药物作用的生命科学基础医学.ppt

The Principle of Drug Design第二章,药物作用的生命科学基础,The Life Science Background of Drug Action,分子生物学基础,机体对药物的作用,分子药理学基础,2-3、机体对药物的作用,一、药物作用过程二、药物的转运过程三、药物代谢,一、药物在体内的作用,药物与机体发生的相互作用主要包括药物对机体的作用（药效学方面的问题）以及机体对药物的作用，机体本身对药物这个外源性物质所产生的影响是多种多样，既有物理化学方面的作用，也存在使药物分子发生化学变化的反应，这两种作用的结果显示出药物分子及其代谢物的时间（体内药物留存时间）和空间（体内药物分布状况）的特征，并决定药物对于机体的作用强度、选择性和持续时间。机体对于药物的作用实际上是药物动力学的研究内容。,药效与生物效应紧密相连，药物若不能以有效浓度到达作用靶点并维持足够时间，或在转运过程中产生有毒的代谢物，仍然不能作为药用。故药代相和药物代谢研究仍属于药物的R&D期，也是发现和设计先导物的重要方面。药物的分子结构决定药理活性、毒副作用和药代动力学性质，因此通过对于药物分子的结构的改造可以达到改变其药代动力学性质的目的。,1.首先必须以一定的浓度（有效浓度）到达作用部位。2.与作用部位的受体发生作用。这两个因素都与药物的化学结构关系密切，是构效关系研究的重要内容。,药物产生药效的决定性因素,药物作用的ADME/T,一个好的药物除了要求药效高这个基本条件以外，还应该溶解性好、具有代谢稳定性和低的毒性等，要求药物具有良好的ADME/T（吸收、分布、代谢、排泄等）特性,一、药物在体内的作用 1、作用过程,给药,转运,注射、口服直肠给药、粘膜给药,靶点,吸收、分布结合、排泄,药效,药剂相,药代相,药效相,代谢,药物作用过程的三个阶段,药物,组织,肝,非胃肠道,代谢,胃肠道,吸收,排泄,重吸收,分布,药物在体内过程,药动相,影响因素,药物分子因素,生物学 因素,包括药物分子与细胞间隔、细胞膜、细胞内外体液、蛋白、酶等生物大分子等之间的相互作用以及由这写相互作用所的决定药物的吸收、分布及消除特征和生物利用度。,机体对药物的作用过程,药物化学结构及由结构所决定的因素包括溶解度（solubility)、脂水分配系数、电离度、分子间力、氧化还原电位、官能团间的距离、晶形及颗粒的大小以及分子的立体效应等。,2、影响药物作用的的因素,2-3、机体对药物的作用,一、药物作用过程二、药物的转运过程三、药物代谢,有的药物体外试验具有强烈活性（符合受体要求），但体内几乎无效，说明其结构并不一定具有转运过程 所要求的最合适的理化参数，无法接近作用部位，故体内几乎无效(药效与理化性质有关)。有的药物虽转运到达作用部位，但与受体嵌和不良,同样疗效不佳(与结构类型、立体结构关系密切)。,50左右%无效原因,.二、转运过程,口服给药时，药物由胃肠道吸收，进入血液。药物在运转过程中，必须透过各种生物膜（如：人与细菌的细胞膜），才能到达作用部位或受体部位。药物的药代动力学（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，而药代动力学性质是由药物的理化性质决定的。药物在作用部位达到有效浓度，是药物与受体结合的基本条件。,.二、转运过程,转运（transportion）,吸收(absorption),分布(distribution),排泄(excretion),吸收、分布与排泄,每个过程都需要通过各种屏障，这种屏障为细胞外膜即生物膜，药物通过被动扩散、主动转运和促进扩散等方式通过生物膜。,、药物的吸收,吸收,药物自体外或给药部位经过细胞组成的屏蔽膜进入血液循环的过程。,药物理化性质,给药途径,药物浓度吸收面积局部血流速度,脂溶性物质、小分子的水溶性物质、非解离型药物较易吸收；酸性药物在胃中，碱性药物在肠内易于吸收,除静脉给药外，吸收的快慢顺序如后：肺泡（气雾吸入肌内或皮下注射粘膜（包括口服、舌下给药）皮肤给药。,药物浓度大，吸收面积广局部血流快，可使吸收加快。胃肠道淤血时，药物吸收就会减慢。,多数药物按简单扩散物理机制进入体内。扩散速度除取决于膜的性质，面积及膜两侧的浓度梯度外，还与药物的性质有关。少数与正常代谢物相似的药物，如5-氟尿嘧啶、甲基多巴等的吸收是靠细胞中的载体主动转运而吸收的，这一主动转运机制对药物在体内分布及肾排泄关系比较密切。易化扩散是靠载体顺浓度梯度跨膜转运方式，如葡萄糖的吸收，吸收速度较快。固体药物不能吸收，片剂、胶囊剂在胃肠道必须先崩解、溶解后才可能被吸收。,药物的吸收,影响药物吸收的因素包括药物的溶解性药物的油水分配系数药物的解离度 对于弱酸弱碱来说，在体液条件下非离解（脂溶性）和离解（非脂溶性）两种。解离度的大小与药物的电离常数和体液的pH有关。,转运过程,影响吸收的因素 1、药物的理化性质,药物的溶解性,溶解性取决于药物的化学结构、水溶性、颗粒大小、结晶特点以及介质的pH值等。难溶的物质而如硫酸钡，它既不溶于水又不溶于脂肪，虽大量口服也不致引起吸收中毒，故可用于胃肠道造影。脂溶性物质因可溶于生物膜的类脂质中而扩散，故较易吸收；小分子量的水溶性物质可自由通过生物膜的膜孔而扩散并被吸收；,例如：抗疟药 血液循环 需脂溶性 红细胞膜、疟原虫膜 疟原虫DNA 生长、繁殖 抗疟药效,进入,穿过,作用,干扰,产生,需水溶性,p是药物对油相和水相相对亲和性的度量 P越大，药物的脂溶性越强，药物的p值相差大时，用lgp表示 P值与药物的化学结构有关，从化学角度来看，药物的化学结构可以看作各个取代基按照一定的方式组合而成的,药物的分配系数partition coefficient,疏水常数（hydrophobic constant）表示取代基对分配系数的影响Px用取代基置换母体氢原子后的分配系数，PH表示未被取代时的分配系数,氢原子=00，取代基具有疏水性，包括芳香取代基、长链脂肪取代基、卤素等非极性基团0，取代基具有亲水性，包括氨基、羧基、硝基和氰基等极性基团,药物的物化性质,药物,合适、适宜的脂水分布系数P,水溶性亲水性,脂溶性亲脂性,透过生物膜,扩散转运,进入血液或体液,进入细胞,到达作用部位,应该具有,药物在体内转运、扩散进入血液循环，达到有效浓度，需要一定的水溶性（亲水性）。通过各种脂性细胞膜与作用部位（受体、DN、酶）结合生效，又需要有一定的脂溶性（亲脂性）。所以：药物必须既具有一定的水溶性又具有一定的只溶性才能产生药效，否则无效。口服药物强亲水性或强亲脂性都将显著降低药效或无效。,分子的结构取代基对脂水分配系数P影响,对于弱酸弱碱来说，在体液条件下非离解（脂溶性）和离解（非脂溶性）两种。解离度的大小与药物的电离常数和体液的pH有关。对酸性药物来说，环境pH值越小，未离解药物越多对碱性药物而言，环境的pH值越大，未离解药物浓度越大,药物的解离度(Degree of ionization),有机药物多为弱酸或弱碱，在体液中部分解离，以离子型和分子型混存于体液中且存在动态平衡。药物以脂溶性的分子通过生物膜，在膜内解离成离子，以离子型起作用。穿过生物膜需要脂溶性的分子型。与受体结合、相互作用需要离子型。吸收、分布和保持有效浓度，需混合型。,酸性有机药物如水杨酸类、巴比妥类，在酸性的胃液中不离解，呈脂溶性，故在胃中易于吸收。碱性有机物如生物碱类，在胃液中大部分离解，呈水溶性，故难以吸收，碱性药物只有在肠内碱性环境中才能吸收。通过结构修饰，改变药物的Ka或Kb，可以增加药物在不同部位的吸收量。,例如：巴比妥类药物,名称 结构 离子型 分子型 巴比妥酸 99.9%（无效）三乙基苯 基巴比妥 100%（无效）,苯巴比妥 50%50%（离子型）（分子型）有效,例如：磺胺药的解离常数与制菌强度有关（1）解离常数在6.57.2之间，抗菌活性最强。（2）抗菌活性最强具有适宜的分子、离子比。事实上，许多较好的磺胺药（SD、SMZ等）的 解离常数均在67.4之间。磺胺药物的制菌作用是离子和分子的总效应。,例如：巴比妥类药物 药 名 解离常数 分子型%药效 无取代类 巴比妥酸 4.12 0.052 无效单取代类 5-苯基巴比妥 3.75 0.022 无效 乙基巴比妥 7.0 50.00+苯巴比妥 7.4 50+丙烯巴比妥 7.7 66.6 1+异戊巴比妥 7.9 75.97+戊巴比妥 8.0 79.92+己琐巴比妥 8.4 90.00+1，3，5-三乙基-5-苯基巴比妥 0.0 100.00 无效,5，5-双取代类,五取代类,抗精神失常药,改变药物的结构（先导化合物的优化），可改变其脂溶性（易透过血脑屏障达有效浓度），从而改变了药物的作用，或 影响了药效的强弱,R,R,给药的途径,在组织不破损不发炎的情况下，除静脉给药（静脉注射（i.v.），静脉输液（i.v.infusion），药物直接进入血液）外，吸收的快慢顺序如后：肺泡（气雾吸入）肌肉（i.m.）或皮下(s.c.)注射粘膜（包括口服(p.o.)、舌下(s.l.)给药）皮肤给药。,药物浓度、吸收面积以及局部血流速度,一般地说，药物浓度大，吸收面积广，局部血流快，可使吸收加快。胃肠道淤血时，药物吸收就会减慢。,药物的分布给药后药物随血液转运至机体各组织称为分布 吸收的药物通过循环迅速向全身组织输送，首先向血流量大的器官分布，然后向血流量小的组织转移，这种现象称为再分布 药物的分布直接影响药效，如果分布的部位离作用部位很远，作用部位的血药浓度很难达到治疗浓度，药效就难以发挥。,2、药物的分布 drug distribution,转运过程,血液循还起着运载、储存、代谢和缓冲作用，是药物分布的关键。药物储存库：当血药浓度下降时与蛋白结合的药物逐渐释放；缓冲作用：血中含大量的碳酸盐、磷酸盐和蛋白质可以中和酸性（或碱性）的药物,影响药物分布的因素,药物的分布,药物吸收入血后随血液循环向全身分布的过程,机体组织的特殊亲和力,屏障的影响,药物与血浆蛋白的结合,毛细血管壁屏障,血脑屏障,胎盘屏障,碘浓集于甲状腺中，氯喹在肝中浓度比血浆中浓度约高数倍百倍；,药物的理化性质的影响,药物吸收进入血液后，随体内血液循环向全身分布，有的分布均匀，有的分布并不均匀。有些药物对某些组织有特殊的亲和力，例如碘浓集于甲状腺中，氯喹在肝中浓度比血浆中浓度约高数倍百倍；汞、锑、砷等以及类金属在肝、肾中沉积较多，故在中毒时这些器官常首先受害。,体内的自身保护机制屏障的影响,药物分布至作用部位，必须透过不同的屏障，如毛细血管壁、血脑屏障、胎盘等。,Ex.1 药物在中枢神经系统的分布取决于药物的脂溶性和离解常数，药物要从血液进入脑及脑脊髓液中需要通过一个脂质屏障，血脑屏障。药物透过血脑屏障的速度与pH=7.4时的脂水分配系数成正比，p越小，离解程度越大头过血脑屏障的速度越小。Ex.2 药物在血浆和脂肪之间的分布，也取决于p，这种分布影响作用强度和持续时间。Ex.3 药物通过胎盘屏障也是取决于分子的脂溶性和解离度,药物在体内不同部位的分布与药物的理化性质有关,药物与蛋白的结合,影响药物分布的另一个因素是药物与血浆蛋白质结合的能力。有些药物在血浆中有一部分与血浆蛋白结合，另一部分则保持自由状态。保持自由状态的药物可以通过生物膜。许多酸性药物易与血浆白蛋白结合，而碱性药物可与1-酸性糖蛋白和脂蛋白结合。大多数药物与蛋白的结合是可逆的，结合和离解的速度都很快，结合的程度取决于亲和力、蛋白的结合能力、蛋白和药物的浓度等。此外生理与病理条件也会影响药物与蛋白的结合，一些疾病状态（如肾衰竭、肝病、炎症）、怀孕或新生儿时期，可出现低白蛋白血症。1-酸性糖蛋白在炎症、紧张和恶性肿瘤时增高，肝病时降低。,可逆结合与不可逆结合 多数药物与蛋白的结合是可逆的。蛋白结合药物（复合物）不易通过细胞膜，影响分布。蛋白结合药物活性较低 磺胺嘧啶与血浆蛋白结合率低，可分布到蛋白含量低的体液（如脑脊液）中去的量较多，故在治疗流脑时是首选药物,转运过程,药物与蛋白的结合,药物排泄是药物自体内清除，作用终止的过程。排泄途径：药物及其代谢物多数由肾和胆道随尿和胆汁排泄。高极性或高电离的药物通常以原型由尿排出，脂溶性药物经代谢为极性、易电离和水溶性代谢物后排出。未代谢者可由肾小管膜再吸收利用。药物及其代谢物在肝中被分泌排入胆汁，并重新被吸收，经肝、胆、肠循环再被排除。,3、药物的排泄 drug excretion,转运过程,肾排泄 水溶性的药物或生物转化为水溶性的药物的主要排除方式。包括肾小球过滤、肾小管重吸收和分泌3个过程。胆汁排泄 消除在肠pH条件下解离不能被重吸收的有机阴离子或阳离子。生物转化 药物消除的重要组成部分，药物代谢主要在肝脏，但也涉及其它部位,药物从体内的排除,转运过程,药物排泄的几种主要途径,运用转运规律调节药物作用部位的方法：改变药物的亲水性和亲脂性；改变化合物的酸碱度；改变化合物分子的大小；引入或除去化合物中的阳离子或阴离子；加入烃基于其他适当的稳定或易变的结构部分等。,、药物转运过程的调节,降低药物毒性 控制药物分布 限制药物穿透到进行生物毒性化或导致毒性产生作用的部位，均可降低药物的毒性。一般，减少吸收、增加肾脏排协及限制其在细胞体液中的分布，则可阻止药物穿透进入细胞，使药物形成毒性代谢及形成细胞内毒性反应的机会减少。获得局部作用的选择性 如作为造影剂的有机碘药物，要求对脏内各器官进行选择性的造影，通过调节造影剂的脂溶性达到目的。,作用,基团变化对作用的影响,碳原子数增加,进入胆汁中的量增加，,2-3、机体对药物的作用,一、药物作用过程二、药物的转运过程三、药物代谢,三、药物在体内的代谢过程,作为生物异源物质，药物进入机体，除对机体产生胜利药理作用外，机体也对药物作用，药物代谢是其在人体内的化学变化，也是人体的自身保护技能。代谢（Metabolism）在体内转运过程中，药物在酶的作用下发生化学反应生成极性分子，再通过人体的正常系统排出体外的过程。,药物代谢,生物转化biotransformation,结合反应Conjugation,又称phaseII：phase的代谢中产生的极性基团在相应基团转移酶的催化下与内源性结合剂，如葡萄糖醛酸、甘氨酸、谷胱甘肽等结合，反应产物大多失去活性，也增加极性和水溶性，易于排泄。,机体对药物的作用过程,又称phase：主要是官能团反应，包括对药物分子的氧化、还原、水解和羟化等，以官能团转化、引入和改变为主的反应，在药物分子中引进或使药物分子暴露出极性基团，如羟基、氨基和羧基等,、药物代谢,药物代谢是机体的自我保护作用，一方面可降低它们的毒副作用，另一方面可使其易于排出体外。结合药物的生物转化途径，产生何种代谢物、转化速度都与药物本身的化学结构有关。,代谢反应以及参与药物代谢的酶,药物代谢有许多种反应，如氧化作用、还原作用、水解作用等，这些反应中有许多种酶系参与。,I相反应的类型及相应的酶系,代谢反应以及参与药物代谢的酶,1 氧化作用 对于生物转化来说，氧化反应的作用是非常重要的，而氧化作用多数是在主要的代谢器官肝脏中，非特异性酶系（混合功能氧化酶）所催化进行的。其中含有20余种亚族的超家族细胞色素p450 中有三个亚族有药物的代谢有关，是药物代谢研究用于羟基化、氧化脱羧、氧化脱烷基以及氮、硫等原子的氧化等反应中最常见的酶系。肝微粒中还含有其他参与氧化的酶如含黄素的单氧结合酶（FMO，主要负责催化药物分子中具有亲核性的氮、硫和磷原子的氧化，不直接氧化碳原子）。,在体外饱和的烷烃一般难以被氧化，但是在体内是可以被氧化的，引入羟基的位置可以是位（相应官能团的邻位）、位（烷基的末端）和-1位，由于是酶催化反应，氧化反应具有一定的立体选择性，如Diazepam（地西泮）的3位羟基化，生成活性更强的3S-羟基地西泮（3-hydroxy-Diazepam）。降糖药Chlorpropamide（氯磺丙脲）在体内发生-1氧化，代谢物从尿中排出。,烷基的羟基化,Diazepam 3-hydroxy-Diazepam,Acetohexamide,Chlorpropamide,芳香环与烯键的羟化,芳香环与烯键的羟化 芳香环被酶催化生成酚羟基化合物是经过环氧化（epoxide）机理的。如果芳环仅停留在环氧化物阶段，有可能作为强亲电试剂与体内生物大分子发生亲核反应，导致毒性甚至于发生细胞突变或致癌作用。药物分子中若含有单取代苯环，羟化的主要位置在对位，下述的几个化合物的氧化代谢，都是在4-位发生羟基化：,Phenobarbital(苯巴比妥)的氧化代谢,phenybutazone(保泰松)的氧化代谢,氨基的氧化,氨基的氧化包括N-脱烷基化、氧化脱胺和N-氧化等，一般芳香伯胺、含氮杂环一般不易发生C-N 键断裂，只发生N-氧化作用，脂肪胺可能发生N-脱烷基化和氧化脱胺反应。如Propranolol（普萘洛尔）可以发生脱异丙基和氧化脱氨反应生成两个主要产物。Imipramine（丙咪嗪）经脱去一个甲基，得到活性更强的代谢产物（des-Imipramine）。,Propranolol 氧化脱异丙基 氧化脱氨,Imipramine des-Imipramine,醚类的O-脱烷基化,由混合功能氧化酶催化，代谢物可以为醇、酚或者醚，甲醚最易被脱去甲基，而长链烷基常发生或-1氧化。C-O键的断裂，常使药理活性增加，Phenacetin(非那西汀)脱去乙基得到解热镇痛作用更强的paracetanol(乙酰氨基酚)，,Phenacetin paracetanol,醚类的脱烷基化,含硫化合物的氧化,与氨基化合物类似，含硫化合物的氧化包括S-脱烷基化、脱硫或者硫氧化等，前两者包括C-S键的断裂，Methitural的代谢主要是S-脱甲基，含碳硫双键（-C=S）者主要代谢为羰基（-C=O），称其为脱硫，象Thiopental脱硫后得到Pentobarbital。,Methitural,硫醚被氧化为亚砜的实例很多，如Cimetidine（西咪替丁，组胺H2受体阻断剂）和 Metiamide（甲硫咪特，组胺H2受体阻断剂）的氧化代谢。,Thiopental Pentobarbital,Cimetidine,2还原作用,虽然哺乳类动物对外源性物质进行代谢的主要途径是氧化反应，但是对于某些含有羰基、硝基或偶氮基的化合物来说，还原为相应的羟基或氨基有利于增加极性，有助于II相反应的进行。羰基的还原 药物经氧化代谢后可能得到含羰基的化合物，难以进一步氧化，只有将其还原为羟基才能被排出，催化该类还原反应酶为可溶性的醛酮还原酶系，这些酶性质相近，一般需要NADPH提供电子。硝基及偶氮化合物的还原 两者均在肝脏中被还原，中间体为亚硝基及羟胺（具有强的致癌作用和细胞毒性，硝基是利用硝基还原酶催化还原的，偶氮基是利用体内的细胞色素C还原酶催化还原的，二者均需要氢供体（NADPH）存在。,Clonazepum（氯硝西泮）的硝基在体内被还原为氨基，而chloramphenicol（氯霉素）的硝基不是在肝脏中被还原，而是在经胆汁排泄入肠后，被肠中的菌丝所还原的。,Clonazepum,chloramphenicol,3 水解作用,酯或者酰胺可被体内相应的酯酶或酰胺酶催化水解生成酸、醇或胺。酯酶或酰胺酶特异性不强，广泛分布于血浆、肝、肾和肠中。有许多相关的例证，如Diphenoxylate（迪芬诺酯，止泻药）的水解产物活性大增，止泻活性是原药的5倍。注意酯水解有时有光学选择性。,Diphenoxylate,酰胺的水解相对较难，在有酯键和酰胺键同时存在的条件下，体内只水解酯键。如Propanidid（内泮尼地，麻醉药）只有酯键水解。,Propanidid,生物转化是官能团反应，需要体内多种酶系的催化，参与体内药物生物转化的酶主要是氧化-还原酶和水解酶等 细胞色素p-450(cytochrome p-450 enzyme)在药物分子中引进羟基。还原酶系 如将醛酮还原为醇，将硝基还原为氨基等。,、参与药物代谢的酶,.过氧化物酶及其它单加氧酶 水解酶 参与羧酸酯和酰胺类药物的代谢。多存在于血浆、肝、肾、肠中。生物转化步骤主要的反应包括氧化反应、还原反应、脱卤素反应、水解反应等,结合反应是在酶的催化下将内源性结合剂如葡萄糖醛酸、甘氨酸、谷胱甘肽等结合到药物小分子或phase的代谢产物结合，使药物去活化，增加极性和水溶性，易于排泄。结合反应分为两步：内源性小分子物质被活化，变成活性形式。经转移酶催化，与药物或药物代谢物结合，形成代谢结合物。,、结合反应,II相结合反应,葡萄糖醛酸化,葡萄糖醛酸化是药物代谢结合反应中最普通的反应，在体内D-葡萄糖醛酸很溶液生成，并可与多种功能基（如羟基、羧基、氨基和巯基等）反应，结合产物含有可以离解的羧基和多个羟基。无生物活性，易溶于水并排出体外。,代谢过程示例,乙酰化反应,N-葡萄糖醛酸苷化反应,甘氨酸结合反应,N-葡萄糖醛酸苷化反应,N-葡萄糖醛酸苷化反应,硫酸化反应,对新药分子合理设计研究的指导作用 利用药物代谢信息，控制代谢速率调节药物的作用时间，设计更有效的药物 通过修饰缩短药物作用时间，防治代谢产生毒性 通过修饰延长药物作用时间，引入位阻较大基团或难代谢基团降低代谢速度 进行先导化合物的优化 前药 pro-drug 软药 soft drug的设计与合成,4、研究药物代谢的作用,.指导新药研究 通过对代谢的研究，探索可能代谢发生的部位，推测可能的反应，估计可能出现的代谢物。对手性药物，通过研究异构体在体内的代谢转化，弄清药物异构体的立体选择性和立体专一性代谢。,.在药物研究中的作用通过修饰，减少代谢，延长药物作用时间，提高生物利用度指导剂型的设计 口服药物到达作用部位前，经过胃肠道的消化酶、肝脏的药物代谢酶等的作用而分解，改变剂型，可避免首过效应而增加药物活性解释药物作用机理、作用方式及产生毒副作用的原因寻找和发现新药,