药物设计学部分重点思考题

Chapter2

1.简述生物膜的化学组成，说明为什么新药设计必须研究生

物膜的性质。

答：生物膜的化学组成生物膜由水和有形物质组成，水占80%，有形物质包括类脂类、蛋白质、少量的糖和微量金属离子等。

脂质：脂质是构成生物膜最基本的结构物质，脂质包括磷脂、胆固醇和糖脂等，其中以磷脂为主要成分；

蛋白质（包括酶）：组成生物膜的蛋白质多属α螺旋状的肽链二级结构以上的结构的团块，分别具有不同的功能，生物膜中的蛋白质又可分为内嵌蛋白质和表面蛋白质等；

多糖类：生物膜中含有一定的寡糖类物质，它们大多与膜蛋白结合，少数与膜脂结合。糖类在膜上的分布是不对称的，全部都处于细胞膜的外侧。生物膜中组成寡糖的单糖主要有半乳糖、半乳糖胺、甘露糖、葡萄糖和葡萄糖胺等，生物膜中的糖类化合物在信息传递和相互识别方面具有重要作用；

水和金属离子组成等。

新药设计必须研究生物膜的性质的原因是：

药物从用药部位到达靶细胞需要通过许多的细胞层，也就是要通过无数的细胞膜或细胞内亚细胞水平的一群细胞器（如线粒体、内质网、内质器、溶酶体等）的膜，而这些过程都与膜的通透转运有关。细胞是

的物质，可以是离子、小分子化合物，也可以是复杂的大分子物

质，如某些蛋白或酶等，这一过程一般都与ATP的释能反应相

偶联；

3)易化扩散：是介于主动转运和被动扩散之间的一种转

运形式，药物与相应的载体结合，由载体将其带入膜内，与主

动转运相同，易化扩散也具有饱和性，但是它又与被动扩散类

似，其推动力是浓度梯度，因此这种扩散不消耗能量；

4)胞饮现象：是通过细胞膜的凹陷将细胞外的物质吸收

入细胞内的一种吸收方式，某些大分化合物如蛋白、脂肪等都

是通过此法吸收的。其过程是首先细胞膜吸附贴近细胞的物质，然后细胞膜凹陷继而细胞膜断裂为胞饮囊，再由胞内的水解酶

将小囊消化吸收；

5)离子对吸收：主要用来解释高度离解化合物的吸收过

程，是在易化现象基础上提出的。高度离解的化合物与体内可

离解的生物大分子结合形成在水中易溶的中性离子对，并通过

被动扩散透过细胞膜而被吸收。研究表明，可离解化合物的亲

脂性和分子体积的大小将影响其吸收。

3.何谓受体，说明受体的主要分类，受体的特征。

答：受体是存在于细胞膜表面或细胞浆内能与特异性配基相结合并产生生物学效应的大分子物质。

受体的特征如下：

1)有限结合能力（Saturation）：生物对细胞外信号的反应是可

以饱和的，每一细胞或一定量组织内受体数目是有限的；

2)适度的亲和力（affinity）：受体-配基复合物的形成是由受

体量和亲和力两个因素决定，而生物效应与受体-配基复合物的数目相关。故而增大受体量和增大亲和力均可增大生物效应；

3)配基专一性（ligand specificity）受体对配基应具有结构专一

性和立体专一性；

4)靶组织的专一性（specificity for target tissue）特定的受体，

只存在于一定范围的组织细胞；

5)亲和力与生物活性相关：这是判定专一受体最重要的依据；

6)需有内源性配基：所有受体包括药物受体一定有内源性配

基存在于生物体内。

从受体的结构上来说，受体须具备三维实体的可塑性，能与激动剂（拮抗剂）发生迅速和可逆性的结合；三维结构具有特异性，但非绝对性。

实际上，机体内源性受体不可能为外源性的药物而存在，机体本身存在着可与该受体发生特异性结合的配基，药物则是这些配基的结构类似物，只要在三维空间结构或电荷分布上满足受体的要求，就可以与其结合产生激动或拮抗作用

受体的分类：

按照国际药理学联合会（IUPHAC）和药物分类委员会（NC-IUPHAR）的建议，将受体分为四大类，即受体分子四大家族：G-蛋白偶联受体、通道性受体、酶性单链跨膜受体（又称催化性受体）和配基依赖的转录因子受体等。

亦有根据细胞中受体存在的位置不同，按照受体的蛋白质结构和功能，特别是与细胞膜的结合功能及信号转导特征，将受体分为细胞质膜受体（G-蛋白偶联受体、通道性受体、催化性受体）和胞内受体（配基依赖的转录因子受体）。

4.举例说明调控和阻断异常信号传导途径在药物设计中的应

用。（不能只画图，需要用语言对其进行描述）

答：正常细胞中某个信号的活性增加或多样性丧失，往往导致疾病的发生。正常细胞的增殖需要多个生长因子的共同作用，原癌细胞基因控制正常细胞的生长，它们的过量表达或突变，激活信号传递途径，细胞接受无限增殖的信号，使细胞增殖失控。这样的信号传导功能异常引起的增生性疾病包括肿瘤、动脉粥样硬化、牛皮癣、脓毒症、类风湿性关节炎、多发性硬化症等。

理论上利用病理状态下细胞与正常细胞信号传导途径的差异，寻找选择性作用于信号传导途径的抑制剂，如利用小分子化合物、抗体、显性失活蛋白、反义RNA、核酶等，可有效的阻断信号传导途径，抑

制增殖信号，或者合理提高凋亡途径的信号，都有助于达到预防和治疗上述疾病的目的。

举例：阿尔茨海默病（Alzheimer`s disease, AD)早老性痴呆

5.药物设计为什么要考虑机体对药物的作用？

答：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，故药物设计必须考虑机体对药物的作用。

此外，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。

6.药物在体内的代谢包括哪些途径，生物转化过程中主要的

反应有哪些？

答：药物在体内的代谢主要包括两大途径：

1)生物转化（biotransformation）

又称phaseⅠ：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。

2)结合反应（Conjugation）

又称phaseII：phaseⅠ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。

7.药物和受体作用包括哪些互补性，怎么理解药物和受体作

用的互补性？

答：受体和药物作用的互补性包括三大类：

1)电荷互补：药物与受体分子中电荷的分布与匹配；

2)疏水性等的互补；

3)空间构型互补：药物与受体分子中各基团和原子的空间排

列与构象互补。

空间构型的互补又包括：

a原子间距离对药物受体互补性的影响；

b光学异构：光学异构是由于分子中原子或基团的排列方式不同，使两个分子无法叠合的一种立体异构现象。光学异构体又叫对映异构体，除了旋光性有差异外，两者理化性质均相同。

由于生物膜上或血浆中的受体蛋白对药物进入机体后的吸收、分布和排泄过程均有立体选择性的优先通过和结合的情况，导致药效（生物活性）上的差别。例如，胃肠道对D-葡萄糖、L-氨基酸、L-甲胺蝶呤、L-（+）抗坏血酸有立体选择性，可优先吸收，主动转运。

在药物代谢过程中，代谢酶对药物的立体选择性可导致代谢差异（包括代谢速率和药效毒性的差异）；

c几何异构：由于分子中存在刚性或半刚性结构部分，使分子内部分共价键的自由旋转受到限制而产生的顺反异构现象，称之为几何异构。几何异构体中官能团或受体互补的药效基团（Pharmacophore）的排列相差极大，理化性质和生物活性也有较大的差别。

d构象异构：分子内各原子和基团的空间排列因单键旋转而发生动态立体异构现象为构象异构，柔性分子的构象变化处于快速动态平衡状态，有多种异构体。

优势构象：自由能低的构象出现几率最高，称之为优势构象。

药效构象：能为受体识别并与受体结构互补的构象，可产生特殊的药理效应，这种构象叫药效构象。

优势构象并不一定是药效构象，有时需由优势构象转化为药效构象后才能与受体结合，转变的能障一般不高。

对药物受体作用互补性的理解：

药物和受体的互补性程度越大，药物的特异性越高，作用越强，且这种互补性随着药物-受体复合物的形成而增加。

所谓的互补实际上就是满足药物与受体之间的相互作用：药物和受体间的互补性可能在结合过程中形成，而不一定是在结合前已经具备的。药物和受体的构象的变化将受到受体分子内的空间位阻、静电相互作用和氢键等因素的制约，不具有任意性。药物和受体在结合前也应该具有一定程度的互补性。药物和受体之间形成的复合物，应该具有一定的稳定性。

构型合适才能保证药物与受体间的结合有足够的结合能，以维系药物与受体形成的复合物具有一定程度的稳定性。

Chapter 3

1.简述先导物的主要来源。

答：先导化合物的发现主要有以下四种方法：

1)已知生物活性物质的修饰和改良：

如喹诺酮类抗菌药物的亚砜类电子等排(flosequinan)，几乎无抗菌活性，但是却发现其具有较强的血管扩张作用，因此被用作强心药。

物，或是结构仅作微小变化，微小的变化可通过简单的有机反应来实现，如还原、羟基化、乙酰化、外消旋体拆分、取代基变换和生物电子等排等方法得到，经过修饰后可使生物活性增加、选择性增加、降低毒性或副作用。最小修饰原则，方法简单，易于成功，但往往被忽视。不被人们所重视，但在实际应用中却是很有利的。

2）正确利用与化合物相关的生化知识

中药研究中的利用药效学结果指导中药有效成分的分离；对于药物设计来说，利用药理学的结果指导药物的设计更为重要，在药理学结果指导下进行药物设计，有助于快速发现问题解决问题；药物设计和先导物优化过程中，要想得到合乎要求的药物，应该尽早、尽可能多的利用与化合物有关的生物化学性质。

3）结构参数的应用与取代基的选择：

从化学角度考虑，一旦知道了它们的结构参数（如电荷间距、E型还是Z型、取代基是直立键还是平伏键、取代基定位的合适程度等），在设计过程中就应该尽可能的利用这些参数；如果受体或酶结构未知时，可利用对其有作用的已知活性化合物进行比较，找出相应的药效团模型并反推出受体受点的虚拟结构

4）从经济角度考虑：

当决定合成一些化合物时，应从经济和快速角度考虑，选择合成路线最简单以及中间体易合成或者容易买到的化合物；对于光学异

构体的药物（包括外消旋和单一对映体），一般只有在进行了药理、毒理和临床研究后才能决定哪一种更好；如果分子中既不存在不对称中心或不对称面，但又有类似亲和力的药物，将会大幅度的减少研究工作量，就是说如果能够去掉手性中心又保持活性将是最佳的设计；即使不能去掉手性中心，先合成外消旋体，当发现活性后再考虑单一异构体问题也许是最明智的方案。一般若外消旋体没有活性，就没有必要进行单一异构体的拆分。

2.举例说明如何利用拼合原理设计药物，指出拼合原理可能

存在的问题。

答：拼合原理的定义，将两种结构不同的药物通过共价键拼合在一个分子中，或将两者的药效基团兼容于一个分子中，使形成的药物或兼具两者的性质，强化药理作用，减少各自相应的毒副作用，或是两者取长补短，发挥各自的药理活性，协同完成治疗作用，有时将其称为挛药(Twin Drug)。

扑炎痛（Benorilate)：

阿司匹林和对乙酰氨基酚（扑热息痛）都是解热止痛药。阿司匹林分子中的羧基，对胃粘膜有刺激性，长期服用易引起溃疡；对乙酰氨基酚长期服用，以导致肾脏毒性。

将前者的羧基与后者的酚羟基脱水酯化，口服对胃无刺激，在体内经酯酶分解后，又重新分解为原来的药物，共同发挥解热镇痛作用，

用药剂量小，毒副作用大大降低。

氨苄西林与舒巴坦的拼合：

氨苄西林：半合成β-内酰胺类广谱抗生素，具有耐酸性适用于口服而广泛用于临床；金黄色葡萄球菌等产生的青霉素酶或β-内酰胺酶，能使β-内酰胺换开裂而丧失抗菌活性。

舒巴坦：β-内酰胺酶抑制剂，对革兰氏阳性或阴性菌有作用

二者通过次甲基拼合成双酯，由于舒巴坦分子中的砜基的氧原子与碳6原子上的α-构型的氢形成氢键，增加了β-内酰胺环上羰基碳原子的正电性；提高了与酶负电中心的结合力，使氨苄西林的结构免遭破坏，从而保证了其抗菌性的发挥；同时该双酯的口服吸收好，提高了生物利用度。

问题及注意事项：

虽然有许多成功的例证，但是利用拼合原理进行药物设计时仍然存在一些问题：

①相对而言，拼合设计困难大，成功率较低；

②药物经拼合后结构改变不再被受体所识别和结合，导致生成无活性的产物，有时甚至会导致完全相反的结果；

③两者的拼合有可能产生无法预知的毒副作用，导致研究的失败；

④两部分的活性强度的匹配程度，特别是对两个受体分别呈激