1、X-射线晶体学在医药学中的应用,第一页，共四十五页。,X-射线晶体学在医药学中的应用,1 微量化合物或全未知化合物的分子结构测定2 以共晶方式存在的混合物分子结构测定3 绝对构型测定4 构象分析5 氢键、盐键、配位键等的计算与分子排列规律6 原料药中溶剂分子确实定7 生物大分子结构分析8 为计算机辅助药物分子设计提供起始三维结构数据。,第二页，共四十五页。,1 微量化合物或全未知化合物的分子结构测定,随着别离、提取等分析技术的飞速开展,从天然产物中可获得低含量的化合物,单晶X射线衍射分析只需要一颗单晶体(约1/41/6 mg 量),就可直接使用单晶X射线分析技术独立完成所需的化合物的全部结构测
2、定工作,而一般不再需要借助其它谱学(NMR、MS等)信息。,第三页，共四十五页。,2 以共晶方式存在的混合物分子结构测定,共晶在固体药物样品中是常见的现象,最简单的例子是药物分子与溶剂或结晶水分子以共晶方式存在。共晶分子结构可以由异构体形成,也可以由不同结构分子形成。在药物研究中确切地了解共晶样品的组成成分,以及它们实际存在的比例是至关重要的。单晶X 射线衍射分析技术对药物中的共晶样品可以给出准确、定量的分析结果。,第四页，共四十五页。,Chemical&Pharmaceutical Bulletin(2022),56(4),439-442.,Different configuration,第
3、五页，共四十五页。,Different Structure,第六页，共四十五页。,3 分子绝对构型的测定,如无特别说明，单晶X 射线分析给出的是分子的相对构型。应用单晶X 射线分析方法可获得药物分子的绝对构型。测定药物分子绝对构型常用的方法有以下几种。应用反常散射法测定分子绝对构型:利用分子中所含原子(特别是重原子)的X 射线反常散射(色散)效应,可以准确地测定分子构型。,第七页，共四十五页。,Principle of X-ray anomalous dispersion method 反常散射法测定天然产物绝对构型的原理,第八页，共四十五页。,正常条件下,结构因子F(hkl)=fjexp2i
4、(hxj+kyj+lzj)f为原子散射因子当原子上的电子被看成自由电子时，对X-射线的散射因子为f0，散射波与入射波的相角差为固定值。当分子中只有轻原子时，原子上的电子可被看成自由电子，衍射点的分布遵守Friedels 定律，即 Ihkl=I-h-k-l,hkl=-h-k-l,Fhkl2=F-h-k-l 2 Fhkl为结构因子；“Ihkl为衍射强度.,第九页，共四十五页。,反常散射,不同原子对电子的束缚能力不同，重原子对电子的束缚能力强，导致了其对X-射线的散射能力与自由电子有所不同，散射相角也发生一定漂移，称为反常散射。,第十页，共四十五页。,在重原子存在的条件下,Ihkl I-h-k-l,
5、hkl-h-k-l,Fhkl2 F-h-k-l 2Fhkl2=(1-x)Fhkl2+xF-h-k-l 2式中x即为绝对构型因子(Flack parameter);当x趋近于0时，式中右边第二项趋近于0，此时所得的分子模型即为化合物的绝对构型；当x趋近于1时，式中右边第一项趋近于0，此时所得的分子模型即为化合物绝对构型的反型。Cu靶辐射的反常散射能力强，而Mo靶辐射的反常散射能力弱,第十一页，共四十五页。,单晶X-射线衍射测定天然产物绝对构型的应用方法,第十二页，共四十五页。,当分子中含有重原子时原子序数大于硅原子,采用Cuk或Mok辐射，均可获得具有显著意义的绝对构型因子，从而可判断分子的决对
6、构型，例如：,cycloartan-3,29-diol-23-one 3,29-disodium sulfate,Jiang,R.W.;et al.J.Nat.Prod.2022,71,1616-1619.,Flack parameter 0.05(3),(3S,4R,5R,8S,9S,10R,13R,14S,17R,20R),第十三页，共四十五页。,当分子中不含重原子时,1)大多数天然产物分子由碳、氢、氮、氧组成，不含重原子，采用反常散射能力较强的Cuk辐射可将氮、氧看成较重原子，对于大局部结构，仍然可以计算出正确的绝对构型，例如:,19-norbufenolide A,Tian et al
7、.Chem.A Eur.J.2022,16,10989-10993.,第十四页，共四十五页。,2)与能看出构型分子如酒石酸、枸橼酸共结晶,橘櫞酸托瑞米芬,Jiang,et al.Zhongguo Yaowu Huaxue Zazhi.1999,9,32-35.,第十五页，共四十五页。,Jiang,R.W.;Ma,S.C.;But,P.P.H.;Mak,T.C.W.J.Nat.Prod.2001,64,1266-1272.,3利用分子中已确认的局部构型信息确定分子绝对构型,第十六页，共四十五页。,4)向天然产物中引入能看出构型片段,(S)-2-methoxy-2-(1-naphthyl)prop
8、ionic ester of PF1140,Fujita,et al.J.Antibiot.2005,58(6):425427.,第十七页，共四十五页。,5引入重原子,向天然产物中引入重原子，常用的方法有形成生物碱的盐酸盐，氢溴酸盐或氢碘酸盐，或进行对溴苯甲酰化反响等，例如:,第十八页，共四十五页。,例如:absolute configuration of neostenine，空间群 P212121,Neostenine is an alkaloid isolated from the root tubers of Stemona tuberosa Lour.,Flack parameter
9、 x=1(2),Flack parameter x=0(2),Mok辐射,第十九页，共四十五页。,引入重原子,Jiang,et al.J.Mol.Struct.2022,966(1-3),18-22.,第二十页，共四十五页。,中间产物2的绝对构型分析,Flack parameter x=-3(2),Flack parameter x=4(2),第二十一页，共四十五页。,产物3的绝对构型分析,Flack parameter x=0.04(1),第二十二页，共四十五页。,产物4的绝对构型分析,Flack parameter x=-0.03(0.066),绝对构型与产物3一致,第二十三页，共四十五页
10、。,Absolute configuration of stenine,C1 SC9 RC9a RC10 RC11 RC12 RC13 S,Jiang,et al.J.Mol.Struct.2022,966(1-3),18-22.,第二十四页，共四十五页。,单晶X-射线衍射测定天然产物绝对构型的局限性,1、能否得到合用的单晶制约环节,第二十五页，共四十五页。,2如晶体属于含对称中心和对称面的空间群，不能测定绝对构型，例如：三斜：P-1；单斜：P21/c；C2/c正交：Pbca,P-1 外消旋体,Jiao,et al.J.Nat.Prod.2022,73(2),167-171.,需要折分,第二十
11、六页，共四十五页。,3)局部Cuk辐射数据，其最终绝对构型因子大于0.3，或偏差较大，难以判断其绝对构型。可能原因有：含氮、氧比例低，测定时没有用低温。,第二十七页，共四十五页。,4 构象分析,从单晶X射线衍射分析所得分子的立体结构中,可以准确地计算出被测化合物的构象信息:即组成药物分子骨架各环的船或椅式构象、环与环间的顺反联接方式、环自身的平面性质、环与环间的扭转角、侧链的相对取向位置、大环构象等。,Tetrahedron Letters 2002,43,2415-2418,第二十八页，共四十五页。,5 氢键、盐键、配位键等的计算与分子排列规律,氢键、盐键、配位键等是研究药物分子生物活性中的
12、重要信息。利用单晶X 射线衍射分析结果,可以准确地计算出药物分子的氢键、盐键、配位键的成键方式和数值。特别是分子内与分子间氢键的关系,将影响晶态下分子在空间形成确定排列方式,由此可获得分子在空间的层状、螺旋、隧道或空穴等各种排列关系,这些重要信息将有助于了解和解释药物分子的作用机理。,第二十九页，共四十五页。,6 原料药中溶剂分子确实定,在新药与制药研究中,原料药中是否含有结晶水分子或溶剂分子?特别是当重结晶过程中使用过对人体有害的溶剂时,它们是否进入晶格?其含量是多少?单晶X 射线衍射分析可以准确地答复这些问题。,第三十页，共四十五页。,失碳香茶菜二萜与水的包结物相对构型图与立体结构投影图,
13、第三十一页，共四十五页。,第三十二页，共四十五页。,Li,Guo Qiang;Li,Yao Lan;Wang,Guo Cai;Liang,Zhi Hong;Jiang,Ren Wang.Acta Crystallographica,Section E:Structure Reports Online 2022,E67(8),o2192,第三十三页，共四十五页。,第三十四页，共四十五页。,7 生物大分子及其复合物的结构测定,天然产物中的水溶局部多含有蛋白质、多肽、多糖类等化合物,这类物质的生物活性一直是药物化学家关注的内容。现有波谱分析方法,除NMR 对多肽、蛋白质等分子量低于5 万,且有同源性
14、质的分子结构取得进展外,欲得到更大分子的准确三维结构,还只能借助于单晶X 射线衍射分析方法。我国晶体学家早在20 世纪70 年代就完成了结晶猪胰岛素的X 射线晶体结构测定工作。,第三十五页，共四十五页。,DNA双螺旋模型,1953年3月，沃森James Watson和克里克Francis Crick在X-射线衍射实验的根底上发现了DNA双螺旋模型，从而揭开了分子生物学的新篇章。沃森、克里克、威尔金斯因发现核酸的分子结构及其对生命物质信息传递的重要性分享了1962年的诺贝尔生理医学奖。,第三十六页，共四十五页。,英国生物化学家肯德鲁John Cowdery Kendrew和佩鲁兹Max Ferd
15、inand Perutz，用X-射线衍射分析法研究血红蛋白和肌红蛋白，而且共同研究X-射线衍射晶体照相术，以及蛋白质和核酸的结构与功能。1960年，他们把一些蛋白质分子和衍射X-射线效率特别高的大质量原子如金或汞的原子结合起来，首次精确地测定了蛋白质晶体的结构。肯德鲁和佩鲁茨分享了1962年的诺贝尔化学奖。,血红蛋白和肌红蛋白,第三十七页，共四十五页。,维生素B12,英国女化学家霍奇金Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin研究了数以百计固醇类物质的结构，其中包括维生素D2 钙化甾醇和碘化胆固醇。她在运用X-射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构的研究中取得了巨大成就。1
16、949年她测定出青霉素的结构，促进了青霉素的大规模生产。1957年又成功测定出了抗恶性贫血的有效药物维生素B12的巨大分子结构，使合成维生素B12成为可能。由于霍奇金这两项成果意义重大，影响深远，她于1964年获诺贝尔化学奖。,第三十八页，共四十五页。,胰岛素分子结构,1955年，英国生物化学家桑格Frederick Sanger研究确定了牛胰岛素的化学结构，从而奠定了合成胰岛素的根底，并促进了对蛋白质分子结构的研究。22年后，桑格借助于X-射线分析法与美国生物化学家吉尔伯特Walter Gilbert、伯格Paul Berg确定了胰岛素分子结构和DNA核苷酸顺序以及基因结构而共获得1980年诺贝尔化学奖。,第三十九页，共四十五页。,水通道蛋白,2000年，美国科学家阿格雷Peter Agre与其他研究人员应用场发射电子源的电子衍射方法得到分辨率为3.8埃的AQPl 水通道电子密度图，发现了一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道，并公布了世界第一张水通道蛋白的高清晰度立体照片。阿格雷和麦金农因为对膜蛋白分子和离子通道开创性的研究，而共同分享了2003 年的诺贝尔化学奖
