06-第六章-以酶为靶点的药物设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 以酶为靶点的药物设计,生 物 技 术 教 研 室,生物体内各种化学反应几乎都是在特异的生物催化剂帮助下完成的。随着人类基因组计划的完成以及生物信息学、药物基因组学和药物蛋白质组学研究的不断深入，预计未来将有3000种以上的酶类靶标应用于药物设计与研究中。本章将在简要介绍酶的功能与作用的基础上，重点讨论有关酶抑制剂的合理药物设计。,第一节 酶的基础知识,第二节 酶抑制剂,第三节 几种酶抑制剂的设计与应用,第六章 以酶为靶点的药物设计,第一节 酶的基础知识,第一节 酶的基础知识,一、酶的基本定义与分类,二、酶促反应动力学特征,三、酶的激活与抑制,一、酶的基本定义与分类,1.酶的概念,酶,是生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种因素调节控制的具有催化能力的生物催化剂。,酶相对于一般催化剂而言具有高效性、专一性、敏感性和可调性。,2.酶的分类,按化学组成可将酶分为：单纯蛋白质和缀合蛋白质。,按酶蛋白分子的特点可分为：单体酶、寡聚酶和多酶复合体。,根据酶催化反应的类型可分为：氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类。,3.酶与一般催化剂的共同点,在反应前后没有质和量的变化；,只能催化热力学允许的化学反应；,只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。,一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性,。,*酶的特异性(specificity),酶促反应具有高度的特异性,根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下3种类型：,绝对特异性,(absolute specificity)：,只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物,。,相对特异性,(relative specificity),：,作用于一类化合物或一种化学键。,立体结构特异性,(,stereo specificity),：,作用于立体异构体中的一种。,绝对特异性,脲酶、,L-,精氨酸酶：,L-,精氨酸,L-,鸟氨酸 +尿素,NH,2,C=O +H,2,O,CO,2,+2NH,3,NH,2,NH,2,C=O,NH,CH,3,相对特异性,多数酶可对一类化合物或一种化学键起催化作用，这种对底物分子不太严格的选择性称为,相对特异性（,relative specificity,）。,脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。,胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨酸和赖氨酸）的羧基所形成的肽键。,人体内有多种蛋白激酶，它们均催化底物蛋白质,丝氨酸（或苏氨酸）残基上羟基的磷酸化,蛋白激酶,共有序列,蛋白激酶A,-X-R-(R/K)-X-(S/T)-X-,蛋白激酶C,-X-(R/K,1-3,X,0-2,)-(S/T)-(X,0-2,R/K,1-3,)-X,蛋白激酶G,-X-(R/K),2-3,-X-(S/T)-X-,Ca,2+,/钙调素蛋白激酶H,-X-R-X-X-(S/T)-X-,立体结构特异性,酶对空间构型所具有的特异性要求称为,空间异构特异性,（,stereo specificity,）,延胡索酸酶仅对延胡索酸(反丁烯二酸)起催化作用，将其加水生成苹果酸，对顺丁烯二酸则无作用,HOOCCH,HOOCCH,+H,2,O,HOOCCH,HCCOOH,+H,2,O,CH,2,COOH,CH,COOH,OH,L-Mal,延胡索酸酶,延胡索酸,酶促反应的可调节性,对酶生成与降解量的调节,酶催化效力的调节,通过改变底物浓度对酶进行调节等,酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。,二、酶促反应动力学特征,概念,研究各种因素对,酶促反应速度,的影响，并加以定量的阐述。,影响因素包括有,酶浓度、底物浓度、,pH,、温度、,抑制剂、激活剂等。,研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。,1.底物浓度对反应速度的影响,单底物、单产物反应,酶促反应速度一般在规定的反应条件下，,用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示,反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在,5,以内）时的反应速度,底物浓度远远大于酶浓度,研究前提,在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈,矩形双曲线关系,。,当底物浓度较低时,反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。,S,V,Vmax,随着底物浓度的增高,反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。,S,V,Vmax,当底物浓度高达一定程度,反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应,S,V,Vmax,（1）米曼氏方程式,中间产物,酶促反应模式中间产物学说,E+S,k,1,k,2,k,3,ES,E+P,1913,年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelis equation)。,S：,底物浓度,V：,不同S时的反应速度,V,max,：,最大反应速度,(maximum velocity),m,：,米氏常数,(Michaelis constant),V,max,S,K,m,+S,米曼氏方程式推导基于两个假设：,E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即,Vk,3,ES,。,(1),S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即,SS,t,。,推导过程,稳态：,是指ES的生成速度与分解速度相等，即 ES恒定。,K,1,(E,t,ES)SK,2,ES+K,3,ES,K,2,+K,3,K,m,（米氏常数）,K,1,令：,则(2)变为:,(E,t,ES)S K,m,ES,(2),(E,t,ES)S,K,2,+K,3,ES,K,1,整理得：,当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即,E,t,ES，,反应达最大速度,V,max,K,3,ESK,3,E,t,(5),ES,E,t,S,K,m,+S,(3),整理得:,将(5)代入(4)得米氏方程式：,V,max,S,K,m,+S,V,将(3)代入(1)得,K,3,E,t,S,K,m,+S,(4),V,当反应速度为最大反应速度一半时,K,m,值的推导,K,m,S,K,m,值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。,2,K,m,+S,V,max,V,max,S,V,max,V,S,K,m,V,max,/2,（2）K,m,与V,max,的意义,K,m,值,K,m,等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。,意义：,a),K,m,是酶的特征性常数之一；,b),K,m,可近似表示酶对底物的亲和力；,c),同一酶对于不同底物有不同的Km值。,V,max,定义：,V,m,是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。,意义：,V,max,=K,3,E,如果酶的总浓度已知，可从V,max,计算,酶的转换数,(turnover number),，即动力学常数K,3,。,定义,当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。,意义,可用来比较每单位酶的催化能力。,酶的转换数,（3）,m,值与,max,值的测定,a.双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法,V,max,S,K,m,+S,V=,（林贝氏方程）,+,1/V=,K,m,V,max,1/V,max,1/S,两边同取倒数,b.Hanes作图法,S,S/V,-K,m,K,m,/V,m,在林贝氏方程基础上，两边同乘S,S/V=K,m,/V,max,+S/V,max,2.多底物的酶促反应动力学,领先底物,释放,释放,A和Q竞争地与自由酶结合,（1）序列反应或单置换反应,有序反应（,ordered reactions,）,随机反应（,random reactions,）,如肌酸激酶使肌酸磷酸化的反应,序列机制的底物动力学方程及动力学图,在B的浓度达到饱和时A的米氏常数,在A的浓度达到饱和时B的米氏常数,底物A与酶结合的解离常数,底物A、B都达到饱和时最大反应速率,A AE PE P,E E,Q EQ EB B,A和Q竞争自由酶E形式,B和P竞争修饰酶形式E,A和Q不同E结合,B和P也不与E结合。,(2)乒乓反应或双置换反应,乒乓机制的底物动力学方程及动力学图,在B的浓度达到饱和时A的米氏常数,在A的浓度达到饱和时B的米氏常数,底物A、B都达到饱和时最大反应速率,3.酶浓度对反应速度的影响,当,S,E,，,酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。,关系式为：,V=K3 E,0,V,E,当S,E,时，V,max,=k,3,E,酶浓度对反应速度的影响,双重影响,温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。,4.温度对反应速度的影响,最适温度,(optimum temperature),：,酶促反应速度最快时的环境温度。,*低温的应用,酶,活,性,0.5,1.0,2.0,1.5,0 10 20 30 40 50 60,温度,C,温度对淀粉酶活性的影响,5.pH对反应速度的影响,最适,pH (optimum pH),：,酶催化活性最大时的环境,pH,。,0,酶,活,性,pH,pH对某些酶活性的影响,胃蛋白酶,淀粉酶,胆碱酯酶,2,4,6,8,10,6.激活剂对酶反应速度的影响,能使酶活性提高的物质，都称为激活剂(activator)，其中大部分是离子或简单的有机化合物。如Mg,+,是多种激酶和合成酶的激活剂，动物唾液中的-淀粉酶则受Cl,-,的激活。,特点：,1、酶对激活剂有一定的选择性，一 种酶的激活剂对另一种酶来说可能是抑制剂,2、有一定的浓度要求，当激活剂的浓度超过一定的范围时，它就成为抑制剂。,三、酶的激活与抑制,酶的激活作用大体可以分为酶原的激活、酶的变构激活（变构调节）以及酶的共价修饰等三种方式。,1.酶的激活,酶原与酶原的激活,酶原,(,zymogen,),有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。,酶原的激活,在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,酶原激活的机理,酶 原,分子构象发生改变,形成或暴露出酶的活性中心,一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽,在特定条件下,赖,缬,天,天,天,天,甘,异,赖,缬,天,天,天,天,缬,组,丝,S,S,S,S,46,183,甘,异,缬,组,丝,S,S,S,S,肠激酶,胰蛋白酶,活性中心,胰蛋白酶原的激活过程,酶原激活的生理意义,避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。,有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。,酶的变构激活,变构效应剂,(,allosteric,effector,),变构激活剂,变构抑制剂,变构效应,变构酶,(,allosteric,enzyme),变构部位,(,allosteric,site),一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，称为,变构效应,。,变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应,变构激活,变构抑制,变构酶的形曲线,S,V,无变构效应剂,酶的共价修饰激活,共价修饰,(covalent modification),在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为,共价修饰,。,常见类型,磷酸化与脱磷酸化,（最常见）,乙酰化和脱乙酰化,甲基化和脱甲基化,腺苷化和脱腺苷化,SH,与,S,S,互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,-,OH,Thr,Ser,Tyr,酶蛋白,H,2,O,Pi,磷蛋白磷酸酶,ATP,ADP,蛋白激酶,Thr,Ser,Tyr,-,O-PO,3,2-,酶蛋白,2.酶的抑制作用,酶的抑制剂,(inhibitor),凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白 变性的物质称为酶的抑制剂。,区别于酶的变性,抑制剂对酶有一定选择性,引起变性的因素对酶没有选择性,抑制作用的类型,不可逆性抑制,(irreversible inhibition),可逆性抑制,(reversible inhibition)：,竞争性抑制,(competitive inhibition),非竞争性抑制,(non-competitive inhibition),反竞争性抑制,(uncompetitive inhibition),(一),不可逆性抑制作用,*概念,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。,*举例,有机磷化合物,羟基酶,解毒-解磷定,(PAM),重金属离子及砷化合物,巯基酶,解毒-二巯基丙醇,(BAL),有机磷化合物,路易士气,失活的酶,羟基酶,失活的酶,酸,巯基酶,失活的酶,酸,BAL,巯基酶,BAL与砷剂结合物,（二）可逆性抑制作用,*,概念,抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。,从动力学角度可以把酶抑制剂分为,快速可逆,、,缓慢结合,、,紧密结合,以及,缓慢-紧密结合,等四种不同的类型。,快速可逆抑制剂通过非共价键与靶酶的活性位点进行快速可逆的结合，结构式活性位点被抑制剂占据，阻断底物与酶的结合。,竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,*类型,*快速可逆抑制剂,.竞争性抑制作用,+,I,E,I,E+S,E+P,ES,反应模式,定义,抑制剂与底物的,结构相似,，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。,这种抑制作用称为竞争性抑制作用。,+,+,+,E,E,S,I,ES,EI,E P,*特点,抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度；,I,与,S,结构类似，竞争酶的活性中心；,动力学特点：,V,max,不变，表观,K,m,增大。,抑制剂,无抑制剂,1/V,1/S,*举例,丙二酸,与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,琥珀酸,琥珀酸脱氢酶,FAD,FADH,2,延胡索酸,磺胺类药物的抑菌机制,与,对氨基苯甲酸,竞争,二氢叶酸合成酶,二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸 谷氨酸,二氢叶酸,合成酶,二氢叶酸,2.非竞争性抑制,*反应模式,E+S,ES,E+P,+,S,S,+,S,S,+,ESI,EI,E,ES,E,P,+,I,E,I,+S,E,I,S,+,I,*特点,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；,抑制程度取决于抑制剂的浓度；,动力学特点：,V,max,降低，表观,K,m,不变。,抑制剂,1/V,1/S,无抑制剂,.反竞争性抑制,*反应模式,E+S,E+P,ES,+,I,ES,I,+,+,E,S,ES,ESI,E,P,*特点：,抑制剂只与酶底物复合物结合；,抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；,动力学特点：,V,max,降低，表观,K,m,降低。,抑制剂,1/V,1/S,无抑制剂,各种可逆性抑制作用的比较,缓慢结合抑制剂是指酶-抑制剂复合物解离速度缓慢，酶、抑制剂、酶-抑制剂复合物三者之间达到平衡时一个缓慢的过程。,米氏方程不能很好地解释这三种抑制剂的动力学性质。,*,快速可逆、缓慢结合、紧密结合以及缓慢-,紧密结合,第二节 酶抑制剂,以酶作为药物的靶标历史最悠久，现今仍是重要的研究对象。临床应用的许多药物是通过特异性地抑制酶的活性起作用的。这些靶酶包括人体内固有的酶和侵入到人体的病原体的酶系。,第二节 酶抑制剂,一、酶抑制剂的发展与分类,二、酶抑制剂的设计原理,一、酶抑制剂的发展与分类,1.控制感染性疾病的酶抑制剂类药物,酶抑制剂在控制感染性疾病方面起着重要的作用，抑制一种宿主细胞中不存在的病原体的必须酶，这样的酶抑制剂选择性高、毒性低。,例如-内酰胺酶抑制剂克拉维酸。,2.抗肿瘤的酶抑制剂类药物,大多数酶抑制剂都是抗增殖药，利用肿瘤细胞生长和分裂比正常细胞更快的事实，选择性地抑制肿瘤细胞的复制。,然而，这些抑制剂对增殖较快的正常组织如骨髓、消化道粘膜等也呈现一定的毒性。,3.调节代谢类疾病的酶抑制剂类药物,很多疾病与酶功能的异常或代谢失衡有关，酶抑制剂通过阻断代谢途径或调解体内代谢物浓度来治疗各种疾病。,氨乙烯酸,二、酶抑制剂的设计原理,合理酶抑制剂设计是将有关靶酶催化机理和结构的相关知识用于指导药物的设计和发现。,基于机理和结构的药物设计与计算机对接技术、组合化学、快速筛选相结合，加快了新颖酶抑制剂产生的速度。,酶抑制剂的特征：,对靶酶的抑制活性强度；,对靶酶的特异性；,对拟干扰或阻断代谢途径的选择性；,良好的药物代谢与动力学性质。,传统的酶抑制剂在结构上与底物或反应中间体甚至产物相似。组合化学和快速筛选技术发现的大量酶抑制剂与底物或产物结构差异很大，但与靶酶选择性结合。,根据酶抑制剂与靶酶活性位点的作用力，可将酶抑制剂分为非共价结合的酶抑制剂和共价结合的酶抑制剂。,1.基,于非共价键结合的酶抑制剂的合理设计,非共价键结合的酶抑制剂对其活性位点的亲和力和特异性取决于静电力、色散力、疏水作用以及氢键的相互作用。,所有酶催化的反应都经历从基态经过过渡态最后形成产物的过程，在此过程中，常常伴随高能量的中间体的形成。,非共价键结合的酶抑制剂根据其作用机制，可分为基态类似物抑制剂、多底物类似物抑制剂和过渡态类似物抑制剂三类。,（,1）基,态类似物抑制剂,酶催化反应的基态由底物和产物组成。基态类似物模拟底物或产物的化和结构，包括底物类似物和产物类似物。,如,-内酰胺抗生素和作用于HMG-CoA还原酶的降血脂药物。另外如肾上腺素和S-腺苷-L-高半胱氨酸都是PNMT的抑制剂。,（,2）多,底物类似物抑制剂,许多酶催化反应往往在活性位点同时结合两个或多个底物，这些底物需要有特殊的空间取向并且彼此紧密接近。多底物类似物模拟同时结合在酶的活性位点的两个或多个底物的结构，通过共价键把两个或多个底物或底物类似物结合在一起。,设计与选择一个合适的连接基团是多底物类似物设计的难点。,双,底物类似物抑制剂,-硫,代甘氨酰胺核苷酸双脱氮,叶酸(a)通过稳定的硫醚键将两部分连接在一起，为GAR TFase的缓慢-紧密结合抑制剂，K,i,=250pM，另一多底物类似物抑制剂BW1476U89(b)，K,i,=100pM。,a,b,3.过渡态类似物抑制剂,酶与过渡态之间的亲和力高于酶同底物或产物的亲和力，酶可以降低这种能量壁垒，使反应速率可提高10,10,10,15,倍。过渡态类似物抑制剂是一类特异的竞争性抑制剂，其结构类似于反应中不稳定过渡态的底物部分。,腺,苷脱氨基酶可以使腺苷脱氨基生成肌苷的反应速度提高10,12,倍。,助间型霉素(a)和喷司他丁(b)都是ADA抑制剂，具有免疫抑制和抗肿瘤活性。这两个抑制剂与靶酶的亲和力比底物腺苷强10,6,倍以上。,a,b,2.基于共价结合的酶抑制剂的合理设计,共价结合酶的抑制剂通常也是底物或产物的结构类似物。首先快速可逆地与酶活性位点非共价结合；一旦形成酶-抑制剂复合物，就通过各种机制与活性位点的化学活性基团发生反应，在酶与抑制剂之间形成共价键。,共价结合酶的抑制剂可以分为三类：基于机理抑制剂、亲和标记抑制剂和伪不可逆抑制剂。,（1）基于机理抑制剂,基于机理的抑制剂与靶酶的结合过程如图所示，在形成可逆的酶-抑制剂复合物（EI）的基础上，酶启动正常的催化循环，形成高活性复合物（EI），此步决定反应速率。高活性复合物（EI）或者与酶活性位点的氨基酸残基反应形成共价键结合的酶-抑制剂（EI），或者形成产物，活性酶游离。,基于机理的抑制剂具有以下特点：,同正常底物的化学结构相似，这种相似包括电性和,立体两个因素；,在通常状态下，具有低反应性能的潜在基团或结构片段；在酶的催化阶段，经靶酶诱导激活，转化为反应性能强的活性基团或中间体；,与酶的活性中心共价结合，是酶不可逆失活。高度特异性，毒性较低。,GABA氨基转移酶是一种依赖磷酸吡哆醛的酶，参与GABA脱氨基生成丁醛酸的过程，同时丙酮酸盐接受氨基生成L-丙氨酸。氨己烯酸就是基于机理的GABA转氨酶抑制剂，通过提高大脑中GABA的水平，发挥抗癫痫作用。,（2）亲和标记抑制剂,亲和标记抑制剂像快速可逆抑制剂一样，以非共价的形式结合到酶的活性位点，一旦酶-抑制剂复合物形成，就通过S,N,2烷基化、形成希夫氏碱、酰化反应等机制，活性基团同酶活性位点的一个或多个氨基酸残基反应，在酶和抑制剂之间形成一个共价键。,亲和标记抑制剂通常也是底物或产物类似物，具有两个结构特征：,分子中与酶可逆结合的部分，即识别基团；,在识别集团上连接或修饰有反应活性的化学集团或原子，或称活性基团。,设计一个有效的亲和标记抑制剂，首先要了解抑制剂与活性位点非共价结合的基本要求，即对识别集团的要求；然后确定引入活性基团的空间区域；如果附近没有亲和性氨基酸残基，可设计空间臂，在空间臂末端置入活性基团。,（3）伪不可逆抑制剂,伪不可逆抑制剂是介于可逆性抑制剂和不可逆抑制剂之间的一类抑制剂，它与靶酶作用虽以共价结合的方式形成复合物，似不可逆抑制剂，但是共价复合物有一定的半衰期，半衰期从数小时至数天不等，经水解或共价键逆转重新产生游离酶。,2，4-二硝基苯基-2-脱氧-氟-D-葡萄糖吡喃糖苷(a)通过Glu258与-葡萄糖苷酶活性位点结合，发挥抑制-葡萄糖苷酶活性的作用。,a,第三节 几种酶抑制剂的设计与应用,第三节 几种酶抑制剂的设计与应用,一、血管紧张素转化酶抑制剂,二、前列腺素环氧化酶抑制剂,三、HIV逆转录抑制剂,四、HMG-CoA还原酶抑制剂,五、神经氨酸酶抑制剂,一、血管紧张素转化酶抑制剂,肾素-血管紧张素系统是机体重要的体液调节系统。作用于RAS的血管紧张素转化酶抑制剂和血管紧张素-1型受体拮抗剂，是治疗多种心血管疾病的重要药物。,1.ACE抑制剂概述,ACE抑制剂广泛用于治疗高血压、心力衰竭、心肌梗塞和糖尿病引起的肾病等疾病。ACE是一种膜固定的金属蛋白酶，由于它是一个脂蛋白酶，因而它的结构和氨基酸组成难以测定。临床应用的ACE抑制剂是假定ACE类似于羧肽酶A的机制，以羧肽酶A为靶酶设计的。,2.ACE的三维结构与活性位点,人体中有躯体ACE和睾丸ACE两种亚型，躯体ACE存在于人体大多数细胞，睾丸ACE只有躯体ACE的一半大小，只存在于睾丸中。,两种亚型具有相同的催化Ang生成Ang、减少缓激肽降解的作用，刺激血管收缩、血压升高。,ACE含有1306个氨基酸，ACE的羧基端贯穿双磷脂层而被束缚，它有两个不同功能的活性区域，分别被称为C区和N区，现有药物同时抑制这两个活性区域。,2000年科学家发现了血管紧张素转化酶2，又称ACEH，人ACE2是一种金属蛋白酶，全长805个氨基酸，包括17个氨基酸组成的N端信号肽序列和一个C端膜锚定区。,2004年英国科学家发表了人类睾丸ACE与赖诺普利的复合物的X-射线晶体衍射结构,3.ACE抑制剂的特点和构效关系,（1）ACE抑制剂的特点,适用于各型高血压，在降压的同时，不伴 有反射性心率加快；,长期使用不易引起电解质紊乱和脂质代谢紊乱；,可防止和逆转血管壁增厚和心肌细胞增生性肥大，具有心脏保护作用。,ACE 抑制剂的不足表现为：,ACE抑制剂对RAS的抑制剂作用不完全。,ACE抑制剂引起的缓激肽增多，既有益，也有弊。,（2）ACE抑制剂的构效关系,ACE抑制剂的化学结构由母核和侧链两部分组成，L-脯氨酸或含N杂环为母核，侧链为拟肽类结构。基于侧链的化学结构又将ACE抑制剂分成三类：含巯基的ACE抑制剂，含二羧基的ACE抑制剂和含磷酰基的ACE抑制剂。,总结ACE抑制剂结构与药效之间的关系：,L-脯氨酸或含N杂环上必须含有与ACE底物C-端立体结构相似的羧基；,含N杂环上连有较大疏水基团，有利于提高药效和改变药代动力学参数；,侧链上的巯基、羧基和磷酰基必须与ACE的辅助因子锌离子结合；,巯基有利于与锌离子结合，但可致皮疹和味觉障碍，且由于形成二硫化物缩短作用时间；,模仿肽水解过渡状态的羧基或磷酰基可与锌离子结合；,将侧链上的羧基或磷酰基酯化得到可口服的前体药物；,X通常为与丙氨酸相似的甲基；为正丁胺基，为非前体药物型口服ACE抑制剂；,当ACE抑制剂的立体化学与L-氨基酸的立体化学一致时，可产生光学异构体。,二、前列腺素环氧化酶,前列腺素是一类在细胞内含量很低，但具有很强的生理活性的多不饱和脂肪酸的衍生物。它具有导致人体发热、致痛、致炎、扩张血管、增加白细胞趋化性和组织损伤作用。其生物合成受前列腺素环氧化酶的限制。,1.COX抑制剂概述,非甾体抗炎药通过抑制COX的作用而抑制前列腺素在下丘脑的生物合成，阻止细胞受外源性致热原刺激的激活，或抑制其在外源性致热原刺激下释放内源性白细胞致热原，作用部位主要在外周。,阿司匹林问世以来，人们一直试图解决其毒副作用，直到发现其靶点COX存在两种同工酶，基础性COX-1和诱导性COX-2。,1991年COX-2的发现以及选择性COX-2抑制剂的开发，极大地促进了NSAIDs的研究和发展。,2004年畅销品种罗非昔布由于心血管方面的不良反应撤出市场，揭开了对COX-2的众多疑问，例如已有研究证明COX-2对人体的正常生理机能同样发挥着作用，而不是以前所认为的只有在炎症、败血症及细胞损伤等病理情况下才表达。,2.COX同工酶的结构,前列腺素环氧化酶又称前列腺素内过氧化物和酶或前列腺素G/H合成酶，是前列腺素合成初始步骤中的关键限速酶，可将花生四烯酸转化为前列腺素G2，而PGG2又可还原成前列腺素H2，最终形成一系列前列腺素，从而维持机体各种病理生理过程。,COX-1和COX-2是膜整合蛋白，分别还含有599和604个氨基酸的多肽。X射线晶体衍射学研究发现COX基本三维结构是二聚体，由3个彼此独立的折叠单元构成，包括N端的表皮生长因子类似区，膜结合区和C端的酶活性区。,3.COX-2选择性抑制剂的设计,（1）COX-1和COX-2三维结构的差异,COX-1和COX-2在通道一侧的120位都有一个极性较大、可与药物分子建立氢键结合的精氨酸残基。在通道另一侧的523位，COX-1有一个异亮氨酸残基，而COX-2则为缬氨酸残基。,COX-2的通道开口要比COX-1大17%左右，COX-2通道的末端比COX-1更具有柔性，因此更适于空间结构较大的选择性COX-2抑制剂药物分子的进入。,2.COX-2抑制剂分子结构特点,非特异性COX抑制剂大多分子较小，易通过COX-1或COX-2的开口进入通道。,选择性COX-2抑制剂大多带一个含有以磺酰基或磺酰胺基为侧链的苯环刚性结构，由于分子较大，难以进入开口较小的COX-1通道，所以不能对其产生抑制作用。但这些药物能进入口径稍大、末端略有柔性的COX-2通道。,三、,HIV,逆转录酶抑制剂,自1981年首例艾滋病即获得性免疫缺陷综合症确认以来，艾滋病横行肆虐全球，严重威胁着人类的健康和生存。人免疫缺陷病毒分为HIV-1和HIV-2两种亚型，HIV-1是引起全球艾滋病蔓延的主要病原体。,1.HIV治疗药物概述,整合酶、逆转录酶和蛋白酶是病毒复制过程中的关键的三个酶，任何一个酶的失活都将阻碍病毒的复制。,临床上现有17中治疗HIV感染药物，以逆转录酶为靶点的就有10种；另外6种蛋白酶抑制剂，1种融合酶抑制剂。,2.HIV逆转录酶结构特征,HIV-1RT是一个异二聚体，由p66和p51两个亚单位组成。p51的多肽序列与p66的前440个氨基酸序列相同，它们分别构成了两个亚单位的聚合酶结构域。,3.HIV逆转录酶抑制剂及其作用机理,（1）核苷类逆转录酶抑制剂,临床应用的7种NRTIs是齐多夫定、地丹诺辛、扎西他滨、司他夫定、拉米夫定、阿巴卡韦和替诺福韦。,NRTIs的结构特点：,分子中含有碱基和类似五元环糖的结构；,五元糖环没有3位羟基；,在糖环单元有不同的杂原子被引入；,也有开环的糖的类似物；,构型与天然核苷相同,在宿主细胞中NRTIs的5-核苷酸被磷酸化，生成2-脱氧核苷-5-三磷酸盐，与三磷酸胸苷竞争RT结合位点，抑制RT的活性，终止DNA双链的合成。NRTIs是第一类用于临床的抗HIV药物，对这类药物耐药的病毒变异很广泛。,（2）非核苷类逆转录酶抑制剂,NNRTIs的特点是：,对酶-底物复合物比对酶有较高的亲和力，是非竞争性抑制剂；,NNRTIs与酶的变构区域作用，不会影响底物结合区域的功能，因此毒性较小；,在极低浓度即能抑制剂HIV-1的复制，且对HIV-1显示较高的特异性。,NNRTIs在结构上各不相同，但它们与HIV-1 RT的作用模式是相同的。NNRTIs与HIV-1 RT上一个非底物结合的变构部位结合，这一结合部位与底物的结合部位在空间上接近，在功能上相关，但有明显的区别。,以奈韦拉平为代表的3种NNRTIs与HIV-1 RT复合物晶体结构显示，NNRTIs主要通过疏水作用与HIV-1 RT紧密结合，这种疏水作用是由酶的构象与化合物的构象发生互补性的重排产生的。,NNRTIs具有半衰期长、吸收好、高效低毒、副作用小等优点，引起人们的极大关注，NNRTIs的发现显著提高了抗HIV感染的临床疗效。但NNRTIs容易使HIV-1 RT突变，产生耐药性，因此寻找新型NNRTIs，改善或克服耐药性成为抗HIV药物研究的重要方向。,四、,HMG-CoA还,原酶抑制剂,胆固醇是构成细胞生物膜的成分，又是体内合成胆酸和类固醇激素的前体，对于维持细胞膜的完整性和体内生命活动具有重要意义。,HMG-CoA还原酶是胆固醇合成的限速酶，位于细胞内质网内，通过调节该酶的活性能够维持体内胆固醇的稳定。,1.HMG-CoA还原酶抑制剂概述,HMG-CoA抑制剂先从霉菌培养液中提取，以后又出现了相应的衍生物及人工合成品等，形成目前最强的降血清胆固醇的他汀类药物，已广泛用于临床。,该类药物通过竞争性抑制HMG-CoA还原酶，阻断HMG-CoA向甲羟戊酸转化，使胆固醇合成明显减少，引起肝脏低密度脂蛋白受体表达增强，从而增加血浆LDL的清除。胆固醇合成减少也可使肝脏合成poB减少，使极低密度脂蛋白减少。而高密度脂蛋白可轻度增加。,临床研究表明，高胆固醇血症病人长期服用他汀类药物，可使致死性及非致死性心肌梗死危险下降35%。新近研究资料表明，他汀类药物不仅明显降低血清总胆固醇，该有改善血管内皮功能，稳定动脉粥样硬化斑块和影响凝血过程，减少突发性血管事件发生的作用。,2.HMG-CoA还原酶的结构,HMG-CoA还原酶是N-甘露糖糖蛋白，由4个相同的亚基组成，每个亚基由888个氨基酸残基组成，磷酸化微点位于第872个氨基酸。,五、神经氨酸酶抑制剂,流感是由流感病毒引起的一种严重危害人类健康的急性病毒性呼吸道传染病，通过空气传播。临床上常用的抗病毒药物金刚烷胺、和金刚乙胺只对A型流感病毒有效，并有较大不良反应，因此开发新的抗流感药物就成为目前研究的热点，流感病毒神经氨酸酶抑制剂就是热点之一。,1.流感病毒神经氨酸酶抑制剂概述,自确定了流感病毒NA的晶体结构及其天然底物唾液酸的共晶结构以来，流感病毒NA抑制剂的研究取得了突破性进展。,目前已有2种流感病毒NA抑制剂上市。,2.神经氨酸酶的结构,神经氨酸酶又称唾液酸酶，是流感病毒表面一种蘑菇云状的薄膜糖蛋白，由4个相同的亚基以二硫键连接形成。每个单体均有6个4股反平行的折叠片状结构。,对于所有A、B型流感病毒，NA的活性位点位于每个亚单位表面的“口袋”中。而催化位点的氨基酸残基均高度保守。,NA可催化、裂解存在于唾液末端、N-乙酰神经氨酸及相邻羰基键的酮苷连接桥，促进病毒在呼吸道的传播；同时NA可通过裂解呼吸道鸟魔中的唾液酸，阻止病毒灭活，促进病毒深入呼吸道上皮细胞。,3.NA抑制剂的设计,此外，比较重要的残基还有Asp151，虽然他不属于任一区域，也不与抑制剂直接作用，但在NA催化裂解糖苷链的过程中具有重要作用。,由此可见，NA抑制剂的二氢吡喃环上C-2位的羧基、C-4位的羟基、C-5位的乙酰胺基和C-6位的亲水性侧链对其与NA的结合非常重要。,目前已有两种治疗效果较好的唾液酸衍生物类药物扎那米韦和奥赛米为已上市。,