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第二节药物与生物大分子靶点的相互作用一、药物与生物靶点相互作用的化学本质•药物分子和受体的结合，除静电相互作用外，主要是通过各种化学键连接，形成药物-受体复合物，其中共价键的键能很大，结合是不可逆的。下面讨论药物与受体间可能产生的几种化学键的情况。1．共价键结合：•这是药物和受体间可以产生的最强的结合键，它难以形成，但一旦形成也不易断裂。•某些有机磷杀虫药、胆碱酯酶抑制剂和烷化剂类抗肿瘤药都是通过与其作用的生物受体间形成共价键结合而发挥作用的。HNNNHNHN2CHCH2NCH2CH2RNHNNHNN2HOOGGNCCATTAGCGATCGTACGGCCGC烷化剂（双功能基）DNA链双功能基烷化剂与DNA双螺旋链的交叉连结作用示意图-N-化表交叉连结……代表氢键现在普遍认为，它的作用机理是：烷化剂与DNA交叉连结或在DNA和蛋白质之间交叉连结。核碱烷化后可导致DNA发生脱嘌呤作用，造成遗传密码错误，甚至可使DNA链断裂。具有高张力的四元环内酯或内酰胺类药物如β-内酰胺类抗生素也是同样的情况。青霉素的抗菌作用就是由于它能和细菌细胞壁生物合成中的转肽酶生成共价键，从而使转肽酶失活。EnzOH转肽酶+NSOCOOHRCONHNSCOOHRCONHHOOEnzβ-内酰胺抗生素的作用机制β—内酰胺类抗生素抑制细菌细胞壁粘肽合成酶（转肽酶）——粘肽合成受阻——细菌细胞壁缺损——水分渗入胞浆——菌体膨胀破裂而死亡。抑制细菌细胞壁的合成转肽酶N-乙酰葡萄糖胺双糖十肽粘肽(构成N-乙酰胞壁酸五肽聚合物细胞壁)-内酰胺类胞浆内胞浆膜细胞膜外(-)2．非共价键的相互作用：•化疗药物和受体之间生成键能较大的不可逆的共价键，保持药物与生物靶点的持久性结合，对于杀灭病原微生物和肿瘤细胞往往是理想的。而对于中枢神经系统药物来说，药物和受体间持久作用是非常有害的，人们希望其药理作用只在较短时间内持续。•药物和相应受体间的结合通常建立在离子键或更弱的结合力上，这些力对于形成的药物和受体复合物来说已足够牢固和稳定，使其不太易于从作用部位除去。2．非共价键的相互作用——离子键•在生理PH条件下，存在于药物中的多种官能团（例如羧基、磺酰胺基、氨基）呈电离状态，因此它们会带电荷。对于季铵盐类药物更是具有持久性的正电荷。•另一方面，主要由蛋白质构成的受体，由于蛋白质由不同的氨基酸组成，一些氨基酸侧链官能团，也会电离出带正电或负电的基团。•药物与受体离子如果具有相反电荷，就会相互吸引生成离子键。离子键相当牢固。NHHNNHHNNHHNNHHNNHOOOOOOOOCH2NHNCH2HHHHHHHHCH2COOCH2OCH2CH2CH2CH2NH3CH2CH2CH2CH2NHCNHNH3CH2SCH2COO组氨酸谷氨酸酪氨酸赖氨酸色氨酸精氨酸半胱氨酸天门东氨酸带有电荷的蛋白多肽链…•药物-受体之间形成的这种离子键的结合，是非共价键中最强的一种，是药物受体复合物形成过程中的第一个结合点。其他尚有多种非共价键形式，在药物-受体相互作用过程中起着重要的作用。2．非共价键的相互作用——电荷转移复合物杀菌剂百菌清（chlorothalonil，2，4，5，6－四氯－1，3－苯二甲腈）与受体分子中酪氨酸残基的芳香环相互作用生成电荷转移复合物，两个相互作用的芳香环呈平行状。OHCNClClClClCN2．非共价键的相互作用——疏水性相互作用H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OReceptornonpolarchainDrugnopolarchainReceptornonpolarchainDrugnopolarchainH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O酰胺类局部麻醉药辛可卡因(Cinchocaine)与受体可能发生键合的各种情况NOHNNHO电荷转移偶极－偶极疏水氢键离子键或者离子－偶极偶极－偶极疏水疏水疏水•受体大多是蛋白质。若一个药物分子结构中的电荷分布正好与其特定受体区域相适应，那么–药物的正电荷（或部分正电荷）与受体的负电荷（或部分负电荷）产生静电引力。–药物的负电荷（或部分负电荷）与受体的正电荷（或部分正电荷）产生静电引力。–当接近到一定程度时，分子的其余部分还能与受体通过分子间普遍存在的范德华引力相互吸引，这样药物与受体就结合形成复合物。药物与生物靶点相互作用的化学本质共价键非共价键二、药物与生物靶点相互作用的适配关系（一）药物与靶点的互补性锁钥学说(lockandkeyhypothesis)•最早解释药物与受体作用的学说是EmilFisher在19世纪提出的著名的锁钥学说。•该学说认为，机体内受体或酶等生物大分子犹如要开启的锁，药物或其配体作为钥匙应精确的与锁匹配，才能将锁开启，即产生药理效应。锁钥学说锁钥学说：•认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样镇痛药的构象NHO喷他佐辛NOO哌替啶NHOOOH吗啡NO美沙酮Morphine类似物的结构特征•平坦的芳环•碱性中心–碱性中心和平坦结构在同一平面上•有哌啶类的空间结构–烃基突出于平面的前方。NOO+H三点结合的受体图象•平坦的结构•平坦的芳环阴离子部位方向合适的空穴，与哌啶环相适应碱性中心，碱性中心和平坦结构在同一平面上有哌啶或类似于哌啶的空间结构。而烃基突出于平面的前方Tomostofthemodernpharmacologiststhereceptorislikeabeautifulbutremotelady.Hehaswrittenhermanyaletterandquiteoftenshehasansweredtheletters.Fromtheseanswersthepharmacologistshasbuilthimselfanimageofthisfairlady.Hecannot,however,trulyclaimevertohaveseenher,althoughonedayhemaydo.D.K.deJongh,1964原子距离对药物－受体互补的影响实例HNNHHNNHRORORO0.361nm0.72nm0.538nm0.538nm蛋白质空间结构示意图药物作用的受体多为蛋白质生物大分子上的某一个部位，而蛋白质都是由氨基酸通过肽键链接而成的，肽键之间具有很规则的空间排列：一个是多肽链α螺旋的两个连续的螺圈间距为0.538nm，另一个是当蛋白质多肽链伸展到最长时，相邻两个肽键间距约为0.361nm，如图所示。ONO0.55nmH2NONO0.55nmONO0.55nmON0.55nmNN1.45nm普鲁卡因乙酰胆碱解痉素苯海拉明十烃季铵有趣的是，许多药物分子中两个特定官能团之间的距离也恰好与这两个距离很相近，或为其倍数。如局部麻醉药普鲁卡因，拟胆碱药乙酰胆碱，解痉药解痉素和抗组胺药苯海拉明等的酯键或醚键氧原子与氨基氮原子之间的距离均为0.55nm，接近于0.538nm。肌肉松弛药十烃季铵的两个氮原子之间的距离为1.45nm，是两个肽键距离0.361nm的四倍。以上各类药物分子间特定的原子间距离，使其电子密度分布适合于受体蛋白部分，形成药物受体复合物而产生药效。（二）影响药物与靶点契合的立体化学因素•由蛋白质组成的受体，有一定的三维空间结构。在药物与受体的各原子或基团间相互作用时，作用的原子或基团间的距离对于相互的引力有重要的影响。•药物中官能团间的距离，手征性中心及取代基空间排列的改变，均能强烈地影响药物受体复合物的互补性，从而影响药物和受体的结合。•由于受体和药物都是三维实体，也导致了药物的立体异构，即几何异构、光学异构对药物活性有较大的影响。几何异构对药物活性的影响几何异构是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而产生的。几何异构体理化性质不同，各基团之间距离不同，因而它们与受体相互作用以及在体内的转运均有差异。如果一个顺式异构体与受体的主体结构相适应，那么反式异构体便不能很好的与受体结合。反之亦然。因此，几何异构体之间的生理活性有所不同。OHOHOHOH1.45nm1.45nm0.72nmOHOHZ-己烯雌酚E-己烯雌酚雌二醇•雌激素的构效关系研究发现两个含氧官能团及氧原子间的距离对生理作用是必须的，而甾体母核对雌激素并非必需结构。如顺、反式已烯雌酚的例子•精神病治疗药氯普噻吨(Z)-Chlorprothixene：Z－型异构体作用比E－型异构体强5－10倍。光学异构对药物活性的影响–光学异构分子中存在手性中心，两个对映体除了将偏振光向不同的方向旋转外，有着相同的物理性质和化学性质。但其生理活性则有不同的情况。有些药物光学异构体的药理作用相同，例如左旋和右旋氯喹具有相同的抗疟活性。但在很多药物中，左旋体和右旋体的生物活性并不相同，例如D-（-）-异丙基肾上腺素作为支气管舒张剂，比L-（+）-异丙基肾上腺素强800倍。药物中光学异构体生理活性的差异反映了药物与受体结合时的较高的立体要求。一般认为，这类药物需要通过三点与受体结合，如图中D-（-）肾上腺素通过下列三个基团与受体在三点结合：1）氨基；2）苯环及其二个酚羟基；3）侧链上的醇羟基。而L-异构体只能有两点结合。阴离子部位受体平面区阴离子部位受体未接触部位平面区CNHHOHOHHOHCNHHOHOHOHH有一些药物，左旋体和右旋体的生物活性类型都不一样，如扎考必利（Zacopride）是通过拮抗5-HT3受体而起作用，为一类新型的抗精神病药。深入地研究证明，（R）-异构体为5-HT3受体的拮抗剂，而（S）-异构体则为5-HT3受体的激动剂。ClH2NONHONNNSHOOO(R)-Zacopride(S)-(-)-Etozoline如(-)-依托唑啉（Etozoline）具有利尿作用，而(+)-依托唑啉则有抗利尿作用。ClH2NONHONNNSHOOO(R)-Zacopride(S)-(-)-Etozoline锁钥学说的局限性•锁钥学说直到20世纪50年代，一直用来阐述药物的作用。锁钥学说视受体和药物分子为刚性结构，能够很好的解释药物与受体结合前后三维结构和构象变化较小的过程，但结合前后构象变化较大时，则难以解释。三、药物与靶点相互作用的基本理论•占领学说（Occupationtheory）•诱导契合学说（Inducedfittheory）•变构学说（Alloserictheory）•速率学说（Ratetheory）•大分子微扰学说（Macromolecularperturbationtheory）•二态模型的占领－活化学说(Occupation-activationtheoryoftwo-statemodel)占领学说（Occupationtheory）•药物分子与受体结合的一般表达式如下：•其中D代表药物，R为受体，DR为药物受体复合物，E为效应，K为反应速率常数。•药物和受体的结合反应由它们之间的亲和力(affinity)所决定。•由下式可见，药物与受体的相互作用首先是药物与受体结合，结合后产生的复合物仍可解离。D+RK1K2DRE•占领学说分别由Clark和Gaddum于1926年和1937年提出，该学说认为：受体只有与药物结合才能被激活并产生效应，而效应的强度与占领受体的数量成正比，全部受体被占领时出现最大效应。•当50%受体被占领时，所产生的效应就是最大效应的一半。但实际上，作用于同一受体的药物其最大效应并不都相等。•1954年Ariens修正了占领学说，他把决定药物与受体结合时产生效应的大小称为内在活性(intrinsicactivity,α)。药物与受体