药物化学结构和药效

根据药物化学结构对生物活性的影响程度，或根据作用方式，宏观上将药物分为非特异性结构药物和特异性结构药物。前者的药理作用与化学结构类型关系较少，主要受理化性质影响。大多数药物属于后一类型，其活性与化学结构相互关联，并与物定受体的相互作用有关。决定药效的主要因素有二：

（1）药物必须以一定的浓度到达作用部位，才能产生应有的药效。

（2）药物和受体相互作用，形成复合物，产生生物化学和生物物理的变化。依赖于药物的特定化学结构，但也受代谢和转运的影响。

第一节药物的基本结构和结构改造

作用相似的药物结构也多相似。在构效关系研究中，对具有相同药理作用的药物，剖析其化学结构中的相同部分，称为基本结构。基本结构可变部分的多少和可变性的大小各不相同，有其结构的专属性。基本结构的确定却有助于结构改造和新药设计。

第二节理化性质对药效的影响

理化性质影响非特异性结构药物的活性，起主导作用。特异性结构药物的活性取决于其与受体结合能力，也取决于其能否到达作用部位的性质。药物到达作用部位必须通过生物膜转运，其通过能力有赖于药物的理化性质及其分子结构。对药物的药理作用影响较大的性质，既有物理的，又有化学的。

一、溶解度、分配系数对药效的影响

药物转运扩散至血液或体液，需有一定的水溶性（又称亲水性或疏脂性）。通过脂质的生物膜转运，需有一定的脂溶性（又称亲脂性或疏水性）。

脂溶性和水溶性的相对大小一般以脂水分配系数表示。即化合物在非水相中的平衡浓度Co和水相中的中性形式平衡浓度Cw之比值：P=Co/Cw

因P值效大，常用lgP。非水相目前广泛采用溶剂性能近似生物膜、不吸收紫外光、可形成氢键及化学性质稳定的正辛醇。

分子结构的改变将对脂水分配系数发生显著影响。卤原子增大4～20倍，—CH2—增大2～4倍。以O代-CH2-，下降为1/5～1/20。羟基下降为1/5～1/150。脂氨基下降为1/2～1/100。

引入下列基团至脂烃化合物（R），其lgP的递降顺序大致为：

C6H5 > CH3 > Cl > R > -COOCH3 > -N(CH3)2 > OCH3 > COCH3 > NO2 > OH > NH2 > COOH > CONH2

引入下列基团至芳烃化合物（Ar），其lgP的递降顺序大致为：

C6H5 > C4H9 >> I > Cl > Ar > OCH3> NO2 ≥ COOH > COCH3> CHO > OH > NHCO CH3> NH2 > CONH2 > SO2NH2

作用于中枢神经系统的药物，需通过血脑屏障，需较大的脂水分配系数。全身麻醉药和镇静催眠药的活性与lgP值有关。但脂水分配系数也有一定限度，即化合物也需有一定的水溶度，才能显示最好效用。

二、解离度对药效的影响

多数药物为弱酸或弱碱，在体液中部分解离，离子型和非离子型（分子型）同时存在。药物常以分子型通过生物膜，在膜内的水介质中解离成离子型，再起作用。因此药物需有适宜的解离度。离子型不易通过细胞膜，其原因是（1）水是极化分子，与离子间产生静电引力，进行水合，离子的水合作用使体积增大，并更易溶于水，难以通过脂质的细胞膜，（2）细胞膜是由带电荷的大分子层所组成（如蛋白质的组成部分氨基酸可解离为羧基负离子和铵基正离子），能排斥或吸附离子，将阻碍离子的运行。

弱酸或弱碱类药物在体液中解离后，离子与未解离分子的比率由解离指数pKa

和介质的pH决定。

酸类：pKa=pH + lg[RCOOH]/[RCOO-]

碱类：pKa=pH + lg[RN+H3]/[RNH2]

弱酸性药物在酸性的胃液中几乎不解离，呈分子型，易在胃中吸收。弱碱性药物则相反。

第三节电子密度分布和官能团对药效的影响

酶的蛋白质立体结构的电子密度分布是不均匀的，药物分子的电子如相反地适合酶蛋白分子的电荷分布，则有利于相互结合，形成复合物。药物多在体液内解离成离子而起作用。由于药物离受体尚有一定距离时首先依靠电荷间的相互吸引而靠近，再经氢键、范德华力等相互结合。

机体蛋白质的等电点多在7以下，在生理情况下，多以阴离子的型式存在，与外界阳离子的引力强，与阴离子的作用较弱，因而具有强烈药理作用的药物大多是碱性物质或其盐类。微生物碱即显示强的药理作用或毒性；而苯甲酸等虽剂量较大，毒性也较低。

多数药物分子中，常有一个原子和多个电负性原子或基团相连，使其电子密度降低较多，带有较强部分正电荷，在分子中形成一个正电中心。能与受体的负电区域相互吸引，形成牢固的复合物，而产生药理效应。

在药物的构效关系研究中，从整体分子结构分析，可以认定显效结构、潜效结构、代谢易变部分和载体部分等等。一些特定基团的转换使整体分子结构发生变异，可影响与受体或酶的结合，于是发生激动剂变为拮抗剂，代谢物变为抗代谢物等。基团的改变又可改变理化性质，影响转运代谢，使生物活性也有改变。

一、烃基引入:引入烃基可增大脂溶性还因位阻增加稳定性。

二、卤素的作用

卤素的引入多增大脂溶性。但氟原子有些例外，引入芳香族化合物中，增大脂溶性；引入脂肪族化合物中，却降低脂溶性。

三、羟基和巯基的影响

引入羟基可增强与受体的结合力；或可形成氢键，使水溶性增加，生物活性也随之改变。取代在脂肪链上羟基，常使活性和毒性下降；取代在芳环上时，有利于和受体的碱性基团结合，则使活性和毒性均增高。当羟基酰化成酯或烃化成醚，其α活性多降低。巯基形成氢键的能力较羟基低，引入巯基时，对水溶性的影响小，脂溶性较相应的醇高，比醇易于吸收。巯基易被氧化形成二硫键，二硫键也易被还原成巯基。巯基化合物又易与双键，主要与，α,β-不饱和酮加成。也易与金属离子生成硫醇盐，并可与一些酶的吡啶环生成复合物，因此对代谢的影响显著。

四、醚基和硫基的影响

醚中氧的孤电子对能吸引质子，有亲水性，烃基则有亲脂性，故醚类化合物能定向排列于脂水两相之间，易于通过生物膜。

氧和亚甲基为电子等排体，互相替换对生物活性影响不大。但氧的负电性如影响了分子近旁的正电性，则会对活性有一定影响。

硫醚易被氧化成亚砜和砜。砜为对称结构，使分子极性减小，脂溶性增大。亚砜则为较稳定的棱锥形结构，形成新的手性中心，可拆分对映异构体，硫氧键又使极性增大，一般使水溶性增大。

五、磺酸、羧酸和酯的影响

磺酸的水溶性和电离度很大，仅有磺酸基的化合物无生物活性。为了增加水溶性，有时引入磺酸基。

羧酸的水溶性和解离度较磺酸低。羧基成盐可增加水溶性，生物活性一般下降。但解离度小的羧基与受体的一定碱性基团结合，能增强生物活性。

一些氨基酸可主动转运通过生物膜，可利用氨基酸为载体，将一些活性结构部分和氨基酸拼合，形成转运规律近似于氨基酸的药物，以更好地发挥作用。

羧酸成酯，不能解离，脂溶性增大，易被吸收。酸基是电负性基团，易与受体的正电部分结合，其生物活性也较强。

六、酰胺的影响

肽为酰胺结构，酰胺能与生物大分子形成氢键，易与受体结合，常显示结构特异性。β-内酰胺类抗生素和多肽类的胰岛素、加压素等显示独特的生物活性。

酰胺和酯存在共轭，其立体形状均近似于平面结构，并为电负性基团，彼此是电子等排体。以酰胺代替酯，生物活性一般无大改变。

七、胺类的影响

胺具碱性，易与核酸或蛋白质的酸性基团发生作用。在生理环境下胺还易于形成铵离子，可与受体的负电部位静电相互作用。氮原子又参与氢键形成，易与多种受体部位结合。因此胺类可显示多种生物活性。一般伯胺的活性较高，仲胺次之叔胺最低。季铵易电离成稳定的铵离子，作用较强。但水溶性大，不易通过生物膜和血脑屏障，以致口服吸收不良，也无中枢作用。

第四节键合特性对药效的影响

药物对机体的作用可认为是药物和受体分子之间的物理相互作用（缔合）和化学反应（成键）所引起。一般要通过范德华力、氢键、疏水结合、电荷转移复合物、静电相互作用（离子偶极之间、偶极偶极之间和离子键）和共价键等形式。范德华力是在分子充分接近时产生，一个苯环与受体平面区结合可产生相当于一个氢键的力。

一、氢键形成对药效的影响

具有孤对电子的O、N、S、F、Cl等原子可和与C、N、O、F等共价结合的H形成氢键，键能约为共价键的十分之一，其键能由静电引力、诱导极化引力和离域能（电子云均化）三部分组成。具有孤对电子的原子和氢原子之间的距离小于范德华半径之和，易于形成氢键。

与溶剂分子形成氢键，可增加溶解度。若分子内或分子间形成氢键，则在极性溶剂中的溶解度减小，而在非极性溶剂中的溶解度增加。

二、电荷转移复合物的形成对药效的影响

电荷转移复合物(charge transfer complex,CTC)或称电荷迁移络合物，是一种分子键化合物。CTC的形成在药物配伍中可助溶，增加水溶性，也可增加稳定性。电荷转移复合物的吸收光谱和原化合物不同，称为电荷转移光谱。形成CTC可使紫外最大吸收波长偏移。

三、金属螯合作用对药效的影响

金属离子络合物由金属离子（有不完全价电子层）和配位体（供电子的分子或离子）形成。含二个以上配基（供电基）的配位体，通称螯合剂(chelating agents)。有些能和不溶性离子络合而提高水溶度的水溶性螯合剂，称为多价螯合剂(Sequestering agents)。螯合物(chelate)是由两个或两个以上配位体和一个金属离子，通过价键（离子键、共价键和配价键）相连接而组成的环状化合物。配

位体的配基一般含有O、N或S原子。金属离子形成螯合物后的稳定性顺序为：Fe3+,Hg2+ > Cu2+,Al3+ > Ni2+,Pb2+ > Co2+,Zn2+ > Fe2+,Cd2+ > Mn2+,Mg2+ > Ca2+。

螯合时通常形成4、5、6元环，只有含S的4元环稳定，含O和N的环多为5

或6元环，而以5元环较稳定。

金属离子和配位体之间有一定的亲和力和选择性。可用硬软酸碱（HSAB）原理来解释和估计螯合物的稳定性。供电子的配基为碱，受电子的金属离子为酸。酸碱结合强度按其强度因素(Intrinsic strength)SA、SB和软硬度(Softness)σA、σB而定，以下式表示：

lgK=SASB +σ>AσB

软硬度指电子流动性（或极化性），高者称为软酸或软碱，低者称为硬酸或硬碱。电子流动性相仿的酸碱结合成键，电子分布均匀而稳定。为此硬-硬和软-软结合均较稳定。电子分布不匀的软-硬结合较不稳定。

金属螯合作用主要应用于：（1）金属中毒的解毒；（2）灭菌消毒；（3）新药设计；（4）某些疾病的治疗。金属离子对生物体存在特殊生物效应，应用时应注意可能产生的不良反应。对生命必需的一些金属离子如过量即成为毒物。硬酸（如Ca2+、Fe3+、Mg2+等）和硬碱（如H2O、MH3、CO32-、 Cl-等）结合时，一般无毒性或毒性小。软酸（如Pb2+、Pd2+、Hg2+等）和软碱（如CN-、CO、NO 等）结合时，则毒性大。许多酶蛋白的活性中心的巯基为软碱，易与属于软酸的重金属离子形成牢固的络合物，因而发生中毒。具有三异羟肟酸结构的多价（或称多齿）螯合剂去铁胺 (Deferoxamine)可治疗铁中毒，能满足Fe3+的六个配位数，生成1:1螯合物（I），既稳定（稳定常数lgK=30.7）又溶于水，易从肾排出。也可治疗放射性元素钚中毒。EDTA也是常用多价螯合物，主要用于铅中毒，为软酸硬碱络合。二疏基丙醇(BAL,III)可作为金、汞、锑、砷等到化合物中毒的解毒剂，为软酸软碱结合的典型螯合剂。

第五节立体结构对药效的影响

生物活性物质对生物大分子的作用部位有专一的亲和力，亲和力来自相互间结构上的互补性。结构特异性药物和受体的相互作用中有两点是重要的，即电性的互补性和立体结构的互补性。二种互补性均要求药物分子中的各基团和原子的空间排列与受体相互适合。互补性可随药物-受体复合物的形成而增高。生物大分子对药物分子立体选择性的识别和在一定情况下受体发生变构，以适合与药物分子结合，往往起主导作用。药物分子的特定原子间距离，手性中心以及取代基空间排列的改变，均能对互补性和复合物的形成起重要影响。

一、原子间距离对药效的影响：受体多为蛋白质的一个部位，蛋白质由氨基酸通过肽键组成，肽键间具有很规则的空间排列：(1)a-螺旋的两个连续的螺圈间的距离为5.38×10-10m；(2)当蛋白质的肽链伸展到最长时，相邻两个肽键的距离约为3.61×10-10m 。

有些药物的两个特定原子间的距离，恰好与这两个距离相近，或为其倍数。这种特定的原子间距离，使其电子密度分布可适合于蛋白质部分的受体，形成复合物而产生药效。

二、立体异构对药效的影响：（一）几何异构：分子中存在刚性结构部分，如双键使分子内部分自由旋转受到限制而产生顺（或Z）反（或E）异构体。几何异构体中的官能团或与受体互补的药效基团(pharmcophore)的排列相差较大，

理化性质和生物活性都有较大差别。顺反异构体的理化性质互不相同，吸收、分布、排泄也有不同，也是药效差异的一个因素。

（二）对映异构：除旋光性外，理化性质均同，其生物活性的差别更能反映受体对药物的立体选择性。具有两个手性碳原子的药物，将有更高的立体特异性。由于生物膜上的蛋白质和酶，血浆和组织中的蛋白，对药物进入机体后的吸收、分布和排泄过程，均有立体选择性地优先通过和结合的情况，导致药效上的差别。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。代谢酶多为光学活性大分子，和d,l手性药物分子结合，形成新的非对映异构体，产生理化性质上的新差别，导致代谢速率的差异和药效毒性的差异。

（三）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，构象变化处于快速动态平衡状态，有多种异构体。自由能低的构象，由于稳定，出现几率高，为优势构象。只有能为受体识别并与受体结构互补的构象，才产生特定的药理效应，称为药效构象。和受体结合的药物构象，有时为能量最低的优势构象，有时需由优势构象转变为药效构象再与受体结合。但这一转变的能障一般不高。

（四）立体异构体在药物治疗中的应用：几何异构体的理化性质各异，易于分离，均单独择优使用。构象异构体除刚性结构可分离外，研究的目的主要为了探讨构效关系和了解受体的立体化学特征。对映异构体由于理化性质相同，需用特定的方法拆分，旋光体的成本要比外消旋体高。需经药效、毒性、副作用和成本诸方面综合评价，根据优缺点决定取舍。