藥物設計學_肽擬似物醫(yī)學.ppt

2019/6/25,藥物設計原理第八章,,肽擬似物的發(fā)展,肽擬似物,肽擬似物的設計原理,實例,The Piptide Mimics,2019/6/25,人們發(fā)現(xiàn)，許多天然活性肽具有激素、酶抑制劑或底物、生長促進劑或抑制劑、神經(jīng)遞質(zhì)和免疫調(diào)節(jié)劑的作用，在內(nèi)源性物質(zhì)中占有非常重要的地位。 活性肽是通過與相應受體分子結(jié)合呈現(xiàn)出某些生物活性，以調(diào)控特殊的生理行為。,8-1. 肽擬似物的發(fā)展,2019/6/25,A、Hydrophobic amino acids,一、肽的基本知識,1. 20種氨基酸,2019/6/25,The building blocks (II),B、Charged amino acids,2019/6/25,The building blocks (III),C、Polar amino acids,2019/6/25,氨基酸的分類,2019/6/25,幾種重要的不常見氨基酸,在少數(shù)蛋白質(zhì)中分離出一些不常見的氨基酸，通常稱為不常見蛋白質(zhì)氨基酸。 這些氨基酸都是由相應的基本氨基酸衍生而來的。 其中重要的有4-羥基脯氨酸、5-羥基賴氨酸、N-甲基賴氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。這些不常見蛋白質(zhì)氨基酸的結(jié)構(gòu)如下。,2019/6/25,2 多肽,一個氨基酸的氨基與另一個氨基酸的羧基之間失水形成的酰胺鍵稱為肽鍵，所形成的化合物稱為肽。,2.1多肽的結(jié)構(gòu),由兩個氨基酸組成的肽稱為二肽，由多個氨基酸組成的肽則稱為多肽。組成多肽的氨基酸單元稱為氨基酸殘基。,2019/6/25,在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序稱為氨基酸順序 通常在多肽鏈的一端含有一個游離的-氨基，稱為氨基端或N-端；在另一端含有一個游離的-羧基，稱為羧基端或C-端。 氨基酸的順序是從N-端的氨基酸殘基開始，以C-端氨基酸殘基為終點的排列順序。如上述五肽可表示為： Ser-Val-Tyr-Asp-Gln,2019/6/25,2-2 肽鍵,肽鍵的特點是氮原子上的孤對電子與羰基具有明顯的共軛作用。 組成肽鍵的原子處于同一平面。,2019/6/25,肽鍵,肽鍵中的C-N鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。 在大多數(shù)情況下，以反式結(jié)構(gòu)存在。,2019/6/25,四肽的結(jié)構(gòu),2019/6/25,3 天然存在的重要多肽,在生物體中，多肽最重要的存在形式是作為蛋白質(zhì)的亞單位。 但是，也有許多分子量比較小的多肽以游離狀態(tài)存在。這類多肽通常都具有特殊的生理功能，常稱為活性肽。 如：腦啡肽；激素類多肽；抗生素類多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。,2019/6/25,2019/6/25,+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO- +H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO- Met-腦啡肽 Leu-腦啡肽,催產(chǎn)素,抗利尿激素,雖然二者性質(zhì)和作用完全不同 但二者具有很大程度的同源性,其差別只在3位和8位上的氨基 酸不同,2019/6/25,短桿菌肽S(環(huán)十肽) 由細菌分泌的多肽，有時也都含有D-氨基酸和一些不常見氨基酸，如鳥氨酸（Ornithine, 縮寫為 Orn）。,2019/6/25,在生物體內(nèi)易受到許多特異性或非特異性酶的作用而快速代謝，代謝不穩(wěn)定性限制了它們的應用 肽類具有免疫原性，注射使用會產(chǎn)生過敏性反應。 肽類藥物口服生物利用度低，尤其是分子量大時，沒有特異的轉(zhuǎn)運蛋白輔助吸收很難被機體攝取。 肽類藥物一般不能穿越血腦屏障，難以到達中樞神經(jīng)系統(tǒng)。 肽類應作用與特異性的受體分子，但是它們的柔性分子結(jié)構(gòu)，具有多種受體分子識別的不同構(gòu)象，使其選擇性降低，臨床上產(chǎn)生一些副作用,二、肽類使用被限制的原因：,2019/6/25,1、定義； 肽擬似物是一類能夠模擬臺分子與受體或酶的相互作用，可以激活或阻止某種生物活性的非肽、類肽或擬肽化合物。作為藥物，肽類似物不僅要對受體有親和力，而且要有選擇性活性，有效能和底物功能，以產(chǎn)生特異的藥理效應。 一個設計成功的類肽，應該具有代謝穩(wěn)定性，口服優(yōu)良的生物利用度,高度的受體親和性和選擇性，盡可能少的副作用.,三、肽擬似物（類肽）,2019/6/25,2、肽擬似物的優(yōu)點,保持某種能夠產(chǎn)生所期望性質(zhì)的構(gòu)象，但是消除或避免不希望的性質(zhì)，提高親和性和選擇性。 通過結(jié)構(gòu)改造，改變肽的物理化學性質(zhì)（如溶解度和離解度等）調(diào)整藥代動力學性質(zhì)（提高吸收性和代謝穩(wěn)定性） 消除肽結(jié)構(gòu)，避免了免疫原性，降低毒性和不良反應 可以是受體激動劑、抑制劑或拮抗劑,2019/6/25,對活性肽修飾得到肽模擬物，雖然其化學結(jié)構(gòu)是由活性肽衍生的，但是已基本沒有肽的性質(zhì)，模擬的只是肽的生物活性部分。 肽擬似物主要在藥效學和藥物動力學等進行改善，主要使生物利用度提高、耐受酶解性、作用時間長、穩(wěn)定性好，成本低等,2019/6/25,肽擬似物的發(fā)現(xiàn)途徑： 通過變換天然活性肽分子的結(jié)構(gòu)，衍生出新的有活性的非肽結(jié)構(gòu)。利用構(gòu)象限制的方法確定藥效團在空間的分布是設計的第一步 隨機篩選或偶然發(fā)現(xiàn)非肽類化合物，它們與活性肽對受體具有相同或相似的親和力和活性，其藥效團與活性肽的活性構(gòu)象有相似的分布和配置，可在此基礎上進一步進行分子設計。,2019/6/25,肽擬似物設計的基本策略 肽擬似物設計的基本方法 非肽結(jié)構(gòu)的肽模擬物,8-2. 肽擬似物的設計原理和方法,2019/6/25,一、肽擬似物設計的策略,引言 肽擬似物設計的關(guān)鍵-構(gòu)象限制 肽擬似物設計的Farmer rule,2019/6/25,1、引言,在不同的介質(zhì)中，由于分子中有許多單鍵，生物活性肽可能有許多不同的構(gòu)象同時存在，它們之間存在著平衡 所測定的構(gòu)象是多種構(gòu)象的平均狀態(tài)，難以找到藥效構(gòu)象。 柔性肽對不同的受體亞型可以采取不同的構(gòu)象，啟動不同的生物學效應，構(gòu)象的多樣性導致了活性的多樣性，但缺乏選擇性,2019/6/25,在柔性肽分子中引入構(gòu)象限制因素，可對活性產(chǎn)生限制性影響，影響到對受體的親和力、選擇性、藥效強度、藥代動力學特征以及增強對酶降解的穩(wěn)定性。 對處于平衡狀態(tài)的多種構(gòu)象中的一種加以固定（即構(gòu)象限制），可以突出一種構(gòu)象結(jié)構(gòu)，消除其它構(gòu)象，從而提供對于受體的親和力。,2019/6/25,2、肽擬似物設計的關(guān)鍵-構(gòu)象限制,肽的生物活性構(gòu)象（藥效構(gòu)象）是被受體和酶的結(jié)合區(qū)域所識別或與其相互作用的構(gòu)象 利用藥效構(gòu)象一方面可增加親和力和選擇性，也可增加對于蛋白水解酶的阻抗能力，提高代謝穩(wěn)定性 生物活性構(gòu)象可能最好由使用構(gòu)象限定的類似物推測出來,2019/6/25,構(gòu)象限制的方法是局部構(gòu)象限制和整體分子構(gòu)象限制 局部構(gòu)象限制:對某一氨基酸加以改換，或?qū)?cè)鏈加以限制，或?qū)﹄墓羌苓M行變換，利用電子等排體(甲氨基,酮甲基)反轉(zhuǎn)酰胺基等取代酰胺部分;引入氨基酸殘基類似物等 整體構(gòu)象限制:環(huán)化的二硫橋鍵;未參與受體識別,相互作用的側(cè)鏈環(huán)化;骨架與骨架的成環(huán)等,2019/6/25,應從可以產(chǎn)生具有特異性活性的盡可能簡單的結(jié)構(gòu)（產(chǎn)生活性的藥效基團結(jié)構(gòu)）開始設計肽擬似物。一般，疏水性氨基酸殘基有利于與受體的結(jié)合，而極性殘基很可能是產(chǎn)生內(nèi)在活性所必須的。 非肽擬似物應不占據(jù)外部空間，同時在向非肽擬似物轉(zhuǎn)化的過程中，為避免功能基團的丟失，相應的功能基應盡量保留，尤其是在進行轉(zhuǎn)化的初始階段。,3、類肽設計的基本策略(Farmer Rule),2019/6/25,3. 在從肽擬似物結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)先導化合物以前，應最大限度的保持原肽類構(gòu)象的可變性。 4. 相對而言，肽類二級結(jié)構(gòu)的-螺旋和-折疊的擬似物往往缺乏選擇性，而三級結(jié)構(gòu)的選擇性作用也許會更強一些。因此不僅要關(guān)注對肽鏈骨架拓撲學結(jié)構(gòu)的模擬，還應該模擬肽類三級結(jié)構(gòu)。 藥物設計的實驗性研究應該在設計過程中不斷的進行，而且要進行包括對生物活性，吸收，首過代謝，中樞神經(jīng)系統(tǒng)透過性，水溶性等方面的研究，合理的推出構(gòu)效關(guān)系,肽擬似物設計的步驟：,首先將具有多個功能區(qū)的蛋白質(zhì)分子分解成小的構(gòu)象固定的片段（有活性的小肽），這些重要功能區(qū)的模擬物可能具有比天然蛋白質(zhì)更佳的特異性和治療效果； 確定活性肽的藥效團，藥效團的空間位置和距離，即建立藥效團模型； 進行全新設計，按照藥效團模型，將藥效團移植到非肽類、剛性的骨架模板上；再進行活性測試，在生物活性指導下對設計的化合物進行進一步的改造。,2019/6/25,2019/6/25,、針對肽的一級結(jié)構(gòu)的修飾 針對氨基酸的操作 小肽類的類似物 肽骨架的局部變換 、針對肽的高級結(jié)構(gòu)的修飾 肽二級結(jié)構(gòu)的分子模擬 整體分子構(gòu)象的限制 、由肽類向非肽類轉(zhuǎn)化,二、肽擬似物設計的基本方法,2019/6/25,1、針對氨基酸的操作 對每一個氨基酸的作用應明確，在肽鏈中引入某些限定構(gòu)型的非天然氨基酸。包括氨基酸的鄰位進行取代,或者環(huán)化,使用D-氨基酸替代L-氨基酸系統(tǒng)引入限定結(jié)構(gòu)，如N-甲基化或-甲基化等，使側(cè)鏈的重要性得以確定和突出,、針對肽的一級結(jié)構(gòu)的修飾,2019/6/25,限制性氨基酸的取代 在活性多肽中，引入限制性氨基酸（Constrained Aminoacid 非天然氨基酸）是為了獲得對柔性氨基酸的局部限制，尤其使限制N-C和C-C、C-O鍵的旋轉(zhuǎn)及由共價、非共價空間相互作用引發(fā)的側(cè)鏈構(gòu)象。 作為構(gòu)象探針（conformational probes) 限制性氨基酸可作為構(gòu)象探針，研究與特殊肽生物活性相關(guān)的局部構(gòu)象。,2019/6/25,類型及特點 -甲基化 氨基酸的C上的氫被甲基取代后，對決定與C有關(guān)的肽鏈骨架構(gòu)象的二面角的變化區(qū)域，有較大的影響。被引入許多生物活性肽中。 ,-二烷基甘氨酸及氨基環(huán)烷羧酸 N-甲基化 其它,2019/6/25,。,氨基酸的C上的H被甲基取代后,將影響其構(gòu)象角, 限制C-N,C-C鍵的旋轉(zhuǎn),最簡單的Gly經(jīng)甲基化衍生后得到-氨基異丁酸 （-Aminoisobutyric acid，Aib）已被引入許多生物活性肽中，包括腦啡肽，血管緊張素和舒緩激肽等，以期獲得高活性的選擇性模擬物，并了解和判斷受體識別所需的構(gòu)象,、 氨基酸的-烷基化,2019/6/25,與Aib不同的是，其它的-甲基化氨基酸都具有手性，如 -乙基丙氨酸（isolaline，Ive）、 -甲基苯丙氨酸（ -Me-phe）、 -Me-Val、 -Me-Leu等， 含這些氨基酸的三肽或多肽，多以-轉(zhuǎn)角和310螺旋的優(yōu)勢構(gòu)象存在，很少有完全伸展結(jié)構(gòu)。將它們引入活性肽作為修飾物。,2019/6/25,Aib殘基所允許二面角的變化范圍限制在和310螺旋范圍 -二乙基甘氨酸（Deg）, -二苯基甘氨酸(Dpg)等偏向于完全伸展結(jié)構(gòu).,-二烷基甘氨酸,Deg,Dpg,2019/6/25,- 氨基環(huán)烷酸(Acmc,A 氨基, cm ，c 環(huán)，m 環(huán)的大 小，c 羧酸)帶有環(huán)狀側(cè)鏈的甘氨酸, -二烷基甘氨酸和-氨基環(huán)烷酸有相同的的側(cè)鏈碳原子數(shù)，但是其構(gòu)象迥然不同 Ac5c偏向于折疊結(jié)構(gòu) Deg和Dpg為完全伸展結(jié)構(gòu),-氨基環(huán)烷酸,2019/6/25,- 氨基環(huán)烷羧酸已引入阿片肽, 向化因子和甜味劑等 多種生物活性肽,由此衍生出來的氨基吡咯酮羧酸,特別 是-氨基去甲冰片烷羧酸,限制性更大,有可能成為 高 程度優(yōu)勢構(gòu)象,2019/6/25,N-甲基化導致N-上氫原子減少，含有這類氨基酸上的肽類氫鍵結(jié)合形式與其它不同， N-甲基酰胺鍵都有順反異構(gòu); N-甲基化 造成的空間位阻也限制了二面角的旋轉(zhuǎn)減少了所允許的構(gòu)象空間; N-甲基化氨基酸也影響C-C(O)鍵的旋轉(zhuǎn). 當N-甲基氨基酸前一殘基為-取代或帶有分支的氨基酸時，則側(cè)鏈構(gòu)象的旋轉(zhuǎn)角將受到嚴格的限制 N-甲基化，導致有關(guān)肽鍵附近的空間位阻增大，不僅在構(gòu)象限制方面,同時在防止和減少肽鍵酶解，增加代謝穩(wěn)定性和提高生物利用度方面都有重要作用。,、N-甲基化,2019/6/25,目的是避免順反異構(gòu),在肽分子中引入-氨基環(huán)烷羧酸-AC5C,與Pro相似,但是環(huán)外有一個氨基,其前的酰胺鍵只能以反式構(gòu)型存在,由此形成一個新的手性中心,可產(chǎn)生4個異構(gòu)體分別引入肽中,可得到與生物活性相關(guān)構(gòu)象的信息,、和環(huán)狀氨基酸,2019/6/25,、某些側(cè)鏈的限制性修飾,苯丙氨酸側(cè)鏈限制 可以利用二苯基、萘基、茚基、四氫異喹啉基、二氫吲哚基等均可限制苯丙氨酸側(cè)鏈。,2019/6/25,、某些側(cè)鏈的限制性修飾,脯氨酸（Pro）擬似物 脯氨酸擬似物設計采用N-C環(huán)化方式擬似Pro，其重要性之一是存在順反異構(gòu)體，,Pro擬似物的N-C包含在環(huán)內(nèi)，兩面角受到高度限制C（O）鍵的旋轉(zhuǎn)被吡咯烷和C（O）間的空間相互作用所制約，影響序列前的氨基酸構(gòu)象。有很多的類似物形成相應的三元環(huán)、四元環(huán)、五元環(huán)以及六元環(huán)衍生物,2019/6/25,高限制性Pro擬似物的設計，是在Pro結(jié)構(gòu)上引入其他功能基的系列衍生物，從而提供實質(zhì)性的優(yōu)勢構(gòu)象，并確定序列在前的酰胺鍵的順反結(jié)構(gòu)，并用于活性肽擬似物的設計中,2019/6/25,、D-氨基酸的置換,用D-氨基酸置換相應的L-氨基酸，使肽鏈的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有時會產(chǎn)生較高的活性 一般L-氨基酸被D-氨基酸置換后，代謝穩(wěn)定性增加 腦啡肽的2-位的甘氨酸被D-丙氨酸置換，增加了鎮(zhèn)痛活性和代謝穩(wěn)定性，用L-丙氨酸置換，活性失去。,2019/6/25,、其它 經(jīng)過修飾的肽架起了肽擬似物和非肽結(jié)構(gòu)之間的橋梁作用,合成的一系列內(nèi)酰胺被作為橋梁來穩(wěn)定特定的骨架構(gòu)象,這些類似結(jié)構(gòu)是基于側(cè)鏈與側(cè)鏈,側(cè)鏈與骨架的成環(huán)構(gòu)象.值得注意的是特異性的小分子類肽插入不同肽中可對生物活性產(chǎn)生不同的影響. 除上述討論的限制性氨基酸類型外,還有其它的引入限制的方式: , -不飽和氨基酸,在肽鏈骨架中形成-轉(zhuǎn)角,2019/6/25,-二甲基或-甲基氨基酸取代，以基團體體積較大的甲基產(chǎn)生的立體位阻，影響空間相互作用，使側(cè)鏈具有一定的構(gòu)象 取代-2,3,-亞甲基氨基酸，可以看作不飽和氨基酸的雙鍵被環(huán)丙烷取代的產(chǎn)物，限制N-C和C-C(O)鍵的旋轉(zhuǎn) 還有許多的方法，總之想法對氨基酸進行改造，使其能限制肽類構(gòu)象的多樣化，如在肽分子中引入較大的側(cè)鏈（如萘環(huán)等），限制了其他側(cè)鏈的運動，導致肽鏈骨架構(gòu)象的變化，也可產(chǎn)生構(gòu)象限制,2019/6/25,2、肽骨架的局部變換,肽骨架的局部變換實質(zhì)改變活性肽的部分肽鍵，即對酰胺鍵進行化學修飾，常用的方法包括電子等排置換和逆向轉(zhuǎn)換 前面所講述的方法只是對氨基酸殘基的側(cè)鏈或氮原子進行修飾，并未涉及到肽鍵的基本的化學結(jié)構(gòu)，用不同的原子或基團代替酰胺鍵或?qū)?CONH-鍵逆轉(zhuǎn)為-NHCO-，必將引起肽鏈構(gòu)型、構(gòu)象和拓撲學的改變，并且在電性分布、分配系數(shù)、分子的偶極矩、氫鍵等的形成能力都會改變，因而影響活性并有可能使作用翻轉(zhuǎn)。,2019/6/25,肽骨架局部變換的目的，主要是增加太對于蛋白水解酶的耐受性，改善半衰期和藥代動力學特征，提高生物利用度,2019/6/25,在肽鏈中，骨架的作用是作為結(jié)構(gòu)母體,其構(gòu)象把側(cè)鏈定位于限定的空間位置上,使其與酶或者受體蛋白發(fā)生最適相互作用,酰胺鍵再與酶或受體的結(jié)合中具有重要的作用.酰胺鍵的電子等排體已被設計合成并用于肽擬似物中. 作用: 提高穩(wěn)定性,抵御蛋白酶的降解.,肽鏈骨架的修飾,2019/6/25,當多肽的一個或多個酰胺鍵電子等排體取代得到的擬似物稱為假肽。它們通常具有較強的抗酶解能力。 修飾后的肽類分子往往伴隨分子的大小,立體形狀(鍵角，雜化形式)，電性分布，親水親酯性，pKa和氫鍵化能力的改變. 肽鍵的修飾不僅增加了代謝穩(wěn)定性，還增加了對受體亞型的選擇性，改變藥理學功能和增強藥物動力學性質(zhì),如增強口服生物利用度， 穿越血腦屏障的轉(zhuǎn)運性能以及對靶組織的作用持久性.,酰胺鍵擬似物-假肽(Pseudopeptide),2019/6/25,酰胺鍵的還原 亞甲基醚 替代酰胺鍵 亞甲基硫醚替代酰胺鍵 亞乙基,硫代酰胺等替代酰胺鍵 反式烯鍵替代酰胺鍵, 肽鍵的生物電子等排變換,2019/6/25, 酰胺鍵的還原,酰胺還原成亞甲胺后，失去了部分雙鍵的性質(zhì)近于1800 的角變成可自由旋轉(zhuǎn)的C-N單鍵，按季失去了相鄰羰基對孤電子對的離域化，堿性增加，在人體pH條件下可被質(zhì)子化；同時羰基被還原后不能作為氫鍵接受體，但是仍能保持-折疊傾向的構(gòu)象形式，連接成肽后將成為一個偽肽（pseudopeptide）。阿片肽、p物質(zhì)、胃泌素、生長激素釋放因子等肽類的酰胺鍵經(jīng)過這種方法修飾后的擬似物，表現(xiàn)出激動或拮抗特性，活性的變化于修飾的部位而變,2019/6/25,酰胺鍵被還原后柔性增加，因此需要引入一些限制性的單元，如烷基亞甲氨基、氨甲?；鶃啺被?2019/6/25, 亞甲基醚 替代酰胺鍵,亞甲基硫醚被認為是一種能夠提供分子極性、柔性和代謝穩(wěn)定性的酰胺電子等排體，而相應的醚類比硫醚更好，這是因為同硫原子相比，氧原子的親核性和被氧化的可能性可以被忽略，同時醚的極性較大可形成較強的氫鍵，-CH2O-的幾何構(gòu)型與酰胺鍵十分相似。而二亞甲基替換酰胺鍵以后，非極性增加，不利于形成分子內(nèi)氫鍵，并導致分子柔性增加，因此對肽鏈性質(zhì)影響較大,2019/6/25, 反式烯鍵替代酰胺鍵,由于空間位阻的影響，肽鍵一般都是反式結(jié)構(gòu)，反式烯鍵（trans-olefin）在幾何形狀、鍵角、鍵長等方面與其類似，可用此來代替酰胺鍵，同時反式烯鍵取代后，消除了形成氫鍵的可能性，增加了肽類分子的疏水性，提高了由生物轉(zhuǎn)運細胞膜特別是血腦屏障的能力，也增強了代謝穩(wěn)定性,2019/6/25,氟代乙烯基比反式乙烯基代替酰胺鍵更有利，氟原子的氟典型類似于酰胺鍵中的氧，因而物理化學性質(zhì)以至于生物活性更相似于酰胺鍵。 十二肽的p物質(zhì)的phe(9)-Gly(10)的酰胺鍵用氟乙烯基取代后，活性基本不變，比用乙烯基取代效果強。,2019/6/25,其中反轉(zhuǎn)型電子等排體不僅反轉(zhuǎn)了肽的方向,而且還使L-型氨基酸轉(zhuǎn)變?yōu)镈-型氨基酸.反轉(zhuǎn)型電子等排體的插入產(chǎn)生了一個與天然肽具有相似拓撲構(gòu)性的假肽,但對蛋白酶不再敏感,肽鍵的逆轉(zhuǎn)修飾,2019/6/25,常用的修飾方法包括: 酰胺鍵的逆轉(zhuǎn)修飾 將酰胺鍵的羰基和氨基位置互換,如果反向交換連續(xù)重復兩次以上稱為延伸逆轉(zhuǎn)修飾, 變更片斷的中心序列反向交換后得到反氨基酸,用作抗血栓藥物的凝血酶抑制劑cyclotheonamide(CIA)也是模擬凝血酶和底物作用過渡態(tài)的類似物，其中含三肽片斷的D-Phe-Pro-Arg是對酶活性中心的重要識別基團。,2019/6/25,含有二氟酮基的對于老年癡呆癥（AD）有一定作用的-分泌酶抑制劑就是一類模擬酶作用過程的過渡狀態(tài)結(jié)構(gòu)模擬物,2019/6/25,2019/6/25,問題： 進行肽鍵的擬向操作的同時，會變換氨基酸的構(gòu)型，有L-氨基酸變成D-氨基酸，得到的肽模擬物為反向-翻轉(zhuǎn)異構(gòu)體（retro-inverso isomer） 如果所有的氨基酸都改變構(gòu)象和肽鍵的方向，除脯氨酸殘基外，仍保持原來側(cè)鏈的拓撲結(jié)構(gòu)，為對肽鏈作構(gòu)象限制，但不能作為蛋白酶的底物。 反向-翻轉(zhuǎn)異構(gòu)體若不是環(huán)狀肽時，末端相對應的電荷是相反的，因而不能與受體結(jié)合。 解決方法 末端引進“假端基” 只對肽鏈中間一段作反向-翻轉(zhuǎn)修飾，保持肽鏈兩端結(jié)構(gòu)不變,2019/6/25,3、類肽的設計,類肽 peptoid 將C上的側(cè)鏈結(jié)到N上，得到N-取代的氨基酸多聚體成為類肽 與天然存在的肽相比，類肽分子中存在非手性的柔性主鏈，并有分割開的功能基團，其構(gòu)象變化比肽多，同時不能形成分子間氫鍵，分子的空間效應有所變化。 類肽的酶解穩(wěn)定性提高，因無手性中心，易于合成,2019/6/25,某些類肽結(jié)構(gòu),2019/6/25,多數(shù)肽類和蛋白質(zhì)表現(xiàn)出構(gòu)象限定良好的二級結(jié)構(gòu)，由于肽類的柔性，使二級結(jié)構(gòu)也發(fā)生構(gòu)象變化,肽類的二級結(jié)構(gòu)擬似物,、針對肽的高級結(jié)構(gòu)的修飾,整體分子構(gòu)象的限制,2019/6/25,蛋白質(zhì)的二級(Secondary)結(jié)構(gòu)是指肽鏈的主鏈在空間的排列,或規(guī)則的幾何走向、旋轉(zhuǎn)及折疊。它只涉及肽鏈主鏈的構(gòu)象及鏈內(nèi)或鏈間形成的氫鍵。 主要有-螺旋(-helix)、-折疊(-fold)、-轉(zhuǎn)角(-turn)、-轉(zhuǎn)角(-turn)等。,蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu),1、肽類二級結(jié)構(gòu)的分子擬似物,2019/6/25,-轉(zhuǎn)角 -turn,在-轉(zhuǎn)角部分，由四個氨基酸殘基組成; 彎曲處的第一個氨基酸殘基的 -C=O 和第四個殘基的 N-H 之間形成氫鍵，形成一個不很穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。 這類結(jié)構(gòu)主要存在于球狀蛋白分子中。,、-轉(zhuǎn)角擬似物,2019/6/25,肽及蛋白中肽鏈經(jīng)常出現(xiàn)180以上的回折，在有四個連續(xù)的氨基酸殘基構(gòu)成的這種回折部分就是-轉(zhuǎn)角。在有些蛋白質(zhì)中，暴露在外的-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)可能就是為識別位點部分，為此，設計系列-轉(zhuǎn)角擬似物，這些結(jié)構(gòu)引入活性肽，顯示出高活性。 -轉(zhuǎn)角是由四個氨基酸 形成,第一和第四氨基酸 之間形成氫鍵,使之穩(wěn)定,-轉(zhuǎn)角,、-轉(zhuǎn)角擬似物,2019/6/25,某些非肽類的-轉(zhuǎn)角擬似物,AIDS致病因子HIV-1先與靶細胞結(jié)合成融合體，去殼后其RNA進入含有糖蛋白CD4-T的宿主細胞。研究表明，CD4的第4045氨基酸殘基是與HIV糖蛋白120結(jié)合的重要結(jié)合域，該片斷也含有一個暴露于肽鏈表面的-轉(zhuǎn)角,2019/6/25,2019/6/25, -轉(zhuǎn)角(-turn)擬似物 -轉(zhuǎn)角是由三個氨基酸形成在第一和第三個氨基酸間形成氫鍵,-轉(zhuǎn)角,-轉(zhuǎn)角擬似物,2019/6/25,-折疊,-折疊是由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒樁折疊構(gòu)象 在-折疊中，-碳原子總是處于折疊的角上，氨基酸的R基團處于折疊的棱角上并與棱角垂直，兩個氨基酸之間的軸心距為0.35nm；,-pleated sheet, -折疊擬似物,2019/6/25,-折疊結(jié)構(gòu)的氫鍵主要是由兩條肽鏈之間形成的；也可以在同一肽鏈的不同部分之間形成。幾乎所有肽鍵都參與鏈內(nèi)氫鍵的交聯(lián)，氫鍵與鏈的長軸接近垂直。 -折疊有兩種類型。一種為平行式，即所有肽鏈的N-端都在同一邊。另一種為反平行式，即相鄰兩條肽鏈的方向相反。,-折疊,-折疊擬似物廣泛的應用價值（廣泛用于酶抑制劑、抗原表達、第二信使的信號傳導等）很大程度的促進了各種二肽-折疊擬似物的研究，在蛋白質(zhì)之間或者在酶-底物的作用界面上，由于氫鍵和側(cè)鏈間的相互作用，可形成相應的片狀結(jié)構(gòu)，因此適當?shù)呐帕袣滏I給體、受體和側(cè)鏈功能基可以設計相應的-折疊片層模版。 已有許多-折疊擬似物的報道，包括血管緊張素II、CCK-A、緩激肽、生長激素促泌素、升壓素等受體的非肽激動劑等，,2019/6/25,2019/6/25, -折疊擬似物,具有穩(wěn)定反平行-折疊片層結(jié)構(gòu)的作用-折疊擬似物,人生長激素抑制因子-2受體激動劑（sst2 agonist）上的三個藥效基團，苯基、吲哚和氨基與相應的環(huán)肽非常符合，形成了模擬的-折疊構(gòu)象。但哌啶基上微小的結(jié)構(gòu)修飾就將激動劑轉(zhuǎn)變?yōu)檗卓箘╯st2 antagonist），具有穩(wěn)定反平行-折疊片層結(jié)構(gòu)的作用-折疊擬似物模版如下所示,2019/6/25,sst2 agonist sst2 antagonist,吡咯啉酮經(jīng)常被用作設計-折疊擬似物的模板，如用于HIV-1蛋白酶抑制劑（天冬氨酸蛋白酶抑制劑）的第一代擬似物起源于對HIV-1蛋白酶具有強抑制活性（IC50=0.6nM）,2019/6/25,2019/6/25,-螺旋 -helix,在-螺旋中肽平面的鍵長和鍵角一定； 肽鍵的原子排列呈反式構(gòu)型； 相鄰的肽平面構(gòu)成兩面角；, -螺旋擬似物,2019/6/25,多肽鏈中的各個肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)，形成螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個氨基酸殘基；兩個氨基酸之間的距離為0.15nm; 肽鏈內(nèi)形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺基團的-CO基與第四個氨基酸殘基酰胺基團的-NH基形成氫鍵。 蛋白質(zhì)分子為右手-螺旋。,-螺旋,2019/6/25,-螺旋,2019/6/25, -螺旋擬似物,將相應的片斷引入到小肽分子中使其具有更高的螺旋性，一般右旋最穩(wěn)定，也最易形成,2、其他方法, 限制性單元的應用 利用環(huán)化的方法限制結(jié)構(gòu)的柔性,2019/6/25, 限制性單元的應用,利用一些特殊功能基團（限制單元Constrained units），以加強特殊分子構(gòu)象、獲得所期望的理化性質(zhì)，如引入巰基限制單元不僅提供了限制構(gòu)象的性質(zhì)，同時又提高了分子的疏水性。 如,-亞戊基-巰基丙酸(,-pentamethylene-mercaptopropionic acid,Ppa) ,-二甲基-巰基丙酸(,-dimethyl-mercaptopropionic acid,Dmpa),2019/6/25,2019/6/25,抗利尿素擬似物 X-Phe(NO2)-Phe-Val-Asn-Cys-Pro-Lys-D-tyr-NH2 在X位上引入分別上述四種半胱氨酸衍生物均有活性,在研究嗎啡(morphine）和嗎啡肽(enkephalin）的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，由于嗎啡肽是線性肽，骨架本身易變動，存在著多種受體亞型，在體內(nèi)又容易迅速降解，導致生物活性構(gòu)象難以確定。以雙環(huán)的剛性骨架的限制單元連接，得到和受體具有高親和性，活性遠遠高于嗎啡，半衰期小的衍生物（,2019/6/25,起始物 IC50 = 9nM IC50 =27nM, 利用環(huán)化的方法限制結(jié)構(gòu)的柔性,促甲狀腺激素釋放激素（TRH）可提高細胞外乙酰膽堿水平,加速乙酰膽堿的轉(zhuǎn)運,改善學習記憶,作為神經(jīng)肽藥物,可以治療運動神經(jīng)疾病和阿茨海黙病。但穩(wěn)定性較差，以其為先導物，利用環(huán)化的方法設計新的激動劑或拮抗劑,2019/6/25,2019/6/25,、整體分子構(gòu)象的限制,對活性肽分子構(gòu)象進行整體性限制（global restriction）是通過環(huán)合操作改變線型肽的柔性結(jié)構(gòu)。環(huán)合的結(jié)果是參與環(huán)內(nèi)的每個氨基酸殘基的自由度減小，從而穩(wěn)定了特定的二級結(jié)構(gòu)。 柔性使肽類不可能具有特定的構(gòu)象和受體結(jié)合，通過肽的環(huán)化（cyclization of peptides），可降低線性母體分子的柔性，穩(wěn)定肽的二級結(jié)構(gòu)。 生物活性肽環(huán)化后的穩(wěn)定構(gòu)象若與活性要求結(jié)構(gòu)相似，必須增加功效和選擇性。一些天然肽也具有環(huán)狀結(jié)構(gòu).,天然環(huán)化物,Sormatostain的環(huán)狀類似物（酰胺成環(huán)）,2019/6/25,2019/6/25,