药物设计学课件 第八章 作用于离子通道的药物
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其他遗传物质 ：非基因核酸片段（如反义核酸,siRNA）
载体（vector）：基因或核酸片段转运到特定细胞内的工具，一般包括病毒 载体和非病毒载体两大类。
受体细胞或靶细胞（target cells）： 接受外源基因或其他遗传物质的细胞。
基因治疗
外源基因
其他遗传物质
载 体
患者某些细胞
纠正遗传缺陷 表达治疗性基因产物 灭活致病基因
Sir John Carew Eccles
Australian National University Canberra, Australia
Alan Lloyd Hodgkin Andrew Fielding Huxley
University of Cambridge, Cambridge, United Kingdom
表面受体与细胞外的特定物质（配体ligand）结合，引起门通道 蛋白发生构象变化，结果使“门”打开
机械门通道
感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。 目前比较明确的有两类机械门通道，一类对牵拉敏 感，为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以 Ca2+为主，几乎存在于所有的细胞膜。另一类对剪切力敏 感 ，仅发现于内皮细胞和心肌细胞。
2.2 作用于Na+离子通道的药物
主要功能：维持细胞膜兴奋性和传导。
离子通道的不同激活机制
2.2 作用于Na+离子通道的药物
主要功能：维持细胞膜兴奋性和传导。
2.2.1 局部麻醉药－－钠离子通道阻断剂的应用
与神经细胞膜上的钠离子通道结合提高膜电位的阈值，降低通透 性，阻断感觉神经的产生和传导。
局部麻醉药的结构由亲脂部分-中间链-亲水部分三部分组成。
配体门通道(ligand gated channel)
特点：受体与细胞外的配体结合，引起通道构象改变， “门”打开，又称离子通道型受体。
分为阳离子通道，如乙酰胆碱受体；和阴离子通道，如 γ－氨基丁酸受体。
Ach受体由4种亚单位（α2βγδ）组成。
烟碱样乙酰胆碱受体 （Nicotinic acetylcholine receptor）
选择性地阻滞Ca2+，经钙离子通道进入细胞内 减少细胞内Ca2+浓度
钙拮抗药的分类（ 1987 ，WHO） 选择性钙通道阻滞药
Ⅰ类：苯烷胺类，维拉帕米 Ⅱ类：二氢吡啶类，硝苯地平、尼莫地平等。 Ⅲ类：地尔硫卓 类，地尔硫卓 非选择性钙通道阻滞药 Ⅳ类：氟桂嗪类，氟桂嗪、桂利嗪等。 Ⅴ类：普尼拉明类，普尼拉明等。 Ⅵ类、其他类，哌克昔林等。
基因治疗中有待解决的问题
有些导入的基因表达不稳定，易于丢失，可能直接影 响基因治疗的效果。
外源基因不受调节而过度产生的基因表达产物，也可 能对机体造成不利影响。
由于外源基因整合入靶细胞基因组是随机的，有可能 造成原有基因插入失活或插入突变的危险；
某些重组病毒载体在体内可能被复制，并表达多种基 因产物，后者可阻断宿主的蛋白质合成，或诱发对感 染细胞的免疫反应等。
防止 减轻 代偿 纠正 相应疾病
基因治疗的现状和存在问题
1995年以后（1995年从狂热转入了理性化），对基因治疗的态度开 始变得慎重，但对基因治疗的研究并未冷却。1995年美国“科学”杂 志将基因治疗与基因克隆和基因诊断列为未来最有发展前途的十大 科学领域之首。其研究势头不是减弱而是目标更为明确，组织更为 严密，进展也更为加速。
钠通道阻滞剂可抑制Na+内流，对心律失常由治疗作用，可分为 IA 、 IB 、IC3个亚类
IB：作用开始时间和消失时间都短 IC：作用时间长 IA：作用时间中等
2.2 作用于K+离子通道的药物
作用于钾离子通道的药物对多种组织硬化、早老性痴呆、心绞 痛、心律不齐、高血压、哮喘、免疫抑制以及尿失禁等疾病都有潜在 的治疗作用。
O
N
H2N
O来自百度文库
H
N
N
O
O
O
NO
亲脂部分 中间链 亲水部分 亲脂部分 中间链 亲水部分
亲脂部分
中间链 亲水部分
普鲁卡因
利多卡因
普莫卡因
亲脂部分：是活性必须的，在芳环的对位或邻位具有供电取代基可提高作用强度。
中间链：决定药物的稳定性 亲水部分：体内的 转运分布
2.2.2 抗心律失常药 抗心律失常药奎尼丁的作用是与心肌细胞膜上的钠通道蛋白结合，抑制钠内流所致。
钾通道拮抗剂，钾通道开放剂（KCO），目前 KCO研究较热门。
2.3 其他（略）
第九章 药物研究中的基因技术
基因治疗的概念
基因治疗： 是指将外源基因或其他遗传物质转移到患者某些细胞
内，通过纠正遗传缺陷、表达治疗性基因产物或灭活致 病基因，而使相应疾病得以防止、减轻、代偿或纠正的 方法。
目的基因（gene of interest）：针对所治疾病而选用的外源基因（全长基因 或cDNA）
基因治疗的概念在不断扩展，不再局限于最初设想的用正常基因替 换体内不正常的基因，而可以是正常基因的添加或导入使体内原本 不存在、不表达或表达很少的基因，使之获得新的抗病能力；还可 以是用核酸、蛋白质或药物对体内基因进行表达调控，达到防治疾 病的目的。
基因治疗的研究对象已不再限于遗传性疾病，而已扩展至肿瘤、心 血管疾病和病毒性疾病等目前防治较困难的疾病。
Peter Agre
Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, MD, USA
Roderick MacKinnon
Rockefeller University, Howard Hughes Medical Institute New York, NY, USA
第八章 作用于离子通道的药物
第一节 离子通道简介 第二节 作用于不同离子通道的药物
第一节 离子通道简介
1.1 离子通道研究简史
1950-1960 Hodgkin 和 Huxley，通道概念的提出 1965-1975 Hille和 Armstrong，离子选择性和门控机制 1981 Neher 与Sakmann，膜片钳制(patch clamp)技术 1998 Mackinnon，第一个离子通道结构
单细胞电流记录 基因克隆及蛋白表达
Na+,Ca2+,K+,Cl-等电流 通道蛋白功能测定
离子通道的结构与功能 药物作用机制 新药开发
Patch-clamp(膜片钳)技术
探头
膜片钳放大器 模数转换
单细胞
样品池
计算机
第二节 作用于不同离子通道的药物
2.1 作用于Ca2+离子通道的药物
Ca2+离子不能被代谢排出，其排出机理包括钙泵机制和钠-钙交 换机制两种。
Erwin Neher
Max-Planck-Institut fur Biophysikalische Chemie Goettingen, Federal Republic of Germany
Bert Sakmann
Max-Planck-Institut fur medizinische Forschung Heidelberg, Federal
钙泵机制：
由位于细胞膜上的由钙离子-钙调素激活的酶催化，只要细胞内游离的钙 离子浓度高于静态水平，酶就会被激活，将钙离子泵出细胞，所需的能量 由ATP的水解来提供。
钠-钙交换机制： 钙离子泵出，钠离子进入，属于反向协同运输体系，通过钠 钙交换来转运钙离子。
钙通道的类型
根椐激活方式的不同分为二类钙通道: (1)受体调控的钙通道 (receptor operated calcium channel，
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963
for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane
London University London, United Kingdom
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1991
"for their discoveries concerning the function of single ion channels in cells"
药物对钙离子通道的作用可分为：
1. 钙离子通道阻滞剂；治疗高血压，冠心病，心律失常、心绞痛等
2. 通道激活剂：充血性心力衰竭等
2.1.2 钙通道拮抗剂
钙离子通道阻滞剂：
也称钙拮抗剂，为一类能够选择性地阻滞钙离子从细胞外液经细胞膜上的 慢通道进入细胞内，即减少钙离子内流的药物，一般归于心血管药物类。
特点：膜电位变化可引起构象变化，“门”打开。 结构：四聚体，每个单体跨膜6次。 Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演
化而来。
钾 电 位 门 通 道
K+电压门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1-S6) ，N和C端均位于胞质 面。连接S5-S6段的发夹样β折叠 (P区或H5区)，构成通道内衬，大小允许K+通 过。目前认为S4 段上的正电荷可能是门控电荷，当膜去极化时（膜外为负，膜内 为正），引起带正电荷的氨基酸残基转向细胞外侧面，通道蛋白构象改变，“门”打 开，大量K+外流，此时相当于K+的自由扩散。
1.2.3 离子通道的功能
a 离子通道的特殊性
1. 具有离子选择性，只允许特定离子通透； 2. 是催化和调节离子渗透的膜酶，也是离子透过膜的脂质双层的唯一有
效的催化剂； 3. 不是连续开放的； 4. 不能偶联能量进行主动转运，只能被动的跨膜扩散； 5. 扩散是经膜上的离子通道蛋白所介导的易位扩散（促进扩散，协助扩
Republic of Germany
The Nobel Prize in Chemistry 2003
"for discoveries concerning channels in cell membranes"
"for the discovery of water channels"
"for structural and mechanistic studies of ion channels"
1.2.4 离子通道毒素在药物设计中的作用
离子通道毒素：自然界中存在的专门作用于离子通道的物质
在药物设计中的作用
1. 研究离子通道的生物学功能，寻找新治疗靶点； 2. 发现新药先导化合物结构； 3. 为新药设计提供模板和思路
1.2.5 离子通道研究与药物开发
Patch-clamp技术
分子生物学技术
ROC) (2)电压依赖的钙通道（voltage dependent calcium channel，
VDC） 电压依赖的钙通道根椐其电导值及动力学特性的不同又分若干亚
型：L型（long-lasting）、T型 (transient)等，在心血管系统以L— 及T—为主。临床常用的钙拮抗药主要是作用于VDC的L型。
1.2 离子通道
跨膜的生物大分子 作用类似于活化酶 具有离子泵的作用，产生和传导电信号 参与调节人体多种生理功能
神经递质
离子通道示意图
1.2.2 离子通道的类型：
１ 电压门通道； ２ 配体门通道； ３ 机械门通道；
Ａ；电压门通道；Ｂ．Ｃ：配体门通道；Ｄ：机械门通道
电压门通道(voltage gated channel)
2.1.3 钙通道激活剂
使打开的钙离子通道稳定化，诱发心脏的收缩力以及增强血管收缩、激 素分泌和神经递质的释放。
NO2
O
O
O
O
N H 尼索地平（钙通道拮抗剂）
O O
CF3 NO2
N H bay K8644(钙通道激动剂)
O
O
O
O S
N H RS-30026(钙通道激动剂)
尼索地平是钙通道拮抗剂，但其结构类似物bay K8644、 RS-30026 是钙通道激动剂，表明二氢吡啶的微小变化可能对钙通道产生不同的影 响。
散）
b 离子通道的主要功能
1. 提高细胞内Ca2+,Na+浓度从而触发相关的生理效应； 2. 在神经、肌肉等兴奋性细胞中决定细胞的兴奋性、去极性和传导性； 3. 调节血管平滑肌舒缩活动； 4. 参与突触的传递； 5. 维持细胞的正常体积； 具体调节方法
1. 电压依赖性调节：膜电位、极化和去极化； 2. 细胞外信号调节：激素 3. 细胞内信号调节：cAMP、cGMP 、 Ca2+ 、 G蛋白等
载体（vector）：基因或核酸片段转运到特定细胞内的工具，一般包括病毒 载体和非病毒载体两大类。
受体细胞或靶细胞（target cells）： 接受外源基因或其他遗传物质的细胞。
基因治疗
外源基因
其他遗传物质
载 体
患者某些细胞
纠正遗传缺陷 表达治疗性基因产物 灭活致病基因
Sir John Carew Eccles
Australian National University Canberra, Australia
Alan Lloyd Hodgkin Andrew Fielding Huxley
University of Cambridge, Cambridge, United Kingdom
表面受体与细胞外的特定物质（配体ligand）结合，引起门通道 蛋白发生构象变化，结果使“门”打开
机械门通道
感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等。 目前比较明确的有两类机械门通道，一类对牵拉敏 感，为2价或1价的阳离子通道，有Na+、K+、Ca2+，以 Ca2+为主，几乎存在于所有的细胞膜。另一类对剪切力敏 感 ，仅发现于内皮细胞和心肌细胞。
2.2 作用于Na+离子通道的药物
主要功能：维持细胞膜兴奋性和传导。
离子通道的不同激活机制
2.2 作用于Na+离子通道的药物
主要功能：维持细胞膜兴奋性和传导。
2.2.1 局部麻醉药－－钠离子通道阻断剂的应用
与神经细胞膜上的钠离子通道结合提高膜电位的阈值，降低通透 性，阻断感觉神经的产生和传导。
局部麻醉药的结构由亲脂部分-中间链-亲水部分三部分组成。
配体门通道(ligand gated channel)
特点：受体与细胞外的配体结合，引起通道构象改变， “门”打开，又称离子通道型受体。
分为阳离子通道，如乙酰胆碱受体；和阴离子通道，如 γ－氨基丁酸受体。
Ach受体由4种亚单位（α2βγδ）组成。
烟碱样乙酰胆碱受体 （Nicotinic acetylcholine receptor）
选择性地阻滞Ca2+，经钙离子通道进入细胞内 减少细胞内Ca2+浓度
钙拮抗药的分类（ 1987 ，WHO） 选择性钙通道阻滞药
Ⅰ类：苯烷胺类，维拉帕米 Ⅱ类：二氢吡啶类，硝苯地平、尼莫地平等。 Ⅲ类：地尔硫卓 类，地尔硫卓 非选择性钙通道阻滞药 Ⅳ类：氟桂嗪类，氟桂嗪、桂利嗪等。 Ⅴ类：普尼拉明类，普尼拉明等。 Ⅵ类、其他类，哌克昔林等。
基因治疗中有待解决的问题
有些导入的基因表达不稳定，易于丢失，可能直接影 响基因治疗的效果。
外源基因不受调节而过度产生的基因表达产物，也可 能对机体造成不利影响。
由于外源基因整合入靶细胞基因组是随机的，有可能 造成原有基因插入失活或插入突变的危险；
某些重组病毒载体在体内可能被复制，并表达多种基 因产物，后者可阻断宿主的蛋白质合成，或诱发对感 染细胞的免疫反应等。
防止 减轻 代偿 纠正 相应疾病
基因治疗的现状和存在问题
1995年以后（1995年从狂热转入了理性化），对基因治疗的态度开 始变得慎重，但对基因治疗的研究并未冷却。1995年美国“科学”杂 志将基因治疗与基因克隆和基因诊断列为未来最有发展前途的十大 科学领域之首。其研究势头不是减弱而是目标更为明确，组织更为 严密，进展也更为加速。
钠通道阻滞剂可抑制Na+内流，对心律失常由治疗作用，可分为 IA 、 IB 、IC3个亚类
IB：作用开始时间和消失时间都短 IC：作用时间长 IA：作用时间中等
2.2 作用于K+离子通道的药物
作用于钾离子通道的药物对多种组织硬化、早老性痴呆、心绞 痛、心律不齐、高血压、哮喘、免疫抑制以及尿失禁等疾病都有潜在 的治疗作用。
O
N
H2N
O来自百度文库
H
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NO
亲脂部分 中间链 亲水部分 亲脂部分 中间链 亲水部分
亲脂部分
中间链 亲水部分
普鲁卡因
利多卡因
普莫卡因
亲脂部分：是活性必须的，在芳环的对位或邻位具有供电取代基可提高作用强度。
中间链：决定药物的稳定性 亲水部分：体内的 转运分布
2.2.2 抗心律失常药 抗心律失常药奎尼丁的作用是与心肌细胞膜上的钠通道蛋白结合，抑制钠内流所致。
钾通道拮抗剂，钾通道开放剂（KCO），目前 KCO研究较热门。
2.3 其他（略）
第九章 药物研究中的基因技术
基因治疗的概念
基因治疗： 是指将外源基因或其他遗传物质转移到患者某些细胞
内，通过纠正遗传缺陷、表达治疗性基因产物或灭活致 病基因，而使相应疾病得以防止、减轻、代偿或纠正的 方法。
目的基因（gene of interest）：针对所治疾病而选用的外源基因（全长基因 或cDNA）
基因治疗的概念在不断扩展，不再局限于最初设想的用正常基因替 换体内不正常的基因，而可以是正常基因的添加或导入使体内原本 不存在、不表达或表达很少的基因，使之获得新的抗病能力；还可 以是用核酸、蛋白质或药物对体内基因进行表达调控，达到防治疾 病的目的。
基因治疗的研究对象已不再限于遗传性疾病，而已扩展至肿瘤、心 血管疾病和病毒性疾病等目前防治较困难的疾病。
Peter Agre
Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, MD, USA
Roderick MacKinnon
Rockefeller University, Howard Hughes Medical Institute New York, NY, USA
第八章 作用于离子通道的药物
第一节 离子通道简介 第二节 作用于不同离子通道的药物
第一节 离子通道简介
1.1 离子通道研究简史
1950-1960 Hodgkin 和 Huxley，通道概念的提出 1965-1975 Hille和 Armstrong，离子选择性和门控机制 1981 Neher 与Sakmann，膜片钳制(patch clamp)技术 1998 Mackinnon，第一个离子通道结构
单细胞电流记录 基因克隆及蛋白表达
Na+,Ca2+,K+,Cl-等电流 通道蛋白功能测定
离子通道的结构与功能 药物作用机制 新药开发
Patch-clamp(膜片钳)技术
探头
膜片钳放大器 模数转换
单细胞
样品池
计算机
第二节 作用于不同离子通道的药物
2.1 作用于Ca2+离子通道的药物
Ca2+离子不能被代谢排出，其排出机理包括钙泵机制和钠-钙交 换机制两种。
Erwin Neher
Max-Planck-Institut fur Biophysikalische Chemie Goettingen, Federal Republic of Germany
Bert Sakmann
Max-Planck-Institut fur medizinische Forschung Heidelberg, Federal
钙泵机制：
由位于细胞膜上的由钙离子-钙调素激活的酶催化，只要细胞内游离的钙 离子浓度高于静态水平，酶就会被激活，将钙离子泵出细胞，所需的能量 由ATP的水解来提供。
钠-钙交换机制： 钙离子泵出，钠离子进入，属于反向协同运输体系，通过钠 钙交换来转运钙离子。
钙通道的类型
根椐激活方式的不同分为二类钙通道: (1)受体调控的钙通道 (receptor operated calcium channel，
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963
for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane
London University London, United Kingdom
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1991
"for their discoveries concerning the function of single ion channels in cells"
药物对钙离子通道的作用可分为：
1. 钙离子通道阻滞剂；治疗高血压，冠心病，心律失常、心绞痛等
2. 通道激活剂：充血性心力衰竭等
2.1.2 钙通道拮抗剂
钙离子通道阻滞剂：
也称钙拮抗剂，为一类能够选择性地阻滞钙离子从细胞外液经细胞膜上的 慢通道进入细胞内，即减少钙离子内流的药物，一般归于心血管药物类。
特点：膜电位变化可引起构象变化，“门”打开。 结构：四聚体，每个单体跨膜6次。 Na+、K+、Ca2+电压门通道结构相似，由同一个远祖基因演
化而来。
钾 电 位 门 通 道
K+电压门有四个亚单位，每个亚基有6个跨膜α螺旋(S1-S6) ，N和C端均位于胞质 面。连接S5-S6段的发夹样β折叠 (P区或H5区)，构成通道内衬，大小允许K+通 过。目前认为S4 段上的正电荷可能是门控电荷，当膜去极化时（膜外为负，膜内 为正），引起带正电荷的氨基酸残基转向细胞外侧面，通道蛋白构象改变，“门”打 开，大量K+外流，此时相当于K+的自由扩散。
1.2.3 离子通道的功能
a 离子通道的特殊性
1. 具有离子选择性，只允许特定离子通透； 2. 是催化和调节离子渗透的膜酶，也是离子透过膜的脂质双层的唯一有
效的催化剂； 3. 不是连续开放的； 4. 不能偶联能量进行主动转运，只能被动的跨膜扩散； 5. 扩散是经膜上的离子通道蛋白所介导的易位扩散（促进扩散，协助扩
Republic of Germany
The Nobel Prize in Chemistry 2003
"for discoveries concerning channels in cell membranes"
"for the discovery of water channels"
"for structural and mechanistic studies of ion channels"
1.2.4 离子通道毒素在药物设计中的作用
离子通道毒素：自然界中存在的专门作用于离子通道的物质
在药物设计中的作用
1. 研究离子通道的生物学功能，寻找新治疗靶点； 2. 发现新药先导化合物结构； 3. 为新药设计提供模板和思路
1.2.5 离子通道研究与药物开发
Patch-clamp技术
分子生物学技术
ROC) (2)电压依赖的钙通道（voltage dependent calcium channel，
VDC） 电压依赖的钙通道根椐其电导值及动力学特性的不同又分若干亚
型：L型（long-lasting）、T型 (transient)等，在心血管系统以L— 及T—为主。临床常用的钙拮抗药主要是作用于VDC的L型。
1.2 离子通道
跨膜的生物大分子 作用类似于活化酶 具有离子泵的作用，产生和传导电信号 参与调节人体多种生理功能
神经递质
离子通道示意图
1.2.2 离子通道的类型：
１ 电压门通道； ２ 配体门通道； ３ 机械门通道；
Ａ；电压门通道；Ｂ．Ｃ：配体门通道；Ｄ：机械门通道
电压门通道(voltage gated channel)
2.1.3 钙通道激活剂
使打开的钙离子通道稳定化，诱发心脏的收缩力以及增强血管收缩、激 素分泌和神经递质的释放。
NO2
O
O
O
O
N H 尼索地平（钙通道拮抗剂）
O O
CF3 NO2
N H bay K8644(钙通道激动剂)
O
O
O
O S
N H RS-30026(钙通道激动剂)
尼索地平是钙通道拮抗剂，但其结构类似物bay K8644、 RS-30026 是钙通道激动剂，表明二氢吡啶的微小变化可能对钙通道产生不同的影 响。
散）
b 离子通道的主要功能
1. 提高细胞内Ca2+,Na+浓度从而触发相关的生理效应； 2. 在神经、肌肉等兴奋性细胞中决定细胞的兴奋性、去极性和传导性； 3. 调节血管平滑肌舒缩活动； 4. 参与突触的传递； 5. 维持细胞的正常体积； 具体调节方法
1. 电压依赖性调节：膜电位、极化和去极化； 2. 细胞外信号调节：激素 3. 细胞内信号调节：cAMP、cGMP 、 Ca2+ 、 G蛋白等