第三章基于生物活性肽的藥物設(shè)計(jì)課件

1、第三章 基于生物活性肽的藥物設(shè)計(jì)藥物設(shè)計(jì)學(xué)1. 掌握類肽的基本概念、設(shè)計(jì)原理和方法。2. 熟悉類肽在藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。3. 了解某些重要內(nèi)源性生物活性肽的結(jié)構(gòu)和功能。 【學(xué)習(xí)要求】?jī)?nèi)源性生物活性肽是生物體中存在的一類重要的生理活性物質(zhì)。在生物體中能與相應(yīng)的受體結(jié)合，引發(fā)特異性的生物學(xué)反應(yīng)，參與一系列重要的生理調(diào)節(jié)過程。許多內(nèi)源性生物活性肽已經(jīng)被分離和結(jié)構(gòu)鑒定。藥物化學(xué)家應(yīng)用它們作為藥物發(fā)現(xiàn)的先導(dǎo)物，經(jīng)過結(jié)構(gòu)修飾和改造，得到了許多生物活性肽的結(jié)構(gòu)類似物，被稱之為類肽（peptidomimetics）、肽模擬物、肽擬似物或擬肽，可用于各種疾病的預(yù)防和治療。類肽的設(shè)計(jì)與合成已成為新藥發(fā)現(xiàn)的重要途徑之

2、一。 第一節(jié) 肽類化合物的結(jié)構(gòu)與功能一、肽類化合物的結(jié)構(gòu)與功能肽鍵的二面角、和由C-C1-N-C構(gòu)成的肽鍵基本為一平面，為180 10 ，呈反式構(gòu)象存在，角度用表示。 由C1-N-C-C1形成的兩面角用表征。由N-C-C1-N形成的兩面角為。 二、機(jī)體中某些重要的內(nèi)源性生物活性肽 1. P物質(zhì)（substance P，SP）興奮平滑肌和舒張血管而降低血壓，拮抗嗎啡和內(nèi)啡肽的作用。2. 神經(jīng)激肽 神經(jīng)激肽A和B（neurokinin A和B），顯示像P物質(zhì)一樣的降血壓作用。（一）神經(jīng)肽3. 神經(jīng)緊張素 神經(jīng)緊張素（neurotensin，NT）于1973年從牛小腸中分離得到，除典型的血漿激肽效應(yīng)

3、（降低血壓、對(duì)腸和子宮的收縮作用）外，還能在不影響生長(zhǎng)激素釋放的情況下增加黃體生成素（LH）和促卵泡成熟激素（FSH）的分泌。4. 內(nèi)啡肽和腦啡肽 腦啡肽在痛覺傳遞中作為脊髓中疼痛抑制神經(jīng)的遞質(zhì)起作用。由于多肽本身的性質(zhì)，腦啡肽和內(nèi)啡肽難以用于治療，并且將其鎮(zhèn)痛作用從成癮性和依賴性中分離出來的愿望也尚未實(shí)現(xiàn)。1. 促甲狀腺素釋放激素 thyrotropin-releasing hormone（TRH）是一個(gè)三肽，TRH調(diào)節(jié)促甲狀腺素和催乳素的合成和釋放，促進(jìn)血漿中的游離碘向甲狀腺組織的攝入，并用于治療和診斷甲狀腺疾病。 （二）下丘腦產(chǎn)生的釋放激素和釋放抑制激素2. 促黃體激素釋放激素或促性腺激

4、素釋放激素 luteinizing hormone-releasing hormone（LHRH）也稱為促性腺激素釋放激素，具有黃體激素釋放和促卵泡成熟激素釋放活性。3. 促腎上腺皮質(zhì)激素 adrenocorticotropic hormone（ACTH）產(chǎn)生于腺垂體，刺激腎上腺皮質(zhì)細(xì)胞分泌和產(chǎn)生甾體激素如皮質(zhì)醇和醛固酮等。通過反饋機(jī)制，皮質(zhì)激素抑制ACTH的垂體分泌。4. 縮宮素（oxytocin）和后葉加壓素（vasopressin） 后葉加壓素通過增加腎滲透性引起水的再吸收，如果后葉加壓素水平太低，水的再吸收就不再有保障，甚至引起尿崩癥。后葉加壓素的最重要的治療作用是在尿崩癥中的抗利尿作

5、用。后葉加壓素還可以增高血壓和腸蠕動(dòng)。縮宮素用于產(chǎn)科的引產(chǎn)，例如在生育中保持子宮收縮和催乳。1. 胰泌素和胰高血糖素。2. 促胃液素和縮膽囊素-促胰酶素。（三）內(nèi)分泌活性肽（胃腸肽、胰腺肽）3. 胰島素（insulin） 為一環(huán)狀五十一肽。胰島素對(duì)任何器官都沒有專屬性，但在肝、肌肉和脂肪細(xì)胞中進(jìn)行的大量代謝活動(dòng)都依賴于胰島素，胰島素能促進(jìn)葡萄糖的代謝，影響葡萄糖的運(yùn)轉(zhuǎn)，胰島素分泌的減少是導(dǎo)致糖尿病的主要原因。1. 腎素血管緊張素系統(tǒng)的活性肽 腎素（renin）血管緊張素（angiotensin）系統(tǒng)在血壓調(diào)節(jié)之中起重要作用，當(dāng)血壓降低或交感神經(jīng)興奮時(shí)，腎素即從近腎小球的腎細(xì)胞分泌，然后腎素底物

6、血管緊張素原（angiotensinogen）釋放一種生物學(xué)非活性十肽血管緊張素。血管緊張素在血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（ACE）的作用下，形成血管緊張素。血管緊張素具有收縮血管平滑肌的作用，是已知的作用最強(qiáng)的升壓物質(zhì)之一。（四）心血管系統(tǒng)活性肽因此，通過抑制ACE，阻止血管緊張素向血管緊張素轉(zhuǎn)化，即可抑制血壓升高，由此ACE抑制劑應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過腎素 血管緊張素系統(tǒng)降血壓的另一途徑是通過抑制腎素，阻斷血管緊張素原轉(zhuǎn)化為血管緊張素 。2. 緩激肽（bradykinin）3. 心鈉素（atrial natriuretic factor，ANF）4. 內(nèi)皮素（endothelin）5. 血管活性腸肽（vaso

7、active intestinal peptides）降鈣素（calcitonin）產(chǎn)生于甲狀腺特異細(xì)胞，從牛、蛙和人等不同來源的降鈣素為C端含有相同的CysSerAsnLeuSerThrCys殘基由二硫橋鍵形成的環(huán)狀三十二肽。降鈣素通過刺激骨形成細(xì)胞引起磷酸鈣在骨架上沉降，由此降低骨鈣向血液中釋放，降低血鈣和磷酸鹽水平。一些天然和人工合成的降鈣素臨床用于治療骨質(zhì)疏松癥。（五）降鈣素第二節(jié) 類肽的設(shè)計(jì)原理與方法肽類作為藥物使用存在許多缺點(diǎn)易被內(nèi)源性肽酶快速降解；具有免疫原性，注射使用易產(chǎn)生過敏反應(yīng)；口服生物利用度較低；因分子的柔性結(jié)構(gòu)，可以與幾種不同的靶點(diǎn)相互作用，缺乏選擇性；排泄快，作用時(shí)間

8、短；不能穿過血腦屏障，難以到達(dá)中樞神經(jīng)起作用。為克服上述缺點(diǎn)，需要對(duì)肽結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)修飾或改造，得到人工合成的類肽化合物。類肽（peptidomimetics）：一類能夠模擬天然肽分子，具有配基或底物樣識(shí)別功能，可以與受體或酶相互作用，從而激活或阻斷某種內(nèi)源性活性肽的生物學(xué)作用的肽類似物或非肽。以內(nèi)源性生物活性肽為先導(dǎo)物，設(shè)計(jì)類肽的途徑有兩個(gè)：一是通過改變天然活性肽的分子結(jié)構(gòu)，衍生出活性肽的類似物或非肽類化合物；二是基于內(nèi)源性活性肽的受體或代謝酶的分子設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)非肽模擬物。本章重點(diǎn)介紹第一方面的內(nèi)容。氨基酸上的C上的氫原子被甲基取代后，使肽鍵骨架構(gòu)象的二面角/的變化區(qū)域即N-C和C-C（O）鍵

9、的旋轉(zhuǎn)受到嚴(yán)格的限制。一、構(gòu)型限制性氨基酸的設(shè)計(jì)（一）氨基酸的-甲基化（二），- 二取代甘氨酸增免疫蘇精肽（tuftsin，3-44）擬似物的設(shè)計(jì)：化合物（3-45）的活性與（3-44）相同；化合物（3-46）和（3-47）由于改變了分子中易被水解的Thr-Lys鍵，增加了對(duì)酶水解的穩(wěn)定性；化合物（3-48）和（3-49）增加細(xì)胞介素釋放的活性強(qiáng)于增免疫蘇精肽。（三）-氨基環(huán)烷羧酸（四）苯丙氨酸類似物（五）脯氨酸類似物由于N-甲基化導(dǎo)致N上氫原子的減少，含有這類氨基酸的肽其氫鍵形式與未甲基化的肽是不同的，N-甲基酰胺鍵都有順反異構(gòu)。N-甲基化導(dǎo)致了酰胺鍵附近的空間位阻的增大，不僅在構(gòu)象限制方面

10、，同時(shí)在防止或減少肽鍵酶解、增加代謝穩(wěn)定性和提高生物利用度方面都起了重要作用。（六）N-甲基化在許多情況下，引入D-氨基酸能增強(qiáng)肽的生物活性，現(xiàn)已應(yīng)用于腦啡肽、生長(zhǎng)激素釋放因子和縮宮素等生物活性肽類似物的研究中。如當(dāng)腦啡肽分子中2位的Gly被D-Ala取代，所得的類肽活性高且代謝穩(wěn)定性增強(qiáng)，而用L-Ala取代則無活性。（七）引入D-氨基酸（八）其他氨基酸類似物（構(gòu)象限定）酰胺鍵在生物體內(nèi)易被酶降解，為增強(qiáng)生物活性肽的代謝穩(wěn)定性，用不同的原子或基團(tuán)代替酰胺鍵或?qū)Ⅴ０锋I逆轉(zhuǎn)，即通過生物電子等排置換法對(duì)肽骨架進(jìn)行修飾是類肽設(shè)計(jì)的重要方法。肽骨架的改變會(huì)引起肽鏈構(gòu)型、構(gòu)象或拓?fù)鋵W(xué)的改變，并且在電性分布

11、、疏水性、分子的偶極矩、氫鍵的形成能力方面都發(fā)生改變，因而影響生物活性的強(qiáng)度，甚至使作用翻轉(zhuǎn)。 多肽的一個(gè)或幾個(gè)酰胺鍵被電子等排體取代得的肽類似物又被稱為假肽（pseudopeptide）。二、肽鏈骨架的修飾在生理pH條件下，亞甲氨基的氨基因能質(zhì)子化，故不能成為氫鍵受體。酰胺鍵的還原對(duì)生物活性有較大影響，甚至導(dǎo)致活性完全相反，如由激動(dòng)劑變成拮抗劑或改變激動(dòng)劑或拮抗劑的功效。當(dāng)然，生物活性的變化亦隨修飾部位的不同而有差異。還原型假肽的分子柔韌性增加，可引入一些限制性集團(tuán)，如可以對(duì)碳原子或氮原子進(jìn)行甲基化、乙基化或氧甲基化。（一）亞甲基胺CH2NH作為腎素底物的最小肽段是血管緊張素原的His6-P

12、ro-Phe-His-Leu-Leu-Val-Tyr13八個(gè)氨基酸的肽段，為尋找能同腎素結(jié)合而不被腎素酶水解的競(jìng)爭(zhēng)性腎素類肽抑制劑，將其中的某些肽鍵還原成亞甲氨基，得到一系列高活性類肽。體外實(shí)驗(yàn)表明其中化合物（3-72）活性最好。亞甲基硫醚被認(rèn)為是一種能提供分子極性、柔韌性和代謝穩(wěn)定性的酰胺電子等排體。分子模型研究表明亞甲基硫醚與肽和蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)相一致。酰胺鍵被亞甲基硫醚代替后，仍保留對(duì)肽骨架的立體限制性。硫醚易被氧化為（R）-或（S）-構(gòu)型的亞砜，得到的亞甲基亞砜也是一種有用的酰胺電子等排體，它可產(chǎn)生手性中心，為一種高限制性結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的氫鍵接受體能力（與亞甲基硫醚比較）。（二）亞甲基

13、硫醚CH2S和亞甲基亞砜CH2S（O）用亞甲基醚鍵代替酰胺鍵的修飾在某些方面好于亞甲基硫醚修飾，其原因是：同硫原子相比，氧原子的親核性和被氧化的可能性幾乎可以忽略不計(jì)；氧醚具有較大的極性，可形成較強(qiáng)的氫鍵；亞甲基醚鍵與酰胺鍵在幾何形狀上十分相近。（三）亞甲基醚CH2O硫代酰胺作為酰胺的電子等排體被引入活性肽中，經(jīng)光譜技術(shù)研究表明它具有與酰胺相似的Z平面構(gòu)型，硫羰基的鍵長(zhǎng)和硫原子的共價(jià)半徑都大于羰基和氧的相應(yīng)值，因其體積較大，對(duì)硫代酰胺附近的旋轉(zhuǎn)角具有更大的限制性，含有該鍵的肽分子中殘基所允許的二面角構(gòu)象減少。與酰胺相比，硫代酰胺中的NH是較強(qiáng)的氫鍵供體，具有較強(qiáng)酸性；而硫羰基則為較弱的氫鍵接受

14、體。（四）硫代酰胺C（S）NH亞甲基酮與酰胺鍵相比，羰基碳和亞甲基碳間的鍵無任何雙鍵性質(zhì)，亞甲基的氫也不能形成氫鍵。在一些天然氨基肽酶抑制劑中發(fā)現(xiàn)有亞甲基酮結(jié)構(gòu)存在，其對(duì)絲氨酸蛋白酶的抑制機(jī)制可能是酶中的絲氨酸殘基與抑制劑的酮羰基相互作用形成了半縮酮結(jié)構(gòu)，它與肽鍵水解時(shí)形成的過渡態(tài)的四面體結(jié)構(gòu)十分相似。（五）亞甲基酮COCH2和氟代亞甲基酮COCHF或COCF2當(dāng)亞甲基的一或兩個(gè)氫原子用氟原子取代，得到的氟代亞甲基酮。由于氟的原子半徑與氫原子接近，用其修飾的立體位阻最小。氟化還可增加水溶性，氟代亞甲基酮水化過程與肽鍵酶催化水解過程形成的四面體過渡態(tài)相似，在設(shè)計(jì)絲氨酸蛋白水解酶抑制劑時(shí)氟代類似物

15、可提高抑制活性。聚合肽和蛋白質(zhì)的肽鍵一般都為反式構(gòu)型。在已報(bào)道的反式酰胺類似物中，反式碳碳雙鍵在幾何形狀、鍵角、鍵長(zhǎng)上最為相似。酰胺鍵仍具有一定程度的可塑性并能形成氫鍵，反式烯鍵代替反式酰胺鍵后消除了形成氫鍵的可能性。以反式烯鍵代替酰胺鍵增強(qiáng)了肽類分子的疏水性，提高了由生物轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞膜包括穿越血腦屏障的能力，同時(shí)也增強(qiáng)了代謝穩(wěn)定性。（六）（E）乙烯型CHCH和（E）氟代乙烯型CHCF在反式烯鍵基礎(chǔ)上發(fā)展了反式氟代烯鍵等排體。由于氟原子的電子性質(zhì)與氧原子相近，因此反式氟代烯鍵更相似于酰胺鍵。亞乙基也是還原酰胺鍵的一種修飾類型，由于無極性，故有許多不同的性質(zhì)，應(yīng)用該修飾類型不能形成分子內(nèi)氫鍵，從而使

16、肽骨架構(gòu)象的可塑性增大。（七）亞乙基CH2CH2逆轉(zhuǎn)修飾是將酰胺鍵NHC（O）中的羰基和亞氨基互換，以得到肽的類似物，是最常用的一種保護(hù)酰胺鍵提高抗酶解能力的方法。這種修飾類型引入活性肽形成的類肽具有活性強(qiáng)、選擇性高和代謝穩(wěn)定的特點(diǎn)。如促胃液素gastrin（3-73）的酰胺鍵逆轉(zhuǎn)擬似物（3-74）是其受體的強(qiáng)效拮抗劑，結(jié)構(gòu)中N端的異亮氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)楫愇於?，中間的天冬氨酸由正向變?yōu)榉聪?，C端的苯丙酰胺變成芐基丙二酰胺。（八）酰胺鍵的的逆轉(zhuǎn)將肽鏈中兩個(gè)相鄰鍵合的氨基酸用不同方式橋聯(lián)，對(duì)肽的構(gòu)象加以限制，兩個(gè)被橋聯(lián)限制的氨基酸應(yīng)當(dāng)是與受體結(jié)合的重要藥效團(tuán)，而且在橋聯(lián)環(huán)上可進(jìn)一步有各種取代基、并環(huán)、稠

17、合等限制因素。根據(jù)橋聯(lián)的位置和方式可分為以下幾種：三、二肽片段擬似物（一）兩個(gè)-碳的環(huán)合（二）兩個(gè)氮原子間的環(huán)合（三）-碳與氮原子的環(huán)合肽類分子的柔性決定了生物活性肽不可能具有特定的構(gòu)象與靶點(diǎn)分子結(jié)合，對(duì)活性肽分子整體性限制（global restriction）可通過肽的環(huán)化來實(shí)現(xiàn)。肽的環(huán)化可以降低線形母體分子的柔性，穩(wěn)定肽的特殊二級(jí)結(jié)構(gòu)，但環(huán)化部分不應(yīng)是參與酶或受體識(shí)別的氨基酸側(cè)鏈或骨架。生物活性肽經(jīng)環(huán)化后得到的穩(wěn)定構(gòu)象若與生物活性所要求的構(gòu)象相似，則可以增加活性和提高選擇性。四、整體分子構(gòu)象的限定骨架連接是成環(huán)方法之一，通過N原子分別與另一個(gè)N原子、側(cè)鏈、N端或C端形成環(huán)狀化合物A、B、

18、C和D。（一）骨架連接成環(huán)側(cè)鏈之間的環(huán)化應(yīng)用更為普遍，還可以側(cè)鏈與C端，側(cè)鏈與N端或C端與N端連接成環(huán)，但應(yīng)考慮N端或C端是否為保持活性所必需的。（二）側(cè)鏈連接成環(huán)肽分子中若含有一個(gè)堿性氨基酸殘基，可以與C端以酰胺鍵成環(huán)；若含有一個(gè)酸性氨基酸殘基，則可以與N端以酰胺鍵成環(huán)；分子中若含有兩個(gè)酸性氨基酸殘基或兩個(gè)堿性氨基酸殘基，可分別用乙二胺或丁二酸形成二酰胺的環(huán)狀結(jié)構(gòu)；分子中若同時(shí)含有酸性和堿性氨基酸殘基，除可直接內(nèi)酰胺化外，還可與適當(dāng)?shù)陌被人峥s合形成環(huán)狀類肽。若分子中含有半胱氨酸（Cys）或其他含巰基的類似物，可以通過二硫橋鍵成環(huán)。-螺旋結(jié)構(gòu)被每個(gè)殘基的羰基氧和沿著這條鏈的第4個(gè)殘基的NH基

19、所形成分子內(nèi)氫鍵而穩(wěn)定。五、肽二級(jí)結(jié)構(gòu)的分子模擬（一）-螺旋模擬物-折疊是一種肽鏈相當(dāng)伸展的結(jié)構(gòu)，它是由兩條肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的兩段肽鏈之間的CO與N-H形成氫鍵而成。-折疊有兩種類型：平行的和反平行的-折疊。（二）-折疊模擬物多肽中比較常見的二級(jí)結(jié)構(gòu)還有-轉(zhuǎn)角。在蛋白質(zhì)分子中肽鏈經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)180的回折，在這種肽鏈的回折角上就是-轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)。一個(gè)-轉(zhuǎn)角包括相連的4個(gè)殘基，從結(jié)構(gòu)上看就是第1個(gè)殘基的CO與第4個(gè)殘基的N-H形成氫鍵。（三）-轉(zhuǎn)角模擬物-轉(zhuǎn)角是由3個(gè)氨基酸通過與-轉(zhuǎn)角類似的方式形成的。（四）-轉(zhuǎn)角擬似物設(shè)計(jì)類肽模擬物的思路應(yīng)轉(zhuǎn)移到模擬天然配體與靶點(diǎn)結(jié)合之后所呈現(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來，而不是

20、執(zhí)著于模擬天然配體的平面結(jié)構(gòu)。 六、基于內(nèi)源性活性肽與靶點(diǎn)結(jié)合后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分子設(shè)計(jì)第三節(jié) 類肽在藥物設(shè)計(jì)中的案例分析1. 腦啡肽類似物 X射線晶體學(xué)研究表明，腦啡肽有兩種不同的構(gòu)象，一種是在Tyr1與Phe4之間形成兩個(gè)反平行的氫鍵，呈一種-折疊U形構(gòu)象；另一種為完全伸展的構(gòu)象?；诙嚯呐浠赡芘c不同的受體亞型以不同的構(gòu)象而相互作用的假設(shè)，為提高對(duì)受體的選擇性，人們對(duì)其進(jìn)行了環(huán)化修飾，以得到整體構(gòu)象限制的類肽。由于腦啡肽Tyr1的游離氨基是保持阿片活性所必需的，環(huán)化一般采用側(cè)鏈與側(cè)鏈或側(cè)鏈與C端兩種環(huán)合方式。引入D-氨基酸也是獲得類肽常見的修飾方法之一，而且常常起關(guān)鍵作用。在很多情況下，D-氨

21、基酸的引入可提高生物活性。將腦啡肽的第2個(gè)殘基Gly改為 D-Ala，藥效顯著提高，這一置換可能有助于-轉(zhuǎn)角的形成并有利于與受體結(jié)合，還能抵制酶的破壞作用。通過對(duì)多肽中的氨基酸N-甲基化可對(duì)其進(jìn)行構(gòu)象限制，N-甲基酰胺鍵都有順反異構(gòu)，而且因?yàn)镹-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。另外，N-甲基化導(dǎo)致了酰胺鍵附近的空間位阻增大，不僅在構(gòu)象限制方面，同時(shí)在防止或減少肽鍵酶解、增加代謝穩(wěn)定性和提高生物利用度方面都起了重要作用。骨架修飾二級(jí)結(jié)構(gòu)模擬物腦肽啡的-轉(zhuǎn)角模擬物2. -分泌酶抑制劑-分泌酶又稱BACE1（-site -amyloid precursor protein cleaving enzyme 1），其活性部位具有相對(duì)親水性、淺層、狹長(zhǎng)的特點(diǎn)，是產(chǎn)生-淀粉樣蛋白（-amyloid protein, A）的關(guān)鍵酶。抑制-分泌酶是治療阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）的一條非常有前景的途徑。含statine、homostatine 的-分泌酶抑制劑從放線菌分離得到的天然五肽類似物胃酶抑素（pepstatin，3-11