B药物靶点 偶极相互作用。例如,底物可能通过氢键结合在丝氨酸残基上,也 可通过离子键结合在天冬氨酸残基上,或通过范德华力结合在苯丙 氨酸残基上。这些结合作用必须足够大才能使底物在酶催化反应中 与受体充分结合,但一旦有产物生成,这些结合作用减弱以保证产 物能解离出来。由于过量的键合反应存在,可造成酶抑制剂黏附在 结合位点并锁住此位点,这对与酶抑制剂的设计是非常重要的。 活性位点也包括反应机理中起辅助作用的氨基酸。在酶催化反 应机理中常见丝氨酸或半胱氨酸等亲核性氨基酸,作为反应机理的 一部分它们会暂时与底物形成一个共价键(图B1.4) 产物 底物 L-丝氨酸 L丝氨酸 L丝氨酸 图B14丝氨酸作为亲核试剂 组氨酸经常作为酸/碱催化剂。这是因为组氨酸残基的吲哚环 非常容易达到离子形式和非离子形式的平衡,使组氨基酸既可以作 为质子的接受体也可以作为质子的给予体(图B1.5)。 非离子形式 离子形式 作为碱催化剂 作为酸催化剂 图B1.5组氨酸作为酸/碱催化剂 催化机理 酶可催化反应进行有若干机理。除已经了解作为亲核试剂或 酸/碱催化剂的氨基酸在活性位点协助酶的催化机理外。另外一个 因素为酶催化自身键合过程。当活性位点对底物来说不是理想的形 状,进行结合时活性位点会改变其形状以便适合底物的要求,使底 物与活性位点的结合力最强。这称作是诱导适合(图B1.6)
底物 丝氮酸天冬 终氨酸天冬氮 图B1.6诱导适合 然而,在这些结合过程中,同样意味着底物也被迫采取一种特 殊的构象(并非最适构象)以便与酶有效结合。使底物处于一种特 殊的构象通常是使分子位于理想的位置上,以便与上述的亲核性或 酸/碱催化剂的进一步反应。底物与酶键合的另外一个特点是为按 反应机理进行得容易,底物中重要的键可以被扭曲和削弱。酶催化 反应的一个例子是通过乙酰胆碱酯酶的水解神经递质乙酰胆碱(图 B1.7)。在这个反应中乙酰胆碱键合在活性位点上,其所处的位置 便于丝氨酸残基的亲核进攻。组氨酸残基也同样处于理想的位置作 为酸/碱催化剂。乙酰胆碱的酯基团和活性位点的色氨酸残基之间 的氢键也削弱了酯键连接,使其离去更容易。图B1.8所示的反应 机理解释了丝氨酸和组氨酸所起的作用。 nc0~③ 乙酰胆碱酯酶 H, C OH 乙酰胆碱 乙 图B1.7乙酰胆碱水解 酶抑制剂 酶抑制剂是一类能够抑制酶的催化活性的药物。抑制剂可以分 为竞争性和非竞争性两种。竞争性的抑制剂与天然底物竞争活性位 点(图B1.9)。抑制剂的浓度越大,天然底物占据活性位点的概率 越小;相反,天然底物的浓度越大,抑制剂的影响越小。 非竞争性抑制剂不与天然底物竞争活性位点。这种抑制剂通常 结合在酶的不同区域,产生了诱导适合以改变酶的构形使活性位点 不再识别底物(图B1.10)。增加底物的数量对抑制作用的强弱无 影响
B药物靶 O-CH CIN CNH 丝氨酸亲和 组胺 组胺碱催化剂 组胺酸催化剂 H,C-C-OII CN 组胺酸催化剂 图B18乙酰胆碱酯酶水解的机理(R=CHCH2NMe) Q 不反应 图B19竞争性抑制 活性部位 性部位不能被识别 秀导适合 抑制剂 图B1.10非竞争抑制
非竞争性抑制剂结合的活性位点被称作变构位点,经常在生物 合成途径的起始阶段出现(图B1.11)。这种变构位点与此途径的 最终产物结合,并为此途径提供一个反馈控制。当最终产物的量很 少时,变构位点未被占据,酶处于活化状态。当产物很多时,变构 位点被占据,因此切断了酶和生物的合成途径。因此,最终的生物 合成产物可以被当作一种先导化合物,来设计与变构位点结合的抑 制剂。 图B1.11变构抑制 竞争性抑制剂和非竞争性抑制剂都可以是可逆性的或是不可逆 性的。可逆性抑制剂通过分子内的非共价键与酶相互作用(例如: 氢键、离子键和范德华力)。在酶抑制剂复合物和游离的酶以及非 键合的抑制剂之间存在着一个平衡。平衡的位置将由分子间相互作 用的强弱决定。如果分子间的相互作用非常强,平衡将会远离酶 抑制剂复合物,此时的抑制作用实际上是不可逆的。不可逆抑制剂 一般包括活性的亲电基团,这些基团容易进攻酶中的亲核性氨基 酸,导致共价键的形成(图B1.12)。这种键很强并且不容易被破 坏,酶可以被永久阻断。体内解决此问题的惟一途径是降解酶抑制 剂复合物和合成新的酶。 共价连接 不可逆 图B1.12不可逆抑制 酶选择性 为避免不良反应,酶抑制剂应该对靶酶有最足够的选择性。有 若干个例子说明酶以不同形式存在,这种酶被称为同工酶。其催化 反应是相同的,但同工酶之间的氨基酸组成有轻微的差别。如果这
B药物靶点 种变化是在结合位点上,则有可能设计出具有同工酶选择性的药 物。特殊的同工酶在细胞或组织中更趋向于一种类型,因此一种同 工酶选择性抑制剂更有可能有一种特殊的作用和更少的不良反应