13药物化学原理-定量构效关系
定量构效关系
（一）定量构效关系能对定量构效关系有个整体的认识：描述分子的三维结构与生理活性之间的关系，所应用的主要技术方法是“比较分子场方法（CoMFA）”定量构效关系(QSAR)是一种借助分子的理化性质参数或结构参数，以数学和统计学手段定量研究有机小分子与生物大分子相互作用、有机小分子在生物体内吸收、分布、代谢、排泄等生理相关性质的方法。
这种方法广泛应用于药物、农药、化学毒剂等生物活性分子的合理设计，在早期的药物设计中，定量构效关系方法占据主导地位，1990年代以来随着计算机计算能力的提高和众多生物大分子三维结构的准确测定，基于结构的药物设计逐渐取代了定量构效关系在药物设计领域的主导地位，但是QSAR在药学研究中仍然发挥着非常重要的作用。
发展历史定量构效关系是在传统构效关系的基础上，结合物理化学中常用的经验方程的数学方法出现的，其理论历史可以追溯到1868年提出的Crum-Brown方程，该方程认为化合物的生理活性可以用化学结构的函数来表示，但是并未建立明确的函数模型。
最早的可以实施的定量构效关系方法是美国波蒙拿学院的Hansch在1962年提出的Hansch方程。
Hansch方程脱胎于1935年英国物理化学家哈密顿提出的哈密顿方程以及改进的塔夫托方程。
哈密顿方程是一个计算取代苯甲酸解离常数的经验方程，这个方程将取代苯甲酸解离常数的对数值与取代基团的电性参数建立了线性关系，塔夫托方程是在哈密顿方程的基础上改进形成的计算脂肪族酯类化合物水解反应速率常数的经验方程，它将速率常数的对数与电性参数和立体参数建立了线性关系。
Hansch方程在形式上与哈密顿方程和塔夫托方程非常接近，以生理活性物质的半数有效量作为活性参数，以分子的电性参数、立体参数和疏水参数作为线性回归分析的变量，随后，Hansch和日本访问学者藤田稔夫等人一道改进了Hansch方程的数学模型，引入了指示变量、抛物线模型和双线性模型等修正，使得方程的预测能力有所提高。
药物化学名词解释
药物化学名词解释- 1 - 上海医药工业研究院-考研复习提纲I) (药物化学名词解释1.药物化学:关于药物的发现、发展和确证，并在分子水平上研究药物作用方式的一门学科。
2.化学药物:一类既具有药物功效，同时又有确切化学结构的物质。
3.药物:对疾病具有预防、治疗和诊断作用，或用以调节机体生理功能的物质。
4.靶分子优化:确定了所研究的靶分子后，对该靶分子的结构及其与配基的结合能力、结合强度以及所产生的功能等进行的研究。
5.亲和力:配基和酶对受体结合的紧密程度。
6.活性:配基和酶或者受体产生的生化或者生理相应的能力。
7.选择性:配基识别所作用的靶分子，而不和其他靶分子产生相应作用的能力。
8.新化学实体(NCE):可能成为药物的化合物分子。
9.先导化合物:通过各种途径得到的具有一定生理活性的化学物质，可进一步优化其结构获得供临床使用的药物。
10.先导化合物的优化:药物设计的目的是设计活性高、选择性强、毒副作用小的新药，在发现先导化合物后就要对其进行合理的修饰，这种过程和方法称为先导化合物的优化。
11.候选药物:先导化合物经过修饰后得到的化合物，此类化合物活性、安全性、药代动力学性质、选择性等并不确定，需要经临床研究以确定其性质和修饰方案的化合物。
12.上市药物:指候选药物经过临床试验达到了监管机构的标准，并得到监管机构上市许可的药物。
13.高通量筛选(HTS)技术:是指以分子水平和细胞水平的实验方法为基础，以微板形式作为实验工具载体，以自动化操作系统执行操作过程，以灵敏快速的检测仪器采集实验结果数据，以计算机对实验数据进行分析处理，同一时间对数以千万的样品进行检测，并以相应的数据库支持整体运转的技术体系。
14.生物电子等排体:是指一组原子或原子团因外围电子数目相同或排列相似而产生相似或相反生物活性并具有相似物理化学性质的基团，常用于先导化合物优化时进行类似物变换;广义上的等排体，分子中没有相同的原子数、价电子数，只要有相似的性质相互替代时可产生相似的活性或相反的活性，都称为生物电子等排体。
药物的化学结构和药效的关系药物化学
总结词
计算机辅助药物设计利用计算机模拟 技术来预测和优化药物与靶点的相互 作用。
详细描述
这种方法通过建立药物与靶点相互作 用的数学模型，对大量化合物进行虚 拟筛选，快速找出具有潜在活性的化 合物。这大大缩短了新药研发的时间 和成本，提高了成功率。
先导化合物的优化
总结词
先导化合物优化是在找到具有初步活性的先 导化合物后，通过对其化学结构进行修饰和 优化，提高其药效、降低副作用的过程。
总结词
药物分子的极性影响其在体内的吸收、分布和代谢，从而影响药效。
详细描述
药物分子的极性与其化学结构密切相关，极性大小直接影响分 子在体内的溶解度和渗透性。一般来说，极性适中的药物分子 具有较好的水溶性和脂溶性，有利于其在体内的吸收和分布。 此外，药物的代谢过程也与其化学结构有关，某些结构特征可 以促进或抑制代谢酶的活性，从而影响药物的代谢速度和药效 持续时间。例如，某些药物分子中含有羟基或羧基等极性基团， 可以增加其在体内的溶解度和渗透性，从而提高药物的生物利 用度。
总结词
药物分子的电子分布影响其与靶点的相互作 用，从而影响药效。
详细描述
药物分子中的电子分布决定了其与靶点分子的相互作用方式， 如静电、共价键等。药物分子中的电子分布与其化学结构密切 相关，通过改变药物分子的电子分布，可以调整其与靶点的相 互作用，从而优化药效。例如，某些药物分子中的特定基团可 以通过电子转移与靶点分子形成共价键，从而提高药物的稳定 性。
氢键
总结词
氢键是一种相对较弱的相互作用力，但对药物与靶点的结合和药效的发挥具有重要影响。
详细描述
氢键的形成是由于药物分子中的氢原子与靶点分子中的电负性原子（如氧或氮）之间的 相互作用。这种相互作用虽然较弱，但能够使药物与靶点结合更加稳定，从而影响药物 的吸收、分布和代谢等过程。例如，某些药物通过与蛋白质的特定氨基酸残基形成氢键，
药物化学结构和药效的关系
例：
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2.6 药物的电子云密度分布对药效的影响
如果药物分子中的电荷分布正好和其特定 受体相适应，药物与受体通过形成离子键、偶 极-偶极相互作用、范德华力、氢键等分子间引 力相互吸引，就容易形成复合物，而具有较高 活性。
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下例为苯甲酸酯类局麻药分子与受体通过形成 离子键，偶极-偶极相互作用，范德华力相互作 用形成复合物的模型。
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(2)增加药物分子的位阻:
抵抗青霉素酶得水解
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(3)电性的影响:
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2.卤素对药物生物活性的影响
强吸电子基，影响电荷分布
3.羟基、醚键对药物生物活性的影响
-OH增强与受体的结合力（氢键），增加水溶性，改变生物活性 -O-有利于定向排布，易于通过生物膜
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药物的化学结构与生物活性(药效)间 的关系，通常称为构效关系(Structureactivity relationships, SAR)，是药物化 学研究的主要内容之一。
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本章内容
药物作用机制 受体学说 影响药物产生作用的主要因素 药物结构的官能团对药效的影响 药物的理化性质对药效的影响 药物的电子云密度分布对药效的影响 药物的立体结构对药效的影响
4.磺酸基、羧基与酯对药物生物活性的影响
-SO3H、-COOH使水溶性、解离度增大，不易通过生物膜， 生物活性减弱；
-COOR使脂溶性增大，生物活性增大
5.酰胺基与胺基对药物生物活性的影响
13第十三章药物的构效关系与新药研究知识
(S)-(＋)-异丙肾上腺素
药物与受体间相互作用对药效的影响
3．构象对活性的影响
构象对药物分子与受体相互作用时的互补性影响很大，不同构象的药
物分子，生物活性有着较大差异。受体的作用部位一般有高度立体选择 性，受体只能与药物多种构象中的一种结合。只有被受体识别并与受体 结合的构象，才能产生特定的药理作用。
有机药物中多数为弱酸或弱碱性，在体内pH
7.4环境中可 部分解离，其解离度由化合物的解离常数pKa和溶液介质的pH 决定，因此药物的酸碱性是影响药物活性的重要因素。
pKa的计算方法如下：
酸性药物： RCOOH + H2O 碱性药物： RNH2 + H2O
RCOORNH3+ +
+
H3O+ OH-
pKa=pH-log [RCOO ] [RCOOH]
相似之处，因此双酚A也有弱的雌激素作用，能引起女童早熟。
1.45nm
OH
1.45nm
OH H 3C C CH3
OH
HO
HO
HO
雌二醇
反式己烯雌酚
双酚A
药物与受体间相互作用对药效的影响
2．光学异构体对活性的影响
有些药物分子中存在一个或多个手性中心，就有光学异构体存
在,互为光学异构体的药物分子药理活性也有所不同
寻找新药或先导化合物的基本途径
3
通过观察药物的临床副作用或者老药新用及 Me－too结构改造 小剂量的阿司匹林用于治疗和预防脑血栓。
4
从药物代谢产物中寻找
Cl Cl N 酶 N N O 氯雷他定
地西泮→奥沙西泮 羟嗪→西替利嗪 氯雷他定→地氯雷他定
O
CH3
药物化学期末名词解释重点标注版
名词解释1.药物：人类用来预防、诊断、治疗疾病，或是为了调解身体功能，提高生活质量的一类化学品。
2.“药物化学”（Medicinal Chemistry）：连接化学与生命科学使其融合为一体的交叉学科。
发现与发明新药、合成化学药物、阐明药物化学性质、研究药物分子与机体细胞之间相互作用规律的综合性学科3.理化性质是指一个分子所包含的官能团对其酸碱性、水溶性、分配系数、晶体结构和立体化学等的影响。
4.脂水分配系数P是药物在正辛醇中和水中分配达到平衡时浓度之比值，即P＝CO /CW，5.美国FDA于1992年3月公布了一系列外消旋类药物的开发指导准则：开发药物是外消旋体时，必须对两种异构体进行研究并证明它们都无任何有害的毒副作用。
6.我国药品管理法规定：对手性药物必须研究光学纯异构体的药代、药效和毒理学性质，择优进行临床研究。
7.药物构象：由于碳碳单键的旋转或扭曲（键不断开）而引起的原子或基团在空间的不同排列形式称为构象。
8.药效构象：药物与受体作用时所采取的实际构象。
9.构象等效性：药物分子的基本结构不同，但可能会以相同的作用机制引起相同的药理或毒理效应，这是由于它们具有共同的药效构象。
10.药效团：相同药理作用的药物，其化学结构中的相同部分称为药效团，是药物分子与受体结合时产生药效作用时结构在空间的分布11.药动团：药物结构中决定药物的药代动力学性质且参与体内吸收、分布、代谢和排泄过程的基团称为药动团。
12.毒性基团：在病原体(微生物)或抗肿瘤化学治疗药物中，有相当一部分药效团具有毒性，即为毒性基团13.类药性；成为药物所表现出来的理化性质以及结构特征的综合反映。
14.成药性：使药物免受机体对药物分子的物理和化学处置，使有效浓度的药物达到靶组织处。
15.先导化合物：是通过各种途径得到的具有一定生物活性的化合物。
16.生物电子等排体：有相似的性质、相互替代时可产生相似的活性或者拮抗的活性，都称为生物电子等排体。
药物设计的基本原理和方法
所选择参数之间不能有相关性，要有比较大的差异，并且生物活性数据的变化幅度应大于一个对数单位（即大于10倍），否则得不到足够的信息；
2 所设计化合物的物理化学性质差异要大
Hansch方法的一般操作过程
*
Hansch方程除了研究定量构效关系外， 还能用来解释药物作用机理，推测和描述可能的受体模型，研究除活性以外的其他药代动力学定量关系
分子对接法（Docking）
通过生长、旋转等得到基本骨架，按照受体的腔穴，定出靶标边界，这是一级结构的生成。从有关数据库搜索与受体受点结合的原子或原子团，设计新的化合物
*
二、间接药物设计（Indirect Drug Design）
间接药物设计法 受体的三维结构并不清楚
以小分子的构效关系为基础，从一组小分子化合物的结构和生物活性数据出发，研究结构与活性关系的规律
是一种新药设计的研究方法，可以作为先导化合物优化的一种手段。也是计算机辅助药物设计的一个重要内容
A＝f（C）
生物活性
化合物的结构特征
由于学科的限制，并没有成功地将此关系用于药物设计
发展建立了三种定量构效关系的研究方法
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20世纪 60年代 定量构效关系: 并根据信息进一步 结构参数 找出结构与活性间的
分子疏水性参数IogP,即分子的脂水分配系数(partition coefficient)，表示分子的疏水性
化合物在有机相和水相中分配平衡时的量（摩尔）浓度Co和CW之比值,P=CO/CW
P值一般较大，常用IogP表示
当分子中有该取代基时I为1，当分子中没有该取代基时I为0。
logP的测定:
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(完整版)药物化学整理
药物化学整理一、名词解释1、药物化学：是关于药物的发现、发展和确证，并在分子水平上研究药物作用方式的一门学科。
It is concerned with the invention, discovery, design, identification and preparation of biologically active compounds, the study of their metabolism, the interpretation of their mode of action at the molecular level and the construction of structure-activity relationships.2、构效关系（SAR）：研究药物的化学结构和生物活性之间的关系。
SAR ：Study on the relationship between structure and activity of medicine.3、先导化合物：是指具有某种生物活性的化学结构，由于其活性不强，选择性低，吸收性差，或毒性较大等缺点，不能直接药用。
但作为新的结构类型和线索物质，对先导物进行结构变换和修饰，可得到具有优良药理作用的药物．The lead compound is a prototype compound that has the desired biological or pharmacological activity, but may have many other undesirable characteristics, for example, high toxicity, other biological activities, insolubility, or metabolism problems.4、NCE：第一次用作药物的化学实体。
5、组合化学：是指在某一时间合成大量的化合物，并进行生物活性测试，然后对其中最有可能的化合物进行分离、鉴定、以进一步开发。
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Hansch分析方法
Hansch和藤田认识到了两个因素影响药物活性 I. 亲脂性（药代动力学） II.电性（药物与靶标作用的药效学） 发现药物活性与亲脂性之间有抛物线函数关系， 采用线性多重回归分析，推论和扩展出以下方程 ，即Hansch方程：lg1/C=-kπ2+kπ'+ρσ+k'' lg1/C=-k[lgP]2+k[lgP]'+ρσ+k'' C：生物活性测试的药剂浓度（比如IC50，LD50） ，k、k'、k''、ρ是用统计方法曲线拟合得到的回 novo方法
Free和Wilson报道的一种数学方法，用以评价取代基加和 效应，并定量估计它们的大小，是一种在给定的结构框架 内取代基的优化方法。 假设条件：在分子的任何位置引入某特定的取代基，无论 分子中是否存在其它基团，对活性影响是不变的。
BA aiXi
Hansch的贡献
Hansch的贡献
定量构效关系发展历程
用于研究物化性质与生物活性关系相关性的方法
在已经定义和测定了取代基的各种物化参数（描 述符），如何利用这些参数进行先导物的优化呢 ？ I. 合成一些（通常较多化合物）与先导物相关的化 合物， II.测试活性，得到活性数据 III.然后用不同的数学方法处理这些数据，形成两者 之间的关系（数学方程）。
Hansch分析方法
Hansch分析方法 后来认识到对活性作用的其它物化参数，比如立 体参数、形状参数等等，在Hansch 方程中加入了 Es,及其它一些描述形状、大小或拓扑学的参数,将 这些参数用线性多重回归分析，确定因变量（活 性剂量）对线性组合的自变量（描述符）的最小 二乘拟合，得出以下方程： lg1/C= -aπ2+bπ'+ρσ+cEs+dS+e Hansch 分析是用线性自由能方法进行同源物的药 物设计，方程中包含有各种物化参数的不同组合 ，统计学方法确保选出最佳组合，并进行统计学 的显著性差异检查得出关系方程。以此方程进行 未知物活性的预测。是一种超热力学方法。
Free和Wilson方法或de novo方法
BA aiXi
BA是生物活性值，Xi为第i个取代基，当该取代 基存在时，赋值为1，不存在，赋值为0。ai是第i 个取代基对生物活性的贡献，u为母体骨架的平均 活性。这些线性方程用最小二乘求解ai和u。 武田和Ban 等对其进行了修正，其一：生物活性 用A/A0表示，A和A0分别代表取代和没有取代的 化合物的活性强度，ai是第i个取代基对H活性贡 献的lg值。用这种方法推导的取代基常数可与其 他加和性自由能参数进行比较。其二：u成为该系 列的母体化合物的理论预测值。
Free-Willson方程
Free-Willson方法示例
Free-Willson方法示例
Free-Willson方法示例
回归分析和检验
Free-Willson方法示例
Free-Willson方法示例-图形分析
置信区间
Free-Willson方法示例-图形分析
其它早期的定量分析方法 增量因子：早期QSAR研究中，对合成的大量皮 质激素进行回顾性分析，发现引入的卤素、羟基 、烷基等等基团定量地影响活性，每个取代基的 影响赋值，称为增量因子，作为预测用。 TOPLISS法 Craig作图法 聚类分析法 这些早期的分析方法已经被整合进3-D QSAR或 被其所代替。
Hansch分析方法 Hansch方法使用了一些假定条件：忽略受体的构 象变化，没有代谢物和其它物质的干扰，与受体 靶标作用的有关物化参数（线性自由能参数）具 有加和性，活性-参数关系呈理想的抛物线或线性 关系，相关性之间存在因果关系。 优点： 1. 应用描述符可将有机化学模型搜集来的数据用于 预测复杂体系中的生物活性； 2. 活性预测是定量的，并具有统计学的可信度； 3. 方法简单易行，费用低 4. 经分析得到的结论具有一定延展性，可扩展到未 包含的取代基上。
Hansch分析方法
不足： 1. 所归类的化合物必须具有量化的取代基参数 2. 保障生成的方程可信，所归类化合物要足够量多 3. 使用统计学和计算机技术 4. 小分子作用模型必须确切，如有缺陷，所得方程的偏差大 5. 有机化学反应中体现的物化参数的确切性不代表生物体系 里作用的一致性，难以肯定哪些原子或基团参与了药物和 靶标的作用 6. 有机化学里确定的参数是在酸性或碱性条件下测定的，全 质子化的，生物体系里，药物分子是部分质子化的。 7. 外推过程中，由于以上原因的存在，常常给出错误预测， 与其它经验性关系相同。 8. 是一种优化先导物的方法，不能用于发现先导物。
药物化学原理
分子结构的多样性 分子结构的相似性 先导物发现：药物筛选 先导物优化：构效关系研究 分子结构的互补性 分子结构的宏观和微观特性
构效关系--定量构效关系QSAR
定量构效关系
1868年Crum-Brown曾预言，可用数学方法来表 达结构和活性的关系，现在从Hansch研究特定取 代基的变化对活性的定量影响，开拓了定量构效 关系的研究领域。 1893年Richet首先报道了物化参数与药理效应具 有相关性，他观察到一组化合物的麻醉作用与其 水溶解度呈反比关系。 Overton和Meyer观察到非离解性化合物的麻醉作 用于化合物在油水中的分配呈相关性。 Ferguson认为简单的热力学原理适用于药物的活 性，是药物在外相或细胞外液中的相对饱和度决 定麻醉作用的参数。
定量构效关系 Hansch1951年观察到苯氧乙酸类衍生物对植物生 长活性与其邻位的电子密度呈相关性，电子密度 低，生物活性高。开始他们试图用Hammett的σ 常数定量这种相关性，但没成功。 Hansch 改变观念，认为药物的作用分成两个过程 ：第一步，从给药处到达机体的作用部位（药代 动力学），第二步，是药物与特定位点的相互作 用（药效学，受体假说）。 Hansch 提出了以正辛醇-水系统的膜亲脂性假说 和度量尺度，成为Hammett的σ常数外的一个可 测量物化参数，接着又提出了立体参数。
3D-QSAR 基于计算机的药物与受体结合的QSAR分析法 用以研究一些多样性的分子结构与特定靶标的生 理功能之间的相互关系。 方法：选择一组具有特定活性的分子，按照某些 预定的取向规则将这些分子叠合，在包括这组分 子的受体空间中，计算每个分子在空间上所依据 的参数，推导出每个分子的空间参数与各自的生 物活性的相关性，建立自洽性和有预测性的函数 。已经开发了很多种计算机方法。