化的新化合物,这一化学操作和分析方法,称为剖裂(dis section)。例如对吗啡进行优化时,对1000多个合成类似物作构效分析,表明苯基哌啶是起 中枢镇痛作用的基本结构。对五环系的吗啡进行剖裂和简化,得到简单的二环系化合物哌替 啶,仍具镇痛作用(见图2-4) 拼合( association)是与剖裂方法相反的操作,它将两种药物的结构或者两者的药效基 团相拼,融合在一个分子内,形成的新分子可能因加合作用兼具原两种药物的药理活性。拼
H C- BkX人am OH吗啡 哌替啶 图2-4吗啡的剖裂物哌替啶 合成的新的生物活性分子也称为挛药( twin drugs)。例如将具有扩张血管作用的降压药肼 屈嗪( Hydralazine)与受体阻断剂拼合成兼具受体阻断和扩张血管作用的药物普齐地 洛( Prizidilol)(见图2-5)。 NHNH, 2.2.7.5药物潜伏化 肼屈嗪部分 利用药物代谢动力学知识,改变化合物的结构 从而改变其理化性质,调节分子在体内的代谢途径, 可能使药效增强,毒副反应降低,生物利用度增加, 阻断剂部分 该过程称为药物潜伏化。药物潜伏化的途径有制成前 图25拼合药物普齐地洛 药和软药两种。 前药( prodrug)是用化学方法将具有活性的原药与某种基团相连接,转变成无活性的 新化合物。前药待吸收和到达受体作用部位后,经体内水解或酶解释放出原药而产生药效 原药潜伏化成前药的目的在于提高生物利用度;增加药物稳定性;减少毒副作用;改善药物 代谢动力学性质;掩蔽苦味、不良气味等 对药物进行化学结构修饰制成靶向前药,是研究靶向给药系统的一个重要策略。比如将 药物与脂肪链、磷酸、醇、糖等相连,形成磷酸三酯类化合物这一新型的药物载体,可携带 某些亲水性的药物穿透亲脂性的生物膜而进入细胞内。又如将抗肿瘤药物与叶酸相连,可以 制成药物在肝脏富集的靶向抗肝癌药。 软药( soft drug)是本身具有生物活性的药物,在体内产生特定的药理作用后,经预计 的可控速率进一步代谢转变成无活性的和无毒性的化合物。软药可使药物更安全温和,缩短 了药物在体内的过程,而且避免了有毒中间体和产物的形成,使毒性降低,治疗指数提高。 如图2-6中消毒杀菌药物西吡氯铵( cetylpyridinium cloride,氯化十六烷基吡啶儒)因在体 CH, CH2(CH2)n CH3 体内以降解 氯化十六烷基叱啶 电子等排体设计 I+CH, (CH,)n COOF 氯化十四烷酰氧甲基叱啶 N+hCOh 图2-6软药氯化十四烷酰氧甲基吡啶铺的设计思想
内难以降解而毒性较大。根据电子等排,将其设计成软药氯化十四烷酰氧甲基吡啶锵(Tet- radecanoyloxymethylpyridinium chloride),分子结构中碳链改变为同等长度的酯链,仍具有 抗菌活性。因该软药在体内易在酯酶的作用下水解生成无活性的小分子化合物而排出体外 因此毒性较小,仅为西吡氯铵的1/40,具有较高的治疗指数 23药物作用的生物化学、细胞和分子生物学基础 细胞是生命活动的基本单位。细胞生物学( cell biology)以现代化学和物理学的理论和 方法来研究细胞的发育与遗传及其相关的形态的、结构的和代谢的变化。各种层次的生命现 象与生命的物质基础—蛋白质和核酸等生物大分子的特定结构及其运动密切相关。作为研 究生物大分子的结构、功能和信息的分子生物学( molecular biology),从分子水平上说明 生命活动机制和生命的本质,是生命科学的带头学科,在药物研究中起着极为重要的作用。 疾病分子机理的阐明、药物作用靶点的确定、药理筛选模型的建立都离不开分子生物学。结 构生物学( structural biology)是分子生物学的重要研究前沿,它从研究生物大分子的结构 出发,通过探讨结构与功能的关系来揭示生物学功能。生物活性分子(包括药物)与生物大 分子的结合发挥生物学作用(包括分子间的识别、结合、信息传递和能量传递等相互作用) 是以分子的特征三维结构为基础的。化学生物学( chemical biology)是以化学的理论、方 法和手段来研究生物科学的一门新兴的交叉性学科,它基于生物有机化学、生物无机化学、 生物分析化学、生物结构化学,并结合天然产物化学、药物化学、计算机化学等学科的知识 和方法,使生物学的研究深入到分子水平上 以上基础研究,将会给药物设计带来突破性的进展。根据靶点的结构及其作用机理来设 计新药,是药物设计合理的且行之有效的途径。 从组织器官的水平上来说,药物在体内与一定器官作用,即药物作用的靶点是器官,称 为靶器官。由于结构特异性药物只需极少量就能引起生物机体产生强大的生物效应,因此机 体内一定存在着能与药物发生特异性结合的物质。随着生物学发展到细胞甚至分子水平,生 物化学、分子生物学和化学生物学研究证实了与药物作用的靶细胞和靶分子的存在。这些能 与结构特异性药物结合的靶点,最常见的有酶、受体和核酸(DNA和RNA),还包括细胞 膜、脂蛋白、离子通道、抗原、多糖、运输载体等 机体内这些特异性靶点可以与药物发生作用,但生物界中决不会为了外源性药物的药理 作用而产生靶点,这些靶点是为了能与之发生相互作用的内源性活性调节物质而存在的,通 过内源性配基与相应靶点的作用,调节机体内正常生理、生化反应,维持生命体平衡。人类 使用的外源性药物,实际上是通过有意或无意,直接或间接地模拟内源性配基的作用,来调 节机体的生化反应。因此进行药物设计的一个合理的、有效的战略是基于对机体生理机制的 深入研究,在分子水平上阐明生命体细胞的正常生理性和病理性反应的机制,调节细胞的机 能而达到阻断病理性反应、维持正常生理反应 2.3.1蛋白质 天然蛋白质主要由20种标准氨基酸构成,这20种天然的氨基酸均属L型a氨基酸,可 用三字母代码或单字母代码表示。一般书写用三字母代码,易于记忆(见表2-4)。 这20种氨基酸可按它们侧链基团的结构分类,如表24。也可按侧链基团的带电性和极 性分为四类。第一类为疏水性氨基酸,包括甘氨酸(GHy,G)、丙氨酸(Ala,A)、缬氨酸 (val,V)、亮氨酸(Leu,L)、异亮氨酸(Ie,I)、蛋氨酸(Met,M)、脯氨酸(Pro
P)、苯丙氨酸(Phe,F)、色氨酸(Trp,w);第二类为极性氨基酸,包括丝氨酸(Ser s)、苏氨酸(Thr,T)、半胱氨酸(Cys,C)、酪氨酸(Thy,Y)、谷氨酰胺(Gln,Q) 天冬酰胺(Asn,N);第三类为碱性(带正电荷)氨基酸,包括精氨酸(Arg,R)、赖氨酸 (Lys,K)、组氨酸(Hi,H);第四类为酸性(带负电荷)氨基酸,包括谷氨酸(Gu, E)、天冬氨酸(Asp,D)。可以形成氢键的氨基酸有Arg,Lys,Asp,Glu,ser,Thr, Asn, GIn, His, Tyr, Trp. 表2-4氨基酸的分类表 H 分类名称英文 三字母缩写单字母缩 结构式H2N-( 等电点 甘氨酸 5.97 COOH 丙氨酸 H:N- OOH 脂 CH3 族|氨酸 valine H: N-C-CH 氨 COOH CH3 CH 酸 Leu H2N-C--CHz COoH HN--C-C 5.02 异亮氨酸 COOH CH2-CH3 H NH 6,30 基酸/氨酸 HOOC CH2-CH H 苯丙氨酸 Phenylalanine H2N-C--CH H2N-C--CH2 色氨 5.66 酪氨酸 yrosine Tyr COOH