第五章基于核酸原理的药物设计

终导致DNA合成受到抑制。
• 奈拉滨是阿糖鸟苷（Ara-G）的前药。尽管Ara-G的 活性从20世纪60年代就为人们所知，但由于其溶解度 问题而没有用于临床研究。 • 奈拉滨的水溶解能力约为Ara-G的10倍，它在体内被 腺苷脱氨酶去甲基化后生成Ara-G，继而被激酶磷酸 化形成Ara-GTP并连结到DNA链上。
酶的氧化形成喷昔洛韦。
缬昔洛韦（前药） 缬更昔洛韦（前药）
泛昔洛韦（前药）
阿昔洛韦
更昔洛韦
喷昔洛韦
缬昔洛韦（前药）
缬更昔洛韦（前药）
泛昔洛韦（前药）
• 在无环核苷类似物被细胞吸收后，它们要经过3个连 续的磷酸化过程转变为三磷酸形式，然后再与靶酶即 病毒DNA聚合酶作用。 • 在磷酸化过程中，最关键的是第一步磷酸化过程，它 是由HSV或VZV中特异病毒编码的胸苷激酶（TK） 或CMV中特异病毒编码的UL97蛋白激酶（PK）来实 现的。
的功能。
6-巯基嘌呤
6-巯基鸟嘌呤
6-甲巯基鸟嘌呤
6-氯法拉滨
奈拉滨
• 6-巯基嘌呤是次黄嘌呤的衍生物，进入体内后，在次黄 嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的催化作用下，与PRPP反 应生成6-巯基嘌呤核苷酸而发挥作用。 • 巯基嘌呤的衍生物6-甲巯基嘌呤在体外细胞培养时无活 性，但在体内具有抗癌活性，这有可能是6-甲巯嘌呤在 体内代谢脱甲基后转变成6-巯基嘌呤的结果。
• 无环核苷磷酸酯是在其醚链部分通过P-C键连有1个磷
酸基，与P-O键相连的磷酸基相比，P-C键不能被细胞 内的酯酶水解。这类化合物由于不需要疱疹病毒的胸 苷激酶进行一磷酸化，所以具有广谱抗病毒活性。
西多福伟
阿德福韦
泰诺福韦
阿德福韦酯 （前药）
泰诺福韦酯（前药）
第四节
反义核酸与小干扰
RNA药物的设计
延长，因而使病毒DNA的复制被终止，主要用于治疗
HIV和HBV。
齐多夫定
扎西他滨
司他夫定
拉米夫定
恩曲他滨
克拉夫定
• 齐多夫定是第一个获准用于治疗HIV-1感染患者的药
物。它是脱氧胸苷的类似物，在体内经磷酸激酶的逐 步磷酸化转变成为活性形式的三磷酸衍生物。
• 三磷酸衍生物是HIV-1逆转录酶的竞争性抑制剂，阻
地西他滨
阿糖胞苷
环胞苷
吉西他滨
卡培他滨
第三节 核苷类抗病毒药物的设计
一、基于核苷糖环修饰的药物
• 通过对3′-羟基进行非羟基化取代、脱氧修饰或L-构型 修饰后，再被细胞激酶逐步磷酸化而生成三磷酸衍生 物。
• 这些三磷酸衍生物是DNA聚合酶底物dNTP的竞争性
抑制剂，它们通过与DNA聚合酶结合并连接到DNA链 上，由于其3′-羟基的缺失，不能再继续进行5′→3′链的
• 6-巯基鸟嘌呤的作用类似于6-巯基嘌呤，也是次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的底物，代谢生成6-巯基鸟嘌呤 核苷酸，进一步磷酸化生成6-巯基鸟嘌呤二磷酸或6-巯 基鸟嘌呤三磷酸，后者是多聚酶的底物，可以掺入
RNA链中。
• 6-巯基鸟嘌呤也可成为2′-脱氧-6-巯基鸟嘌呤核苷酸或其 对应的二磷酸、三磷酸衍生物，而经DNA聚合酶的作
碍前病毒DNA的合成。
阿糖腺苷（广谱）
地丹诺辛
阿巴卡韦
恩替卡韦
二、基于核苷碱基修饰的药物
• 与基于糖环修饰的核苷类抗病毒药物相比，基于碱基
修饰的抗病毒药物数目较少。碱基的修饰主要集中在
嘧啶的C-5或C-6位取代、嘌呤杂环的氮杂或去氮修饰 等，主要用于治疗疱疹病毒（HSV和VZV）。
碘苷
碘代脱氧胞苷
（二）胸苷酸合成酶抑制剂
（三）甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶抑制剂
• 洛美曲沙是第一个用于临床的甘氨酰胺核苷酸甲酰基 转移酶抑制剂，为四氢叶酸的同类物，其不同之处仅 将5-、10-位的两个氮原子以碳代替。 • 洛美曲沙对二氢叶酸还原酶的抑制作用不明显，而主 要抑制甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶，从而抑制嘌呤 的合成。
• 反义寡核苷酸药物以及小干扰RNA（small interfering
RNA，siRNA）药物是在核酸水平上阻断蛋白质的合 成，在疾病发生的源头高度特异性地使疾病相关基因
沉默。
• 反义核酸与靶序列结合后， 通过两种途径即阻塞或酶水 解来终止靶序列的功能。 • 阻塞机制只是通过反义核酸
与靶序列结合改变空间结构，
• 存在于自然界中的叶酸有二氢叶酸和四氢叶酸两种形
式，但在人体中只有四氢叶酸具有生理功能，二氢叶 酸还原酶（dihydrofolate reductase，DHFR）催化二 氢叶酸还原为四氢叶酸。在核酸的生物合成中，四氢 叶酸是一碳单元的供给体。
（一）二氢叶酸还原酶抑制剂 • 氨基蝶呤（AMT）和甲氨蝶呤（MTX）是最早用于 肿瘤临床治疗的二氢叶酸还原酶抑制剂，它们的化学 结构与叶酸相似，通过竞争性抑制DHFR的活性，阻 断二氢叶酸还原成为四氢叶酸，从而使细胞内的N5， N10-亚甲基四氢叶酸减少直至耗竭，导致一碳单位的 供给源中断，减少了DNA、RNA和蛋白质的生物合成 ，细胞最终死亡。但长时间使用会在体内蓄积，因此 毒副作用大，并且易产生耐药性。
• 属于这一类型的抑制剂还有Lilly公司开发的LY309887（
5-44）。目前这些抑制剂都在临床试验中。
（三）甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶抑制剂
洛美曲沙
二、嘌呤类抗代谢物
主要作用机制 1. 直接或者经过生物转化后模拟天然底物的结构与酶 竞争性结合，从而抑制DNA和RNA的合成。
2. 作为伪底物掺入 DNA 或 RNA 链，干扰 DNA 或 RNA
如在肝组织中只进行从头合成，而在脑、脊髓等组织
中则只能进行补救合成。
从头合成 • 除某些细菌外，几乎所有生物体都能经从头合成途径 合成嘌呤核苷酸。
• 在嘌呤核苷的生物合成中，生物体不是先合成嘌呤， 再与磷酸核糖结合生成核苷酸，而是从α-D-5-磷酸核糖 -1-焦磷酸（PRPP）开始，经过一系列的酶促反应，生 成次黄嘌呤核苷酸，然后再转变成其他嘌呤核苷酸。
（一）二氢叶酸还原酶抑制剂
5-33
• 为提高对肿瘤作用的选择性以及克服MTX易产生耐 药性的缺点，人们对MTX和AMT的结构进行各种形
式的改造。
叶酸
依达曲沙
普拉曲沙
（二）胸苷酸合成酶抑制剂
• 由于胸苷酸合成酶是从脱氧尿苷酸合成胸苷酸时的关键 酶，所以发展胸苷酸合成酶特异性抑制剂是近年来抗肿 瘤药物研究的一个重要方向。 • 第一个应用于临床的胸苷酸合成酶抑制剂是炔丙基去氮 叶酸（DDPF，5-40），该化合物对胸苷酸合成酶和二 氢叶酸还原酶都有抑制作用。 • 5-41是水溶性的胸苷酸合成酶抑制剂，因它不影响RNA 合成等细胞内的其他生命活动，故不良反应较小。
• 5-氟尿嘧啶脱氧核苷和5-氟尿嘧啶一样，在体内均被转
化为5-氟尿嘧啶脱氧核苷酸，5-氟尿嘧啶脱氧核苷酸是 这些药物细胞毒作用的活性形式。
• 5-氟尿嘧啶是临床上广泛应用于治疗实体瘤的抗肿瘤药
物，但是5-氟尿嘧啶缺乏选择性，给骨髓、胃肠道、中 驱神经系统等方面带来毒性。 5-氟尿嘧啶 双呋氟尿嘧啶 5-氟尿嘧啶脱氧核苷 • 替加氟（tegafur）和双呋氟尿嘧啶在体内较稳定，在体 内逐渐转变为5-氟尿嘧啶，是5-氟尿嘧啶的前药，毒性 比5-氟尿嘧啶小5~6倍，化疗指数高。
补救合成
二、嘧啶核苷酸的合成
从头合成
•UMP
• 在生物合成中，尿嘧啶、尿嘧啶核苷和尿嘧啶核苷酸 都不能直接通过氨基化而转变成相应的胞嘧啶化合物， UMP只有转变为UTP后，才能氨基化生成CTP。
• dTMP是DNA的组成部分，它是由dUMP经甲基化而生
成的。
• 脱氧核糖核苷酸是脱氧核糖核酸合成的前体，脱氧核 糖核苷酸中的脱氧核糖并非是先生成后再组合到脱氧 核苷酸分子中的，而是通过核糖核苷酸的还原作用， 以氢取代核糖分子中的C-2位的羟基而生成的。 • 还原反应是在核苷二磷酸NDP水平上进行的。
（三）甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶抑制剂
• Agouron公司开发的AG2034（5-43）属于第二代甘氨酰 胺核苷酸甲酰基转移酶抑制剂，它是基于E. coli来源的 甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶的X射线晶体衍射结构设 计的。 • 甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶活性位点的计算分析表明， 硫原子的引入能增加额外的亲和作用。
三、嘧啶类抗代谢物
•吉西他滨 培他滨
卡
• 5-氟尿嘧啶是根据电子等排原子概念设计的尿嘧啶衍
生物。由于氟原子的原子半径与氢原子比较接近，氟 代物的体积与原化合物几乎相等，同时 C —F键比较稳 5-氟尿嘧啶 双呋氟尿嘧啶 5-氟尿嘧啶脱氧核苷 定，在代谢过程中不易分解，因此氟原子不干扰含氟 药物与相应细胞受体间的相互作用，能在分子水平代 替正常代谢物。
5-氟尿嘧啶
5-氟尿嘧啶脱氧核苷
替加氟
双呋氟尿嘧啶
• 地西他滨在体内磷酸化后，掺入RNA和DNA链中，形成 非功能性的氮杂RNA和DNA。 • 卡培他滨是一种具有肿瘤靶向效应的口服5-氟嘧啶核苷 类似物，首先在肝脏由羧基酯化酶转化成5′-脱氧-5-氟胞苷，接着由胞苷脱氨酶转化成5′-脱氧-5-氟-尿嘧啶， 最后由胸苷磷酸酶转化成5-氟尿嘧啶，而后两种酶主要 存在于肿瘤组织中。
dNDP的生物转化途径
补救合成
• 磷酸化酶催化各种嘧啶与核糖1-磷酸或2-脱氧核糖1磷酸生成嘧啶核苷，然后嘧啶核苷经细胞激酶的作 用生成嘧啶核苷酸。
第二节
代谢拮抗类抗肿瘤、
抗病毒药物的设计
一、叶酸类抗代谢物
• 叶酸是核酸生物合成的代谢物，也是红细胞发育生长
的重要因子。叶酸缺乏时，白细胞减少，因此叶酸拮 抗剂可以用于缓解急性白血病。
反义核酸药物
硫代磷酸二酯类
MOE类
构象锁定型
酰胺骨架型
反义核酸药物面临的问题
• 透膜能力、酶稳定性和特异性一直是阻碍反义核酸药 物发展的瓶颈。 • 通过适当的化学修饰可以部分解决这些方面的问题， 但随之而来的是在大多数情况下将使产品的合成成本 大大增加，势必会影响将药品推向市场。 • 与此同时，其生物学效应研究也有待深入。
BVDU
利巴韦林（广谱）
3-去氮腺苷（广谱）
三、无环核苷
• 无环核苷可看成是核苷的呋喃糖环被打开的一类核苷
类似物。目前临床上治疗疱疹病毒（HSV、VZV、 CMV）感染的药物大多属于无环核苷类化合物。
• 泛昔洛韦的作用过程包括首先在肠壁经酯化酶作用水
解脱去一个4′-乙酰基，接着在肝脏脱去另一个乙酰基 形成6-脱氧喷昔洛韦，6-脱氧喷昔洛韦再经肝脏醛氧化
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
胸ຫໍສະໝຸດ Baidu嘧啶
尿嘧啶
次黄嘌呤
第一节
核酸的生物合成
一、嘌呤核苷酸的合成
1. 从头合成途径（de novo synthesis） • 即利用磷酸核糖、氨基酸及二氧化碳等简单物质，在
一系列酶的作用下合成嘌呤核苷酸。
2. 补救合成途径（salvage synthesis） • 即利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，在酶的作用下合 成嘌呤核苷酸。 • 这两种合成途径在不同组织中的重要性各不相同，例
使参与复制、转录或翻译的 各种酶无法与该序列结合，
从而使功能终止。
• 酶水解机制是指反义核酸 与靶序列结合后激活某些 酶而将靶序列降解。反义
核酸激活酶的能力直接影
响反义抑制效果。参与水 解靶序列的酶最常见到的
是RNaseH。
反义核酸结构的化学修饰方式 • 磷酸二酯键组成的天然的寡核苷酸易受体内各种酶 的降解，同时也存在难于透过细胞膜的问题，因此 对天然的寡核苷酸进行化学修饰是提高寡核苷酸药 物的生物利用度所必需的。
药物设计学
第五章
基于核酸原理
的药物设计
【学习要求】
1. 掌握基于核酸生物代谢合成原理的药物设计主要 策略。 2. 熟悉核苷类药物的结构特点及反义核酸 与siRNA
的主要作用机制。
3. 了解核酸的生物合成过程。
• 核酸是生物体内遗传信息储存与传递的一个重要载体， 在生物功能的调控上也发挥着极其重要的作用，随着人 们对核酸的结构与功能认识的不断深入，核酸正在发展 成为一个药物设计的重要靶点。 • 基于核酸代谢机制；基于核酸序列结构；基于DNA双链 结构；基于RNA三维结构。
用掺入DNA链中。
6-巯基鸟嘌呤的作用类似于6-巯基嘌呤 • 氯法拉滨经脱氧胞苷激酶磷酸化为单磷酸衍生物后，接 着被其他激酶连续转变成活性形式的三磷酸衍生物。 • 氯法拉滨三磷酸通过竞争抑制DNA聚合酶，通过掺入 DNA链中而终止DNA链的延长及修复，并能有效抑制核 苷酸还原酶，使细胞内脱氧核苷三磷酸的数目减少，最