化学结构与药物代谢

第四节 第相的生物转化,PhaseBiotransformation,第相生物转化又称轭合反应(Conjugation)，是在酶的催化下将内源性的极性小分子如葡萄糖醛酸、硫酸、氨基酸、谷胱甘肽等结合到药物分子中或第相的药物代谢产物中。 通过结合使药物去活化以及产生水溶性的代谢物，有利于从尿和胆汁中排泄。,轭合反应一般分两步进行：首先是内源性的小分子物质被活化成活性形式，然后经转移酶的催化与药物或药物在第相的代谢产物结合形成代谢结合物。 药物或其代谢物中被结合的基团通常是羟基、氨基、羧基、杂环氮原子及巯基。对于有多个可结合基团的化合物，可进行多种不同的结合反应，如:对氨基水杨酸(P-aminosalicylic acid, 3-94)。,一、葡萄糖醛酸的轭合,和葡萄糖醛酸的轭合反应是药物代谢中最普遍的轭合反应，生成的轭合产物含有可解离的羧基(pKa3.2)和多个羟基，无生物活性，易溶于水和排出体外。葡萄糖醛酸通常是以活化型的尿苷二磷酸葡萄糖醛酸(UDPGA)作为辅酶存在，在转移酶的催化下，使葡萄糖醛酸和药物或代谢物轭合。在UDPGA中葡萄糖醛酸以-糖苷键与尿苷二磷酸相联，而形成葡萄糖醛酸轭合物后，则以-糖苷键结合。轭合反应是亲核性取代反应。,注：D-葡萄糖醛酸的羟基与羧基同侧的是-D-葡萄糖醛酸，反之则为-D-葡萄糖醛酸,辅酶（coenzyme）,作为酶的辅因子的有机分子，本身无催化作用，但一般在酶促反应中 有传递电子、原子或某些功能基团(如参与氧化还原或运载酰基的基团)的作用。 将化学基团从一个酶转移到另一个酶上的有机小分子，与酶较为松散地结合，对于特定酶的活性发挥是必要的。 有许多维他命及其衍生物，如核黄素、硫胺素和叶酸，都属于辅酶。这些化合物无法由人体合成，必须通过饮食补充。不同的辅酶能够携带的化学基团也不同：NAD或NADP+携带氢离子，辅酶A携带乙酰基，叶酸携带甲酰基，S-腺苷基蛋氨酸也可携带甲酰基。,葡萄糖醛酸的轭合反应共有四种类型： O-，N-，S-和C-的葡萄糖醛酸苷化,在含有多个可结合羟基时，可得到不同的结合物，其活性亦不一样。如:吗啡(Morphine，3-95)有3-酚羟基和6-仲醇羟基，分别和葡萄糖醛酸反应生成3-O-糖苷物是弱的阿片拮抗剂，生成6-O-糖苷物是较强的阿片激动剂。,O-葡萄糖醛酸苷化反应通常和O-硫酸酯反应是竞争性反应，前者在高剂量下发生，后者在较低剂量下发生，其原因是糖苷化反应具有低亲和力和高反应容量，而硫酸酯化是高亲和力和低反应容量。,新生儿由于体内肝脏UDPG转移酶活性尚未健全，因此会有代谢上的问题，导致药物在体内聚集产生毒性。如:新生儿在使用氯霉素时，由于不能使氯霉素和葡萄糖醛酸形成结合物而排出体外，导致药物在体内聚集，引起“灰婴综合症”。参予N-葡萄糖醛酸苷化反应的胺类化合物有芳香胺、脂肪胺、酰胺和磺酰胺。芳香胺的反应性小，轭合反应也比较少。脂肪胺中碱性较强的伯胺、仲胺结合能力强，反应较易进行。此外，对于吡啶氮及具有1-2个甲基的叔胺也能和葡萄糖醛酸进行糖苷化反应，生成极性较强的季铵化合物。,磺酰胺类抗菌药物磺胺二甲氧嘧啶(Sulfadimethoxine，3-96)经轭合反应后生成水溶性较高的代谢物，不会出现在肾脏中结晶的危险。,C-葡萄糖醛酸苷化反应通常是发生在含有1，3-二羰基结构活性碳原子上，如: 保泰松及硫吡腙(Sulfinpyrazone，3-97)。,二、硫酸酯化轭合,药物及代谢物可通过硫酸酯轭合反应而代谢，但不如葡萄糖醛酸苷化结合那样普遍。硫酸酯化后产物水溶性增加，毒性降低，易排出体外。硫酸酯化轭合过程是在磺基转移酶的催化下，由体内活化型的硫酸化剂3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸(PAPS)提供活性硫酸基，使底物形成硫酸酯。,参与硫酸酯化轭合过程的基团主要有羟基、氨基、羟氨基。,在硫酸酯化轭合反应中，只有酚羟基化合物和胺类化合物能生成稳定的硫酸化轭合产物。醇和羟胺化合物形成硫酸酯后，由于硫酸酯有一个很好的离去基团，会使轭合物生成正电中心，因后者具有亲电能力，而显著增加药物的毒性。,酚羟基在形成硫酸酯化轭合反应时，具有较高的亲和力，反应较为迅速。如:支气管扩张药沙丁醇胺(Albuterol，3-98)，结构中有三个羟基，只有酚羟基形成硫酸酯化结合物，而脂肪醇羟基硫酸酯化轭合反应较低，且形成的硫酸酯易水解成为起始物。,酚羟基的硫酸酯化轭合反应和葡萄糖醛酸苷化反应是竞争性反应。 对于新生儿和39岁的儿童由于体内葡萄糖醛酸苷化机能尚未健全，对酚羟基药物代谢多经历硫酸酯结合代谢途径（量少、慢），而对成人则主要进行酚羟基的葡萄糖醛酸苷化结合代谢。,如:解热镇痛药对乙酰氨基酚(Acetaminophen，3-99)即是如此。,羟胺及羟基酰胺是磺基转移酶较好的底物，在形成磺酸酯后，由于N-O键的非均一性，极易分解断裂生成氮正离子，后者具有较高的亲电性，引起肝脏毒性和致癌性。,如: 解热镇痛药非那西汀(Phenacetin)，在体内会引起肝、肾毒性。,三、氨基酸轭合,氨基酸轭合反应是体内许多羧酸类药物和代谢物的主要轭合反应。参与轭合反应的羧酸有芳香羧酸、芳乙酸、杂环羧酸；参加反应的氨基酸，主要是生物体内内源性的氨基酸或是从食物中可以得到的氨基酸。以甘氨酸的轭合反应最为常见。,轭合反应是在辅酶A的作用下进行的，首先羧酸和辅酶A上的SH(CoASH)形成酰化物(3-100),该酰化物再在氨基酸N-酰化转移酶的催化下，将(3-100)的酰基转移到氨基酸的氨基上，形成N-酰化氨基酸结合物(3-101)。,例如:抗组胺药溴苯那敏(Brompheniramine，3-102)经生物转化的第相反应代谢后形成羧酸化合物(3-103)，然后和甘氨酸反应，形成甘氨酸的结合物(3-104)。,溴苯那敏,在氨基酸轭合反应中，主要是取代的苯甲酸参加反应。如:苯甲酸和水杨酸在体内参与结合反应后生成马尿酸(3-105)和水杨酰苷氨酸(3-106)。其它羧酸反应性较差一些。苯乙酸主要和甘氨酸和谷氨酰胺形成加合物，一些脂肪族羧酸得到的是甘氨酸或牛磺酸的加成物。,马尿酸 水杨酰苷氨酸,在有些情况下，羧酸和辅酶A形成酰化物后，才具有药理活性或成为药物发挥活性的形式。也有的直接参与体内的某些转化反应。如:芳基丙酸类非甾体抗炎药物布洛芬其S-(+)-异构体有效，R-(-)-异构体无活性。在体内辅酶A立体选择性地和R-(-)-异构体结合形成酰化辅酶A，不和S-(+)-异构体结合。形成的酰化辅酶A在体内酶的催化下发生差向异构化，生成R-和S-酰化辅酶A。S-酰化物很快水解得到S-(+)-布洛芬。通过这种方式手性药物实现了在体内转化的可能。,布洛芬(Ibupro-fen,3-107),四、谷胱甘肽轭合,谷胱甘肽(GSH)是含有硫醇基团的三肽化合物，硫醇基(SH)具有较好亲核作用，在体内起到清除由于代谢产生的有害的亲电性物质，此外，谷胱甘肽还有氧化还原性质，对药物及代谢物的转变起到重要的作用。,谷胱甘肽的轭合反应大致上有亲核取代反应(SN2) 芳香环亲核取代反应、酰化反应、Michael加成反应及还原反应。,谷胱甘肽结合物不是最终的代谢形式，而通常经历进一步的生物转化，最后，谷胱甘肽结合物降解成N-乙酰硫醚氨酸(3-108)，被排出体外。,SN2的亲核取代反应，主要发生在sp3碳原子上，该碳原子连有较强的离去基团。这类反应还用于许多含卤素的药物，如:氯霉素中二氯乙酰基(Cl2CHCO-)和氮芥类抗肿瘤药物-氯乙胺基(ClCH2CH2N)的结合代谢。,谷胱甘肽和酰卤的反应是体内的解毒反应。当多卤代烃如氯仿在体内代谢生成酰卤或光气时会对体内生物大分子进行酰化产生毒性。谷胱甘肽通过和酰卤代谢物反应后生成酰化谷胱甘肽，解除了这些代谢物对人体的毒害。,五、乙酰化轭合,乙酰化反应是含伯胺基(包括脂肪胺和芳香胺)，氨基酸，磺酰胺，肼，酰肼等基团药物或代谢物的一条重要的代谢途径，前面讨论的几类结合反应，都是使亲水性增加，极性增加，而乙酰化反应是将体内亲水性的氨基结合形成水溶性小的酰胺。乙酰化反应一般是体内外来物的去活化反应。,乙酰化反应是在酰基转移酶的催化下进行的，以乙酰辅酶A(3-109)作为辅酶。,首先乙酰辅酶A对N-乙酰转移酶上的氨基酸残基进行乙酰化，然后，再将乙酰基转移到被酰化代谢物的氨基上，形成乙酰化物。,乙酰化反应的类型及典型药物见表3-7。,对碱性较强的脂肪族伯胺和仲胺，乙酰化反应通常进行得较少，即使进行结合率也比较低。但对于大多数芳香伯胺由于其碱性中等极易进行乙酰化反应。,对于羟基化合物，也能进行乙酰化反应。芳香羟胺化合物乙酰化时主要得到O-乙酰化物，因为，在分子内会发生N，O-乙酰基转移反应，即使是羟胺的N-乙酰化物也会在体内转变为O-乙酰化物。,六、甲基化轭合,甲基化反应是药物代谢中较为少见的代谢途径，但是，对一些内源性物质如肾上腺素，褪黑激素等的代谢非常重要，对分解某些生物活性胺以及调节活化蛋白质、核酸等生物大分子的活性也起到非常重要的作用。甲基化反应也降低被结合物的极性和亲水性，只有叔胺化合物甲基化后生成季铵盐，有利于提高水溶性而排泄。甲基化轭合反应一般不是用于体内外来物的结合排泄，而是降低这些物质的生物活性。,甲基化反应是在甲基转移酶的作用下以S-腺苷-L-甲硫氨酸(SAM)为辅酶进行的反应。,如：肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴胺等。甲基化具有区域选择性，仅仅发生在3-位的酚羟基上。非儿茶酚结构，一般不发生酚羟基甲基化，如：支气管扩张药特布他林(Terbutaline，3-110)含有二个间位羟基，不发生甲基化轭合代谢。,酚羟基的甲基化反应主要对象是具儿茶酚结构的活性物质。,血液中的肾上腺素和去甲肾上腺素主要由肾上腺髓质所分泌，两者对心和血管的作用，既有共性，又有特殊性，这是因为它们与心肌和血管平滑肌细胞膜上不同的肾上腺素能受体，结合能力不同所致。,由肾上腺髓质分泌的一种儿茶酚胺激素，去甲肾上腺素是从肾上腺素中去掉N-甲基的物质。具有肾上腺素的生物活性，但其作用不如肾上腺素显著。,肾上腺素、去甲肾上腺素,肾上腺素与心肌细胞膜上相应受体结合后，使心率增快，心肌收缩力增强，心输出量增多，临床常作为强心急救药；与血管平滑肌细胞膜上相应受体结合后，使皮肤、肾、胃肠的血管收缩，但对骨骼肌和肝的血管，生理浓度使其舒张，大剂量时使其收缩，故正常生理浓度的肾上腺素，对外周阻力影响不大。,去甲肾上腺素也能显著地增强心肌收缩力，使心率增快，心输出量增多；使除冠状动脉以外的小动脉强烈收缩，引起外周阻力明显增大而血压升高，故临床常作为升压药应用。,由脑内分泌，可影响一个人的情绪。 化学名称为4-(2-乙胺基)苯-1,2-二醇，简称DA。Arvid Carlsson确定多巴胺为脑内信息传递者的角色使他赢得了2000年诺贝尔医学奖。多巴胺是一种神经传导物质，用来帮助细胞传送脉冲的化学物质。这种脑内分泌主要负责大脑的情欲，感觉，将兴奋及开心的信息传递，也与上瘾有关。,科学家们通过试验发现，如果人缺少多巴胺的受体，就会抑制兴奋。如：一般身材较胖的人体内都缺少多巴胺受体，他们在接受食物所给的刺激时，往往要比正常人慢。因此，他们需要更多的食物来满足自己对食物的快感。,多巴胺受体的多少和人的遗传基因、生活方式、外界刺激都有一定关系。,多巴胺,若结构中没有儿茶酚羟基的药物，但经生物第相转化反应可生成儿茶酚结构，也可进行甲基化反应。如:非甾体抗炎药双氯芬酸(Diclofenae，3-111)，经代谢后会产生3，4-二酚羟基代谢物，经甲基化生成3-羟基-4-甲氧基双氯芬酸。,胺类的N-甲基化反应在体内一般很少发生，因为，生成的甲基胺很易被氧化脱甲基。,杂环氮原子，如咪唑和组胺的吡咯氮原子很易发生N-甲基化。吡啶氮原子发生甲基化后，形成季铵离子比较稳定，不易发生脱N-甲基，且极性和亲水性增加，易于代谢。,巯基化合物经甲基化后形成硫醚，进步被氧化生成亚砜和砜而被代谢。,小 结,第五节 药物代谢在药物研究中的作用,Role of Drug Metabolism in Drug Research,药物代谢日益成为药学领域中一个重要的组成部分。 通过对药物代谢的研究，人们能从定性、定量及动力学 方面了解药物在体内的活化、去活化、解毒及产生毒性 的过程。 对于药物化学家来讲，通过对药物代谢原理和规律的认 识，能合理地设计新药，指导新药的研究和开发。,一、对新药分子合理设计研究的指导作用,(一)利用药物代谢的知识设计更有效的药物通过对药物在体内代谢过程的认识，了解药物在体内生物转变的化学过程，以此为基础对现有药物进行适当的化学修饰来避免药物在体内产生的某些化学变化，最大限度地发挥其药效，并且，减少其不良反应。,1通过修饰缩短药物的作用时间,在某些药物结构中，引入一些容易代谢的基团，从而使原有药物在体内的作用时间缩短。这种修饰后得到的药物和原有药物相比，在治疗作用、吸收、分布等方面没有多大差异，但由于作用时间的改变，可以避免一些可能的副作用。,肌肉松弛药十烃溴铵(Decamethonium，3-112) 是长效神经肌肉阻滞剂，在外科手术中作为麻醉的辅助用药，但在手术后会引起肌肉疼痛。 若将该药物结构中的两个氮正离子之间引入两个易水解的酯基，得到氯化琥珀胆碱(Suxamethoniumchloride，3-113)。,氯化琥珀胆碱中两个氮正离子之间的距离和十烃季铵相同，产生的肌肉松弛作用相同，但氯化琥珀胆碱在体内易被血浆中酯酶水解生成琥珀酸和胆碱从而缩短了其作用时间，减少了副作用。,2通过修饰延长药物的作用时间,为了延长药物的作用时间，减少药物在体内被代谢后失去活性，通常将其结构进行化学修饰，引入立体位阻较大的基团，或引入难以被代谢的基团，从而降低药物在体内代谢的速度。,利多卡因(Lidocaine，3-114)用于治疗心律失常时，只能通过注射给药，因为口服给药时，利多卡因在肝脏经代谢生成(3-115)，后者被微粒体酰胺酶迅速水解，生成无活性的二甲苯胺。,利多卡因的衍生物妥卡胺(Tocainide，3-116)，因为结构中存在- 甲基甘氨酸结构，在肝脏仅被缓慢代谢，是一个有效的口服抗心律 失常药。,利多卡因,妥卡胺,(二)利用药物代谢知识进行先导化合物的优化,先导化合物的优化是研究和开发新药的重要环节。由于先导化合物只提供一种新作用的结构类型，往往因作用强度弱、药代性质不合理以及药物不良作用，不能直接用于临床。需要对该先导化合物进行化学结构的改造和修饰，以优化出具有良好的药效、合理的药代和最低的毒副作用的新药。,利用药物代谢知识来进行先导化合物优化的方法，主要有 药物的潜伏化(Drug latentiation)和软药(Soft drug)设计。 药物的潜伏化又包括前药(Prodrug)和生物前体 (Bioprecursor)。p-118,药物的潜伏化是指将有活性的药物转变成非活性的化合物，后者在体内经酶或化学作用，生成原药，发挥药理作用。,如:抗生素如青霉素、头孢菌素、四环素、林可霉素和红霉素等，由于结构中有许多极性基团，在使用过程中口服生物利用度较低，不能更好地发挥其抗菌活性。 若将其结构酯化制成前药，可增加其脂溶性，提高其口服生物利用度和抗菌活性。这些前药在体内吸收后，经水解产生活性。,例如:氨苄青霉素(Ampicillin，3-117a)亲脂性较差，口服用药只吸收30-40，将极性基团羧基酯化后生成匹氨西林(Pivampicillin，3-117b)，口服吸收好，在体内经水解后产生氨苄青霉素而发挥作用。,软药（softdrug）：是指一类本身有治疗效用或生物活性的化学实体，在体内起作用后，经预料的和可控制的代谢作用，转变为无活性和无毒性化合物。本节提及的氯化琥珀胆碱（3-113）例子，实际也属于软药的范畴。硬药（hard drug）：是指具有发挥药物作用所必需的结构特征的化合物，该化合物在生物体内不发生代谢或转化，可避免产生某些毒性代谢产物。 （药效基团分子位阻较大、脂溶性过强易于蓄积消除、半衰期过长、需要多步氧化或其它反应）,由于硬药不能发生代谢失活，因此很难从生物体内消除而产生不良反应，很少直接应用，常将其进行化学改造而制成软药后使用。 软药易被代谢而排出体外，使毒副作用大大降低，治疗指数升高。如制药时将具抗真菌作用的硬药氯化十六烷基吡啶，制成软药使用等。软药本身是药物，使用后转化为无活性的物质。,软药是代谢失活过程，前药是代谢活化过程。临床上使用的绝大多数是软药，少数是前药。如由对乙酰氨基酚与阿司匹林形成的贝诺酯， 抗肿瘤药环磷酰胺、去氧氟尿苷、异环磷酰胺、塞替哌， 抗消化性溃疡药奥美拉唑等都是前药。,前药必须在体内才能起作用，而且体内必须具备某些酶时才能起作用，用前药在体外发挥不了作用，如果患者体质特异或病情特殊则会影响疗效。例如环磷酰胺在体外对肿瘤细胞无效，只有在体内肿瘤组织中被磷酰胺酶催化裂解成活性的去甲氮芥才发挥作用。,二、对新药研究的指导作用,在新药研究和开发的早期阶段，要尽早研究活化化合物的代谢。探索可能发生代谢的部位，推测可能发生的反应，估计可能出现的代谢物。分离和鉴别代谢过程中出现的中间体，并研究其药理和毒理性质。在临床前和早期临床研究期间，通过其代谢的研究，了解和得到药物动力学数据，为大规模临床研究做好准备。对手性药物，通过其异构体在体内代谢转化的研究，弄清药物异构体的立体选择性和立体专一性的代谢。,在临床研究中有90%的候选化合物被淘汰，其中39%是由于药代动力学特性不良被淘汰（该数据不包括由厂家自行撤除或撤回的药物候选化合物）。该调查还表明，如果包括ADME/T性质不良而导致候选化合物被淘汰的几率高达60%。在美国开发成功一种药物的平均时间为10-12年，花费约8亿美元，其中80%为临床前和临床研究的花费。在我国研制一种独立知识产权的新药也需要几千万元人民币和5-8年时间。由于临床前研究对象（实验动物）与临床研究对象（人体）间巨大的种属差异，造成了利用传统药代动力学方法进行新药研发时的高失败率