新农药研究开发的思路途径-生物合理设计

新农药研究开发的思路途径-生物合理设计

新农药研究开发的思路途径-生物合理设计

一、 生物合理设计的含义

生物合理设计(biorationaldesign)是利用靶标生物体生命过程中某个特定的关键生理生化作用机理作为研究模型，设计和合成能影响该机理的化合物，从中筛选先导化合物，然后优化结构来开发新药的一条研究开发途径。

生物合理设计这个名词始见于70年代的文献，据说首先由Djerassi等人在1974年提出。该词的中文译法，北京大学张宗炳教授建议用“生物合理设计”较妥，有“合乎生物机理的设计”之意。

生物合理设计的概念比较新，国外一些专家有不同的提法。Henrick的定义是：“设计的化合物能模拟一个生物的或生物化学过程的完成”。Geissbuhler提出：“从特定靶标系统内的生物学信息所形成的工作假说来进行合理的试验探索”。藤田稔夫认为；“设计的候选化合物应使其作用机理与自然界生物调节机理密切相关”。英国Todd爵士说过一段话：“除非直到我们了解生命过程中所包含的酶系及其在不同生物体内易受攻击的部位，要开发合理的专效性农药几乎是不可能的。有了这些了解，我们就能开始设计一些化合物，它们能干扰酶系，而且假如我们能够解决这些化合物在生物体内的稳定性和传导问题的话，就可能提供有效的专效性农药。”这些专家尽管用词不同，但基本概念是接近的。由于生物合理设计尚在发展初期，所以还没有公认的明确界定含义的定义。

二、生物合理设计的特点

第一是逆向思维。传统途径是先合变化合物然后筛选发现生物活性；生物合理设计则是先设定生物活性机理作为靶标然后寻找“合乎其理”的化合物，研究思路正好相反．

第二是研究起点高。生物合理设计要求化学、生物学和其他相关科学在比传统途径更高水平上的结合。传统途径主要由合成化学与农业生物科学相结合，在比较宏观的生理学水平上进行研究。生物合理设计则要求深入到微观的生物化学和分子生物学水平上进行研究。

第三是知识基础新。生物合理设计需要建立在最新的基础研究成果之上，以有机化学分子结构理论和靶标酶、生物膜等作用部位的生物化学作用机理的阐明等新知识为基础。

第四是研究手段先进。生物合理设计需要运用许多先进的研究仪器和实验技术。例如，为了研究代谢过程和酶的结构与活性功能，要采用同位素标记、X射线衍射、扫描电镜、电泳、各种色谱光谱测定以及多种生理生化测定。为了对复杂大分子进行三维图象结构分析，需要高性能电子计算机及相应的软件。

总之，生物合理设计往思路和方法上均不同于传统途径，研究水平更高更新，知识基础更深更广，因此其难度也更大。

由于以上待点，研究组织也相应变化。除了合成化学家和农业生物学家外；还要求生物化学家、生物物理学家、分子生物学家和高级电脑应用专家参加，组成学科专业面更广的协作组。

三、作用机理及靶标选择

生物合理设计是以阐明的药物作用机理为基础的。经过几代科学家的不懈努力，许多已开发农药的作用方式和作用机理已经在不同水平上得到阐明或解释。大量资料的积累，为生物合理设计提供了相当丰富的基础知识。现在我们已可认识到无论那一种农药的分子，在施用之后作为一个生物外源物(xenobi-otic)，都必须通过三道关隘才能发挥其药效活性作用。首先，它要通过周围环境才能接触靶标生物体，这段路程称为环境相 (environmental Phasc)，在此它要经受日光、氧气、水、土壤及其他环境因素的物理或化学作用的影响。其后，农药分子进入靶标生物体内、历经渗透、吸附、传导、分布、代谢、积累或排泄等运动过程，才有可能到达作用部位。这段路程称为生物运动相(biokinetic phase)，在此它也会经受各种物理或化学作用的影响。最后，农药分子在作用部位与某种酶或受体作用，发生关键的活性效应。这段路程称为生物动力相(biodynamic phase)。一股地说，农药的作用方式就是农药分子在三段路程全过程中发生的各种物理、化学作用的宏观表现，农药的作用机理则是指在作用部位发生的活性作用的微观表现。

由于靶标生物种类繁多，生命过程又极其复杂，因此可供选择的作用机理靶标几乎是无穷的。所以，如何选择合适的靶标机理成为生物合理设计的一个重要问题。下面几条选择原则可供参考。第一，应当选择作用机理己基本阐明达到生物化学或分子生物学水平的对象。第二，应当选择靶标生物持有的作用机理，由此开发的新药就具有独特的选择性即专效性，不致影响非靶生物。第三，应当选择易受攻击的作用部位或生命过程中某个薄弱环节。第四，应当选择对生命过程有关键影响(致命性)的作用机理作为对象。结合以上四点再考虑靶标生物的典型代表性和经济重要性．就可能从数以万计的作用机理中选出实用

意义较大和成功希望较高的研究靶标模型。

另一个重要问题是建立有效的生物测试筛选模型．生物合理设计要本根据选定的靶标机理进行定向筛选，因此与传统途径的生物筛选方法内容完全不同。这些方法要以生物化

学成分子生物学为基础，例如，需要建立活体或离体的代谢测试法或酶的活性测试法等等。

必须指出，生物合理设计与传统途径是有联系的。大多数选择的靶标机理是在传统途径的研究中阐明的，合成和生物筛选方法也需要吸取传统途径的经验．因此，在某种意义上是传统途径的发展与提高。

从日前来看，生物合理设计作为一个新的思路途径尚处在探索发展阶段。主要的限制因素可能是知识基础还不够深厚，以及能从事研究的多学科复合型学术带头人还不多。由于不够成熟，因此成功的例子很少。不过，国际农药科技界已普遍认识到生物合理设计具有宽广的研究领域，是最吸引人和最具发展潜力的研究途径。有人预测它将成为2l世纪农药开发的主要途径下面简要介绍国外已开展研究的两个领域，以便读者对生物合理设计的内容作初步的了解。

四、代谢机理研究和前体农药的开发

生物的生命过程是复杂有机体不断新陈代谢的过程。各种物质在生物体内经过同化和异化作用不断被合成和分解。这些物质的转化包含一连串中间代谢反应。农药分子进入生物体内也参与这个生物反应体系，有的被代谢而失去活性(解毒)，也有的被代谢激活反而提高活性(增毒)。激活的代谢物是真正在作用部位起活性反应的化合物，而原先的农药分子实际上只是活性化合物的前体(precursor)，因此就产生了前体农药(Pro-pesticide)这个概念。利用代谢机理研究开发前体农药是生物合理设计的一种方法。

某些有机磷酸酯杀虫剂在昆虫或植物体内被代谢独活而提高了杀虫活性。最常见的是氧化代谢相水解代谢。例如某些硫逐磷酸酷和二硫代磷酸南的P＝s键被氧化成P＝o因，如对硫磷 (parathion)转化成对氧磷(paraoxon)，马拉硫磷 (malathion)转化成马拉氧磷

(maraoxon)，乐果 (dimethoate)转化成氧乐果(omethoate)。另一些例链上有硫醚键(c—s—c)的有机磷化合物其硫原子被氧化变成亚砜或砜，例如甲拌磷．(phorate)和异内吸磷(demeton-Smethyl）的侧，链硫醚基被氧化代谢成相应的亚砜或砜。倍硫磷(fenthion)的苯环上甲硫基可被氧化成甲基亚砜或甲砜基。所有上述被氧化的代谢物均提高了杀虫活性。还有些不含硫的有机磷酸酯可被生物体内含硫基化合物反应激活，例如，二溴磷(naled)与内源谷胱甘肽反应脱去溴原子转化成敌敌畏(dichlorvos)而起杀虫作用。

除氧化代谢外还有其他代谢激活方式。乙酰甲胺磷(a-cephate)在昆虫体内被迅速水解成甲胺磷(methamidophos)而表现杀虫活性，它在哺乳动物体内则因水解慢而被排出体外lg此乙酰甲胺磷对哺乳动物的毒性比甲胶磷低得多。杀菌剂苯茵灵(benomyl)在植物体内被代谢脱酰胺转化成多茵灵(carben-dazim)而起杀茵作用，前者的吸收传导性能优于后者，持效期较长。杀菌剂乙嘧酚磺酸配(bupirimate)被水解代谢成乙嘧酚 (ethirimol)而发挥活性，前者在叶面缓慢水解能保持较长药效。除草剂新燕灵(benzoylprop-ethyl＞被水解代谢脱去酯基转化成游离酸而起除草作用，由于它在野燕麦体内水解迅速而在小麦体内脱酯速度很慢，因而表现良好的选择性。

上述例子都是由随机合成或类同合成途径开发的农药品种，由于代谢机理的研究而使我们认识到它们都属于前体农药。由此也引发了一个思路：能否利用代谢机理来开发新药或改进老品种的性能。这是由传统途径转向生物合理设计的一个早期思路。一些氨基甲酸酯杀虫剂新品种正是有意识地运用这个思路而开发成功的。

有人针对一些杀虫活性强的氨基甲酸酯例如灭多威 (methomyl)和克百威(carbofuran)存在毒性高使用不安全的缺点，希望用衍生化方法合成其前体化合物来降低毒性。结果发现在氨基甲酸基团上的氮原子接上一SR基团时，这些硫桥衍生物能保持原来的杀虫活性水乎，而对哺乳动物的毒性则大大降低。现在已有好几个新品种商品化，例

如，硫双灭多咸(thiodi—carb)、丁硫克百威(carbosulfan)、丙硫克百威(benfuracarb)等等。这些被称为低毒化的氨基甲酸酯都在生物体内被代谢，硫桥断开变成老品种而起杀虫作用。这是利用代谢机理差异开发前体农药最成功的例子。

另一个例子是氟乙醋盐的改进。氟乙酸盐是剧毒杀虫剂已被禁用。氟乙酸在昆虫体内的代谢机理是在呼吸代谢链的三羧酸循环中抑制乌头酸酶而阻断能量供应。有人根据该机理合成了一些能释放氟乙酸的前体化合物，例如，用植物甾酵在29位碳原子上氟取代，或用烷基二酰基丙三醇在末端碳原子上氟取代。这些化合物在昆虫体内代谢释出氟乙酸而表现杀虫活性，已有实用化报道。

以上举例说明利用代谢机理开发新药特别是前体农药是可行的。不过上述例子都是先有品种开发然后研究代谢机理再优化改进的，其中尚未涉及新的先导化合物的发现。所以严格地说，这些“事后诸葛亮”的研究只是利用代谢机理的类同合成，还不能算是真正的生物台理设计。一些前体农药举例(见表2—5及第十二章)。

真正在代谢机理研究中发现先导化合物然后开发新品种的成功例子很少，有机磷杀虫剂蔬果磷(salithion)的开发也许可以作为一个例子。日本的科学家在研究无农药活性的三邻甲苯基磷酸酯的代谢机理时，发现苯环上甲基被多功的酸催化代谢转化成甲酵基，其后分子内部发生磷酸根转移形成环状结构的水杨酵环磷酸酯，该化合物能抑制乙酰胆碱酯酶活性，但不表，现神经毒性。用这个化合物作为先导化台物，只后开发成功具有新型环状结构的有机磷酸酯杀虫剂蔬果磷。

五、酶或受体功能研究与干扰剂的开发

各种酶和受体在生物正常生命活动过程中起着十分重要的作用。开发酶或受体的干扰

剂使其丧失活性功能是生物合理设计的—个重要研究领域。

生物体内各种代谢过程的每—步中间代谢反应部由特定的酶催化促成。如果代谢链中任何单一的酶被干扰失活，这步反应就不能进行，代谢链就被订断，造成生理紊乱，导致病变甚至死亡。酶是具有特定化学组成的立体结构的蛋白质，分子量小则数干，大至几百万。每种酶的作用是高度专一性的，只作用于某一类或某一种特定的物质。现在已经阐明活性作用的酶只占自然界中酶的很小部分，鉴定结构的更少。对昆虫、植物和微生物体内的酶的研究比对高等动物体内酶的研究还要少。

对各种农药的作用机理研究已经阐明，除了少数农药的作用机理是物理作用外，大多数农药都是与某种特定的酶或受体结合，发生化学反应而表现活性作用的。酶在正常情况下具有狠强的催化活性，但它也很脆弱。当一个“有毒”外源分子与酶作用时，酶根容易被抑制、活力下降甚至变性失活。根据此理我们可以针对待定的酶来研究开发能干扰其活性的酶抑制剂作为农药使用。

受体是生物膜的组成部分，它们也都是蛋白质，其功能也是专一性的。在正常生命活动过程中，某种受体与特定的激素或

神经传递物质结合而被激活，引起特定的生理变化。当受体与外源农药分子结合时，其正常功能受阻，导致生理失常。例如，昆虫神经膜上有各种神经传递物质的受体‘它们被特定农药分子竞争性占领时，神经传递物质就要过量积累，使神经传导错乱。由于受体是生物膜的一部分，比酶更难分离鉴定。针对待定的受体来研究开发能干扰受体功能的拮抗剂作为农药使用，是生物合理设计的另一个重要内容。

每一种酶或受体对它所作用的底物(正常代谢物或外源农药分子)都有严格的选择性，

这可用诱导楔合假说(induced—fithypothesis)来解释。当酶与底物接近时，酶蛋白分子受底物的诱导发生构象变化，使两者在有利结合的构象状态下互补楔合，发生化学反应。这可简单地用钥匙相锁的关系比喻，但这种关系不是刚性而是柔性的。从有机化学结构理论来看，酶或受体蛋白质大分子上的作用部位(活性中心)的立体结构与底物分子的立体结构有着空间吻合性。根据这个假说，我们在设计酶或受体的干扰剂时，就要考虑合成的化合物应当与作用部位有空间互补关系，或者该化合物应当与正常底物有空间结构的类似性。现在，一般都根据这个假说来设计和合成干扰剂的先导化合物。上述道理看似简单，但实际运用尚存在不少困难。主要因为对大多数酶和受体的结构和功能的研究尚未达到详细的分子生物学水平，还存在许多未知因素。例如，酶和受体都是结构复杂的大分子蛋白质，除了活性中心外，在其他部位还有许多亚单元结构也会影响底物分子的靠近和结合。一个微小的基团改变，常会因分子结构参数的变化而引起作用机理的意外变化。因此，目前而言，单从有机化学结构理论和QSAR研究来推导设计先导化合物尚难以正确预测其生物活性。

目前在这方面的研究，主要集中在对各种已开发农药在分子水平上阐明相关的酶或受体是怎样被干扰的。个别酶的结构已通过—射线衍射分析被阐明并用电子计算机作出三维空间

结构图象。这些深入的研究无疑将为干扰剂的开发打下基础。因为只有一步步深入下去弄清作用机理的各种细节，提供更多有关的化学和生物学信息，才有可能取得成功。总之，目前酶或受体干扰剂的研究仍于探索阶段，尚未见到典型的成功例子。

六、生物合理设计的领域和发展前景

以上简略介绍了生物合理设计的两个主要研究领域的发展现状。从上可见，选择各种

代谢机理和酶及受体的功能机理作为开发新农药的研究靶标范围非常广阔。除此之外，还有很多可供选择的作用机理。例如，昆虫和植物的激素功能，昆虫信息素作用机理，昆虫的生殖机理，昆虫和病原微生物的抗药性帆理，昆虫的感觉机理，植物的解毒讥理，农药混用的增效机理，等等。通过各种作用机理的阐明，选择适当的靶标模型，设计和合成合乎机理的先导化合物，完全有希望开发成功各种常规新农药和具有特异性能的新农药，诸如昆虫和植物的生长调节剂，昆虫行为控制剂，拒食剂，不育剂，增效剂，除草剂解毒剂，具有负交互抗性的杀虫剂或杀菌剂，等等。总之，生物合理设计的研究领域极广，凡有作用机理都可作为靶标。

生物合理设计作为农药研究开发的一条新的途径尽管目前尚在研究探索时期，成果不及传统途径，但是发展前景是广阔的。今后在有关基础研究深入进展之后，将会逐步成为有效相有潜力的开发途径。最后．为了便于读者参考，收集了部分已知的作用机理(研究水平不同)棚相关的农药品种。