Was ist ein Enzym? - Fachdidaktik Chemie ETH

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Wirkstoffentwicklung durch strukturbasiertes Design
Medizinalchemie
Dr. Andri Schütz
Definitionen

Ligand: (kleines) Molekül, welches an ein biologisches Makromolekül (z.B.
Enzym) bindet

Inhibitor: Ligand, der die Bindung des Substrats an ein Enzym verhindert

IC50 Wert: Inhibitorkonzentration (in M, mM, μM, nM), bei welcher ein Enzym zu
50% «gebremst» wird.
Analogie:
H.-J. Böhm, G. Klebe, H. Kubinyi, Wirkstoffdesign, Spektrum, 2002.
Proteine bestehen aus Aminosäuren-Ketten
Das Beispiel Myoglobin – ein Muskelprotein
Protein
(Aminosäurenkette)
Zusätzliche Moleküle
(hier Porphin mit
gebundenem O2)
Ein Sulfat-Ion oder
Phosphat-Ion
Beispiel Myoglobin – ein Muskelprotein
Ziel des strukturbasierten Ligandendesigns
 Werkzeug für die Entwicklung von
medizinischen Wirkstoffen.
Liganden/Inhibitor-Entwicklung.
Liganden müssen selektiv und mit hoher
Affinität an ein definiertes Zielenzym binden,
und dadurch dessen Funktion beeinflussen.
Ligand
Zielenzym
anderes Biomolekül/Enzym
Ligand bindet selektiv
Das Schlüssel—Schloss-Prinzip
Emil Fischer (Nobelpreis 1902)
Schloss
Schlüssel
Schlüssel—Schloss-Komplex
Was sind die Folgen, wenn der Ligand kein «guter Schlüssel» ist?
Was ist ein Enzym?
Enzyme sind Biokatalysatoren. Sie beschleunigen chemische Reaktionen
und ermöglichen so die Synthese aller benötigten „Bausteine“ eines
biologischen Systems.
Enzyme sind in der Regel Proteine, bestehen also aus einer langen
Aufeinanderfolge von miteinander verbundenen Aminosäuren.
Substrat bindet
an Enzym
Substrat
Enzym
Übergangszustand
bildet sich aus
Substrat
Substrat
Enzym
Produkte verlassen
das Enzym
Enzym
Produkte
Produkte
Enzym
Reaktion findet
statt
Wie funktioniert ein Inhibitor?
Inhibitoren binden an die aktive Tasche eines Enzyms und blockieren
damit die enzymatische Reaktion.
Inhibitor bindet
ans Enzym
Inhibitor
Enzym
Substrat kann nicht
ans Enzym binden
Inhibitor
Enzym
Inhibitor
Substrat
Enzym
Produkte
Reaktion findet
nicht statt
Das Schlüssel—Schloss-Prinzip
Emil Fischer (Nobelpreis 1902)
Schloss
Schlüssel
Schlüssel—Schloss-Komplex
+
Enzym
Inhibitor
Enzym—Inhibitor-Komplex
Einen Schlüssel herzustellen,…
... ohne das Schloss zu kennen, ist schwer!
Der Designzyklus von Liganden
Krankheit
„Biologie“
Ligandendesign
(Computer)
Strukturaufklärung
Zielenzym
Kristallstruktur
Designter
Ligand
Biologisch aktive Moleküle
(Assaydaten)
Assay
Klinische Studien,
Medikamente
Synthese
Synthetisierter Ligand
Strategien im strukturbasierten Ligandendesign




Derivate des Substrats oder in der Natur vorkommender Liganden (Chemie)
de-novo-Design (noch keine Liganden bekannt) (Computer & Chemie)
Strukturen aus 3D-Datenbank-Suche (Computer)
Strukturen aus Screening-Hits (Chemie)
z.B. Fragment screening: Fragmente weiterentwickeln, verknüpfen,
optimieren
IC50-Wert:
Konzentration des Inhibitors, welche das Enzym zu 50% inhibiert/verlangsamt.
Projekt: Malaria/Plasmepsine
Malaria: eine Tropenkrankheit
(auch “Sumpffieber”)
Der Erreger: Plasmodium
Die Enzyme: Plasmepsine 1–4
ChlorochinResistenz
SulfadoxinPyrimethaminResistenz
Projekt: Malaria/Plasmepsine
R2
IC50-Wert:
Konzentration des Inhibitors,
welche das Enzym zu 50%
inhibiert/verlangsamt.
O2S
R1
N
H
N
H
H
O
O
O
Asp 34
IC50 = 50 nM
O
Asp 214
“Diaminnadel”
Aminosäuren (21 natürlich vorkommende AS)
Projekt: Malaria/Plasmepsine
R2
O2S
R1
N
H
N
H
H
O
O
O
Asp 34
O
Asp 214
IC50 = 50 nM
“Diaminnadel”
Übungsaufgabe: Inhibitordesign
Sie arbeiten auf dem Plasmepsin-Projekt als
Student und diskutieren mit einem Kollegen
über “Ihre” aktive Tasche und die
zwischenmolekularen Kräfte zwischen ihrem
Inhibitor (rot) und dem Enzym (schwarz)
Der eine Kollege schlägt Ihnen vor,
anstelle der Hexylgruppe einen Ether
einzuführen. Was entgegnen Sie?
Mögliche Diskussionspunkte:
 Intermolekulare WW
 Partitionierung zwischen Enzym und
Wasser
 Affinität und Selektivität
Haben Sie einen besseren Vorschlag
anstelle des Ethers?
Aufgabe: Resistenzen
Ihr Inhibitor wird in Afrika als Antimalariawirkstoff
eingesetzt. Plötzlich wird durch Ärzte festgestellt,
dass das Medikament viel weniger zu wirken scheint.
(= Entwicklung einer Resistenz).
Ein Biologenteam untersucht die Erreger, gegen welche
Ihr Wirkstoff schlechter wirkt und erklärt Ihnen, dass eine
Mutation der Aminosäure Valin82 zu Tyrosin in der aktiven
Tasche gefunden wurde. Wie erklären Sie sich die schlechtere
Inhibition und wie würden sie die Seitenkette ihres Inhibitors
anpassen, um diese Resistenz «umgehen» zu können?
Mögliche Diskussionspunkte:
 Sterische Aspekte
 Platzverhältnisse in einer
Enzymtasche
 Zwischenmolekulare WW
 WW zu Wasser
Zusatzaufgabe: Selektive Bindung?
ATP (AdenosinTriPhosphat) ist eine chemische Speicherform für Energie.
Durch die Umwandlung von ATP zu ADP (AdenosinDiPhospat) im Körper
können andere (endotherme/ungünstige) Reaktionen ablaufen.
Das veränderte ATP wird als Inhibitor für Bakterienwachstum im Labor verwendet.
Kann γ-S-ATP als Medikament gegen eine bakterielle Infektion eingesetzt werden?
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