第4章-以酶為靶點藥物設計

Section1.BasicKnowledgeofEnzyme分類依據(jù)分類舉例酶在細胞的位置細胞表面酶（cellsurfaceenzyme）/胞外酶(extracellularenzyme)羥甲戊二酰輔酶A還原酶(3-hydroxy-3-methylglutarylcoenzymeAreductase，HMGCoA還原酶)血管緊張素轉化酶(angiotensin-convertingenzyme，ACE)一氧化氮合成酶(nitricoxidesynthase,NOS)乙酰膽堿酯酶(acetylcholinesterase,AcChE)胞內(nèi)酶（intracellularenzyme）DNA聚合酶(DNApolymerase)半胱天冬酶(caspase)酶催化反應類型氧化-還原酶(oxidoreductase)單胺氧化酶(monoamineoxidase，MAO)、細胞色素酶(cytochrome)水解酶(hydrolase)淀粉酶(amylase)、蛋白酶(protease)轉移酶(transferase)法尼基轉移酶(farnesyltransferase)、磷酸化酶(phosphorylase)異構酶(isomerase)前列腺素異構酶(prostaglandinisomerase)連接酶(ligase)tRNA連接酶(tRNAligase)裂和酶(lyase)碳酸酐酶(carbonatedehydratase)、醛縮酶(aldolase)第一頁，共31頁。I.kineticsofenzyme-catalyzedreactions（一）底物濃度對反應速度的影響底物濃度對酶促反應速度的影響米氏方程：在底物濃度很低的條件下υ與[S]呈線性關系，結果υ

=[S]Vmax/KM；當?shù)孜餄舛冉咏柡蜁r，υ與[S]無關并且趨于最大反應速度Vmax第二頁，共31頁。II.InteractionofE-Icomplex底物或抑制劑與靶酶的親和力是各種作用力的綜合結果(靜電作用、范德華力、疏水作用、氫鍵和陽離子-鍵)。Ki=[E][I]/[E·I]Ki值越小，抑制作用越強。第三頁，共31頁。ActivationandInhibitionofEnzyme

I.ActivationofEnsyme1.酶原的激活:這種無活性的酶的前體稱作酶原，酶原向酶轉化的過程稱為酶原的激活。酶原的激活實際上是酶的活性中心形成或暴露的過程。2.酶的變構激活:

其它物質對酶引起的變構效應使酶對底物的親和力增加，從而加快反應速度，則為變構激活效應。3.酶的共價修飾激活：與某種化學基團發(fā)生可逆的共價修飾，從而改變酶的活性，這一過程稱為酶的共價修飾或化學修飾。（如磷酸化、脫磷酸化）第四頁，共31頁。II.InhibitionofEnzyme抑制劑——失活——活性恢復；根據(jù)抑制劑與酶結合的緊密程度：1.irreversibleinhibition

：不可逆性抑制劑通常以共價鍵與酶活性中心上必需基團結合，使之失活。（有機磷——膽堿酯酶）2.reversibleinhibition：可逆性抑制劑通常以非共價鍵與酶或酶-底物復合物可逆性結合，使之活性降低或消失。（透析、超濾）動力學角度抑制劑分類：快速可逆，緩慢結合，緊密結合，緩慢緊密結合

Rapid,reversibleinhibitors（3類）：遵循米氏方程，根據(jù)抑制劑對酶或酶-底物復合物的選擇性分類：competitiveinhibitors：與底物結構相似，競爭酶的活性中心。noncompetitiveinhibitors：與活性位點之外的必需基團結合，不影響酶與底物的結合，與底物無競爭關系，但酶-底物-抑制劑復合物不能釋放出底物。uncompetitiveinhibitors：僅與酶-底物復合物結合。減少了釋放產(chǎn)物的量。第五頁，共31頁。競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制競爭性抑制作用使酶的表觀KM值增大非競爭性抑制作用不改變酶的表觀KM值反競爭性抑制作用降低反應的表觀KM值動力學曲線第六頁，共31頁。Typeofreversibleinhibitors緩慢結合抑制劑（slowbindinginhibitors）達到平衡的反應速率酶抑制劑類型達到抑制作用所需I/E比值達到平衡的反應速率快速可逆緊密結合緩慢結合緩慢-緊密結合I>>EI≈EI>>EI—E快快慢慢tight-bindinginhibitors：以高親和力與靶酶結合，酶-抑制劑復合物的形成使游離抑制劑分子被顯著消耗。slowbindinginhibitors：酶-抑制劑復合物的解離速度緩慢，達到平衡過程緩慢。slow-tight-bindinginhibitors：指以緩慢的作用過程完成抑制劑與酶結合的一種緊密結合抑制劑。第七頁，共31頁。I.EnzymeInhibitorDrugs1.控制感染性疾病的酶抑制劑類藥物抑制宿主細胞中不存在的病原體的必需酶，高選擇性，高特異性。2.抗腫瘤的酶抑制劑類藥物2.抗腫瘤的酶抑制劑類藥物（TK，胸腺嘧啶合成酶，二氫葉酸還原酶，缺點：對增殖較快的正常組織有毒性）3.調(diào)節(jié)代謝類疾病的酶抑制劑類藥物（HMG-CoA，膽固醇）β-內(nèi)酰胺酶，抗菌克拉維酸轉肽酶，β-內(nèi)酰胺抗生素替卡西林胸苷激酶，抗孢疹病毒，阿昔洛韋第八頁，共31頁。II.DsignPrinciplesEnzymeInhibitors酶抑制劑的要求：1.對靶酶的抑制活性強。2.對靶酶的特異性高。3.對干擾或阻斷的代謝途徑選擇性高。4.良好的藥代動力學特性。結構上與底物或反應中間體相似：分子大小，形狀（立體）電子分布（電性）非共價結合酶抑制劑；共價結合酶抑制劑第九頁，共31頁。（一）基于非共價結合的酶抑制劑的合理設計：酶催化反應（基態(tài)-過渡態(tài)-產(chǎn)物）非共價鍵結合的酶抑制劑（作用機制）：基態(tài)類似物抑制劑，多底物類似物抑制劑，過渡態(tài)類似物抑制劑。1.ground-stateanaloginhibitors

酶催化反應的基態(tài)由底物和產(chǎn)物組成。基態(tài)類似物模擬底物或產(chǎn)物的化學結構，包括底物類似物和產(chǎn)物類似物。（SA，β-內(nèi)酰胺，HMG-CoA還原酶）第十頁，共31頁。2.multisubstrateanaloginhibitors

酶催化反應：活性位點同時結合兩個或多個底物，底物有特殊的空間趨向并彼此接近。多底物類似物模擬同時結合在酶的活性位點的兩個或多個底物的結構，通過共價鍵把兩個或多個底物或底物類似物結合在一起。優(yōu)點：與靶酶結合力大大增強，并且特異性更高。甘氨酰胺核苷酸轉甲酰基酶第十一頁，共31頁。3.transition-stateanaloginhibitors

底物——產(chǎn)物（化學反應），經(jīng)過一個或多個過渡態(tài)，高能量的過渡態(tài)控制反應速率。酶與過渡態(tài)之間的親和力高于酶同底物或產(chǎn)物的親和力，酶可以降低這種能量壁壘，使反應速率提高10（10）-10（15）倍。過渡態(tài)類似物抑制劑是一類特異的競爭性抑制劑，其結構類似于反應中不穩(wěn)定過渡態(tài)的底物部分。腺苷脫氨基酶過渡態(tài)類似物和基態(tài)類似物第十二頁，共31頁。II.ConvalentlyBinding-BasedRationalDesignofEnzymeInhibitors1.mechanism-basedinhibitors

也稱為自殺性底物（suicidesubstrates），特洛伊木馬抑制劑，酶誘導失活劑，潛伏性抑制劑。共價結合酶抑制劑：基于機理抑制劑，親和標記抑制劑，偽不可逆抑制劑。特點：①同正常底物的化學結構相似，包括電性和立體兩個因素。②具有低反應性能的潛在基團或結構片段；在酶的催化階段，經(jīng)靶酶誘導激活，轉化為反應性能強的活性基團或中間體。③與酶的活性中心共價結合，使酶不可逆失活。高度特異性，毒性較低。高活性復合物共價結合復合物第十三頁，共31頁。2.affinitylabelinhibitors又稱為活性部位抑制劑（active-siteddirectedinhibitors）和不可逆抑制劑（irreversibleinhibitors)通常也是底物或產(chǎn)物類似物，特征:①分子中與酶可逆結合的部分，即識別基團；②在識別基團上連接或修飾有反應活性的化學基團或原子，或稱活性基團。

3.pseudoirreversibleinhibitors

（偽不可逆抑制劑）是介于可逆性抑制劑和不可逆性抑制劑之間的一類抑制劑。與酶共價結合，類似不可以抑制劑。復合物有半衰期，經(jīng)水解或共價鍵逆轉重新產(chǎn)生游離酶。其有效性由酶-抑制劑加成產(chǎn)物的形成速率和加成物的半衰期決定。第十四頁，共31頁。SectionIII.DesignandApplicationSomeEnzymeInhibitor一、血管緊張素轉化酶抑制劑腎素-血管緊張素系統(tǒng)（RAS）是重要的體液調(diào)節(jié)系統(tǒng)。作用于該系統(tǒng)的ACE和血管緊張素受體抑制劑是治療多種心血管疾病的中藥藥物。血管緊張素I血管緊張素II血管緊張素I第十五頁，共31頁。I.ACEI

1981卡托普利依那普利賴諾普利雷米普利福辛普利西拉普利第十六頁，共31頁。II.3D-StructureandActiveSiteofACE賴諾普利與ACE活性位點作用示意圖ACE與賴諾普利共結晶的X-射線結構（綠色部分表示Zn2+，紅色區(qū)域表示Cl-通道）第十七頁，共31頁。III.SARofACEI①L-脯氨酸或含N雜環(huán)上必須含有與ACE底物（AngI）C-端立體結構相似的羧基。②含N雜環(huán)上連有較大的疏水基團，有利于提高藥效和改變藥代動力學參數(shù)。③側鏈上的巰基、羧基和磷?；仨毰cACE的輔助因子鋅離子結合。④巰基有利于與鋅離子結合，但可致皮疹和味覺障礙，且由于形成二硫化物而縮短作用時間。⑤模仿肽水解過渡狀態(tài)的羧基或磷?；膳c鋅離子結合。⑥將側鏈上的羧基或磷酸基酯化得到可口服的前體藥物。⑦X通常為與丙氨酸相似的甲基；X為正丁胺基，為非前體藥物型口服ACE抑制劑。第十八頁，共31頁。II.PGsCOXInhibitors前列腺素（prostaglandins，PGs）：含量低，生理活性強，多不飽和羧酸衍生物。環(huán)氧化酶（cyclooxygenase，COX）NSAIDs作用于COX抑制PGs的合成。非甾體抗炎藥（nonsteroidalantiinflammatorydrugs，NSAIDs）（阿司匹林，副作用，尋找作用于COX-2的NSAIDs）COX同工酶，COX-1、COX-2。COX-2與花生四烯酸的三維結構COX-2：抗炎鎮(zhèn)痛COX-1：胃腸道不良反應。第十九頁，共31頁。DesignofCOX-2SelectiveInhibitors1.COX-1和COX-2三維結構的差異第二十頁，共31頁。2.MoleculeStructureofCOX-2Inhibitors羅非昔布塞來昔布伐地昔布

伊托昔布帕瑞昔布鈉魯米昔布

第二十一頁，共31頁。III.HIVReverseTranscriptaseInhibitors獲得性免疫缺陷綜合癥（acquiredimmunedeficiencysyndrome，AIDS）1981年首例，2010年1億人免疫缺陷病毒（humanimmunodeficiencyvirus，HIV）分為HIV-1和HIV-2兩種亞型（i）HIV治療藥物整合酶（integrase）、逆轉錄酶（reversetranscriptase，RT）和蛋白酶（protease）是病毒復制過程中的關鍵的三個酶，任何一個酶的失活都將阻礙病毒的復制。1種整合酶抑制劑——T206種蛋白酶抑制劑10種逆轉錄酶抑制劑：7種核苷類，3種非核苷類第二十二頁，共31頁。（ii）HIV逆轉錄酶結構特征

HIV-1逆轉錄酶與DNA雙螺旋復合物結構示意圖

第二十三頁，共31頁。（iii）HIV逆轉錄酶抑制劑及其作用機理

1.核苷類逆轉錄酶抑制劑齊多夫定扎西他濱司他夫定拉米夫定結構特點：1.分子中含有堿基和類似五元糖的結構。2.五元糖沒有3’位的羥基。3.糖環(huán)單元有不同的雜原子引入。4.構型與天然核苷相同。在宿主細胞內(nèi)5‘位磷酸化與三磷酸胸苷競爭RT結合位點，抑制RT活性。第二十四頁，共31頁。2.非核苷類逆轉錄酶抑制劑

奈韋拉平地拉韋啶依法韋侖特征：1.對酶-底物復合物比酶有更高的親和力，是非競爭性抑制劑。2.與酶的變構區(qū)域作用，不影響底物結合區(qū)域的功能，細胞毒性很小。3.在極低的濃度下能抑制HIV-1的復制，對HIV-1有較高的特異性。第二十五頁，共31頁。奈韋拉平等3種NNRTIs與HIV-1RT復合物的晶體結構NNRTIs具有半衰期長，吸收好，高效低毒，副作用小等優(yōu)點，但容易產(chǎn)生耐藥性，因此尋找新型NNRTIs是目前研究熱點。第二十六頁，共31頁。IV.HMG-CoAReductaseInhibitorsHMG-CoA還原酶結構示意圖膽固醇是構成細胞生物膜的成分，但是過多會引起動脈粥樣硬化，HMG-CoA是合成膽固醇的限速酶。第二十七頁，共31頁。美伐他汀從霉菌培養(yǎng)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第二十八頁，共31頁。Fig.3.TheStructureandFunctionofInfluenzaVirusNeuraminidase1.majorsurfaceantigenicprotein(EC8)ofinfluenzavirus.2.Cleavetheα-glycocidiclinkages.3.Essentialforinfluenzavirusreplicationandinfectivity.4.TheactivesiteofNAishighlyconserved.

V.

NeuraminidaseInhibitors第二十九頁，共31頁。2023/3/27MedicinalChemistry302.3TheActiveSiteofNeuraminidaseFig4.Theacti