前言
介绍一下α-酮酰胺在药物设计中的应用
介绍 α-酮酰胺是一种同时具有亲核和亲电反应性的特殊化学片段，结构中具有两个可能的亲核中心和两个亲电中心（图1），因此，可以通过特定的激活模式来增强其不同反应性。 图1 α-酮酰胺结构片段（来源于参考文献1） α-酮酰胺的几何结构 α-酮酰胺的优势几何构象是N原子和两个羰基在同一平面上，两个羰基氧原子处于反式位置，因为当两个羰基氧原子处于顺式位置时，氧原子上的孤对电子会产生相互排斥。化学计算发现，两种构象的羰基C-C键长度不一致，在反式构象中为1.52-1.54Å，而顺式为1.54-1.55Å，在扭曲的中间体几何结构中，键长并没有发生改变，表明两个羰基之间的相互作用对分子的共振没有贡献。与实验确定的经典气态酰胺中酰胺键的长度相比，反式α-酮酰胺中的酰胺C-N键更短。缩短的C-N键和两个羰基之间共轭的缺乏，表明α-酮酰胺与吸电子羰基取代的酰胺类似。 图2 α-酮酰胺的共振结构（来源于参考文献1） 分析酰胺和羰基之间的相互作用可发现一些规律：1）如果两个羰基采用顺式构象，则酰胺键会发生延长，并且与反式构象异构体相比，氮原子负电性更高，降低了其对共振式的贡献，因为共振式中C-N键具有双键性质（图2a）；2）同样的共振形式在反式α-酮酰胺中是很重要，因为它减少了带负电荷的氮与远端羰基氧之间的静电排斥作用（图2b）。 图3 α-酮酰胺的构象（来源于参考文献1） 计算研究表明，α-酮酰胺片段倾向于采用平面构象，即N中心与两个反式羰基处于同一平面上的构象，OC-CO二面角为180°，与N原子上取代基有关，当R1=H或者小体积脂肪链单取代时有益（图3a）；由于二羰基的平面性会受到两个取代基大小的影响，如果R1是大体积取代基或者R和R1都是非氢取代、同时远端羰基存在氢时，OC-CO二面角发生扭曲（140-150°），整个片段平面性丧失，但不影响氮的平面性（图3b）；当远端羰也是非氢取代时，OC-CO二面角（100-140°）的变化更大，氮中心呈金字塔状，并且片段平面性更小（图3c）。扭曲的OC-CO二面角也是造成C-N键强度降低的原因。 α-酮酰胺的反应活性与代谢稳定性 与α-酮酸相比，具有更高的膜渗透性，与α-酮酸酯相比，对血浆酯酶的稳定性更高，因此，与α-酮酸、α-酮酸酯等其他二羰基衍生物相比，α-酮酰胺具有更好的药代动力学性质、对蛋白水解具有更强的耐受性。由于醛衍生物与各种亲核性氨基、硫基具有很高的反应性，可产生不良反应，与之相比，α-酮酰胺具有更好的化学和代谢稳定性。当与酮羰基相邻位置存在手性中心时，需要考虑由于羰基本身的亲电性，可能会发生差向异构或外消旋化，因此对于手性对生物活性具有影响的化合物需要特别考虑。 另外，α-酮酰胺可能和水或醇反应生成半缩醛产物。与其他具有羰基的药物类似，α-酮酰胺的细胞稳定性可能受到羰基还原酶的影响，包括普遍存在肝、肺、脑、心脏、肾脏和血液中的中链和短链脱氢酶/还原酶、醛酮还原酶、醌还原酶。 因此，α-酮酰胺可以作为非亲电或亲电片段广泛用于药物分子的设计。 α-酮酰胺作为非亲电片段用于药物设计 作为非亲电片段时，α-酮酰胺片段通过增加或降低分子结构的刚性、赋予分子与靶蛋白形成氢键的能力来调节先导化合物构象，以提高化合物活性和药代动力学特性。广泛用于苯二氮卓受体配体、转运蛋白配体、群体感应系统抑制剂、小分子抗菌拟肽、抗病毒试剂、HIV抑制剂、磷脂酶A2抑制剂等的开发。 苯二氮卓受体（Benzodiazepine Receptor，BzR）是苯二氮卓类镇静催眠药物的作用靶点，通过对苯二氮卓受体和其配体结合模式和构效关系的研究发现，发现仅平面或伪平面化合物能与BzR结合位点发生有效的相互作用。由于α-酮酰胺片段具有伪平面构象，并且能够作为氢键受体或供体，因而可用于苯二氮卓受体新型抑制剂的开发。 图4 α-酮酰胺用于苯二氮卓配体的设计 β-咔啉类化合物1是一类对BzR具有高亲和力的骨架，研究人员考虑到α-酮酰胺与芳环连接可能产生一个伪平面构象，于是将化合物1开环并利用α-酮酰胺替换得到化合物2，吲哚环远端的羰基模拟了咔啉环的N原子，并且保持了平面构象，化合物2能够很好结合BzR，并通过其氧原子产生额外的氢键作用，具有一定的生物活性，丰富了BzR抑制剂的结构多样性。进一步优化得到的化合物3能够选择性产生抗焦虑作用且没有镇静作用。 图5 α-酮酰胺用于TSPO配体的设计 转位蛋白（translocator protein, TSPO）是一种包含169个氨基酸的疏水性跨膜蛋白，由5个α螺旋结构的异喹啉结合蛋白组成，是苯二氮卓类药物的外周组织结合位点，与多种神经系统性疾病有关。文献报道，FGIN-1-27是对TSPO具有选择性高亲和力的化合物，研究人员通过引入α-酮酰胺替换FGIN-1-27中亚甲基酰胺片段，以限制分子结构的柔性，得到了化合物4，对TSPO的亲和力增高了，完全选择性作用于TSPO且不影响BzR。 图6 α-酮酰胺用于TSPO配体的设计 群体感应（Quorum Sensing，QS）是细菌调控各种毒力表现型的机制，因此QS抑制可能产生抗菌效应。N酰基高丝氨酸内酯介导的QS是许多革兰氏阴性菌调控相关表型的方式，研究人员已经开发出基于N酰基高丝氨酸内酯的QS蛋白抑制剂，但是抑制剂对非酶水解和内脂酶都很敏感，容易水解而没有生物活性。于是利用α-酮酰胺替换酰胺键，得到拟肽化合物5和6，稳定性、活性均提高了。 图7 α-酮酰胺用于抗菌拟肽的设计 α-酮酰胺被用于开发小分子抗菌拟肽，以提高抗菌肽的蛋白酶和肽酶水解稳定性，降低毒性、提高选择性。考虑到N-本乙氧基乙酰胺与肽键具有类似性质，研究人员将靛红化合物7开环，并制成碘酸盐得到含有α-酮酰胺片段的化合物8，抗菌活性相比于7提高了20倍，且季铵盐片段对哺乳动物细胞没有毒性，选择性对细菌细胞产生毒性。 除了以上应用外，α-酮酰胺还用于抗病毒药物、HIV-1抑制剂、磷脂酶A2抑制剂等的开发。 α-酮酰胺作为亲电片段用于药物设计 作为亲电反应性片段时，α-酮酰胺能够通过羰基与靶蛋白的丝氨酸、半胱氨酸等催化位点氨基酸残基发生共价反应，进而抑制相关蛋白活性。α-酮酰胺片段同时具有易断裂的酰胺键和酯键，能够作为亲电性弹头用于设计酶抑制剂，抑制剂可作为酶的底物类似物，抑制酶活性。研究表明，丝氨酸和半胱氨酸蛋白酶是具有α-酮酰胺片段的新型抑制剂合适靶标。其作用机理通常涉及亚稳态的半缩醛加合物的形成过程，在活性位点上，蛋白酶的丝氨酸或半胱氨酸的羟基或巯基对对α-酰胺片段的羰基进行亲核加成形成四面体物种，抑制酶活性。 磷脂酶A2（Phospholipase A2，PLA2）能够催化水解磷脂甘油分子上2位酰基的酯键，是一种丝氨酸蛋白酶。GIIA sPLA2、GIVA cPLA2、GVA sPLA2、GVIA iPLA2是该家族的四个成员，参与多种炎症相关疾病的过程，抑制其活性具有治疗相关疾病的潜力。 图8 α-酮酰胺用于丝氨酸蛋白酶抑制剂的设计 α-酮酰胺可以作为亲电性底物类似物，模拟肽键与酶活性位点丝氨酸反应，进而抑制酶活性。研究人员发现了基于氨基酸的2-氧代酰胺化合物9，10作为PLA2抑制剂，并进行构效关系研究，发现带有自由羰基的2-氧代酰胺是活性关键、另外，2-氧酰胺具有二肽的性质对选择性具有重要作用。于是通过优化得到的得到化合物11对GVIA iPLA2 的抑制活性是GIVA cPLA2的13倍，同时对GIVA cPLA2 和 GV sPLA2作用很弱。 此外，α-酮酰胺还用于胃或胰脂肪酶、丙型肝炎NS3 / 4A蛋白酶、登革热病毒蛋白酶等抑制剂的开发。 图9 α-酮酰胺用于丝氨酸蛋白酶抑制剂的设计 钙蛋白酶是广泛分布于动物细胞中的钙激活半胱氨酸蛋白酶，包括两种同工酶calpain-1和calpain-2，在体外分别需要微浓度和毫摩尔浓度的钙，才能发挥最佳的酶活性。钙蛋白酶参与血小板活化、T细胞活化、T细胞迁移、信号转导、细胞分化和增殖以及凋亡等多种生理过程。钙蛋白酶活性增强导致蛋白水解失调和信号级联的异常激活，从而导致细胞损伤和细胞死亡，钙蛋白酶的抑制剂具有产生细胞和器官保护作用，是一些退行性疾病的治疗靶标。在活性位点上，含有α-酮酰胺片段的肽衍生物能够被半胱氨酸的SH进攻形成一个半硫缩醛，可逆地抑制半胱氨酸蛋白酶。 二肽醛类12是一个calpain抑制剂，用于白内障治疗，但是由于醛基的高活性，容易代谢，因此口服生物利用度很差，于是研究人员利用α-酮酰胺片段替换醛基部分，得到化合物13，具有较高的细胞渗透性和较高的代谢稳定性，且活性与12相当。 此外，还用于其他半胱氨酸蛋白酶抑制剂的开发。 总结 α-酮酰胺片段在药物设计中具有重要价值，是一个药物化学中的优势片段之一，可以用于开发具有良好生物活性、低毒性、良好药代动力学特性和类药物性的化合物。α-酮酰胺已经用于镇静剂/催眠药、抗焦虑药、抗肿瘤药、抗菌剂、抗病毒药的开发。 生物电子等排是先导化合物合理修饰以增加活性、选择性、改善药代动力学性质、降低毒性，并获得新的化学空间以及突破专利保护常用的方法。生物电子等排体的引入可能改变分子大小、形状、pKa、电子分布、极化率等以改善母体化合物的生物活性。α-酮酰胺片段可作为杂环的生物电子等排体，利用其替换杂环结构以降低结构刚性并增强其与靶蛋白的相互作用，从而调节先导化合物的构象。 此外，α-酮酰胺的两个富含电子的氧原子可与靶蛋白产生额外相互作用点，在增强化合物对钯蛋白的亲和力和选择性方面起着至关重要的作用。同时，伪平面的α-酮酰胺可以取代乙酰胺部分，从而对其结构柔性产生约束，可以使整个分子更安全地适合受体蛋白。此外，其结构上的两个亲核反应中心和两个亲电子中心是活性关键，具有与靶蛋白的潜在相互作用点。 总之，α-酮酰胺是一个非常独特的优势结构，可能参与药物-靶标相互作用和药物性质的调节。 参考文献： 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
