基于酶促原理的药物设计.ppt

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1、第四章第四章 基于酶促原理的基于酶促原理的药物设计药物设计 药物设计学药物设计学【学习要求学习要求】1.掌握酶促反应的基本概念和酶抑制剂设计的基本原理。掌握酶促反应的基本概念和酶抑制剂设计的基本原理。2.熟悉酶抑制剂类药物的发展现状；熟悉熟悉酶抑制剂类药物的发展现状；熟悉NS3/4A蛋白酶蛋白酶抑制剂波西匹韦的设计与发现过程。抑制剂波西匹韦的设计与发现过程。3.了解了解HIV-1 RT、PTKs和和NA等药物作用靶酶的结构、功等药物作用靶酶的结构、功能和抑制剂。能和抑制剂。酶酶（enzyme）是机体内催化各种代谢反应的生物催是机体内催化各种代谢反应的生物催化剂，是由组织活体细胞合成分泌并对其特

2、异性底化剂，是由组织活体细胞合成分泌并对其特异性底物具有高效催化作用的天然蛋白质。物具有高效催化作用的天然蛋白质。在目前已知的在目前已知的500多种药物作用靶标中，酶是最重要多种药物作用靶标中，酶是最重要的一类，约占的一类，约占45%。未来将有。未来将有50007000种功能蛋白种功能蛋白将会成为药物设计与研究的实用性靶标，其中约将会成为药物设计与研究的实用性靶标，其中约3500种是酶靶。种是酶靶。第一节第一节 酶促反应的基础知识酶促反应的基础知识分类依据分类依据分类分类举例举例酶酶在在细细胞胞的位置的位置细细胞表面胞表面酶酶（cell surface enzyme）/胞外胞外酶酶（extra

3、cellular enzyme）羟羟甲戊二甲戊二酰辅酰辅酶酶A还还原原酶酶（3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase，HMG CoA还还原原酶酶）血管血管紧张紧张素素转转化化酶酶（angiotensin-converting enzyme，ACE）一氧化氮合成一氧化氮合成酶酶（nitric oxide synthase,NOS）乙乙酰酰胆碱胆碱酯酯酶酶（acetylcholinesterase,AcChE）胞内胞内酶酶（intracellular enzyme）DNA聚合聚合酶酶（DNA polymerase）半胱天冬半胱天冬酶酶（casp

4、ase）分类依据分类依据分类分类举例举例酶酶催化反催化反应类应类型型氧化氧化-还还原原酶酶（oxidoreductase）单单胺氧化胺氧化酶酶（monoamine oxidase，MAO）、）、细细胞色素胞色素酶酶（cytochrome）水解水解酶酶（hydrolase）淀粉淀粉酶酶（amylase）、）、蛋白蛋白酶酶（protease）转转移移酶酶（transferase）法尼基法尼基转转移移酶酶（farnesyl transferase）、）、磷酸化磷酸化酶酶（phosphorylase）异构异构酶酶（isomerase）前列腺素异构前列腺素异构酶酶（prostaglandin isome

5、rase）连连接接酶酶（ligase）tRNA连连接接酶酶（tRNA ligase）裂和裂和酶酶（lyase）碳酸碳酸酐酐酶酶（carbonate dehydratase）、）、醛缩醛缩酶酶（aldolase）一、酶促反应理论一、酶促反应理论 （一）底物浓度对反应速度的影响（一）底物浓度对反应速度的影响米氏方程米氏方程：在底物浓度很低的条件下在底物浓度很低的条件下与与S呈线性关系，结果呈线性关系，结果=SVmax/KM；当底物浓度接近饱和时，当底物浓度接近饱和时，与与S无关并且趋于最大无关并且趋于最大反应速度反应速度Vmax。底物浓度对酶促反应速度的影响底物浓度对酶促反应速度的影响（二）（二）

6、E-I E-I 的相互作用的相互作用底物或抑制剂与靶酶的亲和力是各种作用力的综合结底物或抑制剂与靶酶的亲和力是各种作用力的综合结果（静电作用、范德华力、疏水作用、氢键和阳离子果（静电作用、范德华力、疏水作用、氢键和阳离子-键）。键）。Ki=EI/E I Ki值越小，抑制作用越强。值越小，抑制作用越强。二、酶的激活与抑制二、酶的激活与抑制 1.酶原的激活酶原的激活 这种无活性的酶的前体称为酶原，酶原向酶转化的这种无活性的酶的前体称为酶原，酶原向酶转化的过程称为酶原的激活。酶原的激活实际上是酶的活过程称为酶原的激活。酶原的激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。性中心形成或暴露的过程。2.酶的变

7、构激活酶的变构激活 体内一些代谢物可以与某些酶分子活性位点以外的体内一些代谢物可以与某些酶分子活性位点以外的某部位可逆结合，使酶发生变构并改变其催化活性，某部位可逆结合，使酶发生变构并改变其催化活性，称为变构效应。称为变构效应。（一）酶的激活作用（一）酶的激活作用3.酶的共价修饰激活酶的共价修饰激活 酶结构上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的酶结构上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，这一过程称为酶的共价结合，从而改变酶的活性，这一过程称为酶的共价修饰或化学修饰。共价修饰或化学修饰。（二）酶的抑制作用（二）酶的抑制作用1.不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用 不可逆性

8、抑制剂通常以共价键与酶活性位点上的必不可逆性抑制剂通常以共价键与酶活性位点上的必需基团结合，使之失活。需基团结合，使之失活。2.可逆性抑制作用可逆性抑制作用 可逆性抑制剂通常以非共价键与酶和（或）可逆性抑制剂通常以非共价键与酶和（或）E S可可逆性结合，使之活性降低或消失。逆性结合，使之活性降低或消失。竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制 反竞争性抑制反竞争性抑制竞争性抑制作用使酶的表观竞争性抑制作用使酶的表观KM值增大值增大非竞争性抑制作用不改变酶的表观非竞争性抑制作用不改变酶的表观KM值值反竞争性抑制作用降低反应的表观反竞争性抑制作用降低反应的表观KM值值 可逆性抑制剂的种类可逆

9、性抑制剂的种类酶酶抑制剂类型抑制剂类型达到抑制作用达到抑制作用所需的所需的I/E比值比值达到平衡的反应速率达到平衡的反应速率快速可逆快速可逆紧密结合紧密结合缓慢结合缓慢结合缓慢缓慢-紧密结合紧密结合IEIIEIEI-E快快快快慢慢慢慢紧密结合紧密结合的抑制剂：以高亲和力与靶酶结合，酶的抑制剂：以高亲和力与靶酶结合，酶-抑制抑制剂复合物的形剂复合物的形 成使游离抑制剂分子被显著消耗。成使游离抑制剂分子被显著消耗。缓慢结合缓慢结合的抑制剂：酶的抑制剂：酶-抑制剂复合物的解离速速缓慢，抑制剂复合物的解离速速缓慢，达到平衡过程缓慢。达到平衡过程缓慢。缓慢缓慢-紧密结合的抑制剂：指以缓慢的作用过程完成抑

10、紧密结合的抑制剂：指以缓慢的作用过程完成抑制剂与酶结合的一种紧密结合抑制剂。制剂与酶结合的一种紧密结合抑制剂。第二节第二节 酶抑制剂的设计原理酶抑制剂的设计原理一、酶抑制剂的发展与分类一、酶抑制剂的发展与分类1.控制感染性疾病的酶抑制剂类药物控制感染性疾病的酶抑制剂类药物雷特格韦雷特格韦西他沙星西他沙星达卡他韦达卡他韦索非布韦索非布韦2.抗肿瘤的酶抑制剂类药物抗肿瘤的酶抑制剂类药物3.调节代谢类疾病的酶抑制剂类药物调节代谢类疾病的酶抑制剂类药物 酶抑制剂类药物及其靶酶酶抑制剂类药物及其靶酶 代表性药物或药物类型代表性药物或药物类型靶酶靶酶临床用途临床用途青霉素，头孢菌素类青霉素，头孢菌素类肽聚

11、糖转肽酶肽聚糖转肽酶抗菌抗菌喹诺酮类抗菌药喹诺酮类抗菌药物物细菌细菌DNA旋转酶旋转酶抗菌抗菌甲氧苄啶，氨甲蝶呤甲氧苄啶，氨甲蝶呤二氢叶酸还原酶二氢叶酸还原酶抗菌、抗癌抗菌、抗癌克霉唑，酮康唑克霉唑，酮康唑羊毛甾醇羊毛甾醇14-脱甲基酶脱甲基酶抗真菌抗真菌阿昔洛韦，阿糖腺苷阿昔洛韦，阿糖腺苷病毒病毒DNA聚合酶聚合酶抗病毒抗病毒齐多夫定齐多夫定HIV逆转录酶逆转录酶抗病毒抗病毒沙奎那韦沙奎那韦HIV蛋白酶蛋白酶抗病毒抗病毒扎那米韦，奥司米韦扎那米韦，奥司米韦流感病毒神经氨酶流感病毒神经氨酶抗病毒抗病毒酶抑制剂类药物及其靶酶酶抑制剂类药物及其靶酶 代表性药物或药物类型代表性药物或药物类型靶酶靶酶

12、临床用途临床用途非那司提非那司提甾体甾体5-还原酶还原酶良性前列腺增生良性前列腺增生氨鲁米特，法倔唑氨鲁米特，法倔唑芳香酶芳香酶雌激素介导的乳腺癌雌激素介导的乳腺癌5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶胸苷酸合成酶胸苷酸合成酶结肠直肠癌结肠直肠癌依托泊甙依托泊甙拓扑异构酶拓扑异构酶II小细胞肺癌、淋巴瘤小细胞肺癌、淋巴瘤喷司他丁喷司他丁腺苷酸脱氨酶腺苷酸脱氨酶白血病白血病氨己烯酸氨己烯酸GABA转氨酶转氨酶癫痫癫痫反苯环丙胺，苯乙肼反苯环丙胺，苯乙肼单胺氧化酶单胺氧化酶抗抑郁抗抑郁卡托普利，依那普利卡托普利，依那普利血管紧张素转化酶血管紧张素转化酶抗高血压抗高血压酶抑制剂类药物及其靶酶酶抑制剂类药物及其靶酶 代

13、表性药物或药物类型代表性药物或药物类型靶酶靶酶临床用途临床用途强心苷强心苷Na+,K+-ATP酶酶心律失常心律失常非布索坦，别嘌醇非布索坦，别嘌醇黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶痛风痛风埃索美拉唑，奥美拉唑埃索美拉唑，奥美拉唑H+,K+-ATP酶酶溃疡溃疡瑞舒伐他汀，辛伐他汀瑞舒伐他汀，辛伐他汀HMG-CoA还原酶还原酶高血脂高血脂阿司匹林，萘普生，布洛芬阿司匹林，萘普生，布洛芬前前列列腺腺素素合合成成酶酶，环氧化酶环氧化酶抗炎抗炎艾瑞昔布，塞来西布艾瑞昔布，塞来西布环氧化酶环氧化酶II关节炎关节炎新斯的明新斯的明乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱酯酶青光眼青光眼二、酶抑制剂的合理设计二、酶抑制剂的合理设计1.基态

14、类似物抑制剂基态类似物抑制剂 酶促反应的基态由底物和产物组成。基态类似物模酶促反应的基态由底物和产物组成。基态类似物模拟底物或产物的化学结构，包括底物类似物和产物拟底物或产物的化学结构，包括底物类似物和产物类似物，以底物类似物为多，通常作用于与底物相类似物，以底物类似物为多，通常作用于与底物相同的活性位点。同的活性位点。（一）基于非共价结合的酶抑制剂的合理设计（一）基于非共价结合的酶抑制剂的合理设计2.多底物类似物抑制剂多底物类似物抑制剂 多底物类似物模拟结合在酶活性位点的两个或多个底物多底物类似物模拟结合在酶活性位点的两个或多个底物的结构，通过共价键把两个或多个底物或底物类似物结的结构，通过

15、共价键把两个或多个底物或底物类似物结合在一起。与单底物类似物相比，多底物类似物的优点合在一起。与单底物类似物相比，多底物类似物的优点在于与靶酶的结合力大大增强，并且特异性更高。在于与靶酶的结合力大大增强，并且特异性更高。3.过渡态类似物抑制剂过渡态类似物抑制剂 由于酶与过渡态之间的亲和力高于酶同底物或产物的由于酶与过渡态之间的亲和力高于酶同底物或产物的亲和力，酶可以降低这种能量壁垒，使反应速率提高亲和力，酶可以降低这种能量壁垒，使反应速率提高10101015倍。过渡态类似物抑制剂是一类特异的竞争倍。过渡态类似物抑制剂是一类特异的竞争性抑制剂，其结构类似于反应中不稳定过渡态的底物性抑制剂，其结构

16、类似于反应中不稳定过渡态的底物部分。部分。（二）基于共价结合的酶抑制剂的合理设计（二）基于共价结合的酶抑制剂的合理设计1.基于机制的酶抑制剂基于机制的酶抑制剂 也称为自杀性底物（也称为自杀性底物（suicide substrates）。）。特点：特点：同正常底物的化学结构相似，包括电性和立体两个同正常底物的化学结构相似，包括电性和立体两个因素；因素；具有低反应性能的潜在基团或结构片段，在酶的催具有低反应性能的潜在基团或结构片段，在酶的催化阶段，经靶酶诱导激活，转化为反应性能强的活化阶段，经靶酶诱导激活，转化为反应性能强的活性基团或中间体；性基团或中间体；与酶的活性中心共价结合，使酶不可逆失活，

17、具有与酶的活性中心共价结合，使酶不可逆失活，具有高度特异性，毒性较低。高度特异性，毒性较低。2.亲和标记抑制剂亲和标记抑制剂 又称为指向活性部位抑制剂（又称为指向活性部位抑制剂（active-sited directed inhibitors）。）。通常也是底物或产物类似物，特征：通常也是底物或产物类似物，特征：分子中与酶可逆结合的部分，即识别基团；分子中与酶可逆结合的部分，即识别基团；在识别基团上连接或修饰具有反应活性的化学基团或在识别基团上连接或修饰具有反应活性的化学基团或原子，或称活性基团。原子，或称活性基团。第三节第三节 酶抑制剂类药物酶抑制剂类药物一、一、HIVHIV逆转录酶抑制剂逆

18、转录酶抑制剂获得性免疫缺陷综合征（获得性免疫缺陷综合征（acquired immune deficiency syndrome，AIDS）人免疫缺陷病毒（人免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）分为）分为HIV-1和和HIV-2两种亚型两种亚型 整合酶（整合酶（integrase）、逆转录酶（）、逆转录酶（reverse transcriptase，RT）和蛋白酶（）和蛋白酶（protease）是病毒复制过程中的关键）是病毒复制过程中的关键的的3个酶，任何一个酶的失活都将阻碍病毒的复制。个酶，任何一个酶的失活都将阻碍病毒的复制。（一）（一）HIVHIV

19、治疗药物治疗药物（二）（二）HIVHIV逆转录酶的结构特征逆转录酶的结构特征 HIV-1逆转录酶与逆转录酶与DNA双螺旋复合物结构示意图双螺旋复合物结构示意图 非核苷类逆转录酶抑制剂非核苷类逆转录酶抑制剂 奈韦拉平奈韦拉平 地拉韦啶地拉韦啶 依法韦仑依法韦仑（三）（三）HIVHIV逆转录酶抑制剂及其作用机制逆转录酶抑制剂及其作用机制 奈韦拉平等奈韦拉平等3种种NNRTIs与与HIV-IRT复合物的晶体结构复合物的晶体结构 二、酪氨酸激酶抑制剂二、酪氨酸激酶抑制剂人人类类基基因因组组大大约约编编码码519种种蛋蛋白白激激酶酶，94种种蛋蛋白白酪酪氨氨酸酸激激酶酶（protein tyrosine

20、 kinases，PTKs）是是其其中中最最主主要要的的一一个个家家族族，占占激激酶酶总总数数的的18%。在在肿肿瘤瘤靶靶向向治治疗中，疗中，PTKs抑制剂占据着重要的地位。抑制剂占据着重要的地位。在在28种种已已上上市市的的小小分分子子蛋蛋白白激激酶酶抑抑制制剂剂中中，用用于于肿肿瘤瘤治治疗疗的的有有26种种，其其中中20种种为为PTKs抑抑制制剂剂、6个个为为丝丝氨氨酸酸/苏苏氨氨酸酸激激酶酶抑抑制制剂剂；另另外外2种种属属于于PTKs的的JAKs抑抑制制 剂剂 鲁鲁 索索 替替 尼尼（ruxolitinib）和和 托托 法法 替替 尼尼（tofacitinib）分别用于骨髓纤维化和类风湿

21、关节炎。）分别用于骨髓纤维化和类风湿关节炎。（一）（一）PTKsPTKs的的结构特征结构特征PTKs主要分为受体型主要分为受体型PTKs及非受体型及非受体型PTKs两类。两类。1.受体型受体型PTKs的结构特征和类型的结构特征和类型受体型受体型PTKs在细胞外存在一个结合配体的胞外区，配在细胞外存在一个结合配体的胞外区，配体一般为膜结合的多肽或者蛋白类激素，包括多种生体一般为膜结合的多肽或者蛋白类激素，包括多种生长因子。胞内区为一个可以选择性与底物结合并且将长因子。胞内区为一个可以选择性与底物结合并且将其酪氨酸残基磷酸化的催化域，且具有自磷酸化位点。其酪氨酸残基磷酸化的催化域，且具有自磷酸化位

22、点。此外，还存在一个跨膜结构域。此外，还存在一个跨膜结构域。受体型受体型PTKs主要包括：主要包括：表皮生长因子受体（表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）家族，包括）家族，包括ErbB-1（EGFR）、）、ErbB-2（HER-2）、）、ErbB-3（HER-3）和）和ErbB-4（HER-4），此类受体高表达于上皮细胞肿瘤中；），此类受体高表达于上皮细胞肿瘤中；血小板衍化生长因子受体（血小板衍化生长因子受体（platelet derived growth factor receptor，PDGFR）家族，通过作用于内皮细）家族，通过作

23、用于内皮细胞和间质细胞，促进血管形成；胞和间质细胞，促进血管形成；成纤维细胞生长因子受体（成纤维细胞生长因子受体（fibroblast growth factor receptor，FGFR）家族，）家族，FGF调节细胞分裂、增殖、调节细胞分裂、增殖、迁移及分化的多效生长因子，此类受体在血管形成方迁移及分化的多效生长因子，此类受体在血管形成方面起重要作用；面起重要作用；血管内皮生长因子受体（血管内皮生长因子受体（vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR）家族，包括）家族，包括VEGFR-1（FLT-1）、）、VEGFR-2（KDR/FL

24、K-1）和）和VEGFR-3（FLT-4）。）。2.非受体型非受体型PTK的结构特征的结构特征非受体型非受体型PTK一般没有细胞外结构，它们通常位于胞一般没有细胞外结构，它们通常位于胞质中或者在细胞膜内侧与跨膜受体结合，通过细胞因质中或者在细胞膜内侧与跨膜受体结合，通过细胞因子受体等执行信号传导功能。子受体等执行信号传导功能。包括包括JAK、ABL、SRC、ACK、CSK、FAK、FRK、SYK和和TEC等家族，其等家族，其中中TEC家族成员有家族成员有BTK、ITK、TEC、BMX等较热门等较热门的研究靶点。的研究靶点。从伊马替尼（从伊马替尼（imatinib）与）与BCR-ABL的共结晶结

25、构可了的共结晶结构可了解非受体解非受体PTKs的结构，的结构，C端多为端多为-螺旋结构，螺旋结构，N端多为端多为-折叠结构，折叠结构，C端和端和N端通过一个铰链连接，铰链区端通过一个铰链连接，铰链区（hinge region）的细长狭缝为底物）的细长狭缝为底物ATP结合口袋。结合口袋。ABL激酶与伊马替尼的共结晶结构激酶与伊马替尼的共结晶结构ATP与与PTKs催化域的结合方式如下图所示，通过腺嘌催化域的结合方式如下图所示，通过腺嘌呤结构与铰链区的保守氨基酸残基形成呤结构与铰链区的保守氨基酸残基形成13个氢键作用，个氢键作用，在大多数激酶抑制剂的设计中均可看到与铰链区的氢键在大多数激酶抑制剂的设

26、计中均可看到与铰链区的氢键结合作用；核糖环占据口袋保持三磷酸基团的构象，同结合作用；核糖环占据口袋保持三磷酸基团的构象，同时可以和附近的氨基酸残基形成氢键作用；三磷酸基团时可以和附近的氨基酸残基形成氢键作用；三磷酸基团可以和镁离子络合，并且和活化环产生相互作用，最终可以和镁离子络合，并且和活化环产生相互作用，最终将将-磷酸转移到底物蛋白质的酪氨酸残基上。磷酸转移到底物蛋白质的酪氨酸残基上。ATP与激酶催化区域的结合模式与激酶催化区域的结合模式（二）（二）PTKsPTKs抑制剂抑制剂设计小分子设计小分子ATP或底物类似物，通过与或底物类似物，通过与ATP或底物竞或底物竞争性结合胞内激酶催化区域，

27、阻断分子内酪氨酸的自争性结合胞内激酶催化区域，阻断分子内酪氨酸的自身磷酸化，阻断酪氨酸激酶活化，阻止下游信号转导，身磷酸化，阻断酪氨酸激酶活化，阻止下游信号转导，从而抑制细胞周期进程、加速细胞凋亡、抑制血管生从而抑制细胞周期进程、加速细胞凋亡、抑制血管生成、抑制浸润和转移。成、抑制浸润和转移。靶向靶向EGFR、VEGFR和和ALK等等3种受体型种受体型PTKs的的14个个抑制剂中，包括以抑制剂中，包括以EGFR为靶点或主要靶点的吉非替尼为靶点或主要靶点的吉非替尼（gefitinib）、埃罗替尼（）、埃罗替尼（erlotinib）、拉帕替尼）、拉帕替尼（laptinib）和阿法替尼（）和阿法替尼

28、（afatinib）；以索拉菲尼）；以索拉菲尼（sorafenib）和舒尼替尼（）和舒尼替尼（sunitinib）为代表的）为代表的VEGFR抑制剂；靶向间变性淋巴瘤激酶（抑制剂；靶向间变性淋巴瘤激酶（anaplastic lymphoma kinase，ALK）的克唑替尼（）的克唑替尼（crizotinib）和）和色瑞替尼（色瑞替尼（ceritinib）。）。以以BCR-ABL和和Bruton酪氨酸激酶（酪氨酸激酶（Bruton tyrosine kinase，BTK）2种非受体型种非受体型PTKs为靶点的小分子抑为靶点的小分子抑制剂已成功上市制剂已成功上市6种药物，靶向种药物，靶向BCR-

29、ABL的代表性药的代表性药物为伊马替尼和达沙替尼（物为伊马替尼和达沙替尼（dasatinib），是治疗慢性），是治疗慢性粒细胞白血病的有效药物；而依鲁替尼（粒细胞白血病的有效药物；而依鲁替尼（ibrutinib）是唯一的是唯一的BTK抑制剂，用于治疗套细胞淋巴瘤和急性抑制剂，用于治疗套细胞淋巴瘤和急性淋巴细胞白血病。淋巴细胞白血病。这些替尼类（这些替尼类（-tinibs）药物并不是作用于单一的靶点，）药物并不是作用于单一的靶点，对其他激酶也有着较强的抑制活性，从多向药理学对其他激酶也有着较强的抑制活性，从多向药理学（polypharmacology）的角度来说，可能是其临床有）的角度来说，可能

30、是其临床有效性的原因，另一方面也会由于脱靶效应（效性的原因，另一方面也会由于脱靶效应（off-target effect）造成一些不良反应。）造成一些不良反应。这些替尼类（这些替尼类（-tinibs）药物并不是作用于单一的靶点，）药物并不是作用于单一的靶点，对其它激酶也有着较强的抑制活性，从多向药理学对其它激酶也有着较强的抑制活性，从多向药理学（polypharmacology）的角度来说，可能是其临床有）的角度来说，可能是其临床有效性的原因，另一方面也会由于脱靶效应（效性的原因，另一方面也会由于脱靶效应（off-target effect）造成一些不良反应。）造成一些不良反应。第四节第四节

31、案例分析：波西匹韦的发现案例分析：波西匹韦的发现一、研究背景一、研究背景丙型肝炎由丙型肝炎病毒丙型肝炎由丙型肝炎病毒（HCV）感染所致，主要经感染所致，主要经血液血液/体液传播。据世界卫生组织统计，全球体液传播。据世界卫生组织统计，全球HCV的感的感染率约为染率约为3%，约，约1.8亿人感染亿人感染HCV，60%70%的感染的感染人群发病，可导致肝脏慢性炎症坏死和纤维化，部分人群发病，可导致肝脏慢性炎症坏死和纤维化，部分患者可发展为患者可发展为肝硬化肝硬化甚至肝癌。甚至肝癌。HCV是一种高度易变异性病毒，根据其基因序列的差是一种高度易变异性病毒，根据其基因序列的差异，可以分为异，可以分为、和和

32、四种基因型，各基因型间四种基因型，各基因型间没有免疫力，相互之间可以重复感染，这使得研制预没有免疫力，相互之间可以重复感染，这使得研制预防性和治疗性疫苗存在很大困难。近防性和治疗性疫苗存在很大困难。近5年抗丙型肝炎药年抗丙型肝炎药物取得重大突破，下面以物取得重大突破，下面以NS3/4A蛋白酶抑制剂蛋白酶抑制剂（NS3/4A protease inhibitor）波西匹韦波西匹韦（baceprevir）为例，说明基于酶蛋白结构的合理设计过程。为例，说明基于酶蛋白结构的合理设计过程。NS3/4A蛋白酶对蛋白酶对HCV的生长和增殖具有重要作用，的生长和增殖具有重要作用，是研究抗是研究抗HCV药物的理

33、想靶标。药物的理想靶标。NS3/4A蛋白酶的单晶蛋白酶的单晶X射线分析提示，其活性中心是射线分析提示，其活性中心是处于酶的表面，呈平坦状展开，没有明显特征的疏水处于酶的表面，呈平坦状展开，没有明显特征的疏水性结构域，而且被水分子覆盖。催化核心是由性结构域，而且被水分子覆盖。催化核心是由N端的端的His57和和Asp81、C端的端的Ser139三元体构成。底物三元体构成。底物P1位位置为置为Cys或或The，P1为疏水性、小体积氨基酸为疏水性、小体积氨基酸Ala或或Ser，P2、P3和和P4为疏水性氨基酸，为疏水性氨基酸，P5和和P6为为Asp或或Glu等酸性氨基酸残基。等酸性氨基酸残基。二、苗

34、头化合物的发现二、苗头化合物的发现由于酶与底物的结合以在较大范围发生、多位点的弱由于酶与底物的结合以在较大范围发生、多位点的弱结合力为特征，研究筛选小分子化合物以其达到抑制结合力为特征，研究筛选小分子化合物以其达到抑制NS3/4A蛋白酶的目的并不成功，而模拟天然底物的长蛋白酶的目的并不成功，而模拟天然底物的长链肽，进行设计与修饰成为有效途径。化合物（链肽，进行设计与修饰成为有效途径。化合物（4-50）与）与NS3/4A蛋白酶活性中心的结构相匹配，且酮基蛋白酶活性中心的结构相匹配，且酮基酰胺处于合适的位置，可与酰胺处于合适的位置，可与Ser139发生亲核性进攻，发生亲核性进攻，形成稳定的共价键，

35、成为不可逆性抑制剂，如下图所形成稳定的共价键，成为不可逆性抑制剂，如下图所示。示。-酮基酰胺片段与丝氨酸的羟基发生亲酮基酰胺片段与丝氨酸的羟基发生亲核进攻形成共价结合的示意图核进攻形成共价结合的示意图三、先导化合物的确定及优化三、先导化合物的确定及优化1.减少氨基酸残基，由十一肽减为五肽减少氨基酸残基，由十一肽减为五肽2.改变侧链基团，再减少氨基酸残基改变侧链基团，再减少氨基酸残基四、上市药物波西匹韦的确定四、上市药物波西匹韦的确定在临床前研究中，化合物（在临床前研究中，化合物（4-53）表现出良好的开发）表现出良好的开发价值，被命名为波西匹韦（价值，被命名为波西匹韦（baceprevir），

36、最终在），最终在2011年年5月上市。月上市。波西匹韦与波西匹韦与NS3/4A复合物的单晶复合物的单晶X射线衍射图显示，两射线衍射图显示，两个叔丁基分别与个叔丁基分别与S4和和S3疏水腔发生疏水相互作用，疏水腔发生疏水相互作用，P2的二甲基环丙并脯氨酸片段呈弯曲构象，与酶的的二甲基环丙并脯氨酸片段呈弯曲构象，与酶的Ala156、His57和和Arg155侧链发生最大限度的疏水性交盖，环丁侧链发生最大限度的疏水性交盖，环丁基占据了基占据了S1腔，腔，-酮基酰胺的羰基与酮基酰胺的羰基与Ser139形成可逆的形成可逆的共价结合，整个化合物骨架与酶发生多处的氢键结合。共价结合，整个化合物骨架与酶发生多

37、处的氢键结合。波西匹韦与波西匹韦与NS3/4A复合物单晶复合物单晶X射线衍射图射线衍射图【思考题思考题】一、名词解释一、名词解释1.合理的酶抑制剂设计合理的酶抑制剂设计2.非共价结合的酶抑制剂非共价结合的酶抑制剂3.基态类似物抑制剂基态类似物抑制剂4.多底物类似物抑制剂多底物类似物抑制剂5.过渡态类似物抑制剂过渡态类似物抑制剂6.基于机制的抑制剂基于机制的抑制剂7.亲核标记抑制剂亲核标记抑制剂8.不可逆性抑制剂不可逆性抑制剂二、问答题二、问答题1.基于结构基于结构/机制的非共价键结合的酶抑制剂的分类及机制的非共价键结合的酶抑制剂的分类及其特点。其特点。2.共价键酶抑制剂的类型及其设计思想。共价键酶抑制剂的类型及其设计思想。3.简述简述HIV-1逆转录酶抑制剂的作用机制。逆转录酶抑制剂的作用机制。4.简述简述受体型受体型PTKs的结构特征和类型的结构特征和类型与与非受体型非受体型PTK的结构特征。的结构特征。5.简述简述NA的结构特点及其代表性抑制剂。的结构特点及其代表性抑制剂。