药物设计学_酶抑制剂医学

The Principle of Drug Design—第七章
酶的基础
ywjfc@
酶抑制剂
5/13/2020
一．酶(Enzymes)的基础知识
1、定义 凭借特殊的三维结构而担负着非常专一的生化催 化作用的蛋白质叫做酶
酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子， 所以又称为生物催化剂，
水解酶hydrolase 乙酰胆碱酯酶
裂解酶lyase
组胺酸脱羧酶
异构酶isomerase DNA拓扑异构酶Ⅰ
抑制剂药物 洛伐他汀 甲氨蝶呤 5-Fu，氟胞嘧啶 毒扁豆碱 曲托喹啉
拓扑替康，安丫啶
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抑制酶活性的药物
对氨基水杨酸 阿司匹林 5-氟尿嘧啶 新斯的明 哌嗪 利福平 磺胺类 氯霉素
2、竞争性抑制剂的作用机制
某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底 物竞争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心 结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是 酶促反应被抑制了。
竞争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高 底物的竞争能力来消除。
S
E
S+E
Ｅ + Ｐ
Ｉ
×
Ｓ+Ｉ
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竟 争 性 抑 制
核酸酶（催化核酸） ribozyme 核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的 RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水 解及其逆反应。
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二、、酶的结构与催化功能
1. 酶的活性中心(active center，active site) 在催化反应过程中, 直接参加与底物结合并起催化作 用的不是整个酶分子, 而只是分子中的一小部分。 酶 与底物作用时，先与底物生成一个中间产物, 然后中 间产物再转变为产物并析出酶来。 活性中心 酶分子中直接与底物结合并与酶催化直接有关的部分, 由分子中某些氨基酸残基的侧链基团或其它一些基团 所构成的。 其它部位对于酶的催化功能的作用是维持空间构型, 保护酶的活性中心。
结合部位决定酶的专一性， 催化部位决定酶所催化反应
的性质
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调控部位 Regulatory site
酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种 程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象 的变化，对酶起激活或抑制作用。
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酶活性中心的必需基团
亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和 组氨酸的咪唑基。
1
、 酶 催 化 反 应 过 程 示 意 图
复合物ES的形成
四、 酶激活剂与抑制剂
酶激动剂 凡是能提高酶活力的物质就叫酶的激活剂,激活剂主
要是无机离子或小分子有机物。 a.无机离子 包括金属离子, Na+、K+、Mg2+、Ca2+等阳离子。 阴
离子,如Cl-、Br-、I-、S2-、SO42-、PO43-等, b.小分子有机物,如抗坏血酸、半胱氨酸等。 c.具有蛋白质性质的大分子物质。这些激活剂实际上
酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸 的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和 半胱氨酸的巯基等。
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㈡、酶催化反应机制
酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通 过短程非共价力(如氢键,离子键和疏水键等)的作 用，形成E-S反应中间物，
其结果使底物的价键状态发生形变或极化，起到 激活底物分子和降低过渡态活化能作用。
⑤异构酶 Isomerase 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。
⑥合成酶 Ligase(synthetase) 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。
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可逆抑制剂（reversible inhibitors),抑制剂与酶分 子之间同过非共价键或弱的键合作用而可逆性结合， 这种结合可通过稀释、透析法或凝胶过滤方法将抑 制剂除去， 解除对酶的抑制,恢复酶活力。抑制作用 的强弱取决于抑制剂的浓度。
不可逆抑制剂 抑制剂通过共价键和酶的活性中心结 合，结合比较稳定难以通过稀释、透析法或凝胶过 滤方法将抑制剂除去，不可逆抑制剂的作用强度与 时间相关
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E +S I
O
NH
NO
HO
NH2
O HH
N
N
HO OHH
N
O O
P
O
O
N
HH
HOH OHH
※如胆碱酯酶抑制剂溴吡斯的明可使乙酰胆碱水平提高，用于治疗重症肌无力
或青光眼。
• 如果代谢物B可引起不良后果时，使用抑制也可达到此目的，以 减轻或消除病理状态
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2、如果代谢产物是病原体生长所必需的物质或可引 起机体不希望的效应时，应将其降低到最低浓度， 代谢产物可能由一系列生物化学过程产生，抑制作 用应选择在适当的环节即选择在级联反应的速率决 定步骤。
②转移酶 Transferase
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。
③水解酶 Hydrolase
催化底物的加水分解反应，淀粉酶、蛋白酶、核酸酶 及脂酶。
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④裂合酶 Lyase 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
1、竞争性抑制剂的特点
竞争性抑制剂的结构和性质与底物（或中间物、 产物）具有相似性，这种相似性不仅反映在分 子大小上，而且在电荷分布上也相似。并且二 者的相似程度越大，抑制剂的活性越强。
竞争性抑制剂的作用通常可以通过增大底物浓 度，即提高底物的竞争能力来消除，增加底物 浓度可以减轻或解除竞争性抑制剂所产生的作 用。
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㈡、竞争性抑制剂,
酶抑制剂和底物对酶分子的活性中心竞相结合 而引起的抑制作用或抑制剂与酶活性中心以外 的部位结合后, 引起酶构象的改变, 使底物不能 再结合到酶的活性中心上而引起的抑制作用, 在竞争性抑制中, 存在下述平衡: E＋S ――→ ES ＝＝ E＋P └─→EI I
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定义： 可以减弱,抑制甚至破坏酶的作用的物质称为酶的抑制剂。 抑制剂有多种多样,包括无机和有机物。
作用基础： 通过限制酶催化底物的反应能力，使底物浓度增加或代 谢物浓度降低，以达到症状的改善。 抑制剂的作用,主要靠直接作用于酶活性中心催化基团或 结合基团来实现的,也可通过与酶的其它基团,辅酶或与 激活剂的结合而实现。
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㈠、 可逆抑制剂的类型
根据抑制剂与酶、底物的相互关系不同, 又把可逆抑 制剂分为两类
竞争性抑制剂(competitive inhibitors) 抑制剂与底物 竞争性的结合酶的结合部位，抑制剂和底物在酶的 同一位置结合。
非竞争性抑制剂(noncompetitive inhibitors)抑制剂 不与底物竞争酶的同一结合部位，它们分别结合酶 的不同位点，但是抑制剂结合后影响底物的结合或 使不能进一步的生成产物
※如抗动脉硬化药选择在抑制胆固醇合成的速率决定步骤 HMG-
CoA还原酶。
3、有时在中间物生成时，需要辅因子X参加，X转变 为Y，Y在酶的作用下再转变为Y1，抑制此酶使X不 能再生，可阻断代谢物M生成。
※5-Fu抑制胸腺苷酸合成酶可通过与酶、辅酶四氢叶酸形成稳定复
合物而起作用的。
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4、为了更好的抑制代谢物的生成，可采用两种或两 种以上的抑制剂抑制级联反应的两种或两种以上 的酶系，协同作用比单独使用一种酶系效果要好 得多。
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7-2 酶抑制剂（Enzyme inhibitor)
抑制剂作用机理 可逆性抑制剂 不可逆抑制剂
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一、抑制剂作用机理
㈠、作用靶点选择 所有的酶都可以被抑制剂作为作用靶点：
酶的类别
例证
氧化还原酶
HMG-CoA还原酶
oxidoreductase 二氢叶酸还原酶
转移酶transferase 胸苷酸合成酶
二氢叶酸还原酶 前列腺素合成酶 胸苷酸合成酶 乙酰胆碱酯酶 琥珀酸脱氢酶 RNA聚合酶 叶酸合成酶 肽基转移酶
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㈡ 抑制剂的作用机制
虽然对于不同的酶，抑制剂的作用特点不同，但阻止酶的
催化反应，使底物积聚浓度提高或使产物浓度降低是其共
同点。
1、
E1
B
抑制剂
• 酶活性受到抑制后，底物A在体内累积，从而增加底物的生理效 应。这种情况下底物一般是激动剂。抑制剂的作用在于弥补底物 的缺乏或不足。
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酶的活性中心（或活性 部位）分为两部分:
结合部位和活性部位,
结合部位： Binding site 酶分子中直接与底物结 合的部位或区域 决定酶 的专一性,
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催化部位（活性部位）： catalytic site
酶分子中直接参与催化作用， 促使底物发生化学变化的部 位称为催化部位。决定催化 反应的性质。
二者之间没有明显的界限
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二、可逆抑制剂
可逆抑制剂（reversible inhibitors) 抑制剂与酶分子之间同过非共价键或弱的键合作用
而可逆性结合， 这种结合可通过稀释、透析法或凝 胶过滤方法将抑制剂除去， 解除对酶的抑制,恢复酶 活力。抑制作用的强弱取决于抑制剂的浓度。
不知抑制剂作用类型时，测定用的底物浓度以接近Km 为宜。 混合型抑制剂和不可逆抑制剂的反应速率与抑制剂浓度呈
非线性关系，IC50 明显低于Ki