蛋白质组研究最有效的技术,能快速分离、分析和鉴定细胞内的各种蛋白质,将正常和病理 状态下的蛋白质作对比分析,找出两者间质和量的差别,就能发现和鉴定与功能相关的、包 括与疾病相关的蛋白质及其相关基因;分析功能相关蛋白质表达的动态变化过程,考察药物 作用时功能相关蛋白质表达的变化,来设计避免产生耐药性或毒副作用的新药;鉴定靶组织 或靶细胞中与药物起关键作用的蛋白质,以关键蛋白质作为靶点,为发现新药提供新的作用 靶点;发现和鉴定特定致病因素如病变细胞、致病微生物变异体等作用于靶细胞后的诱变性 蛋白质群体,研究特定配基作用于靶细胞后蛋白质的动态变化模式,据此产生新的先导化合 物;也能将重要功能的蛋白质群体作为筛药的基础多靶点模型,从而就有可能从生物大分子 整体活动的、动态的角度来认识生命,揭示基因或蛋白质的功能及其作用模式,探讨疾病发 生的机理,从而为疾病的诊断、防治和新药开发提供基础 生物芯片( bio-chips)包括基因芯片( gene chip)、蛋自质芯片( protein chip)、细胞芯 片( cell chip或 cellarray)、组织芯片( tissue chip或 tissue arry)和各种由生物材料制成的 芯片。生物芯片将DNA或蛋白质等生物材料探针分子有序地固定在硅、玻璃或聚丙烯薄膜 等基片表面,组成一个二维微阵列(通常每平方厘米点阵密度高于400个),这一含有大量 生物信息的高密度生物模板与待测的靶分子进行特殊的、专一性的识别和相互作用,待测分 子结合在相应的点上,通过标记分子标记,由检测设备自动检测,进而分析样品分子的数量 和序列的信息。如基因芯片利用核酸杂交原理检测未知分子,芯片上的核酸片段与检测样品 杂交,经自动阅读和分析,得到杂交结果。生物芯片技术是发现药物作用新靶点和药物筛选 的又一重要的新技术。利用这一技术寻找药物靶点和筛选新药,规模大、通用性强、适用范 围广。 基因组 DNA序列 蛋白 靶点一药物 2.3.3酶 酶( enzymes)是生命体中具有催化功能的蛋白质。蛋白质酶有着蛋白质所具有的性 质,但作为生物催化剂,酶的活性和特异性更高(即具有专一性)。根据酶的化学组成,可 将酶分为单纯蛋白质酶和结合蛋白质酶。前者整个分子都是单纯的蛋白质分子;后者是一个 结合蛋白质分子,由酶蛋白(蛋白质部分)和辅酶(非蛋白质部分)组成。酶蛋白与辅酶单 独存在时均无催化活性,当两者结合成全酶后才有催化活性,酶的活力还与辅基及金属离子 密切相关 酶的一级结构是基本化学结构,是酶催化功能的基础,一级结构的改变将使催化功能发 生变化。酶分子中的每一个功能基并不都与酶的活性有关,那些与酶活性密切相关的基团称 为必需基团(包括结合基团和催化基团)。酶的二级、三级结构是所有酶都必备的空间结构, 为维持酶活性所必需。二级和三级结构的改变,是酶分子具有催化活性和失活、激活的分子 基础。酶分子的必需基团在一级结构上可能相距很远,但在空间结构上却彼此接近,形成具 有一定空间结构的区域,能与特异的底物结合形成复合物,继而催化底物转变成产物。这 与酶活性相关的空间区域称为酶的活性中心( active center),或称为酶的活性部位( active site)或催化部位( catalytic site)。当酶蛋白受某些理化作用发生变性时,破坏了酶的活性 中心,酶即失活。有些酶在初合成或分泌时呈无活性状态,称为酶原。酶原可激活为有活性 的酶。在此过程中,酶原被断开成一个或几个特殊的肽键或二硫键,从而使构象发生一定变 2
化,形成并暴露出活性部位。与催化作用有关的具有四级结构的酶由数个相同的亚基组成, 每个亚基都具有活性中心,四级结构完整时,酶具有正常催化活性。用适当的方法分离出的 亚基,只要活性中心无变化,仍具催化活性 酶抑制剂是能降低酶活性的特异性物质。根据抑制剂与酶结合方式及抑制作用的可逆性 分为不可逆抑制剂和可逆抑制剂两大类。作为药物的酶抑制剂大部分为可逆抑制剂,它又分 为竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂和反竞争性抑制剂。前者较常见,且更重要,抑制剂与底 物的结构相似,对游离酶的结合有竞争作用,即酶能与底物结合,形成酶底物复合物,也 能与抑制剂结合,形成酶抑制剂复合物,抑制剂与酶的活性中心竞争结合,从而抑制底物 与酶的结合,降低酶活性;非竞争性抑制剂与底物结构不相似,两者无竞争作用,可同时与 酶结合,但结合部位不同,非竞争抑制剂不改变底物与酶的亲合力;反竞争性抑制剂不会改 变酵的最大催化作用,酶只有在与底物结合后,才能与抑制剂结合,发生作用 现在知道,生物体内除了蛋白质催化剂酶以外,还存在着核酶( ribozyme),它的发现 更新了酶的概念。核酶的催化反应不仅见于催化RNA的剪切,而且在蛋白质的生物合成过 程中也能起到酶的作用,催化肽键的水解和合成。一般真核细胞中的催化反应,都由特异的 蛋白酶所完成 生命活动包括许多酶催化的生化反应,酶是药物设计中常常选择的靶点。据统计,目前 全世界用于研究与开发药物的靶点约有500多个。根据2000年对已知的485种靶点的统计 数据来看,其中45%为受体、28%为酶、11%为激素和细胞因子、5%为离子通道、2%为 核受体、2%为DNA,其余7%性质未知。越来越多的酶在疾病过程中的作用已阐明,酶 的三维结构也已获知,以酶的结构为基础可设计同类型的酶抑制剂,这是药物设计中最活跃 的领域之一。表2-5中列出部分正在研究的或临床上已使用的以酶为靶点的药物。 表2-5部分酶抑制剂及其临床应用 酶抑制剂 临床应用 管紧张素转化酶(ACE)卡托普利( Captopril,依那普 高血压,充血性心力衰竭 环氧酶 阿司匹林( Aspirin),布洛芬(I 炎症,疼痛,发热 B内酰胺类抗生素 细菌感染 DNA回旋酶 诺氟沙星( Norfloxacin) 泌尿道感染等 HMG-COA还原酶 洛伐他丁( Lovastatin 高胆固醇 内酰胺酶 克拉维酸( Clavulanic Acid 抗生素 病毒DNA聚合酶 阿昔洛韦( Aciclovir) 疱疹病毒感染 HV逆转录酶抑制剂 齐多夫定( zidovudine) 艾滋病 HIV蛋白酶 沙奎那韦( Saquinavir) 氢钾离子ATP酶 奥美拉〔 omeprazole 胃溃疡 黄嘌呤氧化酶 别嘌醇( Allopurinol) 痛风 二氯叶酸还原酶(DHFR)甲氣苄( Trimethoprim, TMP) 二氢叶酸还原酶(DHFR)甲氨赚呤 Methotrexate,MTX 症 胸苷酸合成酶 氟尿嘧啶( fluoracyl) 癌症 氧化酶 抑郁症 酸脱氢酵 酰唑胺( Acetazolamide) 青光眼 凝血 加曲班( Argatroban) 抗血栓
续表 靶酶 酶抑制剂(药物 醛糖还原酶 糖尿病,白内障 肾素 鼻病毒包衣蛋白 WIN5171WIN52084等 感冒 磷酯酶A2 LY-256548 炎症 环磷酸腺苷二酯酶 依诺昔酮( Enoximone) 充血性心力衰竭 脑啡肽酶 血压,充血性心力衰竭 芳化酶 内酯( Testolactone),氨鲁米特( Aminoglutethimide)|肿瘤 氧化氮合成酶 N甲甚L精氨酸 低血压 葡萄糖苷酶 阿卡波糖( Acabose) 糖尿病 「幕老性痴呆 睾丸酮-5c还原酶 非那雄胺( Finasteride) ‖良性前列腺肥大 3羟基甾体脱氢酶 环氧司坦( Epostene) 抗早孕 多巴脱羧酶 苄丝肼( Benserazide) 帕金森氏病 乙酰胆碱酯酶 溴新斯的明( Neostigmine bromide 青光眼重症肌无力 2.3.4糖类 糖类( carbohydrates)是自然界中分布最广的有机分子,也是生命体中重要的物质。糖 的基本结构是单糖。单糖为多羟基醛或酮,生物中分布最广且最有意义的是五碳糖(戊糖) 和六碳糖(己糖)。单糖中含有多个手性碳原子,环状结构的半缩醛(酮)羟基也可分为a 和β两种端基异构体。一个单糖的半缩醛(酮)羟基可以与另一个单糖中不同位置的羟基通 过糖苷键相连,也可形成分支链。因此多糖结构的多样性和复杂性比多肽和核苷都要大得 多。比如2个相同的氨基酸或核苷酸只能形成1种结构的二肽或二核苷酸,而2个相同的六 碳单糖则可形成11种不同结构的二糖;3个不同的氨基酸或核苷酸可形成6种不同的三肽 或三核苷酸,而3个单糖组成的三糖分子,其数目可达1056种。糖的分支结构、糖苷键的 端基异构,加上甲基化、乙酰基化、硫酸化、磷酸化等化学修饰,使得糖的结构变化几乎是 无穷的。糖分子结构上的多样性使其成为一种有效的高密度信息载体。糖与核酸基因的遗传 密码类似,也可能存在着密码,即糖码。糖码在细胞的识别和调节等方面起着十分重要的信 息体作用。 糖类根据组成可分为简单糖类和复合糖类。简单糖类仅由单糖分子构成,如淀粉、甲壳 质、透明质酸等。复合糖类的构成除单糖外,还有其他非糖生物分子。如糖与多肽以糖肽 键共价相连构成糖蛋白( glycoproteins),与脂质相连构成糖脂( glycolipids)。生物体内多 数蛋白质以糖蛋白方式,或呈溶解状态,或呈与细胞膜结合的状态,存在于细胞内外。 主要糖蛋白有酶、激素、载体蛋白、免疫球蛋白、毒素、凝集素、结构糖蛋白、膜糖蛋 白等。 糖脂有糖基甘油酯和糖鞘脂类两大类。糖基甘油酯主要存在于植物和微生物中,糖鞘脂 类主要在动物体内作为细胞膜和内质网膜的主要构成部分。糖脂与细胞标识、细胞表面的相 互作用、分泌和摄取、变异和转化、组织免疫、神经传导、血型的决定、细菌和病毒感染 肿瘤的发生等有关 由于糖分子结构的多样性,糖分子在细胞识别过程中起着调控的作用。糖类药物(car
bohydrate drug)是含有调控糖基参与的病理、生理过程的含有糖结构的药物,是重要的药 物结构类型之一。目前正在使用的糖类药物有500种以上,包括多糖、糖脂、核苷、氨基糖 苷类抗生素等。因此研究糖的结构与识别功能的关系,发展干扰和阻断识别过程的方法,对 药物设计具有+分重要的作用。比如凝集素是广泛存在于生物体内的能与糖可逆选择性结 合的蛋白,利用凝集素对糖高度专一性的识别作用可设计出药物。又如细菌对人体的感染过 程中 表面的凝集素与宿主细胞表面糖结合是关键步骤,可设计出类糖药物,与细菌凝 集素结合,也可设计出类凝集素药物与糖结合,从而阻止凝集素与糖的结合,影响细菌的附 着,起到抗感染作用。 由于糖分子结构的复杂性,因此目前其研究大大地落后于核酸和蛋白质的研究。可以预 见,以糖类分子为靶点的药物设计,将是今后发现先导化合物的新途径。 2.3.5生物膜 生物膜是生物体的基本结构之一,除了细胞的外周膜,还有细胞内多种功能各不相同的 膜结构。药物进入体内后的吸收和分布是一药物代谢动力学过程,与细胞膜的通透和转运是 分不开的。而药物是通过作用于靶细胞膜上的受体、离子载体( ionophores)或载体,改变 膜的通透性或引起胞浆内酶活性的改变而产生药理作用的。受体多为膜上蛋白,也有一些分 布于胞浆内,因此绝大部分是通过影响细胞膜的功能而发挥药效,细胞膜不仅关系到药物的 代谢动力学,也影响着药效学的发挥。药物与靶细胞作用时,首先接触细胞膜,而且进入靶 细胞更要通过细胞膜或细胞内亚细胞水平的细胞器(如线粒体、内质网、高尔基体、溶酶 体、过氧化酶体等)的膜,这些复杂膜与细胞膜结构类似,因此和细胞膜一并统称为生 物膜 生物膜主要由磷脂和蛋白质组成,而磷脂是由甘油、脂肪酸酯和磷酸酯构成,因此具有 亲水和亲脂的两性。膜在水溶液中的稳定结构是脂溶性部分向内、水溶性部分向外的双分子 层结构。在生物膜中,蛋白质团块镶嵌于磷脂双分子层,为脂蛋白凝胶。蛋白质团块有内嵌 蛋白质,这些弹性内嵌蛋白质具有一定立体结构,有的是转运物质的载体、离子载体、酶或 者接受活性物质(内源性调节物质或者药物等)的受体;有的是表面蛋白质,可以流动、收 缩和移动,与能量转换、物质传递、信息传递、细胞分裂及融合、胞摄胞泌等密切相关;也 有的是穿透整个膜的蛋白质,细胞通过它从外部有选择地吸取营养物质。有些生物膜还含有 多糖,对特定的物质具有特殊的亲和力,与蛋白质共同结合成糖蛋白,构成选择性的受体或 载体;还含有一些金属离子,与蛋白质共同组成离子载体、离子泵和酶等。生物膜具有液晶 态和流动性,在化学刺激、电刺激或其他物理刺激下可使膜的液晶态基质排列构型改变,使 膜对离子等物质发生跨膜流动,流动的方向由化学或电位梯度所决定;也能使膜上某些酶的 活性改变,从而产生细胞的各种重要生物功能。 生物膜的物质转运根据有无能量偶联分为被动运转与主动运转两种形式。由于生物膜是 类脂质双层结构的脂溶性半透膜,凡脂溶性物质(包括内源性生物活性物质如维生素A、维 生素D、甾体激素和外源性药物如巴比妥类药物等)以及水溶性小分子(包括内源物如水、 尿素,和外源物如乙醇等)能以单纯扩散或膜蛋白介导的方式,从高浓度向低浓度一侧转 运。膜蛋白介导运输通过载体蛋白或通道蛋白,载体蛋白能与所运送的特异性物质结合,经 本身构象改变而运送该物质穿过膜;通道蛋白则形成跨膜的充水孔道,这些孔道在特异信号 的控制下能开启和关闭,调节特异性物质穿越膜。有一些物质如食物中的营养物质、离子和 外源性药物,则以主动转运方式通过生物膜,此转运可逆浓度梯度或逆电势梯度进行,转运
FUDAN B040403247488c复旦图书馆 需能量的参与,被转运的物质不需有特定的脂水分配系数,结构相似的化合物往往经同一载 体蛋白转运,转运可受代谢抑制剂的影响而产生药理作用。主动转运方式包括:(1)离子 泵,如Na+K+-ATP酶,俗称钠泵,是细胞膜上一种四聚体的内嵌蛋白质,能分解ATP 分子,泵出Na+,泵人K+,以及类似的Ca2+-ATP酶,俗称钙泵;(2)载体蛋白介导的主 动运转,它是离子梯度驱动的偶联运输系统,如葡萄糖泵和氨基酸泵等;(3)更大分子的物 质通过与膜上相应受体的特殊亲和力,先吸附在膜上,引起膜上蛋白产生一系列能量变化和 运动,包围膜外大分子,最后大分子进入胞浆内,如同被吞噬细胞吞噬,此过程称胞摄作 用。反之细胞内大分子物质也能被排出细胞膜,称胞泌作用。有许多药物通过影响生物膜的 主动转运而产生药理作用。 2.4药物作用的分子药理学基础 药物进入机体后,按一定的药物作用机理,即在一定的部位和以一定的方式同机体发生 相互作用。根据药物的分子结构和作用机理,可将药物分为两大类,即非特异性药物和特异 性药物。非特异性药物对分子结构并无特殊的要求,其作用主要取决于药物分子的物理或物 理化学性质。只要这类药物具备某种相同的物理性质,就能产生相同的生物活性,而不直接 与化学结构相关。临床应用的非特异性药物种类不多,主要有吸入性全麻药,巴比妥类催眠 药,酚类和季铵盐类杀菌药。绝大多数药物属于特异性药物,其生物活性的产生主要是因化 学结构的特异性,它的用药剂量通常很小,当进入机体后,与机体内特定部位的某些生物大 分子在三维空间形成复合物,从而改变大分子的生物化学或生物物理性质,产生生物活性。 这类药物的化学结构、化学反应性、分子形状和大小、立体化学配置、功能基的配置、电子 分布以及同受体结合的可能状况等都对生物效应有决定性影响 药物的生物效应是药物分子和生物大分子之间反应的结果。随着生物化学、分子生物 学、细胞生物学和免疫学等学科的发展,产生了分子药理学( molecular pharmacology)。它 以受体学说为核心,探索药物受体相互作用的基本原理,是药物设计最重要的基础。 2.41受体学说及药物受体相互作用的方式和本质 受体的有关概念早在1878年就由 Langley提出了,但作为正式名称,是由P. Ehrlich 在1913年提倡使用的。他将生物细胞中能与化学治疗剂专一性和选择性结合并引起特异的 生物学效应的结构称为受体。化疗药物分子具有一定的立体结构,如一把钥匙,病原体及宿 主细胞具有不同立体结构的侧链,像不同的锁,只有当二者立体结构互补,方能产生药效 由此提出了化学治疗的“锁-钥”概念。之后不断有人提出新的学说,如占领学说,亲和力 和内在活性学说,速率学说等来发展完善受体学说。1975年 Cohen等采用放射性同位素标 记特异性配基方法,分离和纯化得到乙酰胆碱受体实体,对受体的研究和应用取得了划时代 的进展。 受体( receptor)是靶细胞的膜上或细胞之内存在的,能识别和专一性地结合特定的生 物活性物质(配基),产生特定生物效应的生物大分子或生物大分子复合物。配基( ligand) 是能与受体产生特异性结合的生物活性分子,一般为小分子化合物。体内生物活性物质如激 素、神经递质、细胞因子和信息分子以及外源性生物活性物质、药物等都能称为配基。配基 在极低的浓度下就能和有关受体发生相互作用,生成可逆性配基受体复合物,从而进一步 转导信息,激活或启动一系列生化反应,产生生理药理效应。 受体含有受体基团( receptophore)单元,也称为受点或结合部位( binding site),是配