Transcript 药效构象 - NMR Lab, USTC

Chapter 4. 药物的构效关系（SAR)
Structure-Activity Relationships
本章目录
I.药物的作用靶点（Targets)
II. 药物结构
III. 药物-靶标的分子识别和相互作用
IV. 定量构效关系
I. 药物的作用靶点（Targets)
受体（Receptors）：配体结合区+产生功能的效应区，受体、传感分子、靶标
统称为信号转导通路（signal transduction pathway)
酶（Enzymes）:
离子通道（Ion Channels）
转运蛋白
核酸（Nucleic Acids）
免疫系统（Immune System)
基因（Gene）
受体（Receptors)
对生物活性物质具有识别能力并可与之选择性结合的生物大分子
生物活性物质包括：
内源性物质—神经递质、激素、抗原、抗体
外源性物质—药物、毒物
受体有亚型（isomers）
药物是受体的配体，分：
1. 激动剂（Agonist)，对受体有亲和力，有内在活性，与受体结合产生效应
2. 拮抗剂（antagonist)，对受体有亲和力，无内在活性，与受体结合不激活受体
受体包括（图3-1）：
1. 配体门控直接作用的离子通道受体，药物配体对受体直接作用
2. GPCR （G protein coupled receptor)
3. 蛋白-激酶型受体
4. 细胞核激素受体
转
导
机
制
1. Direct ligand-gated ion channel receptor: 跨膜蛋白，4~5个跨膜a螺旋（20~25
AA）。药物与跨膜蛋白结合，影响通道的开关，信号转化为细胞膜电位变化，
或离子浓度改变。如烟碱样乙酰胆碱受体，GABAA受体，谷氨酸受体，5-羟色
胺受体，甘氨酸受体
H3C
O
+
CH3
N
H3C
CH3
O
H2N
OH
O
g-aminobutyric acid (GABA)
Acetylcholine
OH
H
N
O
NH2
HO
HO
NH2
O
glutamic acid
5-hydroxy tryptamine (5-HT)
2YMD: Choline
receptor/5-HT
4MS3: GABAb receptor/GABA
(Nature 2013)
4OO9: glutamate receptor 5
(Nature 2014)
离子通道（Ion channels)
Ca2+, K+, Na+, Cl-通道
4MS2: Ca2+ channel (Nature 2014)
2. GPCR: （占药物靶点40%~60% ）
G-Protein: heterotrimer (a/b/g), 结合GTP
GPCR: 跨膜蛋白，N端膜外，7个a helix（20~25 AA each) 围成疏水腔穴，配体结
合位点
激动GPCR的配体：内源性胺，阿片生物碱，类花生酸，脂质信号分子，肽类，
蛋白配体
效应分子：酶、选择性Ca2+, K+通道
4NC3: 5-HT2B
(Science 2014)
图3-2， 3-3
作用于GPCR的药物：b-肾上腺能受体、组胺H1受体、组胺H2受体、阿片m受体、
5-HT3受体、多巴胺D2受体 （表3-2）
3.Tyrosine protein kinase receptor: 将细胞膜内的效应蛋白磷酸化，底物位点是
tyrosine residue, 包括insuline, cytokine, EGFR，PDGFR，VEGFR，Bcr-abl
kinase
跨膜蛋白，400~700AA，胞外结构域同源性较低，胞内序列保守，膜附近是ATP
结合位点，ATP磷酸化蛋白的tyrosine。受体激活后刺激癌基因(oncogene)的转录
F
和表达，是抗癌药物的重要靶标（表3-3）
H3C
N
O
CH3
N
O
NH
NH
F
F
NH
N
N
N
N
Imatinib (Glivec by Novartis for 10 cancers
eg. CML, GISTs ), targeting Bcr-Abl kinase
O
CH3
Leflonomide for RA, psoriatic
arthritis, targeting PDGFR，
F=80% t1/2=2 weeks
4. Nuclear hormone receptor: 调控DNA转录，包括甾类激素（雌激素、孕激素、
雄激素、皮质激素）、甲状腺素、维生素D3、维生素A等受体。（表3-4）
酶（Enzymes)
药物酶靶：人体内固有的酶/侵入体内病原体的酶系
药物对酶产生激活、诱导、抑制、复活等作用是药物的重要靶点，1/3 药物是酶
抑制剂。
抑制剂通常结合到酶的催化活性中心。Isozyme结构类似，催化相同的反应，但反
应底物和产物不同。特异性抑制剂，避免off-target副作用
O
H
N
N
S
N
O
H3C
NH2
N
NH
NH2
HO
O
O
HO
CH3
N
N
CH3
N
O
N
CH3
O
CH3
Omeprezole: targeting H+/K+ ATPase,
Reversible inhibitor
Methotrexate: targeting DHFR for
cancer, abortion etc.
1000X vs folate, almost irreversible
其它靶点
•转运蛋白：去甲肾上腺素摄取蛋白、5-HT重摄取蛋白、神经末梢胆碱转运蛋白、
P-糖蛋白
•核酸：DNA, RNA
•免疫系统：
骨髓、淋巴结、脾、扁桃体、各种淋巴细胞。机体的正常免疫反应是消除入侵微
生物和自身稳定的重要机制;
免疫增强：疫苗、丙种球蛋白、干扰素;
免疫抑制：环孢素
•基因遗传密码
正常基因或其它有功能的基因导入体内表达而获得疗效，基因治疗，人胰岛素、
人生长素、乙肝疫苗
II. 药物结构
结构非特异性药物（麻醉剂等）
特异性（specificity)
结构特异性药物（大多数药物）
•
活性不取决于热力学性质
•
有相同的结构特征
•
特异性极高（如尿嘧啶，氟脲嘧啶），中等
（磺胺类），很低（抗过敏药）
现代药物一般要求特异性>30~100，即药物
与靶标和非靶标的亲和力差异要30X以上
受体的特异性决定药物的特异性，药效的影
响因素：药物理化性质，与受体的相互作用
化学结构稍加改变，极大的改变
生理活性
CH3
HO
NH
CH3
HO
NH
OH
OH
Adrenaline: 升血压
OH
OH
Isoproterenol:
支气管扩张药
CH3
小分子药物结构解析
General structure elucidation procedure:
1. Determine molecular formula by MS
2. Degree of Unsaturation = [2 + (2 x #Carbons) + #Nitrogens #Hydrogens - #Halogens]/2
3. Acquire 1H, HSQC and HMBC, write down chemical shifts and build
connectivity
4. Acquire 1D TOCSY & NOESY to resolve ambiguity
5. Draw a tentative structure and check consistency with spectra
Note: the presence of peaks can be proof of nuclear and its connectivity
the absence of peaks can NOT be proof of no connectivity!
2nI+1 Rule:
I=1/2 for 1H, 19F, 13C and 15N; I=1 for 2H;
n: number of vicinal protons
General rule: the closer to N (O), the bigger (even bigger) chemical shifts
Karplus-Conroy Eq. 3JHH = a cos2f - 0.28 (a =10 if f<90; a=15 if f >90)
Martin Karplus: 2013 Nobel laureate. (CHARMM, 量子力学和经典力学结合计算生
物学问题)
Average JCH is around 146 Hz, as is normally used in 13C-1H HSQC
HMBC
Heteronuclear Multiple Bond Correlation
Normally detect 2J or 3J (ca. 3Hz)
Do not confuse with HMQC
(heteronuclear multiple quantum correlation, similar to HSQC)
HMBC without 1J suppression
For small molecule, the splitted 1J correlation can be intuitive to identify HSQC peaks
Less s/n compared with HSQC
May need to adjust the long range J coupling
1H-1H
Correlation
Through Bond
R
COSY:
3J 1H-1H
H
R
H
(Correlation
Spectroscopy)
TOCSY Connectivity
(Total Correlation
Spectroscopy)
R
R
R
H
H
H
H
R
R
R
H
R
H
O
O
NH
O
NH
S
more useful)
O
N
Through Space
NOESY(Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy)
ROESY(Rotating frame Overhauser Effect Spectroscopy)
Detect spatial correlation up to 5Ǻ
Typical TOCSY
Selection of NOESY and ROESY
~600
~1200
NOESY Spectrum
上机实习
目的：小分子的NMR结构解析
地点：生科院2楼机房
时间：11.6, 3-4节
每年暑期课，6-7月，为期1周，小分子的核磁基本
理论，谱图采集和解析
III. 药物-靶标的分子识别和相互作用
分子识别（Molecular recognition): 本质为物理、化学的互补性。大多为非共价作用
（共价作用不可逆，毒性）
相互作用类型（表4-4）：电性作用，疏水作用，立体作用
Ion-ion interaction：E1/r, 长程作用，-5~-10kcal/mol
ion-dipole interaction: E 1/r2，-1~-7kcal/mol
Dipole-dipole interaction: E 1/r3, -1~-7kcal/mol
Hydrogen-bond: -1~-7kcal/mol; N-H…O键长2.8~3.2A;
方向性：N-H…O=C键角， N-H…O为150~180o; C=O…H为100~180o
hydrogen bond donor; hydrogen bond acceptor
Chelation: 常见五元/六元螯合环，或含硫四元环。螯合剂可解重金属中毒（普鲁士蓝
解铊中毒）
熵变：结合后转动自由度受阻。刚性分子与受体的结合构象变化较小，更有利（RO5)
药效团（pharmacophore)
Ehrlich最早提出，产生特定药理作用所必需的物理化学特征及其空间分布。抽象概念，
特定原子的特定空间位置。
与药物活性有关的三维图像集合，具有相似的三维结构（构象、空间排列、空间距离）
与相同受体有相同的作用部位，产生相同作用
Feature: 氢键给体，氢键接受体，正电荷中心，负电荷中心，疏水中心，芳环质心
各个特征之间的距离和取向（氢键和芳环平面）
从一组活性化合物（>10）中总结提炼出：刚性（半刚性，或晶体结构）结构叠
合，共有的药效团特征存在于叠合的结构中（HTS，FBDD的苗头化合物）生成
模型检验模型
药物由适宜的骨架连接并支撑着必需的药效团，在发现活性
分子的基础上的骨架变换
优势结构（privileged structure)
O
N CH3
CH3
H3C
N
N
CH3
H3C
CH3
CH3
苯并螺环
H3C
甾类steroide
苯并氮卓benzepine
N
H
CH3
1'-methyl-2,3-dihydrospiro
[indene-1,4'-piperidine]
苯基二氢吡啶pyridine
CH3
药效团设定标准：
1. # features, >=3 and <=6
NH
NH
CH3
2. >=1 rings
H3C
NH2
脒amidine
3. <=2 COOH
H2N
NH2
胍carbamidine
4. Normal features：-NH2,-CONH2,-OH, -C=O, -SO2-, -SO2NH2,
-COOH, HCONH2-, -COOH
N
O
N
H2N
吡咯pyrrole
H3C
NH2
脲carbamide
吲哚indole
S
S
H
N
N
CH3
噻唑thiazole
基团变化与活性
•
碱性/酸性基团：-SO3H, -PO3H2, -COOH溶解度增加，不易穿越细胞膜; 碱性基团
有胺，脒，胍，含氮杂环
•
酰基：可能参与机体/病原体的酰化反应
•
烷基：溶解度，分配，离解性，氧化还原，代谢等。甲基：脂/水溶性增加
•
卤素：F连接于分子易代谢的部位。CF3体积与Cl接近，活性不同。Cl增加分子
脂溶性、位阻作用和吸电子性的代谢稳定。Cl/Br一般在芳香环上，脂肪链上可
离去成为亲电试剂；I较少。
•
羟基：改变物理性质，改变活性的特异性。可形成氢键，可转化为醌参与氧化
磷酸化
•
巯基/二硫基：较少应用。巯基亲核性强，发生michael addition。二硫基见环肽
药物
•
醚基/硫醚基：形成氢键。
•
硝基：化疗，酶促还原为氨基。降低溶解度，pKa, 增加脂溶性，偶极矩，t1/2。
药效构型
药物与受体结合时，立体结构与受体的互补性越好，活性越强。
•
空间距离
•
构型
•
构象
雌二醇，雌激素受体
E-己烯雌酚
仅E构型有效
Z-己烯雌酚
药效构象
构象异构体：同一个分子内各原子和集团的空间位置不同
Conformation： Preferential / Pharmacophoric
受体与酶的作用部位有立体专一性
被受体识别并与受体结构互补的构象产生活性
反式
优势构象，也是药效构象
扭曲式
以靶标蛋白为给定三维坐标系下：
HO
HO
OH
HH
HH
OH
儿茶酚环沿
蓝轴旋转
90o
HO
OH
儿茶酚环沿
蓝轴旋转
180o
NH2
NH2
NH2
反式a
儿茶酚环垂直于
C-C-N构成的平面
优势构象
反式b-A
反式b
儿茶酚环与
C-C-N共平面
药效构象
HO
合成两个半刚
性类似物证明
活性构象
HO
HO
OH
OH
NH2
反式b-A
的构象等效物
活性低
HO
NH2
反式b-B
的构象等效物
活性高
NH2
反式b-B
药效构象
毒性基团
1. 亲电性基团：具有化学反应性，如b-卤代乙胺，磺酰脂，环氧乙烷，乙烯亚胺，
a,b-不饱和酮/酯，可用作化疗，不可用于药效药物，可与人体正常的酶/核酸/
蛋白发生共价结合，例如亲核取代，迈克尔加成等。
2. 代谢诱导生成毒性基团（表5-2）：可引起染色体突变（诱导细胞分化的药物
可能致畸，维甲类）、肝毒性、心脏毒性（抑制hERG心律失常，心脏猝死)
F
H3C
CH3
CH3
CH3
CH3
HO
O
Retinoic acid, 治疗早幼粒白血
病/牛皮癣，致胎鼠畸形发育
N
N
O
NH
N
CH3
Astermizole, 治疗过敏性鼻炎，
后发现抑制hERG K+ ion
channel, 1999停用
上机实习
目的：靶点蛋白和药物的互作
地点：生科院2楼机房
时间：11.13, 3-4节
IV. 定量构效关系
Quantitative Structure-Activity Relationships (QSAR)
研究化合物的活性与其结构特征的关系，用数理统计方法研究活性与结构的量变规律
2D QSAR (1960s): 不能研究与受体3D空间作用的情况，不能研究构象与构型的问题
•
Hansch-藤田稔夫(物化参数线形加和）
•
Free-Wilson（取代基的活性贡献+母体化合物的生物活性）
•
Kier(分子连接性）
3D QSAR (1988s): 以药物和受体的三维结构特征为基础，反映药物分子与受体作用的
能量变化和构象（计算机辅助药物设计）
•
Hopfinger 分子形状分析
•
Crippen: distance geometry
•
Cramer: Comparative molecular field analysis, CoMFA
基本要求：了解基本原理
Hansch-藤田分析
Hammett方程中的取
代基电性常数
lg1/ C  a(lg P)2  b lg P  c  dE0  e
IC50, EC50, LD50
取代基的疏水性
Taft’s steric constant
1. 从先导化合物出发，设计选择首批化合物并合成
2. 定量测定化合物的活性in vivo /in vitro
3. 测算化合物的物理化学参数/取代基常熟
4. 回归法得到Hansch-藤田方程
5. 解释作用机制，预测新化合物活性，指导设计下一轮化合物的合成
某些官能团的等电性、等疏水性、等立体性
Groups
F
Cl
Br
I
CF3
SCF3
COCH3
CHO
COOCH3
CH=CHNO2
OH
SH
NH2
m
0.34
0.37
0.39
0.35
0.43
0.49
0.31
0.36
0.32
0.32
0.12
0.25
-0.16

0.14
0.71
0.86
1.12
0.88
1.44
-0.55
-0.65
-0.01
0.11
-0.67
0.39
-1.23
Es
0.78
0.27
0.08
-0.16
-0.16
0.69
0.17
0.63