第三节定量构效关系 (Quantitative Structure-Activity Relationships, QSAR) 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: d=F(C)(式2—12) 式中Φ和C分别表示化合物的生物效应和结构性质。后来, Me yer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 Hansch分析( Hansch analysis)、 Free- Wilson模型(Free- Wilson mode l)和模式识别( Pattern recognition)。其中应用较 广的是 Hansch分析。 本节我们主要简要介绍 Hansch分析法和三维定量构效关系研究中的比较分子场分析 、 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。 芮效(E) 随机运行 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
第三节 定量构效关系 (Quantitative Structure-Activity Relationships，QSAR) 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: Ф=F(C) (式2—12) 式中Ф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Hansch 分析 (Hansch analysis) 、 Free-Wilson模型(Free-Wilson model)和模式识别(Pattern recognition)。其中应用较 广的是Hansch分析。 本节我们主要简要介绍Hansch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)。 8E=kilgP+k20+k3Es+ ka (式2-13 lgP、σ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κ1-κ3和常数κ4。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π(见本章)。1gP常用正辛醇和水系统, 用摇瓶法测定。π值可查有关工具书,它具有加和性(式2—14),分子的分配系数1gh 还可通过分子表面积和体积的计算获得。 lgP=kgP+∑xx (式2-14) 如普萘洛尔分配系数的计算 OCHz--CHCHNHCH(CHbh kPa4gP+xoy+xmt+x0m+xawg+2xa+Ax分寰 3,09 实测值为3.33。 疏水参数也可采用髙效液相色谱的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 Hamme tt常数σ。它表达取代基的电性效应,对有机化学反应速率或平
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、σ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κ1-κ3和常数κ4。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π(见本章)。lgP常用正辛醇和水系统， 用摇瓶法测定。π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σ。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。 (式2-15 K0和κ分别表示未取代和取代的化合物的速率常数或平衡常数。p为常数,取决 于特定的反应,与取代基无关。σ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,p=1,式2—15变为(式2—16),移项得(式 (式2-16) a IgK -IgO (式2-17) 取代基为吸电子,K值增大,ρ为正;取代基为推电子,K值减小,p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ρp, 间位为pm。常见取代基的pp值如下 取代基2QH01 CH C,Hs I F C Rr 1 NO2 0,-0.6-0.37-027-0.7-0000.060.232.230.1803 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σR,它们有如下关系: (式2-18 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 表 (式2-19) κH和κX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
衡常数带来定量影响，用Hammett方程表示。 κ0和κ分 别表示未 取代和取 代的化合 物的速 率常数或 平衡常数 。ρ为常 数，取决 于特定的反应，与取代基 无关。σ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，ρ= 1，式2—1 5变为 (式2—16 )，移 项得(式 2-17)。 取代基为吸电子，K值增大，ρ为正；取代基为推电子，K值减小，ρ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ρp， 间位为ρm。常见取代基的ρp值如下： 脂肪族系列的取代基则有σ。还有反映诱导效应的σI和共轭效应的σR，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。 κH和κX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
MR= cm/mol) (式2-20) 2 式中n为化合物的折光率,Mω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1g(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 Hansch方程 c-k gP+20+ k3Es ke (式2-21) 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: k=k1(gP2+副P+k+hB、+h (式2-22) (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κx。用 式223表示 生物效应速率E=A 式2-23) 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,1gPo为正态分布的1gP 的极值,为一常数 f(lgP) P-IgPo (式2-24) 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
式中n为化合物的折光率，Mω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Hansch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κx。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 κ。式2—23变为：
(式2-24 (式2-25) 两边取对数 g PolgP-k, (gpO)2 (式2-26) 式琯gP为常数 1gC=-,(lgP)+ &2gP+lga 式2-27) 限速反应的k与特性参数相关,叮用其线性组合表示,即 lgk,=algP+如+cEs+d (式2-28) 将(式2-28)式代入(式2-27)式,所有系数用统一的k-k5表示,得 Hansch方程 ag 2= k(igP)2+k2igP+k3d+k,Es+ ks 式2-22) (四) Hansch分析的意义和应用 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。 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π及0p有如下关系: NHCHs R- y-OENACECs RH Br. C, oCH, CH. NO3. Csl (癌细胞)-Po(肝细胞)=-04x-1,0+242 (式2-29) ≈ 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π=-0.67,0 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1gPo(A)和1gPo(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1gPo(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1gPi的化合物是适宜的 囊性 Ig Po(B) Po(A) 图2-24某类化合物的活性、毒性与分配系数的关系
(四)Hansch分析的意义和应用 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。 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π及σp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π=-0.67，σ 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
图2-2的曲线可用如下方程表示: 式2-30) 对式2-30求导 (式2-31) ( g.)=0,由式2-31得g为极大值时最适分配系数Po (式2-32 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: oH,·ch,≠C2H,- OCOCHCHzCO2H等 =1120-0.198(1gP)2+1.155gP-0612l 式2-33) 儿=49r=0.9ls=0.153lgPa=2.9 式2—33表明,其活性与分配系数密切相关,Iα,β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,α一构型更有效 对二氢吡啶类钙拮抗剂的研究得如下方程: 取代 CNOOC COOCH3 lg(l/C如)=15.24+0.62x+1.79cm-0.17L{)-0.50L(m 1.70L(p)-1.12Lw)-0.46L() (式2-34) 47r=0.9133=0.63 o’、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:①活性与π、σm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;②p—取代对活性不利,om与om
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,Iα,β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，α—构型更有效。 对二氢吡啶类钙拮抗剂的研究得如下方程： ο’、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：①活性与π、σm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；②p—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om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。 、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 anal ysis,MsA), Crippen等的距离几 何学方法( Dis tance geometry,DG), Cramer等的比较分子场分析( Comparative molecular field analysis,Co歴FA)。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:①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。②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H20作疏水基 团的探针,用CH3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。 襄2-12cNFA方法的数据表1 场能值场能值……场能值场能值场能值……场能值 生物活性 s998 E 001 EU2……E99 化合物 化合物 6.8 0.290.97 -0.03 0. 化合物3 79 0.]4 0.481.84 -L.47 278059
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：①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。②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H20作疏水基 团的探针，用CH3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+a×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
生物活性=y+α×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