虚拟药物筛选.ppt

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1、虚拟药物筛选,定义,虚拟筛选（virtual screening,VS)也称计算机筛选，即在进行生物活性筛选之前，在计算机上对化合物分子进行预筛选，以降低实际筛选化合物数目，同时提高先导化合物发现效率。,虚拟筛选的意义,筛选的对象,优势,不消耗样品，降低筛选成本,考虑化合物分子的药动学性质和毒性，增加筛选的内涵,虚拟筛选的效率,例：蛋白酪氨酸磷酸酯酶1B（PTP1B）抑制剂的发现经虚拟筛选，再作生物学测试，虚拟筛选的命中率比随机的高通量筛选提高1,700倍,虚拟筛选技术的分类,一、基于靶点结构的虚拟筛选 分子对接,起源：受体-配体的锁和钥匙模型,配体 受体 复合物,对接 受体和配基之间通过能量

2、匹配和空间匹配而相互识别形成分子复合物，并预测复合物结构的操作过程,基于分子对接的筛选方法,基于一个靶点（酶、受体、离子通道、核酸等）的三维结构，常常采用分子对接的虚拟筛选方法从小分子数据库中找到能与之匹配的候选化合物。所谓分子对接是基于两个或多个分子之间通过几何匹配和能量匹配相互识别的过程，即在药物分子和靶酶产生药效的反应过程中，两个分子先充分接近，然后采取合适的取向，使两者在必要的部位相互契合、发生作用，进而通过构象调整形成稳定的复合物。在通常的分子对接中，小分子的构象是柔性的，如果筛选一个分子数目过多的数据库（如ACD-SC），那么整个虚拟筛选过程将非常耗时。因此，通常可先设定一些条件，

3、比如Lipinski 的“5 倍律经验规则”等一系列类药性条件，先对该库进行过滤，从而快速缩小三维数据库的规模。另外，如果针对某个靶点，已经获得相关抑制剂的结构，则可采用分子形状匹配的方法（如FlexS），对数据库进行初筛，保留其中与已知抑制剂形状相似的分子。经过这些初步筛选之后，再采用基于分子对接的虚拟筛选从数据库中找出可能与靶点相互匹配的有机小分子。,分子对接筛选常用的软件,DOCK 是应用比较广泛的对接软件之一，由Kuntz 等设计开发。它能自动模拟配体在受体活性位点的作用情况，并记录下最佳的相互作用方式。而且该软件能对配体的三维数据库进行搜索，因此被广泛用于基于受体结构的对接筛选。在D

4、OCK 中，活性位点的确定是通过软件包中的sphgen 程序来完成，它通过在受体表面所有的凹陷区形成负像，并对这些负像进行聚类分析，用户则从中挑选出所需要的一类作为活性区域的位置。在生成负像的基础上，就可以进行配体分子和受体活性口袋之间的匹配，配体分子也采用一组球集来表示，并且DOCK 进行对接时，配体可以是刚性的，也可以设定为柔性。在对接结束后，DOCK 程序则采用自带的打分函数对配体-受体之间的匹配情况进行评价，其中包括原子接触得分和能量得分。所谓接触原子是指在一定距离之内的原子（一般定义为4.5），如果配体和受体之间存在这个距离内的原子，则认为产生碰撞，作为罚分从总得分中扣除；能量得分主

5、要来自配体和受体间非键相互作用能。,AUTODOCK 也是常用的分子对接软件包之一，由Scripps 的Olson 科研小组开发。它采用模拟退火和遗传算法寻找受体和配体最佳的结合位置，用半经验的结合自由能方法来评价两者之间的匹配情况。为了加快计算速度，AUTODOCK 采用了格点对接的方法，格点上保存的是探针原子和受体之间的相互作用能，包括了范德华相互作用能、静电作用能和氢键相互作用能等。在AUTODOCK3.0 以前，只能实现单个配体和受体分子之间的对接，但目前的版本（AUTODOCK4.0）已经能实现对数据库对接筛选的功能。,除此之外，还有一些常用的对接筛选程序，比如FlexX、GOLD、

6、Affinity 等，它们都各自开发出一套相应的对接筛选策略、打分函数，使得对接筛选的应用越来越广泛。,基于结构虚拟筛选一般流程图,建立大量化合物的三维结构数据库,将库中的分子逐一与靶标分子进行“对接”（docking）,优化小分子化合物的取向及构象等,找到小分子化合物与靶标大分子作用的最佳构象,计算其相互作用及结合能,完成所有分子的对接计算,找出与靶标分子结合的最佳分子,对接方法尚需解决的问题,分子的柔性,溶剂化效应,打分函数,(一)靶点结构的预处理,常用的数据库有MDL数据库、SPECS数据库和CNPD（Chinese Natural Product Database）数据库,(二)小分子

7、数据库的预处理,(三)分子对接,概念：将配体分子放置到受体大分子的活性位点中，预测小分子与受体结合构象及作用能的过程。是基于受体分子结构虚拟筛选的核心。,目的：从小分子数据库中发现合适的化合物作为受体大分子的配体。从整体上考虑配体与受体结合的效果。,关键环节：配体结合构象的优化,目的：评判配体分子和受体结合能力的强弱。含义：先对同一个分子的不同结合构象，评价各构象的结合好坏。再对数据库中的不同分子的最好结合构象进行评价，以得到最终的结合能力从高到低的化合物分子清单。,(四)打分函数,(五)成功实例,人碳酸酐酶与其抑制剂复合物,2002 年Grunberg 等采用基于分子对接的虚拟筛选方法成功地

8、找到了多种人碳酸酐酶（humancarbonic anhydrase）的抑制剂。在整个设计过程中，他们采用了多次初筛的办法将Maybridge 数据库（61 186 个分子）和LeadQuest 数据库（37 841 个分子）进行过滤。首先利用Lipinski 的“5 规则”将数据库缩小为5 904 个；然后利用FlexS 与已知抑制剂进行相似性筛选，得到了100 个候选化合物；最后将这100 个分子利用FlexX 程序进行对接筛选，从中挑选出13 个进行生物活性测试，结果7 个分子的IC50 值达到了微摩尔级别。见图。,抗艾滋病药物的发现虚拟筛选,艾滋病病毒,人类免疫缺陷病毒human im

9、munodeficiency virus,HIV,1.HIV-1蛋白酶（HIV-PR）,所催化的水解反应在艾滋病病毒导入人体细胞过程中起着重要的作用2.高效的HIV-PR抑制剂为治疗艾滋病的有效药物3.肽类HIV-PR抑制剂生物性质不稳定，吸收性差，易被代谢分解，因此口服给药无效,1.X-射线晶体结构2.搜寻数据库,3.生物测试:高选择性,高活性(Ki=0.1 nM),抗SARS冠状病毒药物的设计基于SARS-CoV 3CL蛋白酶的虚拟筛选,严重急性呼吸道综合征,病原体SARS冠状病毒,SARS-Cov 感染宿主细胞起重要作用的结构蛋白,E蛋白（small envelope protein，小

10、信封蛋白）S蛋白（spike glycoprotein，刺突糖蛋白）M蛋白（membrane protein，膜蛋白）N蛋白（nucleocapsid protein，核衣壳蛋白）多聚酶（polymerase）类3C蛋白酶（3C like proteinase,3CL）,3CL蛋白酶作为抗SARS药物筛选靶点的优点,在冠状病毒复制过程中起着重要作用 有许多已知抑制剂，便于迅速开发 较易表达，有利于加紧研究 有较高的同源性，可用同源法模建三维结构模型,步骤1.同源模建,(1)3CL蛋白酶序列(GenBank)与各类冠状病毒蛋白酶序列（PDB）作序列分析和同源性分析（BLAST程序）人冠状病毒；鼠

11、科肝炎病毒；猪传染性腹泻病毒；猫传染性腹膜炎病毒；禽传染性支气管炎病毒；猪冠状病毒；传染性胃肠炎病毒(2)传染性胃肠炎病毒（TGEV）的蛋白酶Mpro与3CL蛋白酶有极高的同源性，特别在底物结合口袋（活性部位）(3)以TGEV Mpro的X-射线晶体结构为模板，模建3CL蛋白酶三维结构（Sybyl 6.8/SiteID程序）,结果,（1）所建模型与TGEV Mpro 晶体结构基本重叠（2）3CL蛋白酶的折叠方式与TGEV Mpro相同，结合口袋的结构以及空间特征几乎一样,3CL蛋白酶结构与Mpro蛋白酶晶体结构的重叠图,3CL蛋白酶的缎带模型,步骤2.分析酶-配体作用模型,两种蛋白酶的结合部位

12、(Sybyl 6.8/MOLCAD程序)中,小分子C能以同样的方式与两种酶的结合口袋契合,A.TGEV MPRo蛋白酶B.SARS 3CL蛋白酶C.蛋白酶抑制剂,两种蛋白酶的底物结合口袋的表面特征,3CL蛋白酶模建模型或TGEV Mpro的晶体结构均可作为筛选抗SARS药物的结构模型,步骤3.虚拟筛选,以SARS冠状病毒3CL蛋白酶三维结构模型和TGEV Mpro 为筛选模型作虚拟筛选（SGI Origin 3800超级计算机和392CPU的神威1号超级计算机）ACD数据库、MDDR数据库、SPECS数据库、中国天然产物数据库（CNPD）和国家药物筛选中心内部样品库共数十万个化合物（1）DOC

13、K 4.0作初筛，选出得分高的前1000个化合物；（2）用Cscore软件和AutoDock 3.0软件作评价，从每个数据库中挑选出100个得分最高的化合物结果：共找到300个可能具有抗SARS冠状病毒潜力的候选化合物,步骤4 药理测试,（1）用病毒3CL蛋白酶分子水平筛选模型筛选候选化合物发现了7个具有高活性的化合物（2）在P3实验室中作SARS病毒感染细胞水平的测试，发现5-HT受体拮抗剂（肉桂硫胺，Cinanserin）有明显的抗SARS病毒感染和保护细胞的作用（3）申请专利，以CADD作结构优化,例 美普他酚双配体衍生物与AChE的对接研究,阿尔茨海默症（Alzheimers Dise

14、ase，AD）与乙酰胆碱（ACh）水平降低和对乙酰胆碱酯酶AChE诱导的-淀粉样蛋白（A）聚集有关治疗AD 的药靶：乙酰胆碱酯酶（AChE）和-淀粉样蛋白AChE抑制剂：美普他酚（Meptazinol）研究发现A的聚集与AChE上的外周阴离子位点（PAS）有关 Xie Q et al.J.Med.Chem.2008,51(7):2027,美普他酚双配体类似物的设计,在美普他酚分子中通过引入不同长度连接链，希望使另一个配体能与PAS相互作用,合成n=2-12的多个美普他酚双配体类似物，发现n=9的AChE抑制活性最强（IC503.9nM）,比美普他酚高2万倍，同时对AChE诱导的A聚集具有明显的

15、抑制作用（IC5079M）,具双重作用.,以分子对接证明作用模式,小鼠乙酰胆碱酯酶（mAChE）PDB数据库中的琥珀酰胆碱与mAChE的复合物（PDB编号：2HA2）双配体分子（n=9）的三维结构以CORINA软件生成，将N原子质子化，再用Tripos力场进行分子力学优化 以GOLD 3.0进行分子对接，最后用SYBYL/CScore一致性打分和半经验自由能评价函数XSCORE打分，评价出最优结合构象,对接模型：证明了AChE抑制作用和A聚集抑制作用,双配基配体与电鳐TcAChE复合物的单晶X衍射证明：结合方式与对接相似,1919,无机化学家Langmuir 原子总数相同，电子总数相同，电子的

16、排列状态相同 的分子或原子团，叫电子等排体，或译同电异素体，isosteres 电子等排体的化学和物理性质相似 N2CO N2OCO2 NO3-CO32-,1916,有机化学家Hinsberg-提出环等价芳香环的等价部分可相互替代-S-CH=CH-N=-CH=Huckel将环等价概念进一步扩大-CH3 F CH2=O CH N,1925,有机化学家Grimm 具有同数的价电子的原子或原子团，不论是否包含同数的原子或总数相同的电子，都叫电子等排体 提出氢化物置换规则，扩大了电子等排体的概念：从周期表中的第IV族起，任何元素的原子与一个或几个氢原子结合成的分子原子团当作是假原子。假原子的化学性质，

17、由其所含的氢原子数目的不同而有差别，但都依次与其邻近的较高族元素相似 CH N CH2 O CH3 N CH4 F,1932,药物化学家Erlenmeyer,原子团中边界电子或外围电子的数目是决定电子等排体的条件用电子等排体性质相似的原理研究药理作用与化学结构的关系,1951 Friedman,提出生物电子等排,外围电子数目相同或排列相似，具有相同生物活性或拮抗生物活性的原子、基团或部分结构，即为生物电子等排体BioisosterismI:F Cl Br I;OH SH SeH;NH2;CH3II:O S Se Te;NH;CH2III:N P As Sb Bi;CHIV:C Si N+P+A

18、s+Sb+(S+)V:-CH=CH-S-O-NH-(in aromatic ring),生物电子等排体具有相同总数的外层电子，相似的分子大小、形状、电子分布、理化性质、化学反应性、氢键形成能力等，且与生物活性存在相关性,某些官能团的等电性、等疏水性、等立体性,化合物分子结构经生物电子等排修饰，会引起多方面性质改变。物理化学特性如电负性、极化度、键角、半径、电荷或酸碱度的改变，将影响药物与受体的作用，可能会提高对靶点的选择性或降低毒副作用，也可能会产生与母体完全不同的作用甚至会产生毒副作用利用生物电子等排原理进行药物设计是一种常用并且十分有效的方法,经典的电子等排classical isoste

19、res符合Erlenmeyer所定义的电子等排体可分为一价、二价、三价、四价和环内等价非经典的电子等排non-classical isosteres不符合Erlenmeyer的定义，但具有近似相似的形状、体积、电子分布和理化性质，产生相似的生物活性包括范围较广，并经多个实例检验,按电性和立体结构分类,等疏水性等排体：具有相近脂水分布系数等电性等排体：具有相近电性效应参数等立体性等排体：具有相近立体效应参数等电性-等疏水性-等立体性生物电子等排体等构象性电子等排体,按照化学基团分类,1.Univalent atoms and groupsa.CH3 NH2 OH Fb.Cl PH2 SHc.Br

20、 i-Prd.I t-Bu2.Bivalent atoms and groupsa.-CH2-NH-O-S-Se-b.-COCH2R-CONHR-CO2R-COSR,3.Trivalent atoms and groups a.-CH=-N=b.-P=-As=4.Tetravalent atoms a.CSi b.=C=N+=P+=5.Ring equivalents a.-CH=CH-S-b.-CH=-N=c.-O-S-CH2-NH-,1.羟基Hydroxy group OH NHCOR NHSO2R CH2OH NHCONH2 NHCN CH(CN)22.卤素Halogen F Cl Br

21、 I CF3 CN N(CN)2 C(CN)33.醚Ether CN NC CN-O-S-N-C-4.羰基Carbonyl group,5.羧酸基团Carboxylic acid group6.硫脲Thiourea7.联接基团Spacer group,8.邻苯二酚Catecholroup,9.吡啶Pyridineroup,10.Hydrogenoup,一、概述拼合原理Combination principle 将两种药物的药效基团通过共价键拼合于一个分子中，形成的药物兼具两者的性质，强化药理作用，减少各自相应的毒副作用孪药Twin drugs 两个相同或不同的药物经共价键连接所生成的新的分子,

22、二、拼合的连接方式,1、通过间隔基连接（连接链模式）,2、直接连接（键合模式）,双香豆素,3、重叠模式,三、拼合的结构组成,1、同生型孪药（双分子孪药，相同孪药）由两个相同的分子相连接，裂解作用于同一受体或同一受体的两个位点产生更强的药理作用,头-头连接,2、共生型孪药（双重作用孪药，不相同孪药）,由两个不同的分子相连接，作用于两个不同受体或同一受体的两个位点，产生双重作用,（1）两不同的药物或药效基团连接,贝诺酯,消炎痛,（2）将两不同的药效分子融合为一个整体,四、孪药的作用方式,1、双前药Bipro-drugs 在体外无生物活性，进入体内经相关酶的酶促作用分解成两种原药，分别发挥相应的药理

23、作用。拼合的目的是为了改善药代动力学或药剂学性质,共生型,抗革兰氏阳性菌,头孢噻肟,左氧氟沙星,抗革兰氏阴性菌,共生型,药物分子在菌内可水解为两种原药，对革兰氏阳性和阴性菌均有效,2、多靶点配体药物,在体内不裂解，与不同靶点或靶点的不同位点结 合，产生新的或更强的药理作用,同生型,作用于同一受体（钙通道）的不同作用位点，提高了对受体的亲和力和选择性,同生型,作用于-肾上腺素受体，受体具对称性，设计的C2对称的双配基孪药，利于与受体结合,同生型,Piceacetannol,苯二烯类天然化合物，具蛋白质丝氨酸激酶（PTK）抑制作用，用于治疗白血病,修饰为对称结构，活性提高4倍,作用于蛋白激酶，具对

24、称结构的抑制剂有利于与酶结合,同生型,纺锤菌素,由于DNA双螺旋的对称排列，在DNA配体的结构中也存在对称性,共生型,作用于不同受体，得到双重作用。这些配体的药效基团常常有类似之处,共生型,作用于不同酶：环氧化酶（CO）和5-脂肪加氧酶（5-LO），抑制前列腺素和白三烯的生物合成，得到双重作用。比非甾体抗炎药更安全,共生型,作用于酶和受体：将血栓素A2（TXA2）受体拮抗剂达曲班和TXA2合成酶抑制剂伊波格雷拼合，具有较好的抗喘作用,四、孪药的药效计量,组成孪药的两个药物的药效要相当，即与受体作用的浓度要匹配,地西泮Diazepan+阿斯匹林 无意义,(5-15 mg/d),(200-2000

25、 mg/d),(2-20 mg/d),(5-15 mg/d),生物电子等排原理在药物先导化合物优化中的应用,摘要,先导化合物的优化是新药研究和开发的重要环节。由于先导化合物只提供一种具有特定药理作用的新结构类型，往往由于在药理、药效学、药代动力学等方面的缺点或不足而不能直接用于临床。因此，需要对先导化合物进行进一步化学结构改造或修饰，以期优化上述特性。“生物电子等排取代(bioisosteric replacement)”即为对先导化合物进行合理优化的有效策略之一。现总结生物电子等排原理在药物先导化合物优化中的应用。,“生物电子等排取代”为对先导化合物进行合理优化的有效策略之一。这种方法是利用

26、生物电子等排体(bioisosteres)原理取代先导化合物中的某些结构单元，以提高其活性及选择性，并降低毒性等。近年来，“生物电子等排取代”方法在药物先导化合物优化中得以广泛应用，在新药的研究与开发中起着十分重要的作用。实践证明，运用生物电子等排原理进行药物先导化合物优化可大大加快药物先导物到药物候选物的转化。现主要按生物电子等排体的分类方法对近期报道的例子进行综述，以说明生物电子等排原理在药物先导化合物优化中的具体应用。,一、经典的生物电子等排体的应用,经典的生物电子等排体包括Grimm 的氢化物取代规律及Erlenmeyer定义所限定的电子等排体。经典的生物电子等排体可分为：一价、二价、

27、三价、四价及环等同体五种类型。,1.1单价原子或基团,一价生物电子等排体在药物先导化合物优化中的例子很多，主要包括F 替代H,NH2 替代OH，SH替代OH，F、OH、NH2、CH3(Grimm 的氢化物取代规律)之间的相互替换和C l、B r、S H、O H(Erlenmeyer 对Grimm的氢化物取代规律的扩展)之间的相互替换等。,F 取代H 为一价生物电子等排替换中最常用的。由于氟在卤素中的特殊性，它与氢原子更为类似。空间大小上更像H，两者范德华力半径分别为1.2及1.35。其次，氟为卤素中电负性最强的原子，与碳形成非常稳定的键，这一特点可解释氟衍生物对代谢降解更稳定的原因。另外，由于

28、氟没有空的d 轨道，因此不能与电子供体形成共振效应。,由于氟原子的上述特殊性，在设计中常用F 取代H 以提高其代谢稳定性。研究发现化合物paclitaxel 1在人体内主要代谢产物为6-.-羟基paclitaxel 2，化合物2比1的活性降低96.7%。为了阻止此代谢途径，提高疗效，减少剂量以降低毒性，设计氟类似物3 来避免这一问题。研究发现，6-F、Cl、Br 类似物均具有类似的体内及体外活性，但这些新的抑制剂并不产生羟基化的代谢产物。,-NH2 与-OH 基团由于具有相似的立体大小、空间排列及作为氢键受体或供体的能力而被成功用作生物电子等排体。在设计和发现人源腺苷A3 受体高选择性激动剂过

29、程中，4和5两类化合物3-羟基被氨基取代后均提高其选择性并增加其水溶性。,1.2二价原子或基团,二价原子或基团相互替换经典的代表系列为O、S、N H 及C H 2。在对杜冷丁类似物6 的研究中，当X 为O、NH 或CH2 时，均显示强效止痛活性。然而硫类似物(X=S)仅表现出中等活性，这可能归因于其体内的代谢快速性(亚砜或砜的形成)。,但在某些情况下，即使非常微小的电子等排替换，也可能导致完全不同的结果。如在对近期被FDA 批准的抗艾滋病药Amprenavir 进行进一步的结构修饰过程中，将苄基的CH2 基团替换成S 原子，产生的类似物7 丧失了对感染MT4 细胞中HIV 复制的抗病毒活性及H

30、IV-1 蛋白酶的抑制活性。研究发现，此类似物除了不稳定外，硫原子的引入对于苯巯基部分与酶活性位点的结合产生不利的因素。,1.3三价原子或基团,在经典电子等排体的运用中，最成功的例子即为芳环中-CH=被-NH=的替代(见关于环等同体的部分)。,1.4四价原子,四价取代中最常用的为季胺盐中氮原子与季碳原子的替换。近来研究表明，肉毒碱酰基转移酶(CAT)选择性抑制剂可能用于糖尿病及心脏病的治疗，因此发展强效专一CAT 抑制剂具有重要意义。,乙酰肉毒碱的一些简单类似物为CAT 强效抑制剂。构效关系研究表明，肉毒碱8 的羟基被胺基替换产生的类似物9，与其四价三甲基胺基团被其电子等排体叔丁基替换产生的类

31、似物10 具有相似的活性。,1.5环等同体,将经典的电子等排替换运用于环系时则产生各种环等同体。最成功的例子之一为芳环中-CH=CH-被-S-及-CH=被-NH=的替代。早期的例子即为磺胺类抗菌药磺胺吡啶、磺胺噻唑及磺胺嘧啶的发展,苯环、噻吩的互换一直都是生物电子等排替换中较经典的例子。苯与噻吩的相似性是二价硫-S-和1,2-亚乙烯基-CH=CH-交换的结果。报道如在研究NO 合成酶抑制剂过程中，以NO合成酶抑制剂11为起点，利用苯环与噻吩的生物电子等排性，设计并合成了一系列化合物12 及13，活性测试表明，12a与13a的活性相差不大，说明噻吩环S 原子对活性并非起关键作用。类似的杂环取代被

32、用于设计合成腺苷A1 受体拮抗剂过程中，先导物14的母核异喹啉分别被噻二唑及噻唑替换，产生化合物15及16呈现出不同的活性及选择性。15 与14对于腺苷A3 受体呈现出相似的亲和力，而化合物15 对于腺苷A1 受体的亲和力显著增加，从而使得其选择性大大降低。而化合物16 对于腺苷A1 受体则具有9 倍的选择性,与苯环、噻吩的互换类似，吡啶、噻唑的互换也是-CH=CH-与-S-交换的结果，文献中也有许多成功例子。化合物2-甲基-6-(苯炔基)-吡啶17为一强效非竞争性mGlu5受体拮抗剂，在mGlu5 受体的药理学研究方面得以广泛应用。而其作为药物则存在许多缺陷，包括靶点的非特异性及差的水溶性。

33、为克服缺点，在寻找高选择性及水溶性好的mGlu5 受体拮抗剂过程中，将17的2-甲基吡啶部分替换成2-甲基-4-噻唑单元，另外，利用芳环中-CH=被-NH=的可替换性，将苯基替换成3-吡啶，所得的异构体17a 亲脂性较17 有明显降低，体内活性却高很多。,崔永梅等以高通量筛选得到一全新结构的活性化合物作为研究起点，结合甲硫氨酰氨肽酶(MetAPs)的作用机制，设计并合成了一类对大肠杆菌EcMetAP和酵母ScMetAP1有较好抑制作用的2-吡啶羧酸噻唑酰胺类(PCAT)化合物，其中的化合物18a 和18b 为目前EcMetAP 和ScMetAP1最好的抑制剂。初步的抑菌实验表明，部分化合物具有

34、一定的抑菌活性，作为一类全新结构的化合物，在新型抗菌药物的研究中有重要的价值。,在上述工作基础上，为了发现较高活性及对MetAPs 不同亚型选择性更好的化合物，利用吡啶与噻唑的典型生物电子等排特性，设计了二噻唑类(TCAT)类似物19。合成了19a 和19b 两类化合物，活性测试结果表明，此两类化合物对EcMetAP 及ScMetAP1 均具有极强抑制活性，其中最好的化合物对EcMetAP和ScMetAP1的抑制活性IC50 分别达到1 0 n M 及7 5 n M。另外，该类化合物也表现出对EcMetAP 及ScMetAP1 的高选择性，这为进一步寻找新型抗菌药物提供了先导结构。,2-氨基噻

35、唑单元作为苯酚基团稳定及亲脂性的生物电子等排体，在药物化学领域已证明了其应用价值。这一生物电子等排替换被成功运用于DA 受体激动剂，例如B-HT 920、PD 118440 及抗帕金森药Pramipexole，结果提高了其药理学性质，包括作用时间的延长及更好的生物利用度。这一生物电子等排体替换，可看作是杂环替代的延伸，2-氨基基团可替代酚羟基，与受体结合位点形成氢键，从而提高其药理学性质。,最近，这一电子等排替换被成功运用于设计合成2-氨基噻唑衍生的类阿片。通过设计并合成了一系列氨基噻唑衍生的吗啡喃、苯并吗吩烷及吗啡，尽管与其相应的苯酚原型相比亲合力降低，但化合物20 对于 受体具有极高的选择

36、性及亲和力,前提到，二价原子或基团的相互替换运用于环系则产生各种环等同体。在近期对神经肽Y5受体拮抗剂研究中，以高通量筛选得到的化合物21 为起点，为更好了解与Y5 受体结合所需的结构特征，对其母核进行改造，将N 原子分别用O、S 及CH 替换，合成了一系列化合物(21a21e)。通过此种方法，除了鉴定出一些强效Y5 拮抗剂作为潜在的抗肥胖药物进一步评估外，也确立了人源Y5 受体的药效基团。,2非经典的生物电子等排体的应用,非经典的电子等排体不符合经典的电子等排体在立体及电性方面的定义，这一类电子等排体通过模拟分子或基团的空间排列、电性或其他对于保持生物活性至关重要的物理化学参数而被成功运用于

37、药物先导化合物的优化。非经典的生物电子等排体可进一步分为两类：环与非环取代和具有相似极性效果的基团。,2.1环与非环取代,这类包括立体或电性上相似，从而保持相似生物活性的环与非环电子等排体。最经典例子为雌二醇(22a)及其各种结构类似物。其中，具特定空间构型的官能团对于活性的保持是必需的。己烯雌酚(22b)的双键对于苯酚及乙基基团的正确定位以及与雌激素受体的结合是至关重要的。结构或构象刚性的类似物(22b22d)与雌二醇(22a)的活性相当，而非刚性类似物(22e22g)则几乎无活性。近期研究表明，很可能在与受体结合中，分子的基本形状、官能团间的距离比其成环的程度更为重要。,由于体内酯酶的广泛

38、存在，酯基官能团在体内是代谢不稳定的，因此，有必要将酯基替换成对于水解更稳定的基团。经常运用的策略即为杂环取代。噁唑、噁二唑、噻唑及噻二唑等通常被用作酯基的电子等排体以提高其水解稳定性。在开发细胞周期依赖蛋白激酶2(CDK2)抑制剂过程中，高通量筛选得到的化合物23a为一选择性的CDK2高活性抑制剂，但由于其酯基代谢的不稳定性而产生的羧酸代谢产物丧失酶抑制活性，23a 无细胞活性。为了提高化合物23a 的细胞周期稳定性，将乙酯替换为电子等排体噁唑基团产生的化合物23b，在保持CDK2 选择性的基础上，呈现出更高的CDK2 抑制活性，同时具有强效抗癌细胞增生活性。,2.2具有相似极性效果的基团,

39、2.2.1酚羟基酚羟基官能团最常见的替代物为由于吸电子基团的存在而导致的酸性N H 基团。最近，这一电子等排特性在设计选择性的多巴胺(DA)D2 激动剂过程中得以应用。,为了克服化合物24 3-羟基-苯酚部分的代谢不稳定性，以提高此类化合物的生物利用度，苯酚被含有NH 的杂环电子等排体，例如吲哚(24a)、吲哚酮(24b)、2-三氟甲基-苯并咪唑(24c)及苯并咪唑-2-酮(24d)替换，产生的类似物对于D2 受体均具有极强的结合力。另外，化合物24a 及24d 也具有一定的体内活性。,脲、磺酰脲、磺酰胺基团由于与酚羟基具有相似的Pka 值而通常被用于其电子等排体。在设计合成促性腺素释放激素(

40、GnRH)拮抗剂过程中，脲、磺酰脲及磺酰胺均可替换酚羟基，尤其是甲磺酰胺类似物，比先导化合物25 结合力增加近3 倍。,2.2.2羧酸官能团,药物先导化合物的羧基官能团通常被变为直系衍生物，如羟肟酸(R-CONHOH)、酰基胺氰(R-CO-NHCN)及酰基磺胺(R-CO-NH-SO2-R)，其中酸性NH 基团取代酸性OH 基团；到平面酸性杂环，例如四唑、羟基异唑等甚至到非平面硫或磷衍生的酸性官能团等。,在设计合成选择性3肾上腺素能受体激动剂近期的一个例子中，以先导化合物26 为起点，将羧基官能团替换为噻唑酰胺及甲磺酰胺给出强效但只有中等选择性的化合物。若依次利用苯基、对-甲苯基取代提高磺酰胺取

41、代基的体积则提高选择性。,在平面酸性杂环中，主要代表为四唑。四唑替代物应用领域很广，能提高效能、生物利用度、或者提高选择性等，而在一些例子中，四唑类似物活性却很差。近期在合成mGlu1 受体拮抗剂过程中，将S-CBPG(27a)的羧基官能团替换为四唑基团，产生的化合物S-TBPG(27b)，尽管其只有中等活性，但S-TBPG 为选择性的mGlu1 拮抗剂，对于其他mGluR 均无活性。,为提高化合物28a的口服利用度，Jimonet等报道了运用两个电子等排体(四唑及磷酸)替换两个羧基基团，产生的化合物28b，不仅对于AMPA 受体具有高的亲和力(IC50 13 nM)，对于NMDA 受体具有好

42、的选择性(180 倍)，而且作用时间大大延长。这也是至今报道的为数不多的水溶并长时间起作用的A M P A 拮抗剂。,2.2.3脲及硫脲,脲、硫脲、胍基及取代胍基为此类电子等排体的代表。近期在研究二氢吡啶神经肽Y Y1 受体拮抗剂过程中，对先导物BMS-193885(29a)脲连接基团进行构效关系研究，将其进行一系列电子等排及杂环替换，结果发现氰基胍类似物29b 表现出与29a 类似的结合效力，而且，与29a相比，氰基胍类似物29b 在Caco-2细胞中的透膜性更高(43 vs 19 nm/s)。,生物电子等排原理广泛应用于药物先导化合物优化中，应用例子很多，不便一一列举。生物电子等排取代作为对先导化合物进行优化的有效方法之一，能够避免先导化合物优化中的盲目性；但作为一种策略也有其局限性，因此就需要我们在实际应用中综合各种因素以达到预期的目的。,