前言
介紹一下α-酮酰胺在藥物設計中的應用
介紹 α-酮酰胺是一種同時具有親核和親電反應性的特殊化學片段，結構中具有兩個可能的親核中心和兩個親電中心（圖1），因此，可以通過特定的激活模式來增強其不同反應性。 圖1 α-酮酰胺結構片段（來源于參考文獻1） α-酮酰胺的幾何結構 α-酮酰胺的優(yōu)勢幾何構象是N原子和兩個羰基在同一平面上，兩個羰基氧原子處于反式位置，因為當兩個羰基氧原子處于順式位置時，氧原子上的孤對電子會產生相互排斥?；瘜W計算發(fā)現，兩種構象的羰基C-C鍵長度不一致，在反式構象中為1.52-1.54?，而順式為1.54-1.55?，在扭曲的中間體幾何結構中，鍵長并沒有發(fā)生改變，表明兩個羰基之間的相互作用對分子的共振沒有貢獻。與實驗確定的經典氣態(tài)酰胺中酰胺鍵的長度相比，反式α-酮酰胺中的酰胺C-N鍵更短。縮短的C-N鍵和兩個羰基之間共軛的缺乏，表明α-酮酰胺與吸電子羰基取代的酰胺類似。 圖2 α-酮酰胺的共振結構（來源于參考文獻1） 分析酰胺和羰基之間的相互作用可發(fā)現一些規(guī)律：1）如果兩個羰基采用順式構象，則酰胺鍵會發(fā)生延長，并且與反式構象異構體相比，氮原子負電性更高，降低了其對共振式的貢獻，因為共振式中C-N鍵具有雙鍵性質（圖2a）；2）同樣的共振形式在反式α-酮酰胺中是很重要，因為它減少了帶負電荷的氮與遠端羰基氧之間的靜電排斥作用（圖2b）。 圖3 α-酮酰胺的構象（來源于參考文獻1） 計算研究表明，α-酮酰胺片段傾向于采用平面構象，即N中心與兩個反式羰基處于同一平面上的構象，OC-CO二面角為180°，與N原子上取代基有關，當R1=H或者小體積脂肪鏈單取代時有益（圖3a）；由于二羰基的平面性會受到兩個取代基大小的影響，如果R1是大體積取代基或者R和R1都是非氫取代、同時遠端羰基存在氫時，OC-CO二面角發(fā)生扭曲（140-150°），整個片段平面性喪失，但不影響氮的平面性（圖3b）；當遠端羰也是非氫取代時，OC-CO二面角（100-140°）的變化更大，氮中心呈金字塔狀，并且片段平面性更小（圖3c）。扭曲的OC-CO二面角也是造成C-N鍵強度降低的原因。 α-酮酰胺的反應活性與代謝穩(wěn)定性 與α-酮酸相比，具有更高的膜滲透性，與α-酮酸酯相比，對血漿酯酶的穩(wěn)定性更高，因此，與α-酮酸、α-酮酸酯等其他二羰基衍生物相比，α-酮酰胺具有更好的藥代動力學性質、對蛋白水解具有更強的耐受性。由于醛衍生物與各種親核性氨基、硫基具有很高的反應性，可產生不良反應，與之相比，α-酮酰胺具有更好的化學和代謝穩(wěn)定性。當與酮羰基相鄰位置存在手性中心時，需要考慮由于羰基本身的親電性，可能會發(fā)生差向異構或外消旋化，因此對于手性對生物活性具有影響的化合物需要特別考慮。 另外，α-酮酰胺可能和水或醇反應生成半縮醛產物。與其他具有羰基的藥物類似，α-酮酰胺的細胞穩(wěn)定性可能受到羰基還原酶的影響，包括普遍存在肝、肺、腦、心臟、腎臟和血液中的中鏈和短鏈脫氫酶/還原酶、醛酮還原酶、醌還原酶。 因此，α-酮酰胺可以作為非親電或親電片段廣泛用于藥物分子的設計。 α-酮酰胺作為非親電片段用于藥物設計 作為非親電片段時，α-酮酰胺片段通過增加或降低分子結構的剛性、賦予分子與靶蛋白形成氫鍵的能力來調節(jié)先導化合物構象，以提高化合物活性和藥代動力學特性。廣泛用于苯二氮卓受體配體、轉運蛋白配體、群體感應系統抑制劑、小分子抗菌擬肽、抗病毒試劑、HIV抑制劑、磷脂酶A2抑制劑等的開發(fā)。 苯二氮卓受體（Benzodiazepine Receptor，BzR）是苯二氮卓類鎮(zhèn)靜催眠藥物的作用靶點，通過對苯二氮卓受體和其配體結合模式和構效關系的研究發(fā)現，發(fā)現僅平面或偽平面化合物能與BzR結合位點發(fā)生有效的相互作用。由于α-酮酰胺片段具有偽平面構象，并且能夠作為氫鍵受體或供體，因而可用于苯二氮卓受體新型抑制劑的開發(fā)。 圖4 α-酮酰胺用于苯二氮卓配體的設計 β-咔啉類化合物1是一類對BzR具有高親和力的骨架，研究人員考慮到α-酮酰胺與芳環(huán)連接可能產生一個偽平面構象，于是將化合物1開環(huán)并利用α-酮酰胺替換得到化合物2，吲哚環(huán)遠端的羰基模擬了咔啉環(huán)的N原子，并且保持了平面構象，化合物2能夠很好結合BzR，并通過其氧原子產生額外的氫鍵作用，具有一定的生物活性，豐富了BzR抑制劑的結構多樣性。進一步優(yōu)化得到的化合物3能夠選擇性產生抗焦慮作用且沒有鎮(zhèn)靜作用。 圖5 α-酮酰胺用于TSPO配體的設計 轉位蛋白（translocator protein, TSPO）是一種包含169個氨基酸的疏水性跨膜蛋白，由5個α螺旋結構的異喹啉結合蛋白組成，是苯二氮卓類藥物的外周組織結合位點，與多種神經系統性疾病有關。文獻報道，FGIN-1-27是對TSPO具有選擇性高親和力的化合物，研究人員通過引入α-酮酰胺替換FGIN-1-27中亞甲基酰胺片段，以限制分子結構的柔性，得到了化合物4，對TSPO的親和力增高了，完全選擇性作用于TSPO且不影響BzR。 圖6 α-酮酰胺用于TSPO配體的設計 群體感應（Quorum Sensing，QS）是細菌調控各種毒力表現型的機制，因此QS抑制可能產生抗菌效應。N?；呓z氨酸內酯介導的QS是許多革蘭氏陰性菌調控相關表型的方式，研究人員已經開發(fā)出基于N?；呓z氨酸內酯的QS蛋白抑制劑，但是抑制劑對非酶水解和內脂酶都很敏感，容易水解而沒有生物活性。于是利用α-酮酰胺替換酰胺鍵，得到擬肽化合物5和6，穩(wěn)定性、活性均提高了。 圖7 α-酮酰胺用于抗菌擬肽的設計 α-酮酰胺被用于開發(fā)小分子抗菌擬肽，以提高抗菌肽的蛋白酶和肽酶水解穩(wěn)定性，降低毒性、提高選擇性?？紤]到N-本乙氧基乙酰胺與肽鍵具有類似性質，研究人員將靛紅化合物7開環(huán)，并制成碘酸鹽得到含有α-酮酰胺片段的化合物8，抗菌活性相比于7提高了20倍，且季銨鹽片段對哺乳動物細胞沒有毒性，選擇性對細菌細胞產生毒性。 除了以上應用外，α-酮酰胺還用于抗病毒藥物、HIV-1抑制劑、磷脂酶A2抑制劑等的開發(fā)。 α-酮酰胺作為親電片段用于藥物設計 作為親電反應性片段時，α-酮酰胺能夠通過羰基與靶蛋白的絲氨酸、半胱氨酸等催化位點氨基酸殘基發(fā)生共價反應，進而抑制相關蛋白活性。α-酮酰胺片段同時具有易斷裂的酰胺鍵和酯鍵，能夠作為親電性彈頭用于設計酶抑制劑，抑制劑可作為酶的底物類似物，抑制酶活性。研究表明，絲氨酸和半胱氨酸蛋白酶是具有α-酮酰胺片段的新型抑制劑合適靶標。其作用機理通常涉及亞穩(wěn)態(tài)的半縮醛加合物的形成過程，在活性位點上，蛋白酶的絲氨酸或半胱氨酸的羥基或巰基對對α-酰胺片段的羰基進行親核加成形成四面體物種，抑制酶活性。 磷脂酶A2（Phospholipase A2，PLA2）能夠催化水解磷脂甘油分子上2位?；孽ユI，是一種絲氨酸蛋白酶。GIIA sPLA2、GIVA cPLA2、GVA sPLA2、GVIA iPLA2是該家族的四個成員，參與多種炎癥相關疾病的過程，抑制其活性具有治療相關疾病的潛力。 圖8 α-酮酰胺用于絲氨酸蛋白酶抑制劑的設計 α-酮酰胺可以作為親電性底物類似物，模擬肽鍵與酶活性位點絲氨酸反應，進而抑制酶活性。研究人員發(fā)現了基于氨基酸的2-氧代酰胺化合物9，10作為PLA2抑制劑，并進行構效關系研究，發(fā)現帶有自由羰基的2-氧代酰胺是活性關鍵、另外，2-氧酰胺具有二肽的性質對選擇性具有重要作用。于是通過優(yōu)化得到的得到化合物11對GVIA iPLA2 的抑制活性是GIVA cPLA2的13倍，同時對GIVA cPLA2 和 GV sPLA2作用很弱。 此外，α-酮酰胺還用于胃或胰脂肪酶、丙型肝炎NS3 / 4A蛋白酶、登革熱病毒蛋白酶等抑制劑的開發(fā)。 圖9 α-酮酰胺用于絲氨酸蛋白酶抑制劑的設計 鈣蛋白酶是廣泛分布于動物細胞中的鈣激活半胱氨酸蛋白酶，包括兩種同工酶calpain-1和calpain-2，在體外分別需要微濃度和毫摩爾濃度的鈣，才能發(fā)揮最佳的酶活性。鈣蛋白酶參與血小板活化、T細胞活化、T細胞遷移、信號轉導、細胞分化和增殖以及凋亡等多種生理過程。鈣蛋白酶活性增強導致蛋白水解失調和信號級聯的異常激活，從而導致細胞損傷和細胞死亡，鈣蛋白酶的抑制劑具有產生細胞和器官保護作用，是一些退行性疾病的治療靶標。在活性位點上，含有α-酮酰胺片段的肽衍生物能夠被半胱氨酸的SH進攻形成一個半硫縮醛，可逆地抑制半胱氨酸蛋白酶。 二肽醛類12是一個calpain抑制劑，用于白內障治療，但是由于醛基的高活性，容易代謝，因此口服生物利用度很差，于是研究人員利用α-酮酰胺片段替換醛基部分，得到化合物13，具有較高的細胞滲透性和較高的代謝穩(wěn)定性，且活性與12相當。 此外，還用于其他半胱氨酸蛋白酶抑制劑的開發(fā)。 總結 α-酮酰胺片段在藥物設計中具有重要價值，是一個藥物化學中的優(yōu)勢片段之一，可以用于開發(fā)具有良好生物活性、低毒性、良好藥代動力學特性和類藥物性的化合物。α-酮酰胺已經用于鎮(zhèn)靜劑/催眠藥、抗焦慮藥、抗腫瘤藥、抗菌劑、抗病毒藥的開發(fā)。 生物電子等排是先導化合物合理修飾以增加活性、選擇性、改善藥代動力學性質、降低毒性，并獲得新的化學空間以及突破專利保護常用的方法。生物電子等排體的引入可能改變分子大小、形狀、pKa、電子分布、極化率等以改善母體化合物的生物活性。α-酮酰胺片段可作為雜環(huán)的生物電子等排體，利用其替換雜環(huán)結構以降低結構剛性并增強其與靶蛋白的相互作用，從而調節(jié)先導化合物的構象。 此外，α-酮酰胺的兩個富含電子的氧原子可與靶蛋白產生額外相互作用點，在增強化合物對鈀蛋白的親和力和選擇性方面起著至關重要的作用。同時，偽平面的α-酮酰胺可以取代乙酰胺部分，從而對其結構柔性產生約束，可以使整個分子更安全地適合受體蛋白。此外，其結構上的兩個親核反應中心和兩個親電子中心是活性關鍵，具有與靶蛋白的潛在相互作用點。 總之，α-酮酰胺是一個非常獨特的優(yōu)勢結構，可能參與藥物-靶標相互作用和藥物性質的調節(jié)。 參考文獻： 1. Marco Robello, Elisabetta Barresi, et al. The Alpha Keto AmideMoiety as a Privileged Motif in Medicinal Chemistry: Current Insights andEmerging Opportunities. J. Med. Chem. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.0c01808
