2 前 言 许多药物具有可被水解代谢的官能团（加入一 分子H2O) 水解的主要官能团是酯、酰胺和环氧化物 某些二相代谢物也能被水解回母体药物 3 水解途径（Hydrolytic Pathways） 酯、酰胺和硫酯的水解 （Hydrolysis of Esters, Amides, and Thioesters） 酯酶（Esterases） 酰胺酶 （Amidases） 环氧化物水解（Hydrolysis of Epoxides） 硫酸酯和葡萄糖醛酸苷的水解（Hydrolysis of Sulfates and Glucuronides） 4 酯、酰胺和硫酯的水解 水解的容易程度：硫酯 酯 酰胺 产物是一分子羧酸和一分子硫醇、醇或胺 5 水解反应的难易程度 酰胺比酯更难水解，由于氮原子上的孤对电子分散在氮 和羰基碳之间的键上，导致键级大于1，即多于一个单 键（基于同样理由，酰胺不具有碱性） 这种电子的分散对酰胺比对酯更重要，因为氧的电负性 更强，因此氧上的非键合电子与氮相比更不易分散 虽然硫比氮的电负性弱，但其孤对电子处于更外层轨道， 与羰基碳的p轨道没有明显重叠 6 水解反应的难易程度 普鲁卡因和普鲁卡因胺的代谢是比较酯和酰胺水解速度差异的良 好例子：两种药物的差别仅在于一个是酯，另一个是酰胺 由于酯的水解，普鲁卡因的半衰期仅约为1分钟，而普鲁卡因胺的 半衰期约为4小时，且主要通过肾清除而不是代谢，仅观察到很少 的对氨基苯甲酸代谢物 7 水解反应的难易程度 但是，如果是芳香胺生成的酰胺，因为氮上的电子被分散在芳香 环上，则减弱了上述的氮原子孤对电子效应，即增强N-羰基键， 使之水解性增强 对脂肪胺和芳香胺生成的酰胺之间差别的另一种解释是，芳香胺 的氮孤对电子分散到芳香环上，使羰基碳原子上的部分正电荷不 容易获得电子，则羰基亲电性更强，容易受到酶的亲核进攻 在脂肪族酰胺的情况下，氮孤对电子自由分散于羰基碳上，使其 部分正电荷中和，不易受到亲核进攻 总之，联接氮原子的芳香体系使酰胺的电子密度降低，其结果是 芳香酰胺比脂肪酰胺的水解更迅速，这也是芳香胺的碱性弱于脂 肪胺的原因 8 水解反应的难易程度 相反，联接在羰基上的芳香体系对水解速度没有明显影响，因为 芳香环不明显增加羧酸的酸性 利多卡因比普鲁卡因胺更容易水解，二甲基苯胺是其主要代谢产 物之一 9 水解反应的难易程度 含硫酯结构的药物很少，但在醛脱氢酶催化的醛氧化过 程中，中间产物之一是酶的硫醇生成的硫酯，它容易水 解回该酶的硫醇形式和羧酸产物 10 水解反应的难易程度 某些羧酸是以酯类前药形式给药，如依那普利是依那普 利拉的前药，酯比酸更容易经肠道吸收，然后在酯酶的 作用下容易水解为活性药物 11 水解反应的难易程度 虽然水解酶根据它们的主要底物命名为酯酶和酰胺酶， 但是同一个酶往往能水解酯、硫酯和酰胺，因此，酯酶 和酰胺酶的区分有时是人为的 肝中的水解活性最高，但在血清中存在伪胆碱酯酶活性， 肠菌群也含有水解酶 12 酯 酶 参与人体内药物代谢的酯酶主要 分为三类：胆碱酯酶（乙酰胆碱 酯酶，伪胆碱酯酶，丁酰胆碱胆 碱酯酶），羧酸酯酶，和 paraoxonase（二乙基对硝基 苯磷酸酯酶，对氧磷酶） 所有酯酶都使用相同的催化三组 合（丝氨酸组氨酸谷氨酸）。
13 酯 酶 丝氨酸的羟基进攻酯类底物的羧基 组氨酸和谷氨酸作为电荷传递体系同步作用，谷氨酸将一个质子 转移到组氨酸的N3，同时组氨酸N1给出质子，使底物酯的羰基质 子化，后者由于丝氨酸羟基的进攻而具有负电荷 该过程降低形成四面体中间体的活化能 14 酯 酶 生成的四面体中间体发生电子的反向流动，从该中间体的羟基到 组氨酸N1，并将组氨酸N3的质子转移到谷氨酸上 这催化键的裂解，释放出醇，并产生丝氨酸酰化的酶 进一步的水解释放出活化的酶和羧酸 15 乙酰胆碱酯酶 乙酰胆碱酯酶的基本功能是在各种胆碱能神经末梢通过水解结束 神经递质乙酰胆碱的活性 它可能是人体内最高效的酶，每个酶分子每分钟能水解30万个乙 酰胆碱分子 其基本单位是80 kDa亚单位的同型四聚体，通过糖脂固定在膜 （神经末梢）或细胞表面（血红细胞） 虽然乙酰胆碱酯酶可以高效水解乙酰胆碱，但在药物代谢中不是 主要的水解酶 16 伪胆碱酯酶 伪胆碱酯酶简称胆碱酯酶，具有非常 广的底物选择性，对药物代谢的贡献 要大得多 它不仅可以水解乙酰胆碱，还可以水 解其他胆碱酯，例如肌松药琥珀酰胆 碱 它还可以水解不含胆碱的药物，如局 麻药普鲁卡因、解热镇痛药阿司匹林 伪胆碱酯酶是一个多态性的酶 琥珀酰胆碱是一种麻痹剂，用于防止 外科手术中肌肉抽搐，当它被用于缺 乏伪胆碱酯酶的患者时，他们从手术 麻醉中醒来后，仍然很长时间处于肌 肉麻痹状态 17 胆碱酯酶（Cholinesterase） 体内存在多种胆碱酯酶，特别是丁酰胆碱酯酶，能够催化芳香酰 胺的水解，例如N-(2-硝基苯基)乙酰胺，以及它的烷基类似物（酰 胺的羧酸部分） 18 羧酸酯酶（Carboxylesterases） 在人体中鉴定了两种主要的羧酸酯酶（CES）形式，即hCE-1和 hCE-2，分别是CES1和CES2家族的成员 它们是比乙酰胆碱酯酶小的蛋白，具有60 kDa亚单位，二者的分 布不同 两种同工酶都被发现存在于多种组织，如肝、心、脑、睾丸等， 但hCE-1主要存在于肝中，hCE-2主要存在于小肠中 两者都对药物代谢有显著贡献，但它们的底物选择性不同 hCE-1倾向于水解大酰基和小醇基生成的酯，hCE-2则恰好相反， 倾向于水解小酰基和大醇基生成的酯 19 羧酸酯酶 hCE-1倾向于水解大酰基和小醇基生成的酯，hCE-2则恰好相反， 倾向于水解小酰基和大醇基生成的酯 例如，两种酶都水解可卡因，h-CE1水解甲酯结构单元，hCE-2则 水解苯甲酸酯结构单元 20 羧酸酯酶 hCE-1的其他底物 包括兴奋和减食 欲药苯哌啶醋酸 甲酯，以及非甾 体抗炎药氟比洛 芬以二醇酯 hCE-2的底物包括 海洛因和对硝基 苯乙酸酯 21 酯酶与新药开发 药物代谢水解酶之间一方面存在底物选择性的差异，另一方面它 们的底物也有显著重叠，即它们经常以不同的速度代谢相同的底 物 例如，伪胆碱酯酶、h-CE1和hCE-2都催化海洛因和可卡因的水解 在含羟基的药物上引入酯官能团，可以增加药物吸收，从而提高 口服生物利用度 在开发难吸收药物的前药时，根据各种水解酶的催化和分布性质， 引入酯键官能团已经取得很多成功 22 对氧磷酶（Paraoxonase） 对氧磷酶（PON1）是43 kDa的血清蛋白，几乎完全与高密度脂蛋白相关联 最初，对氧磷酶是由于使对氧磷水解和失活而被鉴定的，对氧磷是对硫磷的 活性代谢物 它也水解其他有机磷酸酯 这是一个特别重要的发现，因为对氧磷是血清伪胆碱酯酶和血清、突触和神 经肌肉接点乙酰胆碱酯酶的自杀性底物抑制剂 因此，PON1似乎是机体对潜在的致命性有机磷酸酯神经毒性的主要防御机制， 避免暴露于毒素 除水解有机磷酸酯外，PON1在压制低密度脂蛋白氧化促进的动脉粥样硬化发 展方面也起着主要保护作用 23 酰胺酶 由于酰胺键存在于食品、蛋白、肽和酶中，它们是机体的结构和 催化元素的主要组分，所以不足为奇，体内含有很多酶，能够通 过水解过程使酰胺键断裂 但在体内环境下，外源性酰胺比酯更稳定，不容易水解，正如它 们在体外化学的酸或碱性环境下的稳定性 多种蛋白水解酶被分泌到消化道（胃和小肠）中，水解摄入的蛋 白，将其分解为氨基酸组分 这些酶被分类为内肽酶和外肽酶，前者水解肽链内部的酰胺键， 后者水解肽链端位的酰胺键 24 酰胺酶 内肽酶包括胰蛋白酶、糜蛋白酶和弹性蛋白酶 胰蛋白酶对于水解由芳香氨基酸的氨基或酸性氨基酸中的氨基组 成的肽键活性最强 糜蛋白酶水解由芳香氨基酸的羰基组成的肽键，在较少程度上水 解亮氨酸和蛋氨酸的羰基组成的肽键 弹性蛋白酶活化中性氨基酸组成的酰胺键 25 酰胺酶 外肽酶包括羧肽酶A、羧肽酶B和亮氨酸氨基肽酶 羧肽酶A是含锌的酶，水解所有羧基末端，除赖氨酸和精氨酸，或 次末端为脯氨酸 羧肽酶B也是含锌的外肽酶，与羧肽酶A形成互补，仅水解羧基末 端的赖氨酸或精氨酸残基 亮氨酸氨基肽酶也是含锌的酶，尽管与其名称不符，但它是非专 一性的，水解大多数氨基末端肽键 这样，释放到肠道中的适当组合酶，可以将蛋白高效分解为其氨 基酸组分，然后被主动吸收 对于药物代谢，氨基肽酶和前述的胆碱酯酶一起，可能最有效地 水解药物的酰胺键 26 环氧化物的水解 环氧化物含有高度张力的三元氧环结构，是具有高度化学反应性 的化合物 它们在体内可能通过细胞色素P450酶氧化碳-碳双键生成 由于它们容易被内源性亲核试剂进攻，例如巯基、氨基、羟基， 导致与关键的生物大分子生成共价键，使之失活或修饰，所以环 氧化物可能有毒性 环境污染物苯并芘的反式-7,8-二氢二醇-9,10-环氧化代谢物具 有高致癌性 27 环氧化物的水解 环氧化物以及芳烃氧化物具有不同程度的化学反应性，通过水解 为二氢二醇而失去毒性 如果环氧化物反应性非常强，不用酶催化即可水解；否则由环氧 化物水解酶（epoxide hydrolase, EH）催化水解 28 环氧化物的水解 环氧化物水解酶是 一族酶，通过催化 环氧化物生成二氢 二醇，使之失活 29 环氧化物水解酶 环氧化物水解酶EH家族的两个成员与药物代谢有关，一个是水溶 性的，另一个是膜键合的微粒体形式 水溶性EH是一个60 kDa的蛋白，在几乎所有组织中都有表达，存 在于胞浆中 微粒体EH是一个49 kDa的蛋白，也在几乎所有组织中都有表达， 位于内质网上 水溶性EH通过反式二苯乙烯氧化物的水解来表征，尽管它的主要 作用是生理性的，与内源性环氧化物的水解有关，例如花生四烯酸 环氧化物 相反，微粒体EH主要使药物代谢产生的环氧化物去毒，例如卡马 西平环氧化物、苯妥英环氧化物、以及多环芳烃等环境污染物的环 氧化物 30 环氧化物水解机理 环氧化物开环和产生二醇产 物的过程分两步进行 第一步，环氧化物开环，形 成烷基化的酶 第二步，释放出二醇产物， 酶再生 两步反应的机理涉及三元物 的催化作用 对于人微粒体EH，三元物是 组成是Asp226, His431, Glu404 对于人水溶性EH，三元物的 组成是Asp334, His523, Asp495 31 环氧化物水解机理 反应由Asp羧基对含氧环 碳原子的亲核攻击开始 His除去Asp的质子，提 高了Asp的亲核攻击性 Tyr残基的氢与环氧化物 的氧键合，稳定和中和 产生的负电荷，进一步 辅助了C-O键的断裂，使 环氧化物开环 32 环氧化物水解机理 结束开环和质子转 移，导致生成酶的 烷基化中间体 His将一个质子转移 到Tyr负离子上，然 后活化一个水分子， 使中间体水解，释 放出二醇 Glu404和Asp495残 基用于分子定向 33 环氧化物的水解产物 观察到二氢二醇代谢物，被认为是存在环氧化物（或芳烃氧化物） 前体代谢物的证据 许多环氧化物被直接观测到，例如卡马西平10,11-环氧化物，甚至 苯的芳烃氧化物（反应性很强） 其他环氧化物，如苯妥英的环氧化物，仅仅是推断的 某些二氢二醇可能是通过一种中间体在P450的活性位点与水反应生 成，而没有形成环氧化物 判断二氢二醇来源的一个线索是立体化学，反式二氢二醇提示，它 是通过环氧化物或芳烃氧化物被EH介导的水解生成的 34 硫酸酯和葡萄糖醛酸苷的水解 许多药物和代谢物通过与硫酸或葡萄糖醛酸结合代谢 硫酸结合物可被水解回醇或酚 葡萄糖醛酸结合物涉及的官能团更多，许多这类结合物也能被水 解回母体药物 这些水解途径一般发生在肠道中，由肠菌酶或肠道酶催化 这类水解可能导致肠肝循环，即药物在肝中与硫酸或葡萄糖醛酸 结合，排泄到胆汁中，然后在。