新型肽脱甲酰基酶抑制剂的设计、合成与生物活性研究

摘要

抗感染药物的广泛应用,耐药菌大量增生和蔓延,新的抗生素的使用寿命越来越短,这就使新结构和新作用机制抗生素的开发成为非常迫切的问题。肽脱甲酰基酶(Peptide deformylase,PDF)是细菌生长过程中蛋白质合成所必需的一种酶,它的活性位点具有高度保守并且存在于大多数细菌中包括耐药菌种的PDF活性都可以被其抑制剂抑制的特点,并且PDF在一些寄生虫中也有重要作用,所以PDF被认为是新一代抗细菌和抗寄生虫药物的理想靶位,近年来有报道PDF用于抗结核分支杆菌、抗癌的研究,更加拓展了PDF的应用范围,因此成为令人感兴趣的新的抗菌药物作用靶点。基因组分析表明PDF同源基因在细菌中广泛分布,即具有广泛的同源性,这样我们就有理由相信PDF抑制剂类抗生素可能会具有广谱抗菌性。PDF抑制剂类抗生素是20世纪90年代末在国外新兴起的一个研究热点,因为PDF作为抑菌靶点的生化过程很明确,其晶体结构和活性部位也已经比较清楚,所以PDF抑制剂的研究具有较好的前景。我们选取PDF抑制剂作为研究课题,同时应用计算机辅助设计的方法,设计并合成新的化合物,然后进行筛选,希望能够发现新型结构的先导化合物。
　　 PDF与抑制剂复合物的晶体结构及其抑制剂的构效关系研究表明了新型PDF抑制剂的设计应遵循的几条原则:①抑制剂中必须有一个能与金属配位的基团；②在PDF的S1’部位,有一个疏水的口袋,需要一个类似于甲硫氨酸侧链的疏水侧链去填充；③抑制剂中要有2个酰胺键以与S1’和S2’部位的2个β-折叠股形成氢键；④在抑制剂的P3’部位要有一些疏水基团与S3’部位的疏水残基形成的一个浅的口袋结合以利于对酶的识别。
　　 分子对接是现代药物研究的重要工具和手段。通过对接,可以研究抑制剂与酶之间的结合模式,获得一些有益的结合信息,为新的抑制剂的设计指明方向。我们选取了一组PDF抑制剂,使用SYBYL7.0和Autodock4.0软件,进行了与酶的对接,从分子水平研究了酶活性部位与抑制剂的作用模式,获得了重要的结构信息,并且探讨了结构与活性之间的关系。
　　 由于很多文献报道的PDF抑制剂都具有明显的肽键性质,使得这些化合物在生物体内易受到蛋白酶的水解,另外由于直链肽分子固有的柔性,他们可能以不同的构象被多种受体分子所识别,这种性质可能导致不受欢迎的副作用发生。根据模拟肽学(Peptidomimetics)的原理,我们以N-甲酰羟胺类化合物BB-3497为先导化合物,将分子中的一个酰胺键以芳香杂环替换,设计了三类新型的含有苯并咪唑环、异噁唑环、噻唑环的抑制剂,这些环上的N、O和S原子是很好的氢键受体和供体,可以和周围的氨基酸残基形成氢键以增强结合；我们用对接的方法研究了它们与酶的作用,对接显示,多数化合物都能较好的保持与金属的配位作用、疏水作用和氢键。
　　 在重要中间体2-[(N-苄氧基-N-甲酰基氨基)甲基]己酸的合成过程中,我们以丙二酸二乙酯为原料经过取代、水解、脱羧反应得到2-正丁基丙烯酸,我们并没有按照通常的情况加成后再甲酰化得到下一步产物,由于那样反应的收率不高,而且产物的分离较困难。我们由丙酮经过几步反应得到N-苄氧基甲酰胺,然后再通过2-正丁基丙烯酸乙酯和N-苄氧基甲酰胺发生Michael加成反应得到2-[(N-苄氧基-N-甲酰基氨基)甲基]己酸乙酯,水解得到2-[(N-苄氧基-N-甲酰基氨基)甲基]己酸。
　　 在目的化合物的合成中,我们采取了汇聚式的合成路线(Convergent route),首先完成了含苯并咪唑环、异噁唑环和噻唑环的中间体的构建,然后与2-[(N-苄氧基-N-甲酰基氨基)甲基]己酸缩合,再通过钯碳还原脱掉苄基得到最终产物。通过十多步反应,共合成各类型目标化合物22个,包括7个含苯并咪唑环的化合物、9个含异噁唑环的化合物、6个含噻唑环的化合物,全部为新化合物。用1HNMR、HRMS、IR对这些化合物进行了分析,并对部分化合物进行了13C NMR分析,确定了这些化合物的结构。
　　 对含苯并咪唑环和异噁唑环的16个抑制剂的体外抑菌实验显示含苯并咪唑环的化合物中有四个化合物对革兰氏阳性菌有一定抑制作用,但是对革兰氏阴性菌几乎没有作用；含有异噁唑环的所有化合物对革兰氏阳性菌都有抑制作用,但是对革兰氏阴性菌也几乎没有作用。由于时间因为,含噻唑环的化合物虽然已经合成完毕,相应的体外抑菌试验正在进行中。本文的研究工作发现了具有抗菌作用的新型先导化合物,为后续工作奠定了良好的基础,是对PDF抑制剂研究的有益探索。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

符号说明

第一章 前言

1.1 肽脱甲酰基酶及其抑制剂的研究进展

1.2 本课题的立题依据

References

第二章 肽脱甲酰基酶与其抑制剂的分子对接研究

2.1 实验方法

2.2 结果与讨论

References

第三章 新型肽脱甲酰基酶抑制剂的设计

References

第四章 新型肽脱甲酰基酶抑制剂的合成

4.1 2-[(N-苄氧基-N-甲酰基氨基)甲基]己酸的合成

References

4.2 含苯并咪唑环抑制剂的合成

References

4.3 含异噁唑环抑制剂的合成

References

4.4 含噻唑环抑制剂的合成

References

第五章 抑菌实验和构效关系讨论

5.1 新合成化合物的体外抑菌作用试验

5.2 构效关系分析

References

总结论

附图

致谢

攻读博士期间发表的论文

学位论文评阅及答辩情况表

附加材料