第19章药物研究的生物化学基础课件.ppt

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1、第十九章第十九章药物研究的生物化学基础药物研究的生物化学基础第一节第一节 生物药物制造的生物化学基础生物药物制造的生物化学基础一、生物药物制备方法的一、生物药物制备方法的特点特点（1）目的物存在于）目的物存在于组成非常复杂的生物材料中组成非常复杂的生物材料中（2）目的物在生物材料中）目的物在生物材料中含量极微含量极微（3）生物活性成分）生物活性成分离开生物体后离开生物体后，易变性破坏易变性破坏（4）生物药物）生物药物制造工艺设计理论性不强制造工艺设计理论性不强（5）生物制药工艺多采用）生物制药工艺多采用“逐级分离逐级分离”法法（6）生物药物的）生物药物的均一性检测均一性检测与与化学上纯度概念不

2、完化学上纯度概念不完全相同。全相同。生物药物分离的主要原理生物药物分离的主要原理：v1.根据根据不同组分分配率不同组分分配率的差别进行分离的差别进行分离v 萃取萃取v 分配层析分配层析v 吸附层析吸附层析v 盐析盐析v 结晶结晶2.根据根据生物大分子的特性生物大分子的特性根据根据分子形状分子形状和和分子大小分子大小不同：不同：差速离心、超离心、膜分离透析、超滤、凝胶过滤差速离心、超离心、膜分离透析、超滤、凝胶过滤根据分子电离性质（根据分子电离性质（带电性带电性）不同：）不同：离子交换法、电泳法、等电聚焦法离子交换法、电泳法、等电聚焦法根据分子根据分子极性极性大小与溶解度不同：大小与溶解度不同：

3、溶液提取法、逆流分配法、分配层析法、盐析法溶液提取法、逆流分配法、分配层析法、盐析法根据根据配基配基特异性不同特异性不同 亲和层析法亲和层析法二、生物合成技术二、生物合成技术 生物合成是利用生物合成是利用生物细胞的代谢反应生物细胞的代谢反应（更多的是利用（更多的是利用微生物转化反应微生物转化反应）来合成）来合成化化学方法学方法难于合成的药物难于合成的药物或或药物中间体药物中间体。v微生物转化反应微生物转化反应:是利用是利用微生物的代谢作用微生物的代谢作用来进行来进行某些化学某些化学反应反应，确切地说就是，确切地说就是利用微生物代谢过程中利用微生物代谢过程中某种酶对底物进行催化反应某种酶对底物进

4、行催化反应，以，以生成生成所需要所需要的的活性物质活性物质。v 半合成药物半合成药物是指一个药物其是指一个药物其部分结构由部分结构由天然资源天然资源得到，然后用得到，然后用化学合成法制得最终化学合成法制得最终产品产品或应用或应用微生物微生物转化将转化将化学合成的中间产化学合成的中间产物物，通过某些，通过某些生物合成生物合成步骤来解决药物合成步骤来解决药物合成中难于进行的化学反应，从而获得最终有效中难于进行的化学反应，从而获得最终有效化合物。化合物。三、生物技术三、生物技术 生物技术（生物技术（biotechnology）又称生物）又称生物工程（工程（bioengineering），是利用生物有

5、机），是利用生物有机体（体（动物、植物和微生物动物、植物和微生物）或其）或其组成部分组成部分（包括器官、组织、细胞或细胞器等）发展（包括器官、组织、细胞或细胞器等）发展新产品或新工艺的一种新产品或新工艺的一种技术体系技术体系。基因工程基因工程 细胞工程细胞工程 酶工程酶工程 发酵工程发酵工程 生物技术生物技术 重组重组DNA技术（基因工程）基本原理：技术（基因工程）基本原理：目的基因的获取目的基因的获取重组重组DNA导入受体细胞导入受体细胞目的基因与载体的拼接目的基因与载体的拼接克隆载体的选择和构建克隆载体的选择和构建重组体的筛选重组体的筛选工程菌（或细胞）的大量培养工程菌（或细胞）的大量培养

6、与目的蛋白的生产与目的蛋白的生产（一）目的基因的获取（一）目的基因的获取1.化学合成法化学合成法要求：已知目的基因的核苷酸序列或其产物的要求：已知目的基因的核苷酸序列或其产物的氨基酸序列氨基酸序列。2.基因组基因组DNA文库文库(genomic DNA library)3.cDNA文库文库(cDNA library)4.聚合酶链反应聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)（二）基因载体的选用（二）基因载体的选用定义定义为携带目的基因，实现其无性繁殖或表达为携带目的基因，实现其无性繁殖或表达有意义的蛋白质所采用的一些有意义的蛋白质所采用的一些DNA分子。分子。常

7、用载体常用载体质粒质粒DNA噬菌体噬菌体DNA病毒病毒DNA载体的选择标准载体的选择标准v能自主复制；能自主复制；v具有两个以上的遗传标记物，便于重组体具有两个以上的遗传标记物，便于重组体的筛选和鉴定；的筛选和鉴定；v有克隆位点（外源有克隆位点（外源DNA插入点），常具有插入点），常具有多个单一酶切位点，称为多克隆位点；多个单一酶切位点，称为多克隆位点；v分子量小分子量小，以容纳较大的外源以容纳较大的外源DNA。质粒质粒(plasmid)特点特点 能能在在宿宿主主细细胞胞内内独独立立自自主主复复制制；带带有有某某些些遗遗传信息传信息,会赋予宿主细胞一些遗传性状会赋予宿主细胞一些遗传性状。（三）

8、（三）限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶限限 制制 性性 核核 酸酸 内内 切切 酶酶(restriction endonuclease,RE)是是识识别别DNA的的特特异异序序列列,并并在在识识别位点或其周围切割双链别位点或其周围切割双链DNA的一类内切酶。的一类内切酶。GGATCCCCTAGGGCCTAGGATCC G+Bam HBam HGTCCAGGCCTAGGATCC G+GGATCCCCTAGGHindGTCGACCAGCTGGACCTG+平端切口平端切口粘端切口粘端切口（四）（四）重组体的构建重组体的构建 即即外源基因与载体的连接外源基因与载体的连接1.1.粘性末端连接粘性末端连接

9、方式方式：(1)同一限制酶切位点连接同一限制酶切位点连接(2)不同限制酶切位点连接不同限制酶切位点连接配伍末端连接配伍末端连接Bam H切割反应切割反应 GGATCC CCTAGGT4 DNA连接酶连接酶15CGATCC GGCCTAG+目的基因用目的基因用 Bam H切割切割载体载体DNA用用Bam H切割切割重组体重组体载体自连载体自连目的基因自连目的基因自连同同一一限限制制酶酶切切位位点点连连接接2.平端连接平端连接适用于：适用于：限制性内切酶切割产生的平端限制性内切酶切割产生的平端粘端补齐或切平形成的平端粘端补齐或切平形成的平端目的基因目的基因载体载体限制性内切酶限制性内切酶限制性内切

10、酶限制性内切酶T4 DNA连接酶连接酶15C重组体重组体载体自连载体自连目的基因目的基因 自连自连3.同聚物加尾连接同聚物加尾连接在末端转移酶在末端转移酶(terminal transferase)的的作用下，在作用下，在DNA片段末端加上同聚物序列、片段末端加上同聚物序列、制造出粘性末端，再进行粘端连接制造出粘性末端，再进行粘端连接。5335载体载体DNA5335目的基因目的基因限制酶或机械剪切限制酶或机械剪切限制酶限制酶 53 35 5 3 T(T)nT T(T)nT 35 5 3 35 5 3 A(A)nA A(A)nA 35-核酸外切酶核酸外切酶-核酸外切酶核酸外切酶末端转移酶末端转移

11、酶+dATP末端转移酶末端转移酶+dTTPT(T)nTA(A)nAA(A)nA T(T)nTT4 DNA连接酶连接酶15C重组体重组体受体菌条件受体菌条件 安全宿主菌安全宿主菌 限制酶和重组酶缺陷限制酶和重组酶缺陷处于感受态处于感受态(competent)导入方式导入方式转化转化(transformation)转导转导(transduction)（五）重组（五）重组DNA导入受体菌导入受体菌（六）重组体的筛选（六）重组体的筛选 1.重组体的表型进行筛选重组体的表型进行筛选 抗药性标记筛选、营养素的依赖筛选抗药性标记筛选、营养素的依赖筛选 2.限制酶切图谱分析鉴定限制酶切图谱分析鉴定 3.利用核

12、酸杂交技术进行鉴定利用核酸杂交技术进行鉴定(插插入入失失活活法法)抗抗药药性性标标记记选选择择目目 录录组氨酸缺陷组氨酸缺陷型大肠杆菌型大肠杆菌无组氨酸无组氨酸的培养基的培养基酵母咪唑甘油磷酵母咪唑甘油磷酸脱水酶基因酸脱水酶基因促进组氨酸合成促进组氨酸合成 DNADNA重组体重组体标标志志补补救救重组重组DNADNA技术操作过程可形象归纳为技术操作过程可形象归纳为 小小 结结分分分离目的基因分离目的基因 切切限制酶切限制酶切目的基因目的基因与与载体载体接接拼接重组体拼接重组体 转转转入受体菌转入受体菌 筛筛筛选重组体筛选重组体 DNA重组技术的主要应用：重组技术的主要应用：v1.运用运用DNA

13、重组技术重组技术大量生产基因工程药物。大量生产基因工程药物。v2.定向改造生物的基因结构定向改造生物的基因结构，构建高产菌株，用，构建高产菌株，用于改造传统制药工业。于改造传统制药工业。v3.用于基础研究，用于基因结构与基因组功能的用于基础研究，用于基因结构与基因组功能的调节研究，用于分子杂交等。调节研究，用于分子杂交等。第二节第二节药物质量控制的生物化学基础药物质量控制的生物化学基础一、药物质量控制的常用生化分析法一、药物质量控制的常用生化分析法（一）（一）免疫分析法免疫分析法 1.免疫扩散法免疫扩散法 2.免疫电泳法免疫电泳法 3.放射免疫测定法（放射免疫测定法（RIA）4.酶联免疫测定法

14、（酶联免疫测定法（ELISA）就是让抗体或抗原与酶复合物结合，然后通过显色来检测。就是让抗体或抗原与酶复合物结合，然后通过显色来检测。（二）（二）电泳分析法电泳分析法（三）（三）酶法分析酶法分析1.终止反应法终止反应法2.连续测定法连续测定法3.循环放大分析法循环放大分析法二、生物药物质量控制的生化分析方法二、生物药物质量控制的生化分析方法（一）（一）多肽与蛋白质类药物的主要分析方法多肽与蛋白质类药物的主要分析方法 1.蛋白质药物的纯度分析蛋白质药物的纯度分析 聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)SDS-PAGE 毛细管电泳毛细管电泳(CE)等电聚焦等电聚焦(IEF)高效液相色谱法

15、高效液相色谱法(HPLC)2.多肽与蛋白质分子量的测定多肽与蛋白质分子量的测定 使用较多的是超速离心法，凝胶层析法和使用较多的是超速离心法，凝胶层析法和SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法等。聚丙烯酰胺凝胶电泳法等。超速离心法超速离心法凝胶层析法凝胶层析法SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法聚丙烯酰胺凝胶电泳法3.蛋白质的定量测定蛋白质的定量测定（1）物理性质：紫外分光光度法，折射率法，物理性质：紫外分光光度法，折射率法，比浊法。比浊法。（2）化学性质：凯氏定氮法，双缩脲比色法，化学性质：凯氏定氮法，双缩脲比色法，Folin-酚法，酚法，BCA法。法。（3）染色性质：考马斯亮兰染色性质：考马斯亮兰G-250结

16、合法、银染、结合法、银染、金染。金染。（4）其他：荧光激发。其他：荧光激发。4.胶体金比色法胶体金比色法 胶体金是一种带负电荷的胶体金是一种带负电荷的疏水性胶体疏水性胶体，加入蛋白质后，加入蛋白质后，红色红色转变为转变为蓝蓝色，色，595nm处处测定样品的吸收值，计算含量。测定样品的吸收值，计算含量。5.生物质谱法：生物质谱法：多肽和蛋白质的分子量可用多肽和蛋白质的分子量可用MALDI/MS（基质辅助激光解吸离子化质谱（基质辅助激光解吸离子化质谱法）或法）或ESI/MS（电喷雾离子化质谱法）直接（电喷雾离子化质谱法）直接测定，用质谱法测定蛋白质的测定，用质谱法测定蛋白质的分子量分子量简便，简便

17、，快速、灵敏、准确。快速、灵敏、准确。（二）（二）核酸类药物的主要分析方法核酸类药物的主要分析方法1.紫外分光光度法紫外分光光度法：测定测定RNA与与DNA含量含量260nm2.地衣酚显色法测定地衣酚显色法测定RNA含量含量 3，5-二羟甲苯二羟甲苯3.二苯胺法测定二苯胺法测定DNA含量含量（三）（三）酶类药物的分析酶类药物的分析 酶类药物的主要质量指标是它的酶类药物的主要质量指标是它的催化活力催化活力。（四）（四）重组重组DNA药物中的可能杂质检查药物中的可能杂质检查 1.外源性外源性DNA2.宿主细胞蛋白质宿主细胞蛋白质3.二聚体或多聚体的测定二聚体或多聚体的测定4.降解产物的测定降解产物

18、的测定第三节第三节药理学研究的生物化学基础药理学研究的生物化学基础神经递质神经递质又称又称突触分泌信号突触分泌信号(synaptic signal)特点特点由由神经元细胞神经元细胞分泌；分泌；通过通过突触间隙突触间隙到达下一个神经细胞；到达下一个神经细胞；作用时间较短。作用时间较短。例如例如：乙酰胆碱、去甲肾上腺素等乙酰胆碱、去甲肾上腺素等一、药物作用的生物化学基础一、药物作用的生物化学基础（一）神经传导与神经递质（一）神经传导与神经递质乙酰胆碱受体功能模式图乙酰胆碱受体功能模式图1.受体受体-离子离子 通道型通道型（二）受体的结构与功能（二）受体的结构与功能 G G蛋白蛋白(guanylat

19、e binding protein)是是一一类类和和GTPGTP或或GDPGDP相相结结合合、位位于于细细胞胞膜膜胞浆面的外周蛋白，由胞浆面的外周蛋白，由、三个亚基组成。三个亚基组成。有两种构象：有两种构象：非活化型非活化型；活化型活化型2受体受体-G蛋白蛋白-效应蛋白型效应蛋白型RHACGDPGTP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶ACATPcAMP与与配配体体结结合合后后具具有有酪酪氨氨酸酸蛋蛋白白激激酶酶活活性性，如如胰胰岛岛 素素 受受 体体 insulin growth factor receptor,IGF-R 表表皮皮生生长长因因子子受受体体(epidermal growth factor

20、 receptor,EGF-R)。4受体受体-转录因子型转录因子型高度可变区高度可变区位于位于N端，具有转录活性端，具有转录活性DNA结合区结合区含有锌指结构含有锌指结构激素结合区激素结合区位于位于C端，结合激素、热休克蛋端，结合激素、热休克蛋白，使受体二聚化，激活转录白，使受体二聚化，激活转录铰链区铰链区（三）跨膜信号转导与细胞内信号转导（三）跨膜信号转导与细胞内信号转导（1）不同种类的受体使用由共同组分构成的转导信号）不同种类的受体使用由共同组分构成的转导信号（2）在信号转导通路中不同类型的磷酸化同时起作用）在信号转导通路中不同类型的磷酸化同时起作用（四）细胞信号转导与药物研究（四）细胞信

21、号转导与药物研究v 信号转导分子的信号转导分子的激动剂激动剂和和抑制剂抑制剂是信号转是信号转导药物的研究出发点，尤其是各种蛋白激酶导药物的研究出发点，尤其是各种蛋白激酶的抑制剂更是被广泛用做母体药物进行抗肿的抑制剂更是被广泛用做母体药物进行抗肿瘤新药。瘤新药。信号转导干扰药物的药效和副作用信号转导干扰药物的药效和副作用取决于：取决于：v一、它所干扰的信号转导途径在体内一、它所干扰的信号转导途径在体内是否广是否广泛存在泛存在，如果广泛存在各细胞内，副作用难，如果广泛存在各细胞内，副作用难以控制。以控制。v二、药物自身的选择性，对信号转导分子的二、药物自身的选择性，对信号转导分子的选择性越高，副作

22、用越小选择性越高，副作用越小。（五）药物作用的靶酶（五）药物作用的靶酶 药物对靶酶的作用：药物对靶酶的作用：调节酶量调节酶量 调节酶活力调节酶活力酶抑制剂应用临床的条件酶抑制剂应用临床的条件：（1）被抑制的靶酶所催化的生化反应与某种疾）被抑制的靶酶所催化的生化反应与某种疾 病的发生有关，具有治疗作用。病的发生有关，具有治疗作用。（2）酶抑制剂具有特异性。）酶抑制剂具有特异性。（3）具有某种药动学特征，能到达作用部位、具有合）具有某种药动学特征，能到达作用部位、具有合理、可预见的量效关系和作用持续时间。理、可预见的量效关系和作用持续时间。（4）对人体毒性小，疗效指数高。）对人体毒性小，疗效指数高

23、。（5）应符合药品标准。）应符合药品标准。（六）细胞生长调节因子（六）细胞生长调节因子 1.细胞生长刺激因子类细胞生长刺激因子类 2.细胞生长抑制因子类细胞生长抑制因子类（七）细胞凋亡的生物化学（七）细胞凋亡的生物化学v 细胞凋亡细胞凋亡是某些生理或病理条件下，细胞接受是某些生理或病理条件下，细胞接受到某种信号所触发的并按一定程序进行的主动、缓到某种信号所触发的并按一定程序进行的主动、缓慢的死亡过程。慢的死亡过程。生化特征：生化特征：（1）DNA片段化片段化 （2）谷氨酰胺转移酶、钙蛋白酶激活：）谷氨酰胺转移酶、钙蛋白酶激活：如磷脂酰丝氨酸显露如磷脂酰丝氨酸显露 （3）一些特殊蛋白质、）一些特

24、殊蛋白质、RNA的产生和合成的产生和合成二、新药筛选的生物化学方法二、新药筛选的生物化学方法（一）放射配基受体结合法（一）放射配基受体结合法（RRA）（二）酶学实验法（二）酶学实验法 肝脏细胞色素肝脏细胞色素P450系统系统（三）膜功能研究方法（三）膜功能研究方法 1.钙调蛋白钙调蛋白-红细胞膜的制备及钙调蛋白功能测定红细胞膜的制备及钙调蛋白功能测定 2.心肌细胞膜的制备与功能测定心肌细胞膜的制备与功能测定（四）生化代谢功能分析法（四）生化代谢功能分析法 1.降血糖药物实验法降血糖药物实验法 2.调血脂药及抗动脉粥样硬化药实验法调血脂药及抗动脉粥样硬化药实验法 3.凝血药和抗凝血药实验法凝血药

25、和抗凝血药实验法（五）逆向药理学（五）逆向药理学 基因基因受体受体药物药物一、酶与药物设计一、酶与药物设计二、受体与药物设计二、受体与药物设计（一）受体介导的靶向药物设计（一）受体介导的靶向药物设计（二）药物与受体结合的构象分析（二）药物与受体结合的构象分析 1同源分子法同源分子法 2归纳法归纳法 3演绎法演绎法 4比较分子力场分析法比较分子力场分析法第四节第四节 与药物设计有关的生物化学原理与药物设计有关的生物化学原理三、药物代谢转化与前体药物设计三、药物代谢转化与前体药物设计 研究药物代谢的研究药物代谢的主要目的主要目的是确定药物在是确定药物在体内转化的途径，并定量地确定每一代谢途体内转化

26、的途径，并定量地确定每一代谢途径及其中间体的药理活性。径及其中间体的药理活性。四、生物大分子的结构模拟与药物设计四、生物大分子的结构模拟与药物设计生物大分子结构模拟的药物设计有两个热点：生物大分子结构模拟的药物设计有两个热点：1应用蛋白质工程技术应用蛋白质工程技术改造改造具有明显具有明显生物功能生物功能的天然蛋白质分子的天然蛋白质分子，以蛋白质的结构规律及其生物，以蛋白质的结构规律及其生物功能为基础，通过功能为基础，通过分子设计分子设计和有控制的和有控制的基因修饰基因修饰以以及及基因合成基因合成对现有蛋白质加以对现有蛋白质加以定向改造定向改造，构建最终，构建最终性能比天然蛋白质更加符合人类需要

27、的新型活性蛋性能比天然蛋白质更加符合人类需要的新型活性蛋白。白。2基于基于生物大分子的结构生物大分子的结构知识进行的药物设计。知识进行的药物设计。五、药物基因组学与药物研究五、药物基因组学与药物研究 药物基因组学（药物基因组学（Pharmacogenomics）是研究影响是研究影响药物作用，药物吸收、转运、代药物作用，药物吸收、转运、代谢、清除谢、清除等基因差异的学科即决定药物作用等基因差异的学科即决定药物作用行为和作用敏感性的相关基因组科学，它是行为和作用敏感性的相关基因组科学，它是以提高药物疗效与安全性为目的，对临床用以提高药物疗效与安全性为目的，对临床用药具有重要指导作用。药具有重要指导

28、作用。药物基因组学在药学的应用：药物基因组学在药学的应用：（1）检测、评估个体对某种药物的适用程度，）检测、评估个体对某种药物的适用程度，使药物的有效性达到最大化。使药物的有效性达到最大化。（2）检测药物应答基因的多态性，依据个体的）检测药物应答基因的多态性，依据个体的 遗传差异实现差异个性化用药。遗传差异实现差异个性化用药。（3）确定疾病发生相关基因，筛选新的药物作用靶）确定疾病发生相关基因，筛选新的药物作用靶 点。点。（4）研究药物代谢酶基因谱及药物产生毒副反应的相）研究药物代谢酶基因谱及药物产生毒副反应的相 关基因，提高新药开发命中率，增强药物疗效和关基因，提高新药开发命中率，增强药物疗

29、效和 安全性，缩短开发周期，降低研究开发成本。安全性，缩短开发周期，降低研究开发成本。六、系统生物学与药物发现研究六、系统生物学与药物发现研究 系统生物学是一门系统生物学是一门假说驱动假说驱动（hypothesis-drive）的科学的科学，是利用，是利用基因组学，蛋白质组学、转基因组学，蛋白质组学、转录组学及其他多种组学技术录组学及其他多种组学技术综合获得的全球性数据综合获得的全球性数据进行进行定量的、综合的、动态的研究学科定量的、综合的、动态的研究学科。系统生物学是解决药物发现研究中所遇到的一系统生物学是解决药物发现研究中所遇到的一些挑战性问题的有效途径：些挑战性问题的有效途径：（1）加速药物的发现和开发过程。）加速药物的发现和开发过程。（2）药物作用靶点的发现与确证。）药物作用靶点的发现与确证。（3）发现代表性标志物。）发现代表性标志物。（4）建立个性化用药方案。）建立个性化用药方案。