第三章基于生物活性肽的药物设计

第三章基于生物活性肽的药物设计,药物设计学,1.掌握类肽的基本概念、设计原理和方法。2.熟悉类肽在药物设计中的应用。3.了解某些重要内源性生物活性肽的结构和功能。,【学习要求】,内源性生物活性肽是生物体中存在的一类重要的生理活性物质。在生物体中能与相应的受体结合，引发特异性的生物学反应，参与一系列重要的生理调节过程。许多内源性生物活性肽已经被分离和结构鉴定。药物化学家应用它们作为药物发现的先导物，经过结构修饰和改造，得到了许多生物活性肽的结构类似物，被称之为类肽（peptidomimetics）、肽模拟物、肽拟似物或拟肽，可用于各种疾病的预防和治疗。类肽的设计与合成已成为新药发现的重要途径之一。,第一节肽类化合物的结构与功能,一、肽类化合物的结构与功能,肽键的二面角、和,由C-C1-N-C构成的肽键基本为一平面，为18010，呈反式构象存在，角度用表示。,由C1-N-C-C1形成的两面角用表征。由N-C-C1-N形成的两面角为。,二、机体中某些重要的内源性生物活性肽,1.P物质（substanceP，SP）兴奋平滑肌和舒张血管而降低血压，拮抗吗啡和内啡肽的作用。2.神经激肽神经激肽A和B（neurokininA和B），显示像P物质一样的降血压作用。,（一）神经肽,3.神经紧张素神经紧张素（neurotensin，NT）于1973年从牛小肠中分离得到，除典型的血浆激肽效应（降低血压、对肠和子宫的收缩作用）外，还能在不影响生长激素释放的情况下增加黄体生成素（LH）和促卵泡成熟激素（FSH）的分泌。,4.内啡肽和脑啡肽脑啡肽在痛觉传递中作为脊髓中疼痛抑制神经的递质起作用。由于多肽本身的性质，脑啡肽和内啡肽难以用于治疗，并且将其镇痛作用从成瘾性和依赖性中分离出来的愿望也尚未实现。,1.促甲状腺素释放激素thyrotropin-releasinghormone（TRH）是一个三肽，TRH调节促甲状腺素和催乳素的合成和释放，促进血浆中的游离碘向甲状腺组织的摄入，并用于治疗和诊断甲状腺疾病。,（二）下丘脑产生的释放激素和释放抑制激素,2.促黄体激素释放激素或促性腺激素释放激素luteinizinghormone-releasinghormone（LHRH）也称为促性腺激素释放激素，具有黄体激素释放和促卵泡成熟激素释放活性。3.促肾上腺皮质激素adrenocorticotropichormone（ACTH）产生于腺垂体，刺激肾上腺皮质细胞分泌和产生甾体激素如皮质醇和醛固酮等。通过反馈机制，皮质激素抑制ACTH的垂体分泌。,4.缩宫素（oxytocin）和后叶加压素（vasopressin）后叶加压素通过增加肾渗透性引起水的再吸收，如果后叶加压素水平太低，水的再吸收就不再有保障，甚至引起尿崩症。后叶加压素的最重要的治疗作用是在尿崩症中的抗利尿作用。后叶加压素还可以增高血压和肠蠕动。缩宫素用于产科的引产，例如在生育中保持子宫收缩和催乳。,1.胰泌素和胰高血糖素。2.促胃液素和缩胆囊素-促胰酶素。,（三）内分泌活性肽（胃肠肽、胰腺肽）,3.胰岛素（insulin）为一环状五十一肽。胰岛素对任何器官都没有专属性，但在肝、肌肉和脂肪细胞中进行的大量代谢活动都依赖于胰岛素，胰岛素能促进葡萄糖的代谢，影响葡萄糖的运转，胰岛素分泌的减少是导致糖尿病的主要原因。,1.肾素血管紧张素系统的活性肽肾素（renin）血管紧张素（angiotensin）系统在血压调节之中起重要作用，当血压降低或交感神经兴奋时，肾素即从近肾小球的肾细胞分泌，然后肾素底物血管紧张素原（angiotensinogen）释放一种生物学非活性十肽血管紧张素。血管紧张素在血管紧张素转化酶（ACE）的作用下，形成血管紧张素。血管紧张素具有收缩血管平滑肌的作用，是已知的作用最强的升压物质之一。,（四）心血管系统活性肽,因此，通过抑制ACE，阻止血管紧张素向血管紧张素转化，即可抑制血压升高，由此ACE抑制剂应运而生。经过肾素血管紧张素系统降血压的另一途径是通过抑制肾素，阻断血管紧张素原转化为血管紧张素。,2.缓激肽（bradykinin）3.心钠素（atrialnatriureticfactor，ANF）4.内皮素（endothelin）5.血管活性肠肽（vasoactiveintestinalpeptides）,降钙素（calcitonin）产生于甲状腺特异细胞，从牛、蛙和人等不同来源的降钙素为C端含有相同的CysSerAsnLeuSerThrCys残基由二硫桥键形成的环状三十二肽。降钙素通过刺激骨形成细胞引起磷酸钙在骨架上沉降，由此降低骨钙向血液中释放，降低血钙和磷酸盐水平。一些天然和人工合成的降钙素临床用于治疗骨质疏松症。,（五）降钙素,第二节类肽的设计原理与方法,肽类作为药物使用存在许多缺点,易被内源性肽酶快速降解；具有免疫原性，注射使用易产生过敏反应；口服生物利用度较低；因分子的柔性结构，可以与几种不同的靶点相互作用，缺乏选择性；排泄快，作用时间短；不能穿过血脑屏障，难以到达中枢神经起作用。,为克服上述缺点，需要对肽结构进行化学修饰或改造，得到人工合成的类肽化合物。类肽（peptidomimetics）：一类能够模拟天然肽分子，具有配基或底物样识别功能，可以与受体或酶相互作用，从而激活或阻断某种内源性活性肽的生物学作用的肽类似物或非肽。,以内源性生物活性肽为先导物，设计类肽的途径有两个：一是通过改变天然活性肽的分子结构，衍生出活性肽的类似物或非肽类化合物；二是基于内源性活性肽的受体或代谢酶的分子设计，即设计非肽模拟物。本章重点介绍第一方面的内容。,氨基酸上的C上的氢原子被甲基取代后，使肽键骨架构象的二面角/的变化区域即N-C和C-C（O）键的旋转受到严格的限制。,一、构型限制性氨基酸的设计,（一）氨基酸的-甲基化,（二），-二取代甘氨酸,增免疫苏精肽（tuftsin，3-44）拟似物的设计：化合物（3-45）的活性与（3-44）相同；化合物（3-46）和（3-47）由于改变了分子中易被水解的Thr-Lys键，增加了对酶水解的稳定性；化合物（3-48）和（3-49）增加细胞介素释放的活性强于增免疫苏精肽。,（三）-氨基环烷羧酸,（四）苯丙氨酸类似物,（五）脯氨酸类似物,由于N-甲基化导致N上氢原子的减少，含有这类氨基酸的肽其氢键形式与未甲基化的肽是不同的，N-甲基酰胺键都有顺反异构。N-甲基化导致了酰胺键附近的空间位阻的增大，不仅在构象限制方面，同时在防止或减少肽键酶解、增加代谢稳定性和提高生物利用度方面都起了重要作用。,（六）N-甲基化,在许多情况下，引入D-氨基酸能增强肽的生物活性，现已应用于脑啡肽、生长激素释放因子和缩宫素等生物活性肽类似物的研究中。如当脑啡肽分子中2位的Gly被D-Ala取代，所得的类肽活性高且代谢稳定性增强，而用L-Ala取代则无活性。,（七）引入D-氨基酸,（八）其他氨基酸类似物（构象限定）,酰胺键在生物体内易被酶降解，为增强生物活性肽的代谢稳定性，用不同的原子或基团代替酰胺键或将酰胺键逆转，即通过生物电子等排置换法对肽骨架进行修饰是类肽设计的重要方法。肽骨架的改变会引起肽链构型、构象或拓扑学的改变，并且在电性分布、疏水性、分子的偶极矩、氢键的形成能力方面都发生改变，因而影响生物活性的强度，甚至使作用翻转。多肽的一个或几个酰胺键被电子等排体取代得的肽类似物又被称为假肽（pseudopeptide）。,二、肽链骨架的修饰,在生理pH条件下，亚甲氨基的氨基因能质子化，故不能成为氢键受体。酰胺键的还原对生物活性有较大影响，甚至导致活性完全相反，如由激动剂变成拮抗剂或改变激动剂或拮抗剂的功效。当然，生物活性的变化亦随修饰部位的不同而有差异。还原型假肽的分子柔韧性增加，可引入一些限制性集团，如可以对碳原子或氮原子进行甲基化、乙基化或氧甲基化。,（一）亚甲基胺CH2NH,作为肾素底物的最小肽段是血管紧张素原的His6-Pro-Phe-His-Leu-Leu-Val-Tyr13八个氨基酸的肽段，为寻找能同肾素结合而不被肾素酶水解的竞争性肾素类肽抑制剂，将其中的某些肽键还原成亚甲氨基，得到一系列高活性类肽。体外实验表明其中化合物（3-72）活性最好。,亚甲基硫醚被认为是一种能提供分子极性、柔韧性和代谢稳定性的酰胺电子等排体。分子模型研究表明亚甲基硫醚与肽和蛋白质的二级结构相一致。酰胺键被亚甲基硫醚代替后，仍保留对肽骨架的立体限制性。硫醚易被氧化为（R）-或（S）-构型的亚砜，得到的亚甲基亚砜也是一种有用的酰胺电子等排体，它可产生手性中心，为一种高限制性结构，具有较强的氢键接受体能力（与亚甲基硫醚比较）。,（二）亚甲基硫醚CH2S和亚甲基亚砜CH2S（O）,用亚甲基醚键代替酰胺键的修饰在某些方面好于亚甲基硫醚修饰，其原因是：同硫原子相比，氧原子的亲核性和被氧化的可能性几乎可以忽略不计；氧醚具有较大的极性，可形成较强的氢键；亚甲基醚键与酰胺键在几何形状上十分相近。,（三）亚甲基醚CH2O,硫代酰胺作为酰胺的电子等排体被引入活性肽中，经光谱技术研究表明它具有与酰胺相似的Z平面构型，硫羰基的键长和硫原子的共价半径都大于羰基和氧的相应值，因其体积较大，对硫代酰胺附近的旋转角具有更大的限制性，含有该键的肽分子中残基所允许的二面角构象减少。与酰胺相比，硫代酰胺中的NH是较强的氢键供体，具有较强酸性；而硫羰基则为较弱的氢键接受体。,（四）硫代酰胺C（S）NH,亚甲基酮与酰胺键相比，羰基碳和亚甲基碳间的键无任何双键性质，亚甲基的氢也不能形成氢键。在一些天然氨基肽酶抑制剂中发现有亚甲基酮结构存在，其对丝氨酸蛋白酶的抑制机制可能是酶中的丝氨酸残基与抑制剂的酮羰基相互作用形成了半缩酮结构，它与肽键水解时形成的过渡态的四面体结构十分相似。,（五）亚甲基酮COCH2和氟代亚甲基酮COCHF或COCF2,当亚甲基的一或两个氢原子用氟原子取代，得到的氟代亚甲基酮。由于氟的原子半径与氢原子接近，用其修饰的立体位阻最小。氟化还可增加水溶性，氟代亚甲基酮水化过程与肽键酶催化水解过程形成的四面体过渡态相似，在设计丝氨酸蛋白水解酶抑制剂时氟代类似物可提高抑制活性。,聚合肽和蛋白质的肽键一般都为反式构型。在已报道的反式酰胺类似物中，反式碳碳双键在几何形状、键角、键长上最为相似。酰胺键仍具有一定程度的可塑性并能形成氢键，反式烯键代替反式酰胺键后消除了形成氢键的可能性。以反式烯键代替酰胺键增强了肽类分子的疏水性，提高了由生物转运细胞膜包括穿越血脑屏障的能力，同时也增强了代谢稳定性。,（六）（E）乙烯型CHCH和（E）氟代乙烯型CHCF,在反式烯键基础上发展了反式氟代烯键等排体。由于氟原子的电子性质与氧原子相近，因此反式氟代烯键更相似于酰胺键。,亚乙基也是还原酰胺键的一种修饰类型，由于无极性，故有许多不同的性质，应用该修饰类型不能形成分子内氢键，从而使肽骨架构象的可塑性增大。,（七）亚乙基CH2CH2,逆转修饰是将酰胺键NHC（O）中的羰基和亚氨基互换，以得到肽的类似物，是最常用的一种保护酰胺键提高抗酶解能力的方法。这种修饰类型引入活性肽形成的类肽具有活性强、选择性高和代谢稳定的特点。如促胃液素gastrin（3-73）的酰胺键逆转拟似物（3-74）是其受体的强效拮抗剂，结构中N端的异亮氨酸转变为异戊二胺，中间的天冬氨酸由正向变为反向，C端的苯丙酰胺变成苄基丙二酰胺。,（八）酰胺键的的逆转,将肽链中两个相邻键合的氨基酸用不同方式桥联，对肽的构象加以限制，两个被桥联限制的氨基酸应当是与受体结合的重要药效团，而且在桥联环上可进一步有各种取代基、并环、稠合等限制因素。根据桥联的位置和方式可分为以下几种：,三、二肽片段拟似物,（一）两个-碳的环合,（二）两个氮原子间的环合,（三）-碳与氮原子的环合,肽类分子的柔性决定了生物活性肽不可能具有特定的构象与靶点分子结合，对活性肽分子整体性限制（globalrestriction）可通过肽的环化来实现。肽的环化可以降低线形母体分子的柔性，稳定肽的特殊二级结构，但环化部分不应是参与酶或受体识别的氨基酸侧链或骨架。生物活性肽经环化后得到的稳定构象若与生物活性所要求的构象相似，则可以增加活性和提高选择性。,四、整体分子构象的限定,骨架连接是成环方法之一，通过N原子分别与另一个N原子、侧链、N端或C端形成环状化合物A、B、C和D。,（一）骨架连接成环,侧链之间的环化应用更为普遍，还可以侧链与C端，侧链与N端或C端与N端连接成环，但应考虑N端或C端是否为保持活性所必需的。,（二）侧链连接成环,肽分子中若含有一个碱性氨基酸残基，可以与C端以酰胺键成环；若含有一个酸性氨基酸残基，则可以与N端以酰胺键成环；分子中若含有两个酸性氨基酸残基或两个碱性氨基酸残基，可分别用乙二胺或丁二酸形成二酰胺的环状结构；分子中若同时含有酸性和碱性氨基酸残基，除可直接内酰胺化外，还可与适当的氨基羧酸缩合形成环状类肽。若分子中含有半胱氨酸（Cys）或其他含巯基的类似物，可以通过二硫桥键成环。,-螺旋结构被每个残基的羰基氧和沿着这条链的第4个残基的NH基所形成分子内氢键而稳定。,五、肽二级结构的分子模拟,（一）-螺旋模拟物,-折叠是一种肽链相当伸展的结构，它是由两条肽链或一条肽链内的两段肽链之间的CO与N-H形成氢键而成。-折叠有两种类型：平行的和反平行的-折叠。,（二）-折叠模拟物,多肽中比较常见的二级结构还有-转角。在蛋白质分子中肽链经常会出现180的回折，在这种肽链的回折角上就是-转角的结构。一个-转角包括相连的4个残基，从结构上看就是第1个残基的CO与第4个残基的N-H形成氢键。,（三）-转角模拟物,-转角是由3个氨基酸通过与-转角类似的方式形成的。,（四）-转角拟似物,设计类肽模拟物的思路应转移到模拟天然配体与靶点结合之后所呈现的拓扑结构上来，而不是执著于模拟天然配体的平面结构。,六、基于内源性活性肽与靶点结合后的拓扑结构分子设计,第三节类肽在药物设计中的案例分析,1.脑啡肽类似物X射线晶体学研究表明，脑啡肽有两种不同的构象，一种是在Tyr1与Phe4之间形成两个反平行的氢键，呈一种-折叠U形构象；另一种为完全伸展的构象。基于多肽配基可能与不同的受体亚型以不同的构象而相互作用的假设，为提高对受体的选择性，人们对其进行了环化修饰，以得到整体构象限制的类肽。由于脑啡肽Tyr1的游离氨基是保持阿片活性所必需的，环化一般采用侧链与侧链或侧链与C端两种环合方式。,引入D-氨基酸也是获得类肽常见的修饰方法之一，而且常常起关键作用。在很多情况下，D-氨基酸的引入可提高生物活性。将脑啡肽的第2个残基Gly改为D-Ala，药效显著提高，这一置换可能有助于-转角的形成并有利于与受体结合，还能抵制酶的破坏作用。,通过对多肽中的氨基酸N-甲基化可对其进行构象限制，N-甲基酰胺键都有顺反异构，而且因为N-甲基化造成的空间位阻也限制了二面角的旋转，减少了所允许的构象空间。另外，N-甲基化导致了酰胺键附近的空间位阻增大，不仅在构象限制方面，同时在防止或减少肽键酶解、增加代谢稳定性和提高生物利用度方面都起了重要作用。,骨架修饰,二级结构模拟物脑肽啡的-转角模拟物,2.-分泌酶抑制剂-分泌酶又称BACE1（-site-amyloidprecursorproteincleavingenzyme1），其活性部位具有相对亲水性、浅层、狭长的特点，是产生-淀粉样蛋白（-amyloidprotein,A）的关键酶。抑制-分泌酶是治疗阿尔茨海默病（Alzheimerdisease，AD）的一条非常有前景的途径。,含statine、homostatine的-分泌酶抑制剂从放线菌分离得到的天然五肽类似物胃酶抑素（pepstatin，3-