藥物與生物大分子的相互作用

1、武漢東湖學(xué)院藥物與生物大分子相互作用的研究 姓名：明鵬 專業(yè)：應(yīng)用化學(xué) 學(xué)號：2010040181071藥物與生物大分子的相互作用摘 要 藥物與生物大分子的相互作用研究已經(jīng)成為化學(xué)、生命科學(xué)及臨床藥理學(xué)的重要研究內(nèi)容。因此,上世紀(jì)90年代以來,藥物分子與DNA、蛋白質(zhì)相互作用的研究已成為化學(xué)和生命科學(xué)熱門課題之一。DNA和蛋白質(zhì)是生物體中重要的生物大分子。臨床上使用的許多抗癌、抗病毒藥物都是以DNA為作用靶點，研究藥物與DNA的相互作用，有助于從分子水平上了解抗癌、抗病毒藥物的作用機理，為設(shè)計臨床上更為有效的抗癌、抗病毒藥物提供理論指導(dǎo)。蛋白質(zhì)是藥物的一種非常重要的運輸載體。藥物與蛋白質(zhì)的相互

2、作用不僅影響藥物在體內(nèi)的分布，而且還影響藥物在體內(nèi)的代謝與排泄方式，研究藥物與蛋白質(zhì)的結(jié)合為藥物分子結(jié)構(gòu)與藥效之間的關(guān)系提供了有利的信息。關(guān)鍵詞：藥物 生物大分子 相互作用 DNA 蛋白質(zhì)Abstract The molecular interactions between medicine and biological molecular havebecome of an important research field in chemistry ，life sciences and clinical medicineTherefore ，since the last century 90.

3、 S, the study of the molecular interactions between medicine and DNA protein have become a hot topic of chemistry and life sciences. DNA and protein are key biological molecular .DNA is the primary target molecular for most of anticancer and antivirus therapies. The investigation of the interaction

4、of DNA with drugs is helpful to understand the mechanism by anticancer and antivirus medicines act and provide theoretical guidance for designing the effective drugsProtein serves as a transport carrier for drugs，the binding of drugs, protein has a great influence not only upon the distribution of t

5、he drugs in the body but also upon their patterns of metabolism and excretionThe studies on this aspect may provide information of the structural features that determine the therapeutic effectiveness of drugKey words : Drug Biological molecular The molecular interaction DNA Protein前 言11藥物與生物大分子相互作用的

6、研究概述生物大分子是一切生命形式的基礎(chǔ)。重要的生物大分子有四種：蛋白質(zhì)、核酸、多糖和脂類。其中蛋白質(zhì)、核酸、多糖是聚合物，它們分別由同一類但組成不完全相同的物質(zhì)聚合而成。藥物不管在體內(nèi)起什么樣的作用，其本質(zhì)都是藥物小分子與機體組織中具有重要功能的生物大分子之間進行物理化學(xué)反應(yīng)的最終結(jié)果。分子生物學(xué)和分子藥理學(xué)的發(fā)展使人們能夠從基因水平理解某些疾病的發(fā)病機理，并通過分子設(shè)計來尋找有效的治療藥物。臨床上使用的許多抗病毒、抗癌藥物都以DNA為作用靶點，通過與DNA發(fā)生作用破壞其結(jié)構(gòu)，進而影響基因調(diào)控與表達功能，表現(xiàn)出抗病毒、抗癌活性；一些致病物質(zhì)也能與DNA形成加合物，這種DNA加合物也是可能導(dǎo)致病

7、變的預(yù)警標(biāo)志物。因此，小分子與DNA的相互作用研究有助于從分子水平上了解抗病毒，抗癌藥物的作用機理，闡明有毒物致病的分子生物學(xué)機理，為設(shè)計臨床上更為有效的抗病藥物提供理論指導(dǎo)。蛋白質(zhì)是重要的生物大分子，也是研究分子生物學(xué)和生命科學(xué)的重要內(nèi)容。當(dāng)藥物進入人體后，總要通過血漿的貯存與運輸達到受體部位，進而發(fā)生藥理作用。血清白蛋白是血漿中最為豐富的蛋白質(zhì)，它能與許多內(nèi)源及外源化合物結(jié)合，并能結(jié)合生物體內(nèi)存在的多種微量元素。藥物蛋白質(zhì)的相互作用在藥物動力學(xué)及臨床藥理學(xué)上的重要意義，使得這一研究領(lǐng)域十分活躍，建立藥物蛋白質(zhì)結(jié)合的體外模型，了解結(jié)合的緊密程度、結(jié)合部位、結(jié)合力、結(jié)合位點數(shù)等問題，不僅對于揭

8、示體內(nèi)的藥物動力學(xué)問題、指導(dǎo)合理用藥具有一定意義，同時對于進行藥物分子設(shè)計，開發(fā)新藥，也具有重要的指導(dǎo)意義。因此，藥物小分子與DNA、蛋白質(zhì)相互作用的研究已成為化學(xué)和生命科學(xué)的熱門課題之一。進行藥物小分子與DNA、蛋白質(zhì)之間的相互作用研究不僅有助于從分子水平上闡述藥物的作用機理，而且對抗癌、抗病毒藥物的體外篩選具有重要的意義，同時也為設(shè)計更有效的抗癌、抗病毒藥物提供了理論指導(dǎo)和有價值的信息。12藥物與生物大分子相互作用的研究方法 近年來,人們采用多種現(xiàn)代實驗手段從不同角度對藥物小分子與DNA、蛋白質(zhì)之間的作用進行了廣泛研究。目前常用的方法有:紫外可見吸收光譜、熒光光譜、圓二色光譜、線二色光譜、

9、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振、質(zhì)譜、電化學(xué)、電泳、微量熱及粘度等方法。1.2.1 紫外一可見吸收光譜法紫外可見吸收光譜法是研究小分子與生物大分子相互作用的一種最方便、最常用的技術(shù)。對DNA的吸收光譜來說，如果導(dǎo)致分子的軸向變化即其構(gòu)象變化，則產(chǎn)生減色效應(yīng)及紅移現(xiàn)象，且作用越強減色效應(yīng)越明顯。如果導(dǎo)致DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的破壞，則產(chǎn)生增色效應(yīng)。對于小分子的特征吸收光譜，如果該分子與DNA發(fā)生嵌插作用，則該子的吸收光譜出現(xiàn)減色(增色)效應(yīng)和紅移(藍移)現(xiàn)象；如果該分子與DNA發(fā)生靜電作用或溝槽作用，紫外可見吸收光譜峰將出現(xiàn)較小的紅移，且其減色效應(yīng)不明顯。蛋白質(zhì)的紫外吸收主要來源于氨基酸的側(cè)鏈

10、基團(Trp的吲哚基、Tyr的酚基、Phe的苯基)對光的吸收。一般來說，氨基酸殘基的微環(huán)境由蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象決定，構(gòu)象改變，微環(huán)境改變，生色基團的紫外吸收光譜隨之發(fā)生改變。小分子配體與蛋白質(zhì)結(jié)合前后的吸收光譜有一定差異時，說明蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生了變化，也可借此來判斷小分子對蛋白質(zhì)熒光的淬滅機理，也可用紫外可見吸收光度法計算小分子與蛋白質(zhì)作用的結(jié)合常數(shù)和結(jié)合位點數(shù)。 1.2.2 熒光光譜法 熒光光譜法是研究小分子與生物大分子相互作用的主要手段。熒光光譜法中多數(shù)情況是采用熒光淬滅法研究藥物與生物大分子的相互作用，可引入外源性熒光物質(zhì)作為指示探針，也可利用蛋白質(zhì)自身的內(nèi)源熒光作為探針討論藥物與生物大分

11、子的鍵和情況。藥物分子與生物大分子發(fā)生反應(yīng)時，可引起體系熒光性質(zhì)的改變，有兩種情況：一種是藥物分子無熒光，在蛋白質(zhì)溶液加入藥物后，蛋白質(zhì)的內(nèi)源熒光被淬滅：另一種是藥物分子有熒光，蛋白質(zhì)與藥物混合后，其內(nèi)源熒光被淬滅，同時藥物分子的熒光被敏化增強。1.2.3 圓二色譜法一束平面偏振光進入某些物質(zhì)并通過該物質(zhì)傳播時，若出射光的偏振面相對于入射光的偏振面旋轉(zhuǎn)了一定的角度，則稱這種物質(zhì)為光學(xué)活性物質(zhì)或“手性"物質(zhì)。光活性物質(zhì)的這種使平面偏振光偏振面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)稱為光學(xué)活性。光活性物質(zhì)除使入射并通過其傳播的平面偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)一定角度(稱之為旋光)，還可能存在光吸收各向異性，即它對左旋圓偏

12、振光和右旋圓偏振光吸收率不同，從而使平面偏振光變?yōu)闄E圓偏振光。光學(xué)物質(zhì)將平面偏振光改變成橢圓偏振光的效應(yīng)稱為圓二色性。圓二色性的大小可以橢圓率口，摩爾橢圓率膨，或平均殘基摩爾橢圓率艘7放矽來表示。圓二色譜是以波長為橫坐標(biāo)，以圓二色性的大小為縱坐標(biāo)所作的曲線譜圖。生物大分子都具有光學(xué)活性。生物大分子的光學(xué)活性來源于其結(jié)構(gòu)的不對稱，特別是分子中存在的不對稱的碳原予以及這些碳原子對附近生色團的影響。生物大分子的構(gòu)象與其表現(xiàn)出來的生物活性有著密切的關(guān)系，因此CD譜是研究生物大分子二級結(jié)構(gòu)的重要手段。對生物大分子這樣的復(fù)雜體系的分析，從實驗中得到以下結(jié)論：(1)在190-240nm紫外波段，主要的生色團

13、是肽鏈，因此這個波段CD譜信息可以反映生物大分子主鏈的構(gòu)象。(2)在240-300nm近紫外波段，主要的生色團是芳香氨基酸的側(cè)鏈，這時的CD譜的信息可以反映局部側(cè)鏈的相互作用。(3)大于300nm區(qū)段的CD譜主要反映金屬離子氧化態(tài)，配體及鏈之間相互作用的信息及小分子與生物大分子的配位作用。(4)具有螺旋構(gòu)象的分子在其CD波譜的222nm和208nm附近呈負(fù)峰，并在190nm附近有正峰：而對于無規(guī)卷曲構(gòu)象在198nm附近有負(fù)峰，在220nm附近還有一小而寬的正峰：但生物大分子的B折疊構(gòu)象的橢圓率卻不像a螺旋構(gòu)象那么恒定。一般蛋白質(zhì)的CD譜在190nm左右為正峰，205235nm范圍為負(fù)峰。典型的

14、Q螺旋給出209nm和222nm左右的兩個負(fù)槽。B折疊給出215rim的負(fù)槽。二硫鍵在195-200nm和250-260nm各有一個峰；Trp、Tyr、Phe三個側(cè)鏈的峰在230-310nm之間。DNA的CD譜由245nm處的負(fù)峰和276nm處的正峰組成，245nm處的負(fù)峰是螺旋結(jié)構(gòu)的特征，276nm處的正峰是堿基堆積的特征。1.2. 4 紅外光譜法紅外光譜是研究小分子藥物與血清白蛋白和DNA 相互作用的新方法,它可以從蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)變化的層次來探討其結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。 運用蛋白質(zhì)紅外光譜酰氨帶和酰氨帶結(jié)合的方法對人血清白蛋白與21 ,2 ,3 ,4 ,62五202倍酰2D2葡萄糖(PGG)

15、作用后二級結(jié)構(gòu)的變化進行了定量分析,結(jié)果表明隨著藥物濃度增加,PGG和HSA 之間的相互作用主要使HSA 的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生了螺旋向2轉(zhuǎn)角和無規(guī)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。 應(yīng)用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜研究了中草藥三七總皂甙對牛血清白蛋白溶液構(gòu)象的影響,實驗表明隨著三七總皂甙濃度增加,蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生了由螺旋向折疊的轉(zhuǎn)化。研究了4 、5 、72三羥基二氫黃酮與人血清白蛋白相互作用方式。 研究了聚二烯丙基氯化銨( PDDA) 與DNA 的作用,證明PDDA 與DNA 分子中的堿基和磷酸基發(fā)生了作用,DNA2PDDA 復(fù)合物的形成導(dǎo)致DNA 二級結(jié)構(gòu)構(gòu)象發(fā)生了變化。1.2. 5 核磁共振法核磁共振(NMR)

16、 法可以定量確定結(jié)合位點的化學(xué)變化,直接檢測和識別結(jié)合體。在研究藥物2蛋白質(zhì)結(jié)合物的穩(wěn)定性及影響因素,藥物分子的構(gòu)效關(guān)系及簡化藥物篩選過程中發(fā)揮著獨特作用 。當(dāng)藥物小分子與DNA 嵌插結(jié)合時,DNA 31 P NMR 譜化學(xué)位移向低場方向移動, 而嵌插部位芳環(huán)質(zhì)子的1 H NMR的化學(xué)位移向高場方向移動,同時由于馳豫時間的改變,譜峰顯著拓寬用親和磁共振法研究了糖肽萬古霉素與10 種低聚肽混合物的相互作用,研究表明兩種含D2殘基的低聚肽DDFA 和DDFS 與萬古霉素有明顯的結(jié)合作用。Sulkowaska 等研究了阿糖胞苷、阿斯匹林與牛血清白蛋白的相互作用,研究表明在阿斯匹林存在下可使阿糖胞苷與

17、牛血清白蛋白的親和力減弱。報道了人血清白蛋白、水楊酸、葡萄糖及維生素C 混合物相互作用機理。1.2. 6 電化學(xué)方法電化學(xué)方法比較適用于一些吸收光譜比較弱,或由于其電子躍遷譜帶發(fā)生重疊而無法用紫外可見吸收光譜等方法來研究的分子,尤其是對于一些主要通過靜電結(jié)合模式與DNA 作用的分子。近年來,基于DNA 修飾電極發(fā)展起來的表面電化學(xué)方法具有簡單、可靠、DNA 用量少等優(yōu)點,可用于研究DNA 與電化學(xué)活性物質(zhì),各種離子之間的相互作用,DNA 損傷, DNA 的結(jié)構(gòu)形式,堿基序列及識別互補DNA 研究采用循環(huán)伏安法、微分脈沖伏安法、交流阻抗數(shù)據(jù)擬合技術(shù)研究了銅( ) 鄰菲咯啉蛋氨酸配合物與DNA 相

18、互作用,確定作用方式為部分插入。用微分脈沖伏安法、UV2電化學(xué)法研究了紫杉醇對柔紅霉素與DAN 作用的影響。1.2. 7 凝膠電泳法凝膠電泳法是研究DNA 分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)象和斷鏈的主要手段。嵌插作用可以導(dǎo)致小分子2DNA 復(fù)合物電泳遷移率明顯降低,而斷鏈可使DNA 電泳遷移速度明顯加快。據(jù)此可以判斷小分子是否與DNA 發(fā)生了嵌插作用或斷鏈作用。高恩君等報道了用凝膠電泳法確定有較高抗癌活性鈀配合物與DNA 作用方式,初步判斷配合物主要以插入方式與DNA 發(fā)生作用。1.3 其它方法拉曼光譜法、質(zhì)譜法、親和毛細管電泳法及許多物理化學(xué)方法和其它先進技術(shù)也被用于小分子與DNA 相互作用機理的研究。利用親和

19、毛細管電泳法研究了Ca2 + 與2人乳清蛋白( HLA) 結(jié)合情況,結(jié)果表明Ca2 + 的結(jié)合加強了2HLA 的穩(wěn)定性。采用粘度法研究多吡啶配體及其混配釕配合物與DNA 的作用,為嵌入鍵合模式提供了有力證據(jù)。Rahman 等采用平衡滲析研究了布洛芬。總之,對于藥物小分子與DNA 、血清白蛋白復(fù)雜體系的研究,僅僅用單一方法是遠不能令人滿意的,必須綜合運用各種方法和手段進行全方位的研究才能得到比較可靠的結(jié)論。2.展望多年來人們對藥物小分子與核酸、蛋白質(zhì)相互作用的方法研究已經(jīng)取得了一定進展和實際應(yīng)用成果,但仍有許多問題有待解決。今后的研究將主要集中在以下幾個方面:(1) 進一步深入研究藥物與DNA、