药物化学第三章-药物的结构与生物活性

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F N O C N C2 H5 诺氟沙星 COOH
HN
1.烃基 : 引入烃基,可增加药物与受体的疏水结合,增加脂水分配系数 (一个CH2-lgP增加0.5),还可增加位阻,从而增加药物代谢稳定性。 2.卤素 卤索是很强的吸电子基,可影响分子间的电荷分布,从而增强 与受体的电性结合作用。 3.羟基和巯基 引入羟基可增强与受体的结合力,增加水溶性,改变生物活性。 4.醚和硫醚 醚类化合物由于醚中的氧原子有孤对电子,能吸引质子,具有 亲水性,碳原子具有亲脂性,使醚类化合物易于通过生物膜。
1.溶解度、分配系数对药效的影响
Corg
P=
Corg表示药物在生物非水相或正辛醇中的浓度 Cw表示药物在水相的浓度
Cw
脂水分配系数P即药物在有机相和水相中分配达到平 衡时的物质的量浓度Corg和Cw之比,常用其对数lgP 表示。 评价药物亲脂性或亲水性大小的标准 分配系数大,药物的脂溶性高,容易进入通过组织 和器官的膜进入到作用部位。 分配系数小,水溶性高,容易被输运,药物的分配 系数取决于它们的化学结构。
药物化学
第三章 药物的结构和生物活性
Structure- Activity Relationships of Drugs
本章主要内容
第一节 药物的结构与活性的关系 影响药物到达作用部位的因素 药物-受体的相互作用对药效的影响 第二节 定量构效关系 第三节 计算机辅助药物设计 CADD
4、立体因素对药效的影响
药物的立体因素对药效有较大影响 主要包括:
药物分子中官能团的距离对活性的影响 由于药物构型和构象不同而形成的几何异构 光学异构和构象异构对药物活性的影响
(1)药物分子中官能团的距离对活性的影响
药物与受体作用时,一些药效团的特征原子需 要与受体的相关位置相匹配,这些原子间的距 离对它们之间的作用会产生距离上的互补性。
只有特异性的优势构象才能产生最大活性: 构象不同,产生生物活性的的强弱不同。
倍他罗定的优势构象与吗啡的构象相同,其镇痛作用是阿法罗定的6倍。
等效构象:又称构象的等效性,指药物没有相同 的骨架,但有相同的药效团,并有相同的药理作 用和最广义的相似构象。 比较丁羟胺
酸和维甲酸 的分子长度, 形状和空间 走向,发现 二者具有相 似的药效构 象,故产生 相似的药理 作用,这种 根据全反式维甲酸的分子形状、长度和功能基的空间配置, 构象称为等 效构象。 设计了芳维酸、丁羟胺酸。
大多数药物属于结构特异性药物,是药物研究 的重点。
药效团
早期:在相同作用类型的药物中可发现化学结构相 同的部分-药效团 广义:指药物与受体结合时,在三维空间上具有相 同的疏水性、电性和立体性质,具有相似的构象
决定药物发挥药效的两个决定因素:
药物在作用部位 达到有效浓度 药物与受体的 作用强度(亲和力) 影响药物到达作用部 位的因素(理化性质) 药物-受体间相互作用 的影响
弱酸性药物
HA Ka H+ + ABH+
弱碱性药物
Ka [H+][B] BH+ H+ + B
[H+][A-] Ka = HA
-] [A pKa = pH -log [HA]
-] [A 解离型 pH-pKa = 10 [HA] 非解离型
Ka =
[B] pKa = pH -log [BH+]
+] [BH 10pKa-pH= [B]
二、药物的理化性质对活性的影响 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。 药代动力学性质(吸收、转运、分布、代谢、排 泄)会对药物在受体部位的浓度产生直接影响。 药代动力学性质由药物理化性质决定。 药物理化性质主要有
溶解度 分配系数 解离度 氧化还原势 热力学性质 光谱性质
疏水键
(Hydrophobic bond)
当药物非极性部分不溶于水,水分子在药物非极性分子结构 的外周有序的排列 当药物和受体的非极性基团(亲脂部分)相互接近,在两个非极 性区之间的水分子有秩序状态减少,导致系统的能量降低, 使两个非极性部分的结合更稳定,这种结合成为疏水键或疏 水作用.
氢键
S-氯胺酮具有麻醉作用 R-异构体产生噩梦的幻觉副作用
两个对映异构体产生 相同和相等的生物活 性和强度(氯喹)
(3) 对映异构对活性的影响
两种对映异构体产生相反的作用(多巴酚丁 胺)
多巴酚丁胺的左旋体可以激动α1受体,产生血管收缩副作用 其右旋体却拮抗α1受体
(4)构象异构体对活性的影响
1.药物和受体之间主要的相互键合作用
不可逆结合:共价键
药物与受体的结合方式主要分为可逆和不可逆两种。
可逆结合:非共价键
离子键 氢键 离子-偶极键及偶极-偶极键(定向力) 范德华力(色散力)
疏水键
电荷转移复合物 金属离子络合物
1.药物和受体之间主要的相互键合作用
药物作用的三个重要相
给药剂量 剂型崩解药物溶出
可被吸收的药物
药剂相
药物利用度
吸收、转运、分布、代谢、排 泄 药代动力相
可产生作用的药物
生物利用度
药物与靶点相互作用 效应
药效相
§ 1. 药物的结构与活性的关系
Structure- Activity Relationships of Drugs
一、影响药物活性的主要因素
药物的能量最低构象称为优势构象 受体和酶的作用部位有高度立体专一性,受体会 发生构象变化,柔性药物分子也会呈现各种构象, 受体只能与药物多种构象中的一种结合,此时的 药物构象成为药效构象,只有能为受体识别并与 受体结构互补的构象。
构型、构象有何区别? 优势构象=药效构象?
相同一种结构,因具有不同构象,可作用于 不同受体,产生不同性质的活性。
结构非特异性药物:
活性取决于药物分子的各种理化性质 药物作用与化学结构关系不密切 药物结构有所改变,活性并无大的变化
结构特异性药物:
靶点是不同的受体(蛋白、酶),所以生物活性主要 与药物结构与受体间的相互作用有关 活性与化学结构的关系密切 药物化学结构稍加变化,药物分子与受体的相互作 用和相互匹配也发生变化,从而影响药效学性质。
分 子 间 引 力
静 电 作 用
离子键
(ionic bond, ion-ion bond)
(electrostatic interaction)
指药物带正电荷的正离子与受体带负电的负离 子之间,因静电引力而产生的电性作用
偶极-偶极作用
(dipole-dipole interaction) (electrostatic interaction)
0.72nm H H O H Z-己烯雌酚 H E-己烯雌酚 O 1.45nm H O 1.45nm O H
O
O 雌二醇
(2)几何异构对药效的影响
产生:由双键或环等刚性或半刚性系统导致 分子内旋转受到限制 几何异构体的理化性质和生理活性都有较大 的差异
顺式异构体抗精神病作用比反式强5-10倍
1.溶解度、分配系数对药效的影响
亲水性基团:氢键接受体、氢键给体(羟基、 羧基、氨基等) 亲脂性基团:烷基、卤素和芳环等
中枢神经系统药物需要需要穿过血脑屏障, 适当增强药物亲脂性,有利于吸收,增强活 性,巴比妥药物lgP在2.0左右。 麻醉药物活性与结构没有明显关系,一般 lgP值越大,麻醉作用越强 药物水溶性与药物形成氢键的数目以及离子 化程度有关。容易离子化的药物可增加其水 溶性。
解离型 非解离型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
pH=pKa [HA]=[A-]
pH=pKa
[BH+]=[B]
pKa 即弱酸性或弱碱性药物在50% 解离时的溶液pH值。
2.酸碱性和解离度对药物的影响
弱酸性药物在酸性的胃(pH=1)中几乎不解离, 99%呈分子型,易在胃吸收(如巴比妥类和水 杨酸类)。 弱碱性药物在胃中几乎100%呈离子型,无 法· 吸收,易在肠道(pH=7-8)中吸收(如奎宁、 氨苯砜、地西泮和麻黄碱) 碱性极弱的药物(如咖啡因和茶碱)在胃中也 易吸收。 强碱性药物胍乙啶及完全离子化的季铵盐类和 磺酸类药物在胃肠道均不易吸收,更不会进入 神经系统。
3.药物分子的电荷分布对药效的影响
受体是大分子蛋白结构,其电荷分布不均,药物 分子亦之。 药物的电性性质使其与受体可产生电性结合,药 物的电荷密度分布正好与特定受体相匹配,会使药 物与受体相互接近,相互作用增加,药物与受体容 易形成复合物而增加活性。
4
抗菌药环丙沙星
斯帕沙星(活性增加16倍)
的两个鸟嘌 呤碱基N络 合,破坏了 核苷酸链上 的碱基配对, 使肿瘤细胞 DNA的复制 停止。
铂金属络合物 抗肿瘤药物
药物与受体往往是以多种键合方式结合,一般作 用部位越多,作用力越强而药物活性较好。
2.药物结构中的各官能团对药效的影响
当药物结构中不同的官能团的改变可使整个分子 的理化性质、电荷密度等发生变化,进而改变或影 响药物与受体的结合,影响药物在体内的吸收和转 运,最终影响药物的药效,有时会产生毒副作用。
解离度对药物活性的影响
5
三、药物和受体间的相互作用对药效的影响
受体学说
药物 + 受体 药物受体复合物
受体构象改变
药理效应
受体:位于细胞膜或细胞内能识别相应化学信使 并与之结合,产生某些生物学效应的一类物质。 影响药物与受体相互作用的因素有很多 药物受体的结合方式 药物结构中的各官能团 药物分子的电荷分布 药物分子的构型、构象等立体因素
5.磺酸、羧酸、酯 磺酸基的引入对活性影响不大,增加药物的亲水性和溶解度。 羧酸的水溶性和解离度均比磺酸基小,成盐可增加水溶性。 羧酸成酯可增大脂溶性,易被吸收和转运。酯类药物常为延 长作用时间而设计前药。 6.氨基和酰胺: 在构成受体或酶的蛋白质和多肽结构中含有大量的酰胺键, 因此含氨基和酰胺的药物易与生物大分子形成氢键,易与受体结 合。伯胺活性较高,仲胺次之,叔胺最低。 季铵类化合物由于极 性大,不易通过细胞膜和血脑屏障,引入季铵基可降低中枢神经 副作用。
顺式异构体的构象与多巴胺受体的底物多巴胺优势构象接近
(3) 对映异构对活性的影响
一个有活性,一个没有活性(氯霉素)
(3) 对映异构对活性的影响
具有相同的类型的活性,但活性强度有显著 差别( 异丙肾上腺素)
R-肾上腺素的活性是其异构体S-肾上腺素的45倍
(3) 对映异构对活性的影响 不同对映异构体产 生不同类型的生物 活性(氯胺酮)
2.酸碱性和解离度对药物的影响
很多药物是弱有机酸和弱有机碱,这些药物在体液中 可部分解离 解离形式存在[离子型,水溶性的]——易于转运 非解离形式[分子型,脂溶性的]——易于吸收 解离度由化合物解离常数pKa和溶液介质的pH决定 药物发挥作用应有适当的解离度 药物的解离度增加,会使药物的离子浓度上升,未 解离的分子型减少,可减少在亲脂性组织中的吸收 离解度过小,离子浓度下降,也不利于药物的转运 预测药物离子化程度
作用类型 共价键 范德华力 疏水键 氢键 离子键 离子-偶极键 偶极-偶极 诱导偶极 键能(KJ/mol) 有效半径(nm) 140-800 0.3-1.9 3.4 4-30 20-40 ~2 0.5 <0.5 键长 0.2-0.4 0.2-0.4 0.25-0.35 0.5-1.0 0.5-1.0 0.2-0.4 ~0.5
(Hydrogen bond)
药物与水形成氢 键,可增加药物 的水溶解度。 当药物分子内或 分子间形成氢键 时,则在水中的 溶解度减小,而 在非极性溶剂中 的溶解度增加。
电荷转移复合物:又称电荷迁移复合物,是电子相 对丰富的分子与电子相对缺乏的分子间通过电荷转 移而形成的复合物。形成复合物的键既不同于离子 键,也不同于共价键,键能较低。 金属离子络合物:是由电荷密度低的金属离子和电 荷密度高的配体组成。 体内与DNA
当药物分子中存在电负性的N、O、S等原子时, 由于这些原子的诱导。是分子中的电荷分布不均 匀,形成偶极。该偶极和另一个偶极产生相互静 电作用,则称为偶极-偶极键。
范德华力
(Van der Waals force, VDW)
指一个原子的原子核对另一个原子的外围电子的吸 引作用,非极性分子中电子运动产生的暂时偶极间 的极弱引力,也称为色散力。
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