PROTEINI kao ciljna mesta dejstva leka - · PDF file-antihipertenzivi: snižavanje krvnog...

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