Måltavlor och läkemedelsdesign; Enzymer och enzymhämmare Flashcards
(35 cards)
Måltavlor för läkemedel
Måltavlor för läkemedel
Makromolekylära måltavlor för läkemedel:
- Lipider: I cellmembran
- Kolhydrater: Kopplat till celler. LM som har kolhydrater som mål växer just nu.
- Proteiner: Stora måltavla mot LM som finns idag
Receptorer
Enzymer - Nukleinsyror (cytostatika, antibakteriella och antivirala läkemedel): LM som är kraftfulla på DNA nivå
Receptorer
Receptorer: Protein i cellmembran som aktiveras av transmittorsubstanser /hormoner, vilket leder till en cellulär respons
Efter konformationsändringen kan responsen vara: transport av joner/molekyler, enzymaktivering/deaktivering, proteinsyntes, utsöndring av hormoner/transmittorsubstanser
Konformationsändring!
Vad aktiverar receptorn och startar en kaskad?
När en ligand binder till RC ändrar receptorn sin konformation och signalen sätts igång
Molekylen som vi ska designa måste utföra denna konformationsändring speciellt om den är en agonist.
Receptorer
Design av agonister
Receptorer
Design av agonister
* Agonister mimikerar receptorns endogena ligand och är därför ofta strukturellt lik den naturliga liganden
* Agonister binder reversibelt till bindningsfickan och genererar samma “induced fit” som den naturliga liganden, vilket leder till att receptorn aktiveras
* Agonister har liknande intermolekylära interaktioner som den naturliga liganden
Inducerad passning möjliggör starkare bindning
Adrenalin binder till en adrenarg RC:
Aromaten i adrenalinet har hydrofoba interaktion med bindningssitet i den adrenarga RC. Hydrofoba interaktioner uppstår när icke-polära delar av molekyler dras mot varandra
OH i adrenalinet binder till annan OH i bindningssitet.
Laddade aminen vill hitta den laddade karboxylsyra.
Men på grund av att den ligger borta, därför måste den delen närma sig aminen man får inducerad passning vilket möjliggör starkare bindning.
Inducerad passning: Den laddade aminen i adrenalin måste närma sig den laddade karboxylsyran i bindningsstället för att skapa en starkare bindning. När liganden binder till receptorn kan det orsaka en konformationsändring i receptorn som gör att den bättre passar till ligandens form, och detta kan leda till en starkare bindning.
Agonisten ska mimikerar den naturliga liganden.
Receptorer
Design av agonister, krav:
Receptorer
Design av agonister, krav:
- Agonisten måste ha de rätta bindningsgrupperna för att få bindningen med RC
- Bindningsgrupperna måste positioneras korrekt för att kunna interagera med de komplementära bindningsregionerna
- Agonisten måste ha rätt storlek och form för att passa i bindningsfickan och rätt farmakofor
Receptorer
Två enantiomer
Receptorer
Två enantiomer, men endast den ena passar och kan binda till RC, då den har rätt stereokemi.
Vi vill ha en rätt stereokemi på en agonist.
Om en enantiomer passar bättre och utlöser den önskade responsen medan den andra enantiomeren inte gör det, är målet att isolera och använda den enantiomer som är aktiv och effektiv.
Receptorer
Design av antagonister
Receptorer
Design av antagonister (reversibel bindning): Som ska blockera RC
Trial & Error
- Antagonister ska ha perfekt passform för bindningsfickan: —> ingen konformationsändring —> ingen respons. För att blockera bindningssitet, där andra agonister inte kan binda dit och aktivera RC.
Man bör tänka att agonister binder bäst, men det är faktiskt antagonister som bör ha den perfekt passform. Då agonister skulle kunna få den inducerade passning.
- Allosterisk antagonist: En allosterisk antagonist är en typ av molekyl som binder till en specifik plats på en receptor som inte är själva bindningsstället för liganden (t.ex. agonister). Denna plats kallas en allosteriskt ställe. När en allosterisk antagonist binder till denna plats, påverkar den receptorns aktivitet och förmåga att binda till sin naturliga ligand (agonist).
- Extra bindningsgrupper:
- ”Umbrella”-effekt. Skymmer bindningsfickan. Där antagonisten binder i närheten men kan skymma bindningssitet i RC. En antagonist binder till en receptor och täcker över (som en paraply) bindningsfickan där den naturliga liganden (agonisten) normalt skulle binda. Denna antagonistiska bindning skymmer effektivt bindningssitet och förhindrar ligandens interaktion med receptorn.
- Inducera en annan passning jämfört med endogena liganden. Kan dra till sig annan grupp. Vissa antagonistiska interaktioner kan involvera att antagonisten har en kemisk struktur som kan attrahera eller interagera med andra molekylära grupper i bindningsstället eller receptorn. Detta kan ytterligare försvåra eller hindra agonistens bindning.
Receptorer
Design av antagonister (reversibel bindning)
Receptorer
Design av antagonister (reversibel bindning)
Antagonist: Längre kedja för att nå det laddade karboxyl för perfekt passning jämfört med agonisten
När en antagonist har en längre molekylkedja, kan denna kedja sträcka sig och nå olika delar av bindningsstället i receptorn, inklusive laddade funktionella grupper som karboxylsyror. Om bindningsstället innehåller en laddad karboxylgrupp, kan antagonistens längre kedja vara optimerad för att interagera med denna grupp på ett sätt som inducerar en stabil och stark bindning.
En antagonist, genom att ha en längre kedja, kan nå en specifik laddad karboxylgrupp (COO-) i receptorn för att uppnå en perfekt passning.
Perfekt passning = (Ingen konformationsändring)
Receptorer
Design av antagonister (reversibel bindning)
Antagonister kan interagera
Receptorer
Design av antagonister (reversibel bindning)
Antagonister kan interagera med bindningsregioner i bindningsfickan som inte används av den naturliga liganden vilket inducerar en annan passning genom de extra bindningsinteraktionerna.
Agonsiter vs. Antagonister
Agonsiter vs. Antagonister
Om vi ska jämföra:
Antagonister är mycket större än agonister
Receptorer
Design av agonister vs. Antagonister
Receptorer
Design av agonister vs. Antagonister
Adrenlian agonister är lika adrenalin (En endogen ligand) i strukturer och funktionella grupper, de är även av samma storlek.
Adrenalin antagonister är mycket större, man har längre kedja mellan bindningskedjan. Antagonistiska läkemedel som verkar på adrenoreceptorer, kan en längre kedja mellan bindningsställena vara en strategi för att skapa en antagonist som har en större fysisk närvaro i bindningsstället.
Syret och CH2 mellan aromat och resten av strukturen kännetecknar beta blockare. Karaktäristiska kemiska grupper och strukturella element i en molekyl kan identifieras och kopplas till vissa läkemedelsklasser. När det gäller beta-blockerare, som är en typ av läkemedel som används för att minska hjärtfrekvensen och blodtrycket, finns det några specifika strukturella drag som är vanliga för många beta-blockerare. Ett av dessa är förekomsten av en syreatom (O) och en metylengrupp (CH2) som ligger mellan en aromatisk ring och resten av molekylen.
Receptorer
Design av agonister vs. Antagonister
Histamin
Receptorer
Design av agonister vs. Antagonister
Histamin agonister liknar den endogena liganden (Histamin)
Histamin antagoniser är större molekyler med längre kedja.
För att en agonist ska binda, behöver en RC fälla ihop sig för att krama agonisten. “Inducerad passning möjliggör starkare bindning”
Enzymer och enzymhämmare
Enzymklassificering
Enzymer och enzymhämmare
Enzymklassificering
Transferaser: som flyttar på funktionella grupper. Transferaser är en klass av enzymer som är ansvariga för att katalysera överföringen av funktionella grupper, som exempelvis en fosfatgrupp, en metylgrupp eller en aminogrupp, från en molekyl till en annan.
– Aminotransferaser
– Transacetylaser
– Fosforylaser
Oxidoreduktaser: Oxidoreduktaser är en stor klass av enzymer som katalyserar reaktioner som involverar oxidation och reduktion av molekyler.
– Oxidaser
– Dehydrogenaser
– Reduktaser
Ligaser: Ligaser är en typ av enzymer som är ansvariga för att katalysera reaktioner som binder samman två molekyler genom att skapa en ny kemisk bindning.
– Syntaser
– Karboxylaser
Hydrolaser: Som hydrolyserar bindningar. Dessa enzymer är ansvariga för att bryta ner stora molekyler genom att introducera en vattenmolekyl i bindningen mellan två atomer.
– Esteraser
– Glykosidaser
– Peptidaser/Proteaser
Lyaser: Lyaser är en typ av enzymer som katalyserar reaktioner där en molekyl bryts isär genom att en specifik funktionell grupp tas bort.
– Dekarboxylaser
– Aldolaser
– Hydrataser
Isomeraser
– Racemaser
– cis-trans-Isomeraser
Enzymer och enzymhämmare
Kännetecken för enzymkatalys
Enzymer och enzymhämmare
Kännetecken för enzymkatalys
- Enzymer höjer en reaktions hastighet genom att sänka reaktionens aktiveringsenergi
- Enzymer katalyserar inte termodynamiskt ogynnsamma reaktioner
- Enzymer ändrar inte en reaktions riktning
- Enzymer påverkar inte en reaktions jämviktsläge
- Enzymer förbrukas inte under en reaktion
Enzymer är katalysatorer som höjer en reaktions hastighet genom att sänka reaktionens aktiveringsenergi. De lossnar men förbrukas inte.
Enzymer och enzymhämmare
Kännetecken för enzymkatalys
- Enzymer sänker
Enzymer och enzymhämmare
Kännetecken för enzymkatalys
- Enzymer sänker aktiveringsenergin för en reaktion genom att bilda ett enzym-substratkomplex (ES)
- Sänkningen av aktiveringsenergin åstadkommes genom att det bundna substratets struktur tvingas i riktning mot övergångstillståndets struktur.
- Enzym-substratkomplexet bildas i enzymets aktiva centrum, som har både katalytisk och bindande funktion.
Substrat binder till det aktiva centrum i ett enzym, där det bildas ett enzym-substratkomplex.
Ett substrat ska omvandlas till produkt kräver hög aktiveringsenergi, men med ett enzym krävs lägre energi för att bilda produkten.
Enzymer sänker aktiveringsenergin som krävs för att starta och slutföra en kemisk reaktion. Detta gör reaktionen snabbare genom att minska energibarriären som substratet måste övervinna för att omvandlas till produkt.
En enzymkatalyseras reaktion kräver lägre energi än en icke-enzymatisk reaktion
Vid produkt har man låg energi
Efter en enzymkatalyserad reaktion har inträffat, är produkterna ofta i en mer stabil och lägre energitillstånd jämfört med det aktiverade substratet.
Enzymer och enzymhämmare
Aminosyror i aktiva sätet
Enzymer och enzymhämmare
Aminosyror i aktiva sätet kan antigen vara involverade i bindning (Hydrofob interaktion eller vätebindning) eller delta i mekanismen (Nukleofil attack)
Substrat binder till den stora enzymet. Det aktiva centrumet kan ha sidokedjor som aminosyror. Det aktiva centrumet består ofta av aminosyror med olika sidokedjor som interagerar med substratet. Dessa interaktioner är mycket specifika och noga arrangerade för att underlätta och påskynda den kemiska reaktionen som enzymet katalyserar.
Enzymer och enzymhämmare
Exempel på enzym:
Proteas och hydrolys
Enzymer och enzymhämmare
Exempel på enzym:
Ett proteas är ett enzym som katalyserar klyvning (hydrolys) av peptider/protein
Hydrolys: Man tillsätter vatten och delar upp molekyl
En proteas är ett enzym som katalyserar hydrolys av peptidbindningar i proteiner eller peptider.
Hydrolys är en reaktion där en kemisk bindning bryts genom att en vattenmolekyl adderas, vilket resulterar i att molekylen bryts ner i sina beståndsdelar. När det gäller proteaser sker hydrolysen av peptidbindningar i proteiner, vilket leder till nedbrytning av proteinkedjor i mindre peptider eller aminosyror
Proteaser klyver specifika peptidbindningar vid särskilda platser i en proteinsekvens.
Kompetitiv hämning
Kompetitiv hämning: Där hämmare och substratet tävlar om samma bindningssitet. Där båda hämmare och substrat binder till samma aktiva säte.
När det endogena substratet binder till enzymet bildas produkter.
Men när hämmare binder finns det lägre antal aktiva site som substrat kan binda till, vilket slutar med att hämmare blockerar aktivt säte för substrat.
Om hämmaren binder till enzymet, finns det färre tillgängliga aktiva siter för substratet att binda till. Detta kan resultera i en minskad reaktionshastighet, eftersom mindre substrat kan interagera med enzymet.
Icke-kompetitiv hämning (allosterisk hämning)
Icke-kompetitiv hämning (allosterisk hämning): Om hämmaren binder till den allosterisk sitet (Där hämmaren kan binda) uppstår konformationsändring i det aktiva sitet (Där substratet kan binda), vilket gör att (Två scenario):
1.Hämmare och substrat kan binda samtidigt till varsitt site, men i närvaro av en hämmare sker bildning av produkt långsammare
2.Alternativ att substratet kan ej binda efter att hämmare bundit.
Enzymer och enzymhämmare
Typer av enzymhämmare:
Enzymer och enzymhämmare
Typer av enzymhämmare:
1.Reversilbla: Binder till aktiva sitet och kan lossna. Delas in i:
Icke-kompetitiv (Allosterisk hämmare): Binder till allosterisk säte
Kompetativ: I kompetitiv hämning binder en hämmare till det aktiva sätet på enzymet, vilket är det ställe där substratet normalt binder. Delas in i tre olika grupper, dessa tre är designade på olika sätt:
Substratanaloger: Är liknande med substratet, kan likna produkterna också. Enzymhämmare kan likna produkter för att produkterna kan också binda bra till enzymet. En substratanalog som fungerar som en enzymhämmare kan vara utformad för att likna produkterna av den normala enzymkatalyserade reaktionen. Detta är eftersom en substratanalog som liknar produkterna också kan ha en affinitet för enzymet och binda till det aktiva sätet.
Övergångstillståndsanaloger (Transition state analoger):
Substrat har ett mål att omvandlas till produkt
Övergångstillståndsanaloger är enzymhämmare som liknar det tillståndet. Denna typ av enzymhämmare är effektiva för att enzymet binder till övergångstillståndet och för att energi går ner. De är alltså kemiska föreningar som är utformade för att strukturellt likna det övergångstillstånd som enzymet och substratet bildar under reaktionen. Övergångstillståndet är det högenergitillstånd som molekylerna går igenom när de omvandlas från substrat till produkt. Övergångstillståndsanaloger eftersträvar att efterlikna detta övergångstillstånd. Genom att efterlikna övergångstillståndet och sänka aktiveringsenergin kan övergångstillståndsanaloger göra reaktionen mer spontan och kan drivas lättare.
En peptidkedja består av en följd av aminosyror. Varje aminosyra har en aminogrupp (-NH2) och en karboxylgrupp (-COOH).
Proteaser är enzymer som har förmågan att klyva peptidbindningar mellan aminosyror i en peptidkedja.
Vid hydrolys av en peptidbindning tillsätts en vattenmolekyl (H2O). Vatten deltar i reaktionen genom vatten attackerar karbonylkolet.
Resultatet av hydrolysreaktionen är att peptidbindningen bryts, och det bildas två separata aminosyror. Detta är en nedbrytningsprocess som ofta sker med hjälp av proteaser.
Under reaktionen bildas ett intermediärt tillstånd där aminogruppen på en aminosyra och karboxylgruppen på en annan aminosyra är bundna till väte och hydroxylgruppen från vatten. Detta intermediära tillstånd är högenergi och liknar övergångstillståndet för reaktionen.
Övergångstillståndsanaloger kan designas för att efterlikna det övergångstillstånd som krävs för att klyva peptidbindningen. Genom att efterlikna detta övergångstillstånd kan övergångstillståndsanalogerna effektivt binda till enzymer som katalyserar peptidbindningsklyvning, till exempel proteaser. Denna bindning kan då leda till hämning av enzymet genom att störa dess normala funktion.
Kvasisubstrat: Halvsubstrat, fungerar som substrat men fastnar halvvägs.
2.Irreversibla: Enzymhämmare som binda in och bli kvar tills enzymet bryts ner. Irreversibla enzymhämmare kräver kovalent bindning mellan enzymet och LM. Med endast intermolekylära krafter och inte kovalenta kan bindningen vara stark men reversibel. Delas in i:
Alkylerande/Acylerande substrat analoger: Liknar substrat men leder till Alkylering/Acyleraning
Vi ska göra en alkylerare enzymhämmare:
I ett enzyms aktiva säte finns det serin som är en aminosyra. För att alkylera serinet behöver vi sätta kol kedja på serin och får alkylkedja. Alkylerare som enzym hämmare designas genom att:
Bild ovan:
Ett enzym med serin som sticker ut från aktiva sätet, särskilt en OH-grupp från serin molekylen.
Alkyleraren Cl-CH3 fungerar genom att den syret i OH attackerar C i CH3 och Cl- som är en bra lämnande grupp lämnar. OH är nukleofil och vill attackera den elektrofila CH3.
Detta resulterar en -O-CH3 som sticker ut från aktiva sätet i enzymet + HCl
Detta Cl-CH3 är inte bra att ha i kroppen för att den är oselektiv och en liten molekyl som skulle kunna binda till olika RC i kroppen.
Ovan är en SN2 reaktion
Acylerande substrat analoger:
Ett enzym med serin som sticker ut från aktiva sätet, särskilt en OH-grupp från serin molekylen.
Acyleraren (Acetylklorid - Acetylklorid, som är en elektrofil förening som innehåller en karbonylgrupp (C=O)) fungerar genom att syret i OH attackerar C i karbonylkolet.
Detta skulle resultera en ester + HCl
Acetylklorid är inte heller bra att ha i kroppen för att den är oselektiv och en liten molekyl som skulle kunna binda till olika RC i kroppen.
Mekanism-baserade (kcat-hämmare, suicide substrate): Enzymhämmare som reagerar med enzymet så att enzymet pågår självmord. Dessa LM binder alltså till enzymet och leder till att enzymet pågår självmord. Mekanism-baserade substrat är mer selektiva än Alkylerande/Acylerande substrat analoger, om man skulle välja skapa ett enzymhämmare, skulle man välja den över Alkylerande/Acylerande substrat analoger.
3.Pseudoirreversibla: Irreversibla men på långsikt kan den lossna
T.ex Ester i (Acylerande substrat analog exempel) binder kovalent till enzymet men kan hydroleseras och lossna.
-
-
Enzymer och enzymhämmare
Exempel på läkemedel som är reversibla enzymhämmare
Enzymer och enzymhämmare
Exempel på läkemedel som är reversibla enzymhämmare
HIV-proteas
HMG-CoA-reduktas
Många LM är enzymhämmare
Enzymer och enzymhämmare
Reversibla enzymhämmare
Enzymer och enzymhämmare
Reversibla enzymhämmare är vanligast. De är ofta substratanaloger och övergångstillståndsanaloger.
Exempel: indinavir, som hämmar HIV-proteas
Indinavir är en proteashämmare, som är en typ av läkemedel som används vid behandling av HIV-infektion. Proteas i detta sammanhang refererar till HIV-proteasen, ett enzym som är involverat i processen att klippa isär proteinkedjor och producera nya proteiner som är viktiga för virusets replikation.
Indinavir har likheter till ett protein. OH grupp och en amin med avstånd mellan.
Indinavir är en övergångstillståndsanaloger och peptidhärmade LM. Indinavir anses vara en peptidhärmande förening. Det har funktionella grupper som en hydroxylgrupp (OH) och en aminogrupp (amin) samt en avstånd mellan dessa funktionella grupper. Denna struktur gör att indinavir kan interagera med proteasets aktiva plats och hämma dess aktivitet.
Enzymer och enzymhämmare
Exempel på läkemedel som är irreversibla enzymhämmare
Enzymer och enzymhämmare
Exempel på läkemedel som är irreversibla enzymhämmare
Protonpumpshämmare (H+, K+-ATPas)
Acetylkolinesteras hämmare
Enzymer och enzymhämmare
Acetylkolinesteras (AchE)
Enzymer och enzymhämmare
Acetylkolinesteras (AchE)
Acetylkolinesteras ska bryta ner acetylkolin i våra synapser. När Ach bryts ner, får vi ättiksyra och kolin.
Acetylkolinesteras enzymet har OH-grupper och serin i sitt bindningsficka. Acetylkolinesteras med serin i bindningsfickan attackerar karbonylen i Ach och den hydrolysers, detta leder till snabb hydrolys och därmed kovalent bindning
Acetylkolinesteras innehåller aktiva platser med funktionella grupper, inklusive hydroxylgrupper och en serinaminosyra i sin bindningsficka. När acetylkolin binder till enzymet, attackerar serinaminosyran i bindningsfickan karbonylen (C=O) i acetylkolin. Denna kemiska reaktion leder till hydrolys av acetylkolinmolekylen, där kolin och ättiksyra bildas som resultat.
Reaktionen med acetylkolinesteras accelererar hydrolysen (spjälkningen med vatten) av acetylkolin, vilket resulterar i snabb nedbrytning av acetylkolinmolekylen i dess komponenter, ättiksyra och kolin.
Under denna process bildas en kovalent bindning mellan acetylkolinesteraset och acetylkolin. Denna bindning är stark och varaktig och resulterar i att acetylkolinesteras inaktiveras temporärt tills bindningen bryts eller enzymet regenereras.
