定量构效关系

第 三 节 定 量 构 效 关 系 人 们 研 究 药 物 的 中 心 问 题 是 揭 示 药 物 的 化 学 结 构 、 理 化性 质 与 生 物 活 性 之 间 的 内 在 联 系 。 19世 纪 中 叶 就 有 人 提 出了 它 们 的 定 量 关 系 式 :=F(C) (式 2 12)式 中 和 C分 别 表 示 化 合 物 的 生 物 效 应 和 结 构 性 质 。 后 来， Meyer和 Overton的 研 究 表 明 ， 一 些 化 合 物 的 脂 水 分 配 系数 与 麻 醉 作 用 呈 线 性 关 系 。 直 到 20世 纪 60年 代 ， 出 现 了 3个 QSAR模 型 ， 即H ansch分 析 (H ansch analysis)、 Free-Wilson模 型(Free-Wilson model)和 模 式 识 别 (Pattern recognition)。 其 中 应 用 较 广 的 是 H ansch分 析 。本 节 我 们 主 要 简 要 介 绍 H ansch分 析 法 和 三 维 定量 构 效 关 系 研 究 中 的 比 较 分 子 场 分 析 法 。 一 、 Hansch分 析 Hansch分 析 认 为 ， 给 药 后 ， 药 物 在 体 内 经 历 随 机 运 行 到 达 靶 部 位 ，在 那 里 发 生 药 物 受 体 相 互 作 用 并 产 生 药 效 (BE)。 其 中 C为 药 量 ， A为 到 达 靶 的 概 率 ， Kx为 限 速 反 应 的 速 率 常 数 。药 效 与 药 物 的 3个 基 本 性 质 可 能 存 在 定 量 关 系 。 这 3个 性 质 是 疏 水 性 、电 性 效 应 和 立 体 效 应 。 (一 )基 本 操 作 步 骤 1 确 定 先 导 化 合 物 (Lead compound)， 改 变 其 化 学 结 构 的 某 一 基 团 或 某 一 部 分 X， 用 如 下 通 式 表 示 。 X可 与 先 导化 合 物 的 脂 肪 链 或 芳 基 相 联 。 设 计 不 同 性 质 的 X并 合 成 这 些 化 合 物 。 2 定 量 地 测 定 和 评 价 这 些 化 合 物 的 体 内 或 体 外 活 性 BE。3 凋 定 、 计 算 或 查 工 具 书 获 得 这 些 化 合 物 或 X的 理 化 参 数 ， 即 疏 水 、 电性 和 立 体 参 数 。4 用 回 归 分 析 建 立 Hansch方 程 (式 2 13)。lgP、 和 Es分 别 表 示 疏 水 性 、 电 性 和 立 体 性 质 。 回 归 分 析 包 括 选 取 合适 的 理 化 参 数 ， 用 数 学 运 算 求 得 各 系 数 1- 3和 常 数 4。 方 程 的 可信 性 需 经 统 计 学 检 验 。5 若 能 获 得 一 个 初 步 的 方 程 ， 再 根 据 方 程 预 测 和 设 计 下 一 批 化 合 物 ，重 复 步 骤 1-4。 (二 )结 构 参 数 1 疏 水 参 数 常 用 的 疏 水 参 数 有 分 配 系 数 lgP和 疏 水 常 数 (见 本 章 )。lgP常 用 正 辛 醇 和 水 系 统 ， 用 摇 瓶 法 测 定 。 值 可 查 有关 工 具 书 ， 它 具 有 加 和 性 (式 2 14)， 分 子 的 分 配 系 数lgP还 可 通 过 分 子 表 面 积 和 体 积 的 计 算 获 得 。 如 普 萘 洛 尔 分 配 系 数 的 计 算 ：实 测 值 为 3.33。疏 水 参 数 也 可 采 用 高 效 液 相 色 谱 的 t保 留 和 薄 层 色 谱 的 Rf值等 表 征 疏 水 性 质 的 数 据 。还 可 用 计 算 机 计 算 分 子 的 体 积 和 表 面 积 等 参 数 ， 用 这 些 参 数计 算 分 子 的 分 配 系 数 。 2 电 性 参 数 电 性 参 数 采 用 Hammett常 数 。 它 表 达 取 代 基 的 电 性 效 应 ， 对 有 机化 学 反 应 速 率 或 平 衡 常 数 带 来 定 量 影 响 ， 用 Hammett方 程 表 示 。 0和 分 别 表 示 未 取 代 和 取 代 的 化 合 物 的 速 率 常 数 或 平 衡 常 数 。 为 常 数 ， 取 决 于 特 定 的 反 应 ， 与 取 代 基 无 关 。 是 取 代 基 的 特 性 常 数 ，与 反 应 的 性 质 无 关 。 例 如 取 代 的 苯 甲 酸 的 解 离 ， 在 25 的 水 中 ， =1， 式 2 15变 为 (式 216)， 移 项 得 (式 2-17)。取 代 基 为 吸 电 子 ， K值 增 大 ， 为 正 ； 取 代 基 为 推 电 子 ， K值 减 小 ， 为负 。 因 此 ， 口 为 吸 电 子 或 推 电 子 强 弱 的 度 量 。 取 代 基 在 苯 环 上 还 与 具 体位 置 有 关 ， 在 对 位 为 p， 间 位 为 m。 常 见 取 代 基 的 p值 如 下 ： 脂 肪 族 系 列 的 取 代 基 则 有 。 还 有 反 映 诱 导 效 应 的 I和 共 轭 效 应 的 R，它 们 有 如 下 关 系 ：这 些 参 数 可 从 有 关 的 工 具 书 中 查 到 。此 外 ， 偶 极 矩 、 核 磁 共 振 的 化 学 位 移 、 红 外 的 吸 收 谱 率 等 都 可 作 为 电 性参 数 。 3 立 体 参 数 经 典 的 立 体 参 数 是 Taft立 体 参 数 Es。 在 乙 酸 乙 酯 酰 基 的 邻 位 引 入 各种 取 代 基 ， 它 们 酸 性 水 解 的 速 率 与 邻 位 取 代 基 的 大 小 有 关 ， 立 体 参数 Es与 水 解 速 率 常 数 的 关 系 用 式 2 19表 示 。 H 和 X分 别 为 乙 酸 乙 酯 和 取 代 乙 酸 乙 酯 的 水 解 速 率 常 数 。 取 代 基 X为氢 时 ， Es=0； 其 它 取 代 基 的 Es值 均 小 于 零 。 摩 尔 折 射 系 数 MR也 可 作 为 立 体 参 数 。 式 中 n为 化 合 物 的 折 光 率 ， M 为 相 对 分 子 质 量 ， d为 密 度 。Verloop用 长 度 参 数 L和 4个 宽 度 参 数 (B1、 B2、 B3和 B4)作 为立 体 参 数 。 4 生 物 活 性 强 度 生 物 活 性 强 度 是 指 在 规 定 时 间 内 达 到 同 样 效 应的 药 物 浓 度 或 剂 量 。 例 如 半 有 效 剂 量 ED50， 半致 死 量 LD50和 半 抑 制 浓 度 IC50等 。 若 C为 等 效浓 度 ， 则 生 物 活 性 强 度 也 可 用 1/C或 lg(1/C)表 示 。C越 小 ， 1/C或 lg（ 1/C） 越 大 ， 则 活 性 越 强 。 为便 于 比 较 ， 浓 度 和 剂 量 都 用 物 质 的 量 表 示 。 通 过 生 物 活 性 强 度 与 特 性 参 数 回 归 分 析 ， 得 H ansch方 程 ：此 式 表 示 生 物 活 性 强 度 与 各 参 数 线 性 相 关 。 也 可 能 有 复 杂 情 况 ， 如 出现 最 适 疏 水 常 数 ， 此 时 生 物 活 性 强 度 与 疏 水 参 数 呈 抛 物 线 关 系 ， 方 程为 ： (三 )Hansch方 程 的 推 导 生 物 效 应 速 率 与 三 个 因 素 有 关 ， 即 药 物 分 子 在 一 定 时 间 内 通 过 “ 随机 运 行 ” 到 达 限 速 反 应 部 位 的 概 率 A， 给 药 的 剂 量 C， 引 起 生 物 效应 的 限 速 反 应 的 速 率 常 数 x。 用 式 2 23表 示 ：假 定 A与 化 合 物 的 分 配 系 数 1gPo呈 正 态 分 布 ， 即 式 中 a,b为 常 数 ， lgPo为正 态 分 布 的 lgP的 极 值 ， 为 一 常 数 。 为 比 较 不 同 的 化 合 物 ， 规 定 一 个 相 同 的 生 物 效 应 速 率 ， 因 此 ， d(BR) dt为 常 数 。 式 2 23变 为 ： (四 )Hansch分 析 的 意 义 和 应 用l Hansch分 析 能 预 测 同 源 物 的 生 物 活 性 ， 有 助 于 认 识 药 物 的 作 用 机理 ， 对 合 理 设 计 药 物 有 一 定 的 指 导 作 用 。l 具 有 下 列 结 构 的 化 合 物 有 抗 癌 活 性 ， 它 的 化 疗 指 数 与 取 代 基 参 数 及 p有 如 下 关 系 ： 式 2 29告 诉 我 们 ， 亲 水 性 和 推 电 子 基 团 有 利 于 活 性 的 提 高 。羟 基 的 =-0.67， p=-0.37， 合 成 该 化 合 物 ， 回 归 分 析 得n=8时 r=0.919。 活 性 的 实 验 值 与 计 算 值 相 当 一 致 。如 果 某 类 化 合 物 的 活 性 、 毒 性 与 分 配 系 数 有 图 2 24所 示 关系 。 其 中 lgPo(A)和 lgPo(B)分 别 是 活 性 和 毒 性 的 极 值 ， 构 效关 系 告 诉 我 们 ， 设 计 分 配 系 数 为 lgPo(A)的 化 合 物 是 不 可 取的 ， 因 此 时 其 毒 性 也 相 当 高 。 而 分 配 系 数 为 lgPi的 化 合 物 是适 宜 的 。 将 青 蒿 素 (Artemisinin)的 10 羰 基 氢 化 得 二 氢 青 蒿 素 ， 并 由 此 得 一 系列 衍 生 物 ， 其 构 效 关 系 如 下 ：式 2 33表 明 ， 其 活 性 与 分 配 系 数 密 切 相 关 ,I , 为 指 示 变 量 ， 表 示 10位 取 代 基 的 构 型 ， 就 整 个 衍 生 物 系 统 而 言 ， 构 型 更 有 效 。 对 二 氢 吡 啶 类 钙 拮 抗 剂 的 研 究 得 如 下 方 程 ： 、 m 表 示 取 代 基 在 1 4 二 氢 吡 啶 的 平 面 之 上 ， o， m表 示 离 开 1，4 二 氢 吡 啶 平 面 。 由 式 2 34获 得 如 下 信 息 ： 活 性 与 、 m和 立 体 位 阻 有 关 ，疏 水 性 强 、 吸 电 子 的 基 团 对 提 高 活 性 有 利 ， 基 团 的 长 度 L对 活 性 不 利 ； p 取 代 对 活 性 不 利 ， om与 o m 方 向 对活 性 有 较 大 影 响 ， om取 向 比 o m 取 向 好 ， 即 取 代 基 应离 开 1， 4 二 氢 吡 啶 平 面 。 (五 )应 用 的 限 度 Hansch分 析 不 能 产 生 先 导 化 合 物 ， 在 实 际 运 用 中 有 的能 成 功 ， 但 有 的 不 一 定 成 功 。 这 是 由 于 药 物 实 际 作 用 过程 往 往 比 较 复 杂 ， 生 物 活 性 的 测 定 和 参 数 的 客 观 性 也 受到 限 制 。 构 效 关 系 的 理 论 告 诉 我 们 ， 若 将 过 程 中 药 物 动力 相 和 药 效 相 分 别 研 究 ， 可 能 获 得 较 好 的 结 果 。 在 药 效相 可 采 取 体 外 测 试 的 方 法 ， 所 得 数 据 更 客 观 ， 模 型 与 作用 机 理 也 更 一 致 。 在 药 物 动 力 相 方 面 ， 有 人 正 在 研 究 药物 的 化 学 结 构 与 药 物 动 力 学 的 定 量 关 系 。 二 、 三 维 定 量 构 效 关 系 1980年 以 后 ， 出 现 了 三 种 典 型 的 三 维 定 量 构 效 关 系(3D QSAR)方 法 ， 它 们 是 Hopfinger等 的 分 子 形 状 分析 (Molecular shape analysis， MSA)， Crippen等 的距 离 几 何 学 方 法 (Distance geometry,DG)， Cramer等的 比 较 分 子 场 分 析 (Comparative molecular field analysis， CoMFA)。 它 们 探 索 生 物 活 性 分 子 的 三 维 构象 性 质 ， 精 确 地 反 映 生 物 活 性 分 子 与 受 体 相 互 作 用 的 能量 变 化 和 图 形 ， 更 深 刻 地 揭 示 药 物 受 体 相 互 作 用 的 机理 。 这 里 主 要 介 绍 比 较 分 子 场 分 析 。 它 要 求 ： 确 定 研 究 体 系 各 化 合 物 的药 效 构 象 ， 依 据 合 理 的 重 叠 规 则 ， 把 它 们 重 叠 在 一 个 能 包 容 全 部 化 合物 的 空 间 网 格 上 。 计 算 化 合 物 分 子 各 种 作 用 场 的 空 间 分 布 。 按 化 合物 分 子 与 受 体 的 作 用 方 式 ， 选 择 合 适 的 探 针 基 团 ， 计 算 探 针 基 团 在 每个 空 间 网 格 上 与 化 合 物 分 子 的 作 用 能 量 。 Kim用 H 20作 疏 水 基 团 的 探针 ， 用 CH 3代 表 范 德 华 力 ， 用 H +作 为 静 电 作 用 的 探 针 。 计 算 它 们 与 各化 合 物 原 子 的 相 互 作 用 能 量 ， 与 生 物 活 性 值 一 起 建 成 数 据 表 (表 2 12)，用 偏 最 小 二 乘 法 (Partial least square， PLS)建 立 3D QSAR方 程 。 生 物 活 性 =y+ S001+b S002+m S998+n E001+z E998 (式 2-35)CoMEA方 法 反 映 了 化 合 物 与 受 体 相 互 作 用 的 三 维 结 构 ， 以 作 用 场反 映 分 子 整 体 性 质 ， 并 与 生 物 活 性 建 立 定 量 关 系 ， 能 表 达 分 子 与 受 体作 用 的 本 质 ， 其 物 理 学 意 义 明 确 ， 在 药 物 设 计 中 将 发 挥 很 大 的 作 用 。利 用 已 知 受 体 结 构 的 3D-QSAR， 可 以 提 供 崭 新 的 先 导 化 合 物 。 在未 知 受 体 结 构 的 3D-QSAR的 研 究 中 ， 这 些 方 法 可 以 定 量 地 描 述 配 体 与受 体 的 相 互 作 用 特 性 ， 设 计 新 化 合 物 ， 预 测 它 们 的 生 物 活 性 。