The Structural Features of Angiotensin-converting Enzyme Inhibitors Chen Yantao, Hua Wenting (Department of Chemistry, Peking University, Beijing 100871) Abstract This review is mainly concerned with the new research results of angiotensin-converting enzyme inhibitors (ACEIs) and the relationships between the marketed drugs and their effectiveness. Based on the structural features of the marketed drugs, we get a conclusion called “distance of five bonds”, which means that IC50 (50% inhibitory concentration) will have the lowest value only if there are five bonds between the carboxyl group and the secondary amine or phosphate group among an ACEIs. Key words Angiotensin-converting enzyme, Inhibitor 摘要 综述了血管紧张素转化酶结构研究的新进展，以及血管紧张素转化酶抑制剂的上市情况和它们的结构特点。作者根据目前上市抑制剂的结构特点，提出了“五键”规律：即羧酸根与氨基或磷酸根（磷酸酯基）相距五个化学键时，抑制剂具有较低的 IC50值。 关键词 血管紧张素转化酶 抑制剂 血管紧张素转化酶抑制剂的结构特点 陈延涛 花文廷** （北京大学化学系 北京 100871） 高血压已成为严重危害人类健康的主要疾病之一。在医药市场的药物销售种类中，心血管药物占 18%。据 1991 年我国对 15 岁以上人群抽样调查结果显示，全国高血压患病率由 1959 年的 5.11%上升到 11.88%，达到 9000 余万人。因此，开发研究心血管系统药物有着广阔的经济市场和积极的社会意义。近日，国家卫生部确定今后每年 10 月 8 日为“全国高血压日”，在全国开展大规模的宣传教育，提高全民的健康意识和高血压的防病治病水平。这同时也对广大药物开发研究人员提出了重要和紧迫的研究课题。当前治疗高血压的药物主要有四种类型：钙拮抗剂(Ca A)，b -阻断剂，利尿剂和血管紧张素转化酶(ACE EC 3.4.15.1)抑制剂等。其中 ACE 抑制剂虽然问世时间不长，但发展非常迅速，现已有 15 种 ACE 抑制剂上市（见表 1）。近来研究发现，ACE 抑制剂不但能有效降低血压，而且还可改善认知功能，对并发性糖尿病、心绞痛、充血性心力衰竭和肾性高血压都有显著的疗效。为了进一步开发疗效更好的新 ACE 抑制剂，人们对于 ACE 和 ACE 抑制剂的结构和作用机制已进行了大量的研究。本文主要讨论 ACE 抑制剂的结构特点，及其与药理之间的相关性。希望对新的 ACE 抑制剂设计和合成有某种启示。 对于心血管疾病，目前普遍认为主要的机制是前肾素—血管紧张素以及激肽原在体内的转变过程[1]。肾素（血管紧张肽原酶）刺激血管紧张素原释放一种非活性的10肽，血管紧张素I。在血管紧张素转化酶的作用下，通过脱去C端His-Leu二肽，由血管紧张素I转化成为有生物活性的血管紧张素II。后者是已知最强的缩血管物之一。血管紧张素转化酶抑制剂是通过与血管紧张素转化酶作用而使血管紧张素II的生物合成得到抑制，从而达到降压的效果。
图 1 ACE酶结构图
1 血管紧张素转化酶的结构特点 血管紧张素转化酶是一种膜固定的金属蛋白酶，它能催化水解血管紧张素 I 和血管紧张素转化酶抑制剂(ACEI)。由于它是一个脂蛋白酶，因而使得它的结构和氨基酸组成难以测定。近年利用 cDNA 克隆技术已经测出人体 ACE 的全部氨基酸序列，它含有 1306 个氨基酸。从图 1 我们可见 ACE 酶的羧基端贯穿双磷脂膜而被束缚，它有两个同源性的活性区域，分别被称为 C 区和 N 区[2]。已有的研究结果表明活性中心中含有一个 Zn2+、质子化的精氨酸和疏水空腔。这为 ACE 抑制剂的结构设计建立了理论基础。 2 血管紧张素转化酶抑制剂的作用机制和结构特点 自从Ondetti报道从蛇毒提取出第一个ACE抑制剂以来[3]，有关ACEI的研究得到了飞速的发展[4]。与羧肽酶A中的Arg-145作用相似，在ACE中，与血管紧张素I或血管紧张素转化酶抑制剂羧端相作用的也是精氨酸的正电荷。图 2 所示为 Cilazapril 与 ACE 酶活性部位结合示意图[5]（二肽氨基酸的羧基端，第二氨基酸的 NH 基端和与 Zn2+结合的羧酸根)。图 3 是 Enapril 与 ACE 酶结合示意图[6]。
图 2 Cilazapril 与ACE酶活性部位结合示意图 | 图3 Enalaprilatl与ACE酶 活性部位结合示意图
为抑制血管紧张素转化酶活性，进而控制高血压，人们根据上述有关 ACE 的结构特点：即含有一个 Zn2+, 精氨酸的正电荷以及疏水空腔，设计合成了许许多多血管紧张素转化酶抑制剂，目前已上市的 ACE 抑制剂列于表 1。 表 1 已上市的ACE抑制剂
序号 | 名称 | 结构式 | 上市公司/时间/国家
1a | 卡托普利 Captopril (Capoten) |  | Squibb (美） /1981/德
2b | 依那普利 (Enalapril) (Vasotec) |  | Merck (美）/1984/德
3 | 赖诺普利 (Lisinopril) (Zestril, Prinivil) |  | Merck (美）/1987/新西兰
4 | 阿拉普利 (Alacepril)Cetapril,Dainippon |  | 大日本药厂 /1988/日本
5 | 培垛(哌哚) 普利 Perindopril(Coversal) |  | Schwarz (德) (Servier)/1989/法
6 | 地拉普利，压德克 Delapril (Adecut) (Indalapril) |  | 武田制药 （日）/1989/日本
7 | 喹那普利 Quinapril (Accupril) |  | Warner- Lambert (美) /1989/英
8 | 雷米普利 Ramipril |  | Hoechst (德)/1989/法
9 | 西拉普利、 抑平舒(片剂) Cilazapril LaRoche(Inhibace) |  | Hoffman/1990/瑞士
10 | 苯那普利 Benazepril, Cibacen |  | Ciba-Gigy （瑞）/1990/丹麦
11c | 福辛普利 Fosinopril (Staril, monopril) |  | B-M Squibb (美)/1991/英
12 | 伊米普利 Imidapril (Tanapril, Novaloc) |  | 田边制药（日） Tanabe/1994/日本
13 | 群多普利 Trodopril (Tromdopril) |  | Rossel-Uclaf /1993/德英美
14 | 莫昔普利 Moexipril (Univasc) |  | Schwarz/1995/美
15 | 螺普利 Spirapril |  | Schering-Plough/1995/芬兰
a. 第一代ACEI代表；b. 第二代ACEI代表; c. 第三代ACEI代表
表2
| IC50 ( x 10-9 M)
n=2 R= CH2CO2H | 2.8
n=2 R= (CH2)2CO2H | 2.9
n=2 R= (CH2)3CO2H | 7.9
n=2 R= (CH2)4CO2H | 9,400
n=2 R= CH3 | 130,000
n=3 R= CH2CO2H | 4
n=3 R= (CH2)2CO2H | 28
这些 ACEI 或者能够抑制 Angiotensin I 转化为 II，进而抑制醛固酮的合成，或者能够抑制舒缓激肽的水解作用，从而可以从两个方面降低血压。临床结果表明，在现有的 ACEI 中，雷米普利是综合效果最好的一种。我们在对雷米普利的合成[7]和结构研究中同时比较了具有不同化学结构的 ACEI 与其药效之间的关系，发现有下列一些值得讨论的问题： 1. 与ACE酶中Arg正电荷盐键作用的羧酸根和第二氨基酸的氨基或磷酸根之间含有五条共价键。例如：对我们所熟识的Enalapril（IC50=1.2 nM, IC50指抑制剂具有50%抑制效果时的浓度), 当羧基端多一个亚甲基时IC50变为32。下面一些化合物的结构和它们的IC50值之间的关系说明分子间的五键结构单元对其药效的关键作用[8]。这正好是一个二肽的肽段的键距，从表2中可见：第一氨基酸存在是必须的，当R= CH3时，几乎没有抑制性；当第一羧酸根和第二氨基酸的氨基距离五条键时(n=2 R=CH2CO2H)，IC50有最低值(2.8)。 2. 对 Cilazapril 结构类似物进行对照，发现只有[7]并[6]的二环结构具有最低的 IC50 值[5]。
表 3 二环结构的大小与IC50的关系 (a X= H2; b X= O )
| n | IC50a (nM) | IC50b (nM)
0 1 2 3 | 8,000 28 1.6 4.5 | / 20 4 15
3. 链部分的构象对 IC50 的影响 在医药市场上，象ACEI这类具有特定构型的单旋体药物是很特殊的。这主要是因为不同的构象对药物的活性有很大的影响。表4是环部分的构型都为S-构型，而链部分为不同构型时的IC50值[9,10]。
表 4 链部分不同构型时的IC50值
| X=PhCH2CH2, Y=PhCONH (* isomer A; ** isomer B)
R1 X* X** H H H2N(D) H2N(L) Y(D) Y(L) H H R2 H H H2N(D) H2N(L) H H H H R(D) R(L) IC50 (m M) 61 1,200 660 52 1,000 100 340 88 1,200 >2,400 ______________________________________________________________________________ R1-CH(COOH)-Ala-Pro R1 PhCH2CH2 PhCH2CH2 (S) PhCH2CH2 (R) IC50 (nM) 3.8 1.2 820 ______________________________________________________________________________ 4. 上述 15 个新药中有 10 个药物含有丙氨酸单元，另有两个也是二肽药物。由此可见，链部分中的氨基是必须的。将其中的氨基换为其它基团后, 会明显降低抑制活性[11] (见表 5） 表 5 链部分中氨基的存在对抑制活性的影响
X O S SO NH NCH3 A B C IC50(nM)21 38 38 6 194 3239 1422 32400 | Y NH NCH3 A N-C5H6 CH2 IC50(nM) 4 18 2824 23,000 210
5. 二肽肽键的构型的影响 Hausin 和Codding 将Captopril 和Enalaprilat等四种ACEI的晶体衍射结构图进行叠加，发现二肽中的肽键的取代基R(含氨基部分)和环部分羧基端呈反式构型。这主要是有利于分子间氢键的形成; 另外，ACEI分子呈“扩展”构型，使之在立体空间上更好地与ACE的活性部位(Zn, 正电荷，疏水空腔）结合[12]。 6 这15个抑制剂中的环部分几乎全部是脯氨酸为代表的环状化合物或其衍生物。通过比较含有不同的羧基端的二肽的Ki值，我们发现羧基端含脯氨酸单元的二肽具有较高的抑制活性[13]。（见表6） 表 6 环部分不同的氨基酸对抑制活性的影响
Hip-Phe-Arg Hip-Ala-Pro His-Leu Phe-Arg Ala-Pro
IC50 (m M) 250 7.0 420 120 30
3 参考文献 [1] 彭师奇.多肽药物化学.北京:科学出版社，1993:293. [2] Alhenc-GelasF, Soubrier F, Hubert C et al. Journal of Cardiovascular Pharmacology, 1989, 14(Suppl.4): S4-S9. [3] Ondetti M A, Cushman D W. “Inhibitors of Angiotensin-converting Enzyme”. In Biochemical regulation of blood pressure (ed. R. L. Soffer),New York: Wiley , 1981:165-204 [4] Sandler M ed. Editors“Design of Enzyme Inhibitors as Drugs”, vol. 1, (Oxford Univ.Press: Oxford UK), 1989:146-177. [5] Attwood M R, Hassall C H, Redshaw S et al. J. Chem. Soc., Perkin Trans. I, 1986 [6] a. Petrillo E W and Ondetti M A. Med. Res. Rev., 1982, 2: 1; b. Wyvratt M J and Patchett A A. ibid., 1985, 5: 483. [7] 花文廷, 陈延涛. 中国专利, CN 1106386A, 1995 (CA, 1995, 124:260824x) [8] Parsons W H, Davidson J L, Patchett A A et al. Biochemical and Biophysical Research Communacation, 1983, 117(1): 108. [9] Weller H N, Gordon E M, Rom M B et al. ibid, 1984, 125(1): 82. [10] Patchett A A, Harris E, Sweet C S et al. Nature, 1980, 288:280. [11] Gordon E M, Natarajan S, Cushman D W et al. Biochemical and Biophysical Research Communacation, 1984; 124(1): 148. [12] Hausin R J, Codding P W. J. Med. Chem., 1990, 33: 190. [13] Cheung H S, Wang F L, Cushman D W. The Journal of Biochemical Chemistry, 1980, 255 (2): 401. 1998-07-13收稿