药物化学 第十七章 药物的化学结构与药效的关系

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1、第十七章药物的化学结构与药效的关系 药物化学 知识目标 了解药物作用的体内靶点 药物发生药效的体内过程了解分子容积和原子间距离对药效的影响理解结构特异性药物和结构非特异性药物的基本概念理解电子云密度 官能团 键合特性和立体异构对药效的影响掌握构效关系和基本结构的概念掌握药物的理化性质对药效的影响 学习目标 能力目标 能区分结构特异性药物和结构非特异性药物能写出药物的基本结构和构效关系的概念能分析药物的理化性质 结构因素对药效的影响 学习目标 本章结构图 第一节药物的构效关系概述 构效关系的概念 构效关系 StructureactivityrelationshipSAR 是指药物的化学结构与生物

2、活性 包括药理与毒理作用 之间的关系 是药物化学的中心内容之一 也是药物化学和分子药理学长期以来所共同探讨的问题 结构特异性药物和结构非特异性药物 根据药物在体内分子水平上的作用方式 可分为结构非特异性药物和结构特异性药物两种类型 前者的生物活性 药理作用 主要受药物分子的各种理化性质影响 与化学结构关系不大 当结构有所改变时 对生物活性无明显影响 后者的生物活性除与药物分子的理化性质相关外 主要取决于药物的化学结构 即受药物分子和受体的相互作用影响 药物结构稍加改变 就会直接产生药效学变化 大多数药物属于后一种类型 药物作用的体内靶点 与药物在体内发生相互作用的生物大分子被称为药物的作用靶点

3、 即致病基因编码的蛋白质和其他生物大分子 如酶 受体 离子通道 核酸等 分子生物学和分子药理学等新兴学科的出现 为阐明许多生物大分子与疾病发生的关系作出了重要的贡献 合理化药物分子设计就是基于生命科学研究揭示的药物体内作用靶点的结构特征 设计药物新分子 以期发现选择性地作用于靶点的新药 决定药效的主要因素 药物发生药效的生物学基础 药物发生药效的体内过程 药物的体内过程是吸收 分布 代谢和排泄 这中间的每一个过程都影响药物的药效 药物发生药效的决定因素有两个 一是药物必须以一定的浓度到达作用部位 药物的转运过程 吸收 分布 排泄 将影响药物在作用部位的浓度 而转运过程又受药物理化性质的影响 因

4、此这一因素由药物的理化性质决定 也是结构非特异性药物生物活性的决定因素 二是药物和受体的相互作用 这一因素与结构特异性药物的生物活性有关 药物的基本结构对药效的影响 在药物构效关系研究中 将具有相同药理作用药物的化学结构中相同或相似的部分 称为相应类型药物的基本结构 如磺胺类药物的基本结构为对氨基苯磺酰胺 药物的基本结构决定结构特异性药物的生物活性 是结构特异性药物发生药效的必需结构部分 在药物的结构改造和新药设计中 基本结构不能改变 只能在非基本结构部分加以变化 以保证其衍生物既保持原有药物的作用 又具有各自特点 课堂活动 讨论 根据学过的知识 请写出三类药物的基本结构 磺胺类药物 巴比妥类

5、药物 H1受体拮抗剂 相关链接 药物在体内作用的生物学靶点药物在体内作用的生物学靶点 主要有受体 酶 离子通道 核酸等 以受体作为药物作用的靶点 受体是一种生物大分子 是存在于生物细胞并能与化学治疗剂专一性结合的结构 主要是蛋白质 部分为糖蛋白和脂蛋白 有时也将酶 核酸和膜聚合体等包括在内 相关链接 以酶作为药物的作用靶点 酶是一种维持 生命正常运转 的重要催化剂 酶的功能与许多疾病有关 现在已分离出许多酶并能够测出他们的三维结构和活性部位 作为药物作用靶点 酶抑制剂意义更大 以离子通道作为药物的作用靶点 最早发现的是钙离子通道 此后钾离子通道 钠离子通道 氯离子通道的研究也越来越多 以核酸作

6、为药物的作用靶点 核酸是人类基因的基本组成单位 是生命过程中重要的化学物质 提供产生蛋白质的信息模板和工具 以核酸为靶点的药物主要是抗肿瘤药和抗病毒药 第二节药物的理化性质对药效的影响 概述 非特异性的药物的生物活性主要受理化性质影响 特异性药物的生物活性主要受化学结构本身的影响 同时也受理化性质的影响 理化性质主要影响药物的转运和代谢 对药效影响较大的理化性质主要是溶解度 脂水分配系数和解离度 溶解度和脂水分配系数对药效的影响 药物溶解度的大小可以用药物的脂水分配系数P表示P Co CwP是在有机相中的量浓度 Co 和水相中的量浓度 Cw 分配达到平衡时的量浓度之比 P值越大 脂溶性越高 常

7、用lgP表示 药物在转运扩散至血液时 需要一定的亲水性 而通过脂质的生物膜时 需要有一定的脂溶性 因此 脂水分配系数应在一定的范围才能显示最好的药效 结构的改变对药物脂水分配系数影响显著 引入烷基 卤素 芳环 酯基和硝基等可以增加药物的脂溶性 如要透过血脑屏障 作用于中枢神经系统的药物 需要较强的亲脂性 药物分子中如引入亲水性的磺酸基 羧基 羟基 酰胺基 胺基等 一般导致水溶性增高 解离度对药效的影响 多数药物具弱酸性或弱碱性 在体液中可部分解离 药物的解离度取决于解离常数pKa和介质的pH 醋酸的解离 甲胺的解离 根据上述解离式和公式可知 当介质的pH值较小时 弱碱性化合物的离子型浓度增大

8、其分子型浓度减小 而弱酸性化合物的离子型浓度减小 其分子型浓度增大 一般情况下 药物的离子型和分子型同时存在 药物以未解离的分子通过生物膜 在膜内的水相介质中解离成离子再起作用 药物在其解离度大的环境下很难跨膜吸收 一方面可以利用药物的解离度决定其吸收和作用部位 另一方面可以利用药物的解离度降低药物的毒副作用 如胃肠道各部位的pH不同 不同pKa的药物在胃肠道各部分的吸收情况也有差异 在药物结构中引入季铵基团 增大解离度 使其难以通过血脑屏障 可以达到降低药物对中枢神经系统副作用的目的 课堂活动 判断阿司匹林 pKa 3 5 和可待因 pKa 8 口服时 在胃肠道中哪个部位吸收较多 为什么 胃

9、液的pH约为1 在此条件下 阿司匹林99 呈分子态 易为胃所吸收 而可待因多呈离子型 吸收很少 但其多在肠道 pH 7 8 中吸收 实例分析 改变药物的化学结构 导致其解离常数变化 会影响药物的生物活性吗 巴比妥酸pKa约4 12 无镇静催眠作用 而其5位双取代的苯巴比妥 为较强的镇静催眠药 为什么 分析 巴比妥酸在5位没有取代基时 pKa约4 12 在生理pH7 4时 有99 以上呈离子型 不能通过血脑屏障进入中枢神经系统而起作用 而当将其5位双取代后 pKa值一般为7 0 8 5之间 如苯巴比妥 pKa7 4 在生理pH下约有50 左右以分子形式存在 可进入中枢神经系统而起作用 第三节药物

10、的结构因素对药效的影响 结构特异性药物一般与受体结合 形成复合物才能产生特定的药理作用 其活性主要取决于药物与受体的结合力 即化学结构本身 影响药物与受体结合的因素有电子云密度 官能团 键合特性 分子大小及立体因素等 概述 药物的电子云密度对药效的影响 受体一般是蛋白质 电子云密度分布是不均匀的 药物的电子云密度分布也是不均匀的 如果药物的正负电荷正好和受体的负正电荷相适应 就会产生静电引力 利于相互作用而结合 形成复合物 如机体蛋白质的等电点多在7以下 在生理pH下多以负离子形式存在 而多数药物分子常带有吸电子基团 形成正电中心 可以和受体的负电区域形成复合物而产生药理效应 官能团 药物的药

11、理作用主要依赖于分子整体 官能团可使分子结构和性质发生变化 影响药物与受体的结合而影响药效 一般药物分子结构中有多种活性功能基团 每种官能团对药物性质的影响不同 对药效亦产生不同的影响 常见官能团对药效的影响 共价键 共价键键能最大 药物和受体以共价键结合时 形成不可逆复合物 除非被体内特异性地酶解可使共价键断裂外 很难恢复原形 因而这样的药物产生的作用比较强而持久 但如有毒性 也是不可逆的 如多数抗感染药物与微生物的酶以共价键结合 产生不可逆的抑制作用 从而发挥高效和持续的治疗作用 再有烷化剂类抗肿瘤药的作用机理亦是如此 键合特性对药效的影响 氢键 氢键是药物与受体最普遍的结合方式 药物分子

12、中的O S N F等原子中的孤对电子 可以和受体上与N O S F共价结合的H形成氢键 氢键的键能约为共价键的1 10 但氢键的存在数量往往较多 对药物的活性产生的影响较大 电荷转移复合物 电荷转移复合物 CTC 又称电荷迁移络合物 是在电子相对丰富与电子相对缺乏的分子间发生键合形成的化合物 电荷转移复合物的键能较低 与氢键键能相似 复合物相对比较稳定 电荷转移复合物的形成可增加药物的稳定性及溶解度 增强药物与受体的结合作用 金属螯合作用 金属离子和提供电子的配位体可形成金属络合物 含有两个以上的配基 供电基 的配位体称螯合剂 螯合物是由两个或两个以上的配位体和一个金属离子通过离子键 共价键或

13、配位键等形成的环状结构化合物 一般五元环以上较稳定 金属螯合作用主要用于重金属中毒的解毒或形成杀菌剂 目前在抗肿瘤药物研究中也较为活跃 常见的为铂配合物 相关链接 金属螯合作用应用临床的实例 消旋青霉胺可与铜离子形成2 1螯合物 含有两个可离解的羧基 水溶性很好 因此作为铜的解毒剂 用于治疗因铜排泄作用降低 产生铜蓄积引起的肝豆状核变性 8 羟基喹啉与高铁离子可形成2 1螯合物 作用于细菌表面而呈现细胞毒作用 而3 1螯合物却无效 其中羟基或喹啉氮原子被甲基化 都因失去螯合作用 无杀菌活性 丙亚胺与阿霉素都是抗肿瘤药 合用可降低由阿霉素引起的心肌毒性 原因是丙亚胺与Fe3 螯合 减少了阿霉素与

14、Fe3 复合物的形成 药物的分子容积和原子间距离对药效的影响 药物与受体是以三维结构形式结合的 其三维结构与受体是否匹配 对药物的作用影响较大 因此药物分子容积大小及原子间距离 特别是一些与受体作用部位相关的官能团间的距离 能影响药物 受体复合物的互补性 一般药物和受体之间有两个以上的结合点 而药物结构中结合点相互之间的距离与受体中结合点相互之间的距离相同或相近时 药物与受体才可以相互结合 旋光异构 具有手性中心的药物称为手性药物 手性药物的光学异构体 除了旋光性不同之外 它们有着相同的物理性质和化学性质 少数手性药物的光学异构体的药理作用相同 但在更多的手性药物中 左旋体与右旋体的生物活性并

15、不相同 药物光学异构体生理活性的差异 反映了药物与受体结合时的较高的立体要求 反映出受体对药物的立体选择性 药物的立体异构对药效的影响 光学异构对药理活性的影响 几何异构 几何异构是由于双键等刚性或半刚性结构的存在 导致分子内旋转受到限制而产生的 一般来说 几何异构体官能团间距离相差较大 引起理化性质 如pKa 溶解度 脂水分配系数等都不同 使药物的吸收 分布和排泄速率不同 因而药物活性有很大差异 例如顺反己烯雌酚的雌激素活性不同 反式己烯雌酚活性强 顺式己烯雌酚活性很弱 构象异构 分子内各原子或基团的空间排列因单键旋转而发生动态立体异构现象 为构象异构 conformers 自由能低的构象由

16、于稳定 出现几率高 为优势构象 药物与受体相互作用时 能为受体识别并与受体结构互补结合的药物的构象称为药效构象 药效构象并不一定是药物的优势构象 通过寻找药效构象可以确定与受体结合的情况 为新药设计提供信息 重点提示 药物的基本结构 溶解度和脂水分配系数 解离度 电子云密度 官能团 键合特性 立体异构对药效的影响等 药物的化学结构与药效的关系 药物作用方式 影响药物活性的因素 课程小结 结构特异性药物 多数 结构非特异性药物 少数 有基本结构 无基本结构 影响药效的主要因素 结构因素 与受体结合的能力 影响药效的主要因素 理化性质 结构因素 电荷密度 官能团 分子容积原子间距离 键合特性 立体异构 旋光 几何 构象异构 共价键氢键电荷转移复合物金属螯合作用 理化性质 溶解度脂水分配系数 解离度 P Co Cw 同步测试 单项选择题1 阿司匹林为酸性药物 其吸收部位是 A 胃中易吸收B 小肠中易吸收C 胃 肠中都易吸收D 胃 肠中都不吸收 A 胃中易吸收 2 由于含手性碳原子而产生的立体异构是 A 光学异构B 几何异构C 差向异构D 构象异构3 己烯雌酚分子中具有双键刚性结构 具有的立体