药物设计学：酶抑制剂和肽拟似物

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-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或

2、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 + PEII KiS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反应模式 E+ S ES E + PEI + S+ I酶-抑制剂-底物复合物抑制

3、剂+ IEIS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+ IESI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

4、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：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

5、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AngiotensinogenAsp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-LeuAngiotensin IAngi

6、otensin-converting enzyme Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-PheAngiotensin IIArg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-ArgBradykininArg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro失活ACE（血管紧张素转化酶、缓激肽酶）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

7、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 Inhibitors血管紧张素II受体Ang拮抗剂氯沙坦Antiotensin II Receptor AntagonistsACE 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

8、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拮抗剂氯沙坦Antiotensin II Receptor AntagonistsACE 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

9、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

10、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）ARNADPH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。V1V2索比尼尔

11、（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IC50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

12、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(eparestat)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SG210SG210 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

13、 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。（）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

14、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

15、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

16、袋疏水结合口袋疏水结合口袋对甲苯磺酰基-L-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-Vigabatrin

17、（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-VigabatrinGABA aminotransferase inhibitor-VigabatrinGABA aminotransferase inhibitor-VigabatrinGABA aminotransferase inhibitor-Viga

18、batrin2、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Replacement of the scissile bond with var

19、ious transition state analogue scaffolds in the design of aspartic protease inhibitors4、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11h2-乙氧基-4H-3,1-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

20、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，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

21、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