X射线衍射在药学中的应用PPT课件

水通道蛋白
2000年，美国科学家阿格雷（Peter Agre）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 辨率为3.8埃的AQPl 水通道电子密度图，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，并公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰度立体照 片。
HO
O
H
12
H
2
LiAlH4
HO
H 11
H3C17H21C6 H
10
H
9
1
H
H
3 H3CH2C
N4Biblioteka Baidu
H
8
5
7
6
1
BrC6H4OCO
HO
H
CH3
H3CH2C
H H
H
4-bromobenzoyl -chloride
H
H
N H
CH3I
HO
HO
H
2
H3CH2C
H
CH3 H HH
H N+Cl-
H
3 CH3
H
HH
维生素B12
英国女化学家霍奇金（Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin）研究了数以百计固醇类物质的结构，其中包括维 生素D2 （钙化甾醇）和碘化胆固醇。她在运用X-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 就。1949年她测定出青霉素的结构，促进了青霉素的大规模 生产。1957年又成功测定出了抗恶性贫血的有效药物——维 生素B12的巨大分子结构，使合成维生素B12成为可能。
• 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
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：
(3S, 4R, 5R, 8S, 9S, 10R, 13R, 14S, 17R, 20R)
7 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。
• 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)=fjexp[2i(hxj+kyj+lzj)]
由于霍奇金这两项成果意义重大，影响深远，她于1964 年获诺贝尔化学奖。
胰岛素分子结构
1955年，英国生物化学家桑格（Frederick Sanger）研究确定了牛胰岛素的化学结构， 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。
22年后，桑格借助于X-射线分析法与美国生物化学 家吉尔伯特（Walter Gilbert）、伯格（Paul Berg）确 定了胰岛素分子结构和DNA核苷酸顺序以及基因结构而共 获得1980年诺贝尔化学奖。
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
O HOOC
B
A OO
Jiang, 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：Pbca
.(H2O)0.5 OH
Li, Guo Qiang; Li, Yao Lan; Wang, Guo Cai; Liang, Zhi Hong; Jiang, Ren Wang. Acta Crystallographica, Section E: Structure Reports Online 2011, E67(8), o2192
Different configuratio n
Chemical & Pharmaceutical Bulletin (2008), 56(4), 439-442.
Different Structure
3 分子绝对构型的测定
• 如无特别说明，单晶X 射线分析给出的是 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。
（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
自由电子，衍射点的分布遵守Friedel’s 定律， 即
Ihkl = I-h-k-l , hkl = -h-k-l, Fhkl2= F-hk-l 2
Flack parameter 0.05 (3)
cycloartan-3,29- diol-23-one 3,29-disodium
Jiang, R. W.; et al. J. Nat. Prod. 2008, 71,
1616-1619.
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:
需要折分
P-1 外消旋体
Jiao, et al. J. Nat. Prod. 2010, 73(2), 167-171.
• 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 或与手性试剂共结晶等方法，也可降低衍射数据收集时 的温度。
• Fhkl2= (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。
SUCCESS
THANK YOU
2020/10/1
产物4的绝对构型分析
绝对构型与产物 3一致
Flack parameter x= -0.03(0.066)
Absolute configuration of stenine
C1 S C9 R C9a R C10 R C11 R C12 R C13 S
血红蛋白和肌红蛋白
英国生物化学家肯德鲁（John Cowdery Kendrew） 和佩鲁兹（Max Ferdinand Perutz），用X-射线衍射分 析法研究血红蛋白和肌红蛋白，而且共同研究X-射线衍射 晶体照相术，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X-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。
Tian et al. Chem. A Eur. J. 2010, 16, 10989-1099139.-norbufenolide A
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
Jiang, et al. Zhongguo Yaowu Huaxue Zazhi. 1999, 9, 32-35.
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
• Ihkl ≠ I-h-k-l , hkl ≠ -h-k-l, Fhkl2≠ F-h-kl 2
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
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, 24152418
Fujita, et al. J. Antibiot. 2005, 58(6): 425–427.
5）引入重原子
• 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: absolute configuration of neostenine，空间群 P212121
Mok辐射
Flack parameter x= 1(2)
Flack parameter x= 0(2)
Neostenine is an alkaloid isolated from the root tubers of Stemona tuberosa Lour.
引入重原子
15
O
14
13
C
H3 H
H
H
+
N
CH3I-
4
Jiang, et al. J. Mol. Struct. 2010, 966(1-3), 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)
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。
41dna的复制过程美国科学家科恩伯格rogerkornberg从20世纪70年代开始使用x射线衍射技术结合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ssrl上进行实验研究遗传信息最初复制到rna中的过程对此过程中各个阶段的dnarna和聚合酶的复合体进行结晶用x射线拍下各个阶段的复合体的照片并第一个成功地将dna的复制过程捕捉下来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
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/ 4～ 1/ 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、MS等) 信息。
5 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。
3）利用分子中已确认的局部构型信 息确定分子绝对构型
Jiang, R. W.; Ma, S. C.; But, P. P. H.; Mak, T. C. W. J. Nat. Prod. 2001, 64, 1266-1272.
4) 向天然产物中引入已知构型片段
(S)-2-methoxy-2-(1-naphthyl)propionic ester of PF1140
DNA双螺旋模型
1953年3月，沃森（James Watson）和克里克 （Francis Crick）在X-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。
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1962年的诺 贝尔生理医学奖。