Kapitel 11,12 Regulation der Enzym Aktivität 1. 2. 3. 4. Lysozym Kontrolle der enzymatischen Aktivität Komplexe enzymatische Reaktionen Enzym Hemmung und “Drug design” 1) Lysozym Lernziele: 1) Verständnis der Substrat-Bindung an Lysozym 2) Verstehen des katalytischen Mechanismus von Lysozym Lysozym Lysozym ist ein Ezym, welches die bakterielle Zellwand abbaut. Lysozym ist weitverbreitet und wirkt bakterizid (zB. Tränen-, Nasenflüssigkeit. Das Hühner-Eiweiss Enzym ist das am besten charakterisierte (HEW), 14.3 kD, einzelnes 129 AS Polypeptid, 4 Disulfidbrücken, Katalyserate 108-fach Hydrolisiert β(1->4) Glykosidische Bindung zwischen NAcetylmuraminsäure (NAM) und N-Acetylglukosamin (NAG) in Peptidoglycanen der Zellwand Hydrolysiert auch Chitin: β(1->4) NAG Die Schnittstelle von Lysozym β(1->4) • Die Röntgenstruktur von Lysozym als erstem Enyzm wurde 1965 gelöst • Ellipsoidale Form mit prominentem Spalt über der gesamten Oberfläche • Bindet 6 Saccharid-Einheit, A-F, binden in dem Spalt, • Spaltung zwischen D/E Einheit (4/5) Lysozyme’s catalytic site was identified through model building • Lysozyme structure solved by X-ray in 1965, first enzyme • Ellipsoidal shape with prominent cleft in substrate bdg site, that traverse one face of the molecule • Use model building to understand enzyme substrate interactions • 6 Saccharide units, A-F, bind to cleft, • Cleavage between D/E • In D ring, C6 and O6 too closely contact enzyme => distortion of glucose ring from chair => half chair => have to move from Die katalytische Stelle von Lysozym wurde durch Modellbau identifiziert Chair and half-chair conformations Distortion of D ring (saccharide unit 4) => C1, C2, C5 , and O5 are coplanar Stabilization through H bridges and ionic interactions The interactions of lysozyme with its substrate Identification of the bond that lysozyme cleaves D-ring remains β anomer B) The lysozyme reaction proceeds via a covalent intermediate • The reaction catalyzed by lysozyme, the hydrolysis of a glycoside, is the conversion of an acetal into a hemiacetal • Non-enzymatic, this is an acid-catalyzed reaction, involving the protonation of an oxygen atom, followed by cleavage of a O-C bond -> transient formation of resonance stabilized carbocation = oxonium ion • Enzymatic reaction should include an acid catalyst and a stabilization of the oxonium ion transition state The mechanism of the nonenzymatic acidcatalyzed hydrolysis of an acetal to a hemiacetal Lysozym geht eine kovalente Bindung mit dem Substrat ein Glu 35 and Asp 52 are lysozyme’s catalytic residues Transition state analog inhibition of lysozyme NAG lactone binds to the D subside with about 9.2 kJ/mol greater affinity than does NAG Observation of the covalent intermediate • The lifetime of a glucosyl oxonium ion in water is ~10-12 sec • To be observed: its rate of formation must be greater than that of its breakdown (observe by mass spec) 1. Formation slowed by substituting F at C2 of D ring to draw electrons 2. Mutating Glu 35 to Gln (E35Q) to remove general acid base catalyst 3. Substitution F at C1 of D ring as good leaving group 2) Kontrolle der Enzym-Aktivität Metabolische Prozesse müssen koordiniert werden indem die entsprechenden Enzyme reguliert werden. 2 Arten der Kontrolle: 1. Kontrolle der Menge an Enzym: abhängig von Synthese und Abbau, kann innerhalb von Minuten (Bakterien) bzw. Stunden (Eukaryonten) reguliert werden. 2. Kontrolle der Enzym-Aktivität: kann über allosterische Effektoren (Bsp. Hämoglobin, ACTase) und kovalente Modifikationen (Phosphorylation) reguliert werden. A) Allosterische Kontrolle Allosterische Kontrolle der Aspartat Transcarbamoylase (ATCase) Erster und ratenlimitierender Schritt der Pyrimidin Synthese Beide Substrate binden Kooperativ an das Enzym Feedback Inhibition der ATCase reguliert die Pyrimidin Synthese Allosterische Hemmung der ATCase durch Cytidin Triphosphat (CTP), ein Pyrimidin (Feedback Hemmung) Allosterische Aktivation durch Adenosin Triphosphat (ATP), ein Purin Nucleotid => Purin/Pyrimid Verhältnis Kinetik der ACTase Reaktion Sigmoidale anstelle der hyperbolischen Kurve -> kooperative Bindung der beiden Substrate Die allosterischen Effektoren, ATP und CTP, verschieben die Kurve nach links bzw. rechts Regulation der ACTase Aktivität Durch die beschriebene Feedback Hemmung und die allosterische Aktivierung kann die ACTase die Synthese der Purine und Pyrimidin Nukleotide koordinieren. Ein ausgewogenes Verhältnis von Purin und Pyrmidinen wird für die Replikation und Transkription verwendet und ist wichtig, um die Fehlerrate der DNA Polymerase bei der Replikation tief zu halten. Allosterische Bindungen ändern die Substratbindungsstelle der ACTase • ACTase (300 kD), zusammengesetzt c6r6 Untereinheiten, katalytisch (c) und regulatorisch (r) • Katalytische Untereinheit als set von 2 Trimeren angeordnet 2(c3), komplexiert mit 3 Sets regulatorischen Dimeren 3(r2) • Jedes regulatorische Dimer kontaktiert zwei katalytische Untereinheiten, die jeweils in unterschiedlichen C3 Trimeren liegen • Isolierte katalytische Trimere sind aktiv und nicht allosterisch reguliert durch ATP oder CTP • Die regulatorischen Untereinheiten reduzieren die Aktivität der katalytischen Untereinheit Struktur der ACTase 2x katalytische c3 Trimere 3x regulatorische r2 Dimere CTP Bindung zu r2 Dimer Änderungen in der tertiär und quarternär Struktur der ACTase kein Substrat tiefe Affinität T Zustand Substrat Bindung induziert T -> R Transition Allosterische Effektoren verändern die Substrat-Bindung der ACTase • ATP bindet präferentiell den R-Zustand der ATCase (R, hohe Substrat-Affinität) -> friert damit die hohe Substrataffinität des Enzyms ein • CTP als Hemmer bindet dagegen den T-Zustand des Enzyms (T, tiefe Substrat-Affinität) -> stabilisiert den tief affinen Zustand • T -> R Transition durch konformationelle Änderungen, hauptsächlich des Quarternärzustandes • Substrat-Bindung an eine der Untereinheiten erhöht daher die Substrataffinität der benachbarten Untereinheiten Allosterische Änderungen in anderen Enzymen gleichen denen in Hämoglobin und der ACTase • Allosterische Enzyme kommen oftmals vor und katalysieren strategisch wichtige Reaktionen • sind meistens symmetrisch aufgebaut, mit mindestens zwei Untereinheiten, über welche Änderungen der Quarternärstruktur kommuniziert werden und damit die Substratbindung der benachbarten Untereinheit verändert wird • Quarternäre Änderungen sind meistens Rotationsbewegungen der Untereinheiten gegeneinander • Die Sekundärstruktur ist bei T -> R Transitionen meist nicht betroffen B) Kontrolle der Enzymaktivität durch kovalente Modifikationen, Phosphorylation • Zusätzlich zur allosterischen Regulation werden viele Enzyme durch kovalente Modifikationen reguliert • Die häufigste dieser kovalenten Modifikationen ist die Phosphorylierung/Dephosphorylierung von bestimmten Aminosäuren im Protein:Thr, Ser, Tyr (etwa 30% aller humanen Proteine werden phosphoryliert) • Durch Protein Kinasen, bzw. Protein Phosphatasen Ein Phosphorylierungs- / Dephosphorylierungs-Zyklus Thr, Ser, Tyr Thr-P, Ser-P, Tyr-P Beispiel: Glykogen Phosphorylase • Katalysiert Phosphorolyse (Bindungsspaltung durch Substitution mit einer Phosphatgruppe) von Glykogen α(1->4)-verbundene Glukose zu Glukose-1-Phosphat (G1P) Glykogen + Pi <-> Glykogen + G1P (n residues) (n-1 residues) • Schrittmacher Enzym der Glykolyse Struktur der Muskel Phosphorylase Homo-Dimer von 842 AS Phosphorylierte Form, aktiv, Phosphorylase a (Ser14-P) Dephospho Form, Phosphorylase b - Aktiviert durch AMP (=wenig Energie) - Inhibiert durch ATP, G1P Phosphorylierung und Dephosphorylierung verändert die enzymatische Aktivität und gleicht einer allosterischen Kontrolle • Die Glykogen Phosphorylase hat zwei konformationelle Zustände R (Aktiv), T (Inaktiv, Substrat Zugang blockiert) • Phosphorylation von Ser 14 induziert T -> R Übergang und die R Form, kann nun durch allosterische Effektoren wie zB. AMP reguliert werden • ATP und Glucose-6-Phosphat (G6P) binden den T Zustand der Phosphorylase b und inaktivieren das Enzym Conformationelle Wechsel der Glykogen Phosphorylase Inaktiv Aktiv Ser 14, AMP Phosphorylase b Phosphorylase a Kontrolle der Glykogen Phosphorylase 2er Teil: Kapitel 12 Properties of enzymes 3. Komplexe enzymatische Reaktionen 4. Enzym Hemmung und “Drug design” 3) Komplexe enzymatische Reaktionen • All enzymes can be analyzed such that their reaction rates as well as their overall efficiency can be quantified • 1902 β-fructofuranosidase: sucrose + H2O -> glucose + fructose • If [sucrose] >> [enzyme] then the reaction rate becomes zeroth order with respect to sucrose. Proposition: two elementary reactions: k1 ES k-> 2 P + E E + S <-> k-1 K2 is rate limiting; and we assume that it is irreversible Enzyme kinetics often follows the Michaelis-Menten equation Steady state kinetics cannot unambiguously establish a reaction mechanism Complex enzymatic reaction mechanisms are not revealed by steady state kinetics Steady state measurements in this example mean that all the pipes are filled with water and changes in Input pressure are measured against changes in Output pressure Bisubstrate reactions follow one of several rate equations Enzymatic reactions involving two substrates are very common (~60%): For example transfer reactions: Or oxidation-reduction reactions: i.e. alcohol dehydrogenase Some bisubstrate reactions Sequential reactions occur via single displacements Reactions in which all substrates must combine with the enzyme before a reaction can occur and products can be released are known as sequential reactions (= single displacement reactions) Can be subclassified into ordered mechanism, with defined order of substrate binding, i.e. bdg of first substrate only allows binding of the next Or random mechanism with random substrate bdg, i.e. two independent substrate bdg sites Cleland notation: substrates: A, B, etc. products: P, Q, etc. A is leading, B is following substrate; many NAD+ requiring dehydrogenases follow an ordered bisubstrate mechanism Example of a random bisubstrate reactions, i.e. some dehydrogenases and kinases (transfer phosphate group from ATP to protein) Ping-pong reactions occur via double displacements ping pong F = E-X Q = B-X Group transfer reactions in which one or more products are released before all substrates have been added are known as ping-pong reactions = double displacement reactions. Note that the two substrates A, and B do not encounter each other on the enzyme Ping-pong reactions occur via double displacements Example for a ping-pong reaction: carboxylation of acetyl-CoA to malonyl-CoA by acetyl-CoA carboxylase, the rate-limiting enzyme of fatty acid synthesis Bisubstrate mechanisms can be distinguished by kinetic measurements • Rate equations for bisubstrate reactions are more complicated than those of single substrate reactions • Contain as many as 4 kinetic constant versus 2 for Michaelis-Menten (Vmax and KM) 4) Enzyme Inhibition and Drug Design • Many substances alter the activity of an enzyme by combining with it to alter (i) substrate binding or (ii) turnover number • Substances that reduce the activity of an enzyme are inhibitors • Pharmaceutically important, i.e. AIDS drugs inhibit viral enzymes (DNA/RNA Polymerase) Enzyme Inhibition Irreversible inhibitors, inactivate the enzyme, for example chemicals that modify amino acids in active site of enzyme (DIPF, Aspirin) Reversible inhibitors, may structurally resemble substrate but do not react can be: (i) competitive or (ii) uncompetitive (iii) mixed inhibitors Drug Design • Most of the drugs in todays use were developed over the last 30 years, exceptions: digitalis (heart stimulants), quinine (malaria), mercury (syphilis) • How are new drugs discovered ? • Mostly by screening of compound libraries, using an in vitro assay with the purified enzyme - > determining KI • Results in lead compound (good candidate has a dissociation constant of 1 µM) • Chemical modification of lead compound to improve its pharmacological properties (5’000-10’000) Quinine and chloroquine Antimalaria drugs, share quinoline ring system Pass through cell membranes and inhibit heme crystallization/ storage in parasite (Plasmodium) Structure-based drug design accelerates drug discovery • Since mid 1980s, rational drug design, based on protein structure • Model hydrogen bonding donors and acceptors, cavities etc. • Used to develop analgesics (pain relievers) Celebrex and Vioxx, HIV inhibitors Combinatorial chemistry and high-throughput screening are useful drug discovery tools Rapid and cheap synthesis of large numbers of related compound that can then be used for robotic high throughput screening (but be aware: bullshit in will result in bullshit out ! ) The combinatorial synthesis of arylidene diamides: if ten different variants of each R group are used in the synthesis, then 1000 different derivatives will be synthesized B) A drug’s bioavailability depends on how it is absorbed and transported in the body • The in vitro assay to uncover lead compound is only the first step in the drug discovery process • Besides causing the desired response in its isolated target protein, a useful drug must be delivered in sufficiently high concentration to this protein where it resides in the human body Bioavailability / Pharmacokinetics For example, orally delivered drugs: 1) Pass through the stomach, must be chemically stable 2) Must be absorbed from gatrointestinal tract, from bloodstream must bass through cell membrane etc. 3) Should not bind to other substances, lipohilic substances for example are absorbed by plasma proteins and fat tissue 4) Must survive detoxification reactions for xenobiotics by liver enzymes 5) Avoid rapid excretion by the kidney 6) Must pass from capillaries to target tissue 7) May cross blood-brain barrier 8) Pass through the plasma membrane These are Pharmacokinetic parameters that define bioavailability C) Clinical trials test for efficacy and safety - Successful drug must be safe and efficacious in humans - Test first in animals - Test in humans through clinical trials, monitored by FDA (food and drug administration, USA) Three increasingly detailed and expensive phases: Phase I, designed to test safety of drug candidate and dosage range, method, and frequency 20-100 volunteers, or volunteer patients with target disease Clinical trials test for efficacy and safety Phase II, test drug efficacy against target disease, 100-500 volunteer patients, refine dosage, check for side effects single blind tests against placebo Phase III, monitors adverse reactions from long-term use and confirms efficacy, 1000-5000 patients double blind test Only 5 out of 5000 drug candidates that enter preclinical trials (3 years) reach clinical trials (7-10 years), of these, only 1 will be approved (cost 300 Mio $), majority fail in Phase II, Clinical trials test for efficacy and safety Phase IV, post-marketing surveillance, if 1 in 10’000 individuals show life-threatening side effects, it will be taken from market (e.g. Vioxx in 2004, etc.) Cytochromes P450 are often implicated in adverse drug reactions • Why can a drug be tolerated well by many but show dangerous effects in few ? • Individual differences in drug tolerance due to differences in disease stage, other drugs taken, age, sex and environmental factors. • Cytochromes P450 function in large part to detoxify xenobiotics, participate in metabolic clearance of majority of drugs Cytochromes P450 are often implicated in adverse drug reactions Cytochromes P450 constitute a superfamily of heme-containing enzymes present in nearly all organisms 57 isoenzymes in human genome, eg. CYP2D6 -> + polymorphic variants ! Monooxygenases embedded in the ER RH + O2 + 2H+ + 2e- -> ROH + H2O more water soluble etc… R: steroids, PCB, drugs, tobacco smoke, broiled meat Cytochromes P450 are often implicated in adverse drug reactions Cytochromes P450 can also convert non-harmful drugs into highly toxic compounds Example acetaminophen (antipyretic /fever reducer) at low dose (1.2g/day) but at > 10g/day is highly toxic The metabolic reactions of acetaminophen 5% TOXIC 95% is Glucoronide or Sulfate conjugates FORTBILDUNG Grapefruit-MedikamentenWechselwirkungen Substanzen aus der Grapefruit können die Metabolisierung einiger Medikamente beeinflussen und das Risiko für Toxizität und unerwünschte Nebenwirkungen erhöhen. Dies wird vor allem bei Medikamenten beobachtet, die über das intestinale Enzymsystem Zytochrom P 450 3A4 (CYP 3A4) metabolisiert werden und die eine niedrige Bioverfügbarkeit sowie einen engen therapeutischen Index aufweisen. Merksätze ■ Inhaltsstoffe der Grapefruit blockieren das intesti- nale Enzymsystem P 450 (CYP 3A4) und erhöhen damit die Bioverfügbarkeit einiger Medikamente. ■ Dadurch können vor allem bei Medikamenten mit niedriger oraler Bioverfügbarkeit und einem engen therapeutischen Index Wirkungen und Nebenwirkungen verstärkt werden. ■ Klinisch signifikante Wechselwirkungen mit Grape- fruit wurden bei einzelnen Medikamenten aus den Substanzklassen der Statine, Antiarrhythmika, Immunsuppressiva und Kalziumkanalblocker nachgewiesen. ■ Da lediglich die intestinale Metabolisierung durch A M E R I C A N FA M I LY P H Y S I C I A N Die Wechselwirkungen von Inhaltsstoffen der Grapefruit mit Medikamenten wurden zufällig entdeckt. Autoren einer Studie benutzten Grapefruit, um den Geschmack von Alkohol zu maskieren und stellten dabei fest, dass Patienten, die Felodipin (Plendil® und Generika) mit Grapefruitsaft eingenommen hatten, gegenüber den Normalwerten zwei- bis dreifach erhöhte Plasmakonzentrationen des Wirkstoffs aufwiesen. Interaktionsmechanismen Inhaltsstoffe der Grapefruit blockieren das Enzymsystem Zytochrom P 450 3A4 (CYP 3A4) im Intestinaltrakt. Dadurch wird die Bioverfügbarkeit von Medikamenten, die unter Beteiligung dieses Systems metabolisiert werden, erhöht. Zudem kann auch der intestinale Transport von Medikamenten in den Blutkreislauf verlangsamt werden. Aufgrund der erhöhten Plasmakonzentrationen und der veränderten Wirkzeiten kann es vor allem bei Medikamenten mit normalerweise niedriger oraler Bioverfügbarkeit und einem engen therapeutischen Index zu einer drastischen Verstärkung sowohl der Wirkungen als auch der Nebenwirkungen kommen. Welche Inhaltsstoffe der Grapefruit für die Hemmung des intestinalen CYP 3A4 verantwortlich sind, konnte noch nicht festgestellt werden. Grapefruit beeinflusst wird, treten Wechselwirkungen nur bei oraler Medikation auf. Da lediglich die Metabolisierung über das intestinale CYP 3A4 verändert ist, tritt die Interaktion nur bei oraler Medikation auf. Entsprechend wurden in Studien zu intravenösen Darreichungsformen von Medikamenten, die das Potenzial für Wechselwirkungen mit Grapefruit-Substanzen aufweisen und Substrate für hepatisches CYP 3A4 darstellen, keine auffälligen Veränderungen der Plasmakonzentrationen gefunden. Therapiemanagement Die Konzentration des intestinalen CYP 3A4 kann nach dem Verzehr von Grapefruit innerhalb von vier Stunden um bis zu 47 Prozent herabgesetzt sein. Eine Studie zeigte, dass diese Wirkung bis zu 72 Stunden andauern kann. Eine andere Studie kam zu dem ähnlichen Ergebnis, dass der Konsum von zirka 240 ml (8 oz.) Grapefruitsaft intestinales CYP 3A4 für 24 bis 72 Stunden inhibieren kann. Aufgrund dieser sehr variablen Zeitspanne ist eine zeitliche Trennung zwischen der Einnahme eines Medikaments und dem Verzehr von Grapefruit zur Vermeidung von Wechselwirkungen keine Lösung. Zudem muss berücksichtigt werden, dass aufgrund des genetischen Polymorphismus ARS MEDICI 20 ■ 2007 1021 FORTBILDUNG Tabelle: Grapefruit-Medikamenten-Wechselwirkungen und Alternativen Substanzklasse Wirkstoffe, die möglicherweise von Grapefruit beeinflusst werden Auswirkungen der Interaktion Alternative Medikamente Antiarrhythmika Amiodaron (Cordarone® und Generika) Erhöhte Plasmakonzentrationen von Amiodaron können thyreoidale oder pulmonale Toxizität, Leberschäden, QTc-Verlängerung, proarrhythmische Störungen und Bradykardie verursachen. Digoxin (Digoxin Sandoz®) Chinidin (nicht im AK der Schweiz) Disopyramid (nicht im AK der Schweiz) Erhöhte Plasmakonzentrationen von Chinidin und Disopyramid können kardiotoxisch sein, da sie Torsade de pointes verursachen. Kalziumkanalblocker Felodipin (Plendil® und Generika) Nicardipin (nicht im AK der Schweiz) Nifedipin (Adalat® und Generika) Nimodipin (Nimotop®) Nisoldipin (nicht im AK der Schweiz) Atorvastatin (Sortis®) Statine Lovastatin (nicht im AK der Schweiz) Simvastatin (Zocor® und Generika) Diltiazem (Dilzem® und Generika) Verapamil (Isoptin® und Generika) Betablocker Erhöhte Plasmakonzentrationen können zu Blutandrang, peripheren Ödemen, Kopfschmerzen, Tachykardie, symptomatischer Hypotonie und in seltenen Fällen zu Myokardinfarkt führen. Amlodipin (Norvasc® und Generika) Erhöhte Plasmakonzentrationen können Kopfschmerzen, gastrointestinale Beschwerden, Hepatitis und Myopathien verursachen. Fluvastatin (Lescol®) Diltiazem Verapamil Pravastatin (Selipran®, Mevalotin® und Generika) Rosuvastatin (Crestor®) Immunsuppressiva Ciclosporin (Sandimmun® und Generikum) Tacrolismus (Prograf®) Proteaseinhibitoren Saquinavir (Invirase®) Eine verlängerte Wirkung ohne Auswirkung auf die Peakkonzentration kann Nebenwirkungen oder die Toxizität verstärken, was durch renale oder hepatische Toxizität und erhöhte Immunsuppression sichtbar wird. Keine Alternativen verfügbar Erhöhte Plasmakonzentrationen können Nebenwirkungen wie Kopfschmerzen, Fatigue, Insomnie oder Angstzustände verstärken. Amprenavir (Agenerase®) Atazanavir (Reyataz®) Fosamprenavir (Telzir®) Indinavir (Crixivan®) Lopinavir/Ritonavir (Kaletra®) Nelfinavir (Viracept®) Ritonavir (Norvir®) die Mengen an intestinalem CYP 3A4 von Person zu Person variieren, sodass das Ausmass der Wechselwirkungen individuell nicht vorhersagbar ist. Aus diesen Gründen sollte der Verzehr von Grapefruit bereits drei Tage vor der Einnahme eines Medikaments eingestellt werden, bei dem entsprechende Wechselwirkungen erwartet werden können. Patienten, die nicht auf Grapefruit verzichten wollen, sollten alternative Medikamente bekommen, bei denen keine Interaktionen auftreten. In der Tabelle sind Medikamentenklassen mit dokumentierten klinisch signifikanten Wechselwirkungen und mögliche therapeutische Alternativen aufgeführt. 1022 ARS MEDICI 20 ■ 2007 Bei einigen Medikamenten sind die Erkenntnisse zu Wechselwirkungen mit Grapefruit ungesichert. Dazu gehören Angiotensinrezeptorblocker (A-II-Antagonisten), Buspiron (Buspar®), Östrogene, Fexofenadin (Telfast®), Itraconazol (Sporanox® und Generika), Sildenafil (Viagra®), Triazolam (Halcion®) und Warfarin (nicht im AK der Schweiz). Quelle: Stump Amy L., Mayo Terry, Blum Alan: Management of Grapefruit-Drug Interactions, American Family Physician 2006; 74: 605–608. Interessenkonflikte: keine Petra Stölting