基于乙酰乳酸合成酶的新型抑制剂先导化合物的合理设计与筛选研究

摘要

乙酰乳酸合成酶(ALS)是支链氨基酸生物合成路径中第一个发挥催化作用的酶，也是商业化除草剂中应用最多的靶标酶，该类除草剂以其高效、广谱、对人和动物低毒等优点在世界范围内的应用极其广泛。近年来，该类除草剂的大量应用在保护农作物免受杂草侵害的同时，杂草的抗药性问题也随之出现，并有愈演愈烈之势，而且杂草产生抗性的时间也由最初的10年左右逐渐缩短为4～5年。因此，新型除草剂的研发迫在眉睫，也是最有效的一种解决杂草抗性的方法。在本课题的研究中，我们综合应用了分子模拟、生物检测、有机合成与光谱表征等方法系统地研究了ALS的三维晶体结构、配体（抑制剂）与ALS活性位点之间的相互作用机制。在此基础上，我们对新型ALS抑制剂先导化合物进行了合理设计与筛选研究。具体研究内容如下：
　　 ⑴对ALS的性质、功能、三维晶体结构、作用机制及抑制剂等方面的研究进展，以及计算机辅助药物设计方法的优势、分类、原理、已取得的研究成果、药物设计中常用的分子模拟软件等内容进行详细的论述。
　　 ⑵先导化合物的理论筛选研究方面:针对抑制剂与ALS活性位点之间的相互作用机制进行分析与研究，确定了具体的筛选流程及Surflex-Dock和FlexX-Pharmconstraints两种分子对接方法的对接参数。根据受体与配体之间的作用机制、结合模式等对商业化的小分子数据库进行筛选，从20多万个化合物中筛选出33种化合物作为候选化合物，通过Specs公司购买得到这些化合物，用于进一步的生物活性测试研究。
　　 ⑶候选化合物生物活性测试方面:利用紫外可见吸收分光光度法，通过检测乙偶姻在525nm处的吸光度值的变化来反应ALS活性变化的原理，建立了酶体水平的生物活性测试方法。利用建立的生物活性测定方法，对筛选出的33种化合物进行了酶体水平的生物活性测试。实验结果表明，10号化合物在这33种供试化合物中具有最高的IC50值(47.41mg/L)，它的分子对接构象及结合力也同参照结构（单嘧磺酯）类似。因此，我们将10号化合物作为一个先导化合物而应用于下一步的分子结构设计研究中。
　　 ⑷先导化合物的进一步优化设计方面:主要基于ALS活性位点与抑制剂之间的相互作用机制和文献报道的二者之间的主要结合位点及结合力，对先导化合物的结构进行了分析设计，确定了优化后的目标化合物基本结构（5-苄基-1，3，4-噻二唑-2-氨基甲酸苯酯）。确立了目标化合物的合成路线，探讨了该类化合物的合成反应机理，并对目标化合物进行IR、1HNMR结构表征。利用已建立的生物活性测试方法，对目标化合物进行生物活性测试。结果表明，化合物2c具有最高的生物活性，其IC50值为23.54mg/L，与先导化合物相比，其抑制率增加了约50％。接着我们对目标化合物与靶酶ALS之间的相互作用进行了对接分析研究，对引起目标化合物生物活性变化的原因进行了详细分析与推导。
　　 ⑸对虚拟筛选、先导化合物的结构设计、生物活性测定、目标化合物的合成与结构表征等方面内容进行了归纳与总结，对先导化合物的结构设计方法进行详细地讨论，并对该类化合物进一步的研究提出一些合理性的建议。

目录

声明

摘要

缩略语表

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 乙酰乳酸合成酶(ALS)研究进展

1．2．1 ALS作用机制

1．2．2 ALS晶体结构分析

1．3 ALS抑制剂研究进展

1．3．1 磺酰脲类除草剂

1．3．2 咪唑啉酮类除草剂

1．3．3 三唑并嘧啶类除草剂

1．3．4 嘧啶水杨酸类除草剂

1．4 除草剂应用中存在的问题

1．5 计算机辅助药物设计

1．5．1 基于配体的药物设计

1．5．2 基于受体的药物设计

1．6 研究目的及意义

第二章 新型ALS抑制剂先导化合物的筛选研究

2．1 前言

2．2 虚拟筛选

2．2．1 数据库的准备

2．2．2 晶体结构分析

2．2．3 虚拟筛选方法与参数设定

2．2．4 虚拟筛选流程

2．2．5 结果与讨论

2．3 生物活性测定

2．3．1 试剂和仪器

2．3．2 实验方法

2．3．3 结果与讨论

第三章 先导化合物的设计、合成与生物活性测定

3．1 前言

3．2 先导化合物结构的合理设计

3．2．1 先导化合物与ALS活性位点的相互作用分析

3．2．2 结构设计

3．2．3 目标化合物的理论分析验证

3．3 目标化合物的合成

3．3．1 试剂与仪器

3．3．2 合成路线

3．3．3 制备与表征

3．3．4 结果与讨论

3．4 生物活性测定

3．4．1 实验方法

3．4．2 结果与讨论

第四章 总结与展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

附图

硕士期间发表的论文

致谢