X射线衍射在药学中的应用ppt课件.ppt

X 射线晶体学在医药学中的应用 1 X 射线晶体学在医药学中的应用 1微量化合物或全未知化合物的分子结构测定2以共晶方式存在的混合物分子结构测定3绝对构型测定4构象分析5氢键 盐键 配位键等的计算与分子排列规律6原料药中溶剂分子的确定7生物大分子结构分析8为计算机辅助药物分子设计提供起始三维结构数据 2 1微量化合物或全未知化合物的分子结构测定 随着分离 提取等分析技术的飞速发展 从天然产物中可获得低含量的化合物 单晶X射线衍射分析只需要一颗单晶体 约1 4 1 6mg量 就可直接使用单晶X射线分析技术独立完成所需的化合物的全部结构测定工作 而一般不再需要借助其它谱学 NMR MS等 信息 3 2以共晶方式存在的混合物分子结构测定 共晶在固体药物样品中是常见的现象 最简单的例子是药物分子与溶剂或结晶水分子以共晶方式存在 共晶分子结构可以由异构体形成 也可以由不同结构分子形成 在药物研究中确切地了解共晶样品的组成成分 以及它们实际存在的比例是至关重要的 单晶X射线衍射分析技术对药物中的共晶样品可以给出准确 定量的分析结果 4 Chemical PharmaceuticalBulletin 2008 56 4 439 442 Differentconfiguration 5 DifferentStructure 6 3分子绝对构型的测定 如无特别说明 单晶X射线分析给出的是分子的相对构型 应用单晶X射线分析方法可获得药物分子的绝对构型 测定药物分子绝对构型常用的方法有以下几种 应用反常散射法测定分子绝对构型 利用分子中所含原子 特别是重原子 的X射线反常散射 色散 效应 可以准确地测定分子构型 7 PrincipleofX rayanomalousdispersionmethod反常散射法测定天然产物绝对构型的原理 8 正常条件下 结构因子F hkl fjexp 2 i hxj kyj lzj f为原子散射因子 当原子上的电子被看成自由电子时 对X 射线的散射因子为f0 散射波与入射波的相角差为固定值 当分子中只有轻原子时 原子上的电子可被看成自由电子 衍射点的分布遵守Friedel s定律 即Ihkl I h k l hkl h k l Fhkl 2 F h k l 2Fhkl为结构因子 Ihkl 为衍射强度 9 反常散射 不同原子对电子的束缚能力不同 重原子对电子的束缚能力强 导致了其对X 射线的散射能力与自由电子有所不同 散射相角也发生一定漂移 称为反常散射 10 在重原子存在的条件下 Ihkl I h k l hkl h k l Fhkl 2 F h k l 2 Fhkl 2 1 x Fhkl 2 x F h k l 2式中x即为绝对构型因子 Flackparameter 当x趋近于0时 式中右边第二项趋近于0 此时所得的分子模型即为化合物的绝对构型 当x趋近于1时 式中右边第一项趋近于0 此时所得的分子模型即为化合物绝对构型的反型 Cu靶辐射的反常散射能力强 而Mo靶辐射的反常散射能力弱 11 单晶X 射线衍射测定天然产物绝对构型的应用方法 12 当分子中含有重原子时 原子序数大于硅原子 采用Cuk 或Mok 辐射 均可获得具有显著意义的绝对构型因子 从而可判断分子的决对构型 例如 cycloartan 3 29 diol 23 one3 29 disodiumsulfate Jiang R W etal J Nat Prod 2008 71 1616 1619 Flackparameter0 05 3 3S 4R 5R 8S 9S 10R 13R 14S 17R 20R 13 当分子中不含重原子时 1 大多数天然产物分子由碳 氢 氮 氧组成 不含重原子 采用反常散射能力较强的Cuk 辐射 可将氮 氧看成较重原子 对于大部分结构 仍然可以计算出正确的绝对构型 例如 19 norbufenolideA Tianetal Chem AEur J 2010 16 10989 10993 14 2 与已知构型分子如酒石酸 枸橼酸共结晶 橘櫞酸托瑞米芬 Jiang etal ZhongguoYaowuHuaxueZazhi 1999 9 32 35 15 Jiang R W Ma S C But P P H Mak T C W J Nat Prod 2001 64 1266 1272 3 利用分子中已确认的局部构型信息确定分子绝对构型 16 4 向天然产物中引入已知构型片段 S 2 methoxy 2 1 naphthyl propionicesterofPF1140 Fujita etal J Antibiot 2005 58 6 425 427 17 5 引入重原子 向天然产物中引入重原子 常用的方法有形成生物碱的盐酸盐 氢溴酸盐或氢碘酸盐 或进行对溴苯甲酰化反应等 例如 18 例如 absoluteconfigurationofneostenine 空间群P212121 NeostenineisanalkaloidisolatedfromtheroottubersofStemonatuberosaLour Flackparameterx 1 2 Flackparameterx 0 2 Mok 辐射 19 引入重原子 Jiang etal J Mol Struct 2010 966 1 3 18 22 20 中间产物2的绝对构型分析 Flackparameterx 3 2 Flackparameterx 4 2 21 产物3的绝对构型分析 Flackparameterx 0 04 1 22 产物4的绝对构型分析 Flackparameterx 0 03 0 066 绝对构型与产物3一致 23 Absoluteconfigurationofstenine C1SC9RC9aRC10RC11RC12RC13S Jiang etal J Mol Struct 2010 966 1 3 18 22 24 单晶X 射线衍射测定天然产物绝对构型的局限性 1 能否得到合用的单晶 制约环节 25 2 如晶体属于含对称中心和对称面的空间群 不能测定绝对构型 例如 三斜 P 1 单斜 P21 c C2 c正交 Pbca P 1外消旋体 Jiao etal J Nat Prod 2010 73 2 167 171 需要折分 26 3 部分Cuk 辐射数据 其最终绝对构型因子大于0 3 或偏差较大 难以判断其绝对构型 可能原因有 含氮 氧比例低 测定时没有用低温 27 4构象分析 从单晶X射线衍射分析所得分子的立体结构中 可以准确地计算出被测化合物的构象信息 即组成药物分子骨架各环的船或椅式构象 环与环间的顺反联接方式 环自身的平面性质 环与环间的扭转角 侧链的相对取向位置 大环构象等 TetrahedronLetters2002 43 2415 2418 28 5氢键 盐键 配位键等的计算与分子排列规律 氢键 盐键 配位键等是研究药物分子生物活性中的重要信息 利用单晶X射线衍射分析结果 可以准确地计算出药物分子的氢键 盐键 配位键的成键方式和数值 特别是分子内与分子间氢键的关系 将影响晶态下分子在空间形成确定排列方式 由此可获得分子在空间的层状 螺旋 隧道或空穴等各种排列关系 这些重要信息将有助于了解和解释药物分子的作用机理 29 6原料药中溶剂分子的确定 在新药与制药研究中 原料药中是否含有结晶水分子或溶剂分子 特别是当重结晶过程中使用过对人体有害的溶剂时 它们是否进入晶格 其含量是多少 单晶X射线衍射分析可以准确地回答这些问题 30 失碳香茶菜二萜与水的包结物相对构型图与立体结构投影图 31 32 Li GuoQiang Li YaoLan Wang GuoCai Liang ZhiHong Jiang RenWang ActaCrystallographica SectionE StructureReportsOnline2011 E67 8 o2192 33 34 7生物大分子及其复合物的结构测定 天然产物中的水溶部分多含有蛋白质 多肽 多糖类等化合物 这类物质的生物活性一直是药物化学家关注的内容 现有波谱分析方法 除NMR对多肽 蛋白质等分子量低于5万 且有同源性质的分子结构取得进展外 欲得到更大分子的准确三维结构 还只能借助于单晶X射线衍射分析方法 我国晶体学家早在20世纪70年代就完成了结晶猪胰岛素的X射线晶体结构测定工作 35 DNA双螺旋模型 1953年3月 沃森 JamesWatson 和克里克 FrancisCrick 在X 射线衍射实验的基础上发现了DNA双螺旋模型 从而揭开了分子生物学的新篇章 沃森 克里克 威尔金斯因发现核酸的分子结构及其对生命物质信息传递的重要性分享了1962年的诺贝尔生理医学奖 36 英国生物化学家肯德鲁 JohnCowderyKendrew 和佩鲁兹 MaxFerdinandPerutz 用X 射线衍射分析法研究血红蛋白和肌红蛋白 而且共同研究X 射线衍射晶体照相术 以及蛋白质和核酸的结构与功能 1960年 他们把一些蛋白质分子和衍射X 射线效率特别高的大质量原子 如金或汞的原子 结合起来 首次精确地测定了蛋白质晶体的结构 肯德鲁和佩鲁茨分享了1962年的诺贝尔化学奖 血红蛋白和肌红蛋白 37 维生素B12 英国女化学家霍奇金 DorothyMaryCrowfootHodgkin 研究了数以百计固醇类物质的结构 其中包括维生素D2 钙化甾醇 和碘化胆固醇 她在运用X 射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构的研究中取得了巨大成就 1949年她测定出青霉素的结构 促进了青霉素的大规模生产 1957年又成功测定出了抗恶性贫血的有效药物 维生素B12的巨大分子结构 使合成维生素B12成为可能 由于霍奇金这两项成果意义重大 影响深远 她于1964年获诺贝尔化学奖 38 胰岛素分子结构 1955年 英国生物化学家桑格 FrederickSanger 研究确定了牛胰岛素的化学结构 从而奠定了合成胰岛素的基础 并促进了对蛋白质分子结构的研究 22年后 桑格借助于X 射线分析法与美国生物化学家吉尔伯特 WalterGilbert 伯格 PaulBerg 确定了胰岛素分子结构和DNA核苷酸顺序以及基因结构而共获得1980年诺贝尔化学奖 39 水通道蛋白 2000年 美国科学家阿格雷 PeterAgre 与其他研究人员应用场发射电子源的电子衍射方法得到分辨率为3 8埃的AQPl水通道电子密度图 发现了一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道 并公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰度立体照片 阿格雷和麦金农因为对膜蛋白分子和离子通道开创性的研究 而共同分享了2003年的诺贝尔化学奖 40 DNA的复制过程 美国科学家科恩伯格 RogerKornberg 从20世纪70年代开始使用X 射线衍射技术结合放射自显影技术 在美国斯坦福直线加速器中心的同步辐射装置SSRL上进行实验 研究遗传信息最初复制到RNA中的过程 对此过程中各个阶段的DNA RNA和聚合酶的复合体进行结晶 用X 射线拍下各个阶段的复合体的照片 并第一个成功地将DNA的复制过程捕捉下来 从而揭示了真核生物体内的细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质 科恩伯格被授予2006年诺贝尔化学奖 41 2003年7月 中国科学家成功解析了SARS冠状病毒主要蛋白酶的三维结构 这是世界上首次解析出SARS冠状病毒蛋白酶的晶体结构 为研制抗 非典 药物奠定了重要的结构基础 研究在同步辐射国家实验室 利用多波长反常衍射实验技术 测定了该酶在四种不同条件下的三维空间结构 并详细阐述了该酶在底物结合区域的精确构象 SARS冠状病毒主要蛋白酶 42 受体大分子与药物分子