1、Medicinal Chemistry&Molecular Design梁建华 博士北京理工大学生命学院第四章先导化合物的发现v先导化合物v先导化合物的自然来源v先导化合物的合成来源v先导化合物的计算辅助设计先导化合物v定义：先导化合物是设计一种新药的开端。它应该具有某些可能与治疗有关的预期活性。v来源：自然或合成的原料，计算机模拟v寻找：需要适当的测试方法：鉴定其生理学或细胞效应，或检测其与大分子靶点的结合。先导化合物的定义阐述v任何一个药物化学项目起步之前，先导化合物都是必须的。v先导化合物应该是具有某种所需的治疗作用。v先导化合物的生物活性水平并非很高，它只是临床药物开发的起点。v先导化
2、合物是否有毒性或不良药理反应也并不重要。寻找先导化合物v举例：化学信使组胺被当作先导化合物来研制抗溃疡药西咪替丁。v组胺是一种激动剂，它能够激活胃细胞壁上的组胺受体来增加胃酸的分泌。西咪替丁作为这些受体的拮抗剂，会减少被分泌的胃酸水平，使人体的溃疡得以治疗。先导化合物的自然来源v植物群：如中草药；v动物群：如毒液和毒素；v微生物：如次级代谢物；v海洋化学：如深海新物种；v人体生物化学：如神经递质，激素和酶等。自然界富含有效先导化合物的最好解释？解释v进化过程的结果导致具有生物活性的天然化合物被挑选出来，而且已经证实它们源于不同的原因，它们对自然宿主是有益的。v如次级代谢物：1)成熟期通过合成生
3、物碱的方式，来清除体内过剩的氮；2)对宿主具有防御或生存的作用。来源植物群v吗啡罂粟v紫杉醇紫杉v奎宁金鸡纳树v青蒿素青蒿vCombretastatin非洲柳树v.v热带雨林，雅鲁藏布江等区域的开发吗啡HOONHHCH3HO紫杉醇CH3CH3OOCH3OOHCH3OOCH3OHOOOHH3CONHOOHO奎宁NH3CONHHOHH青蒿素OOOHCH3HCH3HHH3COOCombretastatinOHOHOCH3OCH3H3COH3CO来源动物群v毒素的致命性？v表明了它们能与体内的受体或酶发生强烈的结合作用。v卡托普利是由在蛇的毒液中发现的替普罗肽演化而得到的抗高血压药物。Glu-Trp-
4、Pro-Arg-Pro-Gln-Ile-Pro-ProNCOOHCOHSCH3来源微生物vAsperlicin曲霉菌抗焦虑vCC1065链霉菌抗肿瘤v红霉素红色链霉菌治疗呼吸道感染v洛发他汀真菌降胆固醇33OOCH3CH3OHCH3OHONCH3CH3CH3OOCH3OHHOCH3OHC2H5OOCH3CH3CH3OCH32469112红霉素OCH3H3COHOHOH3CCH3O洛发他汀来源海洋化学v海洋化学已从包括珊瑚、海绵体、鱼、水母和海洋微生物等得到先导化合物；v但至今尚未研制出可用于临床的药物；v估计只有5被开采，仍有大量多种多样的海洋动物群和植物群尚待研究。vcuracin A 海洋
5、藻青菌 抗肿瘤SNCH3OCH3CH3人体生物化学v在分子水平上了解人体的工作机制能够帮助从自然的生物化学物质中确定先导化合物。潜在先导化合物v神经递质v受体的天然激动剂v酶的天然底物神经递质HOHONHROH肾上腺素 RMe去甲肾上腺素 RH乙酰胆碱HOHONH2NHONH2多巴胺5羟色胺H3CONMe3O+受体的天然激动剂v受体的天然激动剂可以作为合成激动剂的先导化合物，可以要求合成激动剂在受体类型和亚型之间表现出更强的选择性；v自然激动剂也能够作为受体拮抗剂的先导化合物酶的天然底物v酶的天然底物能作为设计竞争性抑制剂的先导化合物;v而具有酶的变构控制作用的天然化合物可作为设计非竞争性抑制
6、剂的先导化合物自然来源的利与弊v利：自然界通过进化选择了具有药理活性的化学物质，因此寻找能够产生先导化合物的自然提取物比寻找随意合成的化合物更具有可能性；自然来源的利与弊v弊：v提取、分离、纯化、鉴定过程很长；v结构复杂很难被合成，必须依靠自然来源供给；v合成很难也意味着开发先导化合物时，人们会局限于制备大量容易合成类似物中。先导化合物的合成来源v合成：合成的化合物可以被证实是有用的先导化合物，无论它们是否以合成药物为目的。v化合物数据库：制药公司历年合成出的新化合物储备起来，可供用于对新靶点测试的先导化合物。v组合合成：组合合成是指用固相合成技术进行化合物的自动和半自动合成。合成v许多结构可
7、能已经在与药物化学无关的研究课题中被合成出来，但它们仍然是潜在的先导化合物。v如：百浪多息(盐酸二氨基偶氮苯)是作为一种偶氮染料被生产的，但它却是开发磺胺类药物的先导化合物(氨基-4-苯基磺胺).化合物数据库v作为绘制人类和其他生物DNA基因组项目的结果，制药公司会不断提出潜在的新靶点。v化合物数据库的好处是：它们是一种能够快速测试新靶点的可利用结构的来源；v化合物数据库的弊端是：制药公司的化合物缺乏结构的多样性，多是一种先导化合物的衍生物。药效团和亚结构研究v制药公司面对两种情况：一是新靶点，二是已经有几种药物的已确定靶点，后者更常见。v如果发现了一种新型的结构，它将会使制药公司避免已存在专
8、利限制。v药效团是指这些基团的三维位置，并能够通过计算机查找数据库内已知化合物看它们是否含有相同的药效团。如果结构不同，且测试有活性，就可能成为新型先导化合物。v必须强调的是：这种搜索方法是否会成功不能保证。可能发现化合物具有恰当的药效基团，但却与靶点结合无力。v原因：分子骨架本身可能抑制了化合物适合靶点的结合位点。构效关系研究v为研究药物构效关系（SAR）和寻找得到活性和低不良反应的化合物，需要制备先导化合物的合成类似物。v其构效关系研究为进一步分子修饰和药物开发奠定基础。组合合成v常规合成方法，化合物是一个一个被合成的，通过合成尽可能多的化合物增加发现先导化合物的概率，工作量非常大；v组合
9、合成由于是以小规模的自动化合成，因此一个化学家在一个月内研究出比一个研究组在一年内更多的化合物。v组合化学组合化学v组合化学1993年首次出现在科学论文中。v组合化学将传统的溶液有机合成、固相有机合成、生物化学、计算机和自动化技术融和在一起，发展成了一种崭新的学科与技术。v该技术可以将难以想像数以百万计的数目的化合物用样品库的形式合成出来并加以筛选，在短时间里检测出具有高活性的化合物。组合化学出现的背景v新药的研发v多样性样品库v高特异高灵敏筛选方法新药的研发v传统的新药开发需要大量化合物，从中筛选出具有某种活性的先导化合物。v先导化合物的来源（天然和合成）v一般，在把一种新药推向市场之前，需
10、要实验25000种化合物。v一个优选的化学家一年能合成50100个新化合物，每个化合物需耗资1000美元。v新药的开发成本动辄10亿美元。v尽管许多制药公司和知名的有机化学实验室保存大量有机化合物，新的化合物也不断出现，但可供筛选的化合物数目仍是有限的。v因此，迫切需要一种方法能快速“繁殖”化合物，而不是逐个的去合成和分析它们；此外，还需要提高筛选效率和成功率。多样性样品库v在高分子树脂微球上进行的固相合成法为组合化学打下了基础。高特异高灵敏筛选方法v现代生物技术的进步使得被测物需要的量大大减少；v抗体的特异性也大大降低对化合物纯度的要求。v化学家的兴趣普遍在于将结构复杂的化合物合成出来，精力
11、集中在严格控制在反应路线、立体化学和区域选择性上；v组合化学的哲学是：与其花费人力物力去制备不具活性的高纯度化合物，还不如去获得候选结构上的多样性。组合化学研发新药v在组合化学中，化学家采用精心选择或设计的结构单元，制备大量的相关化合物；v用高灵敏度的生化方法进行评价和筛选，选出活性最高的化合物；v然后再合成一定量的这个化合物，进行结构鉴定和常规药理实验；v因此不必逐个地合成和鉴定化合物，达到高效率的目标。研究阶段v一、分子多样性样品库的合成v二、群集筛选v三、样品库解码一、分子多样性样品库的合成v包括设计模板分子、优化合成方法和条件选定结构单元、确定样品库的容量、化合物的切落和再生、质量监控
12、过程自动化等；二、群集筛选v确定固相或液相筛选方法，即合成产物是挂在树脂上还是切落于溶液中进行筛选，选择筛选模型，例如细胞功能性筛选，受体、抗体基因表达蛋白筛选；采用的指示方法，如染料染色、荧光标记、同位素标记以及自动化筛选等；三、样品库解码v具体化合物的定位技术，即将具有活性的化合物确定出来。组合化学的操作方法v平行合成方法parallel synthesis v分开混和方法spilt-mix synthesisv生物合成方法平行合成方法.123121238.123121238A1A2A3A1A1A1A2A2A3A3A8.123121238A1A2A3A1A1A1A2A2A3A3A8B1B1
13、B1B1B2B2B2B3B3B3B12A8B12.123121238A1A2A3A1A1A1A2A2A3A3A8B1B1B1B1B2B2B2B3B3B3B12A8B12分开混和法ABBA ACCABBA ACCBA ACBA ACBA ACBAAABCACBBABCBCACCBAAABCACBBABCBCACCBAAABCACBBABCBCACCBAAABCACBBABCBCACCBAAABCACBBABCBCACCBABAABBCBACBBBBABBCBBCABCCBBACAACBCCACCBBCABCCBCCACCCCBAAAAABCAACABBAABACBACAACCABABAABBCB
14、ACBBBBABBCBBCABCCBBACAACBCCACCBBCABCCBCCACCCCBAAAAABCAACABBAABACBACAACCA计算机辅助药物设计v计算机在药物设计过程中的重要作用：v结构分析、结构比较、先导化合物设计、确定化合物的活性构象和药效团、组合化学库的设计、确定蛋白质及其键合部位的结构、研究契合物的键合情况、进行定量构效关系研究和三维定量构效关系研究等。蛋白质的结构v蛋白质的分离纯化：通常蛋白质的浓度是很低的，基因工程使得细胞产生大量的蛋白质，后续提纯变得比过去十分容易。v蛋白质的结构鉴定：蛋白质测序仪测一级结构，X-射线结晶法测二级和三级结构。并不是所有的蛋白质都能
15、结晶，这时采用其同源蛋白的结构进行分子模建。如人类的G-蛋白偶联受体是由细菌的G-蛋白偶联受体结构为模板建立的。键合部位的研究v通常情况下，通过X-晶体衍射测得酶和受体的结构并不能给出它们与药物的键合部位信息；v通常采取的措施是选择一个合适契合物与蛋白键合（通常选择拮抗剂和抑制剂，因为键合力较强），然后将复合物结晶出来，X-晶体衍射测试复合物的结构及其键合部位。v接下来输入计算机复合物的结构信息，用分子模拟软件研究契合物与蛋白质的键合方式（药效团研究）：只显示蛋白质的键合部位和契合物分子结构，测定契合物原子同与之最近的键合部位的原子距离和化学知识来判断有无键合反应；进一步研究有无未被契合的空穴
16、存在，若有则通过研究其残基和肽键结构来决定如何反过来指导修饰契合物的结构（如有疏水腔则通过增加契合物的烷基取代基来增加新的契合）。v再下面，移开契合物，将可能的药物分子与蛋白质的契合部位进行“对接”，观察是否有有效的键合反应发生；由于许多重要原子的相对位置的确定不是一件容易的事情（如契合部位形状的改变，单键的旋转），对接过程十分复杂。de novo 药物设计vde novo 药物设计：完全依靠契合物和靶分子之间键合部位的结构进行的新药设计。契合较好但无活性的失败原因：1晶体学误差；2分子的柔性设计实例v抗流感病毒药物的设计基于唾液酸酶晶体结构的直接药物设计用氨基或胍基修饰契合物，与酶的羧基产生盐桥：扎那米韦（Glaxo-Smithkline);奥塞米韦（Roche)vHIV蛋白酶抑制剂的设计基于靶点结构的三维结构搜寻法直接药物设计沙喹那韦v抗血吸虫药物设计经同源蛋白模建和三维结构搜寻直接药物设计：牛胰凝乳蛋白酶模建囊尾幼虫弹性酶
