（有机化学专业论文）基于d1蛋白酶结构的抑制剂先导化合物的设计与合成.pdf

博士学位季奎文 d o c l d r a ld i s s e r l x n o n 中文摘要 d l 蛋白酶( c t p h ) 是广泛存在于绿色植物叶绿素中的一种多肽加工酶。d 1 蛋白酶的功能是 剪切d 1 蛋白前体( p d l ) 8 1 6 个氨基酸延伸端，形成用于p si i 氧释放中心( o e c ) 锰簇原子组装 的成熟d l 蛋a ( m d d 。现有研究表明，d 1 蛋白酶是绿色植物进行光合作用所必需，并且具有 低含量，高同源性，分布广的特点，可以作为新型广谱高效除草剂的新型靶标。基于d l 蛋白 酶结构开展新型除草剂先导化合物的设计和合成，对于满足当前农业生产对高效低毒除草剂的 需求和解决除草剂使用出现的越来越严重的抗性问题具有重要意义。 目前仅仅有一篇d 1 蛋白酶抑制剂的研究报道，尚没有关于d l 蛋白酶抑制剂的商业化品种。 本文的前期工作在斜生栅藻d l 蛋白酶品体结构数据的基础上，同源模建高等植物菠菜d 1 蛋白 酶的三维结构，通过虚拟筛选获得了多个系列的化合物作为d 1 蛋白酶抑制剂先导化合物的结 构信息。本文通过合理设计和合成，得到四大类化合物合计9 0 个，所有目标化合物经1 hn m r 、 m s 验证，部分化合物同时经元素分析，1 3 cn m r 验证，并获得了结构较为复杂的异噬唑噻唑 哌啶脲类部分代表性化合物的品体，通过单晶x 一射线衍射进一步确证了其分子结构。对全部化 合物进行了活体生物活性测试，部分化合物进行了离体生物活性研究，初步确认了异嘻唑噻唑 哌啶脲化合物具有d l 蛋白酶抑制剂先导化合物的特征，为进一步的研究奠定了良好的基础。 本文具体内容如下： 1 、阐述了基于靶标人分子结构的农药研发策略，系统综述了d 1 蛋向酶及其抑制剂的研究 现状，提出了本论文的研究思路和研究方案。 2 、利用1 ，3 偶极环加成形成异嗯唑环，以酰胺键与赖氨酰脲连接，获得了异噫唑酰赖氨酰 脲类目标化合物共2 1 个( i l t r1 - 2 1 ) 。采用平皿法测定了这些化合物对两种模式植物油菜和稗草 的抑制活性，初步探讨了这个系列化合物的分子结构与生物活性的关系。研究发现，化合物脲 端取代基不变，异咏唑苯基取代基邻对位都为氯时，化合物除草活性较高：异噬唑苯基取代基 不变，脲端中含有杂环吗啡啉时，化合物具有比较好的生物活性。该骨架化合物中，改变脲基 的取代基对化合物活性影响较大。 3 、利用p 二酮酯与羟胺环化得到异噬唑甲酸酯，酯氨解后，通过l a w e s s o n 试剂转化为硫 酰胺，与卤代酮反应得到异咏唑噻唑甲酸酯，经过肼解，与相应的酰氯或异氰酸酯反应得到异 嚼唑基噻唑甲酰肼类目标化合物共1 4 个( r r r iz - 1 4 ) 。活体生物活性测试表明，酰肼脲类化合物 活性普遍优于比酰肼酰基类。该骨架部分化合物对油菜和稗草的除草活性表现出一定的选择性。 该两类化合物溶解性都较差，需要进一步优化其结构来提高这类化合物的生物利用度。 4 、利用1 ，3 偶极环加成和h a n s z t c h 噻唑合成法得到异嗯唑基噻唑基哌啶衍生物，与酰氯、 异氰酸酯或异硫氰酸酯反应，得到两类合计4 3 个异咏唑基噻唑基哌啶基碳酰胺或硫代碳酰胺目 博士学位论文 d o c t o r a ld i s s e 嘲r 翮o n 标化合物( r r pl 4 3 ) 。第二类化合物为刚性结构的异曙唑并环己烷并噻唑的哌啶碳酰胺化合物。 活体生物活性测试表明，第二类目标化合物的除草活性有普遍的提高。综合比较两类化合物的 生物活性与结构的关系，可知在异曜唑苯环上有取代基时，苯环2 ，4 位是比较重要的取代基引 入位置，且氟原子的引入能提高化合物活性；在脲端，对氟苯基的引入能够改善化合物活性； 异噫唑环及哌啶酰胺的结构可能是比较重要的结构单元。刚性六元环连接异嗯唑和噻唑环也在 一定程度上提高化合物对油菜的抑制率。 5 、利用咪唑啉三酮与胺偶联，亚胺基还原后与相应的酰氯反应得到5 一氨基咪唑啉2 ，4 二酮 类化合物共1 2 个( t t1 - 1 2 ) 。活性测试显示，环上3 位甲酰基取代的化合物活性优于苯基取代的 化合物活性。环外5 位n h 上取代基变化对化合物活性有较大影响。咪唑啉2 ，4 二酮环上3 位 和环外5 位n h 可能是重要的衍生位置。 6 、在实验室前期生物提纯天然菠菜d 1 蛋白酶和重组菠菜d l 蛋白酶的- 1 ：作基础上，利用 h p l c 技术，测定异嗯唑噻唑哌啶类化合物i t p1 6 ，i t p2 1 ，i t p2 2 ，r i p2 6 ，i t p2 9 ，i t p4 2 ，i t p 4 3 对d l 蛋白酶水解2 4 肽的抑制作用，其中i r p 2 l 对d l 蛋白酶的抑制常数局值为1 3p , m ， 属竞争性抑制。利用表面等离子共振( s p r ) 技术测定了化合物i t p 2 1 与d l 蛋白酶的抑制作用。 数据显示，在o 1m m 浓度下，化合物对酶的抑制率为4 7 。经过两种离体活性方法的测定， 初步确定了异嗯唑噻唑类化合物的作用靶标为d 1 蛋白酶。 关键词：d l 蛋白酶；抑制剂；异嗯唑；噻唑；咪唑啉2 ，4 二酮；合成：高效液相；s p r a b s t r a c t d 1p r o t e a s e ( c t p a ) ，ak i n do fc - t e r m i n a lp r o c e s s i n gp r o t e a s e ，w i d e l ye x i s t si nt h ec h l o r o p l a s to f g r e e np l a n t s i tc l e a v e s8 1 6a m i n oa c i dr e s i d u e so f t h ep r e c u r s o rd 1p r o t e i n ( p d l ) t of o r mm a t u r e d ip r o t e i n ( m d1 ) ，a n dt h i sp r o c e s si s n e c e s s a r yf o ra s s e m b l i n gt h em a n g a n e s ec l u s t e ri nt h e o x y g e n - e v o l v i n gc e n t e ro fp si i b e c a u s eo fi t sn e c e s s a r yf o rt h ep h o t o s y n t h e t i cr e a c t i o ni np l a n t s ， l o wa m o u n t ，h i g hh o m o l o g yi no r g a n i s m s ，dip r o t e a s eh a sb e e np r e d i c t e dt ob ea l li d e a lh e r b i c i d a l t a r g e t t om e e tt h en e e do fh i g h - e f f i c i e n ta n de n v i r o n m e n t - f r i e n d l yh e r b i c i d e si nm o d e r na g r i c u l t u r e a n ds o l v et h ep r o b l e mo fh e r b i c i d a lr e s i s t a n c e ，i tw i l lp o s s e s sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rr a t i o n a ld e s i g n a n ds y n t h e s i so fh i tc o m p o u n d st a r g e t i n gdip r o t e a s e a tp r e s e n tt h e r ei so n l yo n er e p o r tc o n c e r n i n gt h edi p r o t e a s ei n h i b i t o r s ，a n dt h e r ea r en o c o m m e r c i a li n h i b i t o r st a r g e t i n gd 1p r o t e a s e i no u rp r e v i o u sw o r k , t h eh o m o l o g ym o d e lo fs p i n a c h d 1p r o t e a s ew a sb u i l to nt h eb a s i so f t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f d lp r o t e a s ef r o ms c e n e d e s m u so b l i q u u s w i t ht h et h r e e d i m e n s i o ns t r u c t u r eo ft h i ss p i n a c hd1 p r o t e a s em o d e l ，v i r t u a ls c r e e n i n gw a s p e r f o r m e db yd o c k i n go fs m a l lm o l e c u l e sf r o mv a r i o u sc o m p o u n dl i b r a r i e si n t ot h ea c t i v es i t eo ft h e d 1p r o t e a s em o d e la n ds u b s e q u e n te v a l u a t i n go ft h ep r e d i c t e db i o a c t i v i t i e sw i t hs c o r i n gf u n c t i o n s t h u ss e v e r a lt y p e so fh i tc o m p o u n d sw e r ei d e n t i f i e d i nt h i st h e s i s ，f o u rs e r i e so fc o m p o u n d sw e r e r a t i o n a l l yd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h eh i tc o m p o u n d sf o rc h e m i c a ls y n t h e s i s ，a n dt o t a l9 0c o m p o u n d s w e r es y n t h e s i z e d t h em o l e c u l a rs t r u c t u r e so fa l lt h et a r g e tc o m p o u n d sw e r ev e r i f i e dw i t h1 h n m r a n dm s ，a n ds o m ew e r ea l s oc o n f i r m e dw i t h”c n i v l ra n de l e m e n t a l a n a l y s i s w i t hx - r a y c r y s t a l l o g r a p h y , t h ec o m p l e xs t r u c t u r e so fi s o x a z o l y t h i a z o l y lp i p e r i d i n ed e r i v a t i v e sw e r ed e t e r m i n e d t h eh e r b i c i d a la c t i v i t i e so ft h et a r g e tc o m p o u n d sw e r et e s t e da n ds h o w e dm o d e r a t ea n dg o o d h e r b i c i d a le f f i c a c i e s i no r d e rt ov a l i d a t et h eh i t , s o m ec o m p o u n d sw e r ea l s ot e s t e dt h e i r nv i t r o i n h i b i t i o ne f f e c t sa g a i n s tt h en a t i v eo rr e c o m b i n a n td ip r o t e a s ew i t hh p l ca n ds p rm e t h o d o l o g i e s t h i sd i s s e r t a t i o nm a yb es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g s 1 t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s tm a d ea ni n v e s t i g a t i o no ft h es t r a t e g yf o rt h es t r u c t u r e b a s e dd e s i g no f p e s t i c i d e as y s t e m a t i cr e v i e ww a sm a d eo nt h er e s e a r c ho fd ip r o t e a s ea st h eh e r b i c i d a lt a r g e ta n d p r o g r e s so nt h ei n h i b i t o r st a r g e t i n gd 1p r o t e a s e t h er e s e a r c hs t r a t e g i e sa n dp l a n sw e r ep r o p o s e df o r t h i sd i s s e r t a t i o n 2 b yt a k i n gu s eo ft h ei s o x a z o l e c a r b o x y l i ca c i df o r m e dv a1 , 3 一d i p o l a rc y c l o a d d i t i o nf o l l o w e d b yo x i d a t i o na n dt h es u b s e q u e n ta m i d a t i o nw i t he - l y s i n y l u r e au n i t s ，t o t a l l y2 1c o m p o u n d s ( i l u1 - 2 1 ) w e r es y n t h e s i z e d t h eh e r b i c i d a le f f i c a c i e so ft h e s ec o m p o u n d sw e r et e s t e da g a i n s tt h eg r o w t hr a t e s i i i o ft w om o d e lp l a n t sr a p ea n db a r n y a r dg r a s s t h es t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i pw a sp r e l i m i n a r i l y d i s c u s s e d a m o n gt h e s ec o m p o u n d s ，w h e nt h eu r e am o i e t i e sw e r es a m e ，t h ec o m p o u n d w i t h 2 ，4 - d i c h l o r os u b s t i t u e n to nt h ep h e n y lo fi s o x a z o l eh a db e t t e rh e r b i c i d a la c t i v i t y w h i l ew h e nt h e i s o x a z o l em o i e t i e sh a dt h es a m es u b s t i t u e n t , t h eu r e am o i e t yc o n t a i n i n gm o r p h o l i n ep o s s e s s e db e t t e r h e r b i c i d a le f f i c a c i e s c h a n g i n gt h es u b s t i t u e n to fu r e am o i e t yw i l li n f l u e n c et h eb i o l o g i c a la c t i v i t yo f c o m p o u n d st oag r e a te x t e n t 3 t o t a l l y2 1c o m p o u n d s ( r r a1 - 1 4 ) ，n a m e l yi s o x a z o l y l t h i a z o l e c a r b o h y d r a z i n ed e r i v a t i v e s ， w e r er a t i o n a ld e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d t h es y n t h e s i sw a sa c c o m p l i s h e dv at h es u b s e q u e n tf o r m a t i o n o fi s o x a z o l er i n g , t h i a z o l er i n g , a n de a r b o h y d r a z i n e t h ei s o x a z o l em o i e t i e sw e r ef o r m e dv at h e c o n d e n s a t i o no f1 3 - d i k e t o n ee s t e ra n dh y d r o x y l a m i n e ，w h i l et h ei s o x a z o l y l t h i a z o l e c a r b o x y l i ce s t e r s w e r ef o r m e dv aa m i d a t i o na n dt h i o l a t i o nw i t ht h el a w e s s o n sr e a g e n ta n ds u b s e q u e n tc o n d e n s a t i o n w i t h2 - c h l o r o a c e t o a c e t i ce s t e r ( h a n s z t c hr e a c t i o n ) 1 1 圯i s o x a z o l y l t h i a z o l e c a r b o x y l i ce s t e r sw e r e s u b j e c t e dt or e a c tw i t hh y d r a z i n e sf o l l o w e db ya c y l a t i o no ra m i n o c a r b o h y d r a z i n e ，a n df i n a l l yt h e i s o x a z o l y l t h i a z o l e c a r b o h y d r a z i n ed e r i v a t i v e sw e r eo b t a i n e d b i o l o g i c a lt e s t s h o w e dt h a tt h et i t l e c o m p o u n d sw i t hu r e am o i e t i e sp o s s e s s e db e t t e ra c t i v i t i e s s o m ec o m p o u n d ss h o wg o o db i o l o g i c a l s e l e c t i v i t y h o w e v e r , s i n c et h ew a t e rs o l u b i l i t i e so ft h e s ec o m p o u n d sw e r er e l a t i v e l yl o wa n dt h e r e d e s i g ni sn e c e s s a r yf o rt h e s ec o m p o u n d st oi m p r o v et h e i rb i o a v a l l a b i l i t y 4 w i t ht h eu s eo f1 , 3 - d i p o l a rc y c l o a d d i t i o na n dh a n s z t c hr e a c t i o na sl i k ea st h ep r o c e d u r e s m e n t i o n e da b o v e ，t h e4 - i s o x a z o l y l t h i a z o l y l p i p e r i d i n e sa si n t e r m e d i a t e sw e r eo b t a i n e d t h ep i p e r i d i n e m o i e t i e si nt h e s ei n t e r m e d i a t e sw e r es u b j e c t e dt or e a c tw i t ha c y lc h l o r i d e s ，i s o c y a n t e so r i s o t h i o c y a n a t et oa f f o r dt w oc l a s s e so ft a r g e tc o m p o u n d s ，t o t a l l y4 3c o m p o u n d s ( i t pl 叫1 3 ) t h e s e c o n dc l a s so fc o m p o u n d sp o s s e s s e sa ni s o x a z o l o c y c l o h e x a n o t h i a z o l er i g i dm o i e t y , w h i c hw a s e x p e c t e dt oe n d o wt h e s ec o m p o u n d sw i t hh i g h e rb i o a c t i v i t i e s ，a n dt h eb i o a s s a y sd e m o n s t r a t e dt h i s e x p e c t a t i o n t h es t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i ps h o w st h a tt h eo r t h o a n dp a r a - p o s i t i o no fp h e n y lo n t h ei s o x a z o l er i n ga r ei m p o r t a n ta n dt h ef l u o r i n ea t o ml o c a t e da tt h eo r t h o p o s i t i o nw i l lp r o m o t et h e b i o a c t i v i t yo fc o m p o u n d s ；t h ep - fp h e n y lp o s s e s s i n gt h eu r e am o t i e ya l s o h a st h es a m ee f f e c t t h e i s o x a z o l ea n dp i p e r i d i n em o i e t i e ss h o u l d b ei m p o r t a n tu n i t so ft h ec o m p o u n d s ，a n dt h er i g i d c y c l o h e x a n y lc o n n e c t i n gt h ei s o x a z o l ea n dt h i a z o l ew i l li n c r e a s et h ec o m p o u n d si n h i b i t i n ge f f i c i e n c y t ot h eg r o w t ho fr a p e 5 as e r i e so f5 - a m i n o i m i d a z o l i n e - 2 ，4 一d i o n ed e r i v a t i v e sw e r er a t i o n a l l yd e s i g n e da n ds y n t h e s i z - e d t h es y n t h e s i sw a s a c c o m p l i s h e dv at h ec o u p l i n go f t r i o n e sw i t ha m i n e ，f o l l o w e db yr e d u c t i o no f t h ei m i n eg r o u pa n da c y l a t i o n sw i t ha e y lc h l o r i d e s t h u st o t a l l yt w e l v e5 - a m i n o i m i d a z o l i n e - d i o n e d e r i v a t i v e s ( h1 - 1 2 ) w e r eo b t a i n e d t h eh y d a n t o i nw i t hn a c y la r y lg r o u ph a dt h eb e t t e rb i o l o g i c a l i v a c t i v i t i e st h a nn a r y ls u b s t i t u e n t e dc o m p o u n d s t h es u b s t i t u t e n t so f5 - n hw i l li n f l u e n e e t h e h e r b i c i d a la c t i v i t i e so fc o m p o u n d s i no r d e rt og e th i g h e rb i o a c t i v i t yo fc o m p o u n d st h e3 t hp o s i t i o no f t h er i n ga n dt h e5 - n hw i l lb ei m p o r t a n tp o s i t i o n st ov a r yd i f f e r e n ts u b s t i t u e n t s 6 o nt h eb a s i so fo u rp r e v i o u sw o r kf o rt h ei s o l a t i o n ，p u r i f i c a t i o na n de x p r e s s i o no fs p i n a c hd i p r o t e a s e ，t h ei s o x a z o l y l t h i a z o l y lp i p e r i d i n ec a r b o x a m i d e s ，i t p1 6 ，r r p2 l ，p2 2 ，r r p2 6 ，p2 9 ， i t p4 2 ，i t p4 3 ，w e r em e a s u r e dt h e i ri nv i t r oi n h i b i t i o ne f f i c a c i e sa g a i n s td 1p r o t e a s eb yt h eh p l c m e t h o d o n eo ft h e s ec o m p o u n d s ，i t p2 1 ，w a sd e m o n s t r a t e dt op o s s e s sa ni n h i b i t o rc o n s t a n t ( 鳓1 3 州t h er e s u l ts h o w e dt h ec o m p o u n dp o s s e s s e de f f e c t i v ei n h i b i t i o n t oo p aw i t hac o m p e t i t i v e i n h i b i t i o n o nt h eo t h e rh a n d , t h ei n h i b i t i n ge f f i c a c yr a t i oo f t h ec o m p o u n di t p2 1w a st e s t e dw i t ht h e c o m p e t i t i v es t r a t e g yb ys u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c et e c h n o l o g y , a n di tw a ss h o w nt h a tt h i sc o m p o u n d p o s s e s s e da ni nv i t r oi n h i b i t i o ne f f i c a c y4 7 a tt h ec o n c e n t r a t i o no f0 1m m a l lt h er e s u l t sf r o mt h e i nv i v oa n di nv i t r ot e s t ss h o wt h a tt h ec o m p o u n d sc o n t a i n i n gi s o x a z o l y l t h i a z o l y lp i p e r i d i n e c a r b o x a m i d e sm a yb et h ep o t e n t i a lc o m p o u n d st a r g e t i n gd1p r o t e a s ed i r e c t l y k e y w o r d s ：d 1 p r o t e a s e ；i n h i b i t o r ；i s o x a z o l e ；t h i a z o l e ；i m i d a z o l i d i n e - 2 ，4 - d i o n e ；s y n t h e s i s ；h p l c ； s p r v 博士学位论文 d ) c t o r a ld i s s e l h 矾o n 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：0 踊 f 绉今日期：弘哆年月丫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中师范人 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同意华中师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传 播学位论文的全部或部分内容。 作者签名：伽；l 移参 日期：- 口7 年占月，日 孙搬旅泓 日期：加衫年z 月y 日 ， 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回童论塞量变蜃澄卮! 旦兰生；旦二生；旦三生筮鱼! 作者签名：锄磊怎铲 日期：冲年占月，日 博士擘住论丈 d ( ) c 1 o l l a l d l s s e 甜r 了1 0 n 本论文的创新点 1 本论文以虚拟筛选得到的d 1 蛋白酶抑制剂先导化合物结构信息为基础，开展d 1 蛋白 酶抑制剡先导结构信息化合物的合理设计与合成。通过系列化设计和化学合成，获得了异嚼唑 赖氨酰脲类、异嚼唑噻唑酰肼类、异嗯唑噻唑哌啶脲类、咪唑啉2 ，4 二酮类，合计9 0 个未见报 道的化合物。初步的生物活性研究表明，部分先导结构信息化合物具有较高的生物活性。 2 构建具有异嚯唑并环己烷并噻唑的刚性单元的哌啶类化合物，这类化合物的生物活性获 得了较大的提高；在部分化合物分子结构中通过引入氟原子，在定程度上提高了化合物的生 物活性。 3 利用h p l c ，s p r ( 表面等离子共振) 技术测试了结构新颖的部分异嗯唑噻唑哌啶脲类 化合物对菠菜d 1 蛋白酶水平的抑制活性。结果表明，该类化合物对d 1 蛋白酶有直接的抑制作 用，其中化合物r r p 2 l 生物活性表现为竞争性抑制，初步表明这些化合物是d l 蛋白酶抑制剂 的先导结构化合物，可作为d l 蛋白酶抑制剂先导化合物开展进一步的研究。 v i ： ： 博士学位论文 d o c t o r a ld i s s e r 矾o n 第一章绪论 1 1引言 农药是人类生产和生活中必不可少的生产资料。我国人口众多，耕地有限。今后二三十年， 我国人口逐年递增、耕地逐年减少、粮食产量不足的矛盾将会日益突出。要解决这一矛盾，只 能靠千方百计提高单位面积粮食产量，同时减少有害生物造成的损失。这时，化学农药的作用 功不可没。具报道，在中国通过农药的使用，每年挽回粮食5 4 0 0 万吨，棉花1 6 0 万吨，蔬菜水果 2 1 0 0 万吨。在发达国家成功的经验和我国农林业发展的历史中，我们能够认识到农药在提高农 作物单产方面具有举足轻重的地位 1 】。 除草剂作为农药品种之一，在农药市场中占有重要地位。2 0 0 4 年，除草剂在世界农药市场 占据份额为4 7 7 1 ，在世界粮食供应中发挥重要作用。除草剂按照作用机理分为抑制光合作用 进程，抑制植物必需氨基酸合成，抑制叶酸作用，抑制类脂合成，破坏膜完整性，抑制植物色 素合成，干扰激素平衡，抑制细胞发育等8 类，共约19 个靶标 2 4 】。过去的4 0 多年发现的除 草剂超过6 0 的化合物是通过影响植物叶绿体功能来达到抑制目的 5 】。目前，叶绿体中4 个重 要的除草剂靶标在除草剂分子设计和抗除草剂农作物育种基因 二程中受到厂泛重视，这四个重 要的除草剂靶标是：1 ) 、光合色素及其相关组分的合成与代谢；2 ) 、氨的代谢及植物必需氨基 酸的生物合成；3 ) 、植物体内脂类的生物合成；4 ) 、光合过程电子传递系统。最近公布的新化 合物分子中主要存在两种靶标酶，一种为与氨基酸合成相关的乙酰乳酸合成酶( a l s ) ，另一种 为与色素合成相关的原叶琳原氧化酶( p r o t o x ) 。自1 9 9 1 年以来，在报道的5 1 种新除草剂分子 中，针对这两种靶标酶的占了三分之二【6 】。 值得注意的是这些有限靶位除草剂的多次重复作用使得抗性杂草迅速增多 7 - - 9 1 。根据美国 杂草学会( w e e ds c i e n c es o c i e t yo fa m e r i c a ) 所属的除草剂抗性委员会( h e r b i c i d er e s i s t a n c e a c t i o nc o m m i t t e e ) 资料显示，截至2 0 0 9 年，共有3 2 3 种抗性生物型发生在6 0 个国家。在所有 抗性生物型中，约2 9 3 抗a l s 抑制剂，2 0 5 抗阿特拉津，1 0 8 抗a c c a s e 抑制剂，8 1 抗 植物激素。而采用靶标相同或近似的除草剂轮换使用，则使杂草抗性问题更为严重。显然，只有 轮换使用不同作用靶标的除草剂才能预防和解决杂草抗性问题。因此，如何开发出更多的具有新 靶标酶的商品化除草剂已成为当前的一个重要课题。 当今农药开发的方法可以总结为“模拟、随机、改造、仿生、定向”十个字【1 0 】。其中，“模 拟”即通常所说的类同合成，是根据现有的先导结构进行改造、修饰而成，虽然成功率较大， 但由于同类结构，化合物作用机理也往往相同，容易导致杂草抗性，且容易发生知识产权冲突 问题。“随机”即随机合成得到一些化合物结构，该法虽然可能获得一些新的先导结构或靶标对 象，但命中率低，风险大。“改造”即通过化学方法对生物物质进行改造，或通过生物方法对化 学物质进行改造，虽然i 艺较为复杂，但命中率较l 茼，且获得的农鲥安全性较高，席刚范隔j i ， i t 前已成为新农药开发热点之。“仿生”即人i ：合成目标害物所争有的物质，其先导结构来自 生物体( 植物、动物以及细菌等) ，开发小的新农药往往i 有良好的环境相容性，更为重要的是 可川发现一些新的农鲥粑标。“定向”指通过剖析害物的纽织、酶、摹困薜，定向j 殳计井含成相 麻的化合物这是收药剞制的有敢于段。随着对遗传基内研究的进胜，以及其生物学功能的阐 释，不仪能提高农药的研究效率，而且能开发山高活性、高蜜垒性的农曲。如植物的光和怍埘， 灶植物体生k 必币可少的过程，而人类并无光台作用行为，田此通过埘其遗传基囡的研究，开 发山对它们相关酶具有抑制作川的药荆，这将坫人类理想中的农药。 本章拟从基丁受体生物犬分子结构定向合理殴计除草荆农药分j f 的策略，植物体山光合作 j t j 必需酶d l 蚩f 酶的研究现状，及其抑制剂的研究方面进行综述。 1 2 基于受体大分子结构合理设计农药 2 0 1 【 = 纪r 、r 叫以米，陆着生物基闻技术的迅猛发展，深刻改变了药物研发与开发的思路 形成了新鲋研究的新模式从基组剖药物，即通过功能基因的研究，充分了解再种h 标酶 的基因特性，寻找可能成为曲物攻击点的候补基因，发现并确证药物作_ l f l 靶点，打的放父的进 行药物分f 设计 1 】io 药物研发的思路的变革也株刻影响到农曲的研发，考虑到医药，铺与农药 开发的相通性t “摹w 纽e 口制”亦有可能往农药创制中得以麻) lj ( v i g1 - 1 1 。 錾黄蒸鞋 一一lj f i g1 - 1s c h e m a t i co v e r v i e wo f c x p l o r i n gp e s t i c i d e sf r o mg e n e s h 本吴羽公司的颁藤敬一以叶凶唑( m e k o n 一曲为例，探讨了基组创制农药的可能性。 在探明了获霉痛游龋靶标酶y p 5 i 的遗传基l i g f f r 恤后经过训算机模拟设计，预测了灰霉病菌 y p 5 1 的模拟结构c y p 5 l ，设想r 该酶与叶苗唑结合的三维模拟造刑。图f i 9 1 0 显示的为灰霉病 博士学位论文 d ( ) c t o r a ld i s s e r l a n 0 n 菌c y p 5 1 与叶菌唑相互作用图示【1 2 】。 m a t c n n n z o l e l e u l 2 5 f i g1 - 2s c h e m a t i co v e r v i e wo f t h er e a c t i o nb e t w e e nm e t c o n n z o l ea n dc y p 5 l 1 2 1 基于靶标结构的药物分子设计在农药研发的应用 计算化学( 包括化学信息学) 和计算生物学( 包括生物信息学) 广泛介入到药物发现与开发的 同时【1 3 1 6 ，对农药新设计方法也产生了极大的影响。同计算机辅助药物设计方法一样，农药 分子计算机设计方法也可以分为两类，即基于小分子的药物设计和基于受体生物大分子结构的 药物设计 1 7 ，1 8 。基于小分子的药物设计思路主要是根据现有有效农药分子的结构、理化性质 与活性关系( s a r ) 的分析，建立定量构效关系模型( q s a r ) 或药效基团( p h a r m a c o p h o r e ) 模型，指 导小分子结构改造；基于生物大分子结构的药物设计思路则根据受体生物人分子( 蛋白质、核酸 等) 的三维结构( x 射线晶体衍射、核磁共振、低温电镜解析得到结构或计算机模拟结构) ，用 理论计算和分子模拟的方法建立小分子受体复合物的三维结构，预测小分子受体问的相互作 用，在此基础上设计与受体活性口袋互补的新分子【ll 】。 基于受体靶标结构的药物设计方法的思路就是通过研究受体结构特征，以及受体和药物分 子之间的相互作用方式米设计分子。设计方法可以分为两类。一类为分子对接，所谓分子对接 就是受体和药物分子之间通过几何匹配和能量匹配而