PROTEINI kao ciljna mesta dejstva leka

Transcript

1 FARMACEUTSKA HEMIJA 1 PROTEINI kao ciljna mesta dejstva leka Predavač: Doc. dr Slavica Erić Strukturni proteini kao ciljna mesta dejstva leka polimerizacija depolimerizacija tubulin mikrotubule jedro vreteno -tubulin i mikrotubule značajne za ćelijsku deobu -lekovi koji deluju na tubule značajni u terapiji kancera (blokada deobe ćelija) -vinka alkaloidi sprečavaju polimerizaciju -taksol sprečava depolimerizaciju, ćelije podležu apoptozi -selektivnost veća raspodela kancerskih ćelija -rezistencija protein nosač izbacuje lek iz ćelije vinblastin vinkristin vindezin Paklitaksel (taksol) strukturni proteini virusa dejstvo potencijalnih antivirotika 1

2 Proteini nosači kao ciljna mesta dejstva leka Proteini nosači: -prenose molekule kroz membranu: AK, šećere, nukleozide, jone, neurotransmitere -mogu biti obmanuti od strane lekova i stranih agenasa Primer 1: -kokain sprečava ponovni ulazak noradrenalina u nervnu ćeliju, veća koncentracija noradrenalina oko receptora Proteini nosači kao ciljna mesta dejstva leka Primer 2. Cl NH 2 N CH 2 C COOH Cl Melfalan H -transfer u ćeliju preko specifičnog proteina nosača za fenilalanin -alkolovanje DNK -antikancerski lek 2

3 Enzimi kao ciljna mesta dejstva lekova Značaj enzima za medicinsku hemiju: objašnjenje mehanizma dejstva lekova i racionalno dizajniranje leka Primeri: -penicilin: inhibira sintezu ćelijskog zida bakterija mehanizam: inhibicija enzimi koji učestvuju u sintezi bakterijskog zida ćelija -antihipertenzivi: snižavanje krvnog pritiska odreñenog uzroka mehanizam: ihibicija angiotenzin konvertujućeg enzima (sistem reninangiotenzin) -sulfonamidi - bakteriostatici i antimalarici mehanizam: inhibicija dihidropteroat sintetaze, enzima koji je uključen u biosintezu purina i amino kiselina -diuretici pojačana diureza mehanizam: dejstvo na karboanhidrazu koja reguliše protonsku ravnotežu u bubrezima Enzimi kao katalizatori bioloških reakcija S E E + S S E ES E P EP P E E + P -enzimi učestvuju u hemijskoj reakciji ali pri tome ostaju nepromenjeni -bez enzima, reakcija bi bila suviše spora ili se ne bi dogodila -smanjuju energiju aktivacije (energiju prelaznog stanja) 3

4 Energija aktivacije A B (kompleks reaktanata) A E B (kompleks enzima i reaktanata) E 1 (energija aktivacije bez učešća enzima) E 2 (energija aktivacije uz učešće enzima) - razlika izmeñu energije prelaznog stanja i polaznog materijala -odreñuje brzinu hemijske reakcije -stabilizacijom prelaznog stanja smanjuje se energija aktivacije -ravnotežni odnos supstrata i proizvoda ostaje nepromenjen, tj. enzimi nemaju uticaja na koncentraciju supstrata i proizvoda na kraju reakcije, već samo na brzinu reakcije Na koji način enzimi smanjuju energiju aktivacije? obezbeñuju mesto ili okruženje reakcije, a time i verovatnoću dešavanja reakcije obezbeñuju da se reaktanti nañu na istom mestu obezbeñuju odgovarajuću orjentaciju reaktanata oslabljuju veze u supstratu i time olakšavaju reakciju mogu da učestvuju u mehanizmu reakcije proces enzimske katalize je reverzibilan 4

5 Aktivna mesta enzima Aktivno Active site mesto Aktivno mesto ENZYME enzim suptrat se vezuje i reaguje sa enzimima na specifičnim mestima aktivnim mestima enzima aktivno mesto: -mali deo enzima blizu površine enzima -precizna geometrijska struktura (3D oblik) Aminokiseline aktivnog mesta Aktivno mesto Uloga rezidua aminokiselina u aktivnom mestu: -uključene u vezivanje supstrata za aktivno mesto -uključene u mehanizam reakcije 5

6 Vezivanje supstrata za aktivno mesto enzima Sile uključene u interakcije enzima i supstrata: VAN DER WAALSOVE SILE DIPOL-DIPOL VEZE VODONIČNE VEZE JONSKE VEZE JON-DIPOL VEZE Elektrostatičkeke ili jonske veze jake intermolekulske veze (20-40 kj mol -1 ) postoje izmeñu suprotno naelektrisanih grupa jačina jonskih interakcija je obrnuto proporcionalna rastojanju izmeñu dve naelektrisane grupe jače interakcije se dešavaju u hidrofobnom okruženju R C O O - NH 3 + CILJNO MESTO 6

7 Dipol-dipol interakcije δ O δ+ C R R Dipolni momenat Lokalizovani dipolni momenat R C O R Vezivno mesto Vezivno mesto Indukovane dipol interakcije - javljaju se kad naelektrisanje na jednom molekulu indukuje dipol na drugom - primer: izmeñu kvaternernog amonijum jona i aromatičnog prstena + R N R 3 δ+ δ Vezivno mesto 7

8 Vodonične ne veze -slabije od elektrostatičkih interakcija, jače od Van der Waals-ovih interakcija -vodonične veze se dešavaju izmeñu vodonika koji ima manjak elektrona i heteroatoma (N ili O) obogaćenih elektronima -vodonik je donor vodonične veze, heteroatom je akceptor vodonične veze R δ- δ+ δ- X H... Y CILJNO MESTO DONOR H-VEZE AKCEPTOR H-VEZE Interakcije sa supstratom: model ključa i brave 1890, Emil Fischer: model ključa i brave -biološki ključevi imaju jedinstvene stereohemijske osobine koje su neophodne za njihovu funkciju 1958 (Daniel Koshland) indukovani model ključa i brave: -u procesu prepoznavanja i ligand i receptor se adaptiraju uz male konformacione promene dok se ne postigne najbolje uklapanje (fitovanje) 8

9 Indukovano fitovanje O H Ser S CO 2 Asp Phe Indukovano fitovanje O H Ser S CO 2 Asp Phe -rastojanje veza nije optimalno za mаksimalno vezivanje -menjaju se i supstrat i enzim -optimizovane intermolekulske dužine veza -osetljive veze u supstratu su napregnute i lakše se mogu raskinuti Interakcije pirogrožñane kiseline -na osnovu strukture supstrata može se predvideti tip mogućih interakcija sa aktivnim mestom H 3 C O C C O O Moguće interakcije H-Veze van der Waals Jonske veze H-veze H 3 C vdw-interakcije O C O H C O O Jonske veze H 3 N Interakcija pirogrožñane kiseline i LDH 9

10 Indukovano fitovanje: vezivanje pirogrožñane kiseline -interakcija sa supstratom, oslabljene π veze, olakšana reakcija Kiselo-bazna kataliza -direktno učešće AK u mehanizmu reakcije kiselo-baznu hidrolizu obezbeñuje aminokiselina histidin: N NH nejonizovani oblik (deluje kao bazni katalizator, prima protone) +H NH -H N H jonizovani oblik (deluje kao kiseli katalizator, izvor protona) histidin predstavlja banku protona (može da šalje i da prima protone) kataliza se može odvijati bez inicijalnog učešća vode 10

11 Nukleofilne grupe -direktno učešće u mehanizmu reakcije -aminokiseline serin i cistein se često nalaze na aktivnim mestima H H 3 N CO 2 H H 3 N CO 2 L-serin L-Serine OH SH L-cistein L-Cysteine -sadrže nukleofilne ostatke (OH i SH) koji mogu da učestvuju u mehanizmu reakcije -formiraju se intermedijeri sa supstratom pri čemi intermedijeri omogućavaju alternativni put reakcije Dejstvo serina kao nukleofila Substrate X H 2 O HO Product O OH Ser OH Ser Ser -intermedijeri koji se stvaraju u reakciji sa nukleofilnim grupama obezbeñuju alternativni put reakcije -izbegava se tranziciono stanje visoke energije i povećava brzina reakcije -nukleofilne osobine OH grupe pojačane prisustvom neke druge rezidue, npr. histidina 11

12 Hidroliza peptidnih veza himotripsinom -voda nije potrebna u početnom stepenu reakcije -voda učestvuje u hidrolizi estra Kofaktori dodatne neproteinske supstance potrebne da bi se odigrala reakcija metalni joni (cink) ili male organske molekule koje se zovu koenzimi (NAD +, piridoksal fosfat) vezuju se jonskim vezama i drugim nekovalentnim interakcijama kovalentno vezani koenzimi nazivaju se prostetičke grupe koenzimi su nastali su iz rastvorljivih vitamina, predstavljaju sekundarni supstrat koji podleže reakciji potencijalni lekovi mogu da budu dizajnirani tako da se vezuju za deo aktivnog mesta enzima za koji se vezuje koenzim 12

13 Nikotinadenin dinukleotid (NAD + ) H H CONH 2 CONH 2 N + H e - N R NAD + R NADH Pirogrožñana kiselina Mlečna kiselina Izoenzimi -različite varijacije enzima koji poseduju kvaternarnu strukturu (različite kombinacije subjedinica) -katalizuju iste reakcije ali se razlikuju po svojim osobinama Primer 1: različiti izoenzimi laktat dehidrogenaze u srcu i mišićima -oba enzima katalizuju konverziju mlečne kiseline u pirogrožñanu kiselinu -izoenzim u mišićima je dva puta aktivniji -izoenzim u srcu je inhibiran viškom pirogrožñane kiseline -dizajniranje lekova koji su selektivni za odreñeno tkivo Primer 2: indometacin (nesteroidni antiinflamator) -koristi se u tretmanu reumatoidnog artritisa -inhibira enzim ciklooksigenazu (enzim uključen u biosintezu prostaglandina koji su odgovorni za bol i inflamaciju kod reumatoidnog artritisa) -dva izoenzima COX: COX-1 i COX-2 -COX-1 aktivan u normalnim uslovina, COX-2 aktiviran kod reumatoidnog artritisa -dizajniranje selektivnih lekova koji deluju samo na produkciju inflamatornih prostaglandina 13

14 Primeri izoenzima MAO: MAO A i MAO B (učestvuju u metabolizmu neurotransmitera: dopamina, noradrenalina i serotonina -razlikuju se u specifičnosti za supstrat i raspodeli u tkivima -MAO A - selektivan za noradrenalin i serotonin -MAO B selektivan za dopamine -inhibitori MAO: MAO A (hlorgilin) i MAO B (selegilin) (selektivno dejstvo) MAO Flavin koenzim Hlorgilin (MAO A: antidepresiv Selegilin MAO B: antiparkinsonik Internacionalna klasifikacija enzima Klasa enzima Tip katalizovane reakcije 1 Oksidoreduktaze transfer elektrona 2 Transferaze reakcije transfera grupa 3 Hidrolaze reakcije hidrolize Liaze Izomeraze Ligaze adicija grupa na dvostruke veze, ili stvaranje dvostruke veze eliminacijom grupa transfer grupa stvaranje izomernih oblika stvaranje C-C, C-S, C-O i C-N veza reakcijama kondenzacije uz ATP *podklase enzima u okviru postojećih klasa 14

15 Tipovi inhibicija enzima INHIBICIJA ENZIMA Nespecifična inhibicija Specifična inhibicija Denaturacija Kiseline i baze Temperatura Alkohol Teški metali Redukujući agensi Ireverzibilna inhibicija Kompetitivna inhibicija Reverzibilna inhibicija Nekompetitivna inhibicija Alosterna inhibicija Povratna sprega Inhibicija enzima lekovima -veliki broj lekova predstavlja inhibitore enzima -stari lekovi: aspirin, penicilin -novi lekovi: Anti-HIV lekovi (inhibicija HIV proteaze) -prirodni toksini: zmijski otrov (ACE inhibitor) -veštački toksini: sarin (inhibira enzim koji ima ulogu u sinaptičkoj transmisiji u nervnom tkivu) Mehanizmi inhibicije enzima: smanjenje sposobnosti enzima da se veže za supstrat smanjenje katalitičkog dejstva enzima 15

16 Tipovi inhibitora enzima Reverzibilni inhibitori vezuju se za enzim i disosuju iz kompleksa enzim-supstrat, tj. postoji ravnoteža slobodnog i vezanog inhibitora u zavisnosti od koncentracije inhibitora Ireverzibilni inhibitori vezani su jakim vezama za enzim i stvaraju permanentne komplekse Reverzibilni inhibitori enzima Kompetitivni inhibitori Nekompetitivni inhibitori (alosterni inhibitori) Mešoviti inhibitori 16

17 Reverzibilna inhibicija enzima -intermolekulske veze - reverzibilno vezivanja inhibitora -ne dolazi do reakcije na inhibitoru -inhibicija zavisi od jačine vezivanja inhibitora i koncentracije inhibitora -aktivno mesto enzima je blokirano i onemogućeno je vezivanje supstrata -posle izvesnog vremena dolazi do oslobañanja inhibitora iz kompleksa enzim-inhibitor Kompetitivna inhibicija kompetitivni inhibitori: -takmiče se sa supstratom za isto aktivno mesto -hemijska struktura inhibitora slična je strukturi supstrata - mogu se istisnuti povećanjem koncentracije prirodnog supstrata Kompetitivna inhibicija enzima: veća koncentracija inhibitora veća koncentracija supstrata 17

18 Primer kompetitivne inhibicije enzima oksidacija etilen glikola blokada u višku alkohola Nekompetitivna (alosterna) inhibicija enzima Nekompetitivna inhibicija enzima: Alosterno vezivno mesto -alosterni inhibitori se vezuju za različit deo enzima (ne takmiče se za isto aktivno mesto sa supstratom) -inhibitori enzima nemaju strukturne sličnosti sa supstratom -vezivanjem inhibitora menja se oblik enzima, može doći do promene aktivnog mesta što onemogućava vezivanje supstrata -povećanje koncentracije supstrata nema uticaja na inhibiciju enzima, ali vezivanje inhibitora može biti reverzibilno 18

19 Inhibicija povratnom spregom Alosterna vezivna mesta su važna za kontrolu enzimske aktivnosti Inhibicija povratnom spregom: -supstanca na kraju lanca hemijske reakcije inhibira reakciju na početku -finalni proizvod inhibira reakciju vezivanjem za alosterno vezivno mesto: proizvod je strukturno izmenjen u odnosu na supstrat Biosynthetic Kontrola enzima pathway S P P P P (open) ENZYME Enzim Inhibicija Inhibition Feedback Povratna control sprega -vezivanje proizvoda ne zavisi od koncentracije supstrata -inhibitori uglavnom imaju strukturu sličnu finalnom proizvodu Primer alosternog inhibitora -alosterni inhibitor koji se uključuje u mehanizam povratne sprege -lek ima strukturu sličnu finalnom proizvodu, a ne supstratu SH N N N N H 6-merkaptopurin inhibira enzime uključene u sintezu purina, blokira sintezu DNK tretman leukemije 19

20 Ireverzibilna inhibicija enzima Ireverzibilni inhibitori: -inhibitor se nepovratno vezuje za enzim -inaktivatori enzima -stvaraju jake veze sa enzimom -permanentno blokiraju katalitičku aktivnost enzima -povećana koncentracija supstrata ne dovodi do deblokiranja enzima -struktura inhibitora je uglavnom slična strukturi supstrata Primeri ireverzibilnih inhibitora Finasterid -za lečenje ćelavosti: -mehanizam dejstva: inhibira enzim 5-alfa reduktazu koja katalizuje konverziju testosterona u dihidrotestosteron (hormon odgovoran za gubitak kose) -dejstvo: analgetik i antipiretik Aspirin -mehanizam dejstva: vezuje se kovalentnim vezama za aktivno mesto enzima ciklooksigenaze Diizopropilfluorofosfat (nervni gas) -mehanizam dejstva: inhibira enzim acetilholinesterazu stvaranjem estarske veze sa serinom 20

21 Odreñivanje tipa inhibitora -identifikacijom aktivnog mesta enzima, ili redosleda vezivanja u odnosu na supstrat -odreñivanjem kinetičkih parametara Kinetički parametri E + S ES E + P Michaelis-Mentenova jednačina: V 0 = V max [ S] [ S] + Km V 0 - brzina reakcije 21

22 Lineweaver-Burkov grafik Recipročne vrednosti brzine reakcije i koncentracije supstrata Grafik se koristi za odreñivanje tipa inhibicije enzima Kompetitivni inhibitori C Povećanjem koncentracije supstrata (S) u prisustvu kompetitivnog inhibitora: Km se povećava Vmax ostaje nepromenjena 22

23 Nekompetitivni inhibitori C Povećanjem koncentracije supstrata (S) u prisustvu nekompetitivnog inhibitora: Km se ne menja Vmax se smanjuje Primena enzimskih inhibitora u medicini Inhibitori enzima protiv mikroorganizama -uništavanje enzima koji su važni za funkcije ćelije mikoroorganizama (uništavanje ćelija ili sprečavanje njihovog rasta) -izabrani enzim ne treba da bude prisutan u humanom organizmu, ili enzimi u mikroorganizmima i domaćinu moraju da se razlikuju -Primer: sulfonamidi, penicilini, cefalosporini Inhibitori enzima protiv virusa -Virus herpesa ili HIV -Primer: aciklovir, zidovudin Inhibitori enzima u organizmu 23

24 Inibitori enzima u organizmu Ciklooksigenaza Angiotenzin konvertujući enzim (ACE) HMG-CoA reduktaze Monoamino oksidaze Monoaminooksidaze A Monoaminooksidaze B Dihidrofolat reduktaze Timidilat sintaze Fosfodiesteraze Ksantin oksidaze HIV proteaze Katehol O metiltransferaze H+/K+ ATPaze protonske pumpe Acetilholinesteraze Karboanhidraze 5 lipoksigenaze Ciljni enzim Terapija Anti inflamatori Antihipertenzivi Snižavanje nivoa holesterola Antidepresivi Antidepresivi Tretman Parkinsonove bolesti Antikanceri Antikanceri Seksualna disfunkcija Tretman gout Terapija SIDE Tretman Parkinsonove b. Terapija ulcera Ter. Miastenie gravis, glaukoma i Alchajmerove bolesti Diuretici Antiastmatici Lek Aspirin Kaptopril i enalapril Simvastatin Desipramin Hlorgilin Selegilin Metotreksat 5 fluorouracil Vijagra Alopurinol U75785 Ro Omeprazol Organofosfati Acetazolamid Zileutin 24