药物设计学课件 第六章 酶抑制剂

例
过氧化氢分解 2H2O2 2H2O + O2
用Fe+ 催化，效率为6×10-4 mol/mol·S，而用过氧化氢酶催化，效 率为6 ×106 mol/mol·S。 用α-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65°C条件下可催化2吨淀粉 水解。
b
专一性
即酶只能对特定的一种或一类底物起作用，这种专一性是由酶蛋白的 立体结构所决定的。 绝对专一性：有些酶只作用于一种底物，催化一个反应，而不作 用于任何其它物质。 相对专一性：这类酶对结构相近的一类底物都有作用。 包括键专一性和基团专一性。
例
习惯名称: 系统名称:
谷丙转氨酶 L-谷氨酸-α-酮戊二酸氨基转移酶
酶催化的反应: 谷氨酸 + 丙酮酸 ⎯→ α-酮戊二酸 + 丙氨酸
1.1.2.2 酶的分类
国际酶学委员会根据酶催化的反应类型，将酶分为六大类，分别 用1、2、3、4、5、6的编号来表示。 1 氧化-还原酶（Oxidoreductase）
酶 活 性 中 心
结合部位：与底物结合,使底物与酶的一定构象形成复 合物，决定酶的专一性。 催化部位：影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物转 变成产物的部位，决定酶的催化效率和催化反 应的性质。
结合部位(Binding site)：酶分子中与底物结合的部位或区域。
酶的活性中心示意图
活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区
氧化-还原酶催化氧化-还原反应。 主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。 如:乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
+ CH3CHCOOH NAD
CH3CCOOH NADH O
H+
OH
AH2 + B（O2）
A + BH2（H2O2，H2O）
2. 转移酶 （Transferase）
1. 研究酶和底物的作用机制，找出活性部位与底物结合的亲核基团配 置，可将活性基团连接于底物分子上，增加抑制剂与酶结合中心的 反应潜力； 2. 提高结合特异性，降低抑制剂和靶酶结合的Ki，有利于提高选择 性；抑制剂的结构越与底物类似，越有利于提高分子识别和结合能 力。
3. 改变和调整反应基团的反应性能，避免过于活泼或过于迟钝而不利 于选择性，反应基团要和结构的其他部分相匹配。
1、用量少而催化效率高； 2、它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平 衡。 3、酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能， 从而加速反应的进行。
酶的特性
a b c d 高效性 专一性 反应条件温和 酶的催化活性可调节控制
a
高效性
酶的催化效率比化学催化剂高107 -1013 倍，比非催化反应高108 -1020 倍。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
特点
过渡态类似物是一种稳定的化合物； 过渡态类似物具有底物过渡态的立体形式和电性特征； 过渡态类似物对酶的亲和力大，结合更为紧密。
负碳离子过渡态类似物
正碳离子过渡态类似物 过渡态类似物抑制剂的类型 磷酰基转移过渡态类似物
四面体过渡态类似物
2.2 不可逆抑制剂
抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，引起酶的永久性失 活。
对氨基苯甲酸
叶酸
蝶呤
对氨基苯甲酸
谷氨酸
对氨基苯甲酸 二氢喋呤啶 谷氨酸
二氢叶酸合成酶 二氢叶酸
二氢叶酸还原酶 四氢叶酸
磺胺药物与二氢叶酸合成酶强的结合作用阻止了叶酸的合成
竞争性抑制作用特点
1. i与S结构相似（包括大小，电荷）； 2. i与S互相竞争与 酶 结合； 3. 抑制程度取决于[S]和[i]的相对比例； 4. ↑[S]，可以减少或去除抑制作用。
每个酶都有一个有四个数字组成的编号
乳酸脱氢酶 EC 1. 1. 1. 27
第1大类，氧化还原酶 第1亚类，氧化基团CHOH 第1亚亚类，H受体为NAD+ 该酶在亚亚类中的顺序编号
1.2 酶的结构与催化功能
1.2.1 酶的活性中心
活性中心： 酶分子中结合底物并起催化作用的少数氨基酸残基形成的
一定空间结构。 包括底物结合部位和催化部位。
2.1.3 反竞争性抑制剂
酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合，引起酶活性下降。
E+S
ES
+ I
P+ E
ESI
反竞争性抑制特点：
1）抑制剂与酶和底物的复合物结合。 2）底物浓度增加，抑制作用加强。
2.1.4 过渡态类似物抑制剂
过渡态类似物： 是一类特异性竞争性抑制剂，结构类似于酶反应中不稳定的底物部分 诱导契合学说
第六章 酶抑制剂
第一节 酶的基础知识 第二节 酶抑制剂
第一节 酶的基础知识
1.1 酶的特性及分类
1.1.1 酶的特性 酶 是一类由活性细胞产生的具有催化作用和高度专一性的 特殊蛋白质。简单说，酶是一类由活性细胞产生的生物 催化剂。
酶催化的生物化学反应 在酶的催化下发生化学变化的物质
酶促反应
底物
酶和一般催化剂的共性
酶的抑制剂的类型
非专一性
不可逆抑制剂
专一性
抑制剂
竞争性抑制剂
可逆抑制剂
非竞争性抑制剂 反竞争性抑制剂
2.1 可逆抑制剂
抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。
2.1.1 竟争性抑制
E+S + I
ES
E+P
EI
实例：磺胺药物的药用机理
H2N-SO2NH2 H2N-COOH
对氨基苯磺酰胺
酶活性中心的特点
结合基团 活性中心 催化基团 必需基团 活性中心外基团 酶 非必需基团
必需基团：在酶分子中有一些基团对维持酶活性中心应有的空间构 象及发挥正常的催化活性是必需的，若将这些基团改变后会导致酶 的催化活性减弱甚至丧失，这些基团称为必需基团。 活性中心内外都可以有必需基团。
酶活性中心的特点
基团(group)专一性： 如β-葡萄糖苷酶，催化由β-葡萄糖所构成的糖 苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。 键(Bond)专一性： 如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严 格的要求。
立体异构专一性：这类酶对不同的立体异构体，只对其中的 某一种构型起作用，而不催化其他异构体。 包括光学专一性和几何异构专一性。
HOOCCH=CHCOOH + H2O
HOOCCH2CHCOOH
AB
A+B
OH
5 异构酶 （Isomerase）
异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。 例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
CH2OH O OH OH OH OH OH OH CH2OH O CH2OH OH
竞争性抑制剂与非竞争性抑制剂
非竞争性抑制作用 E+S
+ I
ES
+ I
P+ E
EI+S
ESI
金属络合剂（EDTA、F-、CN-、N3-）
实例：重金属离子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+）
非竞争性抑制特点：
1）抑制剂与底物结构不相似，抑制剂与酶活性中心以外 的基团结合。 2）非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法来消除。
a. 酶的活性中心只有几个氨基酸组成，多为极性氨基酸。 b. 酶的活性中心是一个三维实体结构，活性中心的几个氨基酸残基在一级 结构上可能相距很远，甚至位于不同肽链上，通过肽链的盘绕折叠而在 空间结构上相互靠近，形成一个能与底物结合并催化底物形成产物的位 于酶蛋白分子表面的特化的空间区域。 c. 酶的活性中心与底物的结合通过次级键。 d. 酶的活性中心具有柔性，可与底物诱导契合发生相互作用。 e. 酶的活性中心位于酶分子表面的”空穴“中，为非极性环境。
A
B
常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类
6 合成酶 （Ligase or Synthetase）
合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成 反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。 A + B + ATP + H2O ==AB + ADP +Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应: 丙酮酸 + CO2 + ATP + H2O → 草酰乙酸+ ADP +Pi
特点
1. 由于不可逆抑制剂阻止了酶的活性部位，或使酶的活性部位 的催化基团失去活性而导致酶不能再与底物结合，这类抑制 剂中必含有或可产生至少一个具有烷基化或酰基化（磷酰 化）功能的活性功能基； 2. 由于能够与酶形成稳定的共价键，因此不可逆抑制剂的作用 时间相对较长； 3. 不可逆抑制剂多为化学活性试剂，除与靶酶作用外，也可与 机体细胞中其他成分作用，毒性相对较大； 4. 由于与机体的其他成分的反应将消耗抑制剂，导致到达作用 靶点的抑制剂量减少，对于反应有影响。
2.2.1 定向活性部位不可逆抑制剂 结构特征
含识别基团和反应基团
反应基团 识别基团 Nu + 酶 X O Nu O
酶
定向活性部位抑制剂与酶的反应示意
反应活性基团的类型 主要包括卤代酰基、卤代酮、偶氮甲基酮、环氧基、亚磺酰氟、不饱 和键、硫键和光敏基团
设计策略
抑制剂首先与酶形成复合物，然后抑制剂中固有的的亲电中心再与 酶的活性部位的亲核中心反应成键。 E + I EI 复合物 E－I 成键
1.2.2 酶作用专一性的机制
酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活性的手性中心，这些手性中心 对底物分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进行。
a
锁钥学说
认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。 酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。
b 诱导契合学说
转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另 一个底物的分子上。
例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
CH3CHCOOH HOOCCH2CH2CCOOH NH2 CH3CCOOH O O HOOCCH2CH2CHCOOH NH2
A·X + B
A +B·X
3 水解酶 （hydrolase）
2.1.2 非竞争性抑制剂
酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导致酶活性下降。抑 制剂与活性中心以外的基团结合，不与底物竞争酶的活性中心，所以称为非竞 争性抑制剂。 如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调 控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。
水解酶催化底物的加水分解反应。
主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：
R COOCH2CH3
H2O
RCOOH
CH3CH2OH
AB + H2O 4 裂合酶（ Lyase）
AOH+BH
裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。
习惯命名法 1、根据其催化底物来命名； 如：淀粉酶 2、根据所催化反应的性质来命名； 如：转氨酶。 3、结合上述两个原则来命名， 如：谷丙转氨酶。 4、有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。 如：小牛小肠碱性磷酸酶，胃蛋白酶
国际系统命名法
系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。
抑制剂设计
设计的抑制剂应满足下述性质 a. 抑制剂对酶有较强的亲和性和特异性，其作用仅限于靶酶。 b. 抑制剂可以与酶的活性中心以非共价或非共价的方式形成较稳定的复 合体或结合物。 c. 抑制剂必须到达作用部位（靶酶），并需要在靶酶附近维持一定的浓 度，因此抑制剂的排泄、代谢速率、脂水分配系数等均对其有影响。
有机分子
还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽 金属螯合剂：EDTA 激活酶原的酶
酶抑制剂
能够引起酶的抑制作用的化合物 抑制作用： 使酶的活性降低或丧失的现象
第二节 酶抑制剂
抑制剂活性表示方法
IC50 半数有效浓度 Ki 抑制常数
IC50： 底物与酶的浓度保持恒定的条件下，改变抑制剂的浓度，能够使 酶活性降低50％所需的抑制剂的浓度。
该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于 底物的诱导才形成了互补形状.
1.3 酶激动剂与酶抑制剂
酶激动剂 也叫激活剂，凡能提高酶活力的物质都是酶的激动剂。
无机离子
（1）一些金属离子，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+、 Cu2+、Zn2+、Fe2+等。 - （2）阴离子：如Cl 、Br 、I 、CN 等 （3）氢离子
c
反应条件温和 酶促反应一般在常温、常压、中性pH 条件下进行。 高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。
d
酶的催化活性可调节控制 如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。 某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。
1.1.2 酶的命名及分类
1.1.2.1 酶的命名
习惯命名法 国际系统命名法