proteini kao ciljna mesta dejstva leka - · pdf file-antihipertenzivi: snižavanje krvnog...
TRANSCRIPT
1
PROTEINIkao ciljna mesta dejstva leka
Predavač: Doc. dr Slavica Erić
FARMACEUTSKA HEMIJA 1
Strukturni proteini kao ciljna mesta dejstva leka
polimerizacija
depolimerizacija
tubulin mikrotubule
jedro vreteno
vinblastin
vinkristin
vindezin
-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
Paklitaksel(taksol)
strukturni proteini virusa – dejstvo potencijalnih antivirotika
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.
N CH2
Cl
Cl
C
NH2
H
COOH
-transfer u ćeliju preko specifičnog proteina nosača za fenilalanin
-alkolovanje DNK
-antikancerski lek
Melfalan
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 uzrokamehanizam: ihibicija angiotenzin konvertujućeg enzima (sistem renin-
angiotenzin)
-sulfonamidi - bakteriostatici i antimalaricimehanizam: inhibicija dihidropteroat sintetaze, enzima koji je uključen u
biosintezu purina i amino kiselina
-diuretici – pojačana diurezamehanizam: dejstvo na karboanhidrazu koja reguliše protonsku ravnotežu u
bubrezima
Enzimi kao katalizatori bioloških reakcija
SS
EE
ES
PP
EE
EP
PP
EE
E + P
EE
SS
E + S
EE
-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)
4
Energija aktivacije
- 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, većsamo na brzinu reakcije
A···B (kompleks reaktanata) A···E···B (kompleks enzima i reaktanata)
E1 (energija aktivacije bez učešća enzima) E2 (energija aktivacije uz učešće enzima)
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
5
Aktivna mesta Aktivna mesta enzimaenzima
●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)
enzim
ENZYME
Active site
Aktivno mestoAktivno mesto
Aminokiseline aktivnog mesta
Uloga rezidua aminokiselina u aktivnom mestu:
-uključene u vezivanje supstrata za aktivno mesto
-uključene u mehanizam reakcije
Aktivno mesto
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
• 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
CCILJNOMESTO
NH3+
O
O-
R
EElektrostatilektrostatiččkeke ili jonske vezeili jonske veze
7
Vezivno mesto
Lokalizovanidipolni momenat
Dipolni momenat
RC
R
O
δ+δ+δ+δ+
δδδδ−−−−
Vezivno mesto
R
CR O
Dipol-dipol interakcije
Vezivno mesto
Lokalizovanidipolni momenat
Dipolni momenat
RC
R
O
δ+δ+δ+δ+
δδδδ−−−−
Vezivno mesto
R
CR O
- javljaju se kad naelektrisanje na jednom molekulu indukuje dipol na drugom - primer: izmeñu kvaternernog amonijum jona i aromatičnog prstena
Vezivno mesto
RR N RR33
++++++++
δδδδδδδδ−−−−−−−−
δ+δ+δ+δ+δ+δ+δ+δ+
IIndukovanendukovane dipoldipol interakcijeinterakcije
8
-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
VodoniVodoniččne vezene veze
X H .......... Y
DONOR H-VEZE AKCEPTOR H-VEZE
CILJNOMESTO
R
δ- δ+ δ-
Interakcije sa supstratom: model ključa i brave
1890, Emil Fischer: model ključa i brave
-biološki ključevi imaju jedinstvenestereohemijske osobine koje su neophodneza 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)
9
Indukovano fitovanje
SS Phe
SerO
H
Asp
CO2Indukovanofitovanje
SSPhe
SerO
H
Asp
CO2
-rastojanje veza nije optimalno za mаksimalno vezivanje
-menjaju se i supstrat i enzim
-optimizovane intermolekulskedužine veza
-osetljive veze u supstratu su napregnute i lakše se mogu raskinuti
Interakcije pirogrožñane kiseline
van der WaalsH-Veze
Jonske veze
H3CC
C
O
O
O
OH
H3N
H-veze
Jonskeveze
Moguće interakcije vdw-interakcije
H3CC
C
O
O
O
-na osnovu strukture supstrata može se predvideti tip mogućih interakcija sa aktivnim mestom
Interakcija pirogrožñane kiseline i LDH
10
-interakcija sa supstratom, oslabljene π veze, olakšana reakcija
Indukovano fitovanje: vezivanje pirogrožñane kiseline
Kiselo-bazna kataliza
� kiselo-baznu hidrolizu obezbeñuje aminokiselina histidin:
� histidin predstavlja ‘banku’ protona (može da šalje i da prima protone)
� kataliza se može odvijati bez inicijalnog učešća vode
NNH
+H
-H NNH
Hnejonizovani oblik (deluje kao bazni katalizator, prima protone)
jonizovani oblik (deluje kao kiseli katalizator, izvor protona)
-direktno učešće AK u mehanizmu reakcije
11
Nukleofilne grupe
-aminokiseline serin i cistein se često nalaze na aktivnim mestima
-sadrže nukleofilne ostatke (OH i SH) koji mogu da učestvuju u mehanizmu reakcije
-formiraju se intermedijeri sa supstratom pri čemi intermedijeriomogućavaju alternativni put reakcije
H3N CO2
OH
H
LL--SerineSerine
H3N CO2
SH
H
LL--CysteineCysteineL-serin L-cistein
-direktno učešće u mehanizmu reakcije
Dejstvo serina kao nukleofila
OH
Ser
X
Substrate
O
Ser
H2O
OH
Ser
HO Product
-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
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
13
Nikotinadenin dinukleotid (NAD+)
N
R
CONH2
+ H+ + 2 e-
N
R
HH
CONH2
NAD+ 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 reumatoidnogartritisa-dizajniranje selektivnih lekova koji deluju samo na produkciju inflamatornihprostaglandina
14
Primeri izoenzimaMAO: 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)
Hlorgilin(MAO A: antidepresiv
SelegilinMAO B: antiparkinsonik
MAO
Flavin koenzim
Internacionalna klasifikacija enzima
transfer elektrona
reakcije transfera grupa
reakcije hidrolize
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
Oksidoreduktaze
Transferaze
Hidrolaze
Liaze
Izomeraze
Ligaze
1
2
3
4
5
6
Tip katalizovane reakcijeKlasa enzima
*podklase enzima u okviru postojećih klasa
15
Tipovi inhibicija enzima
Nespecifična inhibicija
Denaturacija
INHIBICIJA ENZIMA
Specifična inhibicija
Ireverzibilna inhibicija Reverzibilna
inhibicija
Kiseline i baze Temperatura
Alkohol Teški metali
Redukujući agensi
Nekompetitivna inhibicija Alosterna inhibicija Povratna sprega
Kompetitivnainhibicija
Inhibicija Inhibicija enzimaenzima lekovimalekovima
-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 sinaptičkojtransmisiji u nervnom tkivu)
Mehanizmi inhibicije enzima:
● smanjenje sposobnosti enzima da se veže za supstrat
● smanjenje katalitičkog dejstva enzima
16
Tipovi inhibitora enzima
� Reverzibilni inhibitorivezuju se za enzim i disosuju iz kompleksa enzim-supstrat, tj. postoji ravnoteža slobodnog i vezanog inhibitora u zavisnosti od koncentracije inhibitora
� Ireverzibilni inhibitorivezani su jakim vezama za enzim i stvaraju permanentne komplekse
Reverzibilni inhibitori enzima
Kompetitivni inhibitori
Nekompetitivni inhibitori (alosterni inhibitori)
Mešoviti inhibitori
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
18
Primer kompetitivne inhibicije enzima
oksidacija etilen glikola
blokada u višku alkohola
Nekompetitivna inhibicija enzima:
Nekompetitivna (alosterna) inhibicija enzima
-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
Alosternovezivno mesto
19
Inhibicija povratnom spregomAlosterna 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
-vezivanje proizvoda ne zavisi od koncentracije supstrata
-inhibitori uglavnom imaju strukturu sličnu finalnom proizvodu
P’’’P’’P’
Biosynthetic pathway
Feedback controlInhibition
PPSS
(open)ENZYMEEnzim
Inhibicija Povratna sprega
Kontrola enzima
Primer alosternog inhibitora
-alosterni inhibitor koji se uključuje u mehanizam povratne sprege-lek ima strukturu sličnu finalnom proizvodu, a ne supstratu
● inhibira enzime uključene u sintezu purina, blokira sintezu DNK● tretman leukemije
N
NN
N
SH
H
6-merkaptopurin
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
-za lečenje ćelavosti:-mehanizam dejstva: inhibira enzim 5-alfa reduktazu koja katalizujekonverziju testosterona u dihidrotestosteron (hormon odgovoran za gubitak kose)
-dejstvo: analgetik i antipiretik-mehanizam dejstva: vezuje se kovalentnim vezama za aktivno mesto enzima ciklooksigenaze
Diizopropilfluorofosfat (nervni gas) -mehanizam dejstva: inhibira enzim acetilholinesterazu stvaranjem estarske veze sa serinom
Finasterid
Aspirin
21
Odreñivanje tipa inhibitora
-identifikacijom aktivnog mesta enzima, ili redosleda vezivanja u odnosu na supstrat
-odreñivanjem kinetičkih parametara
Kinetički parametri
Michaelis-Mentenova jednačina:
E + S ↔↔↔↔ ES →→→→ E + P
V0 - brzina reakcije
[ ][ ] KmS
SVV
+= max0
22
Lineweaver-Burkov grafik
Recipročne vrednosti brzine reakcije i koncentracije supstrata
Grafik se koristi za odreñivanje tipa inhibicije enzima
Kompetitivni inhibitori
Povećanjem koncentracije supstrata (S) u prisustvu kompetitivnog inhibitora:
Km se povećava
Vmax ostaje nepromenjena
C
23
Nekompetitivni inhibitori
Povećanjem koncentracije supstrata (S) u prisustvu nekompetitivnog inhibitora:
Km se ne menja
Vmax se smanjuje
C
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
24
Inibitori enzima u organizmu
AspirinKaptopril i enalaprilSimvastatinDesipraminHlorgilinSelegilinMetotreksat5 fluorouracilVijagraAlopurinolU75785Ro41 0960OmeprazolOrganofosfati
AcetazolamidZileutin
Anti inflamatoriAntihipertenziviSnižavanje nivoa holesterolaAntidepresiviAntidepresiviTretman Parkinsonove bolestiAntikanceriAntikanceriSeksualna disfunkcijaTretman goutTerapija SIDETretman Parkinsonove b.Terapija ulceraTer. Miastenie gravis, glaukoma i Alchajmerove bolestiDiureticiAntiastmatici
CiklooksigenazaAngiotenzin konvertujući enzim (ACE) HMG-CoA reduktazeMonoamino oksidazeMonoaminooksidaze AMonoaminooksidaze BDihidrofolat reduktazeTimidilat sintazeFosfodiesterazeKsantin oksidazeHIV proteazeKatehol O metiltransferazeH+/K+ ATPaze protonske pumpeAcetilholinesteraze
Karboanhidraze5 lipoksigenaze
LekTerapijaCiljni enzim