第二章基于细胞信号转导途径的药物设计
细胞信号转导(药学)
动物模型与临床研究
动物模型建立
通过基因敲除、转基因等技术 建立特定疾病的动物模型，用 于研究细胞信号转导与疾病的 关系及药物作用机制。
临床样本分析
收集患者样本，通过生物化学 、分子生物学等方法检测信号 分子的含量和活性，以评估疾 病的严重程度和治疗效果。
临床试验
在严格控制的条件下，对患者 进行药物治疗，并观察其疗效 和安全性，以验证细胞信号转 导相关药物的有效性和安全性 。
细胞信号转导(药学)
目
CONTENCT
录
• 细胞信号转导概述 • 药学中的细胞信号转导 • 细胞信号转导与疾病治疗 • 细胞信号转导研究方法与技术 • 细胞信号转导在药物研发中的应用 • 未来展望与挑战
01
细胞信号转导概述
定义与基本原理
细胞信号转导是指细胞外或细胞内信号分子通过与细胞表面或细 胞内的受体结合，引发一系列生物化学反应，最终调节细胞生理 功能的过程。
02 用于检测基因表达水平的变化。
基因编辑技术
03
如CRISPR/Cas9等，用于研究特定基因在细胞信号转
导中的功能。
细胞生物学方法
细胞培养与转染
用于研究细胞信号转导的分子机制和药物作 用。
荧光共振能量转移（FRET） 技术
用于实时监测细胞内信号分子的相互作用和动态变 化。
激光共聚焦显微镜技术
用于观察细胞内信号分子的定位和动态变化 。
药物可以调节信号分子的合成、 释放、转运或降解等过程。
100%
信号转导途径的阻断
药物可以阻断信号转导途径中的 某个环节，从而抑制细胞的增殖 、迁移或侵袭等过程。
80%
信号网络的调控
药物可以影响信号网络中的多个 途径，产生复杂的生物学效应。
细胞信号转导与药物研发
细胞信号转导与药物研发细胞信号转导是指在细胞内外部信号刺激下，启动或抑制一系列生化反应，从而调控细胞的生理和生化功能的过程。
细胞信号转导的研究为药物研发提供了有力的支持。
本文就细胞信号转导与药物研发的关系进行了探讨。
一、细胞信号转导的基本机制细胞信号转导的基本机制包括信号传输、信号放大和信号转录三个过程。
细胞表面的受体通过与配体结合，启动一系列酶促反应，产生次级信号分子。
这些次级信号分子再引起下游效应分子的磷酸化、蛋白酶切割等一系列变化，最终影响细胞功能。
二、细胞信号转导与药物研发的关系疾病是由于身体的某一部分发生异常而导致的。
生物分子通过信号传递向外界传递细胞状态和行为的信息，该信号可以是电信号和化学信号。
细胞信号转导的异常可能导致疾病的发生和发展。
例如：肝癌、乳腺癌、胰腺癌、神经退行性疾病和心血管疾病等，都与细胞信号转导的异常有关。
研究细胞信号转导不仅可以揭示疾病的发生机制，还可为药物研发提供启示。
三、细胞信号转导在药物研发中的应用1. 靶点的寻找细胞信号转导与疾病的关系越来越受到关注。
深入了解细胞信号转导的原理与机制，可揭示疾病发生、发展过程中的分子事件，比如重要的蛋白激酶、酶促反应等；研究细胞信号转导的蛋白质人类基因组（Human proteome project, HPP)匹配可以寻找到新式药物的理论靶点。
2. 药物的发现很多药物的有效性与靶点的选择也是基于细胞信号转导的机制。
比如克唑替布可以抑制b型淀粉样蛋白前体 mRNA 转录因子2（pre-mRNA），从而增加淀粉样蛋白的清除；替尼帕尔等蛋白酪氨酸激酶抑制剂可以在信号转导途径中发挥作用。
3. 药物疗效监测利用分子生物学技术监测药物在信号转导通路中的疗效是药物研发的重要环节。
通过监测药物对信号转导中关键蛋白质的表达、磷酸化等变化，可以了解药物在细胞层面的作用。
4. 个性化药物的研发个性化药物是针对患者基因特征和药物代谢特征开发的高度定制化药物。
细胞信号转导与药物设计
细胞信号转导与药物设计细胞信号转导是影响细胞生物学行为的一组过程，从外部信号传导到细胞内部组件的细胞膜，细胞浆和细胞核。
这种信号转导作为一个高度调控的过程，被用来研究疾病发展机制和药物发现。
本文将介绍细胞信号转导的原理和药物设计与细胞信号转导的关系。
细胞信号转导的原理细胞信号转导是一系列的信号传送，并涉及多种信号分子。
这些信号传送经常涉及到蛋白质激酶，磷酸酶和细胞内信号分子。
这些分子之间的互作和调节分别引导细胞的功能。
一个信号的源头通常是一个受体，其承受化学物质，光，温度信号。
这些信号最开始打开信号传送的第一个开关，把信号传送到细胞中。
在细胞内，信息将传到细胞质和核内。
磷酸化是信号传递的一个重要步骤，它通过添加磷酸基团改变一种分子的活性和形状。
酶一般被触发作为一种信号传导分子，其催化剂同化学反应一样，很好地运作。
细胞信号传递中还包括第二信使，例如，细胞内钙离子浓度的调节，可以通过化学键的裂解而被触发。
其他第二信使，例如cAMP，cGMP，IP3，和鸟苷酸可以通过特殊的反应在细胞内生成。
药物设计与细胞信号转导药物的作用一般是通过特定的靶点来实现，以恢复正常的生物学效应或抑制不正常的生物学效应。
这些靶点可以是蛋白质，核酸，酶或其他生物分子。
许多与药物治疗相关的疾病涉及细胞信号传输的微妙过程。
因此，药物设计的一个关键目标是在探索分子靶点与细胞信号转导的耦合方式方面取得进展。
这需要我们更好地理解细胞信号转导途径，并开发出新的治疗方法。
发展早期的药物研究主要基于小分子化合物，如头孢菌素是一种抗生素，使用它可以抑制细胞壁的生物合成。
现在，研究人员已经发展了许多具有结构复杂性的生物分子类药物，例如蛋白质和核酸药物。
这些药物旨在精确定位到特定的细胞信号传导途径和靶点。
最近开发出无抗生素革兰氏阴性菌药物，比如有效抗菌剂Teixobactin和lpxC抑制剂ATI-1701，这些药物的研究集中在治疗多药耐受细菌感染，但是抵抗幅度可能会减少。
细胞信号转导与药物设计
细胞信号转导与药物设计细胞信号转导是细胞内信息传递的过程。
它涉及从细胞表面开始的一系列化学反应，最终导致细胞内发生一些特定的生物学行为。
这包括说话、移动和分裂等基本的细胞功能。
细胞信号转导的过程可以概括为三个步骤：信号传递、信号转导和细胞反应。
信号通常来自于体内或体外的刺激物质，如生长因子、激素和细胞外基质成分等，它们能够与受体结合并诱导受体激活。
随后，信号会逐步传递至下一个信号分子，引起整个信号传导通路的激活。
最终，在细胞内产生一定的反应。
药物设计是为了治疗疾病、缓解症状或疾病预防等目的而设计的药物的过程。
这个过程通常包括识别和分离靶点、优化化合物，直至最终的药物开发。
知识发现、计算化学和神经网络学是药物设计的重要工具。
细胞信号转导的关键是信号通路的激活。
因此，细胞信号转导途径是药物设计过程中的重要靶点。
生物学研究表明，某些疾病与细胞信号通路激活异常或受阻有关。
例如，癌症和自身免疫性疾病的发生与细胞的异常信号传递和基因表达有关。
如何设计药物以达到期望的效果，一直是药物研究和开发人员努力的方向。
药物设计的关键是在与指定靶点相互作用的过程中减少不良副作用，提高治疗效果，同时增强代谢、吸收和分布，以及药物的稳定性和半衰期等制剂特性。
蛋白质激酶是信号通路的重要组成部分，多种疾病，如癌症和炎症，都涉及蛋白质激酶。
因此，药物设计中的蛋白质激酶抑制剂是一个热点领域。
已经开发出多种蛋白质激酶抑制剂，如克罗线阿曲库铵和依托利汀等，已经成为肺癌、乳腺癌、结肠癌等多种恶性肿瘤的治疗药物。
然而，蛋白质激酶抑制剂也存在一些负面因素。
首先，抑制剂的特异性很重要。
如果没有特异性，即会抑制其他非靶标蛋白质，可能会引起不良反应。
其次，蛋白质激酶抑制剂不会改变细胞和组织系统的结构和功能。
因此，只有在使用合适的剂量和方法的情况下使用，才能发挥药物的最佳预期效果。
总之，细胞信号传导途径在药物设计中是非常重要的。
药物设计的主要目的是通过干预细胞中的信号传导途径来治疗疾病。
细胞信号转导途径及其在药物研发中的应用
细胞信号转导途径及其在药物研发中的应用我们知道，人类身体内的每个细胞都有其工作和功能。
当细胞所处的环境发生变化时，细胞需要接收并传递相应的信号以完成一系列反应和调节。
这一过程称为细胞信号转导。
在这个过程中，细胞表面上的受体会抓住特定的信号，然后通过一系列分子信使，将信息传递到细胞内部的特定信号转导途径。
识别和利用这些信号转导通路对于药物研发非常重要。
常见的细胞信号转导途径有多种，包括膜结合型酪氨酸激酶，酪氨酸/苏氨酸/谷氨酸激酶，甘露醇磷酸途径，脂质信号途径和核糖核酸信号途径等。
这些信号转导途径可以分为两类：离子信号转导和非离子信号转导。
离子信号转导通过离子通道进行，典型的代表为钙离子信号转导途径。
非离子信号转导则通过化学反应来实现，比如蛋白质磷酸化和降解等。
蛋白质磷酸化是一个非常重要的细胞信号转导途径。
它的作用是将磷酸基添加到特定的蛋白质上。
这个过程始于一个激酶酶，它会抓住分子信使，并将信息传递下去。
这导致了一系列酶反应，最终使得磷酸基添加到特定的蛋白质上。
这些磷酸化的蛋白质可以传递信息、调控基因表达和控制细胞生长和分化等过程。
由于蛋白质磷酸化在细胞信号转导中扮演着至关重要的角色，因此，药物研发者一直在寻找能够抑制或增强该途径的药物。
另一个值得研究的细胞信号途径是甘露醇磷酸途径。
该途径参与了许多细胞和生物过程，包括细胞生长、代谢和分化等。
当有足够的营养可用时，甘露醇磷酸途径可以作为能量的来源。
而在缺乏营养的情况下，该途径则会停止运作。
一些药物制剂可以通过调节这一途径来治疗糖尿病、癌症和代谢性疾病等疾病。
除此之外，脂质信号转导途径是另一个研究重点。
这个途径利用脂肪酸、甘油和胆固醇等脂类来调节细胞的代谢和功能。
一些药物研发者正在研究如何通过调节脂质信号转导途径来治疗肥胖症和高胆固醇症。
总之，细胞信号转导途径在药物研发领域中的研究非常重要。
了解这些途径和信号如何在细胞内传递，有助于设计更好的药物。
同时，这也使科学家们更好地了解身体的复杂机构，促进了治疗疾病和创新医学技术的进步。
细胞信号转导研究与药物开发
细胞信号转导研究与药物开发细胞信号转导研究是现代医学领域中的一个重要分支，其研究范围覆盖了生命科学、疾病诊疗、药物研发等多个方面。
信号转导的核心是分子生物学，即研究分子水平的生命现象、分子机制及信号传递途径，探寻细胞内各过程及其相互作用关系。
现阶段，信号转导研究已蓬勃发展，成为现代医学领域中的热点之一。
一、细胞信号转导基本概念细胞芯片学中，信号转导是指各种生物大分子和化学物质之间的交互作用过程，它负责细胞内信息的传递和识别。
细胞内信号转导通常包含的过程有结合受体、信号先驱物质的激活、酶级联反应的启动、二次信号传递、中介蛋白的作用等。
通常来讲，信号传导可被分为三 distinct 区域：接受信号、信号转导和相应。
信号接收是一种形式的结合——甚至只是简单的吸引。
通过激活一个受体来引起信号转导；这个受体通常与介导进入细胞。
信号转导涉及许多酶反应和蛋白质的修饰过程（磷酸化/去磷酸化和其他的化学修饰）和许多蛋白质间的关系（酶-底物，激活-抑制和其他的交互关系）。
相应就是最终的响应，就是细胞接收信号之后的立即反应。
早在上世纪 80 年代末，科学家就已经发现了一种新型基因E1A结合的蛋白emshow阅读器="" emersion-id="3a3ea00cfc35332cedf6e5e9a32e94da">(Elk-1)，这种蛋白能与人类短期增殖基因(Elk-1)结合，组成复合物，并激活Elk-1的转录活性。
还有一些激活Elk-1转录的共同因素，如成纤维细胞生长因子(FGF)、亲脂肽和肿瘤坏死因子(TNF)。
由于这些因素可以引起的一些细胞生物学响应，如细胞增殖、分化或凋亡，人们很快就认识到E1A可能参与了许多不同的信号转导途径。
二、细胞信号转导在药物开发中的应用细胞信号通路是许多疾病发生和发展的根源，因此，研究细胞信号转导的变化及其分子机制，对深入理解疾病过程和开发治疗方法至关重要。
细胞信号转导途径在药物研发中的应用
细胞信号转导途径在药物研发中的应用细胞信号转导途径（cellular signaling pathways）是指细胞内外的化学物质和信息通过特定的通路进行传递和处理，最终导致生物机体的生理和病理效应。
细胞信号转导途径的研究已经成为现代生命科学的热点领域，同时也为药物研发提供了重要的基础。
本文将从细胞信号转导途径的分类、药物研发的基本流程和案例分析三个方面探讨细胞信号转导途径在药物研发中的应用。
一、细胞信号转导途径的分类细胞信号转导途径分为五类：离子信号传递、嵌合蛋白质信号传递、酶促反应信号传递、G蛋白偶联受体信号传递和核转录因子信号传递。
其中，离子信号传递是指离子通道介导的简单的电化学信号传递，包括钠离子、钾离子、氯离子和钙离子等；嵌合蛋白质信号传递是指通过多种蛋白质进行交互和传递信息，包括激酶、抗体、G蛋白等；酶促反应信号传递是指一种酶酶促的信号转导机制，包括MAPK、PKC等；G蛋白偶联受体是指受体蛋白和G蛋白之间的相互作用，包括β肾上腺素能受体、多巴胺受体等；核转录因子信号传递是指信号途径终点是核内的转录因子，在基因转录和表达中发挥重要作用，包括Wnt、Notch等。
二、药物研发的基本流程药物研发的基本流程主要包括药物发现、药物设计、药物筛选、药理学评价和临床应用。
药物发现是指从自然界中或合成化合物中挑选出对某种疾病有治疗作用的分子；药物设计是依据疾病发病机制和药物机理设计出对靶点有选择性的药物分子；药物筛选是通过高通量筛选技术对大量的化合物进行快速筛选，确定有效的化合物；药理学评价是确定药物的安全性和药效性，了解药物在体内的药代动力学和药效学特性；临床应用是将经过确证的药物用于临床治疗的应用过程。
三、案例分析珂拉西汀（Celecoxib）是一种通过抑制环氧酶2（COX-2）来治疗炎症和疼痛的非甾体抗炎药。
研究表明，COX-2与前列腺癌的发生和发展密切相关。
儿茶酚胺类抗癌药物比如西立替康（Zelboraf）和卡铂（Carboplatin）通过抑制MAPK信号通路的突变体（BRAFV600E）来治疗恶性黑色素瘤和非小细胞肺癌。
第二章基于细胞信号转导途径的药物设计
• 进入胞质的Ca2+除对上述酶促代
谢和细胞各种功能活动均有触发
作用外，还能激活胞膜上及胞质 内存在的磷酸二酯酶，使cAMP
开环分解成5-AMP失活，而Ca2+
也随即被膜上存在的Ca2+泵排出 胞质，完成一次信息传递的生理
活动。
• cGMP介导的内源性调节物质以乙酰胆碱为代表，包括 胰岛素、前列腺素F20、2-甲基组胺、5-羟色胺以及缩 宫素等。cGMP在细胞内侧除产生与cAMP相拮抗的作 用外，还促进磷酸二酯酶对cAMP的破坏灭活，因而导 致与上述第一类内源性调节物相反的生理功能活动。 • 胞内信使cAMP和cGMP是一对非常重要的生理调节物 质，在存在上相互消长，在功能上相互拮抗，共同平 衡调节机体细胞内各种功能活动的增高或降低。
收缩、细胞增殖和分化等。
甾 类 雌二醇 黄体（孕）酮 睾酮 皮质醇 皮质酮 醛固酮 卵巢 卵巢黄体 睾丸 肾上腺皮质 肾上腺皮质 肾上腺皮质 胆固醇衍生物 由17个碳原子组成 促雌性器官发育成熟 增加子宫血液，减少子宫收缩 促雄性器官发育成熟 影响蛋白质、糖、脂代谢，增加免疫能力 影响蛋白质、糖、脂代谢 调节水分与离子平衡
主要细胞间信号分子的分类
• • • • • • • • • • • • • • •
类别 2. 神经递质 胆碱类 氨基酸 单胺类 肽类 3. 局部化学介导因子
名称
分泌部位
组成
主要作用
乙酞胆碱 γ- 氨基丁酸（GABA） 去甲肾上腺索 5-羟色胺 神经肽（脑啡肽）
神经终端 神经终端 神经终端
儿茶酚胺（伯） 5肽
• 细胞效应的发挥也是由以蛋白质为主体的机构来执行
的。信息传递过程中的小分子物质的活性也依赖于蛋
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（二）信息的特征
1. 级联反应（cascade） • 信息的多级水平传递，也称“瀑式反应”。根据先后
次序，分为上游和下游。
2. 网络结构（network） • 信息传递（或信号转导）的多种途径和它们之间的相
互作用。多种多样的信号转导途径，它们之间有一些 共同的作用环节，这样就构成网络结构。网络结构存 在于细胞内或细胞间的微环境中，也存在于功能系统 及整体环境中。
主要作用
升高血压，增加心率，糖原分解
增加代谢（广谱） 刺激腺垂体分泌促甲状腺素 刺激腺垂体分泌促性腺素 抑制腺垂体分泌生长激素 增加血压 刺激腺垂体分泌促肾上腺素 刺激肝脏生成生长调节素，促进肌肉和骨骼生长 糖的利用，刺激蛋白质、脂肪合成 调节钙、镁和磷酸根离子 刺激上皮等细胞分裂
刺激雌二醇分泌 刺激卵母细胞成熟及分泌黄体酮
乙酞胆碱 γ- 氨基丁酸（GABA） 去甲肾上腺索 5-羟色胺 神经肽（脑啡肽）
嗜伊红趋化因子 组胺 神经生长因子
前列腺素E2
一氧化氮
分泌部位
组成
神经终端 神经终端 神经终端
儿茶酚胺（伯）
5肽
肥大细胞
4肽
肥大细胞
氨基酸衍生物
交感神经支配的组织 双链各118个氨基酸
多种类型的细胞
脂肪酸衍生物
血管内皮细胞
第二章基于细胞信号转导途径 的药物设计
第二章基于细胞信号转导途径 的药物设计
【学习要求】
1. 掌握基于细胞转导途径的药物设计原理。 2. 熟悉细胞信号转导的基本途径。 3. 了解基于细胞转导途径的药物设计在新药研究中的
应用实例。
第一节 细胞的信号转导
一、信号与信号转导的物质基础
（一信息和信号
• 细胞效应的发挥也是由以蛋白质为主体的机构来执行 的。信息传递过程中的小分子物质的活性也依赖于蛋 白质，如小分子物质（神经递质、炎症介质、第二信 使等物质）的合成酶是蛋白质，其信号由作为受体或 离子通道等的蛋白质接收。
• 因此，可以认为体内信号转导的主体是蛋白质，小分 子物质只起中介和辅助作用，使蛋白质的功能更快捷、 更灵敏。
NO
主要作用
神经肌接头处兴奋 中枢神经抑制性递质 中枢及周围神经兴奋和抑制 以抑制性效应为主 抑制疼痛
二、化学信号分子
• 凡是由细胞分泌的，能够调节特定靶细胞生理活动的 化学物质都称为细胞间信息物质，也称为第一信使。
• 细胞间信号分子的分类：按照化学本质分为类固醇衍 生物、氨基酸衍生物、多肽及蛋白质、脂类衍生物以 及气体分子；根据细胞分泌和传递信息物质方式的不 同，细胞间信息物质也可分为内分泌激素、神经递质、 局部化学介导因子以及最近发现的气体信号分子4类。
（三）基因与信息
• 基因指DNA分子中能编码的一条多核苷酸链，是具有 一定长度的片段。
• 基因对生物信息有两个方面的意义： 一方面，基因是贮存遗传信息的载体，是决定物种 和个体差异的物质基础，在个体的发生、发育过程 中指导机体各种组成成分的生物合成； 另一方面，在环境信号的刺激下促进或抑制基因的 表达，对信号分子、信号接收系统、信号转导系统 的组成成分进行调控，保证生物信息的正常运行。
主要细胞间信号分子的分类
•
类别
名称
分泌部位
•
1. 内分泌激素
•
含
•
氮
•
类
氨基酸衍生物
肾上腺素
肾上腺髓质
•
去甲肾上腺素
肾上腺髓质
•
甲状腺素（T4）
甲状腺
•
小肽类
促甲状腺素释放因子（TRH）
下丘脑
•
促性腺素释放因子（GnRH）
下丘脑
•
生长激素释放抑制素(SRIH)
下丘脑
•
加压素（ADH）
下丘脑
•
蛋白质类
促肾上腺皮质激素释放因子(CRH) 下丘脑
•
生长素（GH）
脑腺垂体
•
胰岛素
胰岛B细胞
•
甲状旁腺激素（P TH）
甲状旁腺
•
表皮生长因子
小鼠鄂下腺
•
糖蛋白
促卵泡激素（F SH）
脑腺垂体
•
促黄体激素（LH）
脑腺垂体
•
促甲状腺激素（T SH）
脑腺垂体
•
甾
•
类
•
•
•
•
•
•
雌二醇 黄体（孕）酮 睾酮 皮质醇 皮质酮 醛固酮
• 因此，基因既是信息的来源，又是信息传递过程中的 一个环节。
• 基因组（genome）就是一个物种所有基因的组成。 对人类基因组的研究有助于了解生命的起源，掌握生 老病死的规律、疾病的诊断和治疗。
1990. 10. 01. ：HGP launched 2003. 04. 14：The Genome Has Been Sequenced
刺激甲状腺分泌
促雌性器官发育成熟 增加子宫血液，减少子宫收缩 促雄性器官发育成熟 影响蛋白质、糖、脂代谢，增加免疫能力 影响蛋白质、糖、脂代谢 调节水分与离子平衡
主要细胞间信号分子的分类
•
类别
•
•
2. 神经递质
•
胆碱类
•
氨基酸
•
单胺类
•
•
肽类
•
3. 局部化学介导因子
•
•
•
•
•
4. 气体信号分子
•
名称
3. 多样性（diversity） • 是由信号分子的多样性、接受分子的多样性及传导方
式的多样性决定的。各种信号分子、细胞、组织、生 物种属之间存在的特异性，形成了同一信号有多种多 样的表现形式。
4. 可逆性（reversibility） • 体内存在信号终止系统，使信号传递完成后，能够恢
复到原来的状态。这是生物体保持自身稳定状态的必 要条件。
（四）蛋白质与信息
• 蛋白质是生命的物质基础，是构成细胞的基本有机物， 是生命活动的主要承担者。
• 蛋白质分子既可作为信号分子，如细胞因子、生长因子、 某些激素等；又是信号接收系统的主要成分，如各种受 体、离子通道等。
• 蛋白质还是细胞内信号转导系统的主要成分，如G蛋白、 蛋白激酶、转录调节因子等。
• 信息（ information）：是指将体内固有的遗传因素 和环境变化因素传递到功能调整系统的消息或指令。
• 信号（signal）：是指传递信息的载体，有许多小分 子和大分子化学物质，也有物理因素（生物电、温 度等）。
• 信号转导（signal transduction）：是指经过不同的 信号分子转换，将信息传递到下游或效应部位。
卵巢 卵巢黄体 睾丸 肾上腺皮质 肾上腺皮质 肾上腺皮质
组成
儿茶酚胺（仲） 儿茶酚胺（伯） 含碘酩氨酸衍生物 3肽 10肽 14肽 14肽 41个氨基酸 191个氨基酸 双链，51个氨基酸 84个氨基酸 53个氨基酸 双链，210个氨基酸 双链，207个氨基酸 双链，204个氨基酸
胆固醇衍生物 由17个碳原子组成