第4章-以酶为靶点药物设计

Chapter4.DrugDesignbasedonEnzymeasTargets,在已知的约500种药物作用靶标中，酶是最重要的一类，约占45%。未来将有50007000种靶标成为药物设计与研究的实用性靶标，其中约3500种是酶靶,Section1.BasicKnowledgeofEnzyme,I.kineticsofenzyme-catalyzedreactions,（一）底物浓度对反应速度的影响,底物浓度对酶促反应速度的影响,米氏方程：,在底物浓度很低的条件下与S呈线性关系，结果=SVmax/KM；当底物浓度接近饱和时，与S无关并且趋于最大反应速度Vmax,II.InteractionofE-Icomplex,底物或抑制剂与靶酶的亲和力是各种作用力的综合结果(静电作用、范德华力、疏水作用、氢键和阳离子-键)。,Ki=EI/EI,Ki值越小，抑制作用越强。,ActivationandInhibitionofEnzyme,I.ActivationofEnsyme1.酶原的激活:这种无活性的酶的前体称作酶原，酶原向酶转化的过程称为酶原的激活。酶原的激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。2.酶的变构激活:其它物质对酶引起的变构效应使酶对底物的亲和力增加，从而加快反应速度，则为变构激活效应。3.酶的共价修饰激活：与某种化学基团发生可逆的共价修饰，从而改变酶的活性，这一过程称为酶的共价修饰或化学修饰。（如磷酸化、脱磷酸化）,II.InhibitionofEnzyme,抑制剂失活活性恢复；根据抑制剂与酶结合的紧密程度：1.irreversibleinhibition：不可逆性抑制剂通常以共价键与酶活性中心上必需基团结合，使之失活。（有机磷胆碱酯酶）2.reversibleinhibition：可逆性抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使之活性降低或消失。（透析、超滤）动力学角度抑制剂分类：快速可逆，缓慢结合，紧密结合，缓慢紧密结合Rapid,reversibleinhibitors（3类）：遵循米氏方程，根据抑制剂对酶或酶-底物复合物的选择性分类：competitiveinhibitors：与底物结构相似，竞争酶的活性中心。noncompetitiveinhibitors：与活性位点之外的必需基团结合，不影响酶与底物的结合，与底物无竞争关系，但酶-底物-抑制剂复合物不能释放出底物。uncompetitiveinhibitors：仅与酶-底物复合物结合。减少了释放产物的量。,竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制,竞争性抑制作用使酶的表观KM值增大非竞争性抑制作用不改变酶的表观KM值反竞争性抑制作用降低反应的表观KM值,动力学曲线,Typeofreversibleinhibitors,缓慢结合抑制剂（slowbindinginhibitors）,达到平衡的反应速率,tight-bindinginhibitors：以高亲和力与靶酶结合，酶-抑制剂复合物的形成使游离抑制剂分子被显著消耗。slowbindinginhibitors：酶-抑制剂复合物的解离速度缓慢，达到平衡过程缓慢。slow-tight-bindinginhibitors：指以缓慢的作用过程完成抑制剂与酶结合的一种紧密结合抑制剂。,I.EnzymeInhibitorDrugs,1.控制感染性疾病的酶抑制剂类药物抑制宿主细胞中不存在的病原体的必需酶，高选择性，高特异性。,2.抗肿瘤的酶抑制剂类药物,2.抗肿瘤的酶抑制剂类药物（TK，胸腺嘧啶合成酶，二氢叶酸还原酶，缺点：对增殖较快的正常组织有毒性）3.调节代谢类疾病的酶抑制剂类药物（HMG-CoA，胆固醇）,-内酰胺酶，抗菌,克拉维酸,转肽酶，-内酰胺抗生素,替卡西林,胸苷激酶，抗孢疹病毒，阿昔洛韦,II.DsignPrinciplesEnzymeInhibitors,酶抑制剂的要求：1.对靶酶的抑制活性强。2.对靶酶的特异性高。3.对干扰或阻断的代谢途径选择性高。4.良好的药代动力学特性。结构上与底物或反应中间体相似：分子大小，形状（立体）电子分布（电性）非共价结合酶抑制剂；共价结合酶抑制剂,（一）基于非共价结合的酶抑制剂的合理设计：,酶催化反应（基态-过渡态-产物）非共价键结合的酶抑制剂（作用机制）：基态类似物抑制剂，多底物类似物抑制剂，过渡态类似物抑制剂。1.ground-stateanaloginhibitors酶催化反应的基态由底物和产物组成。基态类似物模拟底物或产物的化学结构，包括底物类似物和产物类似物。（SA，-内酰胺，HMG-CoA还原酶）,2.multisubstrateanaloginhibitors酶催化反应：活性位点同时结合两个或多个底物，底物有特殊的空间趋向并彼此接近。多底物类似物模拟同时结合在酶的活性位点的两个或多个底物的结构，通过共价键把两个或多个底物或底物类似物结合在一起。优点：与靶酶结合力大大增强，并且特异性更高。,甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶,3.transition-stateanaloginhibitors底物产物（化学反应），经过一个或多个过渡态，高能量的过渡态控制反应速率。酶与过渡态之间的亲和力高于酶同底物或产物的亲和力，酶可以降低这种能量壁垒，使反应速率提高10（10）-10（15）倍。过渡态类似物抑制剂是一类特异的竞争性抑制剂，其结构类似于反应中不稳定过渡态的底物部分。,腺苷脱氨基酶过渡态类似物和基态类似物,II.ConvalentlyBinding-BasedRationalDesignofEnzymeInhibitors,1.mechanism-basedinhibitors也称为自杀性底物（suicidesubstrates），特洛伊木马抑制剂，酶诱导失活剂，潜伏性抑制剂。,共价结合酶抑制剂：基于机理抑制剂，亲和标记抑制剂，伪不可逆抑制剂。,特点：同正常底物的化学结构相似，包括电性和立体两个因素。具有低反应性能的潜在基团或结构片段；在酶的催化阶段，经靶酶诱导激活，转化为反应性能强的活性基团或中间体。与酶的活性中心共价结合，使酶不可逆失活。高度特异性，毒性较低。,高活性复合物,共价结合复合物,2.affinitylabelinhibitors又称为活性部位抑制剂（active-siteddirectedinhibitors）和不可逆抑制剂（irreversibleinhibitors)通常也是底物或产物类似物，特征:分子中与酶可逆结合的部分，即识别基团；在识别基团上连接或修饰有反应活性的化学基团或原子，或称活性基团。,3.pseudoirreversibleinhibitors（伪不可逆抑制剂）是介于可逆性抑制剂和不可逆性抑制剂之间的一类抑制剂。与酶共价结合，类似不可以抑制剂。复合物有半衰期，经水解或共价键逆转重新产生游离酶。其有效性由酶-抑制剂加成产物的形成速率和加成物的半衰期决定。,SectionIII.DesignandApplicationSomeEnzymeInhibitor,一、血管紧张素转化酶抑制剂肾素-血管紧张素系统（RAS）是重要的体液调节系统。作用于该系统的ACE和血管紧张素受体抑制剂是治疗多种心血管疾病的中药药物。,血管紧张素I,血管紧张素II,血管紧张素I,I.ACEI,1981卡托普利,依那普利,赖诺普利,雷米普利,福辛普利,西拉普利,II.3D-StructureandActiveSiteofACE,赖诺普利与ACE活性位点作用示意图,ACE与赖诺普利共结晶的X-射线结构（绿色部分表示Zn2+，红色区域表示Cl-通道）,III.SARofACEI,L-脯氨酸或含N杂环上必须含有与ACE底物（AngI）C-端立体结构相似的羧基。含N杂环上连有较大的疏水基团，有利于提高药效和改变药代动力学参数。侧链上的巯基、羧基和磷酰基必须与ACE的辅助因子锌离子结合。巯基有利于与锌离子结合，但可致皮疹和味觉障碍，且由于形成二硫化物而缩短作用时间。模仿肽水解过渡状态的羧基或磷酰基可与锌离子结合。将侧链上的羧基或磷酸基酯化得到可口服的前体药物。X通常为与丙氨酸相似的甲基；X为正丁胺基，为非前体药物型口服ACE抑制剂。,II.PGsCOXInhibitors,前列腺素（prostaglandins，PGs）：含量低，生理活性强，多不饱和羧酸衍生物。环氧化酶（cyclooxygenase，COX）NSAIDs作用于COX抑制PGs的合成。非甾体抗炎药（nonsteroidalantiinflammatorydrugs，NSAIDs）（阿司匹林，副作用，寻找作用于COX-2的NSAIDs）COX同工酶，COX-1、COX-2。,COX-2与花生四烯酸的三维结构,COX-2：抗炎镇痛COX-1：胃肠道不良反应。,DesignofCOX-2SelectiveInhibitors,1.COX-1和COX-2三维结构的差异,2.MoleculeStructureofCOX-2Inhibitors,罗非昔布塞来昔布伐地昔布,伊托昔布帕瑞昔布钠鲁米昔布,III.HIVReverseTranscriptaseInhibitors,获得性免疫缺陷综合症（acquiredimmunedeficiencysyndrome，AIDS）1981年首例，2010年1亿人免疫缺陷病毒（humanimmunodeficiencyvirus，HIV）分为HIV-1和HIV-2两种亚型（i）HIV治疗药物整合酶（integrase）、逆转录酶（reversetranscriptase，RT）和蛋白酶（protease）是病毒复制过程中的关键的三个酶，任何一个酶的失活都将阻碍病毒的复制。1种整合酶抑制剂T206种蛋白酶抑制剂10种逆转录酶抑制剂：7种核苷类，3种非核苷类,（ii）HIV逆转录酶结构特征,HIV-1逆转录酶与DNA双螺旋复合物结构示意图,（iii）HIV逆转录酶抑制剂及其作用机理,1.核苷类逆转录酶抑制剂,齐多夫定,扎西他滨,司他夫定,拉米夫定,结构特点：1.分子中含有碱基和类似五元糖的结构。2.五元糖没有3位的羟基。3.糖环单元有不同的杂原子引入。4.构型与天然核苷相同。在宿主细胞内5位磷酸化与三磷酸胸苷竞争RT结合位点，抑制RT活性。,2.非核苷类逆转录酶抑制剂,奈韦拉平,地拉韦啶,依法韦仑,特征：1.对酶-底物复合物比酶有更高的亲和力，是非竞争性抑制剂。2.与酶的变构区域作用，不影响底物结合区域的功能，细胞毒性很小。3.在极低的浓度下能抑制HIV-1的复制，对HIV-1有较高的特异性。,奈韦拉平等3种NNRTIs与HIV-1RT复合物的晶体结构,NNRTIs具有半衰期长，吸收好，高效低毒，副作用小等优点，但容易产生耐药性，因此寻找新型NNRTIs是目前研究热点。,IV.HMG-CoAReductaseInhibitors,HMG-CoA还原酶结构示意图,胆固醇是构成细胞生物膜的成分，但是过多会引起动脉粥样硬化，HMG-CoA是合成胆固醇的限速酶。,美伐他汀,从霉菌培养液中提取,洛伐他汀,普伐他汀,辛伐他汀,氟伐他汀,阿托伐他汀,Fig.3.TheStructureandFunctionofInfluenzaVirusNeuraminidase,1.majorsurfaceantigenicprotein(EC8)ofinfluenzavirus.2.Cleavethe-glycocidiclinkages.3.Essentialforinfluenzavirusreplicationandinfectivity.4.TheactivesiteofNAishighlyconserved.,V.NeuraminidaseInhibitors,31,2.3TheActiveSiteofNeuraminidase,Fig4.TheactivesiteofNABiochemistry,2001,42:718-727,Fig5.The“airplane”modelofNAactivesiteJMedChem,2003,44(8):1192-1201,“Usingstructuralinformationaboutdrugtargetsortheirnaturalligandsasabasisforthedesignofeffe