牛娃生物素給藥物設(shè)計(jì)的啟示

2021年11月20日 | Filed under: 制藥工業(yè),制藥企業(yè),藥物化學(xué),新藥研發(fā),制藥常識(shí) | Posted by: 路人丙

【新聞事件】：最近BI的科學(xué)家Darryl McConnell在J Med Chem發(fā)表一篇文章分析生物素與卵白素相互作用的文章。生物素/卵白素復(fù)合物是迄今為止最穩(wěn)定的小分子蛋白復(fù)合物，分子量只有240 的生物素與卵白素結(jié)合釋放的自由能高達(dá)20千卡/摩爾、轉(zhuǎn)化為結(jié)合常數(shù)達(dá)到費(fèi)飛摩爾級(jí)。更令人驚訝的是結(jié)合能主要來(lái)自生物素氫原子與卵白素芳香側(cè)鏈的非傳統(tǒng)相互作用，另外硫原子也起到出人意料的作用。這個(gè)復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)有18對(duì)相互作用、其中8對(duì)來(lái)自CH參與的相互作用，構(gòu)效分析也顯示脂肪側(cè)鏈提供了最多結(jié)合能。這些信息為藥物分子設(shè)計(jì)提供了線(xiàn)索。

【藥源解析】：生物素是個(gè)神奇的分子，它與卵白素的結(jié)合能力超過(guò)所有已知非共價(jià)小分子配體與任何蛋白的結(jié)合。下面這個(gè)圖是20年前Kuntz找到不同分子量中的最強(qiáng)配體，生物素不僅擊敗所有比它個(gè)頭小的配體、分子量超過(guò)它的配體也都不是對(duì)手。現(xiàn)在科學(xué)家利用這個(gè)超強(qiáng)相互作用把生物素標(biāo)記的蛋白從復(fù)雜混合物中撈出，即所謂的pull-down試驗(yàn)。所以生物素簡(jiǎn)直就是為卵白素量身定做的、卵白素則似乎是為了抓捕生物素而生。毫無(wú)疑問(wèn)這是演化的結(jié)果，但這也是充分利用自然界中弱分子相互作用的結(jié)果、值得深挖。

biotin
藥物設(shè)計(jì)一個(gè)核心任務(wù)是找到與靶標(biāo)蛋白有足夠結(jié)合力的配體，在這個(gè)基礎(chǔ)上才能談PK、代謝穩(wěn)定性等風(fēng)花雪月。藥物設(shè)計(jì)如同婚介所，要為靶標(biāo)蛋白找到能形成穩(wěn)定復(fù)合物的配體。配體與蛋白的結(jié)合能指的是自由能，即可以自由支配的能量。結(jié)合釋放自由能越多配體與蛋白自動(dòng)分離的可能性越小，因?yàn)槟茏杂芍涞哪芰可倭恕](méi)錢(qián)了。形成共價(jià)鍵雖然可以提供大量結(jié)合自由能，但共價(jià)配體選擇性差。雖然絕代佳人吸引力很強(qiáng)、但對(duì)所有人都有很強(qiáng)的吸引力，所以容易產(chǎn)生脫靶活性。最理想的藥物是根據(jù)靶標(biāo)蛋白個(gè)性化的結(jié)合腔找到能通過(guò)很多弱分子相互作用結(jié)合的配體，這樣配體對(duì)結(jié)合腔不同的蛋白興趣較小、可以避免脫靶活性。

藥物設(shè)計(jì)中的經(jīng)典分子間相互作用主要有疏水作用、離子作用、偶極作用、和氫鍵，這些作用在生物素/卵白素復(fù)合物中也存在。但C-H與蛋白側(cè)鏈的作用一般認(rèn)為非常弱、通常不予考慮，以至于算配體效率有時(shí)只算氫以外的所謂重原子。但這個(gè)復(fù)合物中C-H參與的相互作用卻起到了最關(guān)鍵的作用，一個(gè)原因是C-H鍵本身無(wú)偶極、只有遇到極性基團(tuán)才會(huì)出現(xiàn)誘導(dǎo)偶極產(chǎn)生分子相互作用，這降低了去溶劑化的能量賠償。水作為生物過(guò)程的溶液在配體-蛋白相互作用中有非常關(guān)鍵的作用，配體和蛋白在結(jié)合前都與周?chē)鄠€(gè)水分子有賣(mài)身合同、形成復(fù)合物后要簽新合同。撕毀舊合同是要賠償?shù)模挥行潞贤扰f合同價(jià)值更高時(shí)結(jié)合才會(huì)發(fā)生。

這個(gè)分析只是根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的觀(guān)測(cè)和SAR分析，但相關(guān)不等于因果。回到婚介所的比喻，可能某個(gè)家庭超級(jí)穩(wěn)定、但你要找出穩(wěn)定的真正原因卻也不容易，可能是雙方八字相符、與都愛(ài)吃水煮臭豆腐沒(méi)有一毛錢(qián)關(guān)系。比如聚乙二醇（PEG）與水互溶可以解釋為與水形成大量氫鍵，但可以形成同樣多氫鍵但多個(gè)甲基的PPG、或少個(gè)甲基的聚甲醛（POM）卻不溶于水（見(jiàn)下圖）。但CH可以在藥物設(shè)計(jì)中可能對(duì)結(jié)合能有較大貢獻(xiàn)是個(gè)值得關(guān)注的發(fā)現(xiàn)，畢竟CH是有機(jī)分子中最常見(jiàn)的片段。