药物设计学部分重点思考题Word格式.docx

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物质从高浓度的一侧，通过膜转运到低浓度的另一侧，即沿着浓度梯度（膜两边的浓度差）的方向跨膜转运的过程。

这类转运是通过被转运物质本身的扩散作用进行的，是一个不需要外加能量的自发过程，许多物质的被动转运过程需要特殊的蛋白载体帮助；

2）主动转运：

是按对抗物质的电化学梯度方向运送,主动转运是在外加能量驱动下进行的物质跨膜转运过程，主动转运的物质，可以是离子、小分子化合物，也可以是复杂的大分子物质，如某些蛋白或酶等，这一过程一般都与ATP的释能反应相偶联；

3）易化扩散：

是介于主动转运和被动扩散之间的一种转运形式，药物与相应的载体结合，由载体将其带入膜内，与主动转运相同，易化扩散也具有饱和性，但是它又与被动扩散类似，其推动力是浓度梯度，因此这种扩散不消耗能量；

4）胞饮现象：

是通过细胞膜的凹陷将细胞外的物质吸收入细胞内的一种吸收方式，某些大分化合物如蛋白、脂肪等都是通过此法吸收的。

其过程是首先细胞膜吸附贴近细胞的物质，然后细胞膜凹陷继而细胞膜断裂为胞饮囊，再由胞内的水解酶将小囊消化吸收；

5）离子对吸收：

主要用来解释高度离解化合物的吸收过程，是在易化现象基础上提出的。

高度离解的化合物与体内可离解的生物大分子结合形成在水中易溶的中性离子对，并通过被动扩散透过细胞膜而被吸收。

研究表明，可离解化合物的亲脂性和分子体积的大小将影响其吸收。

3.何谓受体，说明受体的主要分类，受体的特征。

受体是存在于细胞膜表面或细胞浆内能与特异性配基相结合并产生生物学效应的大分子物质。

受体的特征如下：

1）有限结合能力（Saturation）：

生物对细胞外信号的反应是可以饱和的，每一细胞或一定量组织内受体数目是有限的；

2）适度的亲和力（affinity）：

受体-配基复合物的形成是由受体量和亲和力两个因素决定，而生物效应与受体-配基复合物的数目相关。

故而增大受体量和增大亲和力均可增大生物效应；

3）配基专一性（ligandspecificity）受体对配基应具有结构专一性和立体专一性；

4）靶组织的专一性（specificityfortargettissue）特定的受体，只存在于一定范围的组织细胞；

5）亲和力与生物活性相关：

这是判定专一受体最重要的依据；

6）需有内源性配基：

所有受体包括药物受体一定有内源性配基存在于生物体内。

从受体的结构上来说，受体须具备三维实体的可塑性，能与激动剂（拮抗剂）发生迅速和可逆性的结合；

三维结构具有特异性，但非绝对性。

实际上，机体内源性受体不可能为外源性的药物而存在，机体本身存在着可与该受体发生特异性结合的配基，药物则是这些配基的结构类似物，只要在三维空间结构或电荷分布上满足受体的要求，就可以与其结合产生激动或拮抗作用

受体的分类：

按照国际药理学联合会（IUPHAC）和药物分类委员会（NC-IUPHAR）的建议，将受体分为四大类，即受体分子四大家族：

G-蛋白偶联受体、通道性受体、酶性单链跨膜受体（又称催化性受体）和配基依赖的转录因子受体等。

亦有根据细胞中受体存在的位置不同，按照受体的蛋白质结构和功能，特别是与细胞膜的结合功能及信号转导特征，将受体分为细胞质膜受体（G-蛋白偶联受体、通道性受体、催化性受体）和胞内受体（配基依赖的转录因子受体）。

4.举例说明调控和阻断异常信号传导途径在药物设计中的应用。

（不能只画图，需要用语言对其进行描述）

正常细胞中某个信号的活性增加或多样性丧失，往往导致疾病的发生。

正常细胞的增殖需要多个生长因子的共同作用，原癌细胞基因控制正常细胞的生长，它们的过量表达或突变，激活信号传递途径，细胞接受无限增殖的信号，使细胞增殖失控。

这样的信号传导功能异常引起的增生性疾病包括肿瘤、动脉粥样硬化、牛皮癣、脓毒症、类风湿性关节炎、多发性硬化症等。

理论上利用病理状态下细胞与正常细胞信号传导途径的差异，寻找选择性作用于信号传导途径的抑制剂，如利用小分子化合物、抗体、显性失活蛋白、反义RNA、核酶等，可有效的阻断信号传导途径，抑制增殖信号，或者合理提高凋亡途径的信号，都有助于达到预防和治疗上述疾病的目的。

举例：

阿尔茨海默病（Alzheimer`sdisease,AD）早老性痴呆

5.药物设计为什么要考虑机体对药物的作用？

机体本身对药物这个外源性物质所产生的影响是多种多样，既有物理化学方面的作用，也存在使药物分子发生化学变化的反应，这两种作用的结果显示出药物分子及其代谢物的时间（体内药物留存时间）和空间（体内药物分布状况）的特征，并决定药物对于机体的作用强度、选择性和持续时间，故药物设计必须考虑机体对药物的作用。

此外，药效与生物效应紧密相连，药物若不能以有效浓度到达作用靶点并维持足够时间，或在转运过程中产生有毒的代谢物，仍然不能作为药用，故药代相和药物代谢研究仍属于药物的R&

D期，也是发现和设计先导物的重要方面。

6.药物在体内的代谢包括哪些途径，生物转化过程中主要的反应有哪些？

药物在体内的代谢主要包括两大途径：

1）生物转化（biotransformation）

又称phaseⅠ：

主要是官能团反应，包括对药物分子的氧化、还原、水解和羟化等，以官能团转化、引入和改变为主的反应，在药物分子中引进或使药物分子暴露出极性基团，如羟基、氨基和羧基等。

2）结合反应（Conjugation）

又称phaseII：

phaseⅠ的代谢中产生的极性基团在相应基团转移酶的催化下与内源性结合剂，如葡萄糖醛酸、甘氨酸、谷胱甘肽等结合，反应产物大多失去活性，也增加极性和水溶性，易于排泄。

7.药物和受体作用包括哪些互补性，怎么理解药物和受体作用的互补性？

受体和药物作用的互补性包括三大类：

1）电荷互补：

药物与受体分子中电荷的分布与匹配；

2）疏水性等的互补；

3）空间构型互补：

药物与受体分子中各基团和原子的空间排列与构象互补。

空间构型的互补又包括：

a原子间距离对药物受体互补性的影响；

b光学异构：

光学异构是由于分子中原子或基团的排列方式不同，使两个分子无法叠合的一种立体异构现象。

光学异构体又叫对映异构体，除了旋光性有差异外，两者理化性质均相同。

由于生物膜上或血浆中的受体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的优先通过和结合的情况，导致药效（生物活性）上的差别。

例如，胃肠道对D-葡萄糖、L-氨基酸、L-甲胺蝶呤、L-（+）抗坏血酸有立体选择性，可优先吸收，主动转运。

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（包括代谢速率和药效毒性的差异）；

c几何异构：

由于分子中存在刚性或半刚性结构部分，使分子内部分共价键的自由旋转受到限制而产生的顺反异构现象，称之为几何异构。

几何异构体中官能团或受体互补的药效基团（Pharmacophore）的排列相差极大，理化性质和生物活性也有较大的差别。

d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，柔性分子的构象变化处于快速动态平衡状态，有多种异构体。

优势构象：

自由能低的构象出现几率最高，称之为优势构象。

药效构象：

能为受体识别并与受体结构互补的构象，可产生特殊的药理效应，这种构象叫药效构象。

优势构象并不一定是药效构象，有时需由优势构象转化为药效构象后才能与受体结合，转变的能障一般不高。

对药物受体作用互补性的理解：

药物和受体的互补性程度越大，药物的特异性越高，作用越强，且这种互补性随着药物-受体复合物的形成而增加。

所谓的互补实际上就是满足药物与受体之间的相互作用：

药物和受体间的互补性可能在结合过程中形成，而不一定是在结合前已经具备的。

药物和受体的构象的变化将受到受体分子内的空间位阻、静电相互作用和氢键等因素的制约，不具有任意性。

药物和受体在结合前也应该具有一定程度的互补性。

药物和受体之间形成的复合物，应该具有一定的稳定性。

构型合适才能保证药物与受体间的结合有足够的结合能，以维系药物与受体形成的复合物具有一定程度的稳定性。

Chapter3

1.简述先导物的主要来源。

先导化合物的发现主要有以下四种方法：

1）已知生物活性物质的修饰和改良：

如喹诺酮类抗菌药物的亚砜类电子等排（flosequinan），几乎无抗菌活性，但是却发现其具有较强的血管扩张作用，因此被用作强心药。

Norfloxacin（喹诺酮类抗菌剂）→Flosequinan（血管扩张剂）

2）利用特定的生物学评定方法对任意选定的化合物的筛选（幸运发现、药物合成中间体、组合化学）。

这其中可再分为：

广泛筛选与偶然发现、彻底筛选与随机筛选、组合化学与高通量筛选、药物合成中间体作为先导化合物。

3）充分利用生物学、医学领域的新发现以及偶然发现的各种生物信息（内源性活性物质、药物代谢产物、临床副作用）。

包括在人体观察到的现象，从动、植物、微生物中的发现，也就是天然产物中活性成分的分离。

4）以与病理学异常有关的分子知识为基础，对新的生理活性物质进行合理设计。

主要通过研究生理机制，从生命基础过程研究中发掘模型先导化合物，最近研究较为热门的分子靶点有：

a与抗肿瘤药物相关的靶点：

有很多新型的肿瘤药物作用靶点，比较常见的包括与肿瘤血管生成相关的整合素、与肿瘤多药耐药性有关的p-糖蛋白、法尼基转移酶等；

b与精神、神经系统药物相关的靶点：

包括促皮质释放因子（CRF）受体、与神经细胞调往有关的Caspases以及聚ADP-核糖聚合酶[poly（ADP-ribose）polymerase,PARP]等；

c与代谢相关的药物靶点：

这类靶点与许多疾病相关联，比较重要的包括PPARs受体、FAS以及Orexins受体等。

2.举例说明结构优化法

结构的简化（simplificationofstructure）：

此法经常用于复杂的天然产物作为先导化合物，目在于发现易于合成，并保持所需要的药效的简单结构，具体方法是移去不属于药效团的功能基团，使合成容易同时副反应减少。

将结构复杂的化合物简化，以获得具有生物活性，结构有简单的化合物称为结构简化。

如将吗啡结构简化为多种镇痛片断（如苯吗喃和吗啡喃部分）和最简结构哌替啶（度冷丁）,并得出镇痛药的基本结构。

吗啡→哌替啶→芬太尼

Chapter4

1.简单说明先导物优化的基本原则。

对先导化合物的优化准则如下：

1）最小修饰原则：

在对先导物进行改造时，一般优先设计与先导物结构相近的类似物，或是结构仅作微小变化，微小的变化可通过简单的有机反应来实现，如还原、羟基化、乙酰化、外消旋体拆分、取代基变换和生物电子等排等方法得到，经过修饰后可使生物活性增加、选择性增加、降低毒性或副作用。

最小修饰原则，方法简单，易于成功，但往往被忽视。

不被人们所重视，但在实际应用中却是很有利的。

2）正确利用与化合物相关的生化知识

中药研究中的利用药效学结果指导中药有效成分的分离；

对于药物设计来说，利用药理学的结果指导药物的设计更为重要，在药理学结果指导下进行药物设计，有助于快速发现问题解决问题；

药物设计和先导物优化过程中，要想得到合乎要求的药物，应该尽早、尽可能多的利用与化合物有关的生物化学性质。

3）结构参数的应用与取代基的选择：

从化学角度考虑，一旦知道了它们的结构参数（如电荷间距、E型还是Z型、取代基是直立键还是平伏键、取代基定位的合适程度等），在设计过程中就应该尽可能的利用这些参数；

如果受体或酶结构未知时，可利用对其有作用的已知活性化合物进行比较，找出相应的药效团模型并反推出受体受点的虚拟结构

4）从经济角度考虑：

当决定合成一些化合物时，应从经济和快速角度考虑，选择合成路线最简单以及中间体易合成或者容易买到的化合物；

对于光学异构体的药物（包括外消旋和单一对映体），一般只有在进行了药理、毒理和临床研究后才能决定哪一种更好；

如果分子中既不存在不对称中心或不对称面，但又有类似亲和力的药物，将会大幅度的减少研究工作量，就是说如果能够去掉手性中心又保持活性将是最佳的设计；

即使不能去掉手性中心，先合成外消旋体，当发现活性后再考虑单一异构体问题也许是最明智的方案。

一般若外消旋体没有活性，就没有必要进行单一异构体的拆分。

2.举例说明如何利用拼合原理设计药物，指出拼合原理可能存在的问题。

拼合原理的定义，将两种结构不同的药物通过共价键拼合在一个分子中，或将两者的药效基团兼容于一个分子中，使形成的药物或兼具两者的性质，强化药理作用，减少各自相应的毒副作用，或是两者取长补短，发挥各自的药理活性，协同完成治疗作用，有时将其称为挛药（TwinDrug）。

扑炎痛（Benorilate）：

阿司匹林和对乙酰氨基酚（扑热息痛）都是解热止痛药。

阿司匹林分子中的羧基，对胃粘膜有刺激性，长期服用易引起溃疡；

对乙酰氨基酚长期服用，以导致肾脏毒性。

将前者的羧基与后者的酚羟基脱水酯化，口服对胃无刺激，在体内经酯酶分解后，又重新分解为原来的药物，共同发挥解热镇痛作用，用药剂量小，毒副作用大大降低。

氨苄西林与舒巴坦的拼合：

氨苄西林：

半合成β-内酰胺类广谱抗生素，具有耐酸性适用于口服而广泛用于临床；

金黄色葡萄球菌等产生的青霉素酶或β-内酰胺酶，能使β-内酰胺换开裂而丧失抗菌活性。

舒巴坦：

β-内酰胺酶抑制剂，对革兰氏阳性或阴性菌有作用

二者通过次甲基拼合成双酯，由于舒巴坦分子中的砜基的氧原子与碳6原子上的α-构型的氢形成氢键，增加了β-内酰胺环上羰基碳原子的正电性；

提高了与酶负电中心的结合力，使氨苄西林的结构免遭破坏，从而保证了其抗菌性的发挥；

同时该双酯的口服吸收好，提高了生物利用度。

问题及注意事项：

虽然有许多成功的例证，但是利用拼合原理进行药物设计时仍然存在一些问题：

①相对而言，拼合设计困难大，成功率较低；

②药物经拼合后结构改变不再被受体所识别和结合，导致生成无活性的产物，有时甚至会导致完全相反的结果；

③两者的拼合有可能产生无法预知的毒副作用，导致研究的失败；

④两部分的活性强度的匹配程度，特别是对两个受体分别呈激动或拮抗作用的拼合物难以在作用强度上达到适配。

二者在剂量上的适配、药代动力学的要求难以达到完全的相等。

3.非经典生物电子等排体有哪些类型，举例说明

非经典生物电子等排体有三种类型，如下：

1）基团反转：

非经典的电子等排体与经典的电子等排体一样，疏水性、典型效应和空间效应的相似是产生相似生理作用的基础。

如-COOR与-OCOR有相似的疏水性，其空间效应和电性效应也相近，这种酯基倒置（基团反转）常可作为电子等排体。

哌替啶（镇痛药，又叫度冷丁Pethidine）和安那度尔（Anadol）具有相似的溶解度，药效学相同，但是酯基倒置后，后者的镇痛作用比前者增强了15倍。

2）环系的转换：

开环，将环打开就可得到相应的开环化合物（open-chairanalogue,opendrug），有两种可能使其有效：

在体内代谢酶作用下氧化或脱水成环而显效，开环物可看作原药的前药（如氯胍（proguanil）体外无活性，在体内被环化后具有活性，且半衰期延长）；

开环物在体内具有与环状化合物类似的构象（拟环状化合物）。

闭环修饰开链结构环合也是一个重要的修饰方法，成环后减少并限制了分子的构象，可用其推断药物的活性构象，但是也可能带来立体异构现象。

由于分子的柔性，可能会产生多种药理活性，成环后分子的多样性减少，作用特异性增加，副作用相对减少，如：

平喘药麻黄素（ephedrine）成环后得到的菲蔓嗪（phenmetrazine）可产生新的药理活性（抑制食欲）并没有中枢神经兴奋活性。

麻黄素→啡蔓嗪

3）极性相似的基团

人们在对氨基苯甲酸被磺胺拮抗的研究中，将目光集中到具有类似极性的基团方面，如-COOH和-SO2NHR，通过这些基团的相互交换，寻求拮抗或类似生物活性的新的化合物。

实际上极性相似的基团有很多，可以分为羧基的等排体、酯基的替代物、酰胺以及肽类的类似物、脲以及硫脲的类似物、酚羟基的替代物等。

羧基的等排体：

酸性（pKa=4.2~4.4）和羧阴离子的共振稳定性是羧基的最重要的特点，许多羧基的生物电子等排体就是参考这些数据的。

羧基的生物电子等排体包括：

直接衍生物如异羟肟酸（RCONHOH）、酰基氨基氰（RCONHCN）、酰基磺胺（RCONHSO2R`）；

平面状酸性杂环，如四氮唑、羟基异噁唑；

非平面的硫或者磷衍生物的酸性基团，如磷酸、膦酸、膦酸酰胺、磺酸、磺胺、酰基磺胺等。

例如：

羧苄西林（Carbenicilin）对革兰氏阴性菌有活性，而且在立体空间上掩蔽了酰胺基的α碳，具有耐受β-内酰胺酶降解的特点，但是其不能口服给药，因为β-羰基酸在胃酸条件下容易脱羧生成对酸敏感的苄青霉素，但四氮唑衍生物可克服这种缺点，使活性大为提高。

α羧苄西林→α羧苄西林的四氮唑衍生物

4.简要说明前药的作用机制和类别，前药设计的目的是什么？

前药指在体外活性较小或无活性，在体内经酶或非酶作用，释放出活性物质而发挥药理作用的化合物。

它可以分为以下两类：

1）载体前药（Carrier-lankedprodrugs，pro-drug）：

本来具有生物活性的分子，经结构修饰而成的连有载体基团的前药；

2）生物前体（Bioprecursors）：

未经结构修饰的原始分子，经过生物转化后才显示药理作用的生物前体。

二者起始分子的特征不同。

前药设计的目的改善药物在体内的吸收、分布、转运与代谢等药代动力学过程，提高生物利用度，提高药物对靶部位作用的选择性，降低毒副作用，改善药物的不良气味等，并不是所有药物都需要制成前药，许多药物并不需要制成前药。

5.前药的特征是什么？

前药的设计原则。

在体外活性较小或无活性，在体内经酶或非酶作用，释放出活性物质而发挥药理作用为前药的基本特征。

设计前应该根据所要克服原药的不足，设定设计的策略；

确定达到最大效应或最大转运效果的物化性质；

确定前药载体的结构及所具有的物化性质，希望释放原药的靶器官。

前药的设计原则：

1）在原药最适宜功能基处键合载体分子，原药与暂时转运基团以共价键连接形成前药；

2）前药应当容易合成和纯化，最好是一步反应，载体易得价廉；

3）前药应无活性或活性较低，同时前药及暂时转运基团应无毒性；

4）明确前药在体内的活化机理；

5）在体内前药转化为原药的速度需是快速动力学过程，以保障原药在作用部位有足够的药物浓度，并尽可能降低原药的直接代谢。

6.简要说明前药的应用利用前药原理设计改善体内药物动力学特征的方法有哪些。

前药原理的应用如下：

1）改善药物在体内的动力学特性：

主要指改善原药在体内的吸收、分布、生物转化和排泄。

通过引入亲脂性基团，改变药物的脂溶性，使药物易于透过脂质膜，促进药物的吸收，而后在酶的作用下使药物缓释或长效化；

引入保护性载体，掩蔽结构中易变的功能基团，增加药物的稳定性，提高药物的有效血药浓度；

引入亲水性载体基团，提高水溶性，改变给药途径，改善生物利用度。

2）降低药物的毒副作用：

一个药物转变为前体药物的修饰，可通过给药后释放其活性形式，由于前体药物在机体组织中不同的分布而有效地增强药物的疗效。

修饰后可以使药物广泛分布，也可以减少分布，提高药物的选择性定位作用，大大降低了药物的毒副作用。

3）提高药物的选择性，使药物在指定的靶点释放：

利用前药，可提高药物部位特异性，具体做法包括：

改变分子的体积、溶解度或油水分布系数、引入或除去离子基团、改变化合物的pKa、引入适当的稳定性会易变性基团、引入可向特定组织或器官中转运的载体。

4）改善药物的质量，提高患者的可接受度等：

药物的使用对象是患者，如果药物的某些性质不合适，如气味难闻、太苦，或者只能注射不能口服，或者要经常性的给药，就会给患者带来许多不必要的麻烦。

利用前药的方法可以解决上述问题。

7.什么是软药？

软药和前药的区别是什么？

软药为一类本身具有治疗作用或生物活性的化学实体，但在体内起作用后，经预料的和可控制的代谢作用，由一步简单反应，转变为无活性的或无毒性的化合物。

软药和前药的区别主要体现在2个方面：

1）先导物不一样：

前药是以原药为先导物的，而软药的先导物既可以是原药也可以是原药的代谢物；

2）作用方式不一样：

前药在体外无活性，只有到达靶点释放出原药才有活性，而软药在体外是有活性的，它们到达靶点发挥治疗作用后一步代谢失活。

Chapter5

1.建立QSAR方程的关键是什么？

应注意哪些问题？

要进行定量关系研究应具备三个起码的条件：

化合物结构参数化，就是说以数字来表示化合物的结构；

化合物的生物活性定量化，即用数字表示化合物的生物活性；

一个合适的数学模型将化合物的结构与其生物活性关联起来。

2.Hansch法所使用的物化参数主要有哪几类？

答:

Hansch方法所使用的物化参数可以分为电性参数、疏水性参数和立体参数三大类。

其中电性参数常用:

Hammettσ电性参数、解离常数、偶极矩（dipolemoment）和量化参数；

疏水性参数（hydrophoblicparameter）是用来表示化合物的亲脂性，透过生物膜的性能以及与受体（酶）间疏水性结合力的一种参数，亲脂性（lipophilicity）和疏水性（hydrophobicity）是同义语，化合物在体内的吸收、分布、排泄与亲脂性密切相关，疏水性参数与生物活性间存在显著的相关性。

一般以脂水分布系数表示化合物的脂溶性；

立体参数，研究药物的构效关系时，立体因素的影响更加复杂，药物与受体的结合是三维空间的结合，而在多数情况下，受体活性部位的立体形状是未知的，