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1、2023/3/26一酶(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，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，第1页/共109页2023/3/262、酶的命名及分类(classification).一般用习惯命名:加上词尾-ase习惯命名法习惯命名法:根据其催化底物来命名；根据其催化底物来命名；根据所催化反应的性质来命名；根据所催化反应的性质来命名；结合上述两个原则来命名，结合上述两个原则来命名，有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。有时在这些命名
2、基础上加上酶的来源或其它特点。第2页/共109页2023/3/26如习惯名称习惯名称:葡萄糖酸内酯酶 系统名称系统名称:D-葡萄糖糖酸-内酯水解酶;又如 习惯名称习惯名称:谷丙转氨酶谷丙转氨酶 系统名称系统名称:丙氨酸：丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶 酶催化的反应酶催化的反应:谷氨酸谷氨酸 +丙酮酸丙酮酸 -酮戊二酸酮戊二酸 +丙氨酸丙氨酸 系统名称：底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字国际命名:第3页/共109页2023/3/26氧化还原酶(包括氧化酶,脱氢酶)Oxido-reductase 催化氧化催化氧化-还原反应。还原反应。主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydr
3、ogenase)(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(Oxidase)(Oxidase)。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。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。催化底物的加水分解反应，淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶。.国际分类编号(六类)第4页/共109页2023/3/26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
4、要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等酶、水化酶及脱氨酶等异构酶 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。合成酶 Ligase(synthetase)又称为连接酶又称为连接酶 能够催化能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反应。这类反应必须与键的形成反应。这类反应必须与ATPATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。第5页/共109页2023/3/26核酸酶（催化核酸）ribozyme 核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNARNA，
5、能够催化，能够催化RNARNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。第6页/共109页2023/3/261.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。二、酶的结构与催化功能第7页/共109页2023/
6、3/26 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 siteBinding site 酶分子中直接与酶分子中直接与底物结合的部位或区域底物结合的部位或区域 决定酶的专一性决定酶的专一性,第8页/共109页2023/3/26第9页/共109页2023/3/26酶分子中直接参与催化作酶分子中直接参与催化作用，促使底物发生化学变用，促使底物发生化学变化的部位称为催化部位化的部位称为催化部位。决定催化反应的性质决定催化反应的性质。结合部位决定酶的专一性，结合部位决定酶的专一性，催化部位决定酶所催化反催化部位决定酶所催化反应的性质应的性质催化部位（活性部位）：c
7、atalytic site第10页/共109页2023/3/26第11页/共109页2023/3/26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空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。调控部位 Regulatory site第12页/共109页2023/3/26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。和组氨酸的咪唑基。酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨
8、酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。和半胱氨酸的巯基等。第13页/共109页 、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(如氢键如氢键,离子键和离子键和疏水键等疏水键等)的作用，形成的作用，形成E-SE-S反应中间物，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。作用。第14页/共109页1、酶催化反应过程示意图复合物
9、ES的形成第15页/共109页第16页/共109页第17页/共109页第18页/共109页2023/3/26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。这些激活剂实际上是一些对于本身无催化活性的酶原起激活作用的酶。四、酶激活剂与抑制剂第19页/共109页2023/3/26注意：激活剂不是绝对的,一种激活剂对某种酶来说有激活作用,但对另一种酶而言则可能
10、相反。同一种物质,低浓度时是某种酶的激活剂,而高浓度时则为该酶的抑制剂。第20页/共109页2023/3/26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。2 酶抑制剂（enzyme inhibitor)第21页/共109页2023/3/26 某些抑制剂对酶的作用抑制剂受影响基团酶例证重金属离子-SH及各带负电荷基团 谷氨酸脱氢酶氰化物金属
11、卟啉、金属离子细胞色素C氧化酶硫氰化物金属酶的辅基碳酸酐酶对氯苯甲酸-SH基团脲酶碘乙酸-SH基团3-磷酸甘油醛脱氢酶有机砷化合物-SH基团及辅酶硫氰酸巯基丙酮酸氧化酶第22页/共109页2023/3/267-2 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第23页/共109页2023/3/26一、抑制剂作用机理、作用靶点选择所有的酶都可以被抑制剂作为作用靶点：酶的类别例证抑制剂药物氧化还原酶oxidoreductaseHMG-CoA还原酶二氢叶酸还原酶洛伐他汀甲氨蝶呤转移酶transferase胸苷酸合成酶5-Fu，氟胞嘧啶水解酶hydrolase乙酰胆
12、碱酯酶毒扁豆碱裂解酶lyase组胺酸脱羧酶曲托喹啉异构酶isomeraseDNA拓扑异构酶拓扑替康，安丫啶第24页/共109页2023/3/26抑制酶活性的药物抑制酶活性的药物对氨基水杨酸对氨基水杨酸 二氢叶酸还原酶二氢叶酸还原酶阿司匹林阿司匹林 前列腺素合成酶前列腺素合成酶5-5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶 胸苷酸合成酶胸苷酸合成酶新斯的明新斯的明 乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱酯酶哌嗪哌嗪 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶利福平利福平 RNARNA聚合酶聚合酶磺胺类磺胺类 叶酸合成酶叶酸合成酶氯霉素氯霉素 肽基转移酶肽基转移酶第25页/共109页2023/3/26 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
13、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、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。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第26页/共109页2023/3/262、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。如抗动脉硬化药选择在抑制胆
14、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。第27页/共109页2023/3/264、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。抗感染药物用蝶酸合成酶抑制剂磺胺甲基异恶唑和二氢叶酸还原酶抑制剂甲氧苄氨嘧啶。5、抑制药物代谢酶可作为辅助药物，防止药物被代谢维持原药在血浆中的浓度如-内酰胺酶抑制剂克拉维酸与青霉
15、素药物的联合使用。第28页/共109页2023/3/26抑制剂活性的表示方法评价化合物的抑制活性，常用半数有效浓度IC50表示。IC50测定的方法是将底物与酶的浓度保持恒定，改变抑制剂浓度，求出使酶活性降低50%所需的抑制剂的浓度竞争性抑制剂的IC50，取决于底物的浓度n底物浓度大于km时，IC50 大于Ki，底物浓度偏高，Ki偏低更为严重第29页/共109页2023/3/26非竞争性抑制剂的IC50n底物浓度高时，IC50 接近于Ki，底物浓度较低时，IC50 明显低于Kin不知抑制剂作用类型时，测定用的底物浓度以接近Km 为宜。n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
16、，IC50 明显低于Ki第30页/共109页2023/3/26按抑制作用不同将抑制剂分为可逆抑制剂和不可逆抑制剂两种。、抑制剂的类型第32页/共109页2023/3/26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 二者之间没有明显的界限第33页/共109页2023/3
17、/26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。二、可逆抑制剂第34页/共109页2023/3/26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
18、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、可逆抑制剂的类型第35页/共109页2023/3/26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:ES ES EP EI I、竞争性抑制剂,第36页/共109页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
19、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。第37页/共109页2023/3/262 2 2 2、竞争性抑制剂的作用机制、竞争性抑制剂的作用机制、竞争性抑制剂的作用机制、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。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。竞争性抑制通常可以通过增大
20、底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。第38页/共109页第39页/共109页2023/3/26竟竟竟竟争争争争性性性性抑抑抑抑制制制制第40页/共109页UPA 核酶的底物及其竞争性抑制剂 第41页/共109页2023/3/261.抑制剂的油水分配系数不合适，不能穿过细胞膜达到靶酶2.抑制剂达到靶酶起效较短，很快达平衡，不足以引起药理作用3.靶酶在代谢途径中催化过程不处于速率决定步骤，不能发挥最大效率，对代谢过程影响不大竟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竟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竞争性抑制剂可能在体外有效而在体内无效的原因第43
21、页/共109页2023/3/26、非竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。如某些金属离子（如某些金属离子（CuCu2+2+、AgAg+、HgHg2+2+）以及）以及EDTAEDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH-SH基基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。团作用，改变酶的空间构象，引起非竞
22、争性抑制。第44页/共109页Uncompetitive Inhibition第45页/共109页2023/3/26在非竞争性抑制中,抑制剂虽与酶结合,但其所结合的部位,不是酶与底物结合的部位,其平衡如下:n抑制剂与酶结合后还可与底物作用,同时酶与底物的作用后,也可与抑制剂结合为IES,但是IE是无催化活性的复合物,IES也不能直接分解产物。非竞争性抑制作用的抑制剂与底物对酶活性中心无竞争作用,不能用增加底物浓度的方法消除它对酶促反应的影响。第46页/共109页2023/3/26通过改变酶的构象而进行的非竞争性抑制作用第47页/共109页2023/3/26非非竟竟争争性性抑抑制制第48页/共1
23、09页2023/3/26、具体实例二氢叶酸合成酶抑制剂是经典的竞争性抑制剂，磺胺类抗菌药的电性和分子中原子间距类似于底物对氨基苯甲酸，与二氢叶酸竞争性结合，其强的结合作用阻止了叶酸的合成，切断细菌生化代谢正常途径，抑制细菌的生长繁殖 二氢叶酸合成酶抑制剂（dihydrofolate synthetase inhibitor)A 与底物的反应B 抑制剂的反应第49页/共109页2023/3/26艾滋病增值过程中，异转录过程是关键，异转录酶是抗艾滋病的最佳靶点之一。齐多夫定(Zidovudine，AZT)是第一个用于临床的药物，后来扎西他宾、去羟肌苷、司他夫定、拉米夫定依次上市。它们都是非竞争性抑
24、制剂，具有共同的特征，非底物性类似物抑制剂，不需经过磷酸化，专属性强。异转录酶抑制剂（reverse transcriptase inhibitors)第50页/共109页2023/3/26异转录酶抑制剂异转录酶抑制剂核苷类齐多夫定（Zidovudine)是第一个上市的治疗艾滋病的药物（叠氮胸苷 AZT）化学名：3-叠氮基-2,3-双脱氧胸腺嘧啶核苷3-Azido-2,3-deoxythymidine第51页/共109页2023/3/26作用机理：AZT掺入DNA后，阻止3,5-双磷酸酯键的形成，使DNA间断裂。真正有活性的是5-三磷酸化AZT(AZTTP)，后者竞争性的抑制病毒异转录酶对TT
25、P的利用。阻碍病毒的繁殖。应用：对艾滋病病毒、T细胞型病毒有效，用于艾滋病的治疗副作用：骨髓抑制、贫血等第52页/共109页2023/3/26几种新的核苷类衍生物几种新的核苷类衍生物第53页/共109页2023/3/26核苷类HIV-1异转录酶抑制剂常产生严重的毒副作用和出现耐药性,影响疗效,后来发现一些专一性的HIV-1异转录酶抑制剂，不需要磷酸化来激活,相对于HIV2和其它异转录病毒更具有专属性。通过与异转录酶的非底物结合部位结合来抑制其活性,结合在RT分子的同一区域与核苷类抑制剂合用有协同作用，其中奈韦拉平(Nevirapine)是其代表第54页/共109页2023/3/26 血管紧张素
26、受体抑制剂ACE中含有Zn2+，作为蛋白水解酶，可将底物肽自羧基端一次切掉两个氨基酸。与羧肽酶A类似，ACE结构未知，羧肽酶A结构已经确定，利用羧肽酶A作为膜板设计ACE抑制剂，但二者有差别，羧肽酶A是C端肽链端解酶(exopeptidase)，ACE是C段肽链内切酶（endopeptidase）或称二肽酶，所以与羧肽酶A 相比，ACE应有两个结合位点：第55页/共109页2023/3/26第56页/共109页2023/3/26卡托普利与ACE结合模型图伊娜普利与ACE结合模型图第57页/共109页2023/3/26引起冠心病和动脉粥样硬化，导致死亡和心血管功能障碍的主要原因是人体血液中低密度
27、脂蛋白胆固醇水平增高。而人体的胆固醇有2/3是人体内部合成的，在26步的生物合成反应中，控速步骤是由3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶控制的。HMG-CoA辅酶A还原酶抑制剂第58页/共109页2023/3/26美伐他汀（Mevastatin)、洛伐他汀(Lovastatin)和西伐他汀(Simvastatin)等都是HMG-CoA还原酶的可逆竞争性抑制剂第59页/共109页2023/3/26Omapatrilat是一种新的心血管药，属血管肽酶抑制剂（VPIS）。它可同时抑制中枢内肽酶及血管紧张素转化酶。升高内源性扩血管肽类如心房利尿钠肽、脑利尿钠肽、肾上腺髓质素和缓激肽，并抑制缩血管物质如
28、血管紧张素的产生。活性肽类物质的增加可所张血管、增加钠排出量和抗心肌肥厚；血管紧张素的产生减少可抑制血管收缩、钠潴留及致心肌肥厚作用。其综合效应是降压、改善心功能和保护靶器官。血管肽酶抑制剂第60页/共109页2023/3/26酶提高反应速率，在于其稳定过渡态，降低反应活化能，这时酶的活性部位构象发生了变化，以利于与底物更好的作用，有时底物也会发生构象变化。以利于过渡态的形成（诱导契合学说）。催化变形学说认为与过渡态结构类似的抑制剂同酶的结合作用比底物更强。就是说酶的强效抑制剂应是结构稳定的，并类似于过渡态结构而不是类似于底物结构的化合物。过渡态类似物抑制剂第61页/共109页2023/3/2
29、6过渡态类似物是一类特异性竞争性抑制剂，结构类似与酶反应中不稳定的过渡态的底物部分。在酶反应或非酶反应中，键的形成和断裂机理是类似的。过渡态类似物具有底物过渡态的立体形式和电性特征。过渡态类似物能量高，对酶的亲和力大。第62页/共109页2023/3/26过渡态类似物是稳定的化合物，它模拟酶反应过渡态的活化复合物的结构。过渡态的稳定化是通过降低非极性活化部位的电荷分散程度，或增加额外氢键的形成，或具有更多的疏水作用等达到的。设计过渡态类似物，需要了解酶反应的分子机理。根据复合物的能量状态，从理论上提出过渡态下底物的结构。第63页/共109页2023/3/26设计：1.选择合适的酶作靶酶2.确定
30、靶酶的反应机理和可能的过渡态结构3.测试过渡态类似物的化学稳定性类型1.负碳离子过渡态类似物2.正碳离子过渡态类似物3.磷酰基转移过渡态类似物4.四面体过渡态类似物第64页/共109页2023/3/26负碳离子过渡态类似物第65页/共109页2023/3/262、正碳离子过渡态类似物第66页/共109页2023/3/263、磷酰基转移过渡态类似物第67页/共109页2023/3/26抗生素烯胺酶素（norjirimycin)属正碳离子过渡态类似物，是糖苷转移酶抑制剂核糖核酸酶将鸟苷经过渡态转化为鸟苷3-磷酸，而氧化钒-鸟苷复合物2是磷酰基转移过渡态类似物，可作为核糖核酸酶抑制剂烯胺酶素2第68
31、页/共109页2023/3/26 ACE抑制剂EnalaprilatEnalaprilat是ACE的强效可逆抑制剂，其有效性在于它满足了与ACE的多位点结合，并且模拟了ACE与底物/产物相互作用的结构模式，其结构与ACE将血管紧张素I水解为过程中的两个过渡态具有相似性。水解时，酶的亲核性基团最用雨水分子的质子，增强了水的亲核性。并对肽键的羰基进攻，有利于羰基氧与锌离子的静电结合（过渡态1）。Enalaprilat分子中的基团配置和电荷分布与过渡态1相似第69页/共109页2023/3/26被进攻的羰基碳呈四面体结构，碳-氮键断裂时的过渡态2的电荷分布也与Enalaprilat有相似性。该抑制剂
32、模拟了酶-底物和酶-产物的过渡状态结构，是ACE的过渡状态类似物第70页/共109页2023/3/26法尼基蛋白转移酶抑制剂大约30%的人类肿瘤，与Ras基因的突变有关，癌基因产物Ras蛋白只有在法尼基转移酶（Farnesyltransferase，FTase）的催化下经过法尼基化修饰后增加脂溶性，结合到细胞膜内侧后Ras蛋白才能发挥生物学效应。FTase是催化此反应的关键酶，抑制其活性，阻断Ras蛋白的法尼基化修饰，可以有效地抑制Ras基因激活起主导作用的肿瘤的生长，法尼基转移酶抑制剂已成为抗肿瘤药物研究的重要靶点之一。第71页/共109页2023/3/26Ras蛋白C端的柔性四肽CA1A2
33、X（C为半胱氨酸，A为脂肪族氨基酸，X为丝氨酸或蛋氨酸等）中的Cys残基是RAS法尼基化的位点。其抑制剂具有CA1A2X类似结构。分子模拟和计算化学表明，抑制剂中应有疏水性骨架，并应该限制其构象的柔性。由此设计出系列强效的法尼基蛋白转移酶抑制剂。第72页/共109页2023/3/26不可逆抑制剂与酶上的功能基以共价键结合，使酶的结构和功能发生不可移转的变化而失活，即使加入大量的底物也不能解除这种失活状态。三、不可逆抑制剂三、不可逆抑制剂第73页/共109页2023/3/26 不可逆抑制剂的类型和特点：1、分类根据作用机理不同，将其分为三类：定向活性部位抑制剂（Active-site-direc
34、ted inhibitor）分子中已具有活性基,又叫亲和标记抑制剂，affinnity lablling inhibitor 基于机理的抑制剂（Mechanism-based-inhibitor)与酶作用后产生活性基,又叫催化常数抑制剂Kcat Inhibitor 伪不可逆抑制剂（Pseudo-irreversible inhibitor）第74页/共109页2023/3/26 不可逆抑制剂使酶对底物失去活性,是由于阻止了酶的活性部位,或使酶的活性部位的催化基团失去活性,这类抑制剂含有或可产生一个活性功能基,具有烷基化或酰化(磷酰化)功能.不可逆抑制剂与酶形成稳定的共价键，作用时间长。多为活性
35、试剂，除与靶酶作用外，也可与机体细胞中其它成分作用，毒性较大 抑制剂与机体的其他成分的反应将消耗抑制剂，对于反应有影响2、特点：第75页/共109页2023/3/26第76页/共109页2023/3/26药物抑制的酶临床应用肼衍生物单胺氧化酶抗抑郁剂色拉肼多巴胺脱羧酶与多巴结合治疗帕金森病新斯的明乙酰胆碱酯酶青光眼、肌无力棒酸-内酰胺酶辅助青霉素有机碘制剂丙酮酸脱氢酶抗原虫病环丝氨酸丙氨酸消旋酶抗生素临床应用的某些不可逆抑制剂第77页/共109页2023/3/261、特征：基本结构定向活性部位抑制剂是有反应活性的化合物，其结构类似于酶的底物，可被酶的活性部位所识别，当抑制剂与酶结合形成复合物时
36、，抑制剂固有的亲电中心与酶活性部位的亲核中心反应，主要是SN2烷化或酰化反应生成稳定的共价键。定向活性部位抑制剂分子中含有识别基团和反应基团、定向活性部位不可逆抑制剂第78页/共109页2023/3/26w识别基团：具有与酶可逆结合的部位，作用是将抑制剂引入到酶的活性部位，起到受体识别作用又叫识别基团。识别基团的结构可能类似于底物、辅酶等反应基团：识别基团上连接或修饰有反应活性的化学基团或原子，当抑制剂与酶形成可逆复合物时，接近酶的活性部位的活性基团的反应点在复合物内反应，使酶和抑制剂共价结合，改变了酶的构象并使其失活第79页/共109页定向活性部位抑制剂与酶的反应示意图定向活性部位抑制剂与酶
37、的反应示意图2023/3/26第80页/共109页2023/3/26 反应活性基团的类型 卤代酰基、卤代酮、偶氮甲基酮、环氧基、亚磺酰氟、不饱和键、二硫键和光敏基团等。抑制剂的反应基团多为亲电试剂，酶活性部位的集团多为亲核基团，经酰化、磷酸化、及烷基化作用共价结合，生成稳定产物。亲电中心一般是加上一个质子后，再与酶的亲核基团反应，所以酶的适当部位应有酸性基团，在体内以负离子形式存在，有助于提高抑制剂的亲电性，更有利于进攻酶的亲核基团。第81页/共109页2023/3/26定向活性部位不可逆抑制剂的反应类型酶的亲核基抑制剂的亲电基产物例证氨基 E-NH2酸酐（RCOOOCR）酰胺（RCONH-E
38、）亚氨酸脂脒E-NHC（R）NH异硫脲胍酮、亚胺亚胺芳基亚磺酰氯芳基亚磺酰胺异氰酸酯脲环氧化物氨基醇羟基氨甲酸酯氨甲酸酯卤代磷酸酯磷酸酯第82页/共109页2023/3/26酶的亲核基抑制剂的亲电基产物例证羧基碳二亚胺-胺酰胺环氧化物羟基酯重氮酰胺酰胺酯卤代乙酸盐半酯咪唑卤代酮烷基咪唑焦碳酸酯N-咪唑甲酸酯巯基环氧化物羟基硫醚顺丁烯二酸亚胺硫醚基酰亚胺第83页/共109页2023/3/262 设计策略反应基团活性较强不仅与靶酶的活性部位反应，同时也与其它酶或蛋白的亲合基团作用而产生毒性，虽然结合基团可以起到选择性作用用，但选择性较差。许多抗肿瘤药物属于此类。抑制剂首先与酶形成复合物，然后抑制剂
39、中固有的亲电中心再与酶的活性部位的亲核中心反应成键。第84页/共109页2023/3/26设计策略提高结合特异性，降低ki，有利于提高选择性。抑制剂的结构与底物越类似，越有利于提高分子识别和结合能力改变和调整反应基团的反应性能，避免过于活泼或过于迟钝而不利于选择性，反应基团要和结构的其它部分相匹配。研究酶和底物的作用机制，找出活性部位与底物结合的亲核基团配置，可将活性基团连接于底物分子上，增加抑制剂与酶结合中心的反应潜力。第85页/共109页2023/3/263、例证定向活性部位抑制剂可以在细分为置换型和酰化型两种。置换反应型定向活性部位抑制剂与组成酶的氨基酸侧链发生取代反应，抑制剂分子中的亲
40、电活性基团为-CH2CH2X，-NHCOCH2X或-CH2COCH2X，X为溴、氯或氯甲基。第86页/共109页2023/3/26对甲苯磺酰基-L-苯丙氨酰-氯代甲基酮TPCK-糜蛋白酶抑制剂-第一个根据定向活性部位不可逆抑制剂原理设计、置换型第87页/共109页2023/3/26-糜蛋白酶的活性部位及与药物的结合情况催化部位第88页/共109页2023/3/26抑制作用机理第89页/共109页2023/3/26、偶氮甲酮类烷化剂偶氮丝氨酸、6-偶氮-5-氧代-L-正亮氨酸结构类似于谷氨酰胺，可抑制酰胺转氨酶并使其失活，阻断谷氨酰胺基转化为谷氨酸。与此偶联的反应是将氨基转移到甲酰甘氨酰胺核苷酸
41、分子上生成甲酰甘氨酸脒核苷酸，抑制嘌呤的生物合成偶氮丝氨酸6-偶氮-5-氧代-L-正亮氨酸第90页/共109页2023/3/26、酰化型阿司匹林主要对环氧化酶（cyclooxygenase,cox）中在正常组织中存在的cox-1中的ser530和在炎症组织中经诱导产生的cox-2的ser516的残基发生乙酰化，在抗炎的同时，也抑制了胃肠道粘膜和肾脏等正常组织中的cox-1，从而产生副作用。研究特异性的抑制cox-2的抗炎药物很有必要。根据cox-1和cox-2的3D结构差异，在阿司匹林的基础上，加大邻位基团的体积，提高了对cox-2的选择性结合和乙酰化作用能力，对cox-2的活性大为提高第91
42、页/共109页2023/3/26这类分子中没有明显的亲电中心，它所显示的作用是在酶的催化过程中实现的。以潜伏化的形式存在，对靶酶具有特异性，一般在转运过程中不与生物分子作用，到达靶部位后被酶催化活化，产生亲电活性基，后者马上与酶活性部位上亲核功能团反应形成共价键，导致不可逆抑制作用。抑制性质与反应的酶有关，因此又称其为酶的自杀性底物（suicide substrate)或催化常数抑制剂.基于机理的不可逆抑制剂第92页/共109页2023/3/26 同正常底物的化学结构类似（包括电性和立体两方面），易被酶所识别，并形成复合物 通常具有低反应性能的潜在基团和结构片断，在酶催化阶段经酶诱导激活，转化
43、为高活性的基团或中间体。与酶活性部位发生化学反应形成共价键，使酶不可逆失活。只对靶酶反应，具有高度专一性，毒性较低。1、基于机理的不可逆抑制剂的特点第93页/共109页2023/3/26酶的自杀性底物特异性是基于它与正常底物结构的相似性，这是酶与该抑制剂结合生成复合物并经催化反应暴露出活性基团的前提。暴露的活性基多数为亲电基团，与酶分子的亲核基团发生Michael 加成反应活化前活化后基团活化前活化后基团乙炔基卤素等离去基团环丙基-内酰胺类丙二烯共轭双烯、环氧乙烷环丙烷酮、环丙基亚胺乙酰基中间体氰基正碳离子前体醌类烯酮亚胺正碳离子亚胺基醌、醌的亚甲基衍生物酶的自杀性底物的功能基分类第94页/共
44、109页2023/3/26 类别含炔基的自杀性底物含氰基的自杀性底物含烯基的自杀性底物含卤素等离去基团的自杀性底物其它第95页/共109页2023/3/26单胺氧化酶（MAO)与许多疾病有关，某些MAO含有黄素，催化脂肪胺脱氨转化为醛，从而使体内生物胺的水平得以控制。单胺氧化酶抑制剂第96页/共109页2023/3/26巴吉林（优降宁，pargyline)，氯吉林（Chlorgyline),丙吉林（deprenyl)，都是不可逆抑制剂，-炔基叔胺类化合物，其作用机理与底物类似，不同是在于结合后，电子从不稳定的碳流向炔基，产生活性的丙二烯结构，后者对酶活性中心产生亲电进攻，使酶不可逆失活：含炔基
45、的自杀性底物第97页/共109页2023/3/26作用机理第98页/共109页2023/3/26许多利用磷吡哆醛（PLP)为辅酶的酶可催化以氨基酸为底物的多种反应，其第一步反应为交换：可经a,b,c键的断裂，电子对向N原子转移，生成亚胺并降解为产物。依赖磷酸吡哆醛的酶抑制剂abc第99页/共109页2023/3/26依赖PLP的酶的抑制剂主要有两种类型：1.-氯代丙氨酸衍生物，L-丝氨酸是苏氨酸脱水酶抑制剂1.烯基或炔基取代氨基酸衍生物-乙炔基GABA 和-乙烯基GABA是-氨基丁酸转氨酶抑制剂，加巴苦林也可起到相同作用加巴苦林烯键第100页/共109页2023/3/26介于可逆抑制剂和不可逆
46、抑制剂之间的一类抑制剂，它与靶酶之间以共价形式结合（不可逆抑制剂），但此共价复合物有一定的半衰期，故称伪不可逆抑制剂。其功效取决于复合物的半衰期，设计时尽量增大复合物的半衰期。、伪不可逆抑制剂pseudoirreversible inhibitor第101页/共109页2023/3/26许多酶在进行催化反应时，需要两个获两个以上的底物在酶的活性部位上同时进行。形成二元或多元复合物，各底物具有特定的空间方位，且相互间在酶的活性部位以最近或合适的间距与酶分子反应。模拟这些底物与酶结合的条件与要求，将多个底物的主要结构通过共价键连接为单个分子。特点：与酶的亲和能力大大增加，特异性更强，有更明显的专一
47、性。特别适用于设计特异性要求高的同工酶抑制剂四、多底物类似物抑制剂第102页/共109页2023/3/26理论上讲，任何需要两个或多个底物同时与酶结合的酶反应，都可以设计为多底物类似物抑制剂。转甲基酶、转甲酰酶、脱氢酶、羟化酶、激酶二轻蝶酸合成酶等第103页/共109页1 1、胸苷酸合成酶抑制剂、胸苷酸合成酶抑制剂胸苷合成酶（TS）是dTMP 由dUMP 从头合成的关键酶，在细胞的快速增长过程中胸苷的充足供应对DNA 的合成极为关键。胸苷酸合成酶催化碳原子的甲基化反应时，利用两个底物2-脱氧尿苷-磷酸和5,10-亚甲基四氢叶酸，其三元复合物结构为。2023/3/26第104页/共109页202
48、3/3/26胸苷酸合成酶抑制剂设计的胸苷酸合成酶的二底物抑制剂ki=0.03M）第105页/共109页2 2、5-5-还原酶抑制剂还原酶抑制剂5-还原酶抑制剂非那甾胺（Finasteride）是临床上用于治疗前列腺肥大和男性秃顶的有效药物，5-还原酶的主要作用是将睾丸酮还原为二氢睾丸酮2023/3/26第106页/共109页Finasteride的抑制作用起源于两点，首先其结构与睾丸酮类似，可取代底物睾丸酮与酶结合，并被还原为二氢非那甾胺；其次它可以与辅酶NADPH结合形成共价加成物，此加成物缓慢释放二氢非那甾胺。2023/3/26第107页/共109页与单底物类似物抑制剂相比，多底物类似物抑制剂与酶的亲和能力大大增加，特异性更强，有更明显的专一性。特别适用于设计特异性要求高的同工酶抑制剂的设计。2023/3/26第108页/共109页感谢您的观看！第109页/共109页