第二章第三節(jié)定量構(gòu)效關(guān)系

1、第三節(jié)第三節(jié) 定量構(gòu)效關(guān)系定量構(gòu)效關(guān)系Quantitative Structure-Activity Relationships，QSAR 人們研究藥物的中心問題是揭示藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、理化人們研究藥物的中心問題是揭示藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)與生物活性之間的內(nèi)在聯(lián)系。性質(zhì)與生物活性之間的內(nèi)在聯(lián)系。19世紀(jì)中葉就有人提出世紀(jì)中葉就有人提出了它們的定量關(guān)系式了它們的定量關(guān)系式:=F(C) (式式212)式中式中和和C分別表示化合物的生物效應(yīng)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。后來分別表示化合物的生物效應(yīng)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。后來，Meyer和和Overton的研究表明，一些化合物的脂水分配系的研究表明，一些化合物的脂水分配系數(shù)與麻醉

2、作用呈線性關(guān)系。數(shù)與麻醉作用呈線性關(guān)系。直到直到20世紀(jì)世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了年代，出現(xiàn)了3個(gè)個(gè)QSAR模型，即模型，即Hansch分析分析(Hansch analysis)、Free-Wilson模型模型(Free-Wilson model)和模式識(shí)別和模式識(shí)別(Pattern recognition)。其中應(yīng)用較廣的是。其中應(yīng)用較廣的是Hansch分析。分析。本節(jié)我們主要簡要介紹本節(jié)我們主要簡要介紹Hansch分析法和三維定分析法和三維定量構(gòu)效關(guān)系研究中的比較分子場分析法。量構(gòu)效關(guān)系研究中的比較分子場分析法。一、一、Hansch分析分析 Hansch分析認(rèn)為，給藥后，藥物在體內(nèi)經(jīng)歷隨機(jī)運(yùn)行到

3、達(dá)靶部位，在那里發(fā)生藥物受體相互作用并產(chǎn)生藥效(BE)。其中C為藥量，A為到達(dá)靶的概率，Kx為限速反應(yīng)的速率常數(shù)。藥效與藥物的3個(gè)基本性質(zhì)可能存在定量關(guān)系。這3個(gè)性質(zhì)是疏水性、電性效應(yīng)和立體效應(yīng)。( (一一) )基本操作步驟基本操作步驟 1確定先導(dǎo)化合物(Lead compound)，改變其化學(xué)結(jié)構(gòu) 的某一基團(tuán)或某一部分X，用如下通式表示。X可與先導(dǎo)化合物的脂肪鏈或芳基相聯(lián)。 設(shè)計(jì)不同性質(zhì)的X并合成這些化合物。2定量地測定和評(píng)價(jià)這些化合物的體內(nèi)或體外活性BE。3凋定、計(jì)算或查工具書獲得這些化合物或X的理化參數(shù)，即疏水、電性和立體參數(shù)。4用回歸分析建立Hansch方程(式213)。lgP、和Es

4、分別表示疏水性、電性和立體性質(zhì)。回歸分析包括選取合適的理化參數(shù)，用數(shù)學(xué)運(yùn)算求得各系數(shù)1-3和常數(shù)4。方程的可信性需經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)。5若能獲得一個(gè)初步的方程，再根據(jù)方程預(yù)測和設(shè)計(jì)下一批化合物，重復(fù)步驟1-4。(二二)結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù) 1疏水參數(shù)疏水參數(shù) 常用的疏水參數(shù)有分配系數(shù)常用的疏水參數(shù)有分配系數(shù)lgP和疏水常數(shù)和疏水常數(shù)(見本章見本章)。lgP常用正辛醇和水系統(tǒng)，用搖瓶法測定。常用正辛醇和水系統(tǒng)，用搖瓶法測定。值可查有值可查有關(guān)工具書，它具有加和性關(guān)工具書，它具有加和性(式式214)，分子的分配系數(shù)，分子的分配系數(shù)lgP還可通過分子表面積和體積的計(jì)算獲得。還可通過分子表面積和體積的計(jì)算獲得。

5、如普萘洛爾分配系數(shù)的計(jì)算：如普萘洛爾分配系數(shù)的計(jì)算：實(shí)測值為實(shí)測值為3.33。疏水參數(shù)也可采用高效液相色譜的疏水參數(shù)也可采用高效液相色譜的t保留和薄層色譜的保留和薄層色譜的Rf值值等表征疏水性質(zhì)的數(shù)據(jù)。等表征疏水性質(zhì)的數(shù)據(jù)。還可用計(jì)算機(jī)計(jì)算分子的體積和表面積等參數(shù)，用這些參數(shù)還可用計(jì)算機(jī)計(jì)算分子的體積和表面積等參數(shù)，用這些參數(shù)計(jì)算分子的分配系數(shù)。計(jì)算分子的分配系數(shù)。2電性參數(shù)電性參數(shù) 電性參數(shù)采用電性參數(shù)采用Hammett常數(shù)常數(shù)。它表達(dá)取代基的電性效應(yīng)，對(duì)有機(jī)。它表達(dá)取代基的電性效應(yīng)，對(duì)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)速率或平衡常數(shù)帶來定量影響，用化學(xué)反應(yīng)速率或平衡常數(shù)帶來定量影響，用Hammett方程表示方程

6、表示。 0 0和和分別表示未取代和取代的化合物的速率常數(shù)或平衡常數(shù)。分別表示未取代和取代的化合物的速率常數(shù)或平衡常數(shù)。為常數(shù)，取決于特定的反應(yīng)，與取代基無關(guān)。為常數(shù)，取決于特定的反應(yīng)，與取代基無關(guān)。是取代基的特性常數(shù)，是取代基的特性常數(shù)，與反應(yīng)的性質(zhì)無關(guān)。與反應(yīng)的性質(zhì)無關(guān)。 例如取代的苯甲酸的解離，在例如取代的苯甲酸的解離，在25的水中，的水中，=1，式，式215變?yōu)樽優(yōu)?式式216)，移項(xiàng)得，移項(xiàng)得(式式2-17)。取代基為吸電子，取代基為吸電子，K K值增大，值增大，為正；取代基為推電子，為正；取代基為推電子，K K值減小，值減小，為為負(fù)。因此，口為吸電子或推電子強(qiáng)弱的度量。取代基在苯環(huán)上

7、還與具體負(fù)。因此，口為吸電子或推電子強(qiáng)弱的度量。取代基在苯環(huán)上還與具體位置有關(guān)，在對(duì)位為位置有關(guān)，在對(duì)位為pp，間位為，間位為mm。常見取代基的常見取代基的pp值如下：值如下： 脂肪族系列的取代基則有脂肪族系列的取代基則有。還有反映誘導(dǎo)效應(yīng)的。還有反映誘導(dǎo)效應(yīng)的I和共軛效應(yīng)的和共軛效應(yīng)的R，它們有如下關(guān)系：它們有如下關(guān)系：這些參數(shù)可從有關(guān)的工具書中查到。這些參數(shù)可從有關(guān)的工具書中查到。此外，偶極矩、核磁共振的化學(xué)位移、紅外的吸收譜率等都可作為電性此外，偶極矩、核磁共振的化學(xué)位移、紅外的吸收譜率等都可作為電性參數(shù)參數(shù)。3立體參數(shù)立體參數(shù) 經(jīng)典的立體參數(shù)是經(jīng)典的立體參數(shù)是Taft立體參數(shù)立體參數(shù)E

8、s。在乙酸乙酯?；泥徫灰敫鳌Ｔ谝宜嵋阴ヵ；泥徫灰敫鞣N取代基，它們酸性水解的速率與鄰位取代基的大小有關(guān)，立體參種取代基，它們酸性水解的速率與鄰位取代基的大小有關(guān)，立體參數(shù)數(shù)Es與水解速率常數(shù)的關(guān)系用式與水解速率常數(shù)的關(guān)系用式219表示。表示。H和和X分別為乙酸乙酯和取代乙酸乙酯的水解速率常數(shù)。取代基分別為乙酸乙酯和取代乙酸乙酯的水解速率常數(shù)。取代基X為為氫時(shí)，氫時(shí)，Es=0；其它取代基的；其它取代基的Es值均小于零。值均小于零。摩爾折射系數(shù)摩爾折射系數(shù)MR也可作為立體參數(shù)。也可作為立體參數(shù)。 式中式中n為化合物的折光率，為化合物的折光率，M為相對(duì)分子質(zhì)量，為相對(duì)分子質(zhì)量，d為密度。為密度

9、。Verloop用長度參數(shù)用長度參數(shù)L和和4個(gè)寬度參數(shù)個(gè)寬度參數(shù)(B1、B2、B3和和B4)作為作為立體參數(shù)。立體參數(shù)。4生物活性強(qiáng)度生物活性強(qiáng)度 生物活性強(qiáng)度是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到同樣效應(yīng)生物活性強(qiáng)度是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到同樣效應(yīng)的藥物濃度或劑量。例如半有效劑量的藥物濃度或劑量。例如半有效劑量ED50，半，半致死量致死量LD50和半抑制濃度和半抑制濃度IC50等。若等。若C為等效為等效濃度，則生物活性強(qiáng)度也可用濃度，則生物活性強(qiáng)度也可用1/C或或lg(1/C)表示。表示。C越小，越小，1/C或或lg（1/C）越大，則活性越強(qiáng)。為）越大，則活性越強(qiáng)。為便于比較，濃度和劑量都用物質(zhì)的量表示便于比較，

10、濃度和劑量都用物質(zhì)的量表示。通過生物活性強(qiáng)度與特性參數(shù)回歸分析，得通過生物活性強(qiáng)度與特性參數(shù)回歸分析，得Hansch方程：方程：此式表示生物活性強(qiáng)度與各參數(shù)線性相關(guān)。也可能有復(fù)雜情況，如出此式表示生物活性強(qiáng)度與各參數(shù)線性相關(guān)。也可能有復(fù)雜情況，如出現(xiàn)最適疏水常數(shù)，此時(shí)生物活性強(qiáng)度與疏水參數(shù)呈拋物線關(guān)系，方程現(xiàn)最適疏水常數(shù)，此時(shí)生物活性強(qiáng)度與疏水參數(shù)呈拋物線關(guān)系，方程為：為： (三三)Hansch方程的推導(dǎo)方程的推導(dǎo) 生物效應(yīng)速率與三個(gè)因素有關(guān)，即藥物分子在一定時(shí)間內(nèi)通過生物效應(yīng)速率與三個(gè)因素有關(guān)，即藥物分子在一定時(shí)間內(nèi)通過“隨隨機(jī)運(yùn)行機(jī)運(yùn)行”到達(dá)限速反應(yīng)部位的概率到達(dá)限速反應(yīng)部位的概率A，給藥

11、的劑量，給藥的劑量C，引起生物效，引起生物效應(yīng)的限速反應(yīng)的速率常數(shù)應(yīng)的限速反應(yīng)的速率常數(shù)x。用式。用式223表示：表示：假定假定A與化合物的分配系數(shù)與化合物的分配系數(shù)1gPo呈正態(tài)分布，即式中呈正態(tài)分布，即式中a,b為常數(shù)，為常數(shù)，lgPo為為正態(tài)分布的正態(tài)分布的lgP的極值，為一常數(shù)。的極值，為一常數(shù)。為比較不同的化合物，規(guī)定一個(gè)相同的生物效應(yīng)速率，因此，為比較不同的化合物，規(guī)定一個(gè)相同的生物效應(yīng)速率，因此，d(BR)dt為常數(shù)為常數(shù)。式。式223變?yōu)椋鹤優(yōu)椋?四四)Hansch分析的意義和應(yīng)用分析的意義和應(yīng)用lHansch分析能預(yù)測同源物的生物活性，有助于認(rèn)識(shí)藥物的作用機(jī)分析能預(yù)測同源物的

12、生物活性，有助于認(rèn)識(shí)藥物的作用機(jī)理，對(duì)合理設(shè)計(jì)藥物有一定的指導(dǎo)作用。理，對(duì)合理設(shè)計(jì)藥物有一定的指導(dǎo)作用。l具有下列結(jié)構(gòu)的化合物有抗癌活性，它的化療指數(shù)與取代基參數(shù)具有下列結(jié)構(gòu)的化合物有抗癌活性，它的化療指數(shù)與取代基參數(shù)及及p有如下關(guān)系：有如下關(guān)系：式式229告訴我們，親水性和推電子基團(tuán)有利于活性的提高。告訴我們，親水性和推電子基團(tuán)有利于活性的提高。羥基的羥基的=-0.67，p=-0.37，合成該化合物，回歸分析得，合成該化合物，回歸分析得n=8時(shí)時(shí)r=0.919?；钚缘膶?shí)驗(yàn)值與計(jì)算值相當(dāng)一致?；钚缘膶?shí)驗(yàn)值與計(jì)算值相當(dāng)一致。如果某類化合物的活性、毒性與分配系數(shù)有圖如果某類化合物的活性、毒性與分配

13、系數(shù)有圖224所示關(guān)所示關(guān)系。其中系。其中l(wèi)gPo(A)和和lgPo(B)分別是活性和毒性的極值，構(gòu)效分別是活性和毒性的極值，構(gòu)效關(guān)系告訴我們，設(shè)計(jì)分配系數(shù)為關(guān)系告訴我們，設(shè)計(jì)分配系數(shù)為lgPo(A)的化合物是不可取的化合物是不可取的，因此時(shí)其毒性也相當(dāng)高。而分配系數(shù)為的，因此時(shí)其毒性也相當(dāng)高。而分配系數(shù)為lgPi的化合物是的化合物是適宜的。適宜的。將青蒿素將青蒿素(Artemisinin)的的10羰基氫化得二氫青蒿素，并由此得一系羰基氫化得二氫青蒿素，并由此得一系列衍生物，其構(gòu)效關(guān)系如下：列衍生物，其構(gòu)效關(guān)系如下：式式233表明，其活性與分配系數(shù)密切相關(guān)表明，其活性與分配系數(shù)密切相關(guān),I,為

14、指示變量，表示為指示變量，表示10位取代基的構(gòu)型，就整個(gè)衍生物系統(tǒng)而言，位取代基的構(gòu)型，就整個(gè)衍生物系統(tǒng)而言，構(gòu)型更有效。構(gòu)型更有效。對(duì)二氫吡啶類鈣拮抗劑的研究得如下方程：對(duì)二氫吡啶類鈣拮抗劑的研究得如下方程：、mm表示取代基在表示取代基在1 144二氫吡啶的平面之上，二氫吡啶的平面之上，o o，m m表示離開表示離開1 1，44二氫吡啶平面。二氫吡啶平面。 由式由式234獲得如下信息：獲得如下信息：活性與活性與、m和立體位阻有關(guān)，和立體位阻有關(guān)，疏水性強(qiáng)、吸電子的基團(tuán)對(duì)提高活性有利，基團(tuán)的長度疏水性強(qiáng)、吸電子的基團(tuán)對(duì)提高活性有利，基團(tuán)的長度L對(duì)活性不利；對(duì)活性不利；p取代對(duì)活性不利，取代對(duì)活

15、性不利，om與與om方向?qū)Ψ较驅(qū)钚杂休^大影響，活性有較大影響，om取向比取向比om取向好，即取代基應(yīng)取向好，即取代基應(yīng)離開離開1，4二氫吡啶平面。二氫吡啶平面。 (五五)應(yīng)用的限度應(yīng)用的限度 Hansch Hansch分析不能產(chǎn)生先導(dǎo)化合物，在實(shí)際運(yùn)用中有的分析不能產(chǎn)生先導(dǎo)化合物，在實(shí)際運(yùn)用中有的能成功，但有的不一定成功。這是由于藥物實(shí)際作用過能成功，但有的不一定成功。這是由于藥物實(shí)際作用過程往往比較復(fù)雜，生物活性的測定和參數(shù)的客觀性也受程往往比較復(fù)雜，生物活性的測定和參數(shù)的客觀性也受到限制。構(gòu)效關(guān)系的理論告訴我們，若將過程中藥物動(dòng)到限制。構(gòu)效關(guān)系的理論告訴我們，若將過程中藥物動(dòng)力相和藥效相

16、分別研究，可能獲得較好的結(jié)果。在藥效力相和藥效相分別研究，可能獲得較好的結(jié)果。在藥效相可采取體外測試的方法，所得數(shù)據(jù)更客觀，模型與作相可采取體外測試的方法，所得數(shù)據(jù)更客觀，模型與作用機(jī)理也更一致。在藥物動(dòng)力相方面，有人正在研究藥用機(jī)理也更一致。在藥物動(dòng)力相方面，有人正在研究藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與藥物動(dòng)力學(xué)的定量關(guān)系。物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與藥物動(dòng)力學(xué)的定量關(guān)系。 二、三維定量構(gòu)效關(guān)系二、三維定量構(gòu)效關(guān)系 1980年以后，出現(xiàn)了三種典型的三維定量構(gòu)效關(guān)系年以后，出現(xiàn)了三種典型的三維定量構(gòu)效關(guān)系(3DQSAR)方法，它們是方法，它們是Hopfinger等的分子形狀分等的分子形狀分析析(Molecular shap

17、e analysis，MSA)，Crippen等的等的距離幾何學(xué)方法距離幾何學(xué)方法(Distance geometry,DG)，Cramer等等的比較分子場分析的比較分子場分析(Comparative molecular field analysis，CoMFA)。它們探索生物活性分子的三維構(gòu)。它們探索生物活性分子的三維構(gòu)象性質(zhì)，精確地反映生物活性分子與受體相互作用的能象性質(zhì)，精確地反映生物活性分子與受體相互作用的能量變化和圖形，更深刻地揭示藥物量變化和圖形，更深刻地揭示藥物受體相互作用的機(jī)受體相互作用的機(jī)理。理。這里主要介紹比較分子場分析。它要求：這里主要介紹比較分子場分析。它要求：確定研究

18、體系各化合物的確定研究體系各化合物的藥效構(gòu)象，依據(jù)合理的重疊規(guī)則，把它們重疊在一個(gè)能包容全部化合藥效構(gòu)象，依據(jù)合理的重疊規(guī)則，把它們重疊在一個(gè)能包容全部化合物的空間網(wǎng)格上。物的空間網(wǎng)格上。計(jì)算化合物分子各種作用場的空間分布。按化合計(jì)算化合物分子各種作用場的空間分布。按化合物分子與受體的作用方式，選擇合適的探針基團(tuán)，計(jì)算探針基團(tuán)在每物分子與受體的作用方式，選擇合適的探針基團(tuán)，計(jì)算探針基團(tuán)在每個(gè)空間網(wǎng)格上與化合物分子的作用能量。個(gè)空間網(wǎng)格上與化合物分子的作用能量。Kim用用H20作疏水基團(tuán)的探作疏水基團(tuán)的探針，用針，用CH3代表范德華力，用代表范德華力，用H+作為靜電作用的探針。計(jì)算它們與各作為靜電作用的探針。計(jì)算它們與各化合物原子的相互作用能量，與生物活性值一起建成數(shù)據(jù)表化合物原子的相互作用能量，與生物活性值一起建成數(shù)據(jù)表(表表212)，用偏最小二乘法用偏最小二乘法(Partial least square，PLS)建立建立3DQSAR方程。方程。生物活性生物活性=y+S001+bS002+mS998+nE001+zE998 (式式2-35)CoMEA方法反映了化合物與受體相互作用的三維結(jié)構(gòu)，以作用場方法反映了化合物與受體相互作用的三