药物的化学结构与药理活性.ppt

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1、药物的化学结构与药理活性现在学习的是第1页，共34页主要内容主要内容第一节第一节第一节第一节 决定药理活性的两个基本因素决定药理活性的两个基本因素决定药理活性的两个基本因素决定药理活性的两个基本因素 一、药物作用的动力学时相一、药物作用的动力学时相一、药物作用的动力学时相一、药物作用的动力学时相二、药物作用的药效学时相二、药物作用的药效学时相二、药物作用的药效学时相二、药物作用的药效学时相第二节第二节第二节第二节 药动学时相的影响因素药动学时相的影响因素药动学时相的影响因素药动学时相的影响因素一、溶解度一、溶解度一、溶解度一、溶解度二、脂水分配系数二、脂水分配系数二、脂水分配系数二、脂水分配系

2、数三、解离度三、解离度三、解离度三、解离度四、蛋白结合四、蛋白结合四、蛋白结合四、蛋白结合第三节第三节第三节第三节 药效学时相的影响因素药效学时相的影响因素药效学时相的影响因素药效学时相的影响因素 一、基本结构一、基本结构一、基本结构一、基本结构二、电子云密度分布二、电子云密度分布二、电子云密度分布二、电子云密度分布三、立体结构三、立体结构三、立体结构三、立体结构四、官能团之间的距离四、官能团之间的距离四、官能团之间的距离四、官能团之间的距离五、键合特性五、键合特性五、键合特性五、键合特性现在学习的是第2页，共34页决定药理活性的两个基本因素决定药理活性的两个基本因素 一、药物作用的动力学时相

3、一、药物作用的动力学时相二、药物作用的药效学时相二、药物作用的药效学时相现在学习的是第3页，共34页 药物化学研究的中心内容之一是药物的化学结构如何药物化学研究的中心内容之一是药物的化学结构如何影响生物活性。药物的化学结构决定了它的理化性质影响生物活性。药物的化学结构决定了它的理化性质（physicochemical propertiesphysicochemical properties），并直接影响药物分子），并直接影响药物分子在体内的吸收（在体内的吸收（absorptionabsorption）、分布（）、分布（distributiondistribution）、）、代谢（代谢（meta

4、bolismmetabolism）和排泄（）和排泄（excretionexcretion）。）。药动学时相的影响因素一、溶解度一、溶解度 二、脂水分配系数二、脂水分配系数三、解离度三、解离度 四、蛋白结合四、蛋白结合现在学习的是第4页，共34页药动学时相的影响因素 药物在转运过程中，必须通过各种生物膜，才能到达作用部位药物在转运过程中，必须通过各种生物膜，才能到达作用部位或受体部位。药物分布到作用部位并且在作用部位达到有效浓或受体部位。药物分布到作用部位并且在作用部位达到有效浓度，是药物与受体结合的基本条件。度，是药物与受体结合的基本条件。设计新药时必须考虑到化合物的理化性质。设计新药时必须考

5、虑到化合物的理化性质。理化性质理化性质理化性质理化性质是指一个分子所包含的官能团对其酸碱性、水溶是指一个分子所包含的官能团对其酸碱性、水溶是指一个分子所包含的官能团对其酸碱性、水溶是指一个分子所包含的官能团对其酸碱性、水溶性、分配系数、晶体结构和立体化学等的影响。性、分配系数、晶体结构和立体化学等的影响。性、分配系数、晶体结构和立体化学等的影响。性、分配系数、晶体结构和立体化学等的影响。现在学习的是第5页，共34页1溶解度与生物活性药物发挥最佳活性，必须有一定的脂溶性和一定的水溶性现在学习的是第6页，共34页2脂水分配系数与生物活性 脂水分配系数（脂水分配系数（lipid-water part

6、ition coefficientlipid-water partition coefficient）P P是药物在正辛是药物在正辛醇（醇（1-octanol1-octanol）中和水中分配达到平衡时浓度之比值，即）中和水中分配达到平衡时浓度之比值，即P PC CO/O/C CWW，常用，常用loglogP P表示，表示，loglogP P log log（C CO/O/C CWW）。）。logPlogP是构成整个分子的所有官能团的亲水性和疏水性的总和，是构成整个分子的所有官能团的亲水性和疏水性的总和，分子中的每一个取代基对分子整体的亲水性和疏水性都有影分子中的每一个取代基对分子整体的亲水性和

7、疏水性都有影响，即响，即logPlogP（fragmentsfragments）。）。现在学习的是第7页，共34页 P P值越大，则药物的亲脂性越高。对于作用于不同系统的药物，对亲脂性的要求不同。一般来说，脂水分配系数应有一个适当的范围，才能显示最好的药效。例如，中枢神经系统的药物需要穿过血脑屏障，适当增加药物亲脂性可增强活性，降低亲脂性可使活性降低。易于穿过血脑屏障的适宜的分配系数logP在在2 2左右。左右。现在学习的是第8页，共34页局部麻醉药基本结构均由亲脂部分、中间局部麻醉药基本结构均由亲脂部分、中间连接部分、亲水部分三部分组成。连接部分、亲水部分三部分组成。亲脂部分亲水部分中间连接

8、部分脂水分配系数P表示：P=C0/CW合适的脂水分配系数现在学习的是第9页，共34页3解离度与生物活性 人体人体70%75%70%75%是由水组成的，人服用药物后可按照稀溶液理论解释是由水组成的，人服用药物后可按照稀溶液理论解释和预测药物的酸碱性。和预测药物的酸碱性。多数药物为弱酸或弱碱，其解离度由化合物的解离常数多数药物为弱酸或弱碱，其解离度由化合物的解离常数p pK Ka a和溶液介和溶液介质的质的pHpH决定。决定。药物解离后以部分离子型和部分分子型两种形式存在，以乙酸药物解离后以部分离子型和部分分子型两种形式存在，以乙酸和甲胺为例，和甲胺为例，pKapKa的计算方法为的计算方法为:现在

9、学习的是第10页，共34页弱酸或弱碱类药物在体液中解离后，离子型与非离子型（分子型）分子的比率由解离指数pKa和介质的pH决定。如果知道分子中的官能团是酸性还是碱性，便可预测该分子在给定pH下是否可以被离子化。如果知道该分子中官能团的pKa和分子周围环境的pH，可定量预测分子的离子化程度。解离度对药效的影响解离度对药效的影响现在学习的是第11页，共34页 例如，巴比妥酸（例如，巴比妥酸（barbital acidbarbital acid）的）的p pK Ka a为为4.124.12，在，在pH 7.4pH 7.4时，时，99%99%以上解离，以离子状态存在，不能透过细胞膜和血脑屏障，故无以上

10、解离，以离子状态存在，不能透过细胞膜和血脑屏障，故无镇静作用。镇静作用。异戊巴比妥（异戊巴比妥（amobarbitalamobarbital）的的p pK Ka a 为为8.08.0，在，在pHpH为为7.47.4时未解离（酸形式）占时未解离（酸形式）占79.9%79.9%，离子化（共轭碱）占，离子化（共轭碱）占20.1%20.1%。酸酸酸酸共轭碱共轭碱共轭碱共轭碱 8.08.07.4+log7.4+log酸酸酸酸/碱碱碱碱 0.6 0.6loglog酸酸酸酸/碱碱碱碱 100.6 100.6 酸酸酸酸/碱碱碱碱 3.16/13.16/1酸形式百分比（酸形式百分比（酸形式百分比（酸形式百分比（

11、3.16/4.163.16/4.16）10010079.9%79.9%现在学习的是第12页，共34页 一个分子中可能含有多种官能团，而具有酸碱两性。一个分子中可能含有多种官能团，而具有酸碱两性。例如，喹诺酮类抗菌药环丙沙星（例如，喹诺酮类抗菌药环丙沙星（ciprofloxacinciprofloxacin）含有一个烷基仲胺和一个）含有一个烷基仲胺和一个羧酸基，根据溶液的羧酸基，根据溶液的pHpH，这个分子既可以接受一个质子，也可以给出一个这个分子既可以接受一个质子，也可以给出一个质子，或同时发生，因此它既是一个酸，又是一个碱，是一个两性化合物。质子，或同时发生，因此它既是一个酸，又是一个碱，是

12、一个两性化合物。在胃肠不同阶段，有不同的酸碱性，因此环丙沙星有不同的解离形式，在在胃肠不同阶段，有不同的酸碱性，因此环丙沙星有不同的解离形式，在pH 4.0pH 4.0时，烷氨基和羧基均被离子化；在时，烷氨基和羧基均被离子化；在pH 1.03.5pH 1.03.5时，只有烷氨基团离子时，只有烷氨基团离子化。化。1脂水分配系数与生物活性现在学习的是第13页，共34页 吸收率（吸收率（%）药物药物 pKa pH pKa pH 3.6 3.64.3 4.74.3 4.75.0 7.15.0 7.17.2 7.87.2 7.88.08.0水杨酸水杨酸 3.0 64 35 30 10 3.0 64 35

13、 30 10 阿司匹林阿司匹林 3.5 41 27 -3.5 41 27 -苯甲酸苯甲酸 4.2 62 36 35 5 4.2 62 36 35 5奎宁奎宁 8.4 9 11 41 54 8.4 9 11 41 54药物在体内的解离度取决于药物的pKa和周围介质pH的大小。一般情况下，酸性药物随介质pH增大，解离度增大，分子型药物减少，体内吸收率较低解离度对药效的影响解离度对药效的影响现在学习的是第14页，共34页4.蛋白结合只有游离型的药物才能从血液向组织转运，从而发挥其药理活性现在学习的是第15页，共34页蛋白结合结构特异性药物与特定的靶点，通常是生物大分子（例如受体或酶）发生相互作用形成

14、药物-受体复合物，才能产生药理作用，各种各样的化学键能使这种药物-受体复合物稳定。这些化学键可分为可逆和不可逆两类。药物与受体以共价键结合是不可逆的，但在大多数情况下，药物与受体结合是可逆的。现在学习的是第16页，共34页三、药效学时相的影响因素 根据药物在体内的作用方式，把药物分为：结构特异性药物（结构特异性药物（structurally specific drugsstructurally specific drugs）结构非特异性药物（structurally nonspecific drugs）。大多数药物通过与受体或酶的相互作用而发挥药理作用，药物结构上细微的改变将会影响药效，这种药

15、物称为结构特异性药物。现在学习的是第17页，共34页结构上微小的改变不改变生物活性的药物称为结构非特异性药物。例如吸入型麻醉药，其药理活性主要与药物在周围空气中的局部蒸气压与药物本身的蒸气压比率有关。典型的结构非特异性药物只有在高浓度时才有活性，而结构特异性药物即使在很低的浓度时也能产生生物效应，其原因之一是该类药物能利用某些效能扩增机制，例如它们能激活受体，产生第二信使，从而在细胞内发挥作用。现在学习的是第18页，共34页结构特异性药物的活性主要取决于药物与受体的相互作用，药物与受体形成复合物后才能产生药理作用，许多因素都能影响药物和受体间的相互作用，如药物-受体的结合方式、药物的各官能团、

16、药物的电荷分布及立体因素等。现在学习的是第19页，共34页非特异性结构药物：药物的活性主要与药物的理化性质有关；结构特异药物：主要取决药物的化学结构，也与药物的理化性质相关结构对药物活性的影响程度，将药物分类现在学习的是第20页，共34页1.药物的基本结构药物的基本结构 将具有将具有相同药理作用相同药理作用的药物的化学的药物的化学结构结构中相中相同同或相似或相似的部分，称为该类药物的基本结构。的部分，称为该类药物的基本结构。磺胺嘧啶磺胺甲噁唑 对氨基苯磺酰胺现在学习的是第21页，共34页氧氟沙星氧氟沙星 诺氟沙星诺氟沙星 环丙沙星环丙沙星 喹诺酮类基本结构喹诺酮类基本结构 抗菌作用药理作用现在

17、学习的是第22页，共34页药物的基本结构决定结构特异性药物的生物活性；药效的必需基团现在学习的是第23页，共34页二、电子云密度分布对药效的影响二、电子云密度分布对药效的影响现在学习的是第24页，共34页2立体结构蛋白质和其他生物大分子是非对称的，药物与受体分蛋白质和其他生物大分子是非对称的，药物与受体分子的识别和结合过程是在三维空间中发生的，立体互子的识别和结合过程是在三维空间中发生的，立体互补性是实现该过程的重要因素。药物要与受体结合形补性是实现该过程的重要因素。药物要与受体结合形成复合物，在立体结构上必须互相适应，即在立体结成复合物，在立体结构上必须互相适应，即在立体结构上有互补性。构上

18、有互补性。立体化学的作用主要包括 几何异构 光学异构光学异构 构象异构构象异构现在学习的是第25页，共34页 （1 1）几何异构：当药物分子中含有双键，或有刚性或半刚性）几何异构：当药物分子中含有双键，或有刚性或半刚性的环状结构时，可产生几何异构体。几何异构体的理化性质的环状结构时，可产生几何异构体。几何异构体的理化性质和生物活性都有较大的差异，如顺、反式己烯雌酚的例子。和生物活性都有较大的差异，如顺、反式己烯雌酚的例子。在雌激素的构效关系研究中，发现两个含氧官能团及氧原子间的距离对生在雌激素的构效关系研究中，发现两个含氧官能团及氧原子间的距离对生理作用是主要影响因素。人工合成的反式己烯雌酚中

19、，两个羟基的距离是理作用是主要影响因素。人工合成的反式己烯雌酚中，两个羟基的距离是1.45nm1.45nm，这与雌二醇两个羟基的距离近似，表现出较强的生理活性。顺式，这与雌二醇两个羟基的距离近似，表现出较强的生理活性。顺式己烯雌酚羟基间距离为己烯雌酚羟基间距离为0.72nm0.72nm，作用大大减弱。，作用大大减弱。Z Z Z Z-己烯雌酚己烯雌酚己烯雌酚己烯雌酚E E E E-己烯雌酚己烯雌酚己烯雌酚己烯雌酚雌二醇雌二醇雌二醇雌二醇 现在学习的是第26页，共34页（2 2）光学异构：光学异构分子中存在手性中心，两个对映体）光学异构：光学异构分子中存在手性中心，两个对映体互为实物和镜像，又称为

20、对映异构体。互为实物和镜像，又称为对映异构体。在有些药物中，光学异构体的药理作用相同，例如左旋和在有些药物中，光学异构体的药理作用相同，例如左旋和右旋氯喹具有相同的抗疟活性。右旋氯喹具有相同的抗疟活性。但在很多药物中，左旋体和右旋体的生物活性并不相同，例但在很多药物中，左旋体和右旋体的生物活性并不相同，例如如D-D-（）（）-异丙基肾上腺素作为支气管舒张剂，作用比异丙基肾上腺素作为支气管舒张剂，作用比L-L-（+）-异丙基肾上腺素强异丙基肾上腺素强800800倍；倍；D-D-（）（）-去甲肾上腺素的去甲肾上腺素的支气管舒张作用比支气管舒张作用比L-L-（+）-去甲肾上腺素强去甲肾上腺素强707

21、0倍；倍；D-D-（）（）-肾上腺素的血管收缩作用比肾上腺素的血管收缩作用比L-L-（+）-肾上腺素强肾上腺素强12201220倍；倍；L-L-（+）-乙酰基乙酰基-b b-甲基胆碱对痛风的作用比甲基胆碱对痛风的作用比D-D-（）（）-异构体异构体约高约高200200倍。倍。现在学习的是第27页，共34页 药物中光学异构体生理活性的差异反映了药物与受体结合药物中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。一般认为，这类药物需要通过三点时的较高的立体要求。一般认为，这类药物需要通过三点与受体结合，如图与受体结合，如图13-613-6中中D-D-（）（）-肾上腺素通过下列三肾上

22、腺素通过下列三个基团与受体在三点结合：个基团与受体在三点结合：氨基；氨基；苯环及其两个酚羟苯环及其两个酚羟基；基；侧链上的醇羟基。而侧链上的醇羟基。而L-L-异构体只能有两点结合。异构体只能有两点结合。现在学习的是第28页，共34页 有一些药物，左旋体和右旋体的生物活性类型都不一样，有一些药物，左旋体和右旋体的生物活性类型都不一样，如扎考必利（如扎考必利（zacopridezacopride）是通过拮抗）是通过拮抗5-HT35-HT3受体而起作用，受体而起作用，为一类新型的止吐药。深入的研究证明，为一类新型的止吐药。深入的研究证明，R R-异构体为异构体为5-HT35-HT3受体的拮抗剂，而受

23、体的拮抗剂，而S S-异构体则为异构体则为5-HT35-HT3受体的激动剂受体的激动剂;又如又如（）（）-依托唑啉（依托唑啉（etozolineetozoline）具有利尿作用，（）具有利尿作用，（）-依依托唑啉则有抗利尿作用。托唑啉则有抗利尿作用。R R R R-(+)-(+)-(+)-(+)-扎考必利扎考必利扎考必利扎考必利 R R R R-(+)-zacopride-(+)-zacopride-(+)-zacopride-(+)-zacopride S-(S-(S-(S-()-)-)-)-依托唑啉依托唑啉依托唑啉依托唑啉S-(S-(S-(S-()-etozoline)-etozoline

24、)-etozoline)-etozoline现在学习的是第29页，共34页（3 3）药物构象：由于碳碳单键的旋转或扭曲（键不断开）而）药物构象：由于碳碳单键的旋转或扭曲（键不断开）而引起的分子中原子或基团在空间的不同排列形式称为构象引起的分子中原子或基团在空间的不同排列形式称为构象（conformationconformation）。）。这种因单键的旋转或扭曲而产生的异构体称为构象异构体。由这种因单键的旋转或扭曲而产生的异构体称为构象异构体。由于旋转所需能量较小，一般低于于旋转所需能量较小，一般低于5kcal/mol5kcal/mol，理论上一个分子可，理论上一个分子可以有无数构象式同时存在，

25、但由于分子中较大基因（或原子）以有无数构象式同时存在，但由于分子中较大基因（或原子）的立体障碍，一些构象需要克服的立体能垒大而存在的可能性的立体障碍，一些构象需要克服的立体能垒大而存在的可能性较小，而以分子势能最低的构象存在的可能性最大。我们称分较小，而以分子势能最低的构象存在的可能性最大。我们称分子势能最低的构象为子势能最低的构象为优势构象（优势构象（preferential conformationpreferential conformation），），一般一般由由X-X-射线结晶学测定的构象为优势构象。射线结晶学测定的构象为优势构象。现在学习的是第30页，共34页 因为相互作用能量的影

26、响，药物和受体结合时，药物本身不因为相互作用能量的影响，药物和受体结合时，药物本身不一定采取它的优势构象。这是由于药物分子与受体间作用力一定采取它的优势构象。这是由于药物分子与受体间作用力的影响，可使药物与受体相互适应达到互补，即分子识别过的影响，可使药物与受体相互适应达到互补，即分子识别过程的构象重组，因此我们把药物与受体作用时所采取的实际程的构象重组，因此我们把药物与受体作用时所采取的实际构象为构象为药效构象（药效构象（pharmacophoric conformationpharmacophoric conformation）。）。药效构象不一定是药物的优势构象，药物与受体间作用力药效构

27、象不一定是药物的优势构象，药物与受体间作用力可以补偿由优势构象转为药效构象时分子内能的增加所需可以补偿由优势构象转为药效构象时分子内能的增加所需的能量，即维持药效构象所需的能量。的能量，即维持药效构象所需的能量。现在学习的是第31页，共34页药物分子的基本结构不同，但可能会以相同的作用机制引起相同的药理或毒理效应，这是由于它们具有共同的药效构象，即构象等效性（conformational equivalence），从而以相同的作用方式与受体部位相互作用。构象等效性不仅存在于同系化合物或（和）同型化合物，而且在结构差异很大或化学类型不同的化合物之间，也可能有相同的药效构象。现在学习的是第32页，共34页四、官能团对药效的影响四、官能团对药效的影响异丙嗪，抗过敏药氯丙嗪，抗精神病药现在学习的是第33页，共34页（一）氢键（一）氢键五、键合特性对药效的影响五、键合特性对药效的影响D-（-）-肾上腺素的羟基能与受体通过氢键结合产生作用，而L-（+）-肾上腺素则不能形成氢键，其血管收缩作用仅为前者的1/15。D-（-）L-（+）现在学习的是第34页，共34页