核苷及其类似物

核苷及其类似物核苷及其类似物 摘要 核苷及其衍生物具有一些特殊的作用 2 脱氧核苷药物能特异性的 干扰病毒的复制 本文论述了核苷的作用及合成法 并对 4 氯 9 2 脱氧 D 呋喃核糖 7H 嘧啶 4 5 b 并吲哚的合成做了具体表述 关键字 核苷 2 脱氧核苷 一 核苷的简介一 核苷的简介 核苷 Nucleosid 是一类糖苷胺 glycosylamine 分子 组成物是核酸碱 基加上核糖 Ribose 或脱氧核糖 Deoxyribose 碱基包括嘌呤 Purine 和嘧 啶 Pyrimidine 两类 嘌呤包括鸟嘌呤 Guanine 和腺嘌呤 Adenine 嘧啶包括 胞嘧啶 Cytosine 胸腺嘧啶 Thymine 和尿嘧啶 Uracil 核糖和核酸碱基之间 以 N 糖苷键的形式构成 根据核糖的不同 可分为核糖核苷和脱氧核糖核苷 两类 前者是 RNA 的组成部分 后者是 DNA 的构成单元 1 根据碱基的不同 分为又可将核苷分为嘧啶类核苷和嘌呤类核苷两类 2 嘧啶类核苷主要有胸苷 尿苷和胞苷 嘌呤类核苷主要有腺苷和尿苷 它们的结构如图 1 1847 年 Liebig 从细胞中分离出第一个核苷类化合物 标志着遗传物质化学即 核苷化 学 的开创 这类核苷为天然核苷 1991 年 Levene 和 Jacobs 确定了第一个核 苷的结构为 次黄嘌呤核苷 Hypoxanthinribo 的 5 一磷酸酯 同时两位科学家还 定义了核苷 由一个氮杂环的碱基与戊糖偶联的分子 和核苷酸 被磷酸酯化的核 苷 的概念 从此 开始了核苷化学的新纪元 图 1 二 核苷的作用二 核苷的作用 2 1 抗病毒的作用抗病毒的作用 核苷是一类十分重要的生物大分子 作为核酸的水解产物而被分离得到 在细胞的结构 代谢 能量和功能的调节等方面起着十分重要作用 作为核酸 的基本构成单元 核苷参与生物体中基因信息的保留 复制和转录的分子机制 许多核苷类似物是病毒复制过程中酶的抑制剂 可以抑制病毒 DNA 多聚酶和 逆转录酶的活性并与核苷酸竞争性掺入病毒 DNA 键 从而终止或抑制病毒 DNA 链的延长和合成 使病毒的复制受到抑制而发挥抗病毒作用 3 由于核苷 在细胞生命中占有极为重要的地位 可以用核苷类似物和衍生物干扰肿瘤细胞 的生长和病毒的繁殖 这成为治疗癌症和各种病毒性疾病的一个新的途径 经过修饰和改造的核苷类化合物 结构与天然核苷十分相似 这些非天然 核苷无法被病毒识别 但是可以参与病毒的代谢 从而干扰病毒基因的表达 因此 对天然核苷的结构进行修饰或改造就可能获得新的抗病毒药物 4 目前 临床上用于治疗肝炎 艾滋病 疱疹等病毒性疾病的药物有很大一部分都是核 苷类化合物 它们一般都是作为病毒复制过程中酶的抑制剂 阻断病毒对于靶 细胞的侵染 5 以下是几种常见的核苷类抗病毒化合物 1 齐多夫定 Zidovudine AZT 6 8 由英国 GlaxoSmithKline 公司开发 是首个抑制逆转录酶的核苷类抗艾滋病药物 2 拉米夫定 Lamivudine 3T C 9 11 是加拿大 Biochem Pharma 公司研 制的核苷类抗病毒药 表现出很高的药理活性和较低的毒性 其毒性比齐多夫 定低 10 倍左右 临床用于治疗慢性乙型肝炎 3 阿昔洛韦 Acyclovir ACV 12 13 由英国 Wellcome 公司开发 是一 种高效 低毒 广谱的抗病毒药物 目前已成为治疗疱疹的首选药物 4 更昔洛韦 Ganciclovir GCV 14 15 是美国 Syntex 公司开发的 FDA 批准的第一个用于预防与艾滋病有关的药物 5 泛昔洛韦 Famciclovir FCV 16 是第一个在美国获准用于艾滋病患 者复发性单纯疱疹病毒感染的口服药 不仅人体吸收率高 而且药物持续时间 长 是减少疱疹后神经痛唯一有效的药物 6 西多夫韦 Cidofovir 17 由美国 Gilead 公司开发 1996 年 5 月 FDA 批准注射用西多夫韦上市 其对疱疹病毒 腺病毒及人乳头瘤状病毒有很 强的抑制活性 7 阿德福韦 Adefovir PMEA 18 20 具有广谱抗病毒活性的腺嘌呤类 核苷衍生物 可以有效地抑制逆转录病毒基因的复制和表达 图 2 几种常见的核苷类抗病毒化合物 2 2 抗肿瘤作用抗肿瘤作用 人体细胞的遗传物质基因组中包含了一种特殊的遗传基因 原癌基因 原 癌基因本来不会有什么危害 但是一些其它因素如化学致癌物 病毒 放射线 等致癌因素的影响 使得机体细胞内的原癌基因被激活 扰乱了机体正常功能 最后致使机体死亡 对于癌细胞 人们通常用手术 化学疗法 放射及抗癌药 物来将其杀死 以达到治疗的效果 但是这些方法难于杀死所有的癌细胞 以 致它们还会卷土重来 引起复发 还有这些疗法在杀死癌细胞的同时也会杀死 正常细胞 近年来 科学家企图寻找一种既不损伤正常细胞又可 改造 癌细 胞的方法 这就是诱导恶性细胞向正常细胞方向分化 据报道 一些 2 或 3 脱 氧核苷类药物能特异性的干扰病毒复制 并且可以选择性的引导病变癌细胞向 正常细胞分化 8 羟基 2 脱氧鸟嘌呤核苷是活性氧自由基氧化损伤细胞核 DNA 或线粒体 DNA 后形成的产物 可以诱导损伤细胞还原 21 另外 还研究出脱 氧腺苷酸可以通过位于细胞表面的核苷酸受体对机体的许多生理过程产生复杂 的调节作用 22 其它核苷类如出现在 tRNA 中的假尿嘧啶核苷 细菌生产的抗 生素 水粉覃素和蛹虫草素以及人们熟悉的阿糖胞苷等常用于治疗几种类型的 癌症 因此合成新的核苷类化合物和对现有的核苷药物进行化学修饰将有可能 在治癌方面进行较大的突破 目前用于临床和正在研究的核苷类抗肿瘤药物有数十种 它们的主要作用 是 干扰肿瘤的 DNA 合成 或者影响核酸的转录过程 抑制蛋白质的合成 从而 达 到治疗肿瘤的效果 如 I arabinofuranosylcytosine ara C 它是目前治疗急 性粒细胞性白血病有效的药物之一 2 3 其它作用其它作用 核苷特别是腺嘌呤核苷对心脏功能有多方面的作用 目前 美国己经批准 腺苷作为治疗阵发性室上性心动过速的一线药物 同时 腺苷也广泛应用于心 动过速 冠心病 病态窦房结综合症等疾病的鉴别诊断 有些核苷类化合物对 多种真菌具有抑制作用 而且对哺乳动物几乎无毒性 核苷类药物还可以用于 治疗神经系统疾病 有非常强的抗抑郁作用 有的药物同时可以用作治疗关节 疾病的镇痛剂 对脑血管功能障碍也有效 在分子生物学和基因克隆中 DNA 芯片中 核苷都有着重要的应用价值 同时核苷可作为添加剂加入保健品和食 品 它也可作为美容和抗紫外辐射化妆品逐渐成为人们生活的必需品 核苷作 为药物 已临床应用于中枢神经 泌尿 代谢和心血管等多方面的疾病 核苷 产品使用专业性强 是生物医学研究中不可缺少的原料 同时是制备生物药品 的基本元素 23 三 核苷的合成方法三 核苷的合成方法 目前核苷的合成主要有 3 种方法 即化学合成法 RNA 酶解法 酶法生 物合成法 RNA 酶解法和酶法生物法是工业上合成核苷的主要方法 化学合成 既可以应用与工业化生产 也可以作为实验室合成核苷的方法 3 1 化学合成方法化学合成方法 化学合成法有多种途径 例如 1 Reese CB 使用 2 脱氧尿苷 dU 与 甲醛和吡咯烷回流得到 1 个 Man nich 碱 然后与 4 甲基苯硫酚缩合 最后 用 Raney 镍还原脱硫制得 2 季奇等以 1 氯 2 脱氧 3 5 二 O 对氯苯甲 酰基 呋喃核糖为原料 开发出可以适用于大规模工业生产的方法 简单 高 效地合成 2 脱氧 D 腺苷 2 脱氧 D 胞苷和 2 脱氧 D 胸苷 3 种天 然核苷 24 3 微波辐射是有机合成的一种重要手段 采用微波辐射的方法合 成核苷也有着较广泛的研究和应用 与采用常规加热方法相比 最为突出的优 点是缩短了反应时间 微波作用的区域选择性较高 在反应中无需对核苷类化 合物的部分活性基团进行保护 从而简化了步骤 使产率有了较大提高 25 3 2 RNA 酶解法酶解法 RNA 酶解法是利用酶水解 RNA 得到脱氧核苷酸 再脱磷得脱氧核苷 然后经色谱分离制得脱氧胸苷 这种方法需要大量优质的 RNA 原料 在 RNA 水解脱磷产物中除了目的产物脱氧胸苷之外还有脱氧腺苷 脱氧尿苷 脱氧胞苷 以及由脱氧腺苷脱氨而形成的脱氧肌苷 分离工程繁杂 成本高 26 3 3 酶法生物法酶法生物法 通过酶生物转化的方式合成核苷所用的酶主要 2 类 核苷磷酸化酶 N 脱 氧 核糖转移酶 核苷磷酸化酶产生菌主要有大肠杆菌 乙酰短杆菌 欧文杆 菌 干燥棒杆菌和佐氏库特氏菌 N 核糖转移酶产生菌主要有莱氏乳细菌 瑞 士乳酸杆菌和大肠杆菌 27 利用微生物中所产生的核苷磷酸化酶催化核苷 碱基转换反应 由廉价供应的天然核苷为原料 将其核糖基进行化学修饰后作为 核糖基供体 利用核苷磷酸化酶或脱氧核糖转移酶为酶源 天然的杂环碱基为 核糖基受体 通过酶催化合成核苷及其类似物反应式如下 脱氧 核苷 1 碱基 1 脱氧 核苷 2 碱基 2 其中碱基 1 可以是嘌呤 嘧啶或其类似物 酶的来源可以是天然菌株 也 可以是基因工程 利用此反应可合成多种核苷类似物 自从 1952 年 Mc Nutt 在瑞士乳杆菌 德氏乳杆菌和噬酸热细菌中发现了 N 核糖转移酶以来 已经在所有的乳杆菌属中发现了该类酶 其主要存在于 莱氏乳细菌 瑞士乳酸杆菌和大肠杆菌 该酶有 2 种类型 类型 可以催化嘌呤 碱基与嘌呤核苷之间的转化 类型 可以催化嘌呤碱基或嘧啶碱基与嘌呤核苷 或嘧啶核苷之间的转化 长期以来 受到酶只能在水溶液中使用而有机溶剂则是酶的变性剂的传统概 念的影响 酶在有机介质中催化作用的研究进展十分缓慢 直到美国科学家 Klibanov 等首先报道了酶在有机相中具有极高的热稳定性和催化活性 才使得 这一领域的研究取得了突破性的发展 他们发现 酶在近无水的有机溶剂中不 仅能够保存催化活力 而且还具有许多新的催化性质 如酶在有些有机溶剂中 酶蛋白分子的刚性增加 酶催化反应的选择性增强 在一些底物或者产物水溶性 比较差的情况下 可以应用非水相体系来提高得率 四 实验部分四 实验部分 1 郑集 陈均辉 普通生物化学 M 高等教育出版社 1998 139 2 王镜岩 朱圣庚 生物化学 M 北京高等教育出版社 2002 470 481 3 杜冠华 病毒与抗病毒药物 社区药学 J 2006 4 姚其正 核苷化学合成 M 北京 化学工业出版社 2005 1 5 5 刘琨 谢蓝 新型核苷类抗病毒药物的研究进展 J 药学学报 2006 41 8 689 693 6 Vlieghe P Clerc T Pannecouque C et al New 3 azido 3 deoxythymidin 5 yl O 4 hydroxyalkyl or alkenyl or alkylepoxide carbonate prodrugs Synthesis and anti HIV evaluation J J Med Chem 2001 44 18 3014 3021 7 Vlieghe P Bihel F Clerc T et al New 3 Azido 3 deoxythymidin 5 yl O hydroxyalkyl carbonate prodrugs Synthesis and anti HIV evaluation J J Med Chem 2001 44 5 777 786 8 Erik D C Antiviral drugs in current clinical use J Journal of Clinical Virology 2004 30 2 115 133 9 Kumar R Semaine W Johar M Effect of various pyrimidines possessing the 1 2 Hydroxy 1 hydroxymethyl ethoxy methyl moiety able to mimic natural 2 deoxyribose on wild type and mutant hepatitis B virus replication J J Med Chem 2006 49 12 3693 3700 10 Ariksoysal D O Karadeniz H Erdem A Label free electrochemical hybridization genosensor for the detection of hepatitis B virus genotype on the development of lamivudine resistance J Anal Chem 2005 77 15 4908 4917 11 Chu C K Yadav V Chong Y H et al Anti HIV activity of 2R 4R 1 2 hydroxymethyl 1 3 dioxolan 4 yl thymine against drug resistant HIV 1 mutants and studies of its molecular mechanism J J Med Chem 2005 48 12 3949 3952 12 Sally F John M G Acyclic Nucleosides as antiviral compounds J Mol Biotechnol 1996 5 2 125 137 13 Barrio J R Bryant J D Keyser G E A direct method for the preparation of 2 hydroxyethoxymethyl derivatives of guanine adenine and cytosine J J Med Chem 1980 23 5 572 574 14 Field A K Davies M E DeWitt C et al 9 2 Hydroxy 1 hydroxymethyl ethoxy methyl guanine a selective 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