药物分子设计生物电子等排课件.pptx
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1、药物分子设计生物电子等排1第1页,此课件共60页哦2第四章 药物分子设计的原理和方法 o4.1 药物设计的基本原则o4.2 相似性原理(类似物)o4.3 拼合原理o4.4 生物电子等排法o4.5 前药原理o4.6 软药原理第2页,此课件共60页哦34.4 生物电子等排原理生物电子等排原理 Bioisosterism principleso4.4.1 概述电子等排概念的提出和发展o4.4.2 生物电子等排分类o4.4.3 生物电子等排原理应用实例第3页,此课件共60页哦44.4.1 概述电子等排概念的提出和发展o生物电子等排体的概念脱胎于物理化学家Langmuir在1919年提出的化学电子等排体
2、的概念。o1919,无机化学家Langmuir将原子总数相同,电子总数相同,电子的排列状态相同的分子或原子团,叫电子等排体,或译同电异素体,isostereso电子等排体的化学和物理性质相似N2CO N2OCO2 NO3-CO32-第4页,此课件共60页哦54.4.1 概述电子等排概念的提出和发展o1916,有机化学家 Hinsberg提出环等价芳香环的等价部分可相互替代:-S-CH=CH-N=-CH=oHckel将环等价概念进一步扩大:-CH3 F CH2=O CH No1925,有机化学家Grimm:具有同数价电子的原子或原子团,不论原子个数或电子总数是否相同,都叫电子等排体o提出氢化物置
3、换规则,扩大了电子等排体的概念:从周期表中的第IV族起,任何元素的原子与一个或几个氢原子结合成的分子或原子团当作是假原子。假原子的化学性质,由其所含的氢原子数目的不同而有差别,但都依次与其邻近的较高族元素相似:CH N CH2 O CH3 N CH4 F第5页,此课件共60页哦6氢化物置换规则CNOFNeNaCHNHOHFH-CH2NH2OH2FH2CH3NH3OH3CH4NH4SiPSClArSiHPHSHClHSiH2PH2SH2SiH3PH3SiH4第6页,此课件共60页哦74.4.1 概述电子等排概念的提出和发展o1932,药物化学家 Erlenmeyero原子团中边界电子或外围电子的
4、数目是决定电子等排体的条件o用电子等排体性质相似的原理研究药理作用与化学结构的关系第7页,此课件共60页哦84.4.1 概述电子等排概念的提出和发展o1951 Friedman,提出生物电子等排o外围电子数目相同或排列相似,具有相同生物活性或拮抗生物活性的原子、基团或部分结构,即为生物电子等排体BioisosterismoI:F Cl Br I;OH SH SeH;NH2;CH3oII:O S Se Te;NH;CH2oIII:N P As Sb Bi;CHoIV:C Si N+P+As+Sb+(S+)oV:-CH=CH-S-O-NH-(in aromatic ring)第8页,此课件共60页
5、哦94.4.1 概述电子等排概念的提出和发展o生物电子等排体具有相同总数的外层电子,相似的分子大小、形状、电子分布、理化性质、化学反应性、氢键形成能力等,且与生物活性存在相关性某些官能团的等电性、等疏水性、等立体性第9页,此课件共60页哦104.4.1 概述电子等排概念的提出和发展o运用生物电子等排体的概念不但可设计出具有与原药物相同药理作用的新药,而且还可生产该药物的拮抗药,这是因为化学结构高度近似的药物常能与同一受体或酶结合引起相似的效应(拟似药),或相反地起抑制的作用(拮抗药)。o以乙酰胆碱结构类似物为例,其中氨甲胆碱、毒蕈碱都是拟胆碱药。实际上,电子等排体和生物电子等排体的概念在分子药
6、理学上有广泛的应用,尤其是借变异的方法或分子改造来设计新的药物时,更经常涉及生物电子等排体。第10页,此课件共60页哦114.4.1 概述电子等排概念的提出和发展o在药物分子设计中,基团或片断的电子等排变换应考在药物分子设计中,基团或片断的电子等排变换应考虑如下方面:基团的虑如下方面:基团的大小和形状大小和形状,包括键角、两面角、,包括键角、两面角、在空间的位置和杂化的相似性;在空间的位置和杂化的相似性;电性的分布电性的分布,如可极化,如可极化性、偶极、电荷的离域性和氢键的形成能力;性、偶极、电荷的离域性和氢键的形成能力;分子的分子的分配性分配性、化学反应性化学反应性、代谢转化代谢转化的异同性
7、等。的异同性等。使药效强度发生变化使药效强度发生变化 药效翻转,如由激动作用变为拮抗作用;或反之药效翻转,如由激动作用变为拮抗作用;或反之 对药代动力学性质起到重要的调节作用对药代动力学性质起到重要的调节作用 电子等排变换的结果电子等排变换的结果第11页,此课件共60页哦124.4.2 生物电子等排的类型o经典的电子等排classical isosteres具有相同数目价电子的不同分子或基团,不论其原子及电子总数是否相同。可分为一价、二价、三价、四价和环内等价等。o非经典的电子等排non-classical isosteres近代生物电子等排体的概念认为:生物电子等排体不仅应具有相同总数外层电
8、子,还应在分子大小、形状(键角、杂化度)、构象、电子分布(极化度、诱导效应、共轭效应、电荷、偶极等)、脂水分布系数、pKa、化学反应性(代谢相似性)和氢键形成能力等方面存在相似性。这些参数并不要求完全相似,仅在某些重要参数上相似即可。包括范围较广第12页,此课件共60页哦134.4.2 生物电子等排的类型经典的电子等排1.Univalent atoms and groups a.CH3 NH2 OH F b.Cl PH2 SH c.Br i-Pr d.I t-Bu2.Bivalent atoms and groups a.-CH2-NH-O-S-Se-b.-COCH2R -CONHR -CO2
9、R -COSR第13页,此课件共60页哦144.4.2 生物电子等排的类型经典的电子等排3.Trivalent atoms and groups a.-CH=-N=b.-P=-As=4.Tetravalent atoms a.CSi b.=C=N+=P+=5.Ring equivalents a.-CH=CH-S-b.-CH=-N=c.-O-S-CH2-NH-第14页,此课件共60页哦154.4.2 生物电子等排的类型非经典的电子等排1.Hydroxy group OH NHCOR NHSO2R CH2OH NHCONH2 NHCN CH(CN)22.Halogen F Cl Br I CF3
10、 CN N(CN)2 C(CN)33.Ether -O-S-4.Carbonyl group第15页,此课件共60页哦164.4.2 生物电子等排的类型非经典的电子等排5.Carboxylic acid group -COOH,-SO2NHR,-PO(OH)NH2,PO(OH)OC2H5,CONHCN6.Thiourea7.Spacer group 第16页,此课件共60页哦174.4.2 生物电子等排的类型非经典的电子等排o8.Catechol(儿茶酚)o9.Pyridine第17页,此课件共60页哦184.4.3 生物电子等排原理应用实例o1 一价原子或基团的取代o2 二价原子或基团的取代
11、o3 四价基团的取代及环系等价体o4 环与非环结构及构象限制o5 可交换的基团o6 基团反转第18页,此课件共60页哦194.4.3 生物电子等排原理应用实例1 一价电子等排体:一价原子或基团处在分子的末端,是应用较多的变换。主要包括:H、F、Cl、Br、I、OH、NH2、CH3、SH。任何一价原子或基团的相互变换都可视作等排现象,这种变换往往可引起分子的理化性质较大的变化。如:F、OH、NH2、CH3为例,氟原子与OH、NH2都是氢键的接受体,而OH、NH2也是氢键的给予体;NH2具有碱性,在体内可被质子化,形成带正电荷的铵盐;而CH3除了有亲脂性外,上述性质皆不存在 这样的等排变换,会使理
12、化和生物学性质产生较大的变化。第19页,此课件共60页哦201 一价原子或基团的取代拉唑类质子泵抑制剂o思路:主要是从知识产权方面考虑,抑制剂的药效学性质相近o奥美拉唑、兰索拉唑、泮妥拉唑、雷贝拉唑、沙维拉唑 第20页,此课件共60页哦211 一价原子或基团的取代单胺氧化酶抑制活性XIC50(nM)H1200Br115CF3100SO2CF3 27第21页,此课件共60页哦221 一价原子或基团的取代氟与氢原子的变换o氢原子被氟原子取代是药物中常见的一价电子等排现象。o原因:两者的范德华半径相近(H:1.20;F:1.35),因而立体因素变化不大;在电性方面,取决于氟原子所处的环境:在脂肪族系
13、列,氟的场效应和诱导效应表现较强的吸电子作用,与氢原子的作用差别较大;在芳香环上,氟原子可与芳环形成 p-共轭,给电子作用抵消了诱导效应,总的电性与氢原子相近。o由于C-F键比C-H键牢固,引入氟原子,可增加药物的代谢稳定性。第22页,此课件共60页哦231 一价原子或基团的取代氟与氢原子的变换o氟尿嘧啶o由于氟的原子半径与氢的相近,氟尿嘧啶的体积与尿嘧啶相当,因此能在分子水平代替正常代谢物尿嘧啶,首先形成脱氧氟尿嘧啶核苷酸,与胸腺嘧啶合成酶结合后,再在辅酶5,10-次甲基四氢叶酸作用下,形成复合物,由于C-F键远比C-H键牢固,因此,难以断裂形成脱氧胸腺嘧啶核苷酸,同时也使胸腺嘧啶合成酶失活
14、。从而抑制肿瘤细胞DNA的合成,最后导致肿瘤细胞凋亡。第23页,此课件共60页哦241 一价原子或基团的取代氟与氢原子的变换第24页,此课件共60页哦251 一价原子或基团的取代抗代谢药o叶酸拮抗剂类o叶酸是核酸生物合成的代谢物,也是红细胞发育生长的重要因子。o叶酸分子中4-羟基用氨基替代得氨基叶酸,后者与二氢叶酸还原酶的亲和力比叶酸强1000050000倍。从而阻止DNA合成和细胞复制所必需的四氢叶酸的生成。甲氨喋呤(MTX)不仅能强效抑制二氢叶酸还原酶,还对胸腺合成酶具有抑制作用。第25页,此课件共60页哦26第26页,此课件共60页哦271 一价原子或基团的取代抗代谢药o嘌呤类:o腺嘌呤
15、、鸟嘌呤巯嘌呤6-MP和硫鸟嘌呤6-TG第27页,此课件共60页哦281 一价原子或基团的取代二叔丁基酚类COX/5-LOX双重抑制剂噻唑烷酮环上羟基被氨基置换,抑制5-LOX的活性增强,而对COX不变;若置换成巯基,则可提高双重抑制作用。提示:氧、氮和硫元素的电负性调节对5-LOX的作用;而基团的大小对COX的活性则起重要作用。Comp.R Electronegativity IC50(mol/L)COX/5-LOX COX 5-LOX 1 OH 3.51 0.35 1.4 1/4 2 NH2 2.61 0.39 0.77 1/1.97 3 SH 2.32 0.012 0.38 1/31.7
16、J Med Chem,1994,37:322-328第28页,此课件共60页哦291 一价原子或基团的取代羟基与甲磺酰氨基的变换o羟基既是氢键的接受体也是氢键的给予体,因此在作等排体变换时,应考虑到这两种不同的键合能力。酚羟基具有弱酸性,磺酰氨基也有弱酸性,而且都有形成氢键的能力,这是它们的共性。o受体拮抗剂:异丙肾上腺素的酚羟基用甲磺酰氨基替代,分别得到受体拮抗剂索特瑞醇、索他洛尔,口服吸收迅速,生物利用度高,毒性小,同时,因为甲磺酰氨基不被O-儿茶酚甲基转移酶代谢失活,因而延长了作用时间。两者均用于抗心律失常和抗高血压。第29页,此课件共60页哦301 一价原子或基团的取代羟基与羟基与羟甲
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