醫(yī)學(xué)資料6X射線衍射在藥學(xué)中的應(yīng)用

1、X-射線晶體學(xué)在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用2021/7/18 星期日X-射線晶體學(xué)在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用1 微量化合物或全未知化合物的分子結(jié)構(gòu)測定2 以共晶方式存在的混合物分子結(jié)構(gòu)測定3 絕對構(gòu)型測定4 構(gòu)象分析5 氫鍵、鹽鍵、配位鍵等的計算與分子排列規(guī)律6 原料藥中溶劑分子的確定7 生物大分子結(jié)構(gòu)分析8 為計算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計提供起始三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。2021/7/18 星期日1 微量化合物或全未知化合物的分子結(jié)構(gòu)測定隨著分離、提取等分析技術(shù)的飛速發(fā)展,從天然產(chǎn)物中可獲得低含量的化合物,單晶X射線衍射分析只需要一顆單晶體(約1/ 41/ 6 mg 量) ,就可直接使用單晶X射線分析技術(shù)獨(dú)立完成所需的化合物的全部

2、結(jié)構(gòu)測定工作,而一般不再需要借助其它譜學(xué)(NMR、MS等) 信息。2021/7/18 星期日2 以共晶方式存在的混合物分子結(jié)構(gòu)測定共晶在固體藥物樣品中是常見的現(xiàn)象,最簡單的例子是藥物分子與溶劑或結(jié)晶水分子以共晶方式存在。共晶分子結(jié)構(gòu)可以由異構(gòu)體形成,也可以由不同結(jié)構(gòu)分子形成。在藥物研究中確切地了解共晶樣品的組成成分,以及它們實際存在的比例是至關(guān)重要的。單晶X 射線衍射分析技術(shù)對藥物中的共晶樣品可以給出準(zhǔn)確、定量的分析結(jié)果。2021/7/18 星期日Chemical & Pharmaceutical Bulletin (2008), 56(4), 439-442.Different config

3、uration2021/7/18 星期日Different Structure2021/7/18 星期日3 分子絕對構(gòu)型的測定如無特別說明，單晶X 射線分析給出的是分子的相對構(gòu)型。應(yīng)用單晶X 射線分析方法可獲得藥物分子的絕對構(gòu)型。測定藥物分子絕對構(gòu)型常用的方法有以下幾種。應(yīng)用反常散射法測定分子絕對構(gòu)型:利用分子中所含原子(特別是重原子) 的X 射線反常散射(色散) 效應(yīng),可以準(zhǔn)確地測定分子構(gòu)型。2021/7/18 星期日Principle of X-ray anomalous dispersion method 反常散射法測定天然產(chǎn)物絕對構(gòu)型的原理2021/7/18 星期日正常條件下結(jié)構(gòu)因子F

4、(hkl)=fjexp2i(hxj+kyj+lzj) （f為原子散射因子）當(dāng)原子上的電子被看成自由電子時，對X-射線的散射因子為f0，散射波與入射波的相角差為固定值。當(dāng)分子中只有輕原子時，原子上的電子可被看成自由電子，衍射點(diǎn)的分布遵守Friedels 定律，即 Ihkl = I-h-k-l , hkl = -h-k-l, Fhkl2= F-h-k-l 2 Fhkl為結(jié)構(gòu)因子； “Ihkl”為衍射強(qiáng)度.2021/7/18 星期日反常散射不同原子對電子的束縛能力不同，重原子對電子的束縛能力強(qiáng)，導(dǎo)致了其對X-射線的散射能力與自由電子有所不同，散射相角也發(fā)生一定漂移，稱為反常散射。2021/7/18

5、星期日在重原子存在的條件下Ihkl I-h-k-l , hkl -h-k-l, Fhkl2 F-h-k-l 2Fhkl2= (1-x) Fhkl2 + xF-h-k-l 2式中x即為絕對構(gòu)型因子(Flack parameter);當(dāng)x趨近于0時，式中右邊第二項趨近于0，此時所得的分子模型即為化合物的絕對構(gòu)型；當(dāng)x趨近于1時，式中右邊第一項趨近于0，此時所得的分子模型即為化合物絕對構(gòu)型的反型。Cu靶輻射的反常散射能力強(qiáng)，而Mo靶輻射的反常散射能力弱測定絕對構(gòu)型因子即可獲得分子的絕對構(gòu)型 2021/7/18 星期日單晶X-射線衍射測定天然產(chǎn)物絕對構(gòu)型的應(yīng)用方法2021/7/18 星期日當(dāng)分子中含有

6、重原子時（原子序數(shù)大于硅原子）采用Cuk或Mok輻射，均可獲得具有顯著意義的絕對構(gòu)型因子，從而可判斷分子的決對構(gòu)型，例如：cycloartan-3,29- diol-23-one 3,29-disodium sulfateJiang, R. W.; et al. J. Nat. Prod. 2008, 71, 1616-1619.Flack parameter 0.05 (3)(3S, 4R, 5R, 8S, 9S, 10R, 13R, 14S, 17R, 20R)2021/7/18 星期日當(dāng)分子中不含重原子時1) 大多數(shù)天然產(chǎn)物分子由碳、氫、氮、氧組成，不含重原子，采用反常散射能力較強(qiáng)的Cu

7、k輻射（可將氮、氧看成較重原子），對于大部分結(jié)構(gòu)，仍然可以計算出正確的絕對構(gòu)型，例如:19-norbufenolide ATian et al. Chem. A Eur. J. 2010, 16, 10989-10993.2021/7/18 星期日2) 與已知構(gòu)型分子如酒石酸、枸櫞酸共結(jié)晶橘櫞酸托瑞米芬Jiang, et al. Zhongguo Yaowu Huaxue Zazhi. 1999, 9, 32-35. 2021/7/18 星期日J(rèn)iang, R. W.; Ma, S. C.; But, P. P. H.; Mak, T. C. W. J. Nat. Prod. 2001, 64

8、, 1266-1272. 3）利用分子中已確認(rèn)的局部構(gòu)型信息確定分子絕對構(gòu)型2021/7/18 星期日4) 向天然產(chǎn)物中引入已知構(gòu)型片段(S)-2-methoxy-2-(1-naphthyl)propionic ester of PF1140Fujita, et al. J. Antibiot. 2005, 58(6): 425427.2021/7/18 星期日5）引入重原子向天然產(chǎn)物中引入重原子，常用的方法有形成生物堿的鹽酸鹽，氫溴酸鹽或氫碘酸鹽，或進(jìn)行對溴苯甲?；磻?yīng)等，例如:2021/7/18 星期日例如: absolute configuration of neostenine，空間群

9、 P212121Neostenine is an alkaloid isolated from the root tubers of Stemona tuberosa Lour. Flack parameter x= 1(2) Flack parameter x= 0(2) Mok輻射2021/7/18 星期日引入重原子Jiang, et al. J. Mol. Struct. 2010, 966(1-3), 18-22.2021/7/18 星期日中間產(chǎn)物2的絕對構(gòu)型分析Flack parameter x= -3(2) Flack parameter x= 4(2) 2021/7/18 星期日

10、產(chǎn)物3的絕對構(gòu)型分析Flack parameter x= 0.04(1) 2021/7/18 星期日產(chǎn)物4的絕對構(gòu)型分析Flack parameter x= -0.03(0.066) 絕對構(gòu)型與產(chǎn)物3一致2021/7/18 星期日Absolute configuration of stenineC1 SC9 RC9a RC10 RC11 RC12 RC13 SJiang, et al. J. Mol. Struct. 2010, 966(1-3), 18-22.2021/7/18 星期日單晶X-射線衍射測定天然產(chǎn)物絕對構(gòu)型的局限性1、能否得到合用的單晶（制約環(huán)節(jié)）2021/7/18 星期日2）

11、如晶體屬于含對稱中心和對稱面的空間群，不能測定絕對構(gòu)型，例如：三斜：P-1；單斜：P21/c；C2/c正交：PbcaP-1 外消旋體Jiao, et al. J. Nat. Prod. 2010, 73(2), 167-171. 需要折分2021/7/18 星期日3) 部分Cuk輻射數(shù)據(jù)，其最終絕對構(gòu)型因子大于0.3，或偏差較大，難以判斷其絕對構(gòu)型?？赡茉蛴校汉?、氧比例低，測定時沒有用低溫。解決方法：可用前面的引入局部已知構(gòu)型、引入重原子或與手性試劑共結(jié)晶等方法，也可降低衍射數(shù)據(jù)收集時的溫度。2021/7/18 星期日4 構(gòu)象分析從單晶X射線衍射分析所得分子的立體結(jié)構(gòu)中,可以準(zhǔn)確地計算出被

12、測化合物的構(gòu)象信息: 即組成藥物分子骨架各環(huán)的船或椅式構(gòu)象、環(huán)與環(huán)間的順反聯(lián)接方式、環(huán)自身的平面性質(zhì)、環(huán)與環(huán)間的扭轉(zhuǎn)角、側(cè)鏈的相對取向位置、大環(huán)構(gòu)象等。Tetrahedron Letters 2002, 43, 2415-24182021/7/18 星期日5 氫鍵、鹽鍵、配位鍵等的計算與分子排列規(guī)律氫鍵、鹽鍵、配位鍵等是研究藥物分子生物活性中的重要信息。利用單晶X 射線衍射分析結(jié)果,可以準(zhǔn)確地計算出藥物分子的氫鍵、鹽鍵、配位鍵的成鍵方式和數(shù)值。特別是分子內(nèi)與分子間氫鍵的關(guān)系,將影響晶態(tài)下分子在空間形成確定排列方式,由此可獲得分子在空間的層狀、螺旋、隧道或空穴等各種排列關(guān)系,這些重要信息將有助于

13、了解和解釋藥物分子的作用機(jī)理。2021/7/18 星期日6 原料藥中溶劑分子的確定在新藥與制藥研究中,原料藥中是否含有結(jié)晶水分子或溶劑分子?特別是當(dāng)重結(jié)晶過程中使用過對人體有害的溶劑時,它們是否進(jìn)入晶格? 其含量是多少? 單晶X 射線衍射分析可以準(zhǔn)確地回答這些問題。2021/7/18 星期日失碳香茶菜二萜與水的包結(jié)物相對構(gòu)型圖與立體結(jié)構(gòu)投影圖 2021/7/18 星期日2021/7/18 星期日Li, Guo Qiang; Li, Yao Lan; Wang, Guo Cai; Liang, Zhi Hong; Jiang, Ren Wang. Acta Crystallographica,

14、Section E: Structure Reports Online 2011, E67(8), o21922021/7/18 星期日2021/7/18 星期日7 生物大分子及其復(fù)合物的結(jié)構(gòu)測定天然產(chǎn)物中的水溶部分多含有蛋白質(zhì)、多肽、多糖類等化合物,這類物質(zhì)的生物活性一直是藥物化學(xué)家關(guān)注的內(nèi)容。現(xiàn)有波譜分析方法,除NMR 對多肽、蛋白質(zhì)等分子量低于5 萬,且有同源性質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)取得進(jìn)展外,欲得到更大分子的準(zhǔn)確三維結(jié)構(gòu),還只能借助于單晶X 射線衍射分析方法。我國晶體學(xué)家早在20 世紀(jì)70 年代就完成了結(jié)晶豬胰島素的X 射線晶體結(jié)構(gòu)測定工作。2021/7/18 星期日DNA雙螺旋模型 1953年

15、3月，沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）在X-射線衍射實驗的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋模型，從而揭開了分子生物學(xué)的新篇章。 沃森、克里克、威爾金斯因發(fā)現(xiàn)核酸的分子結(jié)構(gòu)及其對生命物質(zhì)信息傳遞的重要性分享了1962年的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。2021/7/18 星期日 英國生物化學(xué)家肯德魯（John Cowdery Kendrew）和佩魯茲（Max Ferdinand Perutz），用X-射線衍射分析法研究血紅蛋白和肌紅蛋白，而且共同研究X-射線衍射晶體照相術(shù)，以及蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)與功能。 1960年，他們把一些蛋白質(zhì)分子和衍射X-射線效率特別高的大質(zhì)量原子（如金或

16、汞的原子）結(jié)合起來，首次精確地測定了蛋白質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)?？系卖敽团弭敶姆窒砹?962年的諾貝爾化學(xué)獎。血紅蛋白和肌紅蛋白2021/7/18 星期日維生素B12 英國女化學(xué)家霍奇金（Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin）研究了數(shù)以百計固醇類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其中包括維生素D2 （鈣化甾醇）和碘化膽固醇。她在運(yùn)用X-射線衍射技術(shù)測定復(fù)雜晶體和大分子的空間結(jié)構(gòu)的研究中取得了巨大成就。1949年她測定出青霉素的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了青霉素的大規(guī)模生產(chǎn)。1957年又成功測定出了抗惡性貧血的有效藥物維生素B12的巨大分子結(jié)構(gòu)，使合成維生素B12成為可能。 由于霍奇金這兩項成果意義重大，影響深遠(yuǎn)，她于1

17、964年獲諾貝爾化學(xué)獎。2021/7/18 星期日胰島素分子結(jié)構(gòu) 1955年，英國生物化學(xué)家桑格（Frederick Sanger）研究確定了牛胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu)， 從而奠定了合成胰島素的基礎(chǔ)，并促進(jìn)了對蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的研究。 22年后，桑格借助于X-射線分析法與美國生物化學(xué)家吉爾伯特（Walter Gilbert）、伯格（Paul Berg）確定了胰島素分子結(jié)構(gòu)和DNA核苷酸順序以及基因結(jié)構(gòu)而共獲得1980年諾貝爾化學(xué)獎。2021/7/18 星期日水通道蛋白 2000年，美國科學(xué)家阿格雷（Peter Agre）與其他研究人員應(yīng)用場發(fā)射電子源的電子衍射方法得到分辨率為3.8埃的AQPl 水通道電

18、子密度圖，發(fā)現(xiàn)了一種被稱為水通道蛋白的細(xì)胞膜蛋白就是人們尋找已久的水通道，并公布了世界第一張水通道蛋白的高清晰度立體照片。 阿格雷和麥金農(nóng)因為對膜蛋白分子和離子通道開創(chuàng)性的研究，而共同分享了2003 年的諾貝爾化學(xué)獎。2021/7/18 星期日DNA的復(fù)制過程 美國科學(xué)家科恩伯格（Roger Kornberg）從20世紀(jì)70年代開始使用X-射線衍射技術(shù)結(jié)合放射自顯影技術(shù)，在美國斯坦福直線加速器中心的同步輻射裝置SSRL上進(jìn)行實驗，研究遺傳信息最初復(fù)制到RNA中的過程，對此過程中各個階段的DNA、RNA和聚合酶的復(fù)合體進(jìn)行結(jié)晶，用X-射線拍下各個階段的復(fù)合體的照片，并第一個成功地將DNA的復(fù)制過程捕捉下來，從而揭示了真核生物體內(nèi)的細(xì)胞如何利用基因內(nèi)存儲的信息生產(chǎn)蛋白質(zhì)?？贫鞑癖皇谟?006年諾貝爾化學(xué)獎。 2021/7/18 星期日 2003年7月，中國科學(xué)家成功解析了SARS冠狀病毒主要蛋白酶的三維結(jié)構(gòu)，這是世界上首次解析出SARS冠狀病毒蛋白酶的晶體結(jié)構(gòu)，為研制抗“非典”藥物奠定了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 研究在同步輻射國家實驗室，利用多波長反常衍射實驗技術(shù)，測定了該酶在四種不同條件下的三維空間結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)闡述了該酶在底物結(jié)合區(qū)域的精確構(gòu)象。SARS冠狀病毒主要蛋白酶2021/7/1