基于酶促原理的藥物設(shè)計

第四章

基于酶促原理的藥物設(shè)計藥物設(shè)計學(xué)1整理課件【學(xué)習(xí)要求】1.掌握酶促反響的根本概念和酶抑制劑設(shè)計的根本原理。2.熟悉酶抑制劑類藥物的開展現(xiàn)狀；熟悉NS3/4A蛋白酶抑制劑波西匹韋的設(shè)計與發(fā)現(xiàn)過程。3.了解HIV-1RT、PTKs和NA等藥物作用靶酶的結(jié)構(gòu)、功能和抑制劑。2整理課件酶〔enzyme〕是機(jī)體內(nèi)催化各種代謝反響的生物催化劑，是由組織活體細(xì)胞合成分泌并對其特異性底物具有高效催化作用的天然蛋白質(zhì)。3整理課件在目前的500多種藥物作用靶標(biāo)中，酶是最重要的一類，約占45%。未來將有5000~7000種功能蛋白將會成為藥物設(shè)計與研究的實用性靶標(biāo)，其中約3500種是酶靶。4整理課件第一節(jié)

酶促反響的根底知識5整理課件分類依據(jù)分類舉例酶在細(xì)胞的位置細(xì)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(zhuǎn)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）6整理課件分類依據(jù)分類舉例酶催化反應(yīng)類型氧化-還原酶（oxidoreductase）單胺氧化酶（monoamineoxidase，MAO）、細(xì)胞色素酶（cytochrome）水解酶（hydrolase）淀粉酶（amylase）、蛋白酶（protease）轉(zhuǎn)移酶（transferase）法尼基轉(zhuǎn)移酶（farnesyltransferase）、磷酸化酶（phosphorylase）異構(gòu)酶（isomerase）前列腺素異構(gòu)酶（prostaglandinisomerase）連接酶（ligase）tRNA連接酶（tRNAligase）裂和酶（lyase）碳酸酐酶（carbonatedehydratase）、醛縮酶（aldolase）7整理課件一、酶促反響理論〔一〕底物濃度對反響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(guān)系，結(jié)果υ=[S]Vmax/KM；當(dāng)?shù)孜餄舛冉咏柡蜁r，υ與[S]無關(guān)并且趨于最大反響速度Vmax。8整理課件底物濃度對酶促反響速度的影響9整理課件〔二〕E-I的相互作用底物或抑制劑與靶酶的親和力是各種作用力的綜合結(jié)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(qiáng)。10整理課件二、酶的激活與抑制1.酶原的激活

這種無活性的酶的前體稱為酶原，酶原向酶轉(zhuǎn)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(gòu)激活

體內(nèi)一些代謝物可以與某些酶分子活性位點(diǎn)以外的某部位可逆結(jié)合，使酶發(fā)生變構(gòu)并改變其催化活性，稱為變構(gòu)效應(yīng)?！惨弧趁傅募せ钭饔?1整理課件3.酶的共價修飾激活酶結(jié)構(gòu)上的一些基團(tuán)可與某種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生可逆的共價結(jié)合，從而改變酶的活性，這一過程稱為酶的共價修飾或化學(xué)修飾。12整理課件〔二〕酶的抑制作用

1.不可逆性抑制作用不可逆性抑制劑通常以共價鍵與酶活性位點(diǎn)上的必需基團(tuán)結(jié)合，使之失活。2.可逆性抑制作用可逆性抑制劑通常以非共價鍵與酶和〔或〕E·S可逆性結(jié)合，使之活性降低或消失。13整理課件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響的表觀KM值14整理課件可逆性抑制劑的種類酶抑制劑類型達(dá)到抑制作用所需的I/E比值達(dá)到平衡的反應(yīng)速率快速可逆緊密結(jié)合緩慢結(jié)合緩慢-緊密結(jié)合I>>EI≈EI>>EI-E快快慢慢15整理課件緊密結(jié)合的抑制劑：以高親和力與靶酶結(jié)合，酶-抑制劑復(fù)合物的形成使游離抑制劑分子被顯著消耗。緩慢結(jié)合的抑制劑：酶-抑制劑復(fù)合物的解離速速緩慢，到達(dá)平衡過程緩慢。緩慢-緊密結(jié)合的抑制劑：指以緩慢的作用過程完成抑制劑與酶結(jié)合的一種緊密結(jié)合抑制劑。16整理課件第二節(jié)

酶抑制劑的設(shè)計原理

17整理課件

一、酶抑制劑的開展與分類1.控制感染性疾病的酶抑制劑類藥物雷特格韋西他沙星達(dá)卡他韋索非布韋18整理課件2.抗腫瘤的酶抑制劑類藥物3.調(diào)節(jié)代謝類疾病的酶抑制劑類藥物19整理課件酶抑制劑類藥物及其靶酶代表性藥物或藥物類型靶酶臨床用途青霉素，頭孢菌素類肽聚糖轉(zhuǎn)肽酶抗菌喹諾酮類抗菌藥物細(xì)菌DNA旋轉(zhuǎn)酶抗菌甲氧芐啶，氨甲蝶呤二氫葉酸還原酶抗菌、抗癌克霉唑，酮康唑羊毛甾醇14α-脫甲基酶抗真菌阿昔洛韋，阿糖腺苷病毒DNA聚合酶抗病毒齊多夫定HIV逆轉(zhuǎn)錄酶抗病毒沙奎那韋HIV蛋白酶抗病毒扎那米韋，奧司米韋流感病毒神經(jīng)氨酶抗病毒20整理課件酶抑制劑類藥物及其靶酶代表性藥物或藥物類型靶酶臨床用途非那司提甾體5α-還原酶良性前列腺增生氨魯米特，法倔唑芳香酶雌激素介導(dǎo)的乳腺癌5-氟尿嘧啶胸苷酸合成酶結(jié)腸直腸癌依托泊甙拓?fù)洚悩?gòu)酶II小細(xì)胞肺癌、淋巴瘤噴司他丁腺苷酸脫氨酶白血病氨己烯酸GABA轉(zhuǎn)氨酶癲癇反苯環(huán)丙胺，苯乙肼單胺氧化酶抗抑郁卡托普利，依那普利血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抗高血壓21整理課件酶抑制劑類藥物及其靶酶代表性藥物或藥物類型靶酶臨床用途強(qiáng)心苷Na+,K+-ATP酶心律失常非布索坦，別嘌醇黃嘌呤氧化酶痛風(fēng)埃索美拉唑，奧美拉唑H+,K+-ATP酶潰瘍?nèi)鹗娣ニ。练ニMG-CoA還原酶高血脂阿司匹林，萘普生，布洛芬前列腺素合成酶，環(huán)氧化酶抗炎艾瑞昔布，塞來西布環(huán)氧化酶II關(guān)節(jié)炎新斯的明乙酰膽堿酯酶青光眼22整理課件二、酶抑制劑的合理設(shè)計1.基態(tài)類似物抑制劑酶促反響的基態(tài)由底物和產(chǎn)物組成?；鶓B(tài)類似物模擬底物或產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，包括底物類似物和產(chǎn)物類似物，以底物類似物為多，通常作用于與底物相同的活性位點(diǎn)?！惨弧郴诜枪矁r結(jié)合的酶抑制劑的合理設(shè)計23整理課件2.多底物類似物抑制劑多底物類似物模擬結(jié)合在酶活性位點(diǎn)的兩個或多個底物的結(jié)構(gòu)，通過共價鍵把兩個或多個底物或底物類似物結(jié)合在一起。與單底物類似物相比，多底物類似物的優(yōu)點(diǎn)在于與靶酶的結(jié)合力大大增強(qiáng)，并且特異性更高。24整理課件3.過渡態(tài)類似物抑制劑由于酶與過渡態(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，使反響速率提高1010~1015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(jié)構(gòu)類似于反響中不穩(wěn)定過渡態(tài)的底物局部。25整理課件〔二〕基于共價結(jié)合的酶抑制劑的合理設(shè)計1.基于機(jī)制的酶抑制劑也稱為自殺性底物〔suicidesubstrates〕。26整理課件特點(diǎn)：①同正常底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，包括電性和立體兩個因素；②具有低反響性能的潛在基團(tuán)或結(jié)構(gòu)片段，在酶的催化階段，經(jīng)靶酶誘導(dǎo)激活，轉(zhuǎn)化為反響性能強(qiáng)的活性基團(tuán)或中間體；③與酶的活性中心共價結(jié)合，使酶不可逆失活，具有高度特異性，毒性較低。27整理課件2.親和標(biāo)記抑制劑又稱為指向活性部位抑制劑〔active-siteddirectedinhibitors〕。通常也是底物或產(chǎn)物類似物，特征：①分子中與酶可逆結(jié)合的局部，即識別基團(tuán)；②在識別基團(tuán)上連接或修飾具有反響活性的化學(xué)基團(tuán)或原子，或稱活性基團(tuán)。

28整理課件第三節(jié)

酶抑制劑類藥物29整理課件一、HIV逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑獲得性免疫缺陷綜合征〔acquiredimmunedeficiencysyndrome，AIDS〕人免疫缺陷病毒〔humanimmunodeficiencyvirus，HIV〕分為HIV-1和HIV-2兩種亞型30整理課件整合酶〔integrase〕、逆轉(zhuǎn)錄酶〔reversetranscriptase，RT〕和蛋白酶〔protease〕是病毒復(fù)制過程中的關(guān)鍵的3個酶，任何一個酶的失活都將阻礙病毒的復(fù)制?！惨弧矵IV治療藥物31整理課件〔二〕HIV逆轉(zhuǎn)錄酶的結(jié)構(gòu)特征

HIV-1逆轉(zhuǎn)錄酶與DNA雙螺旋復(fù)合物結(jié)構(gòu)示意圖

32整理課件非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑奈韋拉平地拉韋啶依法韋侖〔三〕HIV逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑及其作用機(jī)制33整理課件奈韋拉平等3種NNRTIs與HIV-IRT復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)34整理課件二、酪氨酸激酶抑制劑人類基因組大約編碼519種蛋白激酶，94種蛋白酪氨酸激酶〔proteintyrosinekinases，PTKs〕是其中最主要的一個家族，占激酶總數(shù)的18%。在腫瘤靶向治療中，PTKs抑制劑占據(jù)著重要的地位。在28種已上市的小分子蛋白激酶抑制劑中，用于腫瘤治療的有26種，其中20種為PTKs抑制劑、6個為絲氨酸/蘇氨酸激酶抑制劑；另外2種屬于PTKs的JAKs抑制劑魯索替尼〔ruxolitinib〕和托法替尼〔tofacitinib〕分別用于骨髓纖維化和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎。35整理課件〔一〕PTKs的結(jié)構(gòu)特征PTKs主要分為受體型PTKs及非受體型PTKs兩類。1.受體型PTKs的結(jié)構(gòu)特征和類型受體型PTKs在細(xì)胞外存在一個結(jié)合配體的胞外區(qū)，配體一般為膜結(jié)合的多肽或者蛋白類激素，包括多種生長因子。胞內(nèi)區(qū)為一個可以選擇性與底物結(jié)合并且將其酪氨酸殘基磷酸化的催化域，且具有自磷酸化位點(diǎn)。此外，還存在一個跨膜結(jié)構(gòu)域。36整理課件受體型PTKs主要包括：①表皮生長因子受體〔epidermalgrowthfactorreceptor，EGFR〕家族，包括ErbB-1〔EGFR〕、ErbB-2〔HER-2〕、ErbB-3〔HER-3〕和ErbB-4〔HER-4〕，此類受體高表達(dá)于上皮細(xì)胞腫瘤中；②血小板衍化生長因子受體〔plateletderivedgrowthfactorreceptor，PDGFR〕家族，通過作用于內(nèi)皮細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞，促進(jìn)血管形成；37整理課件③成纖維細(xì)胞生長因子受體〔fibroblastgrowthfactorreceptor，F(xiàn)GFR〕家族，F(xiàn)GF調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂、增殖、遷移及分化的多效生長因子，此類受體在血管形成方面起重要作用；④血管內(nèi)皮生長因子受體〔vascularendothelialgrowthfactorreceptor，VEGFR〕家族，包括VEGFR-1〔FLT-1〕、VEGFR-2〔KDR/FLK-1〕和VEGFR-3〔FLT-4〕。38整理課件2.非受體型PTK的結(jié)構(gòu)特征非受體型PTK一般沒有細(xì)胞外結(jié)構(gòu)，它們通常位于胞質(zhì)中或者在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)與跨膜受體結(jié)合，通過細(xì)胞因子受體等執(zhí)行信號傳導(dǎo)功能。包括JAK、ABL、SRC、ACK、CSK、FAK、FRK、SYK和TEC等家族，其中TEC家族成員有BTK、ITK、TEC、BMX等較熱門的研究靶點(diǎn)。39整理課件從伊馬替尼〔imatinib〕與BCR-ABL的共結(jié)晶結(jié)構(gòu)可了解非受體PTKs的結(jié)構(gòu)，C端多為α-螺旋結(jié)構(gòu)，N端多為β-折疊結(jié)構(gòu)，C端和N端通過一個鉸鏈連接，鉸鏈區(qū)〔hingeregion〕的細(xì)長狹縫為底物ATP結(jié)合口袋。40整理課件ABL激酶與伊馬替尼的共結(jié)晶結(jié)構(gòu)41整理課件ATP與PTKs催化域的結(jié)合方式如以以下圖所示，通過腺嘌呤結(jié)構(gòu)與鉸鏈區(qū)的保守氨基酸殘基形成1~3個氫鍵作用，在大多數(shù)激酶抑制劑的設(shè)計中均可看到與鉸鏈區(qū)的氫鍵結(jié)合作用；核糖環(huán)占據(jù)口袋保持三磷酸基團(tuán)的構(gòu)象，同時可以和附近的氨基酸殘基形成氫鍵作用；三磷酸基團(tuán)可以和鎂離子絡(luò)合，并且和活化環(huán)產(chǎn)生相互作用，最終將γ-磷酸轉(zhuǎn)移到底物蛋白質(zhì)的酪氨酸殘基上。42整理課件ATP與激酶催化區(qū)域的結(jié)合模式43整理課件〔二〕PTKs抑制劑設(shè)計小分子ATP或底物類似物，通過與ATP或底物競爭性結(jié)合胞內(nèi)激酶催化區(qū)域，阻斷分子內(nèi)酪氨酸的自身磷酸化，阻斷酪氨酸激酶活化，阻止下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而抑制細(xì)胞周期進(jìn)程、加速細(xì)胞凋亡、抑制血管生成、抑制浸潤和轉(zhuǎn)移。44整理課件靶向EGFR、VEGFR和ALK等3種受體型PTKs的14個抑制劑中，包括以EGFR為靶點(diǎn)或主要靶點(diǎn)的吉非替尼〔gefitinib〕、埃羅替尼〔erlotinib〕、拉帕替尼〔laptinib〕和阿法替尼〔afatinib〕；以索拉菲尼〔sorafenib〕和舒尼替尼〔sunitinib〕為代表的VEGFR抑制劑；靶向間變性淋巴瘤激酶〔anaplasticlymphomakinase，ALK〕的克唑替尼〔crizotinib〕和色瑞替尼〔ceritinib〕。45整理課件以BCR-ABL和Bruton酪氨酸激酶〔Brutontyrosinekinase，BTK〕2種非受體型PTKs為靶點(diǎn)的小分子抑制劑已成功上市6種藥物，靶向BCR-ABL的代表性藥物為伊馬替尼和達(dá)沙替尼〔dasatinib〕，是治療慢性粒細(xì)胞白血病的有效藥物；而依魯替尼〔ibrutinib〕是唯一的BTK抑制劑，用于治療套細(xì)胞淋巴瘤和急性淋巴細(xì)胞白血病。46整理課件這些替尼類〔-tinibs〕藥物并不是作用于單一的靶點(diǎn)，對其他激酶也有著較強(qiáng)的抑制活性，從多向藥理學(xué)〔polypharmacology〕的角度來說，可能是其臨床有效性的原因，另一方面也會由于脫靶效應(yīng)〔off-targeteffect〕造成一些不良反響。47整理課件這些替尼類〔-tinibs〕藥物并不是作用于單一的靶點(diǎn)，對其它激酶也有著較強(qiáng)的抑制活性，從多向藥理學(xué)〔polypharmacology〕的角度來說，可能是其臨床有效性的原因，另一方面也會由于脫靶效應(yīng)〔off-targeteffect〕造成一些不良反響。48整理課件第四節(jié)

案例分析：波西匹韋的發(fā)現(xiàn)

49整理課件一、研究背景丙型肝炎由丙型肝炎病毒〔HCV〕感染所致，主要經(jīng)血液/體液傳播。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全球HCV的感染率約為3%，約1.8億人感染HCV，60%~70%的感染人群發(fā)病，可導(dǎo)致肝臟慢性炎癥壞死和纖維化，局部患者可開展為肝硬化甚至肝癌。50整理課件HCV是一種高度易變異性病毒，根據(jù)其基因序列的差異，可以分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四種基因型，各基因型間沒有免疫力，相互之間可以重復(fù)感染，這使得研制預(yù)防性和治療性疫苗存在很大困難。近5年抗丙型肝炎藥物取得重大突破，下面以NS3/4A蛋白酶抑制劑〔NS3/4Aproteaseinhibitor〕波西匹韋〔baceprevir〕為例，說明基于酶蛋白結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計過程。51整理課件NS3/4A蛋白酶對HCV的生長和增殖具有重要作用，是研究抗HCV藥物的理想靶標(biāo)。NS3/4A蛋白酶的單晶X射線分析提示，其活性中心是處于酶的外表，呈平坦?fàn)钫归_，沒有明顯特征的疏水性結(jié)構(gòu)域，而且被水分子覆蓋。催化核心是由N端的His57和Asp81、C端的Ser139三元體構(gòu)成。底物P1位置為Cys或The，P1'為疏水性、小體積氨基酸Ala或Ser，P2、P3和P4為疏水性氨基酸，P5和P6為Asp或Glu等酸性氨基酸殘基。52整理課件二、苗頭化合物的發(fā)現(xiàn)由于酶與底物的結(jié)合以在較大范圍發(fā)生、多位點(diǎn)的弱結(jié)合力為特征，研究篩選小分子化合物以其到達(dá)抑制NS3/4A蛋白酶的目的并不成功，而模擬天然底物的長鏈肽，進(jìn)行設(shè)計與修飾成為有效途徑?；衔铩?-50〕與NS3/4A蛋白酶活性中心的結(jié)構(gòu)相匹配，且酮基酰胺處于適宜的