药物设计学(酶抑制剂含实例).ppt

1、第三章 酶抑制剂和肽拟似物 酶的基础知识、酶的特性及分类、酶的结构与催化功能、酶激动剂与抑制剂、抑制剂对反应速度的影响 第一节 酶抑制剂 酶的抑制剂（inhibitor）：能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。 （区别于酶的变性） 抑制剂对酶有一定的选择性 引起变性的因素对酶没有选择性,一、酶抑制剂的类型及实例 抑制作用的类型：,竞争性抑制 （competitive inhibition） 非竞争性抑制 （non-competitiveinhibition） 反竞争性抑制 （uncompetitive inhibition）,不可逆性抑制 可逆性抑制,抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物

2、复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失,（reversible inhibition）,（irreversible inhibition）,抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活,竞争性抑制剂 竞争性抑制作用：抑制剂与底物竞争酶的活性中心，阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。 磺胺类药物抑制细菌生长。,反应模式 E ES E + P,EI,I Ki,S,酶-底物复合物,酶-抑制剂复合物,抑制剂,产物,底物,酶,特点 A）I与S结构类似； B）抑制程度取决于抑制剂与酶的亲和力及底物浓度； C）排斥性抑制。,丙二酸（延胡索酸）与琥珀酸（丁二酸）竞争琥珀酸脱氢酶,非竞争性抑制,

3、反应模式 E+ S ES E + P,EI + S,+ I,酶-抑制剂-底物复合物,抑制剂,+ I,EIS,特点： a)抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系； b)抑制程度取决于抑制剂的浓度； c)一种旁若无人式抑制,反竞争性抑制,反应模式 E+ S ES E + P,+ I,ESI,特点： a)抑制剂只与酶底物复合物结合； b)抑制程度取决于抑制剂、底物的浓度； c) 一种条件性抑制。,可逆性酶抑制剂实例： 实例 黄嘌呤氧化酶抑制剂,次黄嘌呤 黄嘌呤 尿酸,痛风 嘌呤代谢 尿酸过多,别嘌醇 奥昔嘌醇,二氢叶酸,L-谷氨酸,二氢叶酸合成酶,二氢叶酸还原酶,四氢叶酸,二

4、氢叶酸合成酶,二氢喋啶焦磷酸酯,（PABA）,体内合成叶酸原料,为微生物生长必要物质,（Folic Acid）,构成体内叶酸辅酶基本原料,为DNA合成中所必需的嘌呤、嘧啶碱基的合成提供一个碳单位,实例：二氢叶酸合成酶抑制剂,取代PABA位置生成无功能的化合物 阻碍Dihydrfolic Acid 生物合成 抑制细菌蛋白质合成,L-谷氨酸,二氢叶酸合成酶,二氢喋啶焦磷酸酯,磺胺类药物的选择性： 不影响人体的叶酸代谢， 人体可从食物中摄取FAH2； 微生物对磺胺类药物都敏感，微生物靠自身合成FAH2 ，一旦叶酸代谢受阻，生命不能继续,L-谷氨酸,二氢叶酸合成酶,二氢叶酸,（FAH2）,结构极为相似

5、： 分子大小 电荷分布,磺胺家族的发展,间接引起血压上升,血管紧张素原,血管紧张素I,血管紧张素II,血管紧张素转化酶（ACE）,缓激肽,缓激肽降解,ACE（血管紧张素转化酶、缓激肽酶）对血压的调节,血管扩张,血管收缩,血压上升,醛固酮分泌,肾素,体内调节血压的肾素-血管紧张素系统,453个氨基酸,无活性10肽,活性8肽,大量存在于血管内皮细胞膜表面,促进醛固酮的合成、分泌,强烈收缩外周小动脉 重吸收Na+和水，增加血容量 0.1 ppm 仍有收缩血管作用,实例血管紧张素转化酶抑制剂 Angiotensin Converting Enzyme Inhibitors,血管紧张素原,血管紧张素I,

6、血管紧张素II,血管紧张素转化酶（ACE）,缓激肽,缓激肽降解,肾素,453个氨基酸,无活性10肽,活性8肽,活化,Angiotensinogen,Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-Leu Angiotensin I,Angiotensin-converting enzyme,Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe Angiotensin II,Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg Bradykinin,Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro,失活,ACE（血管紧张素转化酶、缓激肽酶

7、）对血压的调节,实例血管紧张素转化酶抑制剂 Angiotensin Converting Enzyme Inhibitors,间接引起血压上升,血管紧张素原,血管紧张素I,血管紧张素II,血管紧张素转化酶（ACE）,缓激肽,缓激肽降解,ACE（血管紧张素转化酶、缓激肽酶）对血压的调节,血管扩张,血管收缩,血压上升,醛固酮分泌,肾素,体内调节血压的肾素-血管紧张素系统,453个氨基酸,无活性10肽,活性8肽,大量存在于血管内皮细胞膜表面,强烈收缩外周小动脉 0.1 ppm 仍有收缩血管作用,实例血管紧张素转化酶抑制剂 Angiotensin Converting Enzyme Inhibitor

8、s,血管紧张素II受体,Ang拮抗剂 氯沙坦,Antiotensin II Receptor Antagonists,ACE 抑制剂,促进醛固酮的合成、分泌，重吸收Na+和水，增加血容量,间接引起血压上升,血管紧张素原,血管紧张素I,血管紧张素II,血管紧张素转化酶（ACE）,缓激肽,缓激肽降解,血管扩张,血管收缩,血压上升,醛固酮分泌,肾素,体内调节血压的肾素-血管紧张素系统,453个氨基酸,无活性10肽,活性8肽,大量存在于血管内皮细胞膜表面,实例血管紧张素转化酶抑制剂 Angiotensin Converting Enzyme Inhibitors,血管紧张素II受体,Ang拮抗剂 氯沙

9、坦,Antiotensin II Receptor Antagonists,ACE 抑制剂,根据ACE活性部位的化学结构设计出的ACE 抑制剂的作用： 可以抑制Ang的生成 减少缓激肽的失活 抗高血压药物,羧肽酶抑制剂研究 1973底，发表羧肽酶抑制剂研究结果： 活性中心含有Zn2+，附近有一正电荷， 双电荷酶抑制剂（琥珀酰脯氨酸）对ACE有特异性抑制作用，但作用很弱,1971年从巴西毒蛇的蛇毒分离纯化出九肽替普罗肽（Teprotide，SQ 20881），谷-色-脯-精-脯-谷-亮-脯-脯可抑制ACE ，但口服无效。,二肽衍生物构效关系： 模拟C末端的二肽结构具有高抑制活性 D-甲基琥珀酰脯

10、氨酸的活性增强15-20倍,巯基对Zn2+亲和力更大;巯基取代羧基， 巯基烷酰基脯氨酸对ACE的抑制活性增大1000倍,构效关系,Captopril与ACE的作用,Hypothetical binding of inhibitors to ACE,卡托普利（开博通，Captopril ）： D-3-巯基-2-甲基丙酰-L-脯氨酸；二肽、两个手性碳(S，S) 第一个口服ACE抑制剂、活性超过替普罗肽 作用：舒张外周血管、降低醛固酮分泌、影响钠离子的重吸收、降低血容量,不良反应： 皮疹，嗜酸性白细胞增高，味觉丧失及蛋白尿，与结构中的巯基有关,卡托普利,依那普利 Enalapril,实例 醛糖还原酶

11、抑制剂,葡萄糖 山梨醇 果糖,山梨醇脱氢酶,醛糖还原酶（ Aldose reductase，AR） 还原性辅酶 （NADPH）,AR NADPH,许多组织中都有这一途径： 血糖浓度升高时，己糖激酶被葡萄糖饱和，大量葡萄糖经醛糖还原酶转变为山梨醇； V1V2，山梨醇分子不易透过细胞膜进入血液循环；在细胞内大量聚集，引起细胞内高渗效应，细胞水肿，膜通透性变化，引起一系列病理变化，诱发糖尿病并发症。 如：白内障、视网膜病变、神经病变、肾脏病变。,V1,V2,索比尼尔（sorbinil)：第一个在体内具有较高活性的海因类化合物。1978年，辉瑞公司(Pfizer)开发。对大鼠晶状体AR和人胎盘AR的I

12、C50分别为70和680nmol/L，因过敏反应严重终止于临床实验； M-16209：对人重组AR 的IC50 为51 nmo lL - 1； SN K-860：在链氮霉素毒性鼠模型中，可以有效改善周围神经传导阻滞, 对体内山梨醇蓄积和肌醇耗尽的有效率分别为100% 和71%。,（1）海因类化合物,（2）羧酸类化合物,托瑞司他（tolrestat),托瑞司他对牛晶状体AR 的IC50为35 nmo lL1，每天2 次、每次200 m gkg-1 可以有效降低红细胞中山梨醇水平。1989 年，以A lredase 为商品名在爱尔兰上市，适用于糖尿病继发的周围感觉性神经疾病的治疗。,依帕司他(ep

13、arestat),对大鼠晶状体、兔晶状体、人胎盘的AR 的IC50均为10 nmo lL1，可以有效预防并且改善糖尿病并发的末梢神经障碍、振动感觉异常等症状。1996 年，在日本进行了大规模临床试验，最近已在日本上市。,GP1447和SG210,SG210 具有吸收快、半衰期长、生物利用度高等许多优点，是一种很有前途的AR I。,（2）羧酸类化合物,（3）苯并吡喃酮类 Pfister等合成30个7取代的占吨酮羧酸化合物，测试对兔晶体醛糖还原酶的抑制活性，6和14显示较强活性。 在10-6 mol/L浓度时，抑制率分别为67%和83%；6 局部使用或口服，均能延迟半乳糖所致鼠白内障的发生。,（）

14、杂环化合物 Tolrestat含有活性基团-氨基酸，设计合成含-氨酸基团的杂环化合物，该类化合物均显示较强活性IC50在（0.45-6.0)10-6mol/l之间。,Tolrestat，Epalrestat：有一个乙酸基团接在或上， Sorbinil：酸性接在亚胺上； 合成嘧啶基衍生物：-氧嘧啶-乙酸，（嘧啶基-氧）乙酸，二者在体内外实验中均有较高活性。,（）杂环化合物,开发新型的竞争性的ARI应成为研究的方向。,醛糖还原酶抑制剂（ARIs）存在的问题：许多ARIs虽然在体外实验中活性很好，在体内动物模型中也表现有效作用，但在临床研究中却往往缺乏疗效。,原因：ARIs缺乏抑制AR的专一性。 目

15、前，开发的ARIs分子中大都具有亲电性的芳香族环状结构，与AR的结合主要依赖于它们和AR活性部位口袋之间的疏水作用，使它们不可避免地也抑制其它具有疏水性的三维活性口袋结构的醛性酶。因此，均为非竞争性抑制类型。 专一性AR抑制剂应该不仅仅利用AR活性部位口袋的形状与疏水特性，还应利用AR活性部位口袋中的极性基团。,2、不可逆抑制剂 抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。 非专一性：抑制剂与酶分子中一类或几类基团共价结合导致酶失活。 Pb2+、Cu2+、Hg2+ 与酶分子的巯基进行不可逆结合，巯基酶因此遭受抑制。用二巯基丙醇或二巯基丁二酸钠可使酶复活。 专一性：抑制剂专一地与酶

16、的活性中心或其必需基团共价结合，抑制酶的活性。 有机磷杀虫剂专一作用于胆碱酯酶活性中心的丝氨酸残基。,有机磷化合物 羟基 失活酶 酸,解磷定（PAM）等药物可与有机磷杀虫剂结合，使酶和有机磷杀虫剂分离而复活。,巯基酶 路易士气 失活酶 酸,失活酶 二巯基丙醇（BAL） 巯基酶 结合物,定向活性部位抑制剂 基于机理的抑制剂 伪不可逆抑制剂,不可逆抑制剂,二、设计原理和方法 1、定向活性部位不可逆抑制剂 （1）-糜蛋白酶抑制剂,天冬氨酸 组氨酸 丝氨酸,水解,底物,对甲苯磺酰基-L-苯丙氨酸乙酯,氢键使酯键等定位在Ser195的羟基附近,疏水结合口袋,疏水结合口袋,疏水结合口袋,对甲苯磺酰基-L-

17、苯丙氨酰-氯代甲基酮 （TPCK）,疏水结合口袋,疏水结合口袋,His被烷基化,阻断底物分子进入活性部位的通路，且使酶失活,疏水结合口袋,疏水结合口袋,疏水结合口袋,酶受到抑制,-糜蛋白酶抑制剂,甲硫氨酸,2、基于机理的不可逆抑制剂 （1）黄素参与的单胺氧化酶（MAO）抑制剂,黄素（在单胺氧化酶上）,巴吉林 降压药,控制机体内生物胺的水平，如去甲肾上腺素的浓度,酶不可逆失活,活性基团,（2）依赖磷酸吡哆醛的酶抑制剂 GABA转氨酶抑制剂氨己烯酸,磷酸吡哆醛（PLP）,醛亚胺,断键的方向取决于活性部位蛋白质的性质,GABA aminotransferase inhibitor-Vigabatri

18、n,（2）依赖磷酸吡哆醛的酶抑制剂 -氨基丁酸转氨酶（GABA-T）抑制剂氨己烯酸,谷氨酸,以磷酸吡哆醛（PLP）为辅酶,GABA aminotransferase inhibitor-Vigabatrin,氨己烯酸,（GABA-T）-磷酸吡哆醛（PLP）,氨己烯酸与GABA竞争GABA转移酶,GABA aminotransferase inhibitor-Vigabatrin,GABA aminotransferase inhibitor-Vigabatrin,GABA aminotransferase inhibitor-Vigabatrin,GABA aminotransferase i

19、nhibitor-Vigabatrin,2、基于机理的不可逆抑制剂 （3）-内酰胺酶抑制剂,舒巴坦,3、过渡态类似物可逆抑制剂 （1）负碳离子样的过渡态类似物,烯醇离子 羧酸负离子,二羟基丙酮磷酸酯,乙醇酸磷酸酯,甘油醛-3-磷酸酯,可作酶抑制剂,（2）正碳离子样的过渡态类似物,异戊烯基二磷酸 中间体 二甲烯丙基二磷酸,异戊烯基二磷酸异构酶,2-（二甲氨基）-1-乙基二磷酸,1,6-二氢-6-羟甲基嘌呤核苷 Conformycin Deoxyconformycin,（3）四面体过渡态类似物 腺苷脱氨酶过渡态类似物抑制剂,羟基亚乙基等排体,过渡态抑制剂,肾素的过渡态类似物抑制剂,Replacem

20、ent of the scissile bond with various transition state analogue scaffolds in the design of aspartic protease inhibitors,4、多底物类似物抑制剂 L-天冬氨酸氨甲酰转移酶,N-氨甲酰天冬氨酸,氨甲酰磷酸,L-天冬氨酸,磷酸乙酰-L-天冬氨酸,嘧啶从头生物合成所必需前体,与L-天冬氨酸氨甲酰转移酶的结合强度比前二者高1000倍,5、伪不可逆抑制剂 糜蛋白酶,多肽,催化多肽酰胺键水解,5、伪不可逆抑制剂 糜蛋白酶,催化多肽酰胺键水解,共价加合物 半衰期11h,2-乙氧基-4H-3,

21、1-苯并口恶嗪-4-酮,使糜蛋白酶失活,第二节 肽拟似物,肽键的特点：氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。 肽键具有部分双键性质，因而不能自由旋转。 组成肽键的原子处于同一平面，存在顺反异构现象。 肽键一般呈稳定的反式构型。,肽单元：肽键与相邻两个碳原子所组成的基团（CCONHC）。这个单元是一个平面结构，称为肽键平面。,肽键平面,肽键平面可以围绕CC 和 N -C单键旋转从而产生肽链的不同构象。,生物活性肽（bioactive peptide）：是沟通细胞间与器官间信息的重要化学信使，通过内分泌、旁分泌等多种方式行使其微妙的传讯功能，从而使机体组合成一个高度协调和严密控制的复杂系统，

22、调节生长、发育、繁殖，代谢和行为等生命过程。由于生物活性肽在体内含量极微，约为10-910-6 molL1体液水平，有的肽半衰期短。 如谷胱甘肽、催产素、加压素与促黄体生成激素释放激素等。,酰胺键拟似物,肽类分子的性质：,易水解：口服吸收差、作用时间短 柔性分子结构：选择性低，产生副反应,肽类结构的修饰：生物活性肽的环化、限制性氨基酸的取代肽拟似物：生物活性肽经结构修饰获得的化合物,一、设计原理与方法肽拟似物设计的策略：1、生物活性肽的环化构象限制,限制单元： 脱氨基半胱氨酸（Cys）衍生物 引入生物活性肽中， 限制构象，增加疏水性,Cys,形成内酰胺形式、二硫桥键合形式,一、设计原理与方法肽拟似物设计的策略：1、生物活性肽的环化构象限制,连接侧链功能团或肽端,2、限制性氨基酸的取代,甘氨酸,在活性肽序列中，引入限制性氨基酸,丙氨酸（Ala）,甘氨酸的类似物,2、限制性氨基酸的取代 （1）-甲基化,甘氨酸,丙氨酸（Ala）, 氨基异丁酸 （Aib）, 乙基丙氨酸, 甲基苯丙氨酸,（2）,-二烷基甘氨酸和-氨基环烷羧酸,n=1 二乙基甘氨酸 n=2 二丙基甘氨酸,