1、111第三章 药物结构与生物活性Structure-Activity Relationships of Drugs2 22化工与制药工程系2主要内容v第一节 药物的结构与活性的关系 影响药物到达作用部位的因素 药物-受体的相互作用对药效的影响v第二节 定量构效关系v第三节 计算机辅助药物设计 CADD3 33化工与制药工程系3药物作用的三个重要相药物作用的三个重要相 给药剂量给药剂量剂型崩解药物溶出剂型崩解药物溶出 可被吸收的药物可被吸收的药物药物利用度药物利用度吸收、分布、代谢、排吸收、分布、代谢、排 泄泄可产生作用的药物可产生作用的药物生物利用度生物利用度药物与靶点相互作用药物与靶点相互作
2、用效应效应药剂相药剂相药代动力相药代动力相 药效相药效相 4 44化工与制药工程系4药物分类根据根据分子水平分子水平上的作用方式上的作用方式 v结构非特异性药物:药理作用与化学结构类型的关系较少药理作用与化学结构类型的关系较少 主要受药物的主要受药物的理化性质理化性质的影响的影响 v结构特异性药物:活性与化学结构的关系密切活性与化学结构的关系密切 作用与体内特定的作用与体内特定的受体受体的相互作用有的相互作用有关关 5 55化工与制药工程系5区别的本质5v非结构特异性药物非结构特异性药物 不与受体结合不与受体结合v特异性结构药物特异性结构药物 与受体结合与受体结合6 66化工与制药工程系6第一
3、节 药物的结构与活性的关系 v决定药物发挥药效的因素：药物在作用部位药物在作用部位达到有效浓度达到有效浓度 药物与受体的作药物与受体的作用强度（亲和力）用强度（亲和力）n影响药物到达作用部位的因素n药物-受体间相互作用的影响7 77化工与制药工程系7一、影响药物到达作用部位的因素v药代动力学性质会对药物在受体部位的浓度药代动力学性质会对药物在受体部位的浓度产生直接影响。产生直接影响。v药代动力学性质由药代动力学性质由药物理化性质药物理化性质决定。决定。v对药效影响较大的主要是对药效影响较大的主要是 溶解度溶解度 分配系数分配系数 解离度解离度8 88化工与制药工程系81、药物的分配系数v即药物
4、在生物非水相中物质的量浓度即药物在生物非水相中物质的量浓度C Corgorg与在水相与在水相中物质浓度中物质浓度C Cw w之比。常用其对数之比。常用其对数lgPlgP表示表示v评价药物亲脂性或亲水性大小的标准评价药物亲脂性或亲水性大小的标准v分配系数大分配系数大,药物的脂溶性高药物的脂溶性高,容易进入通过组织容易进入通过组织和器官的膜进入到作用部位和器官的膜进入到作用部位,v分配系数小分配系数小,水溶性高水溶性高,容易被输运容易被输运.药物的分配系药物的分配系数取决于它们的化学结构数取决于它们的化学结构.9 99化工与制药工程系92、药物的解离度v很多药物是弱有机酸和弱有机碱很多药物是弱有机
5、酸和弱有机碱,这些药物这些药物在体液中可部分解离在体液中可部分解离 解离形式存在解离形式存在 水溶性的水溶性的 易于转运易于转运 非解离形式非解离形式 脂溶性的脂溶性的 易于吸收易于吸收v药物发挥作用应有适当的解离度药物发挥作用应有适当的解离度 药物的解离度增加，会使药物的离子浓度上升，药物的解离度增加，会使药物的离子浓度上升，未解离的分子型减少，可减少在亲脂性组织中的未解离的分子型减少，可减少在亲脂性组织中的吸收吸收 离解度过小，离子浓度下降，也不利于药物的转离解度过小，离子浓度下降，也不利于药物的转运运101010化工与制药工程系10 弱酸性药物弱酸性药物在酸性的胃中几乎不解离，呈分在酸性
6、的胃中几乎不解离，呈分子型，易在胃吸收（如巴比妥类和水杨酸子型，易在胃吸收（如巴比妥类和水杨酸类）。类）。弱碱性药物弱碱性药物易在肠道中吸收（如奎宁、氨苯易在肠道中吸收（如奎宁、氨苯砜、地西泮和麻黄碱）砜、地西泮和麻黄碱）碱性极弱的药物碱性极弱的药物（如咖啡因和茶碱）在胃中（如咖啡因和茶碱）在胃中也易吸收。也易吸收。强碱性药物强碱性药物胍乙啶及完全离子化的季铵盐类胍乙啶及完全离子化的季铵盐类和磺酸类药物消化道吸收差。和磺酸类药物消化道吸收差。2、药物的离解度111111化工与制药工程系11二、药物-受体的相互作用对药效的影响药物受体药物受体复合物受体构象改变药理效应p受体：受体：能识别和结合生
7、物活性物质，并产生生物效应能识别和结合生物活性物质，并产生生物效应p内源性活性调节物与受体的相互作用是维持机体机内源性活性调节物与受体的相互作用是维持机体机能的基本生理学机制能的基本生理学机制p外源性药物可以作用在受体而干扰生理生化作用外源性药物可以作用在受体而干扰生理生化作用121212化工与制药工程系12二、药物-受体的相互作用对药效的影响药物受体药物受体复合物受体构象改变药理效应p受体激动剂（受体激动剂（agonistagonist）：）：药物与内源性物质一样，药物与内源性物质一样，产生相似的生物作用产生相似的生物作用p受体拮抗剂（受体拮抗剂（antagonistantagonist）：
8、）：药物与受体结合后阻药物与受体结合后阻碍了内源性物质与受体结合，而导致生物作用的抑制碍了内源性物质与受体结合，而导致生物作用的抑制131313化工与制药工程系13二、药物-受体的相互作用对药效的影响v1 1、药物、药物-受体间相互键合作用受体间相互键合作用v2 2、药物结构中的基团、药物结构中的基团v3 3、药物分子的电荷分布对药效的影响、药物分子的电荷分布对药效的影响v4 4、立体因素对药效的影响、立体因素对药效的影响141414化工与制药工程系141 1、药物和受体之间主要的相互键合作用、药物和受体之间主要的相互键合作用151515化工与制药工程系15范德华力范德华力指一个原子的原子核对
9、另一个原子的外围电子的吸指一个原子的原子核对另一个原子的外围电子的吸引作用引作用(Van der Waals force,VDW)161616化工与制药工程系16疏水键疏水键v指药物和受体的非极性基团相互靠拢指药物和受体的非极性基团相互靠拢,排开各自界排开各自界面上的极性液体面上的极性液体,发生缔合使总界面变小发生缔合使总界面变小,释放能量释放能量,这种作用就是疏水作用这种作用就是疏水作用.(Hydrophobic bond)171717化工与制药工程系17氢键氢键(Hydrogen bond)181818化工与制药工程系18离子键离子键指药物带正电荷的正离子与受体带负电的负离指药物带正电荷的
10、正离子与受体带负电的负离子之间，因静电引力而产生的电性作用子之间，因静电引力而产生的电性作用(ionic bond,ion-ion bond)(electrostatic interaction)191919化工与制药工程系19偶极偶极-偶极作用偶极作用当药物分子中存在电负性的、当药物分子中存在电负性的、O、S等原子时，等原子时，由于这些原子的诱导。是分子中的电荷分布不均由于这些原子的诱导。是分子中的电荷分布不均匀，形成偶极。该偶极和另一个偶极产生相互静匀，形成偶极。该偶极和另一个偶极产生相互静电作用，则称为偶极电作用，则称为偶极-偶极键。偶极键。(dipole-dipole interact
11、ion)(electrostatic interaction)202020化工与制药工程系20药物-受体作用的化学本质v 共价键共价键v 非共价键非共价键离子键离子键范德华力范德华力 疏水键疏水键 氢键氢键静电引力静电引力 COOCH2CH2NC2H5C2H5RVDEVVHE：静电引力：静电引力 D：偶极相互作用：偶极相互作用 V：分子间引力：分子间引力212121化工与制药工程系21药物-受体作用的化学本质HNSNHCH3CH3O-OONH2OO酶共价键离子键偶极偶极键疏水键氢键222222化工与制药工程系222 2、药物结构中的基团、药物结构中的基团v药效基团（药效基团（Pharmacop
12、horePharmacophore）v毒性基团（毒性基团（ToxicophoreToxicophore）v药动基团（药动基团（KinetophoreKinetophore）阿片类止痛药的骨架型药效基团阿片类止痛药的骨架型药效基团232323化工与制药工程系232 2、药物结构中的基团、药物结构中的基团CNFOCOOHC2H5NHN诺氟沙星242424化工与制药工程系243 3、药物分子的电荷分布对药效的影响、药物分子的电荷分布对药效的影响 受体是大分子蛋白结构，其电荷分布不均，受体是大分子蛋白结构，其电荷分布不均，药物分子亦之药物分子亦之 药物的电荷密度分布正好与特定受体相匹药物的电荷密度分布
13、正好与特定受体相匹配，会使药物与受体相互接近，相互作用配，会使药物与受体相互接近，相互作用增加，药物与受体容易形成复合物而增加增加，药物与受体容易形成复合物而增加活性活性252525化工与制药工程系25苯甲酸酯类局部麻醉药与受体相互作用示意图苯甲酸酯类局部麻醉药与受体相互作用示意图C OOCH2CH2NHCH2CH3CH2CH3R范德华力永久偶极-偶极吸引电性吸引范德华力范德华力受体表面ROC OO.给电子取代基使羰基极化加强吸电子取代基使羰基极化减弱O2NC OO262626化工与制药工程系264 4、立体因素对药效的影响、立体因素对药效的影响v药物的立体因素对药效有较大影响药物的立体因素对
14、药效有较大影响,主要包括主要包括:光学异构光学异构 几何异构几何异构 构象异构构象异构272727化工与制药工程系27v具有等同的药理活性和强度具有等同的药理活性和强度（异丙嗪、丙（异丙嗪、丙胺卡因）胺卡因）v具有等同的药理活性但强度不同具有等同的药理活性但强度不同（L-L-抗坏抗坏血栓）血栓）v一个有活性，一个没有活性一个有活性，一个没有活性（L-L-左旋多巴）左旋多巴）v产生相反活性产生相反活性（多巴酚丁胺）（多巴酚丁胺）v产生不同类型的药理活性产生不同类型的药理活性（丙氧芬右旋镇（丙氧芬右旋镇痛、左旋镇咳）痛、左旋镇咳）（1）光学异构对活性的影响（1）光学异构对活性的影响282828化工
15、与制药工程系28（2）几何异构对活性的影响v产生产生 由双键或环等刚性或半刚性系统导致分子内旋由双键或环等刚性或半刚性系统导致分子内旋转受到限制转受到限制 v几何异构体的理化性质和生理活性都有几何异构体的理化性质和生理活性都有较较大的差异大的差异 292929化工与制药工程系29（3）构象异构对活性的影响v药物和受体作用时，受体会发生构象药物和受体作用时，受体会发生构象变化，柔性药物分子也会呈现各种构变化，柔性药物分子也会呈现各种构象，并以某一构象与受体部位结合。象，并以某一构象与受体部位结合。此时的药物构象成为此时的药物构象成为药效构象药效构象构型、构象有何区别？构型、构象有何区别？什么是优
16、势构象？什么是优势构象？优势构象优势构象=药效构象？药效构象？303030化工与制药工程系30v一般的构效关系的研究一般的构效关系的研究 (SAR)(SAR)根据同类药物的结构变化，讨论活性变化的有根据同类药物的结构变化，讨论活性变化的有无或趋势无或趋势v定量构效关系定量构效关系 用用数学函数式数学函数式表示同类药物结构变化后活性的表示同类药物结构变化后活性的变化变化 vQuantitative Structure-Activity Quantitative Structure-Activity Relationships(QSAR)Relationships(QSAR)第二节 定量构效关系
17、313131化工与制药工程系31定量构效关系的建立定量构效关系的建立v在二十世纪六十年代在二十世纪六十年代vHanschHansch和藤田确定了和藤田确定了定量地研究构效关系定量地研究构效关系的科学构思和方法的科学构思和方法 v“沙星沙星”类药物的设类药物的设计研发计研发323232化工与制药工程系32定量构效关系使用的参数定量构效关系使用的参数v试图在化合物的化学结构和生物活性之间，试图在化合物的化学结构和生物活性之间，用统计数学的方法建立定量的函数关系用统计数学的方法建立定量的函数关系 )(xfy 生物效应生物效应 =f f（结构性质）（结构性质）333333化工与制药工程系33简介简介v
18、近几十年来，发表的定量关系式已逾千个近几十年来，发表的定量关系式已逾千个 v在预测等方面均取得了一定的成绩在预测等方面均取得了一定的成绩 同源物的生物活性同源物的生物活性 药物选择性药物选择性 药物代谢动力学的研究药物代谢动力学的研究 及了解药物作用机制及了解药物作用机制)(xfy二维定量构效关系二维定量构效关系 (2D QSAR)(2D QSAR)三维定量构效关系三维定量构效关系 (3D QSAR)(3D QSAR)343434化工与制药工程系34 由经典的定量构效关系发展为三维定量构效关系由经典的定量构效关系发展为三维定量构效关系 设计中浩繁的计算、数据的存储和处理显示、预设计中浩繁的计算
19、、数据的存储和处理显示、预测等，均由计算机来完成测等，均由计算机来完成 将药物将药物-受体作用可视化受体作用可视化三、计算机辅助药物设计三、计算机辅助药物设计 CADDCADD353535化工与制药工程系35三、计算机辅助药物设计三、计算机辅助药物设计 CADDCADD363636化工与制药工程系36主要方法 v1 1、基于靶点结构的药物设计、基于靶点结构的药物设计直接法直接法v、基于配体结构的药物设计基于配体结构的药物设计间接法间接法 373737化工与制药工程系371、基于靶点结构的药物设计、基于靶点结构的药物设计直接法直接法v分子对接（Docking)v全新药物设计（de novo Dr
20、ug Design）直接药物设计直接药物设计全新药物设计全新药物设计模板定位法模板定位法原子生长法原子生长法分子碎片法分子碎片法动力学算法动力学算法基于靶点结构的基于靶点结构的三维结构搜寻三维结构搜寻对接对接383838化工与制药工程系38v 例：沙奎那韦（例：沙奎那韦（HIV-PR抑制剂）抑制剂）分子对接分子对接38393939化工与制药工程系39v 基本流程基本流程v 基本方法基本方法全新药物设计（全新药物设计（de novo Drug Design）定义活性定义活性位点位点产生配体产生配体分子分子配体分子配体分子打分打分合成，活合成，活性测定性测定先导化先导化合物合物 自动模板定位法自动
21、模板定位法(molecular template-directed)p生长法生长法 原子生长法原子生长法(atom build)碎片生长法碎片生长法(fragment build)碎片连接法碎片连接法(linked-fragment approach)位点连接法位点连接法(site point connection)p连接法连接法 404040化工与制药工程系40、基于配体结构的药物设计基于配体结构的药物设计间接法间接法间接药物设计间接药物设计3D-QSAR3D-QSAR假想受假想受点点阵点点阵HASLHASL分子形状分子形状分析分析MSAMSA比较分子比较分子场分析场分析CoMFACoMFA
22、药效基团模药效基团模型的建立型的建立活性类活性类似物法似物法药效基团药效基团模型法模型法 基于药效基基于药效基团模拟的三团模拟的三维结构搜寻维结构搜寻距离几距离几何法何法DGDG414141化工与制药工程系41、基于配体结构的药物设计、基于配体结构的药物设计间接法间接法药效团模型法（药效团模型法（Pharmacophore modeling）v是目前间接药物设计最常用的传统方法，是目前间接药物设计最常用的传统方法，研究思路是通过研究已有分子的三维结构研究思路是通过研究已有分子的三维结构信息，找出与活性有关的三维结构图形，信息，找出与活性有关的三维结构图形，称为药效团（称为药效团（Pharmac
23、ophorePharmacophore），以药效团），以药效团为基础设计新的化合物。为基础设计新的化合物。软件软件DISCOCATALYST 424242化工与制药工程系42、基于配体结构的药物设计、基于配体结构的药物设计间接法间接法基本步骤基本步骤v 选择一组活性化合物，作为训练集。选择一组活性化合物，作为训练集。v 构象分析。构象分析。分析训练集分子多种合理的构象，搜索最低分析训练集分子多种合理的构象，搜索最低能量构象及合理的其他构象。能量构象及合理的其他构象。v 将训练集分子的构象按一定规则叠合，识别出属于同一活将训练集分子的构象按一定规则叠合，识别出属于同一活性级别的化合物的共同结构模
24、式，建立分子的三维药效团性级别的化合物的共同结构模式，建立分子的三维药效团模型，计算识别药效团的描述符。模型，计算识别药效团的描述符。v 选择一组活性化合物作为测试集，对药效团进行必要的和选择一组活性化合物作为测试集，对药效团进行必要的和合理的修正。合理的修正。v 用所得的药效团模型搜索数据库，得到待选化合物，并预用所得的药效团模型搜索数据库，得到待选化合物，并预测新化合物的活性。测新化合物的活性。434343化工与制药工程系43、基于配体结构的药物设计、基于配体结构的药物设计间接法间接法已知活性化合物已知活性化合物三维结构分析三维结构分析3D-QSAR3D-QSAR优化结构优化结构优化优化药
25、效基团药效基团虚拟受体虚拟受体先导化先导化合物合物购买或合成购买或合成活性测定活性测定候选候选药物药物优化优化搜寻444444化工与制药工程系44本章要求本章要求v 理解药物的理化性质对活性的影响理解药物的理化性质对活性的影响v 掌握结构非特异性药物、结构特异性药物、掌握结构非特异性药物、结构特异性药物、药效团药效团v 熟悉药物熟悉药物-受体结合方式及对药效的影响受体结合方式及对药效的影响v 熟悉药物立体异构体对药效的影响熟悉药物立体异构体对药效的影响v 了解定量构效关系的概念、计算机辅助药物了解定量构效关系的概念、计算机辅助药物设计的方法。设计的方法。454545化工与制药工程系45v以下哪
26、个说法是不合理的以下哪个说法是不合理的 A.A.根据在体内的作用方式，药物可分为结构非根据在体内的作用方式，药物可分为结构非特异性药物和结构特异性药物特异性药物和结构特异性药物B.B.结构非特异性药物的活性主要取决于药物分结构非特异性药物的活性主要取决于药物分子的各种理化性质子的各种理化性质 C.C.结构特异性药物的活性与受体间的相互作用结构特异性药物的活性与受体间的相互作用有关，有关，D.D.结构特异性药物的活性与药物的各种理化性结构特异性药物的活性与药物的各种理化性质有关质有关 思考题思考题464646474747化工与制药工程系人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。4848
