药物设计复习参考.docx
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药物设计复习参考
专题一、药物设计研究概论
第二节新药设计的一般方法
（一）新药发现的途径：
1．经验积累，2．偶然发现，3．化学合成，4．天然物提取，5．理筛选，6．代谢研究，7．利用毒副作用，8．药理机制研究，9．临床发现。
（二）药物来源：
天然化合物：
植物、动物、海洋生物、微生物；
合成化合物：
随机合成、结构合成、组合技术；
生物工程：
细胞工程、遗传工程、基因改造和重组。
（三）先导化合物的发掘：
先导化合物（Leadcompound）：
简称先导物（Lead），是指新发现的对某种靶标和模型呈现明确药理活性的化合物。
天然生物活性物质作为先导物
⏹青蒿素
⏹喜树碱
⏹紫杉醇
⏹局麻药
⏹抗生素类
⏹动物毒素：
蛇毒Bungarotoxin，N2受体拮抗剂肌松药
蛇毒Batroxobin，溶血栓酶抗栓药
鱼毒Tetrodotoxin，钠通道阻断剂心血管药物
蜂毒Apamin，钙通道阻断剂和钾通道开放剂心血管药物
第三节新药的研究与筛选过程
药物筛选：
对可能作为药用的物质进行初步药理活性检测，以求发现其药用价值和临床用途，为发现新药提供最初始的依据和资料
⏹神农尝百草――经验性，无意识的
⏹动物实验的应用――自主性，有意识的（不足之处在于：
实验时间长，劳动强度大，操作技术要求高，受试样品的量大。
）
⏹现代药物筛选――70年代中期同位素标记的检测方法，紫外、荧光等检测法，建立了高特异性的药物筛选模型，后形成了以体外筛选模型为基础的高通量药物筛选的模式（highthroughputscreening，HTS）。
分子模型－酶、受体、功能蛋白，体外模型－细胞、器官以及动物模型－转基因动物。
筛选发现先导物的方法
⏹随机与非随机筛选Random/nonrandomscreening
⏹高通量筛选High-throughputscreening（HTS）
⏹虚拟筛选（计算机筛选）irtualscreening
新药研究上市过程：
研究计划的确立－药源－筛选－临床前研究（I，II）－IND
（investigatingnewdrug）申请－I期临床－II期临床－III期临床－新药申请（NDA）－
获批，注册上市。
在药源筛选研究阶段，需要解决的化学工作有：
（1）可以供给足够量的供研究药物；
（2）其大规模的生产工艺是可行且经济的；
（3）有确定的药物分析方法和对血中，尿中主要代谢产物的检测方法；
（4）早期的药物稳定性数据表明药物是稳定的
临床前研究：
⏹临床前I期：
药理研究，活性成份，急性毒性，稳定性
⏹临床前II期：
亚急性毒性、药代动力学，三致（畸、癌、突变）
临床前研究需解决的问题有
（1）所研究的药物有确定的药效学作用；
（2）在动物中进行了药物的吸收试验且其结果可行；
（3）动物中进行的药物吸收、代谢和排泄研究和人体中所预期的结果相似；
（4）药物有较少的活性代谢物；
（5）有明确的新药代谢的动力学研究；
（6）三致试验和急性、亚急性、长期毒理试验，未见明显的安全性问题
临床研究：
临床研究是在人体上进行的，确证新药的药效结果和安全性，同时决定其给药途径和使用注意事项
临床研究Ⅰ~Ⅲ期
⏹临床I期：
在健康志愿者身上进行的临床研究，主要进行新药在人体中的耐受性研究和在正常人体中的药代动力学研究，而不对其药效进行评价
⏹临床II期：
在病人的身上进行的临床研究，主要是确定试验药品的药效学作用，通过和抑制对照药品进行比较，了解其治疗价值和安全性，确立新药的适应症和最佳疗效方案（剂量、给药途径、给药次数、疗程等），考察新药的不良反应及其危险性
⏹临床III期：
通过随机，双盲对照实验的方法，扩大新药的药效研究的临床试验。
⏹（临床IV期：
药品上市后的监测期）
规范化的管理和要求：
药品的生产必须在符合GMP（GoodManufacturingPractice）的条件下进行；
临床前的试验必须在符合GLP（GoodLaboratoryPractice）的条件下进行；
临床研究必须在符合GCP（GoodClinicPractice）的条件下进行。
专题2、药物作用的分子生物学基础
第一节机体生物大分子的结构与功能
一、多糖结构与功能：
⏹多糖：
很多单糖缩去许多分子的水形成的长链状结构糖苷，分为单一（同）多糖和杂多糖，杂多糖多数为黏多糖；多糖与蛋白质结合可形成糖蛋白，是受体识别机制中的一个重要组成部分。
二、核酸结构与功能：
分为DNA及RNA
⏹一级单链结构（大部分RNA）；二级螺旋结构（DNA）；三级超螺旋结构（DNA）。
功能意义：
DNA的一级结构中，有一些碱基可以通过加上一个甲基而被修饰，称为DNA的甲基化。
①对自身DNA产生保护作用。
②抵御外源DNA（噬菌体）的入侵
超螺旋的生物学意义：
1.使DNA分子体积变小，对其在细胞的包装过程有利。
（影响细胞体积大小）；
2.影响双螺旋的解链过程,从而影响DNA分子与其它分子（如酶、蛋白质、核酸）之间的相互作用。
（影响细胞的理化特征）。
三、蛋白质结构与功能：
蛋白质一级结构：
一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是唯一的影响因素；主要的化学键：
肽键、二硫键。
1一级结构不同,生物学功能各异
加压素H2N—半—酪—苯—谷—天—半—脯—精—甘—COOH
催产素H2N—半—酪—异—谷—天—半—脯—亮—甘—COOH
2一级结构的关键部分相同，其功能也相同
胰岛素51个氨基酸中有24个恒定不变（多为非极性）,另外6个Cys的
数量和位置不变（形成3对二硫键）,人、猪、牛、羊虽有A链的8～10和B链的30位氨基酸有差异,但功能相同。
3一级结构的关键部分变化,生物学活性改变或丧失ACTH（39肽）,切去C端15个氨基酸仍有活性,但N端24个氨基酸切去一个就会影响活性,人工只要合成有活性的24肽。
4一级结构的变化与疾病的关系：
刀型贫血病
蛋白质的二级结构
1.蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。
（指蛋白质主链原子的局部空间排列。
）
2.蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。
一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构；主要化学键：
氢键
蛋白质的三级结构
1.整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。
即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。
蛋白质三级结构
2.有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基（subunit）；主要化学键：
疏水键、离子键、氢键、范德华力
蛋白质的四级结构
1.蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构；亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键
四、生物高分子结构的可变性
⏹一级结构的改变
生物高分子在体内合成，往往需要经过某些“加工”才能变成具有特定结构和功能的分子。
无活性的前体，在体内经剪裁和重组才能变成有活性的分子。
如：
最早发现蛋白水解酶——发现——激素和分泌蛋白——发现——某些核酸
例：
糖蛋白
个别单体的化学修饰：
例：
蛋白胶原：
1.羟化为羟赖氨酸，2.一些氨基酸被甲基化；
同多糖：
1.分子水平上单糖结构改变成另一种单糖，2.整个高分子由同多糖变为杂糖。
⏹高级结构的改变：
本质：
生物高分子局部空间构像改变
机制：
1.高层次结构由分子内共价键维系，不参与非共价键形成的基团可自由热运动；
2.外来分子和外周环境改变的影响
例：
血红蛋白与氧结合
⏹结构可变性的限度
超过一定限度会引起高分子性质的改变（溶解度下降）或生物活性的丧失，称之为变性，变性是有规则的高级结构的破坏。
如：
热、极端的PH、高离子强度、破坏氢键的试剂。
通过适当的途径除去这些因素，可使变性的高分子恢复到天然构像。
例：
热变性DNA的重新恢复。
五、生物大分子功能方面的特征与共性
⏹作用的专一性：
生物大分子在体内行使的功能和参与的反应有高度的专一性，这是药物小分子与受体生物大分子相互作用并产生某专一生物效应的物质基础
例：
酶：
作用于不同的底物产生专一的生物效应
抗体：
蛋白结构相似却能和结构不同的分子特异性结合，形成抗原抗体结合
核酸中碱基形成氢键的配对，保证进行正确无误的自我复制
作用专一性的基础：
生物大分子由多种单体组成。
例：
胰岛素：
51个氨基酸组成，以50个来计算，能组合出2050中不同的结构；
由此可见，蛋白质能被复制成各种各样的“锁”和“钥匙”。
⏹作用的配合与协调
生物体内存在着许多条“流水作业线”，每条“作业线”由多个生物大分子组成，各司其职，相互配合，共同完成某一化学反应。
生物大分子在体内的配合协调统一非常重要，一旦某一环节发生故障，机体就会发生病变
例：
人遗传性的缺乏苯丙氨酸羟化酶，苯丙氨酸只能脱氨称为苯丙酮酸，不能进一步代谢
第二节生物膜的结构、功能与分子药理学
二、物质转运调节及其分子药理学
⏹被动转运及其分子药理：
机体由于功能的需要，，生物膜内外维持着较大的浓度差；细胞内钾离子浓度较细胞外高，钠离子正好相反，因此，钾离子会扩散到膜外，形成正电荷膜外分布，负电荷膜内分布。
⏹动作电位生理活动：
当膜受到局部环境理化因素的信号刺激时，膜的液晶态相可逆性改变；
内嵌蛋白载体构型发生改变，特异性让钠离子由膜内涌出膜外，发生去极化及倒极化，完成一次动作电位生理活动。
⏹例：
局麻药
普鲁卡因、利多卡因具有亲脂性的烃基或芳环，可载入钠离子附近类脂层中；另一端具有形成氢键的侧链，并能质子化成阳离子的胺基，在膜外产生亲水性排斥钠离子，阻止其内流，也阻止了细胞的兴奋传导，导致局麻
⏹例：
镇静药、抗组胺药
有不同程度的阻滞钠离子载体的作用，且某些基团也能特异性阻滞细胞膜上钾离子载体，延阻了动作电位中细胞膜复极化过程，故出现了先兴奋后抑制的双向作用
⏹例：
抗菌药
制霉菌素、曲古霉素等抗菌药，与真菌细胞膜上胆固醇连成一种环状复合物，在脂质层中形成一个亲水通道，导致了以钾离子为主的物质外泄，产生抑菌作用
⏹特殊转运及其分子药理：
细胞上的钠泵，与磷酸结合时，对钠离子亲和力高，而对钾离子亲和力低，于是钠泵四聚体结构中的内嵌蛋白质就将细胞内的钠离子排除膜外，将钾离子吸入膜内，用以维持膜内高钾离子和膜外高钠离子的生理功能状态；影响生物膜的特殊转运从而产生药理作用也是药物作用机制的一个重要方面
⏹例：
强心苷类药物
强心苷类药物能使钙离子主动导入抑制心肌细胞膜上N-K-ATP酶，使膜内的钠离子增加，促进心肌细胞的收缩，，减少了ATP的过度消耗；其用量过大时，心肌细胞内钾离子浓度低，导致自律性增高，所以急救时要补充钾盐，防止心律失常
专题3——药物作用的分子药理学基础（大题）
⏹引言：
结构特异性药物发挥药效的本质是药物和受体的有效接触，进而引进构象的改变，触发机体微环境产生与药效相关的一系列生物化学反应
第一节受体
二、药物作用于受体的基本特征
药物与受体结合引起一系列生理生化反应，如受体蛋白本身构象变化、细胞膜通透性变化、酶活性的变化、能量代谢变化等的特征。
药物与受体相互作用有以下特征：
（要理解其本质，懂得用例子解释）
（一）特异性与敏感性：
1.特异性指受体具有识别特定药物的能力；
2.敏感性指微量药物作用于受体即可产生明显的效应。
（二）、可逆性与饱和性：
1.可逆性指大多数药物与受体的结合是可逆的，即药物及可以与受体结合也可以解离
2.饱和性指细胞受体的数量是一定的，当药物达到一定浓度时，即使再增加药量，效应也不再增加。
受体是决定药物剂量与效应关系的基本因素。
（三）、受体决定药物作用的选择性：
抗精神病药氯丙嗪阻断多巴胺受体产生抗精神失常作用；阻断肾上腺素受体，引起血管扩张，产生降压作用。
（四）、药物对受体的调节：
受体的调节可分为两种方式，即数量的调节（向下调节、向上调节）和敏感性的调节（敏感性降低、敏感性升高）。
⏹长期应用受体激动药可使受体的敏感性降低或受体数量下调，导致激动药效果下降；例：
胰岛素。
⏹长期应用受体拮抗药或反向激动药可使受体的敏感性升高或受体数量上调，再次应用激动药时药物效应增加，例：
耐药性。
受体的分类与结构功能：
1. G蛋白偶联型受体（Gprotein-coupledreceptor，GPCR）
结构：
单一肽链形成7个跨膜-螺旋结构
这类受体与配体结合后，使G蛋白活化并触发合成特定的生物分子即第二信使；某些神经递质、激素、肽类和胺类的受体多属于这一类。
2.离子通道型受体（ion-channelreceptor）
结构：
由多个亚基组成，每个亚基有4个跨膜区域，氨基端和羧基端均游离在胞外
这类受体本身是离子通道，与配体结合后，通过其构象的改变，使离子通道开或关，影响离子的通透性，激发细胞内信号转导。
某些神经递质的受体属于这类
3.酪氨酸激酶偶联受体（tyrosinekinase-linkedreceptor）
这类受体与配体结合后，受体的结构发生变化，其胞质部分与酪氨酸激酶结合并使后者激活，从而产生信号转导。
细胞因子、干扰素、生长因子等的受体属于这类。
4.具有酶活性的受体（enzyme-linkedreceptor）
这类受体本身是酶蛋白，当它与配体结合后，本身被激活并催化底物反应，从而产生信号转导。
有的受体具有GC活性，有的具有磷酸酶活性，还有的具有蛋白激酶活性
5.核受体（nuclearreceptor）
位于核内，本质是DNA结合蛋白，与配体结合被活化后，影响特定基因的表达。
（1）甾类激素受体：
包括皮质醇、醛固酮、雄激素、孕激素等激素的受体；
（2）非甾类激素受体：
有甲状腺激素受体、维A酸受体、维生素D3受体及前列腺素受体；
（3）孤儿受体：
是一类目前还没找到相应内源性配体的受体。
三、受体的调节
（一）受体调节的机制
1. 受体失活（receptorinactivation）：
通过化学修饰或改变受体，如磷酸化，使受体与下游蛋白隔离；
2. 受体隐蔽（receptorsequestration）：
暂时将受体移到细胞内部。
3.受体向下调节（receptordown-regulation）：
通过内吞作用，将受体转移到溶酶体中降解。
4. 受体向上调节（receptorup-regulation）：
受体合成增加。
（二）受体调节的意义
1. 脱敏现象：
是指连续使用受体激动剂后较短时间内组织的反应降低或消失。
2. 产生耐受性：
即某些药物在连续使用后，必须逐渐增加药物剂量，才能维持药效。
3. 产生依赖性：
即在长久使用某些精神作用的药物时，人体对药物产生的心理上的和生理上的依赖。
4. 反跳现象：
在长久使用一些药物后，突然停药后使疾病加重的现象。
第二节、药物——受体相互作用的化学本质（大题）
一、药物分子与受体结合的一般表达式（懂得用这的相关原理运用都相关设计中）
⏹
如下：
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。
由上式可见，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。
二、药物与受体作用的构效关系：
（看课件的示意图要理解原理，出判断和选择题）
（一）药物的基本结构——确定药效
药效团——药物分子中决定药效的基团
（二）立体结构对药效的影响
1.立体结构的互补性：
受体（蛋白结构）具有一定的空间结构，药物要与受体结合形成复合
物，在立体结构上必须互相适应，即立体结构的互补性（锁-钥关系）；药物与受体结合时，在立体结构上与受体的互补性越大，三维结构越契合，生物作用也越强。
2.影响活性的立体化学因素
⏹立体化学因素是影响药物生物活性的一个非常重要的因素。
药物分子中官能团间的距离（几何异构），手性中心（光学异构）及取代基空间排列的改变（构象异构），均能影响药物与受体之间的互补性，从而影响药效。
人体内的各种生物膜上的蛋白质以及生物靶点的蛋白结构，对配体药物的结合、吸收、分布、排泄、均有立体选择，因此药物的立体结构会导致药效上的差别
异构体在体内的活性常常有很大的差异，这种差异反映了药物与受体结合时的较高的立体要求。
例：
布洛芬的代谢。
立体因素对药效的影响主要包括：
（1）光学异构体对药效的影响
生物体结构大多具有旋光性质，比如：
构成蛋白质是左旋构型，DNA是右螺旋结构，天然单糖多为右旋构型。
因此对受体之间的生物活性往往存在差异。
这种差异一般有四种情况：
①一种异构体有活性，另一种异构体则无效。
例如：
氯霉素、甲基多巴，均只有R-异构体有效；3α-S-利血平，为无效异构体。
②两个异构体的活性有显著差别（普遍现象）
例：
萘普生：
右旋体比左旋体强35倍；扑尔敏：
右旋体比左旋体强100倍；
全麻药氯胺酮——部分病人出现精神症状：
不安、失去自控能力。
临床应用受限。
后发现其左旋体是上述副作用的主要原因。
改用右旋体，降低了副作用、麻醉作用还增强了3倍。
S（+）——具有麻醉作用；R（-）——产生兴奋作用。
③活性类型不同的光学异构体：
麻黄碱和伪麻黄碱，麻黄碱是血管收缩药（增高血压），平喘药（扩张支气管平滑肌）；而伪麻黄碱是支气管扩张药，对心脏、中枢作用明显减少。
④活性相反的光学异构体：
如：
DMBB（5-（1，3-二甲基丁基-5-乙基巴比妥酸），R（+）型强惊厥药；S（-）型抗惊厥药。
（2）几何异构对药效的影响
当药物分子中含有双键、或刚体半刚体环状，可产生几何异构体
几何异构体的理化性质不同，各基团之间的距离也不同，故药物作用和体内转运均有较大差别。
例：
己烯雌酚—反式有效，顺式无效；泰尔登——顺式体作用比反式强5~10倍。
（3）分子构象：
受体和酶的作用部位有高度立体专属性，其只能与分子多种构象中的一种
结合，这种构象称为药效构象
药效构象：
药物分子与受体相互作用时，与受体互补并结合的药物构象。
专题四、受体机制与新药设计（重重点）
第一节受体药物的筛选
受体药物体外筛选的放射配基结合分析系统
1.准备受体膜或细胞株或细胞核标本。
细胞株：
是用单细胞分离培养或通过筛选的方法，由单细胞增殖形成的细胞群。
细胞死亡
细胞培养——细胞株——特性不变
细胞癌变
2.放射性标记配体
用放射性元素标记配体（药物），然后观测这个分子在代谢和生命活动中的变化，因为只有标记了放射性，这些分子才能被观测到。
3.要确定结合反应的平衡条件。
包括温度、时间、缓冲液（离子强度及pH）等。
调节这些因素可以获得最佳温育条件，以确保温育达到平衡。
例：
脐静脉内皮细胞株
抗炎药物的研究——该细胞株用于血管内皮细胞试验，炎症时介导白细胞穿越血管壁，起抗炎作用。
二、竞争结合反应和饱和结合反应
1.竞争结合反应:
竞争结合反应是一定量受体蛋白加一定量的放射配基，再加不同浓度的竞争结合物，可绘出竞争结合曲线，可获得IC50值。
⏹IC50中文名称叫做半抑制率，标准曲线是一个S型曲线。
⏹一般IC50的数值越小,说明配体的特异性越强，与受体结合不受其他因素的干扰。
2.
饱和结合反应:
饱和结合反应是一定量受体蛋白递增的配基浓度，直到饱和结合状态。
可绘出饱和结合曲线。
饱和曲线图拮抗剂浓度
IC50值与Ki值：
表明抑制剂与受体结合作用强弱的指标。
⏹IC50值仅有相对意义，因为放射性比活度不同，受体用量不同,IC50值会不一样,常不能与其它实验室值相比较，它并不能反应外界抑制剂与内源性配基与受体的竞争是什么性质。
⏹Ki值:
抑制常数,是外界抑制剂与受体的平衡解离常数，不受实验条件的影响，不同实验室的结果可以比较。
所以是外界抑制剂最好的指标,另外，它还能反映外界抑制剂与内源性配基对受体竞争是什么性质，是竞争结合，非竞争结合或反竞争结合等。
⏹对于筛选工作，IC50值,使用非常广泛，有实际意义。
⏹
如果对某些老药改进，选译副作用更小的新药，常用所谓相对结合亲和力（Relativebindingaffinity）数：
。
以相对结合亲和力来比较众多待试化合物与老药作参比标准。
三.受体药物体外筛选
1、手工筛选法：
操作过程包括采集,制备受体制剂,进行受体结合反应，一次实验只能做几个样品。
对少数含有生物活性的化合物作进一步筛选,最后确定有希望成为先导化合物，这种方式也可用来筛选副作用小的受体药物。
2、高通量和自动化筛选法:
这一方法的目标是短时间内筛选大量化合物，高通量筛选前提:
（1）.存有大量天然物提取物的样品库。
（2）.存有大量的化合物库,大量的合成化合物。
如组合化学技术，起源于多肽合成，假如合成四肽，用5种氨基酸，可合成625种四肽，用10种氨基酸可合成10000种四肽。
（3）.特异性强，选择性好的受体反应系统。
（4）.自动化称量和加样系统。
（5）.自动化数据处理系统。
3、高通量筛选分析方法和技术:
（1）放射配基结合分析
（2）闪烁近邻分析（scintilationproximityassay）（3）时间分辨荧光（timeresolvedfluorescence）（4）荧光相关光谱学等（5）酶联免疫吸附法
⏹闪烁近邻分析（scintilationproximityassay：
SPA）
1.原理：
含有闪烁剂的微球或96孔板，用化学方法将受体蛋白偶联在它们的表面，试验时加含有H3等放射性标记配体的反应缓冲液，待反应平衡后,所形成的受体配体复合物紧贴微球表面,射线作用于闪烁剂，放射性测量仪器就能测量放射性计数。
而游离的放射性配体与微球表面的距离只要大于1.0µm,射线的能量被水吸收，射线作用不到闪烁剂，仪器就不能测到计数，所以SPA法的优点是不需要分离，这是解离平衡常数Kd最理想的测量方法。
这种方法操作简便，适用于高通量筛选。
第二节受体药物的设计
二、新药开发的途径
1.改进老药：
现有的上市药物中有60%有待改进，使其具有更好药效。
有些老药对某些疾病虽有治疗效果,但其副作用明显,为改善其副作用,加强特异性,如已经知道某些受体有了一些亚型,各亚型生物活性是不同的,其副作用,可能就产生于某一亚型,所以根据亚型寻找选择性更好的药物。
改造后的老药其专一性更突出，副作用更轻或者副作用消失。
2.先导化合物开路：
在筛选工作中得到IC50在100nmol/L左右的化合物可以做所谓的先导化合物，先导化合物是新药最早的先驱形式,在此基础上不断改进，希望得到IC50值更小的化合物将其开发成新药。
3.加强基础医学的研究，阐明疾病的发病机制，发现新的靶点，是我们基础医学和临床医学研究根本目标和责任，也是新药开发的的源泉。
三、新药设计的方法（结合专题十）
1.二维定量的构效关系法:
上世纪80年代前，计算机辅助配体或药物设计，常用疏水常数，电性常数，摩尔折射等分子或基团的理化参数来描写化合物的结构与生物活性之间的关系，实际上都是基于化合物的二维结构的资料，这可称为二维定量构效关系（2D-quntitativestructureactivityrelationship:
2D-QSAR）。
2.三维定量构效关系法：
上世纪80年代后随着现代
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