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1、X-射线晶体学在医药学中的应用X-射线晶体学在医药学中的应用1 微量化合物或全未知化合物的分子结构测定2 以共晶方式存在的混合物分子结构测定3 绝对构型测定4 构象分析5 氢键、盐键、配位键等的计算与分子排列规律6 原料药中溶剂分子的确定7 生物大分子结构分析8 为计算机辅助药物分子设计提供起始三维结构数据。1 微量化合物或全未知化合物的分子结构测定随着分离、提取等分析技术的飞速发展,从天然产物中可获得低含量的化合物,单晶X射线衍射分析只需要一颗单晶体(约1/ 41/ 6 mg 量) ,就可直接使用单晶X射线分析技术独立完成所需的化合物的全部结构测定工作,而一般不再需要借助其它谱学(NMR、M
2、S等) 信息。2 以共晶方式存在的混合物分子结构测定共晶在固体药物样品中是常见的现象,最简单的例子是药物分子与溶剂或结晶水分子以共晶方式存在。共晶分子结构可以由异构体形成,也可以由不同结构分子形成。在药物研究中确切地了解共晶样品的组成成分,以及它们实际存在的比例是至关重要的。单晶X 射线衍射分析技术对药物中的共晶样品可以给出准确、定量的分析结果。Chemical & Pharmaceutical Bulletin (2008), 56(4), 439-442.Different configurationDifferent Structure3 分子绝对构型的测定如无特别说明，单晶X 射线分析
3、给出的是分子的相对构型。应用单晶X 射线分析方法可获得药物分子的绝对构型。测定药物分子绝对构型常用的方法有以下几种。应用反常散射法测定分子绝对构型:利用分子中所含原子(特别是重原子) 的X 射线反常散射(色散) 效应,可以准确地测定分子构型。Principle of X-ray anomalous dispersion method 反常散射法测定天然产物绝对构型的原理正常条件下结构因子F(hkl)=fjexp2i(hxj+kyj+lzj) （f为原子散射因子）当原子上的电子被看成自由电子时，对X-射线的散射因子为f0，散射波与入射波的相角差为固定值。当分子中只有轻原子时，原子上的电子可被看成
4、自由电子，衍射点的分布遵守Friedels 定律，即 Ihkl = I-h-k-l , hkl = -h-k-l, Fhkl2= F-h-k-l 2 Fhkl为结构因子； “Ihkl”为衍射强度.反常散射不同原子对电子的束缚能力不同，重原子对电子的束缚能力强，导致了其对X-射线的散射能力与自由电子有所不同，散射相角也发生一定漂移，称为反常散射。在重原子存在的条件下在重原子存在的条件下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即为绝对构型因子(Flack parameter);当x趋近于
5、0时，式中右边第二项趋近于0，此时所得的分子模型即为化合物的绝对构型；当x趋近于1时，式中右边第一项趋近于0，此时所得的分子模型即为化合物绝对构型的反型。Cu靶辐射的反常散射能力强，而Mo靶辐射的反常散射能力弱测定绝对构型因子即可获得分子的绝对构型测定绝对构型因子即可获得分子的绝对构型 单晶X-射线衍射测定天然产物绝对构型的应用方法当分子中含有重原子时（原子序数大于硅原子）采用Cuk或Mok辐射，均可获得具有显著意义的绝对构型因子，从而可判断分子的决对构型，例如：cycloartan-3,29- diol-23-one 3,29-disodium sulfateJiang, R. W.; et
6、 al. J. Nat. Prod. 2008, 71, 1616-1619.Flack parameter 0.05 (3)(3S, 4R, 5R, 8S, 9S, 10R, 13R, 14S, 17R, 20R)当分子中不含重原子时1) 大多数天然产物分子由碳、氢、氮、氧组成，不含重原子，采用反常散射能力较强的Cuk辐射（可将氮、氧看成较重原子），对于大部分结构，仍然可以计算出正确的绝对构型，例如:19-norbufenolide ATian et al. Chem. A Eur. J. 2010, 16, 10989-10993.2) 与已知构型分子如酒石酸、枸橼酸共结晶橘櫞酸托瑞米芬橘
7、櫞酸托瑞米芬Jiang, et al. Zhongguo Yaowu Huaxue Zazhi. 1999, 9, 32-35. Jiang, R. W.; Ma, S. C.; But, P. P. H.; Mak, T. C. W. J. Nat. Prod. 2001, 64, 1266-1272. 3）利用分子中已确认的局部构型信息确定分子绝对构型4) 向天然产物中引入已知构型片段(S)-2-methoxy-2-(1-naphthyl)propionic ester of PF1140Fujita, et al. J. Antibiot. 2005, 58(6): 425427.5）引
8、入重原子向天然产物中引入重原子，常用的方法有形成生物碱的盐酸盐，氢溴酸盐或氢碘酸盐，或进行对溴苯甲酰化反应等，例如:例如例如: absolute configuration of neostenine，空间群，空间群 P212121Neostenine is an alkaloid isolated from the root tubers of Stemona tuberosa Lour. Flack parameter x= 1(2) Flack parameter x= 0(2) Mok辐射引入重原子Jiang, et al. J. Mol. Struct. 2010, 966(1-3)
9、, 18-22.中间产物2的绝对构型分析Flack parameter x= -3(2) Flack parameter x= 4(2) 产物3的绝对构型分析Flack parameter x= 0.04(1) 产物4的绝对构型分析Flack parameter x= -0.03(0.066) 绝对构型与产物绝对构型与产物3一致一致Absolute configuration of stenineC1 SC9 RC9a RC10 RC11 RC12 RC13 SJiang, et al. J. Mol. Struct. 2010, 966(1-3), 18-22.单晶X-射线衍射测定天然产物绝
10、对构型的局限性1、能否得到合用的单晶（制约环节）2）如晶体属于含对称中心和对称面的空间群，不能测定绝对构型，例如：三斜：P-1；单斜：P21/c；C2/c正交：PbcaP-1 外消旋体外消旋体Jiao, et al. J. Nat. Prod. 2010, 73(2), 167-171. 需要折分需要折分3) 部分Cuk辐射数据，其最终绝对构型因子大于0.3，或偏差较大，难以判断其绝对构型。可能原因有：含氮、氧比例低，测定时没有用低温。解决方法：可用前面的引入局部已知构型、引入重原子解决方法：可用前面的引入局部已知构型、引入重原子或与手性试剂共结晶等方法，也可降低衍射数据收集时或与手性试剂共结
11、晶等方法，也可降低衍射数据收集时的温度。的温度。4 构象分析从单晶X射线衍射分析所得分子的立体结构中,可以准确地计算出被测化合物的构象信息: 即组成药物分子骨架各环的船或椅式构象、环与环间的顺反联接方式、环自身的平面性质、环与环间的扭转角、侧链的相对取向位置、大环构象等。Tetrahedron Letters 2002, 43, 2415-24185 氢键、盐键、配位键等的计算与分子排列规律氢键、盐键、配位键等是研究药物分子生物活性中的重要信息。利用单晶X 射线衍射分析结果,可以准确地计算出药物分子的氢键、盐键、配位键的成键方式和数值。特别是分子内与分子间氢键的关系,将影响晶态下分子在空间形成
12、确定排列方式,由此可获得分子在空间的层状、螺旋、隧道或空穴等各种排列关系,这些重要信息将有助于了解和解释药物分子的作用机理。6 原料药中溶剂分子的确定在新药与制药研究中,原料药中是否含有结晶水分子或溶剂分子?特别是当重结晶过程中使用过对人体有害的溶剂时,它们是否进入晶格? 其含量是多少? 单晶X 射线衍射分析可以准确地回答这些问题。失碳香茶菜二萜与水的包结物相对构型图与立体结构投影图 Li, Guo Qiang; Li, Yao Lan; Wang, Guo Cai; Liang, Zhi Hong; Jiang, Ren Wang. Acta Crystallographica, Secti
13、on E: Structure Reports Online 2011, E67(8), o21927 生物大分子及其复合物的结构测定天然产物中的水溶部分多含有蛋白质、多肽、多糖类等化合物,这类物质的生物活性一直是药物化学家关注的内容。现有波谱分析方法,除NMR 对多肽、蛋白质等分子量低于5 万,且有同源性质的分子结构取得进展外,欲得到更大分子的准确三维结构,还只能借助于单晶X 射线衍射分析方法。我国晶体学家早在20 世纪70 年代就完成了结晶猪胰岛素的X 射线晶体结构测定工作。DNADNA双螺旋模型双螺旋模型 1953年年3月，沃森（月，沃森（James Watson）和克里克）和克里克（F
14、rancis Crick）在）在X-射线衍射实验的基础上发现了射线衍射实验的基础上发现了DNA双螺旋模型，从而揭开了分子生物学的新篇章。双螺旋模型，从而揭开了分子生物学的新篇章。 沃森、克里克、威尔金斯因发现核酸的分子结构及沃森、克里克、威尔金斯因发现核酸的分子结构及其对生命物质信息传递的重要性分享了其对生命物质信息传递的重要性分享了1962年的诺贝年的诺贝尔生理医学奖。尔生理医学奖。 英国生物化学家肯德鲁（英国生物化学家肯德鲁（John Cowdery Kendrew）和佩鲁兹（和佩鲁兹（Max Ferdinand Perutz），用），用X-射线衍射分析射线衍射分析法研究血红蛋白和肌红蛋白
15、，而且共同研究法研究血红蛋白和肌红蛋白，而且共同研究X-射线衍射晶射线衍射晶体照相术，以及蛋白质和核酸的结构与功能。体照相术，以及蛋白质和核酸的结构与功能。 1960年，他们把一些蛋白质分子和衍射年，他们把一些蛋白质分子和衍射X-射线效率特别射线效率特别高的大质量原子（如金或汞的原子）结合起来，首次精确高的大质量原子（如金或汞的原子）结合起来，首次精确地测定了蛋白质晶体的结构。肯德鲁和佩鲁茨分享了地测定了蛋白质晶体的结构。肯德鲁和佩鲁茨分享了1962年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。血红蛋白和肌红蛋白血红蛋白和肌红蛋白维生素维生素B12B12 英国女化学家霍奇金（英国女化学家霍奇金（Doro
16、thy Mary Crowfoot Hodgkin）研究了数以百计固醇类物质的结构，其中包括维）研究了数以百计固醇类物质的结构，其中包括维生素生素D2 （钙化甾醇）和碘化胆固醇。她在运用（钙化甾醇）和碘化胆固醇。她在运用X-射线衍射技射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构的研究中取得了巨大成术测定复杂晶体和大分子的空间结构的研究中取得了巨大成就。就。1949年她测定出年她测定出青霉素青霉素的结构，促进了青霉素的大规模的结构，促进了青霉素的大规模生产。生产。1957年又成功测定出了抗恶性贫血的有效药物年又成功测定出了抗恶性贫血的有效药物维维生素生素B12的巨大分子结构，使合成维生素的巨大分子
17、结构，使合成维生素B12成为可能。成为可能。 由于霍奇金这两项成果意义重大，影响深远，她于由于霍奇金这两项成果意义重大，影响深远，她于1964年年获诺贝尔化学奖。获诺贝尔化学奖。胰岛素分子结构胰岛素分子结构 19551955年，英国生物化学家桑格（年，英国生物化学家桑格（Frederick SangerFrederick Sanger）研究确定了牛胰岛素的化学结构，研究确定了牛胰岛素的化学结构， 从而奠定了合成胰岛从而奠定了合成胰岛素的基础，并促进了对蛋白质分子结构的研究。素的基础，并促进了对蛋白质分子结构的研究。 2222年后，桑格借助于年后，桑格借助于X-X-射线分析法与美国生物化学家射线
18、分析法与美国生物化学家吉尔伯特（吉尔伯特（Walter GilbertWalter Gilbert）、伯格（）、伯格（Paul BergPaul Berg）确定）确定了了胰岛素分子结构胰岛素分子结构和和DNADNA核苷酸顺序以及基因结构而共获核苷酸顺序以及基因结构而共获得得19801980年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。水通道蛋白水通道蛋白 2000年，美国科学家阿格雷（年，美国科学家阿格雷（Peter Agre）与其他）与其他研究人员应用场发射电子源的电子衍射方法得到分辨率研究人员应用场发射电子源的电子衍射方法得到分辨率为为3.8埃的埃的AQPl 水通道电子密度图，发现了一种被称为水通道电子
19、密度图，发现了一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道，水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道，并公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰度立体照片。并公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰度立体照片。 阿格雷和麦金农因为对阿格雷和麦金农因为对膜蛋白分子和离子通道膜蛋白分子和离子通道开创性开创性的研究，而共同分享了的研究，而共同分享了2003 年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。DNADNA的复制过程的复制过程 美国科学家科恩伯格（美国科学家科恩伯格（Roger Kornberg）从）从20世纪世纪70年代开始使用年代开始使用X-射线衍射技术结合放射自显影技术，在射线衍射技术结合
20、放射自显影技术，在美国斯坦福直线加速器中心的同步辐射装置美国斯坦福直线加速器中心的同步辐射装置SSRL上进行上进行实验，实验，研究遗传信息最初复制到研究遗传信息最初复制到RNA中的过程，对此过中的过程，对此过程中各个阶段的程中各个阶段的DNA、RNA和聚合酶的复合体进行结晶，和聚合酶的复合体进行结晶，用用X-射线拍下各个阶段的复合体的照片，并第一个成功地射线拍下各个阶段的复合体的照片，并第一个成功地将将DNA的复制过程捕捉下来的复制过程捕捉下来，从而揭示了真核生物体内，从而揭示了真核生物体内的细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质。科恩伯格的细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质。科恩伯格被授
21、予被授予2006年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 2003年年7月，中国科学家成功解析了月，中国科学家成功解析了SARS冠状病毒主冠状病毒主要蛋白酶的三维结构，这是世界上首次解析出要蛋白酶的三维结构，这是世界上首次解析出SARS冠状冠状病毒蛋白酶的晶体结构，为研制抗病毒蛋白酶的晶体结构，为研制抗“非典非典”药物奠定了重药物奠定了重要的结构基础。要的结构基础。 研究在同步辐射国家实验室，利用多波长反常衍射实验研究在同步辐射国家实验室，利用多波长反常衍射实验技术，测定了该酶在四种不同条件下的三维空间结构，并技术，测定了该酶在四种不同条件下的三维空间结构，并详细阐述了该酶在底物结合区域的精确构象详细
22、阐述了该酶在底物结合区域的精确构象。SARSSARS冠状病毒主要蛋白酶冠状病毒主要蛋白酶受体大分子与药物分子的相互作用为发现和了解受体大分子与药物分子的结合部位与活性部位, 通常对受体分子与药物分子作用后形成的复合物培养单晶体,再应用单晶X 射线衍射分析方法测定复合物的分子结构,为药物分子的改造和新药设计提供合理的建议。8 计算机辅助药物分子设计计算机辅助药物分子设计是20 世纪90 年代药学研究领域中的热点,因它可以为药物的改造和修饰,以及药物的合成等提供一定的参考信息。计算机辅助药物设计的计算软件是以分子力学、热力学、量子化学与药理学等为基础的。对于化学药物中的小分子,起始计算依据是化合物分子的三维结构数据。
