第十四章-藥物代謝反應(yīng)

1、第十四章 藥物代謝反應(yīng)drug metabolism,,概述,第Ⅰ相的生物轉(zhuǎn)化,第Ⅱ相的生物轉(zhuǎn)化,藥物代謝在藥物研究中的作用,,第一節(jié) 概述introduction,第一節(jié) 概述 introduction,一 基本概念,藥物在體內(nèi)的過程比較復(fù)雜。簡單來說：經(jīng)口服or靜脈給藥，經(jīng)吸收、轉(zhuǎn)運、分布到達作用部位，產(chǎn)生藥理作用包括副作用，最后一部分藥物通過膽汁、糞便排泄，大部分經(jīng)腎臟排出體外。,藥物發(fā)生生物轉(zhuǎn)化，又稱藥物代謝。,藥物在

2、體內(nèi)各種酶的催化下，多發(fā)生在：,非極性分子通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成極性分子，在于體內(nèi)內(nèi)源性物質(zhì)結(jié)合，排出體外。以氧化、水解和結(jié)合反應(yīng)最常見。,首關(guān)消除：（first pass elimination）,某些口服藥物經(jīng)過腸粘膜吸收以后，通過門靜脈進入肝臟，有些藥物在首次通過肝臟時，就被滅活代謝，進入體循環(huán)的藥量減少。也稱：首關(guān)代謝(first pass metabolism) 第一關(guān)卡效應(yīng)(first pass effe

3、ct)舌下給藥與直腸給藥避免如硝酸甘油。,www.themegallery.com,Company Logo,代謝產(chǎn)物,代 謝,,,,,生物轉(zhuǎn)化,Ⅱ相反應(yīng)：結(jié)合反應(yīng),藥物分子,二 代謝反應(yīng)的分類,Ⅰ相反應(yīng)：官能團反應(yīng),藥物的代謝通常分為兩相：第Ⅰ相（phase Ⅰ）生物轉(zhuǎn)化和第Ⅱ相（phase Ⅱ）生物轉(zhuǎn)化。第Ⅰ相主要是官能團化反應(yīng)，在酶的催化下對藥物分子的進行氧化、還原、水解和羥化等反應(yīng)，在藥物分子中引入或使藥物分子暴露出極

4、性基團，如羥基、羧基、巰基和氨基等。 第Ⅱ相又稱為結(jié)合反應(yīng)，將第Ⅰ相中藥物產(chǎn)生的極性基團與體內(nèi)的內(nèi)源性成分，如葡萄糖醛酸、硫酸、甘氨酸或谷胱甘肽，經(jīng)共價鍵結(jié)合，生成極性大、易溶于水和易排出體外的結(jié)合物。,第Ⅰ相生物轉(zhuǎn)化是官能團化反應(yīng)，是在體內(nèi)多種酶系的催化下，對藥物分子引入新的官能團或改變原有的官能團的過程。參與藥物體內(nèi)Ⅰ相生物轉(zhuǎn)化的酶類主要是氧化-還原酶和水解酶。,三 藥物代謝的酶 enzymes for drug metab

5、olism,,酶的分類,細(xì)胞色素P450酶系（cytochrome P450 enzyme system）,還原酶系（reductase）,過氧化物酶和單加氧酶（peroxidases and other monooxygenases）,水解酶（hydrolases）,(一)、細(xì)胞色素P450酶系cytochrome P450 enzyme system,細(xì)胞色素P450酶系（cytochrome P450 enzyme system，

6、CYP450）是主要的藥物代謝酶系，在藥物代謝、其他化學(xué)物質(zhì)的代謝、去毒性中起到非常重要的作用。 CYP450存在于肝臟及其他肝臟外組織的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，是一組血紅蛋白偶聯(lián)單加氧酶（heme-coupled monooxygenases）。需輔酶NADPH（reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯的還原態(tài)）和分子氧共同參與，主要進行藥物

7、生物轉(zhuǎn)化中的氧化反應(yīng)（包括失去電子、脫氫反應(yīng)和氧化反應(yīng)）。,CYP450主要是通過“活化”分子氧，使其中一個氧原子和有機物分子結(jié)合，同時將另一個氧原子還原成水，從而在有機藥物的分子中引入氧。,www.themegallery.com,Company Logo,涉及大多數(shù)藥物代謝的P450見下表,人體P450家族,www.themegallery.com,Company Logo,P450亞族在藥物代謝中的作用： CYP3A4，約

8、占藥物50% CYP2D6，約占藥物30% CYP2C9，約占10% CYP1A2，約占4% CYP2A6 和 CYP2C19各占2%,,人的不同亞型CYP在藥物代謝中的作用,(二)還原酶系reductase,還原酶系主要是催化藥物在體內(nèi)進行還原反應(yīng)（包括得到電子、加氫反應(yīng)、脫氧反應(yīng)）的酶系，通常是使藥物結(jié)構(gòu)中的羰基轉(zhuǎn)變成羥基，將含氮化合物還原成胺類，便于進入第Ⅱ相的結(jié)合反應(yīng)而排出體外。,,參加體內(nèi)生物轉(zhuǎn)

9、化還原反應(yīng)的酶系主要是一些氧化-還原酶系。具有催化氧化反應(yīng)和催化還原反應(yīng)的雙重功能，如CYP450酶系；醛-酮還原酶，這些酶需要NADPH或NADH作為輔酶。 谷胱甘肽氧化還原酶（glutathione oxidoreductase）醌還原酶,(三)過氧化物酶和單加氧酶（peroxidases and other monooxygenases）,過氧化物酶屬于血紅蛋白，是和CYP450單加氧酶最為類似的一種酶。這類酶以過

10、氧化物作為氧的來源，在酶的作用下進行電子轉(zhuǎn)移，通常是對雜原子進行氧化（如N-脫烴基化反應(yīng)）和1，4-二氫吡啶的芳構(gòu)化。其他的過氧化物酶還有前列腺素-內(nèi)過氧化物合成酶、過氧化氫酶及髓過氧化物酶（myeloperoxidase）。,單加氧酶中除了CYP450酶系外，還有黃素單加氧酶（flavin monooxygenase，F(xiàn)MO）和多巴胺β-羥化酶（dopamine β-hydroxylase）。FMO和CYP450酶系一起共同催化藥

11、物分子在體內(nèi)的氧化，但FMO通常催化含N和S雜原子的氧化，而不發(fā)生雜原子的脫烷基化反應(yīng)。,(四) 水解酶 hydrolases,水解酶主要參與羧酸酯和酰胺類藥物的水解代謝，這些非特定的水解酶大多存在于血漿、肝、腎和腸中，因此大部分酯和酰胺類藥物在這些部位發(fā)生水解。然而哺乳類動物的組織中也含有這些水解酶，使藥物發(fā)生水解代謝。但是藥物在肝臟、消化道及血液中更易被水解。酯水解酶包括酯酶、膽堿酯酶及許多絲氨酸內(nèi)肽酯酶。其他如芳磺酸酯酶、芳基

12、磷酸二酯酶、β-葡萄糖苷酸酶、環(huán)氧化物水解酶（epoxide hydrolase）等，它們和酯水解酶的作用相似。,第二節(jié) 第Ⅰ相的生物轉(zhuǎn)化phase Ⅰ biotransformation,第Ⅰ相生物轉(zhuǎn)化是指對藥物分子進行官能團化的反應(yīng)，主要發(fā)生在藥物分子的官能團上，或分子結(jié)構(gòu)中活性較高、位阻較小的部位，包括引入新的官能團及改變原有的官能團。 氧化反應(yīng)（oxidations）

13、 還原反應(yīng)（reductions） 脫鹵素反應(yīng)（dehalogenation） 水解反應(yīng)（hydrolysis）,,一、氧化反應(yīng)（oxidations）,1．芳環(huán)及碳-碳不飽和鍵的氧化（1）含芳環(huán)藥物的代謝： 含芳環(huán)藥物的氧化代謝主要是在CYP450酶系催化下進行的。,,含芳環(huán)藥物的氧化代謝是以生成酚的代謝產(chǎn)物為主，一般遵照芳環(huán)親電取代反應(yīng)的原

14、理，供電子取代基能使反應(yīng)容易進行，生成酚羥基的位置在取代基的對位或鄰位；吸電子取代基則削弱反應(yīng)的進行程度，生成酚羥基的位置在取代基的間位。和一般芳環(huán)的取代反應(yīng)一樣，芳環(huán)的氧化代謝部位也受到立體位阻的影響，通常發(fā)生在立體位阻較小的部位。,如果藥物分子中含有兩個芳環(huán)時，一般只有一個芳環(huán)發(fā)生氧化代謝，如phenytoin和phenylbutazone。若兩個芳環(huán)上取代基不同時，一般是電子云較豐富的芳環(huán)易被氧化。如抗精神病藥氯丙嗪（chl

15、orpromazine）易氧化生成7-羥基化合物，而含氯原子的苯環(huán)則不易被氧化。,,（2）含烯烴和炔烴藥物的代謝： 由于烯烴化合物比芳香烴的?鍵活性高，因此烯烴化合物也會被代謝生成環(huán)氧化合物。例如抗癲癇藥物卡馬西平（carbamazepine）。,,,烯烴類藥物經(jīng)代謝生成環(huán)氧化合物后，可以被轉(zhuǎn)化為二羥基化合物，或者將體內(nèi)生物大分子如蛋白質(zhì)、核酸等烷基化，從而產(chǎn)生毒性，導(dǎo)致組織壞死和致癌作用。例如黃曲霉素B1（aflatoxin

16、B1）經(jīng)代謝后生成環(huán)氧化合物，該環(huán)氧化合物會進一步與DNA作用生成共價鍵化合物，是該化合物致癌的分子機制。,,炔烴類被酶催化氧化速度也比烯烴快。根據(jù)酶進攻炔鍵碳原子的不同，生成的產(chǎn)物也不同。如甾體化合物炔雌醇會發(fā)生這類酶去活化作用。,,2．飽和碳原子的氧化,（1）含脂環(huán)和非脂環(huán)結(jié)構(gòu)藥物的氧化：烷烴類藥物經(jīng)CYP450酶系氧化后先生成含自由基的中間體，再經(jīng)轉(zhuǎn)化生成羥基化合物。 酶在催化時具有區(qū)域選擇性，取決于被氧化碳原子附近的

17、取代情況。含自由基的中間體也會在CYP450酶系作用下，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，最后脫氫生成烯烴化合物。 β,,長碳鏈的烷烴常在碳鏈末端甲基上氧化生成羥基，羥基化合物可被脫氫酶進一步氧化生成羧基，稱為ω-氧化；氧化還會發(fā)生在碳鏈末端倒數(shù)第二位碳原子上，稱ω-1氧化。例如抗癲癇藥丙戊酸鈉（sodium valproate），經(jīng)ω-氧化生成ω-羥基丙戊酸鈉和丙基戊二酸鈉；經(jīng)ω-1氧化生成2-丙基-4-羥基戊酸鈉。,,烷烴化合物除了ω-和ω-1氧化外，

18、還會在有支鏈的碳原子上發(fā)生氧化，主要生成羥基化合物，如異戊巴比妥（amobarbital）的氧化，其氧化是在有支鏈的碳原子上。,,異戊巴比妥,取代的環(huán)己基藥物在氧化代謝時，一般是環(huán)己基的C3及C4上氧化生成羥基化合物，并有順、反式立體異構(gòu)體。如降血糖藥乙酸己脲（acetohexamide）代謝生成環(huán)己基4-羥基化產(chǎn)物。,,乙酸己脲,（2）和sp2碳原子相鄰碳原子的氧化：當(dāng)烷基碳原子和sp2碳原子相鄰時，如羰基的?碳原子、芐位碳原子及烯丙

19、位的碳原子，由于受到sp2碳原子的作用，使其活化反應(yīng)性增強，在CYP450酶系的催化下，易發(fā)生氧化生成羥基化合物。 處于羰基?位的碳原子易被氧化，如鎮(zhèn)靜催眠藥地西泮（diazepam），經(jīng)代謝后生成替馬西泮（temazepam）,,地西泮 替馬西泮,3．含氮化合物的氧化,含氮藥物的氧化代謝主要發(fā)生在兩個部位：一是在和氮原子相連接的碳原子上，發(fā)生N-脫烷基化和脫氨反應(yīng)；另一是發(fā)生N-氧化反應(yīng)。,,

20、（1）N-脫烷基化和脫氨反應(yīng)：N-脫烷基和氧化脫氨是胺類化合物氧化代謝過程的兩個不同方面，本質(zhì)上都是碳-氮鍵的斷裂。是與氮原子相連的烷基碳原子上應(yīng)有氫原子（即?-氫原子），該?-氫原子被氧化成羥基，生成的?-羥基胺是不穩(wěn)定的中間體，會發(fā)生自動裂解。,如β受體阻滯劑普萘洛爾（propranolol）的代謝有兩條不同途徑。,,胺類化合物氧化N-脫烷基化的基團通常是甲基、乙基、丙基、異丙基、丁基、烯丙基和芐基，以及其他含?-氫原子的基團。取

21、代基的體積越小，越容易脫去。對于叔胺和仲胺化合物，叔胺的脫烷基化反應(yīng)速度比仲胺快。,,利多卡因,胺類藥物代謝脫N-烷基化后，通常會產(chǎn)生活性更強的藥物，例如三環(huán)類抗抑郁藥物丙米嗪（imipramine）經(jīng)脫N-甲基代謝生成地昔帕明（desipramine）也具有抗抑郁活性?；虍a(chǎn)生毒副作用，例如上述的利多卡因的代謝以及N-異丙甲氧明（N-isopropylmethoxamine）經(jīng)脫N-烷基后生成甲氧明（methoxamine），會引起血壓

22、升高，臨床上用于升高血壓。,丙米嗪 地昔帕明 N-異丙甲氧明 甲氧明,（2）N-氧化反應(yīng)：一般來說，胺類藥物在體內(nèi)經(jīng)氧化代謝生成穩(wěn)定的N-氧化物，主要是叔胺和含氮芳雜環(huán)，而伯胺和仲胺類藥物的這種代謝通常比較少。伯胺和仲胺結(jié)構(gòu)中如果無?-氫原子，則氧化代謝生成羥基胺、亞硝基或硝基化合物。酰胺類化合物的氧化代謝也與之相似。,叔胺經(jīng)N-氧化后生成化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的N-

23、氧化物，而不再進一步發(fā)生氧化反應(yīng)，如抗高血壓藥胍乙啶（fuanethidine），在環(huán)上的叔胺氮原子氧化生成N-氧化物。,,胍乙啶 N-氧化物,抗組胺藥賽庚啶（cyproheptadine）在狗體內(nèi)代謝時，主要產(chǎn)生?-N-氧化物，而沒有β-N-氧化物生成，這是由于體內(nèi)酶所發(fā)揮的立體選擇性的結(jié)果。如果在正常情況下，用過氧化氫氧化賽庚啶，則可以得到?-和β-兩種N-氧化物。,,賽庚啶

24、 ?-N-氧化物,芳香伯胺和仲胺在N-氧化后，形成的N-羥基胺會在體內(nèi)第Ⅱ相生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)中結(jié)合生成乙酸酯或硫酸酯。由于乙酸酯基和硫酸酯基是比較好的離去基團，因此，形成的酯易和生物大分子如蛋白質(zhì)、DNA及RNA反應(yīng)生成烷基化的共價鍵，產(chǎn)生毒副作用。,,酰胺類藥物也會經(jīng)歷N-氧化代謝。但只有伯胺和仲胺形成的酰胺才有這樣的反應(yīng)，得到的是N-羥基化合物；而叔胺的酰胺不進行N-氧化反應(yīng)。芳香胺的酰胺和上面敘及的芳香伯胺、仲

25、胺一樣，生成的羥胺中間體會被活化，然后和生物大分子反應(yīng)，產(chǎn)生細(xì)胞毒和致癌的毒性。,,4．含氧化合物的氧化,含氧化物的氧化代謝以醚類藥物為主，醚類藥物在微粒體混合功能酶的催化下，進行O-脫烷基化反應(yīng)。其O-脫烷基化反應(yīng)的機制和N-脫烷基化的機制一樣，首先在氧原子的α-碳原子上進行氧化羥基化反應(yīng)，然后C—O鍵斷裂，脫烴基生成羥基化合物（醇或酚）以及羰基化合物。,,5．含硫化合物的氧化,含硫原子的藥物，相對而言比含氮、氧原子的藥物少。這些藥物

26、主要經(jīng)歷三個氧化代謝反應(yīng)─S-脫烷基、氧化脫硫和S-的氧化。（1）S-脫烷基：芳香或脂肪族的硫醚通常在CYP450酶系的作用下，經(jīng)氧化S-脫烷基生成巰基和羰基化合物。如抗腫瘤活性的藥物6-甲巰嘌呤（6-methylmercaptopurine）經(jīng)氧化代謝脫6-甲基得巰嘌呤（mercaptopurine）。,,6-methylmercaptopurine mer

27、captopurine,（2）氧化脫硫：氧化脫硫反應(yīng)主要是指對碳-硫雙鍵（C=S）和磷-硫雙鍵（P=S）的化合物經(jīng)氧化代謝后生成碳-氧雙鍵（C=O）和磷-氧雙鍵（P=O）。 硫羰基化合物是單加氧酶的作用底物，經(jīng)單加氧酶氧化后生成S-單氧化物，進而轉(zhuǎn)化為S-雙氧化物。這些S-氧化物不穩(wěn)定，較活潑，很容易脫硫生成羰基化合物，通常見于硫代酰胺和硫脲的代謝。如硫噴妥（thiopental）經(jīng)氧化脫硫生成戊巴比妥（pentabarbital）。

28、,,（3）S-氧化反應(yīng)：硫醚類藥物除發(fā)生氧化脫S-烷基代謝外，還會在黃素單加氧酶或CYP450酶的作用下，氧化生成亞砜，亞砜還會被進一步氧化生成砜。如抗精神失常藥硫利達嗪（thioridazine），經(jīng)氧化代謝后生成亞砜化合物美索噠嗪（mesoridazine），其抗精神失?；钚员攘蚶_嗪高1倍,,6．醇和醛的氧化,含醇羥基的藥物在體內(nèi)醇脫氫酶的催化下，脫氫氧化得到相應(yīng)的羰基化合物。大部分伯醇在體內(nèi)很容易被氧化生成醛，但醛不穩(wěn)

29、定，在體內(nèi)醛脫氫酶等酶的催化下進一步氧化生成羧酸；仲醇中的一部分可被氧化生成酮，也有不少仲醇不經(jīng)氧化而和叔醇一樣經(jīng)結(jié)合反應(yīng)直接排出體外。,,二、還原反應(yīng)（reductions）,1．羰基的還原 酮羰基是藥物結(jié)構(gòu)中常見的基團，通常在體內(nèi)經(jīng)酮還原酶的作用，生成仲醇。脂肪族和芳香族不對稱酮羰基在酶的催化下，立體專一性還原生成一個手性羥基，主要是S-構(gòu)型，即使有其他手性中心存在亦是如此，如降血糖藥乙酸己脲（acetohexamide）經(jīng)代謝后

30、以生成S-（?）-代謝物為主；鎮(zhèn)痛藥S-（+）-美沙酮（methadone）經(jīng)代謝后生成3S，6S-?-（?）-美沙醇。,,,acetohexamide S-（?）-代謝物,methadone 3S，6S-?-（?）-美沙醇,2．硝基的還原 芳香族硝基在代謝還原過程中，在CYP450酶系消化道細(xì)菌硝基還原酶等酶的催化下，還原生成芳香氨基。還原是一個多步驟過程，其間經(jīng)歷亞硝基、羥基胺等中間步驟。其硝基還原成亞硝基是厭氧過

31、程，氧氣的存在會抑制還原反應(yīng)。,,還原得到的羥基胺毒性大，可致癌和產(chǎn)生細(xì)胞毒。,,3．偶氮基的還原 偶氮基的還原在很多方面和硝基還原相似，該反應(yīng)也是在CYP450酶系、NADPH-CYP450還原酶及消化道某些細(xì)菌的還原酶的催化下進行的。氧的存在通常也會抑制還原反應(yīng)的進行。還原中，偶氮鍵先還原生成氫化偶氮鍵，最后斷裂形成兩個氨基。,,例如，抗?jié)冃越Y(jié)腸炎藥物柳氮磺吡啶（sulfasalazine）在腸中被腸道細(xì)菌還原生成磺胺吡啶（

32、sulfapyridine）和5-氨基水楊酸（5-aminosalicylic）。后兩者均有抗菌作用。,,sulfasalazine sulfapyridine 5-aminosalicylic,三、脫鹵素反應(yīng)（dehalogenation）,在日常生活中，許多藥物和化學(xué)工業(yè)品是含鹵素的烴類，如全身麻醉藥、增塑劑、殺蟲劑、除害劑、阻燃劑及化學(xué)溶劑等，這些鹵代烴在體內(nèi)經(jīng)歷了

33、各種不同的生物代謝過程。在體內(nèi)一部分鹵代烴和谷胱甘肽或硫醚氨酸形成結(jié)合物排出體外，其余的在體內(nèi)經(jīng)氧化脫鹵素反應(yīng)和還原脫鹵素反應(yīng)進行代謝。在代謝過程中，鹵代烴生成一些活性的中間體，會和一些組織蛋白質(zhì)分子反應(yīng)，產(chǎn)生毒性。,氧化脫鹵素反應(yīng)是許多鹵代烴的常見的代謝途徑。CYP450酶系催化氧化鹵代烴生成過渡態(tài)的偕鹵醇，然后，再消除鹵氫酸得到羰基化合物（醛、酮、酰鹵和羰酰鹵化物）。這一反應(yīng)需被代謝的分子中至少有一個鹵素和一個?-氫原子。偕三鹵代

34、烴，如三氯甲烷，比相應(yīng)的偕二鹵代烴及單鹵代烴更容易被氧化代謝，生成活性更強的酰氯或羰酰氯中間體，或水解生成無毒的碳酸和氯離子；或和組織中蛋白質(zhì)分子反應(yīng)，產(chǎn)生毒性。抗生素氯霉素（chloramphenicol）中的二氯乙?；鶄?cè)鏈代謝氧化后生成酰氯，能對CYP450酶等中的脫輔基蛋白發(fā)生?；＿@是氯霉素產(chǎn)生毒性的原因之一 。,,四、水解反應(yīng)（hydrolysis）,水解反應(yīng)是具有酯和酰胺類藥物在體內(nèi)代謝的主要途徑，如羧酸酯、硝酸酯、磺酸酯

35、、酰胺等藥物在體內(nèi)代謝生成相應(yīng)的酸及醇或胺，酯和酰胺的水解反應(yīng)可以在酯酶和酰胺酶的催化下進行，這些酶主要分布在血液中，其次在肝臟微粒體中、腎臟及其他組織中，也可以在體內(nèi)酸或堿的催化下進行非酶的水解。,,體內(nèi)酯酶水解有時具有一定選擇性，有些水解脂肪族酯基，有些只水解芳香羧酸酯。如可卡因（cocaine）在體外用人肝臟酶催化水解時，只水解芳香羧酸酯基，不水解脂環(huán)羧酸酯基；而在體內(nèi)正好不同，主要水解脂環(huán)羧酸酯基。,,cocaine

36、 procainamide X＝NH procaine X＝O,第三節(jié) 第Ⅱ相的生物轉(zhuǎn)化phase Ⅱ biotransformation,第Ⅱ相生物轉(zhuǎn)化又稱結(jié)合反應(yīng)（conjugation），是在酶的催化下將內(nèi)源性的極性小分子如葡萄糖醛酸、硫酸、氨基酸、谷胱甘肽等結(jié)合到藥物分子中或第Ⅰ相的藥物代

37、謝產(chǎn)物中。通過結(jié)合使藥物去活化以及產(chǎn)生水溶性的代謝物，有利于從尿和膽汁中排泄。 結(jié)合反應(yīng)分兩步進行，首先是內(nèi)源性的小分子物質(zhì)被活化，變成活性形式;然后經(jīng)轉(zhuǎn)移酶的催化與藥物或藥物在第Ⅰ相的代謝產(chǎn)物結(jié)合，形成代謝結(jié)合物。藥物或其代謝物中被結(jié)合的基團通常是羥基、氨基、羧基、雜環(huán)氮原子及巰基。,對于有多個可結(jié)合基團的化合物，可進行多種不同的結(jié)合反應(yīng)，如對氨基水楊酸（p-aminosalicylic acid）。,,,,谷胱甘肽結(jié)合,,,硫酸

38、酯化結(jié)合,,葡萄糖醛酸的結(jié)合,氨基酸的結(jié)合,氨基酸的結(jié)合,甲基化結(jié)合,乙?；Y(jié)合,一 葡萄糖醛酸的結(jié)合（glucuronic acid conjugation）,和葡萄糖醛酸的結(jié)合反應(yīng)是藥物代謝中最普遍的結(jié)合反應(yīng)，生成的結(jié)合產(chǎn)物含有可解離的羧基（pKa 3.2）和多個羥基，無生物活性，易溶于水和排出體外。葡萄糖醛酸通常是以活化型的尿苷-5-二磷酸-?-D-葡萄糖醛酸（uridine diphosphate glucuronic aci

39、d，UDPGA）作為輔酶存在，在轉(zhuǎn)移酶的催化下，使葡萄糖醛酸和藥物或代謝物結(jié)合。在UDPGA中葡萄糖醛酸以?-糖苷鍵與尿苷二磷酸相連，而形成葡萄糖醛酸結(jié)合物后，則以β-糖苷鍵結(jié)合。結(jié)合反應(yīng)是親核性取代反應(yīng)。,,UDPGA,葡萄糖醛酸的結(jié)合反應(yīng)共有四種類型—O-，N-，S-和C-的葡萄糖醛酸苷化。,,對乙酰氨基酚,,布洛芬,,對氨基水楊酸,O-葡萄糖醛酸苷化反應(yīng)和O-硫酸酯反應(yīng)通常是競爭性反應(yīng)，前者在高劑量下發(fā)生，后者在較低劑量下發(fā)生，其

40、原因是糖苷化反應(yīng)具有低親和力和高反應(yīng)容量，而硫酸酯化是高親和力和低反應(yīng)容量。對于多個可結(jié)合羥基時，可得到不同的結(jié)合物，其活性亦不一樣。如嗎啡（morphine）有3-酚羥基和6-仲醇羥基，分別和葡萄糖醛酸反應(yīng)生成3-O-糖苷物，是弱的阿片樣拮抗劑；生成6-O-糖苷物，則是較強的阿片樣激動劑。,,morphine,參與N-葡萄糖醛酸苷化反應(yīng)的胺有芳香胺、脂肪胺、酰胺和磺酰胺。芳香胺的反應(yīng)性小，結(jié)合反應(yīng)也比較少。脂肪胺中堿性較強的伯胺和仲

41、胺結(jié)合能力強，較易進行。此外，吡啶氮及具有1~2個甲基的叔胺也能和葡萄糖醛酸進行糖苷化反應(yīng)，生成極性較強的季銨化合物。磺酰胺類抗菌藥物磺胺地索辛（sulfadimethoxine）經(jīng)結(jié)合反應(yīng)后生成水溶性較高的代謝物，不會出現(xiàn)在腎臟中結(jié)晶的危險。,,,sulfadimethoxine sulfinpyrazone,二 硫酸酯化結(jié)合（sulfate conjug

42、ation）,藥物及代謝物可通過硫酸酯結(jié)合反應(yīng)而代謝，但不如葡萄糖醛酸苷化結(jié)合那樣普遍。硫酸酯化后產(chǎn)物水溶性增加，毒性降低，易排出體外。硫酸酯化結(jié)合過程是在磺基轉(zhuǎn)移酶（sulfotransferase）的催化下，由體內(nèi)活化型的硫酸化劑3′-磷酸腺苷-5′磷酰硫酸（PAPS）提供活性硫酸基，使底物形成硫酸酯。,,PAPS,參與硫酸酯化結(jié)合過程的基團主要有羥基、氨基和羥氨基,,acetaminophen,,salbutamol,酚羥基在形

43、成硫酸酯化結(jié)合反應(yīng)時，具有較高的親和力，反應(yīng)較為迅速。如支氣管擴張藥沙丁胺醇（salbutamol），結(jié)構(gòu)中有三個羥基，其中只有酚羥基形成硫酸酯化結(jié)合物，而脂肪醇羥基硫酸酯化結(jié)合反應(yīng)較低，且形成的硫酸酯易水解成為起始物。,酚羥基的硫酸酯化結(jié)合反應(yīng)和葡萄糖醛酸苷化反應(yīng)是競爭性反應(yīng)。但對于新生兒和3~9歲的兒童由于體內(nèi)葡萄糖醛酸苷化機制尚未健全，對酚羥基藥物代謝多以通過硫酸酯結(jié)合代謝途徑，而對成人則主要進行酚羥基的葡萄糖醛酸苷化結(jié)合代謝。如

44、解熱鎮(zhèn)痛藥對乙酰氨基酚（acetaminophen）即是如此。羥基胺及羥基酰胺是磺基轉(zhuǎn)移酶的較好的底物，在形成磺酸酯后，由于N—O鍵非均一性，極易分解斷裂生成氮正離子，具有較高的親電性，因此在體內(nèi)引起肝臟毒性和致癌性。如解熱鎮(zhèn)痛藥非那西丁（phenacetin），在體內(nèi)會引起肝、腎毒性。,,phenacetin,三、氨基酸的結(jié)合（conjugation with amino acid）,與氨基酸的結(jié)合反應(yīng)是許多本身或代謝物含羧酸類藥

45、物在體內(nèi)的主要結(jié)合反應(yīng)。參與結(jié)合反應(yīng)的羧酸有芳香羧酸、芳乙酸、雜環(huán)羧酸。參加反應(yīng)的氨基酸主要是生物體內(nèi)內(nèi)源性的氨基酸或是從食物中可以得到的氨基酸，其中以甘氨酸的結(jié)合反應(yīng)最為常見。 結(jié)合反應(yīng)是在輔酶A的作用下進行的，首先羧酸和輔酶A上的巰基（CoASH）形成?；?，該?；镌僭诎被酦-?；D(zhuǎn)移酶的催化下，將其?；D(zhuǎn)移到氨基酸的氨基上，形成N-?；被峤Y(jié)合物。,,在有些情況下，羧酸和輔酶A形成酰化物后，才具有藥理活性或成為藥物發(fā)揮活性

46、的形式。也有的直接參與體內(nèi)的某些轉(zhuǎn)化反應(yīng)。如芳基丙酸類非甾體抗炎藥物布洛芬（ibuprofen），其S-（+）-異構(gòu)體有效，R-（?）-異構(gòu)體無活性。在體內(nèi)輔酶A立體選擇性地和R-（?）-異構(gòu)體結(jié)合形成酰化輔酶A，不和S-（+）-異構(gòu)體結(jié)合。形成的酰化輔酶A在體內(nèi)酶的催化下發(fā)生差向異構(gòu)化，生成R-和S-酰化輔酶A。S-?；锖芸焖獾玫絊-（+）-布洛芬。通過這種方式手性藥物實現(xiàn)了在體內(nèi)異構(gòu)體的轉(zhuǎn)化。故在臨床上布洛芬可以使用消旋體。,,

47、Ibuprofen,四 谷胱甘肽結(jié)合 （glutathione cojugation）,谷胱甘肽（glutathione，GSH）是含有硫醇基團的三肽化合物。硫醇基（SH）具有較好親核作用，在體內(nèi)起到清除代謝產(chǎn)生的有害親電性物質(zhì)的作用。此外，谷胱甘肽還有氧化還原性質(zhì)，對藥物及代謝物的轉(zhuǎn)變起到重要的作用。,,glutathione,谷胱甘肽的結(jié)合反應(yīng)主要有親核取代反應(yīng)（SN2）、Michael加成反應(yīng)及還原反應(yīng)。,,白消安,,硝酸甘油酯

48、,,morphine,谷胱甘肽結(jié)合物的形成不是以此作為代謝的最終形式，而通常是進行進一步的生物轉(zhuǎn)化，最后谷胱甘肽結(jié)合物經(jīng)降解生成巰基尿酸（mercapturic acid）衍生物的形式被排出體外。,,谷胱甘肽和酰鹵的反應(yīng)是體內(nèi)解毒的反應(yīng)。當(dāng)多鹵代烴如三氯甲烷在體內(nèi)代謝生成酰鹵或光氣時會對體內(nèi)生物大分子進行酰化產(chǎn)生毒性。谷胱甘肽通過和酰鹵代謝物反應(yīng)后生成?；入赘孰?，解除了這些代謝物對人體的毒害。,五、乙?；Y(jié)合（acetylation）

49、,乙?；磻?yīng)是含伯氨基（包括脂肪胺和芳香胺）、氨基酸、磺酰胺、肼、酰肼等基團藥物或代謝物的一條重要的代謝途徑。前面討論的幾類結(jié)合反應(yīng)都是使親水性增加、極性增加，而乙?；磻?yīng)是將體內(nèi)親水性的氨基結(jié)合形成水溶性小的酰胺。乙?；磻?yīng)一般是體內(nèi)外來物的去活化反應(yīng)。,乙?；磻?yīng)是以乙酰輔酶A（acetyl CoA）作為輔酶，在酰基轉(zhuǎn)移酶（acyltransferase）的催化下進行的。,,acetyl CoA,首先乙酰輔酶A對N-乙酰轉(zhuǎn)移酶上的氨

50、基酸殘基進行乙?；?，然后再將乙?；D(zhuǎn)移到被?；x物的氨基上，形成乙?；?。 對于堿性較強的脂肪族伯胺和仲胺，乙?；磻?yīng)通常進行得較少，即使進行，結(jié)合率也比較低。但對于大多數(shù)芳香伯胺，由于其堿性中等，極易進行乙酰化反應(yīng)。,,六 甲基化結(jié)合（methylation）,甲基化反應(yīng)是藥物代謝中較為少見的代謝途徑，但是對一些內(nèi)源性物質(zhì)如腎上腺素、褪黑激素等的代謝非常重要，對分解某些生物活性胺以及調(diào)節(jié)活化蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的活性

51、也起到非常重要的作用。和乙?；磻?yīng)一樣，甲基化反應(yīng)也是降低被結(jié)合物的極性和親水性。只有叔胺化合物甲基化后生成季銨鹽，有利于提高水溶性而排泄。甲基化反應(yīng)一般不是用于體內(nèi)外來物的結(jié)合排泄，而是降低這些物質(zhì)的生物活性。,甲基化反應(yīng)是在甲基轉(zhuǎn)移酶（methyl transferase）的作用下以S-腺苷-L-甲硫氨酸（SAM）為輔酶進行的反應(yīng)。,,SAM,酚羥基的甲基化反應(yīng)主要是兒茶酚結(jié)構(gòu)活性物質(zhì)如腎上腺素（epinephrine）、去甲腎上

52、腺素（norepinephrine）及多巴胺（dopamine）等的代謝。催化兒茶酚類物質(zhì)氧甲基化的酶是兒茶酚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（catechol-O-methyltransferase，COMT），甲基化時具有區(qū)域選擇性（僅僅發(fā)生在3-位的酚羥基）和化學(xué)選擇性（僅對鄰二酚羥基）。非鄰二酚羥基結(jié)構(gòu)，如單酚羥基、其他二酚羥基一般不發(fā)生酚羥基甲基化。支氣管擴張藥特布他林（terbutaline）含有兩個間位羥基，不發(fā)生甲基化代謝 。,,nor

53、epinephrine,terbutaline,第四節(jié) 藥物代謝在藥物研究中的作用Role of drug metabolism in drug research,,Add Your Text,,一、設(shè)計和發(fā)現(xiàn)新藥,,二、優(yōu)化藥物的藥動學(xué)性質(zhì),Add Your Text,藥物代謝在藥物研究中的作用Role of drug metabolism in drug research,,1 尋找和發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物,2 先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)修

54、飾,3 對新藥研究的指導(dǎo)作用,,,一、設(shè)計和發(fā)現(xiàn)新藥（design and discovery of new drugs）,1．尋找和發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物,通過對藥物代謝產(chǎn)物的研究來尋找新藥的例子，在藥物化學(xué)的新藥研究中已舉不勝舉。例如，磺胺就是百浪多息的代謝產(chǎn)物，通過對磺胺的研究，發(fā)現(xiàn)了一大批磺胺類藥物。從研究代謝產(chǎn)物設(shè)計新藥至今仍是藥物化學(xué)研究中的一個重要方法，從代謝產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)物仍是先導(dǎo)物的一個重要來源。,2．先導(dǎo)化

55、合物的結(jié)構(gòu)修飾,在得到新的先導(dǎo)化合物后，利用藥物代謝的知識還可以進行先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)修飾。由于先導(dǎo)化合物只提供一種新作用的結(jié)構(gòu)類型，往往因作用強度弱、藥代性質(zhì)不合理，以及藥物不良作用等，不能直接用于臨床，需要對該先導(dǎo)化合物進行化學(xué)結(jié)構(gòu)的改造和修飾，以得到具有良好的藥效、合理的藥代和最低的毒副作用的新藥。利用藥物代謝的知識來進行先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)修飾的方法有很多，藥物的潛伏化（drug latentiation）和軟藥（soft drugs

56、）設(shè)計是化合物結(jié)構(gòu)修飾常用的方法。藥物的潛伏化又包括前藥（prodrugs）和生物前體（bioprecursor）。,一些抗生素如青霉素、頭孢菌素、四環(huán)素、林可霉素、紅霉素等，由于結(jié)構(gòu)中有許多極性基團，在使用過程中口服生物利用度較低，不能更好地發(fā)揮其抗菌活性。若將其結(jié)構(gòu)酯化后制成前藥，增加了其脂溶性，提高其口服生物利用度和抗菌活性。這些前藥在體內(nèi)吸收后，經(jīng)水解產(chǎn)生活性。如氨芐西林（ampicillin）親脂性較差，口服用藥只吸收30%

57、~40%，將極性基團羧基酯化后生成其前藥匹氨西林（pivampicillin），口服吸收好，在體內(nèi)經(jīng)水解后產(chǎn)生氨芐西林而發(fā)揮作用。,,,ampicillin,pivampicillin,軟藥是指一類本身有治療效用或生物活性的化學(xué)實體，在體內(nèi)起作用后，經(jīng)預(yù)料的和可控制的代謝作用，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o活性和無毒性化合物。如肌肉松弛藥十烴溴銨（decamethonium bromide）是長效神經(jīng)肌肉阻滯劑，在外科手術(shù)中作為麻醉的輔助用藥。但在手術(shù)后，

58、由于十烴溴銨不易被代謝，在體內(nèi)滯留會引起肌肉疼痛。若將該藥物結(jié)構(gòu)中的兩個氮正離子之間引入兩個易水解的酯基，得到氯琥珀膽堿（suxamethonium chloride）。氯琥珀膽堿中兩個氮正離子之間的距離和十烴溴銨相同，產(chǎn)生的肌肉松弛作用相同，但氯化琥珀膽堿在體內(nèi)易被血漿中酯酶水解生成琥珀酸和膽堿從而縮短了其作用時間，減少了副作用。這是軟藥設(shè)計的典型例子。,,,decamethonium bromide,suxamethonium c

59、hloride,3．對新藥研究的指導(dǎo)作用,在新藥研究和開發(fā)的早期階段，要盡早研究活性化合物的代謝，探索可能發(fā)生代謝的部位，推測可能發(fā)生的反應(yīng)，估計可能出現(xiàn)的代謝物。分離和鑒別代謝過程中出現(xiàn)的中間體，并研究其自身的藥理和毒理性質(zhì)，在臨床前和早期臨床研究期間，通過其代謝的研究，了解和得到許多藥代動力學(xué)的數(shù)據(jù)，為大規(guī)模臨床研究做好準(zhǔn)備。 對手性藥物，通過對其對映異構(gòu)體在體內(nèi)代謝轉(zhuǎn)化的研究，了解藥物的異構(gòu)體立體選擇性和立體專一性的代謝。在新

60、藥研究的過程中，可以通過對活性化合物代謝產(chǎn)物的研究，進行先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，來設(shè)計活性更好的化合物。,二、優(yōu)化藥物的藥動學(xué)性質(zhì)（optimization of drug pharmacokinetics）,1．通過修飾縮短藥物的作用時間 在某些藥物的結(jié)構(gòu)中引入一些在體內(nèi)代謝過程中容易被代謝的基團，從而使原有藥物在體內(nèi)的作用時間縮短。這種修飾后得到的藥物和原有藥物相比，在治療作用、吸收、分布等方面沒有多大差異，但由于

61、作用時間的改變，可以避免一些可能的副作用。如肌肉松弛藥十烴溴銨（decamethonium bromide）修飾得到氯琥珀膽堿（suxamethonium chloride），就是通過縮短藥物作用時間減少藥物副作用的例子。,2．通過修飾延長藥物的作用時間,為了延長藥物的作用時間，減少藥物在體內(nèi)被代謝后失去活性，通常通過對其結(jié)構(gòu)進行化學(xué)修飾，引入立體位阻較大的基團，或引入難以被代謝的基團，來降低藥物在體內(nèi)代謝的速度。例如利多卡因（lido

62、caine）用于治療心律失常時，只能通過注射給藥，因為口服給藥時，利多卡因首先在肝臟經(jīng)代謝生成，后者會被微粒體酰胺酶迅速水解生成無活性的二甲苯胺。lidocaine的衍生物妥卡尼（tocainide）因為結(jié)構(gòu)中存在α-甲基甘氨酸，在肝臟僅僅被緩慢代謝，是一個有效的口服抗心律失常藥物。,,,,,lidocaine,tocainide,,3．通過修飾提高藥物的生物利用度,某些藥物在體內(nèi)易于代謝，并生成結(jié)合產(chǎn)物排出體外，結(jié)果降低了藥物的生物利

63、用度。如研究口服避孕藥時發(fā)現(xiàn)其6位極易被氧化生成羥基。極性基團羥基的引入通常更易生成極性結(jié)合物，從而被迅速消除。根據(jù)這一研究結(jié)果，若在該藥物6位引入甲基后得到乙酸甲地孕酮（megestrol acetate），可以減少代謝，延長藥物的療效，從而提高藥物的生物利用度。,,,4．指導(dǎo)設(shè)計適當(dāng)?shù)膭┬?口服給藥的藥物在其到達作用部位時，首先要經(jīng)過胃腸道的消化酶及胃腸道壁和肝臟中存在的藥物代謝酶的代謝去活化作用，這就是通常稱為的“首過效應(yīng)”。藥物