Podstawy projektowania leków 08

2014-12-16
Podstawy projektowania leków
wykład 8
Łukasz Berlicki
Teoria stanu przejściowego
Stan przejściowy –
stan o najwyŜszej
energii potencjalnej
znajdujący się na
ścieŜce reakcji.
Energia aktywacji –
róŜnica energii
pomiędzy substratami
a stanem
przejściowym. Wpływa
na szybkość reakcji (k)
– równanie Arreniusa.
k = Ae-Ea/RT
1
2014-12-16
Enzymy
Zwiększenie szybkości
reakcji (kcat/knon)
uzyskiwane przez
enzymy jest w zakresie:
107 - 1019.
ADC = arginine decarboxylase;
ODC = orotidine 5¢-phosphate decarboxylase;
STN = staphylococcal nuclease;
GLU = sweet potato alpha-amylase;
FUM = fumarase;
MAN = mandelate racemase;
PEP = carboxypeptidase B;
CDA = E. coli cytidine deaminase;
KSI = ketosteroid isomerase;
CMU = chorismate mutase;
CAN =carbonic anhydrase.
Kataliza enzymatyczna
Linus Pauling zaproponował, Ŝe efektywność
działania enzymów wynika z wiązania stanu
przejściowego.
2
2014-12-16
Kataliza enzymatyczna
Zmniejszenie energii stanu przejściowego wynika z jego
efektywnego wiązania przez enzym.
Substraty i produkty są wiązane z znacząco mniejszą energią.
Analogi stanu przejściowego
Analogi stanu przejściowego
(transition state analogues) –
związki wykazujące cechy
strukturalne i elektronowe
podobne do stanu
przejściowego.
Analogi stanu przejściowego są
wiązane ze znacznie wyŜszą
energią w porównaniu do
substratów/produktów i ich
analogów.
Enzymy wiąŜą
„stan przejściowy”,
NIE substraty lub produkty
Analogi stanu
przejściowego są dobrymi
inhibitorami.
3
2014-12-16
Stan przejściowy vs produkt przejściowy
Mechanizm reakcji hydrolizy wiązania amidowego
najczęściej zakłada dwa stany przejściowe.
Analogi stanu przejściowego
Zalety:
wysoka energia wiązania – wysoka aktywność
inhibitorowa;
wysoka specyficzność;
proste projektowanie przy znanej strukturze stanu
przejściowego.
Wady:
mechanizm reakcji enzymatycznej nie zawsze jest znany;
często bardzo trudno określić strukturę stanu
przejściowego;
analogi stanu przejściowego nie zawsze mają
charakterystykę niezbędną dla leku (farmakokinetyka,
farmokodynamika, etc.).
4
2014-12-16
Regulacja ciśnienia krwi
Ciśnienie krwi jest precyzyjnie
regulowane poprzez
współdziałanie wielu organów
oraz działanie kilku
hormonów.
Angiotensyna II zwiększa
ciśnienie krwi i powoduje
wydzialenie aldosteronu.
Bradykinina zmniejsza
ciśnienie krwi.
Układ renina-angiotensyna-aldosteron
Renina jest wydzielana w
naczyniach krwionośnych w
nerkach i hydrolizuje
angiotensynogen.
Angiotensyna I jest
przekształcana w angiotensynę
II przez ACE.
Angiotensyna II jest hormonem
o silnym działaniu
zwiększającym ciśnienie krwi.
Renina i ACE są celami
molekularnymi dla leków na
nadciśnienie tętnicze.
D R V
Y
I
H
P F
H L
L
V
Y S
Angiotensynogen
renina
D R V
Y
I
H
P F
H L
Angiotensyna I
Enzym Konwertujący
Angiotensynę (ACE)
D R V
Y
I
H
P F
Angiotensyna II
5
2014-12-16
Bothrops jararaca
śararaka jest jednym z
najbardziej jadowitych
węŜy na świecie.
śyje w Ameryce
Południowej.
Znacząca część leczonych
ukąszeń w Ameryce
Południowej związana jest
z Ŝararaką.
Jad Ŝararaki powoduje
bardzo szybki spadek
ciśnienia krwi.
Peptydy z jadu Ŝararaki
W jadzie Ŝararaki znajduje
się mieszanina peptydów,
które hamują aktywność
enzymu konwertującego
angiotensynę (ACE).
Aktywnym motywem tych
peptydów jest sekwencja
Trp-Ala-Pro.
BPP5
6
2014-12-16
Inhibitory ACE
Peptydy nie są dobrymi
kandydatami na leki,
poniewaŜ nie mogą być
podawane doustnie.
Pierwszym inhibitorem
ACE zatwierdzonym jako
lek był kaptopril.
kaptopril
Inhibitory ACE
Opracowano duŜą
liczbę inhibitorów
ACE, z których
kilkanaście było
przedmiotem badań
klinicznych.
Większość ma dwa
charakterystyczne
elementy
strukturalne: analog
proliny i
homofenyloalaniny.
7
2014-12-16
Inhibitory ACE
Fosinoprilat jest analogiem
produktu przejściowego reakcji
enzymatycznej.
Fosinopril jest prolekiem. Grupa
blokująca funkcję fosfinową jest
hydrolizowana in vivo.
fosinopril
Proteaza HIV
Proteaza aspartylowa
Przecina łańcuch polipeptydowy aby otrzymać
białka niezbędne do stworzenia dojrzałego wirusa.
Dimer, dwa łańcuchy 99 reszt aminokwasowych
Symetria C2
Dwie triady katalityczne Asp25-Thr26-Gly27
Najefektywniej przecina
wiązanie peptydowe
Phe-Pro lub Tyr-Pro
8
2014-12-16
Proteaza HIV
Inhibitory proteazy HIV na rynku
9
2014-12-16
Inhibitory proteazy HIV
Konformacja i potencjał elektrostatyczny inhibitora proteazy HIV i
stanu przejściowego TS3.
Inhibitory proteazy HIV
Dokładna analiza ścieŜki reakcji pokazała, Ŝe sposób wiązania
inhibitorów HIV jest inny niŜ stanu przejściowego.
10
2014-12-16
Syntetaza glutaminy
O
O
HO
+ NH4+ + ATP
OH
NH2
O
GS
O
+ ADP + PO43NH2
HO
NH2
Syntetaza glutaminy(GS, EC
6.3.1.2) jest kluczowym
enzymem metabolizmu azotu.
Struktura enzymu
11
2014-12-16
struktura enzymu eukariotycznego
miejsce aktywne
ATP
miejsce
Active
aktywne
site
glutamate
glutaminian
structure
dokowanie
anchoring in
w następnej
next subunit
jednostce
12
2014-12-16
mechanizm reakcji
Mechanizm reakcji syntetazy glutaminianowej jest wieloetapowy.
O
O
O
O
NH3
O
O
O
P
P
P
O
O
O
O
O
O
O
N
N
HO
NH2
OH N
N
mechanizm reakcji
Mechanizm reakcji syntetazy glutaminianowej jest wieloetapowy.
O
O
O
NH3
O
P
O
O
O
O
O
P
P
O
O
O
O
O
N
N
HO
OH N
NH2
N
13
2014-12-16
mechanizm reakcji
Mechanizm reakcji syntetazy glutaminianowej jest wieloetapowy.
O
O
O
P
O
O
O
O
NH3
NH4
O
O
P
P
O
O
O
O
O
N
N
HO
OH N
NH2
N
mechanizm reakcji
Mechanizm reakcji syntetazy glutaminianowej jest wieloetapowy.
O
O
O
NH3
O
P
O
O
O
NH3
14
2014-12-16
mechanizm reakcji
Mechanizm reakcji syntetazy glutaminianowej jest wieloetapowy.
O
O
O
NH3
O
P
O
O
NH3 O
mechanizm reakcji
Mechanizm reakcji syntetazy glutaminianowej jest wieloetapowy.
O
O
O
NH3
O
P
O
NH2 O
O
15
2014-12-16
mechanizm reakcji
Mechanizm reakcji syntetazy glutaminianowej jest wieloetapowy.
O
O
O
NH2
NH3
zastosowanie inhibitorów GS
potencjalne leki przeciw gruźlicy,
16
2014-12-16
zastosowanie inhibitorów GS
Gruźlica
znane inhibitory
O
O
O
S
HO
O
HO
NH
O
O
O
P
P
OH
O
P
OH
NH2
P
O
OH
P
HO
O
O
O
NH
O
H2N
OH
NH2
O
OH
O
O
HO
NH2
NH2
O
NH
NH
O
OH
NH2
NH2
O
OH
O
HO
S
O
NH2
NH2
HO
O
HO
O
NH2
HO
O
S
H
N
HO
NH2
OH
HO
OH
O
HO
NH2
17
2014-12-16
mechanizm inhibicji
O
O
O
O
O
GS / ATP
HO
OH
HO
O
GS / NH3
O
NH2
NH2
P
O
O
HO
NH2
NH2
O
O
O
+
O
O
O
GS / ATP
P
HO
NH2
HO
O
NH2
P
HO
OH
NH2
O
O
P
O
O
NH3
O
P
O O
Produkt przejściowy
reakcji enzymatycznej
O
mechanizm inhibicji
Mechanizm inhibicji syntetazy glutaminianowej przez fosfinotricynę
opiera się na fosforylacji inhibitora w miejscu aktywnym.
O
P
O
O
NH3
O
O
O
O
P
P
P
O
O
O
O
O
O
O
N
N
HO
OH N
NH2
N
18
2014-12-16
mechanizm inhibicji
Mechanizm inhibicji syntetazy glutaminianowej przez fosfinotricynę
opiera się na fosforylacji inhibitora w miejscu aktywnym.
O
P
O
O
NH3
O
P
O
O
O
O
O
P
P
O
O
O
O
O
N
N
HO
OH N
NH2
N
mechanizm inhibicji
Mechanizm inhibicji syntetazy glutaminianowej przez fosfinotricynę
opiera się na fosforylacji inhibitora w miejscu aktywnym.
O
P
O
O
NH3
O
P
O
O
O
19
2014-12-16
struktury inhibitorów
O
O
O
S
O
+
NH3
O
N
O
+
NH3
O
O
NH3
PO 3
O
P
O
2-
PO3
+
NH3
O
OH
PO 32-
O
O
S
P
+
2-
O
O
O
NH
PO32-
H
N
O
O
PO 32-
+
NH3
Produkt przejściowy
reakcji enzymatycznej
Potencjał elektrostatyczny na powierzchni inhibitorów.
Fosforylaza nukleozydów purynowych
Fosforylaza nukleozydów purynowych (PNP) katalizuje reakcję
rozpadu nukleozydów od odpowiednich zasad i1-fosforybozy.
Wrodzone uszkodzenie tego enzymu powoduje brak odporności
spowodowany apoptozą limfocytów T.
PNP jest celem molekularnym dla leków na choroby, których
rozwój związany jest z limfocytami T.
20
2014-12-16
Fosforylaza nukleozydów purynowych
Inhibitory PNP są potencjalnymi
lekami na:
ostrą białaczkę szpikową (Tkomórkową),
chłoniaka skórnego (Tkomórkowego)
łuszczycę,
reumatoidalne zapalenie stawów,
toczeń układowy rumieniowaty,
chorobę Crohna,
cukrzycę typu I,
dna moczanowa.
Fosforylaza nukleozydów purynowych
Mechanizm reakcji enzymatycznej PNP
21
2014-12-16
Analog stanu przejściowego
Wysokoaktyny analog stanu przejściowego
skonstruowany na podstawie analizy stanu
przejściowego.
Analog stanu przejściowego
Inhibitor PNP (immucylina) jest
w trakcie badań klinicznych jako
lek na białaczkę.
PoniewaŜ aktywność
inhibitorowa była wyŜsza dla
enzymu wołowego,
przeprowadzono takŜe analizę
stanu przejściowego dla
enzymu ludzkiego (bardzo
podobnego strukturalnie).
Immucylina
22
2014-12-16
Mechanizm reakcji PNP ludzkiego
Wykazano, Ŝe stan przejściowy dla enzymu
ludzkiego jest inny niŜ wcześniej zbadany dla
enzymu wołowego.
Immucylina
DADMe-Immucylina
Substrat, stan przejściowy i analogi
substrat
DADMe-Immucylina
Immucylina
TS
substrat
DADMe-Immucylina
Immucylina
TS
23
2014-12-16
Fosforylaza nukleozydów purynowych
DADMe-Immucylina jest analogiem stanu przejściowego
reakcji katalizowanej przez ludzki enzym. Wykazuje
niezwykle wysoką aktywność inhibitorową (9 pM).
DADMe-Immucylina jest przedmiotem badań klinicznych
jako lek na dnę moczanową.
Podsumowanie
Analogi stanu przejściowego są bardzo efektywnymi
inhibitorami enzymów.
Nie zawsze łatwo znaleźć prawdziwe analogi stanu
przejściowego.
24