郭宗儒:从精准医学谈药物设计的微观结构 表2化合物5~7与周期蛋白依赖性激酶8/周期蛋白C的结 H3C.+cH3·Br 合动力学与热力学特征 化合物 Ka/nmol.L-km/s-( mol L-)kor/ s 112 4/min 3500 太快测不出1.0×1 YOH 80 3.7×103 2.9×10 5.7×102 86×10-61400 表3噻托溴铵对毒蕈碱M3和M2受体的离解常数和结合动 只有1.2min,晶体结构表明末端羟基作为氢键给体 力学性质 与活化环套DMG的Met14的羰基形成氢键(图 受体Kd/hmol1-k/s-1·(molL-b)1ks/s 4a)。化合物6的侧链增加了两个亚甲基,结合活性提 3.1×107 3.2×10-4374 高了40多倍,离解速率变慢,t1n结合=40min,晶体学 16×103 基形成氢键(图4b)。化合物7的侧链进一步增长,并M3和M受体的活性参数 以叔丁基为终端,结合作用增强7倍,离解速率很小, 如果只从Kd值分析,由于对M3和M2受体活性 1n2合=1400min,虽然没有形成氢键的羟基,但化合相近,预示着脱靶作用会引起心脏的不良反应。然而 物7在活性中心占据的空间和形状加大(图4c灰色结合动力学的km值相差很大,对M3受体有很长的 部分),活化环套的构象发生显著变化,离解复原成1mDR比M2长10倍,在动力学的层面上体现出选 游离态需要越过较高的能垒,因而7不仅活性强,而择性作用。噻托溴铵作为日服一次的长效喷雾剂,未 且在活性部位的驻留时间也长,预示7的作用时间持显示对心脏的副作用。此外,由于tDR长,即使血 久,选择性高。 药浓度的谷值降到 pmol- mL,仍然维持有舒张气管 另一个实例是治疗慢性阻塞性肺病药物噻托溴作用。分子动力学模拟显示,当噻托溴铵从M3受体 铵(8, tiotropium bromide),于2012年在美国上市。的结合部位解离出去时,要经历如图5a箭头所示的 噻托溴铵是毒蕈碱M3受体阻断剂,可扩张支气管治路径,图中的黑点代表了噻托溴铵的莨菪烷上的C3 疗哮喘和慢阻肺。其实,噻托溴铵对M2受体也有抑原子的踪迹,最终停留在胞外受体的门庭处(虚线圈 制作用,但并未显示出对心脏的不良反应,原因是结附近)若将噻托溴铵放到溶剂中(图5b,分子所处 合动力学提高了选择性作用。表3列出了噻托溴铵对的位置大致与图5a的门庭处相同。用M2受体作动 图4化合物5~7与周期蛋白依赖性激酶8的晶体结构图 过渡态 游离态 时间 时间/ps 噻托溴铵与M3和M2受体结合-离解铡吃过程 图5噻托溴铵与M3受体动力学模拟(a和b)和复合物离解过程的自由能变化图(c)郭宗儒: 从精准医学谈药物设计的微观结构 · 75 · 表 2 化合物 5～7 与周期蛋白依赖性激酶 8/周期蛋白 C 的结 合动力学与热力学特征 化合物 Kd /nmol·L −1 kon /s−1 ·(mol·L −1 ) −1 koff /s−1 t1/2 结合/min 5 3 500 太快测不出 1.0×10−2 1.2 6 80 3.7×103 2.9×10−4 40 7 10 5.7×102 8.6×10−6 1 400 只有 1.2 min, 晶体结构表明末端羟基作为氢键给体 与活化环套 DMG 的 Met174 的羰基形成氢键 (图 4a)。化合物 6 的侧链增加了两个亚甲基, 结合活性提 高了 40 多倍, 离解速率变慢, t1/2 结合 =40 min, 晶体学 提示侧链呈伸展型构象, 6 的末端 OH 与 Asp98 的羰 基形成氢键 (图 4b)。化合物 7 的侧链进一步增长, 并 以叔丁基为终端, 结合作用增强 7 倍, 离解速率很小, t1/2 结合 =1 400 min, 虽然没有形成氢键的羟基, 但化合 物 7 在活性中心占据的空间和形状加大 (图 4c 灰色 部分), 活化环套的构象发生显著变化, 离解复原成 游离态需要越过较高的能垒, 因而 7 不仅活性强, 而 且在活性部位的驻留时间也长, 预示 7 的作用时间持 久, 选择性高[7]。 另一个实例是治疗慢性阻塞性肺病药物噻托溴 铵 (8, tiotropium bromide), 于 2012 年在美国上市。 噻托溴铵是毒蕈碱 M3 受体阻断剂, 可扩张支气管治 疗哮喘和慢阻肺。其实, 噻托溴铵对 M2 受体也有抑 制作用, 但并未显示出对心脏的不良反应, 原因是结 合动力学提高了选择性作用。表 3 列出了噻托溴铵对 表 3 噻托溴铵对毒蕈碱 M3 和 M2 受体的离解常数和结合动 力学性质 受体 Kd /nmol·L −1 kon /s−1 ·(mol·L −1 ) −1 koff /s−1 t1/2 结合/h M3 0.01 3.1×107 3.2×10−4 37.4 M2 0.02 1.6×108 3.1×10−3 3.5 M3 和 M2 受体的活性参数[8]。 如果只从 Kd 值分析, 由于对 M3 和 M2 受体活性 相近, 预示着脱靶作用会引起心脏的不良反应。然而 结合动力学的 koff 值相差很大, 对 M3 受体有很长的 t1/2(DR), 比 M2 长 10 倍, 在动力学的层面上体现出选 择性作用。噻托溴铵作为日服一次的长效喷雾剂, 未 显示对心脏的副作用。此外, 由于 t1/2(DR)长, 即使血 药浓度的谷值降到 pmol·mL−1 , 仍然维持有舒张气管 作用。分子动力学模拟显示, 当噻托溴铵从 M3 受体 的结合部位解离出去时, 要经历如图 5a 箭头所示的 路径, 图中的黑点代表了噻托溴铵的莨菪烷上的 C3 原子的踪迹, 最终停留在胞外受体的门庭处 (虚线圈 附近); 若将噻托溴铵放到溶剂中 (图 5b), 分子所处 的位置大致与图 5a 的门庭处相同。用 M2 受体作动 图 4 化合物 5～7 与周期蛋白依赖性激酶 8 的晶体结构图 图 5 噻托溴铵与 M3 受体动力学模拟 (a 和 b) 和复合物离解过程的自由能变化图 (c)