Dane oryginału:

An introduction to Medicinal Chemistry

sixth edition

© Graham L. Patrick 2017

An introduction to Medicinal Chemistry was originally published in English in 2017. This translation is published by arrangement with Oxford University Press. Polish Scientific Publishers is solely responsible for this translation from the original work and Oxford University Press shall have no liability for any errors, omissions or inaccuracies or ambiguities in such translation or for any losses caused by reliance thereon

ZESPÓŁ TŁUMACZY

Anna Jelińska rozdziały 13, 15, 19

Magdalena Markowicz-Piasecka rozdziały 10, 22, 23, 24, 26, Analiza przypadku 6, 7, 8, 9, 10, słowniczek

Elżbieta Mikiciuk-Olasik rozdziały 11, 12, 16, 17, 18, 25, Analiza przypadku 1, 5

Joanna Sikora rozdziały 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

Marianna Zając rozdziały 14, 20, 21, Analiza przypadku 2, 3, 4

Projekt okładki i stron tytułowych Lidia Michalak

Ilustracja na okładce 123RF/Irochka

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Redakcja Urszula Pawłowska

Korekta Urszula Pawłowska, Ewa Czarnecka-Żołek

Koordynator produkcji Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec/Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2019

ISBN 978-83-01-20812-7

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2019 r., (wyd. I)

Warszawa 2019

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Przedmowa

Książka jest skierowana do studentów i doktorantów, którzy mają podstawowe wiadomości z zakresu chemii i studiują na kierunkach obejmujących zagadnienia z obszaru chemii medycznej.

Chemia medyczna ma na celu przekazanie, w czytelnym i interesującym stylu, zagadnień dotyczących projektowania leków i mechanizmów molekularnych, poprzez które leki działają w organizmie. Autor podkreśla znaczenie chemii medycznej w całym naszym życiu i usiłuje zaszczepić Czytelnikowi fascynację pracą w dziedzinie, w której nakładają się dyscypliny naukowe, takie jak chemia, biochemia, fizjologia, mikrobiologia, biologia komórki i farmakologia. W związku z tym książka jest szczególnie interesująca dla studentów, którzy rozważają przyszłą karierę w branży farmaceutycznej.

Po sukcesie pierwszych pięciu wydań, a także pożytecznych informacjach zwrotnych od czytelników, nastąpiła reorganizacja i aktualizacja rozdziałów, szczególnie tych w Części E. Dodano także rozdział o lekach sercowo-naczyniowych.

Po rozdziale wprowadzającym książka podzielona jest na pięć części:

- • Część A zawiera pięć rozdziałów, które obejmują budowę i funkcje ważnych celów działania leków, takich jak receptory, enzymy i kwasy nukleinowe. Studenci z dużym doświadczeniem z zakresu biochemii znają już ten materiał, ale mogą znaleźć w tych rozdziałach przydatną powtórkę istotnych punktów.

- • Część B obejmuje farmakodynamikę w rozdziałach 7–10 i farmakokinetykę w rozdziale 11. Farmakodynamika to badanie interakcji między lekami a ich celami molekularnymi oraz konsekwencji tych interakcji. Farmakokinetyka dotyczy przede wszystkim problemów związanych z osiąganiem określonego celu przez lek w organizmie.

- • Część C obejmuje ogólne zasady i strategie związane z odkrywaniem i projektowaniem nowych leków oraz opracowywaniem do wprowadzenia ich na rynek farmaceutyczny

- • Część D dotyczy konkretnych „narzędzi”, które są nieocenione w projektowaniu leków, tj. QSAR, synteza kombinatoryczna i projektowanie wspomagane komputerowo.

- • Część E obejmuje wybór konkretnych zagadnień z zakresu chemii medycznej – leki przeciwbakteryjne, przeciwwirusowe i przeciwnowotworowe, cholinergiczne i inhibitory cholinoesteraz, adrenergiczne, opioidowe leki przeciwbólowe, leki przeciwwrzodowe i leki stosowane w chorobach układu sercowo-naczyniowego. W pewnym stopniu rozdziały te odzwierciedlają zmieniający się nacisk w badaniach chemii medycznej.

Leki przeciwbakteryjne, cholinergiczne, adrenergiczne i opioidy mają długą historię, a znaczna część początkowego rozwoju tych leków polegała w dużej mierze na przypadkowych modyfikacjach związków wiodących na zasadzie prób i błędów. Takie podejście było marnotrawstwem, ale doprowadziło do odkrycia różnych strategii projektowania, które mogłoby być zastosowane w bardziej racjonalnym podejściu do projektowania leków. Opracowanie leku przeciwwrzodowego cymetydyny (rozdział 25) stanowi jeden z pierwszych przykładów racjonalnego podejścia do chemii medycznej. Jednak prawdziwa rewolucja w projektowaniu leków wynikała z ogromnego postępu dokonanego w biologii molekularnej i genetyce, który zapewnił szczegółowe zrozumienie celów działania leków i ich działania na poziomie molekularnym. To, w powiązaniu z wykorzystaniem modelowania molekularnego i krystalografii rentgenowskiej, zrewolucjonizowało projektowanie leków. Opracowanie inhibitorów proteazy jako leków przeciwwirusowych (rozdział 20), inhibitorów kinazy jako leków przeciwnowotworowych (rozdział 21) oraz statyn jako leków obniżających poziom cholesterolu (Analiza przypadku 1) są najlepszymi przykładami nowoczesnego podejścia.

G. L. P.

Grudzień 2016

Podziękowania

Autor i Oxford University Press chcieliby podziękować następującym osobom, które udzieliły porad i wsparcia przy różnych etapach wydania tego podręcznika:

Dr Lee Banting, School of Pharmacy and Biomedical Sciences, University of Portsmouth, UK

Dr Don Green, Department of Health and Human Sciences, London Metropolitan University, UK

Dr Mike Southern, Department of Chemistry, Trinity College, University of Dublin, Ireland

Dr Mikael Elofsson (Assistant Professor), Department of Chemistry, Umeå University, Sweden

Dr Ed Moret, Faculty of Pharmaceutical Sciences, Utrecht University, The Netherlands

Professor John Nielsen, Department of Natural Sciences, Royal Veterinary and Agricultural University, Denmark

Professor H. Timmerman, Department of Medicinal Chemistry, Vrije Universiteit, Amsterdam, The Netherlands

Professor Nouri Neamati, School of Pharmacy, University of Southern California, USA

Professor Kristina Luthman, Department of Chemistry, Gothenburg University, Sweden

Professor Taleb Altel, College of Pharmacy, University of Sarjah, United Arab Emirates

Professor Dirk Rijkers, Faculty of Pharmaceutical Sciences, Utrecht University, The Netherlands

Dr Sushama Dandekar, Department of Chemistry, University of North Texas, USA

Dr John Spencer, Department of Chemistry, School of Life Sciences, University of Sussex, UK

Dr Angeline Kanagasooriam, School of Physical Sciences, University of Kent at Canterbury, UK

Dr A. Ganesan, School of Chemistry, University of Southampton, UK

Dr Rachel Dickens, Department of Chemistry, University of Durham, UK

Dr Gerd Wagner, School of Chemical Sciences and Pharmacy, University of East Anglia, UK

Dr Colin Fishwick, School of Chemistry, University of Leeds, UK

Professor Paul O’Neil, Department of Chemistry, University of Liverpool, UK

Professor Trond Ulven, Department of Chemistry, University of Southern Denmark, Denmark

Professor Jennifer Powers, Department of Chemistry and Biochemistry, Kennesaw State University, USA

Professor Joanne Kehlbeck, Department of Chemistry, Union College, USA

Dr Robert Sindelar, Faculty of Pharmaceutical Sciences, University of British Columbia, Canada

Professor John Carran, Department of Chemistry, Queen’s University, Canada

Professor Anne Johnson, Department of Chemistry and Biology, Ryerson University, Canada

Dr Jane Hanrahan, Faculty of Pharmacy, University of Sydney, Australia

Dr Ethel Forbes, School of Science, University of the West of Scotland, UK

Dr Zoe Waller, School of Pharmacy, University of East Anglia, UK

Dr Susan Matthews, School of Pharmacy, University of East Anglia, UK

Professor Ulf Nilsson, Organic Chemistry, Lund University, Sweden

Dr Russell Pearson, School of Physical and Geographical Sciences, Keele University, UK

Dr Rachel Codd, Sydney Medical School, The University of Sydney, Australia

Dr Marcus Durrant, Department of Chemical and Forensic Sciences, Northumbria University, UK

Dr Alison Hill, College of Life and Environmental Sciences, University of Exeter, UK

Dr Connie Locher, School of Biomedical, Biomolecular and Chemical Sciences, University of Western Australia, Australia

Associate Professor Jon Vabeno, Department of Pharmacy, University of Tromso, Norway

Dr Celine Cano, Northern Institute for Cancer Research, Newcastle University, UK

Professor Steven Bull, Department of Chemistry, University of Bath, UK

Professor John Marriott, School of Pharmacy, University of Birmingham, UK

Associate Professor Jonathan Watts, University of Southampton, UK

Associate Professor Alexander Zelikin, Aarhus University, Denmark

Prof. Dr Iwan de Esch, Division of Medicinal Chemistry, VU University Amsterdam, The Netherlands

Dr Patricia Ragazzon, School of Environment & Life Sciences, University of Salford, UK

Dr David Adams, School of Pharmacy and Biomedical Sciences, University of Central Lancashire, UK

Autor chciałby wyrazić swoją wdzięczność dr Johnowi Spencerowi z University of Sussex współautorowi rozdziału 16, przygotowanie kilku artykułów internetowych oraz Journal Club, który towarzyszy temu wydaniu książki. Wielkie uznanie należą się Nahoumowi Anthony i dr Rachel Clark z Instytutu Nauk Farmaceutycznych i Biomedycznych z University of Strathclyde, za pomoc w tworzeniu rys. 2.9, ramki 8.2 rys. 1 i 3, rys. 17.9, 17.44, 20.15, 20.22, 20.54 i 20.55.

Autor dziękuje też dr. Jamesowi Keelerowi z Wydziału Chemii, University of Cambridge, który wygenerował modele molekularne pojawiające się w internetowym centrum zasobów. A także dr. Stephenowi Bromidge z GlaxoSmithKline za pozwolenie opisania jego pracy nad projektowaniem selektywnych antagonistów receptorów 5-HT2C oraz za udostępnienie wykresów.

Podziękowania należą się także Cambridge Scientific, Oxford Molecular oraz Tripos za porady i pomoc w pisaniu rozdziału 17. Wreszcie podziękowania kieruje również do dr Des Nicholow, dr Jorge Chacon, dr Ciarany Ewins, dr Callum McHugh i dr Fiony Henriquez za nieocenione wsparcie w University of the West of Scotland.

Spis treści

Przedmowa

Podziękowania

Spis treści

1. Leki i ich działanie

1.1. Co to jest lek?

1.2. Miejsce działania leku

1.2.1. Budowa komórki

1.2.2. Miejsca działania leków na poziomie molekularnym

1.3. Siły wiązania międzycząsteczkowego

11.3.1. Wiązania elektrostatyczne lub jonowe

1.3.2. Wiązania wodorowe

1.3.3. Siły/oddziaływania van der Waalsa

1.3.4. Oddziaływania dipol–dipol i jon–dipol

1.3.5. Siły odpychające

1.3.6. Rola wody i oddziaływań hydrofobowych

1.4. Leki a zagadnienia farmakokinetyczne

1.5. Klasyfikacja leków

1.6. Nazewnictwo leków (Nazewnictwo produktów leczniczych)

CZĘŚĆ A

2. Struktura i funkcja białek

2.1. Pierwszorzędowa struktura białka

2.2. Drugorzędowa struktura białek

2.2.1. α-Helisa (helisa alfa)

2.2.2. β-Harmonijka (β pofałdowana kartka)

2.2.3. β-Zakręt

2.3. Trzeciorzędowa struktura białek

2.3.1. Wiązania kowalencyjne: wiązania disiarczkowe

2.3.2. Wiązania jonowe lub elektrostatyczne

2.3.3. Wiązania wodorowe

2.3.4. Oddziaływania van der Waalsa i hydrofobowe

2.3.5. Hierarchia znaczenia oddziaływań wiążących

2.3.6. Rola płaskiego wiązania peptydowego

2.4. Czwartorzędowa struktura białek

2.5. Translacyjne i potranslacyjne modyfikacje białek

2.6. Proteomika

2.7. Funkcja białka

2.7.1. Białka strukturalne

2.7.2. Białka transportujące

2.7.3. Enzymy i receptory

2.7.4. Różne białka i interakcje białko–białko

3. Enzymy: struktura i funkcja

3.1. Enzymy jako katalizatory

3.2. W jaki sposób enzymy katalizują reakcje?

3.3. Miejsce aktywne enzymu

3.4. Wiązanie substratu w miejscu aktywnym

3.5. Katalityczna rola enzymów

3.5.1. Oddziaływania wiążące

3.5.2. Kataliza kwasowo-zasadowa

3.5.3. Grupy nukleofilowe

3.5.4. Stabilizacja stanu przejściowego

3.5.5. Kofaktory

3.5.6. Nazewnictwo i klasyfikacja enzymów

3.5.7. Polimorfizm genetyczny i enzymy

3.6. Regulacja enzymów

3.7. Izoenzymy

3.8. Kinetyka enzymatyczna

3.8.1. Równanie Michaelisa–Menten

3.8.2. Wykresy Lineweavera–Burka

4. Receptory: budowa i funkcja

4.1. Rola receptora

4.2. Neuroprzekaźniki i hormony

4.3. Typy i podtypy receptorów

4.4. Aktywacja receptora

4.5. Jak zmienia się kształt miejsca wiążącego?

4.6. Receptory kanału jonowego

4.6.1. Zasady ogólne

4.6.2. Struktura kanałów jonowych

4.6.3. Bramkowanie

4.6.4. Kanały jonowe bramkowane ligandem i napięciem

4.7. Receptory sprzężone z białkiem G

4.7.1. Wiadomości ogólne

4.7.2. Struktura

4.7.3. Rodzina receptorów rodopsynopodobnych sprzężonych z białkiem G

4.7.4. Dimeryzacja receptorów sprzężonych z białkim G

4.8. Receptory związane z kinazą

4.8.1. Wiadomości ogólne

4.8.2. Struktura receptorów kinazy tyrozynowej

4.8.3. Mechanizm aktywacji receptorów kinazy tyrozynowej

4.8.4. Receptory kinazy tyrozynowej jako cel działania nowych leków

4.9. Receptory wewnątrzkomórkowe

4.10. Regulacja aktywności receptora

4.11. Polimorfizm genetyczny a receptory

5. Receptory i transdukcja sygnału

5.1. Szlaki transdukcji sygnału dla receptorów sprzężonych z białkiem G

5.1.1. Interakcja kompleksu receptor–ligand z białkami G

5.1.2. Szlaki przekaźnictwa sygnału z udziałem podjednostki α

5.2 Szlaki przekaźnictwa sygnału z udziałem białek G i cyklazy adenylanowej

5.2.1. Aktywacja cyklazy adenylanowej przez podjednostkę αs

5.2.2. Aktywacja kinazy białkowej A

5.2.3. Białko Gi

5.2.4. Charakterystyczne cechy kaskady sygnałowej, w której bierze udział cykliczny AMP

5.2.5. Rola dimeru βγ

5.2.6. Fosforylacja

5.3. Przekaźnictwo sygnału z udziałem białek G i fosfolipazy Cβ

5.3.1. Wpływ białka G na fosfolipazę Cβ

5.3.2. Działanie pomocniczego przekaźnika: diacyloglicerolu

5.3.3. Działanie wtórnego przekaźnika informacji: trifosforanu inozytolu

5.3.4. Resynteza difosforanu fosfatydyloinozytolu

5.4. Przekaźnictwo sygnału z udziałem receptorów kinaz

5.4.1. Aktywacja białek sygnałowych i enzymów

5.4.2. Szlak przekazywania sygnału MAPK

5.4.3. Aktywacja cyklazy guanylanowej przez receptory kinazy

5.4.4. Szlak przekazywania sygnału JAK-STAT

5.4.5. Szlak przekazywania sygnału PI3K / Akt / mTOR

5.5. Ścieżka sygnałowa hedgehog

6. Kwasy nukleinowe: struktura i funkcja

6.1. Struktura DNA

6.1.1. Pierwszorzędowa struktura DNA

6.1.2. Struktura drugorzędowa DNA

6.1.3. Struktura trzeciorzędowa DNA

6.1.4. Chromatyny

6.1.5. Polimorfizm genetyczny a medycyna spersonalizowana

6.2. Synteza kwasu rybonukleinowego i białka

6.2.1. Struktura RNA

6.2.2. Transkrypcja i translacja

6.2.3. Mały jądrowy RNA

6.2.4. Regulacyjna rola RNA

6.3. Choroby genetyczne

6.4. Biologia molekularna i inżynieria genetyczna

CZĘŚĆ B

7. Enzymy jako cel działania leków

7.1. Inhibitory działające w miejscu aktywnym enzymu

7.1.1. Odwracalne inhibitory

7.1.2. Inhibitory nieodwracalne

7.2. Inhibitory allosteryczne

7.3. Inhibitory akompetycyjne i niekompetycyjne

7.4. Analogi stanu przejściowego: inhibitory reniny

7.5. Substraty samobójcze

7.6. Selektywność inhibitorów izozymu

7.7. Zastosowania lecznicze inhibitorów enzymów

7.7.1. Inhibitory enzymów stosowane przeciwko mikroorganizmom

7.7.2. Inhibitory enzymów stosowane przeciwko wirusom

7.7.3. Inhibitory stosowane przeciwko własnym enzymom organizmu

7.7.4. Modulatory enzymatyczne

7.8. Kinetyka enzymatyczna

7.8.1. Wykresy Lineweavera–Burka

7.8.2. Porównanie inhibitorów

8. Receptory jako cel działania leków

8.1. Wprowadzenie

8.2. Projektowanie agonistów

8.2.1. Grupy wiążące

8.2.2. Położenie grup wiążących

8.2.3. Rozmiar i kształt

8.2.4. Inne strategie projektowania

8.2.5. Farmakodynamika i farmakokinetyka

8.2.6. Przykłady agonistów

8.2.7. Modulatory allosteryczne

8.3. Projektowanie antagonistów

8.3.1. Antagoniści działający w miejscu wiążącym

8.3.2. Antagoniści działający poza miejscem wiązania

8.4. Częściowi agoniści

8.5. Odwrotni agoniści

8.6. „Odwrażliwienie” i „uwrażliwienie” receptora

8.7. Tolerancja i uzależnienie

8.8. Typy i podtypy receptorów

8.9. Powinowactwo, skuteczność i siła działania

9. Kwasy nukleinowe jako cele działania leku

9.1. Interkalatory działające na DNA

9.2. Nieinterkalujące trucizny topoizomerazy

9.3. Środki alkilujące i metalizujące

9.3.1. Iperyty azotowe

9.3.2. Pochodne nitrozomocznika

9.3.3. Busulfan

9.3.4. Cisplatyna

9.3.5. Dakarbazyna i prokarbazyna

9.3.6. Mitomycyna C

9.4. Leki działające przez „cięcie łańcucha”

9.5. Terminatory łańcucha

9.6. Kontrola transkrypcji genów

9.7. Środki działające na RNA

9.7.1. Czynniki wiążące się z rybosomami

9.7.2. Terapia antysensowa

10. Różne cele działania leków

10.1. Białka transportowe jako cele dla leków

10.2. Białka strukturalne jako cele dla leków

10.2.1. Wirusowe białka strukturalne jako cele działania leków

10.2.2. Tubulina jako cel działania leków

10.3. Biosyntetyczne elementy budulcowe jako cele działania leków

10.4. Procesy biosyntetyczne jako cele działania leków: leki powodujące przedwczesne zakończenie łańcucha podczas translacji (chain terminators)

10.5. Interakcje białko–białko

10.6. Lipidy jako cel działania leków

10.6.1. „Cząsteczki tunelujące”

10.6.2. Nośniki jonów

10.6.3. Łańcuchy i kotwice

10.7. Węglowodany jako cel działania leków

10.7.1. Glikomika

10.7.2. Antygeny i przeciwciała

10.7.3. Cykodekstryny

11. Farmakokinetyka i zagadnienia pokrewne

11.1. Trzy fazy działania leku

11.2. Typowa droga leków podawanych doustnie

11.3. Absorpcja leku

11.4. Dystrybucja leku

11.4.1. Dystrybucja poprzez układ krwionośny

11.4.2. Dystrybucja do tkanek

11.4.3. Dystrybucja leku do komórek

11.4.4. Inne czynniki wpływające na dystrybucję

11.4.5. Bariera krew-mózg

11.4.6. Bariera łożyska

11.4.7. Interakcje lek-lek

11.5. Metabolizm leków

11.5.1. I i II faza metabolizmu

11.5.2. Przemiany I fazy katalizowane przez enzymy cytochromu P450

11.5.3. Przemiany I fazy katalizowane przez monooksygenazy flawinowe

11.5.4. Przemiany I fazy katalizowane przez inne enzymy

11.5.5. Przemiany II fazy

11.5.6. Stabilność metaboliczna

11.5.7. Efekt pierwszego przejścia

11.6. Wydalanie leku

11.7. Drogi podawania leków

11.7.1. Podanie doustne

11.7.2. Absorpcja przez błony śluzowe

11.7.3. Podanie doodbytnicze

11.7.4. Podanie miejscowe

11.7.5. Inhalacje

11.7.6. Iniekcje

11.7.7. Implanty

11.8. Dawkowanie leków

11.8.1. Okres półtrwania leku

11.8.2. Stężenie stacjonarne leku

11.8.3. Tolerancja na lek

11.8.4. Biodostępność

11.9. Formulacja

11.10. Dostarczanie leków

ANALIZA PRZYPADKU 1 - Statyny

AP1.1. Cholesterol i choroba wieńcowa serca

AP1.2. Docelowe enzymy

AP1.3. Odkrycie statyn

AP1.3.1. Statyny typu I

AP1.3.2. Statyny II generacji

AP1.4. Mechanizm działania statyn: farmakodynamika

AP1.5. Oddziaływania wiążące statyn

AP1.6. Inne mechanizmy działania statyn

AP1.7. Inne miejsca działania leków obniżających poziom cholesterolu

CZĘŚĆ C

12. Poszukiwanie leków: odkrycie struktury wiodącej

12.1. Wybór choroby

12.2. Wybór miejsca działania leku

12.2.1. Miejsca działania leku

12.2.2. Odkrywanie miejsc działania leków

12.2.3. Międzygatunkowa specyficzność i selektywność miejsc działania leków

12.2.4. Specyficzność i selektywność miejsca działania leku w organizmie

12.2.5. Powinowactwo leków do specyficznych narządów i tkanek

12.2.6. Pułapki

12.2.7. Leki aktywne wobec kilku miejsc działania

12.3. Określenie testu biologicznego

12.3.1. Wybór testu biologicznego

12.3.2. Testy in vitro

12.3.3. Testy in vivo

12.3.4. Walidacja testu

12.3.5. Wysokowydajne badania przesiewowe (HTS)

12.3.6. Badania przesiewowe z wykorzystaniem NMR

12.3.7. Badania przesiewowe powinowactwa

12.3.8. Powierzchniowy rezonans plazmonowy

12.3.9. Zbliżeniowy test scyntylacyjny

12.3.10. Izotermiczna kalorymetria miareczkowa

12.3.11. Wirtualne badania przesiewowe

12.4. Poszukiwanie struktury wiodącej

12.4.1. Przegląd związków naturalnych

12.4.2. Medycyna ludowa

12.4.3. Przegląd związków syntetycznych

12.4.4. Uznane leki

12.4.5. Naturalne ligandy lub modulatory w projektowaniu leków

12.4.6. Synteza kombinatoryczna i równoległa

12.4.7. Projektowanie struktury wiodącej wspomagane komputerowo

12.4.8. Przypadkowość i bystry umysł

12.4.9. Komputerowe banki danych strukturalnych

12.4.10. Odkrycie fragmentów struktury wiodącej

12.4.11. Właściwości struktur wiodących

12.5. Izolowanie i oczyszczanie

12.6. Określanie struktury

12.7. Leki roślinne

13. Projektowanie leku: optymalizacja zamierzonych oddziaływań

13.1. Zależność budowa chemiczna-działanie

13.1.1. Rola grupy alkoholowej i fenolowej w wiązaniu z miejscem działania

13.1.2. Rola pierścieni aromatycznych w wiązaniu z miejscem działania

13.1.3. Rola alkenów w wiązaniu z miejscem działania

13.1.4. Rola grupy ketonowej i aldehydowej w wiązaniu z miejscem działania

13.1.5. Rola grupy aminowej w wiązaniu z miejscem działania

13.1.6. Rola ugrupowania amidowego w wiązaniu z miejscem działania

13.1.7. Rola czwartorzędowych soli amoniowych w wiązaniu z miejscem działania

13.1.8. Rola kwasów karboksylowych w wiązaniu z miejscem działania

13.1.9. Rola ugrupowania estrowego w wiązaniu z miejscem działania

13.1.10. Rola halogenków alkilowych i arylowych w wiązaniu z miejscem działania

13.1.11. Rola grupy tiolowej i eterowej w wiązaniu z miejscem działania

13.1.12. Rola innych grup funkcyjnych w wiązaniu z miejscem działania

13.1.13. Rola grup alkilowych i szkieletu węglowego w wiązaniu z miejscem wiązania

13.1.14. Rola heterocykli w wiązaniu z miejscem wiązania

13.1.15. Izostery

13.1.16. Procedury badania

13.1.17. SAR w optymalizacji leków

13.2. Identyfikacja farmakoforu

13.3. Optymalizacja leku: strategie w projektowaniu leków

13.3.1. Zmienność podstawników

13.3.2. Powiększanie cząsteczki

13.3.3. Wydłużanie / skracanie łańcucha

13.3.4. Powiększanie lub zmniejszanie pierścienia

13.3.5. Wymiana pierścieni

13.3.6. Łączenie/kondensacja pierścieni

13.3.7. Izostery i bioizostery

13.3.8. Upraszczanie struktury

13.3.9. Usztywnianie cząsteczki

13.3.10. Blokery konformacyjne

13.3.11. Projektowanie i modelowanie molekularne leków oparte na strukturze

13.3.12. Projektowanie leków za pomocą spektroskopii NMR

13.3.13. Rola przypadku i kreatywności

13.3.14. Projektowanie leków oddziałujących z więcej niż jednym miejscem działania

14. Projektowanie leków: optymalizacja dostępu do celu

14.1. Optymalizacja właściwości hydrofilowych/hydrofobowych

14.1.1. Maskowanie polarnych grup funkcyjnych w celu zmniejszenia polarności

14.1.2. Dodawanie lub usuwanie polarnych grup funkcyjnych w celu zmiany polarności

14.1.3. Różnicowanie podstawników hydrofobowych w celu zmiany polarności

14.1.4. Wpływ podstawników N-alkilowych na zmiany pKa

14.1.5. Wpływ podstawników aromatycznych na zmiany pKa

14.1.6. Bioizostery dla grup polarnych

14.2. Projektowanie leków odpornych na rozkład chemiczny i enzymatyczny

14.2.1. Przeszkody steryczne

14.2.2. Efekty elektronowe bioizosterów

14.2.3. Modyfikacje steryczne i elektronowe

14.2.4. Blokery metaboliczne

14.2.5. Usunięcie lub zastąpienie wrażliwych grup metabolicznych

14.2.6. Zmiana położenia podstawników

14.2.7. Zamiana pierścienia i podstawników w pierścieniu

14.3. Otrzymywanie leków mniej odpornych na metabolizm

14.3.1. Wprowadzenie grup podatnych na metabolizm

14.3.2. Leki samodestrukcyjne

14.4. Projektowanie leków

14.4.1. Leki ukierunkowane na komórki nowotworowe: leki „szukaj i niszcz”

14.4.2. Leki ukierunkowane na infekcje przewodu pokarmowego

14.4.3. Leki ukierunkowane na obwodowy układ nerwowy bez wpływu na ośrodkowy układ nerwowy

14.4.4. Wiązanie leku ze strukturami błonowymi

14.5. Zmniejszenie toksyczności

14.6. Proleki

14.6.1. Proleki zwiększające przepuszczalność przez błony

14.6.2. Proleki przedłużające działanie leku

14.6.3. Proleki maskujące toksyczność leku i działania uboczne

14.6.4. Proleki zmniejszające rozpuszczalność w wodzie

14.6.5. Proleki zwiększające rozpuszczalność w wodzie

14.6.6. Proleki działające w określonym miejscu docelowym

14.6.7. Proleki zwiększające trwałość chemiczną

14.6.8. Proleki aktywowane przez czynniki zewnętrzne (leki utajone)

14.7. Synergizm działania leków

14.7.1. Leki „wartownicy”

14.7.2. Ograniczenie obszaru działania leku

14.7.3. Zwiększenie wchłaniania

14.8. Związki endogenne jako leki

14.8.1. Neuroprzekaźniki

14.8.2. Naturalne hormony, peptydy i białka jako leki

14.8.3. Przeciwciała jako leki

14.9. Peptydy i peptydomimetyki w projektowaniu leków

14.9.1. Peptydomimetyki

14.9.2. Leki peptydowe

14.10. Oligonukleotydy jako leki

15. Wprowadzenie leku na rynek

15.1. Badania przedkliniczne i kliniczne

15.1.1. Badanie toksyczności

15.1.2. Badania metabolizmu leków

15.1.3. Badania farmakologiczne, formulacji i trwałości

15.1.4. Badania kliniczne

15.2. Zagadnienia patentowe i prawne

15.2.1. Patenty

15.2.2. Zagadnienia prawne

15.3. Rozwój chemiczny i proces wytwarzania

15.3.1. Rozwój chemiczny

15.3.2. Rozwój procesu

15.3.3. Wybór kandydata na lek

15.3.4. Produkty naturalne

ANALIZA PRZYPADKU 2 - Projektowanie inhibitorów ACE

ANALIZA PRZYPADKU 3 - Artemizynina i pokrewne leki przeciwmalaryczne

ANALIZA PRZYPADKU 4 - Projektowanie oksamnichiny

CZĘŚĆ D

16. Synteza kombinatoryczna i równoległa

16.1. Synteza kombinatoryczna i równoległa w projektach chemii medycznej

16.2. Techniki syntezy na fazie stałej

16.2.1. Synteza na nośniku

16.2.2. Kotwica/łącznik

16.2.3. Przykłady reakcji na fazie stałej

16.3. Planowanie i projektowanie biblioteki związków

16.3.1. Cząsteczka-pająk

16.3.2. Cząsteczka lekopodobna

16.3.3. Synteza centroidów

16.3.4. Zmiany podstawników

16.3.5. Projektowanie bibliotek związków w celu optymalizacji struktury wiodącej

16.3.6. Biblioteki projektowane komputerowo

16.4. Badanie aktywności

16.4.1. Wysokowydajne badania przesiewowe

16.4.2. Badanie związków wolnych i związanych z nośnikiem

16.5. Synteza równoległa

16.5.1. Ekstrakcja na fazie stałej

16.5.2. Zastosowanie żywic w syntezie w roztworze organicznym

16.5.3. Odczynniki dołączone do stałego nośnika: złap i uwolnij

16.5.4. Technologia mikrofalowa

16.5.5. Mikrociecze w syntezie równoległej

16.6. Synteza kombinatoryczna

16.6.1. Metoda mieszaj i dziel w syntezie kombinatorycznej

16.6.2. Ustalenie struktury aktywnego związku (związków)

16.6.3. Dynamiczna synteza kombinatoryczna

17. Komputery w chemii medycznej

17.1. Mechanika molekularna i kwantowa

17.1.1. Mechanika molekularna

17.1.2. Mechanika kwantowa

17.1.3. Wybór metody

17.2. Rysowanie związków chemicznych

17.3. Struktury 3D

17.4. Minimalizacja energii

17.5. Podgląd trójwymiarowych cząsteczek

17.6. Wymiary cząsteczki

17.7. Właściwości cząsteczki

17.7.1. Ładunki cząstkowe

17.7.2. Cząsteczkowe potencjały elektrostatyczne

17.7.3. Orbitale molekularne

17.7.4. Przejścia spektroskopowe

17.7.5. Stosowanie siatek w pomiarach właściwości cząsteczki

17.8. Analiza konformacyjna

17.8.1. Lokalne i globalne minima energetyczne

17.8.2. Dynamika molekularna

17.8.3. Stopniowa rotacja wokół wiązania

17.8.4. Metody Monte Carlo i Metropolis

17.8.5. Algorytmy genetyczne i ewolucyjne

17.9. Porównywanie struktur i nakładanie

17.10. Identyfikacja aktywnej konformacji

17.10.1. Krystalografia rentgenowska

17.10.2. Porównywanie ligandów usztywnionych i nieusztywnionych

17.11. Identyfikacja trójwymiarowego (3D) farmakofora

17.11.1. Badania krystalograficzne

17.11.2. Porównanie struktury związków aktywnych

17.11.3. Zautomatyzowane metody identyfikacji farmakoforów

17.12. Proces dokowania

17.12.1. Dokowanie ręczne

17.12.2. Dokowanie automatyczne

17.12.3. Definiowanie powierzchni molekularnej miejsca działania

17.12.4. Sztywne dokowanie poprzez komplementarność kształtu

17.12.5. Stosowanie siatek w programach dokowania

17.12.6. Sztywne dokowanie przez dopasowanie wiązań wodorowych

17.12.7. Sztywne dokowanie giętkich ligandów: program FLOG

17.12.8. Dokowanie elastycznych ligandów: programy kotwica i wzrost (anchor and grow)

17.12.9. Dokowanie elastycznego liganda: symulowane algorytmy wyżarzania i algorytmy genetyczne

17.13. Automatyczny przegląd baz danych w poszukiwaniu struktury wiodącej i projektowaniu leków

17.14. Odwzorowanie białek

17.14.1. Budowanie modelu białka: budowanie homologii

17.14.2. Budowanie miejsca wiążącego: hipotetyczne pseudoreceptory

17.15. Projektowanie leków de novo

17.15.1. Ogólne zasady projektowania leków de novo

17.15.2. Zautomatyzowane projektowanie leków de novo

17.16. Planowanie biblioteki związków

17.17. Obsługa baz danych

18. Ilościowa zależność między budową a działaniem (QSAR)

18.1. Wykresy i równania

18.2. Właściwości fizykochemiczne

18.2.1. Hydrofobowość

18.2.2. Efekty elektronowe

18.2.3. Czynniki steryczne

18.3.4. Inne parametry fizykochemiczne

18.3. Równanie Hansha

18.4. Wykres Craiga

18.5. Schemat Toplissa

18.6. Bioizostery

18.7. Podejście Free-Willsona

18.8. Planowanie badań QSAR

18.9. Opis przypadku

18.10. 3D QSAR

18.10.1. Określenie pól sterycznych i elektrostatycznych

18.10.2. Wpływ kształtu cząsteczki i rozkładu elektronów na aktywność biologiczną

18.10.3. Zalety CoMFA w stosunku do tradycyjnej analizy QSAR

18.10.4. Potencjalne problemy związane z CoMFA

18.10.5. Inne metody 3D QSAR

18.10.6. Opis przypadku: inhibitory polimeryzacji tubuliny

ANALIZA PRZYPADKU 5 - Projektowanie inhibitorów syntazy tymidylanowej

CZĘŚĆ E

19. Leki przeciwbakteryjne

19.1. Historia środków przeciwbakteryjnych

19.2. Komórka bakteryjna

19.3. Mechanizmy działania przeciwbakteryjnego

19.4. Środki przeciwbakteryjne zaburzające metabolizm komórkowy (antymetabolity)

19.4.1. Sulfonamidy

19.4.2. Przykłady innych antymetabolitów

19.5. Środki przeciwbakteryjne hamujące syntezę ściany komórkowej

19.5.1. Penicyliny

19.5.2. Cefalosporyny

19.5.3. Inne antybiotyki β-laktamowe

19.5.4. Inhibitory β-laktamaz

19.5.5. Inne leki działające na biosyntezę ściany komórki bakteryjnej

19.6. Związki przeciwbakteryjne oddziałujące na strukturę błony cytoplazmatycznej

19.6.1. Walinomycyna i gramicydyna A

19.6.2. Polimyksyna B

19.6.3. Zabójcze nanorurki

19.6.4. Cykliczne lipopeptydy

19.7. Środki przeciwbakteryjne zaburzające syntezę białek: translacja

19.7.1. Aminoglikozydy

19.7.2. Tetracykliny

19.7.3. Chloramfenikol

19.7.4. Makrolidy

19.7.5. Linkozamidy

19.7.6. Streptograminy

19.7.7. Oksazolidynony

19.7.8. Pleuromutyliny

19.8. Czynniki oddziałujące na transkrypcję i replikację kwasów nukleinowych

19.8.1. Chinolony i fluorochinolony

19.8.2. Aminoakrydyny

19.8.3. Ryfamycyny

19.8.4. Nitroimidazole i nitrofurantoina

19.8.5. Inhibitory polimerazy RNA bakterii

19.9. Inne związki

19.10. Oporność na leki

19.10.1. Oporność w wyniku mutacji

19.10.2. Oporność lekowa poprzez transfer genetyczny

19.10.3. Inne czynniki wpływające na oporność na leki

19.10.4. Kierunki badań

20. Leki przeciwwirusowe

20.1. Wirusy i choroby wirusowe

20.2. Budowa wirusów

20.3. Cykl rozwojowy wirusów

20.4. Szczepienie

20.5. Leki przeciwwirusowe: zasady ogólne

20.6. Leki przeciwwirusowe stosowane przeciw wirusom DNA

20.6.1. Inhibitory wirusowej polimerazy DNA

20.6.2. Inhibitory polimeryzacji tubulin

20.6.3. Terapia antysensowa

20.7. Leki przeciwwirusowe działające przeciw wirusom RNA: wirus ludzkiego niedoboru odporności

20.7.1. Budowa i cykl rozwojowy HIV

20.7.2. Terapia przeciwwirusowa HIV

20.7.3. Inhibitory wirusowej odwrotnej transkryptazy

20.7.4. Inhibitory proteazy

20.7.4.4. Rytonawir i lopinawir

20.7.5. Inhibitory innych celów

20.8. Leki przeciwwirusowe działające przeciw wirusom RNA: wirus grypy

20.8.1. Budowa i cykl rozwojowy wirusa grypy

20.8.2. Zaburzenie czynności kanałów jonowych: adamantany

20.8.3. Inhibitory neuraminidazy

20.9. Leki przeciwwirusowe działające przeciw wirusom RNA: wirus przeziębienia

20.10. Leki przeciwwirusowe działające przeciw wirusom RNA: zapalenie wątroby typu C

20.10.1. Inhibitory proteazy HCV NS3-4A

20.10.2. Inhibitory HCV NS5B RNA-zależnej polimerazy RNA

20.10.3. Inhibitory białka HCV NS5A

20.10.4. Inne cele

20.11. Leki o szerokim spektrum działania przeciwwirusowego

20.11.1. Leki hamujące syntetazę trifosforanu cytydyny

20.11.2. Leki hamujące hydrolazę S-adenozylohomocysteiny

20.11.3. Rybawiryna

20.11.4. Interferony

20.11.5. Przeciwciała i rybozymy

20.12. Bioterroryzm i ospa

21. Leki przeciwnowotworowe

21.1. Rak: wstęp

21.1.1. Definicje

21.1.2. Przyczyny raka

21.1.3. Wady genetyczne prowadzące do raka: protoonkogeny i onkogeny

21.1.4. Nieprawidłowe szlaki sygnałowe

21.1.5. Niewrażliwość na sygnały hamujące wzrost

21.1.6. Nieprawidłowości w regulacji cyklu komórkowego

21.1.7. Apoptoza i białko p53

21.1.8. Telomery

21.1.9. Angiogeneza

21.1.10. Inwazja tkanek i przerzuty

21.1.11. Leczenie nowotworów

21.1.12. Oporność

21.2. Leki działające bezpośrednio na kwasy nukleinowe

21.2.1. Czynniki interkalujące

21.2.2. Środki nieinterkalujące hamujące działanie topoizomeraz na DNA

21.2.3. Środki alkilujące i związki kompleksowe metali

21.2.4. Środki tnące łańcuchy DNA

21.2.5. Terapia antysensowa

21.3. Leki działające na enzymy: antymetabolity

21.3.1. Inhibitory reduktazy dihydrofolianowej

21.3.2. Inhibitory syntazy tymidylanowej

21.3.3. Inhibitory reduktazy rybonukleotydowej

21.3.4. Inhibitory deaminazy adenozyny

21.3.5. Inhibitory polimeraz DNA

21.3.6. Antagoniści puryn

21.4. Hormonoterapia

21.4.1. Glikokortykoidy, estrogeny, progestyny i androgeny

21.4.2. Agoniści i antagoniści receptora hormonu uwalniającego hormon luteinizujący

21.4.3. Antyestrogeny

21.4.4. Antyandrogeny

21.4.5. Inhibitory aromatazy

21.5. Leki działające na białka strukturalne

21.5.1. Środki hamujące polimeryzację tubuliny

21.5.2. Środki hamujące depolimeryzację tubuliny

21.6. Inhibitory szlaków sygnałowych

21.6.1. Hamowanie farnezylotransferazy i białka Ras

21.6.2. Inhibitory kinazy białkowej

21.6.3. Antagoniści receptora szlaku sygnałowego hedgehog

21.7. Inhibitory różnych enzymów

21.7.1. Inhibitory metaloproteinazy macierzy

21.7.2. Inhibitory proteasomu

21.7.3. Inhibitory deacetylazy histonu

21.7.4. Inhibitory polimerazy poli-ADP rybozy

21.7.5. Inne cele enzymów

21.8. Środki wpływające na apoptozę

21.9. Różne środki przeciwnowotworowe

21.9.1. Środki syntetyczne

21.9.2. Produkty naturalne

21.9.3. Terapia białkowa

21.9.4. Modulacja oddziaływań czynnik transkrypcji–koaktywator

21.10. Przeciwciała, koniugaty przeciwciał i terapia genowa

21.10.1. Przeciwciała monoklonalne

21.10.2. Koniugaty przeciwciało-lek

21.10.3. Terapia prolekiem ukierunkowana przez kompleks przeciwciało-enzym (ADEPT)

21.10.4. Terapia prolekiem ukierunkowana przez przeciwciało-abzym (ADAPT)

21.10.5. Terapia prolekiem ukierunkowana genem enzymu (GDEPT)

21.10.6. Inne formy terapii genowej

21.11. Terapia fotodynamiczna

21.12. Terapia wirusowa

22. Leki cholinergiczne, antycholinergiczne i inhibitory acetylocholinoesterazy

22.1. Obwodowy układ nerwowy

22.2. Nerwy ruchowe obwodowego układu nerwowego

22.2.1. Somatyczny motoryczny układ nerwowy

22.2.2. Autonomiczny motoryczny układ nerwowy

Układ nerwowy przewodu pokarmowego (GI)[*]

22.2.4. Zaburzenia przekaźnictwa w neuronach motorycznych

22.3. Układ cholinergiczny

22.3.1. Cholinergiczny system sygnałowy

22.3.2. Presynaptyczne układy kontrolne

Neuroprzekaźniki białkowe[**]

22.4. Agoniści receptorów cholinergicznych

22.5. Acetylocholina – struktura, SAR i wiązanie się z receptorem

22.6. Nietrwałość acetylocholiny

22.7. Projektowanie analogów acetylocholiny

22.7.1. Zawada przestrzenna

22.7.2. Efekty elektronowe

22.7.3. Połączone efekty steryczne i elektronowe

22.8. Zastosowanie kliniczne agonistów cholinergicznych

22.8.1. Agoniści muskarynowi

22.8.2. Agoniści nikotynowi

22.9. Antagoniści muskarynowych receptorów cholinergicznych

22.9.1. Działanie i zastosowanie antagonistów muskarynowych

22.9.2. Antagoniści muskarynowi

22.10. Antagoniści nikotynowych receptorów cholinergicznych

22.10.1. Zastosowanie antagonistów receptorów nikotynowych

22.10.2. Antagoniści nikotynowi

22.11. Struktury receptorów

22.12. Inhibitory acetylocholinoesterazy i acetylocholinoesteraza

22.12.1. Działanie inhibitorów acetylocholinoesterazy

22.12.2. Struktura enzymu acetylocholinoesterazy

22.12.3. Miejsce aktywne acetylocholinoesterazy

22.13. Inhibitory acetylocholinoesterazy

22.13.1. Karbaminiany

22.13.2. Związki fosforoorganiczne

22.14. Pralidoksym – antidotum przeciw związkom fosforoorganicznym

22.15. Inhibitory acetylocholinoesterazy jako „inteligentne” leki

22.15.1. Inhibitory acetylocholinoesterazy

22.15.2. Związki dwufunkcyjne działające na acetylocholinoesterazę („Podwójne” inhibitory acetylocholinoesterazy)

22.15.3. Związki wielofunkcyjne działające na acetylocholinoesterazę oraz receptory muskarynowe M2

23. Leki działające na adrenergiczny układ nerwowy

23.1. Adrenergiczny układ nerwowy

23.1.1. Obwodowy układ nerwowy

22.1.2. Ośrodkowy układ nerwowy

23.2. Receptory adrenergiczne

23.2.1. Typy receptorów adrenergicznych

23.2.2. Rozmieszczenie receptorów w organizmie

23.3. Endogenni agoniści receptorów adrenergicznych

23.4. Biosynteza amin katecholowych

23.5. Metabolizm katecholoamin

23.6. Przewodnictwo nerwowe (neurotransmisja)

23.6.1. Proces przewodnictwa nerwowego

23.6.2. Neuroprzekaźniki białkowe (neuromodulatory)*

23.6.3. Receptory presynaptyczne i kontrola

23.7. Miejsca działania leków

23.8. Adrenergiczne miejsca wiążące

23.9. Zależność struktura–aktywność

23.9.1. Ważne grupy wiążące katecholoamin

23.9.2. Selektywność α-adrenoreceptorów a selektywność β-adrenoreceptorów

23.10. Agoniści adrenergiczni

23.10.1. Ogólni agoniści receptorów adrenergicznych

23.10.2. Agoniści α1-, α2-, β1- i β3-receptorów

23.10.3. β2-Agoniści i leczenie astmy

23.11. Antagoniści receptora adrenergicznego

23.11.1. α- i β-blokery

23.11.2. β-blokery

23.11.3. β-Blokery jako leki sercowo-naczyniowe

23.12. Inne leki działające na przewodnictwo adrenergiczne

23.12.1. Leki wpływające na biosyntezę leków adrenergicznych

23.12.2. Leki hamujące wychwytywanie noradrenaliny do pęcherzyków magazynowych

23.12.3. Uwalnianie noradrenaliny z pęcherzyków magazynowych

23.12.4. Inhibitory wychwytu zwrotnego noradrenaliny do neuronów presynaptycznych

23.12.5. Hamowanie enzymów metabolicznych

24. Narkotyczne leki przeciwbólowe

24.1. Historia opium

24.2. Składnik czynny: morfina

24.2.1. Wyodrębnienie morfiny

24.2.2. Budowa i właściwości

24.3. Zależność struktura–działanie

24.4. Cel molekularny morfiny: receptory opioidowe

24.5. Morfina: farmakodynamika i farmakokinetyka

24.6. Analogi morfiny

24.6.1. Zmiana podstawników

24.6.2. Powiększenie cząsteczki leku

24.6.3. Uproszczenie struktury lub fragmentacja leku

24.6.4. Usztywnienie struktury

24.7. Agoniści i antagoniści

24.8. Endogenne peptydy opioidowe i opioidy

24.8.1. Endogenne peptydy opioidowe

24.8.2. Analogi enkefalin i δ-selektywnych opioidów

24.8.3. Teorie wiążące enkefalin

24.8.4. Inhibitory peptydaz

24.8.5. Endogenna morfina

24.9. Przyszłość

24.9.1. Koncepcja wiadomość-adres

24.9.2. Dimery receptorów

24.9.3. Selektywni agoniści opioidowi a wielofunkcyjne opioidy

24.9.4. Opioidy o działaniu obwodowym

24.10. Studium przypadku: projektowanie nalfurafiny

25. Związki przeciwwrzodowe

25.1. Wrzody trawienne

25.1.1. Definicja

25.1.2. Przyczyny

25.1.3. Leczenie

25.1.4. Uwalnianie kwasu żołądkowego

25.2. Antagoniści receptora H2

25.2.1. Histamina i receptory histaminowe

25.2.2. Poszukiwanie struktury wiodącej

25.2.3. Opracowanie struktury wiodącej – teoria chelatowania wiązania

25.2.4. Od częściowego agonisty do antagonisty – odkrycie burimamidu

25.2.5. Odkrycie metiamidu

25.2.6. Odkrycie cymetydyny

25.2.7. Cymetydyna

25.2.8. Dalsze badania analogów cymetydyny

25.2.9. Kolejni antagoniści receptora H2

25.2.11. Receptory H2 i jego antagoniści

25.3. Inhibitory pompy protonowej

25.3.1. Komórki okładzinowe i pompa protonowa

25.3.2. Inhibitory pompy protonowej

25.3.3. Mechanizm hamowania pompy protonowej

25.3.4. Metabolizm inhibitorów pompy protonowej

25.3.5. Projektowanie omeprazolu i esomeprazolu

25.3.6. Inne inhibitory pompy protonowej

25.4. Helicobacter pylori i leki przeciwbakteryjne

25.4.1. Odkrycie Helicobacter pylori

25.4.2. Leczenie

25.5. Leki tradycyjne i ziołowe

26. Leki układu krążenia

26.1. Wprowadzenie

26.2. Układ krążenia

26.3. Leki hipotensyjne wpływające na aktywność układu RAA

26.3.1. Wprowadzenie

26.3.2. Inhibitory reniny

26.3.3. Inhibitory konwertazy angiotensyny (ACE)

26.3.4. Antagoniści receptora angiotensyny

26.3.5. Antagoniści receptorów mineralokortykoidowych

26.3.6. Leki o podwójnym działaniu

26.4. Antagoniści receptorów dla endoteliny jako leki hipotensyjne

26.4.1. Endoteliny i receptory endotelinowe

26.4.2. Antagoniści receptorów endotelinowych

26.4.3. Leki o podwójnym działaniu

26.5. Leki rozszerzające naczynia

26.5.1. Modulatory rozpuszczalnej cyklazy guanylanowej

26.5.2. Inhibitory fosfodiesterazy 5

26.5.3. Inhibitory neprylizyny

26.5.4. Agoniści prostacykliny

26.5.5. Pozostałe leki rozszerzające naczynia

26.6. Blokery kanałów wapniowych

26.6.1. Wprowadzenie

26.6.2. Pochodne dihydropirydyny

26.6.3. Fenyloalkiloaminy

26.6.4. Benzotiazepiny

26.7. Inhibitory kanałów jonowych If

26.8. Leki hipolipemizujące

26.8.1. Statyny

26.8.2. Fibraty

26.8.3. Podwójni i potrójni agoniści PPAR

26.8.4. Leki antysensowe

26.8.5. Inhibitory białek transferowych

26.8.6. Przeciwciała jako leki hipolipemizujące

26.9. Leki przeciwzakrzepowe

26.9.1. Leki przeciwzakrzepowe (antykoagulanty)

26.9.2. Leki przeciwpłytkowe

26.9.3. Leki fibrynolityczne

ANALIZA PRZYPADKU 6 - Steroidowe leki przeciwzapalne

ANALIZA PRZYPADKU 7 - Aktualne badania nad lekami przeciwdepresyjnymi

ANALIZA PRZYPADKU 8 - Projektowanie i rozwój aliskirenu

ANALIZA PRZYPADKU 9 - Inhibitory czynnika Xa

ANALIZA PRZYPADKU 10 - Odwracalne inhibitory proteazy HCV NS3-A4

Słowniczek

Polecana literatura uzupełniająca

Załącznik 1 - Niezbędne aminokwasy

Załącznik 2 Standardowy kod genetyczny

Załącznik 3 - Dane statystyczne do QSAR

Załącznik 4 - Działanie włókien nerwowych

Załącznik 5 - Mikroorganizmy

Załącznik 6 - Oddziaływania za pomocą wiązań wodorowych

Przypisy

1. Leki i ich działanie

1.1. Co to jest lek?

Chemia medyczna obejmuje proces projektowania oraz syntezy środka farmaceutycznego, który wykazuje pożądane działanie biologiczne na ludzki organizm lub inną żywą istotę. Taki związek jest potocznie nazywany lekiem (ang. drug, czyli w dosłownym tłumaczeniu „lek” lub „narkotyk”). Jednak wielu naukowców nie lubi angielskiego określenia „drug” z powodu jego złych konotacji i tego, jak jest postrzegane przez społeczeństwo. Nie ma w tym nic zaskakującego, zważywszy na pojawiające się w środkach masowego przekazu tytuły typu: „Groźba narkotyków” (ang. Drugs Menace) „Narkomania wkracza na ulice miast” (ang. Drug Addiction Sweeps City Streets).

Zachodzi zatem konieczność odróżnienia leków o korzystnym działaniu farmakologicznym od leków, które szkodzą organizmowi człowieka. Czy rzeczywiście jest to słuszne? Czy możemy nakreślić wyraźną granicę między „dobrymi” lekami, np. penicyliną, a „złymi” lekami (ang. drugs), np. heroiną? Jeśli tak, to przede wszystkim należy się zastanowić, jak zdefiniować „dobry lek”, a jak „zły lek”? Gdzie wobec tego w tym podziale należałoby umieścić tzw. miękki narkotyk, jakim jest marihuana (cannabis)? A co należałoby powiedzieć o nikotynie czy alkoholu?

Odpowiedzi, jakie uzyskamy, zależą od tego, kogo zapytamy. Z prawnego punktu widzenia problem jest rozważany w barwach czarno-białych. Z punktu widzenia nastolatków uczestniczących w prywatkach prawo jest „do niczego”. Z naszego punktu widzenia takie pytania nie mają sensu. Próby dzielenia leków na dwie kategorie – bezpieczne i niebezpieczne, dobre i złe – są daremne, a nawet mogą być niebezpieczne.

Na początku przyjrzyjmy się tzw. dobrym lekom stosowanym w celach medycznych. Do jakiego stopnia są one „dobre”? Jeśli lek ma być naprawdę dobry, to musi spełniać określone kryteria, tj.: powinien działać w taki sposób, jak zakładano przy jego projektowaniu, nie powinien być toksyczny i nie powinien wywierać działań niepożądanych oraz powinien być łatwy w użyciu.

Ile leków spełnia te kryteria?

Odpowiedź jest krótka: żaden.

Na rynku farmaceutycznym nie ma obecnie takiego związku, który spełniałby wszystkie te warunki. Co prawda, niektóre leki są bliskie ideału. Penicylina, na przykład – była jednym z najskuteczniejszych leków przeciwbakteryjnych, jakie kiedykolwiek odkryto, i równocześnie jednym z najbezpieczniejszych. A mimo to ma również wady. Nie może leczyć wszystkich znanych infekcji bakteryjnych, a ponadto z czasem coraz więcej gatunków bakterii staje się na nią opornych. Ponadto, u niektórych osób mogą wystąpić ciężkie reakcje alergiczne na ten związek.

Penicylina jest stosunkowo bezpiecznym lekiem, ale istnieją pewne leki, które są wyraźnie niebezpieczne. Jednym z nich jest morfina. Jest ona znakomitym lekiem przeciwbólowym, lecz wywołuje wiele działań niepożądanych, takich jak tolerancja coraz większych dawek, upośledzenie oddychania i uzależnienie. Może nawet zabić, jeśli zastosuje się zbyt dużą dawkę.

Za niebezpieczne leki są również uważane barbiturany. W czasie II wojny, w bazie Pearl Harbor, rannym przed zabiegami operacyjnymi, jako środki znieczulenia ogólnego, podawano barbiturany. Jednak niedostateczna wiedza na temat sposobu gromadzenia się barbituranów w organizmie, spowodowała, że wielu pacjentów otrzymywało dawki śmiertelne. W rzeczywistości, uważa się, że w Pearl Harbor więcej ofiar zginęło z rąk anestezjologów, niż zmarło od zadanych ran. Podsumowując, „dobre” leki nie zawsze są tak doskonałe, jakby mogło się wydawać.

A co w takim razie można powiedzieć o „złych” lekach (ang. drugs)? Czy można o nich powiedzieć cokolwiek dobrego? Czy aby na pewno nie ma nic na obronę tak silnie uzależniającego narkotyku (ang. drug), jakim jest heroina?

Spójrzmy zatem na fakty dotyczące heroiny. Jest to jeden z najlepszych środków przeciwbólowych znanych medycynie. Pod koniec XIX wieku nazwano go heroiną, ponieważ sądzono, że jest „heroicznym” (ang. heroic) lekiem, który potrafiłby raz na zawsze usunąć ból. Heroina pojawiła się w powszechnym użyciu w 1898 r., ale już 5 lat później musiała zostać wycofana z rynku, gdyż stało się oczywistym, że ma silne właściwości uzależniające. Mimo tego, heroina obecnie również jest stosowana w medycynie – oczywiście pod ścisłą kontrolą i inną nazwą. Lek nazywa się diamorfiną i jest lekiem z wyboru stosowanym u pacjentów w terminalnym stadium choroby nowotworowej. Diamorfina nie tylko zmniejsza ból do akceptowalnego poziomu, lecz także wywołuje efekt euforyczny, który pomaga przeciwdziałać depresji, z którą zmagają się pacjenci w obliczu śmierci. Czy możemy zatem uczciwie uznać taki lek za całkowicie „zły”?

Dlatego powinno być oczywistym, że podział leków na „dobre” i „złe” jest nieprecyzyjny i w naszych dalszych rozważaniach o chemii medycznej nie ma on większego znaczenia. Wszystkie leki mają swoje dobre i złe strony. Niektóre mają więcej zalet niż wad i odwrotnie, ale, podobnie jak ludzie, wszystkie mają swoje indywidualne cechy. Jak w takim razie podać ogólną definicję leku?

Jedną z definicji może być klasyfikacja leków jako „związków, które oddziałują z układem biologicznym w celu wytworzenia odpowiedzi biologicznej”. Ta definicja obejmuje wszystkie leki, o których wspominaliśmy do tej pory, ale można ją jeszcze rozszerzyć. Są przecież związki chemiczne, które codziennie spożywamy i które również wywierają na nas działanie biologiczne. Czym zatem są te codzienne „leki”?

Jeden z nich spożywamy z każdą filiżanką herbaty, kawy czy kakao. Przecież wszystkie te napoje zawierają pobudzającą kofeinę. Dlatego za każdym razem, gdy wypijamy filiżankę kawy, zażywamy także lek. Możemy pójść dalej. Ilekroć mamy ochotę na filiżankę kawy, można powiedzieć, że jesteśmy ofiarą nałogu (uzależnienia). Nawet dzieci nie są przed tym nałogiem chronione. Dostają „zastrzyk” kofeiny w szklaneczce Coca-Coli lub Pepsi Coli. Czy nam się to podoba, czy nie, kofeina jest lekiem. Dlatego kiedy ją pijemy, możemy spodziewać się zmiany nastroju i samopoczucia.

To samo dotyczy miłośników „nikotynowego dymka”. Jednak w tym przypadku efekt biologiczny jest zupełnie inny. Paląc, pragniesz uspokojenia czy też „wyluzowania” i to właśnie nikotyna zawarta w papierosowym dymie wywołuje ten efekt. Kolejnym przykładem „powszechnie stosowanego leku” jest alkohol i jako taki powoduje więcej problemów społecznych niż wszystkie inne leki razem wzięte. Wystarczy tylko przejrzeć statystyki wypadków drogowych, aby zrozumieć wagę problemu. Gdyby alkohol odkryto dzisiaj, prawdopodobnie zostałby zakazany, dokładnie tak samo jak kokaina. Rozpatrując to w czysto naukowy sposób, alkohol jest najbardziej rozczarowującym lekiem. Jak wielu osób byśmy nie zbadali, niemożliwe jest ustalenie dokładnej dawki alkoholu, która wywołuje jedynie pożądany efekt „szczęścia” i unikanie wyższych dawek, powodujących niepożądane działania uboczne, chociażby takie jak zataczanie się po ulicy. Alkohol jest również nieprzewidywalny w swoich biologicznych skutkach. W zależności od nastroju pijącego może on spowodować uczucie szczęścia lub depresji. Co ważniejsze, nałóg i tolerancja coraz większych dawek w niektórych przypadkach zrujnowało życie osób uzależnionych oraz ich rodzin.

Nasza definicja leku opisuje także związki, które na pierwszy rzut oka nie są lekami, na przykład trucizny i toksyny. Przecież one także wchodzą w interakcję z systemem biologicznym i wywołują odpowiedź biologiczną – być może nieco ekstremalną, ale mechanizm jest taki sam. Idea działania trucizn jako leków może nie wydawać się tak dziwna, jeśli rozważymy przykład penicyliny. Przecież nie mamy problemu z myśleniem o penicylinie jako leku, ale jeśli przyjrzymy się bliżej jej działaniu, to stwierdzimy, że jest ona trucizną. Penicylina wchodzi w interakcję z bakteriami (układem biologicznym), a potem zabija je (odpowiedź biologiczna). Na całe szczęście, nie ma ona takiego wpływu na komórki ludzkiego organizmu.

Nawet te leki, które nie działają jak trucizny, mają potencjał, aby się nimi stać – najczęściej, jeśli zostaną przyjęte w zbyt dużych dawkach. Poznaliśmy to na przykładzie morfiny. W małych dawkach działa przeciwbólowo. W dużych staje się trucizną, która zabija, hamując ośrodek oddechowy. Dlatego tak istotne jest, aby traktować wszystkie leki tak, jak potencjalne trucizny i podchodzić do nich z rezerwą.

W chemii medycznej stosowany jest termin indeks terapeutyczny, który jest miarą bezpieczeństwa danego leku. Wskazuje on, ile razy dawka leku wywołująca korzystne działania, jest mniejsza w porównaniu do dawki powodującej szkodliwe działanie. Dokładniej, indeks terapeutyczny porównuje dawkę wywołującą efekty toksyczne u 50% pacjentów do dawki efektywnej, powodującego korzystne działanie terapeutyczne u 50% pacjentów. Wysoki wskaźnik terapeutyczny oznacza, że istnieje duży margines bezpieczeństwa między dawkami wywołującymi korzystny efekt terapeutyczny a dawkami toksycznymi. Wartości indeksu terapeutycznego dla marihuany i alkoholu etylowego wynoszą odpowiednio 1000 i 10, co może wskazywać, że marihuana jest bezpieczniejsza i bardziej przewidywalna w działaniu niż alkohol. Faktycznie, preparat na bazie marihuany (nabiximols) został zatwierdzony do łagodzenia objawów towarzyszących stwardnieniu rozsianemu. Jednak nie znaczy to od razu, że marihuana jest zupełnie bezpieczna w stosowaniu. Korzystny indeks terapeutyczny nie wskazuje na przykład potencjalnej toksyczności marihuany w przypadku stosowania jej przez dłuższy czas (terapie przewlekłe). Wśród różnych działań niepożądanych marihuany można wymienić ataki paniki, urojenia paranoidalne i halucynacje. Oczywiście, bezpieczeństwo stosowania leków jest sprawą złożoną i na pewno nie pomaga jej medialna pogoń za sensacją.

Jeśli leki mogą być truciznami w dużych dawkach lub w wyniku długiego stosowania, to czy jest możliwa również odwrotna sytuacja? Czy trucizna może być lekarstwem, gdy zastosujemy ją w małych dawkach? W niektórych przypadkach okazuje się, że tak jest.

Arsen jest dobrze znaną trucizną, a jednak pochodne arsenu są stosowane jako środki przeciwpierwotniakowe i przeciwnowotworowe. Śmiertelną trucizną jest również kurara, którą używali rdzenni mieszkańcy Ameryki Południowej do zatruwania strzał, przez co nawet drobne draśnięcie strzałą mogło być śmiertelne, jednak związki oparte na strukturze tubokuraryny (aktywny składnik kurary) są używane podczas operacji chirurgicznych w celu zwiotczenia mięśni. Pod właściwą kontrolą i przy prawidłowym dawkowaniu nawet śmiertelna trucizna może odgrywać ważną rolę w medycynie. Dodatkowo, śmiertelne trucizny mogą być punktem wyjścia do opracowania nowych leków. Na przykład, inhibitory ACE są ważnymi lekami stosowanymi w chorobach sercowo-naczyniowych, które zostały opracowane z wykorzystaniem struktury chemicznej jadu węża.

Nasza definicja obejmuje każdą substancję chemiczną, która oddziałuje z dowolnym systemem biologicznym, dlatego do leków moglibyśmy również zaliczyć pestycydy stosowane w rolnictwie. Chronią one rośliny poprzez działanie toksyczne na biologiczne systemy, takie jak chorobotwórcze bakterie, grzyby czy owady.

Nawet żywność może działać jak lek lub narkotyk. Śmieciowe jedzenie (ang. junk food) i napoje gazowane zostały obwinione o powodowanie nadpobudliwości u dzieci. Uważa się, że niektóre produkty typu fast food mają duże stężenia aminokwasów, które mogą być przekształcane w organizmie w neuroprzekaźniki, czyli substancje chemiczne biorące udział w przekazywaniu bodźców nerwowych. Duża ilość neuroprzekaźników powoduje nadmierne pobudzenie w układzie nerwowy, prowadząc do wzmożonego pobudzenia obserwowanego u podatnych osób. Ponadto, są również dobrze znane alergie spowodowane dodatkami do żywności i konserwantami.

Niektóre produkty zawierają nawet toksyczne substancje chemiczne. Brokuły, kapusta i kalafior mają duże stężenie związku, który może powodować zaburzenia układu rozrodczego szczurów. Orzeszki ziemne i kukurydza czasami mogą zawierać toksyny grzybowe (mykotoksyny), przypuszcza się nawet, że to właśnie toksyny grzybowe obecne w żywności, były odpowiedzialne za jedną z plag biblijnych. Bazylia ma w swoim składzie ponad 50 różnych związków o potencjalnym działaniu rakotwórczym, natomiast niektóre zioła zawierają jedną z najsilniejszych znanych substancji rakotwórczych. Związki rakotwórcze zidentyfikowano również w rzodkiewkach, brązowej gorczycy, morelach, wiśniach i śliwkach. Takie „niesmaczne fakty” mogą odebrać apetyt, ale nie martwcie się – związki te są obecne w tak małych ilościach, że ryzyko jest nieznaczne. W tym właśnie tkwi wielka prawda, która została odkryta już w XV wieku, kiedy stwierdzono, że „wszystko jest trucizną i nic nie jest trucizną.To dawka czyni truciznę”.

Prawie wszystko w nadmiarze będzie toksyczne. Możesz poważnie zachorować, przyjmując 100 tabletek aspiryny lub butelkę whisky lub 9 kg szpinaku. Wybór należy do ciebie! Podsumowując, leki można postrzegać jako rzeczywiste lub potencjalne trucizny. Ważnym pojęciem jest reguła selektywnej toksyczności. Wiele leków jest skutecznych, ponieważ są toksyczne dla „niepożądanych komórek”, ale nie uszkadzają prawidłowych komórek. Na przykład, leki przeciwbakteryjne, przeciwgrzybicze i przeciwpierwotniakowe są przydatne w medycynie, ponieważ wykazują selektywną toksyczność wobec komórek drobnoustrojów, a nie komórek ssaków. Klinicznie skuteczne środki przeciwnowotworowe wykazują toksyczność selektywną dla komórek nowotworowych, a nie do zdrowych komórek. Podobnie, skuteczne środki przeciwwirusowe są toksyczne dla wirusów, a nie uszkadzają komórek leczonego. Po omówieniu, czym są leki, rozważymy teraz dlaczego, gdzie i jak działają.

Podsumowanie

- • Leki są związkami, które oddziałują z układem biologicznym w celu wywołania określonej odpowiedzi biologicznej.

- • Żaden lek nie jest całkowicie bezpieczny. Leki mogą mieć różne działania niepożądane.

- • To wielkość dawki związku określa, czy będzie działać, jak lek czy jak trucizna.

- • Indeks terapeutyczny jest miarą bezpieczeństwa stosowania danego leku. Wskazuje, ile razy dawka leku wywołująca korzystne działania jest mniejsza w porównaniu do dawki powodującej szkodliwe działanie. Wysoki indeks terapeutyczny oznacza duży margines bezpieczeństwa pomiędzy dawką efektywną i toksyczną.

- • Zasada selektywnej toksyczności oznacza, że leki wykazują toksyczność tylko wobec form patologicznych.

1.2. Miejsce działania leku

Jak to się dzieje, że związki chemiczne i to nawet te o bardzo prostej strukturze, mają tak istotny wpływ na skomplikowany organizm ludzki? Odpowiedź tkwi w sposobie funkcjonowania ludzkiego ciała. Gdybyśmy spojrzeli w jego wnętrze, aż do poziomu molekularnego, to zobaczylibyśmy imponującą liczbę zachodzących reakcji chemicznych, które odpowiadają za prawidłowe funkcjonowanie organizmu.

Leki mogą być prostymi substancjami chemicznymi, ale dostają się do świata skomplikowanych reakcji chemicznych, z którymi wchodzą w interakcje. Dlatego nie powinno dziwić, że mogą one wywoływać jakiś efekt. Zaskakujące może być jedynie to, że są to aż tak specyficzne efekty. Wyjaśnienie tego kryje się w odpowiedzi na pytanie: gdzie w organizmie są miejsca, na które działa lek („cele leku”, ang. drug targets).

1.2.1. Budowa komórki

Organizm tworzą komórki, dlatego zupełnie zrozumiałe jest, że leki muszą działać właśnie na nie. Strukturę typowej komórki ssaka przedstawiono na rys. 1.1. Wszystkie komórki ludzkiego organizmu zawierają błonę komórkową, która otacza płynną zawartość, czyli cytoplazmę. Błona komórkowa widziana pod mikroskopem elektronowym składa się z dwóch wyraźnych warstw. Każda z nich jest zbudowana z uporządkowanego rzędu cząsteczek fosfoglicerydów, m.in. fosfatydylocholiny (lecytyny) (rys. 1.2). Zewnętrzna warstwa błony składa się z fosfatydylocholiny, natomiast wewnętrzna warstwa składa się z fosfatydyloetanoloaminy, fosfatydyloseryny i fosfatydyloinozytolu. Każda cząsteczka fosfoglicerydu zawiera małą polarną grupę, zwaną głową i dwa długie łańcuchy hydrofobowe (ogony).

Rys. 1.1. Komórka ssaka. (J. Mann, Murder, magic, and medicine, Oxford University Press (1992); udostępniono za zgodą autora)

Rys. 1.2. Struktura fosfoglicerydów

W błonie komórkowej dwie warstwy fosfolipidów są rozmieszczone tak, że hydrofobowe łańcuchy (ogony) są skierowane ku sobie i tworzą lipidowe, hydrofobowe centrum, natomiast jonowe, polarne grupy (głowy) są umieszczone od wewnętrznej i zewnętrznej strony, tworząc powierzchnię błony komórkowej (rys. 1.3). Struktura ta jest trwała, ponieważ jonowe, hydrofilowe grupy głowy oddziałują ze środowiskiem wodnym wewnątrz i na zewnątrz komórki, natomiast hydrofobowe łańcuchy wzmacniają wzajemne oddziaływania hydrofobowe, przez co utrzymują się z dala od środowiska wodnego. Następstwem takiej struktury jest istnienie bariery lipidowej między wnętrzem komórki i jej otoczeniem.

Rys. 1.3. Błona komórkowa. (J. Mann, Murder, magic, and medicine, Oxford University Press (1992); udostępniono za zgodą autora)

Błona komórkowa nie jest jednak zbudowana wyłącznie z fosfolipidów. Znajduje się tam wiele różnych białek (rys. 1.3). Niektóre z nich są przytwierdzone do wewnętrznej lub zewnętrznej powierzchni błony. Inne są osadzone wewnątrz niej, a ich fragmenty wystają na powierzchnię jednej lub obu stron błony. Obszar, w jakim białka te są osadzone w strukturze błony komórkowej, zależy od rodzaju obecnych w nich aminokwasów. Białka znajdujące się wewnątrz błony komórkowej mają dużą liczbę aminokwasów hydrofobowych, natomiast te ich części, które wystają poza powierzchnię mają dużą liczbę aminokwasów hydrofilowych. Wiele białek powierzchniowych ma również przyłączone krótkie łańcuchy węglowodanów, a zatem są klasyfikowane jako glikoproteiny.

Te fragmenty węglowodanów pełnią ważną funkcję w interakcji pomiędzy komórkami (pozrozdz. 10.7). W cytoplazmie znajduje się kilka struktur, jedną z nich jest jądro komórkowe. Działa ono jak „centrum sterowania” komórki. Jądro zawiera kod genetyczny – DNA – który odpowiada za strukturę wszystkich białek produkowanych w komórce. Ponadto w komórce obecne są inne organella komórkowe, takie jak mitochondria, aparat Golgiego i retikulum endoplazmatyczne. Jednak celem tej książki nie jest zgłębianie wiedzy na temat struktury i funkcję tych organelli. Wystarczy wiedzieć, że różne leki działają na różne cele molekularne (ang. molecular targets) w komórce.

1.2.2. Miejsca działania leków na poziomie molekularnym

Przejdziemy teraz do omówienia poziomu molekularnego, ponieważ właśnie tutaj możemy naprawdę docenić mechanizm działania leków. Głównymi celami molekularnymi leków są białka (enzymy, receptory i białka transportowe) oraz kwasy nukleinowe (DNA i RNA). Są to duże cząsteczki (makrocząsteczki) o masie cząsteczkowej odpowiadającej kilku tysiącom jednostek masy atomowej. Mają one znacząco większe rozmiary niż typowy lek, którego przeciętna masa cząsteczkowa jest rzędu kilkuset jednostek masy atomowej.

Interakcja leku z makrocząsteczką obejmuje m.in. proces wiązania. Zwykle lek wiąże się ze ściśle określony obszarem makrocząsteczki zwanym miejscem wiążącym (ang. binding site) (rys. 1.4). Najczęściej ma ono postać okrągłego lub podłużnego wgłębienia na powierzchni makrocząsteczki, co umożliwia cząsteczce leku zagłębić się w znacznie większej strukturze. Niektóre leki wchodzą w reakcje z miejscem wiążącym i zostają trwale przyłączone za pomocą wiązania kowalencyjnego o sile wiązania 200–400 kJ mol–1. Jednak znacząca większość leków oddziałuje poprzez słabsze formy interakcji, czyli wiązania międzycząsteczkowe (ang. intermolecular bonds). Należą do nich wiązania elektrostatyczne lub jonowe, wiązania wodorowe, oddziaływania van der Waalsa, oddziaływania typu dipol–dipol i oddziaływania hydrofobowe. (Możliwe jest również, aby te interakcje zachodziły w obrębie cząsteczki, w tym przypadku są one nazywane wiązaniami wewnątrzcząsteczkowymi (ang. intramolecular bonds); patrz przykład – struktura białka, rozdział 2.2 i 2.3).

Rys. 1.4. Stan równowagi pomiędzy lekiem związanym i niezwiązanym z celem

Żadne z tych wiązań nie jest tak silne, jak wiązania kowalencyjne, które tworzą szkielet cząsteczki, co oznacza, że są nietrwałe (tworzą się i ulegają rozerwaniu). Istnieje równowaga między związanym lekiem i niezwiązanym z makrocząsteczką. Siła wiązania jest wystarczająco duża, aby utrzymywać lek przez pewien czas, tak aby mógł zadziałać na cel, jednak jest na tyle słaba, że możliwe jest jego odłączenie, gdy wykona swoją pracę. Czas, przez który lek pozostaje związany z celem, zależy od liczby wiązań międzycząsteczkowych zaangażowanych w jego utrzymanie. Leki tworzące dużą liczbę wiązań prawdopodobnie będą związane dłużej niż te, które tworzą tylko kilka wiązań. Istotnym czynnikiem są także różnice w sile oddziaływania pomiędzy poszczególnymi typami międzycząsteczkowych wiązań.

W tworzeniu wiązań między lekiem a celem molekularnym ważną rolę odgrywają grupy funkcyjne obecne w cząsteczce leku, tzw. grupy wiążące (ang. binding groups). Równie ważną rolę w wiązaniu leku z celem molekularnym odgrywa jego szkielet węglowy poprzez oddziaływania van der Waalsa. Miejsca wiążące celu także zawierają grupy funkcyjne i szkielety węglowe, które biorą udział w tworzeniu odwracalnych wiązań międzycząsteczkowych z lekami. Specyficzne regiony, w których zachodzą te reakcje nazywane są regionami wiążącymi (ang. binding regions). Badaniem interakcji leków z miejscami wiążącymi, a także efektami farmakologicznymi wywoływanymi w wyniku tych oddziaływań zajmuje się farmakodynamika. Przejdźmy teraz do omówienia poszczególnych typów wiązań międzycząsteczkowych.

1.3. Siły wiązania międzycząsteczkowego

Istnieje kilka rodzajów oddziaływań międzycząsteczkowych, które różnią się siłą wiązania. Liczba i rodzaje tych oddziaływań zależą od struktury leku i obecnych grup funkcyjnych (rozdział 13.1). Tak więc, każdy lek może wejść w interakcję z celem swojego działania za pomocą opisanych poniżej oddziaływań, jednak należy pamiętać, że nie zawsze wszystkie muszą być wykorzystane.

11.3.1. Wiązania elektrostatyczne lub jonowe

Wiązanie jonowe lub elektrostatyczne jest najsilniejszym z wiązań międzycząsteczkowych (20–40 kJ·mol–1) i zachodzi między grupami o przeciwnych ładunkach, na przykład jon karboksylanowy i jon aminowy (rys. 1.5). Siła tych oddziaływań jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między dwoma naładowanymi atomami. Zależy także od środowiska reakcji, jest silniejsza w środowisku hydrofobowym niż w polarnym. Zazwyczaj, znajdujące się we wgłębieniach makrocząsteczek, miejsca wiązania leku są z natury bardziej hydrofobowe niż powierzchnia makrocząsteczki, a więc wzmacnia to efekt oddziaływania jonowego. Prawdopodobieństwo osłabienia siły wiązania jonowego odseparowanego we wgłębieniu miejsca wiążącego jest mniejsze niż w przypadku pozostałych oddziaływań międzycząsteczkowych. Zatem, jeśli możliwe jest utworzenie tego wiązania, to prawdopodobnie będzie to pierwsza i najważniejsza interakcja, jaka zajdzie po wejściu leku do miejsca wiążącego makrocząsteczki.

Rys. 1.5 . Oddziaływania elektrostatyczne (jonowe) między lekiem a miejscem wiążącym

1.3.2. Wiązania wodorowe

Wiązania wodorowe mogą znacznie różnić się między sobą siłą oddziaływań. Zwykle zachodzą one między bogatym w elektrony heteroatomem i pozbawionym elektronów wodorem (rys. 1.6).

Rys. 1.6. Wiązanie wodorowe między lekiem a miejscem wiążącym zaznaczono linią przerywaną. (X, Y = tlen lub azot; HBD = donor wiązania wodorowego, HBA = akceptor wiązania wodorowego)

Niedobór elektronów na atomie wodoru powstaje zazwyczaj wtedy, gdy jest on połączony wiązaniem kowalencyjnym z atomem elektroujemnym, takim jak tlen lub azot. Elektroujemny atom (X) ma większe powinowactwo do elektronów, dlatego rozkład elektronów w wiązaniu kowalencyjnym (X–H) jest przesunięty w kierunku bardziej elektroujemnego atomu, a więc wodór zyskuje niewielki ładunek dodatni. Taki atom wodoru może pełnić funkcję donora wiązania wodorowego (ang. hydrogen bond donor, HBD). Bogaty w elektrony heteroatom, biorący udział w wiązaniu wodorowym, jest zwany akceptorem wiązania wodorowego (hydrogen bond acceptor, HBA). Niektóre grupy funkcyjne mogą pełnić funkcję zarówno donora, jak i akceptora wiązań wodorowych (np. OH, NH_2). Gdy taka grupa jest obecna w miejscu wiążącym, może się wiązać z jednym ligandem jako donorem wiązania wodorowego, a z drugim jako akceptorem wiązania wodorowego. Ta cecha określana jest mianem przeskoku wiązania wodorowego (ang. hydrogen bond flip-flop).

Rys. 1.7. Nakładanie się orbity w wiązaniu wodorowym

Wiązania wodorowe były uważane za słabą formę oddziaływania elektrostatycznego, ponieważ heteroatom jest nieznacznie ujemny, a wodór jest nieznacznie dodatni. Wiązanie wodorowe to jednak coś więcej niż tylko przyciąganie między przeciwnymi ładunkami. W przeciwieństwie do innych oddziaływań międzycząsteczkowych, oddziaływanie między dwiema cząsteczkami, połączonymi wiązaniem wodorowym, zachodzi z udziałem orbitali (rys. 1.7). Orbital zawierający wolną parę elektronów na heteroatomie Y oddziałuje z orbitalem atomowym występującym w wiązaniu kowalencyjnym pomiędzy atomami X i H. Bezpośrednią tego konsekwencją jest powstanie słabego wiązania sigma (σ), które nie występuje w wiązaniach elektrostatycznych. Optymalna konfiguracja polega na takim ułożeniu, że wiązanie X–H jest bezpośrednio skierowane na wolną parę elektronów na atomie Y, tak aby kąt utworzony między X, H i Y wynosił 180°. Obserwuje się to w bardzo silnych wiązaniach wodorowych. Jednak kąt wiązania może być różny, dla umiarkowanie silnych wiązań wodorowych wynosi 130–180°, a dla słabych wiązań wodorowych może wynosić nawet 90°. Wolna para elektronów na orbitalu atomu Y ma właściwości kierunkowe, w zależności od jej hybrydyzacji. Na przykład, atom azotu w pierścieniu pirydynowym ma hybrydyzację sp^2, a zatem wolna para elektronów jest przesunięta bezpośrednio od pierścienia w tej samej płaszczyźnie (rys. 1.8). Najlepszym miejscem dla donora wiązań wodorowych byłby obszar w przestrzeni wskazanej na rysunku. Siła wiązania wodorowego może wykazywać znaczne różnice, jednak większość wiązań wodorowych w wiązaniach lek–miejsce wiążące jest umiarkowanie silna, ich energia wynosi 16–60 kJ·mol–1, czyli jest około 10 razy mniejsza niż dla wiązania kowalencyjnego. Odzwierciedleniem tego jest długość wiązania – wiązania wodorowe mają zazwyczaj 1,5–2,2 Å w porównaniu do 1,0–1,5 Å występujących w wiązaniach kowalencyjnych. Siła wiązania wodorowego zależy od mocy akceptora i donora wiązania wodorowego. Dobry akceptor wiązania wodorowego musi być elektroujemny i mieć wolną parę elektronów. W układach biologicznych najczęstszymi akceptorami wodoru w wiązaniach wodorowych są azot i tlen. Atom azotu ma jedną wolną parę elektronów i może być akceptorem jednego wiązania wodorowego, natomiast atom tlenu ma dwie wolne pary elektronów i może być akceptorem dwóch wiązań wodorowych (rys. 1.9). Wiele leków i miejsc wiążących makrocząsteczek zawiera atom siarki, który jest także elektroujemny. Siarka jest jednak słabym akceptorem wiązania wodorowego, ponieważ jej wolne pary elektronów znajdują się na orbitalach trzeciej powłoki, które są większe i bardziej rozproszone niż orbitale drugiej powłoki.

Rys. 1.8. Kierunek hybrydyzacji w wiązaniu wodorowym

Rys. 1.9. Atom tlenu i azotu jako akceptory wiązania wodorowego (HBD = donor wiązania wodorowego, HBA = akceptor wiązania wodorowego)

Oznacza to, że dane orbitale oddziałują mniej efektywnie z małymi orbitalami 1s atomu wodoru. Atom fluoru, który jest obecny w strukturze kilku leków, jest bardziej elektroujemny niż atomy tlenu lub azotu. Ma on również trzy wolne pary elektronów, co może sugerować, że byłby dobrym akceptorem wiązania wodorowego. W rzeczywistości jest raczej słabym akceptorem wiązania wodorowego. Zasugerowano, że atom fluoru jest tak silnie elektroujemny, że przyciąga swoje wolne pary elektronów z taką siłą, że czyni je niezdolnymi do wejście w interakcję w wiązaniach wodorowych. Zupełnie przeciwnie jest w przypadku jonu fluorkowego, który jest bardzo silnym akceptorem wiązania wodorowego. Wszystko, co wpływa na gęstość elektronową akceptora wiązania wodorowego, prawdopodobnie wpłynie na jego zdolność do działania jako akceptor wiązania wodorowego. Im większa jest gęstość elektronów heteroatomu, tym większa jest jego siła jako akceptora wiązania wodorowego. Na przykład atom tlenu ujemnie naładowanego jonu karboksylowego jest silniejszym akceptorem wiązania wodorowego niż atom tlenu kwasu karboksylowego, pozbawionego ładunku (rys. 1.10). Jony fosforanowe również mogą działać jako dobre akceptory wiązań wodorowych. Większość akceptorów wiązań wodorowych obecnych w lekach i miejscach wiążących makrocząsteczek to neutralne grupy funkcyjne, takie jak etery, alkohole, fenole, amidy, aminy i ketony. Grupy te będą tworzyć umiarkowanie silne wiązania wodorowe. Zaproponowano, że układy pi (π) obecne w alkinach i pierścieniach aromatycznych są regionami o dużej gęstości elektronowej i mogą działać jako akceptory wiązań wodorowych. Jednak gęstość elektronów w tych układach jest rozproszona, a zatem oddziaływanie w wiązaniach wodorowych jest znacznie słabsze niż oddziaływanie z tlenem lub azotem. W rezultacie pierścienie aromatyczne i alkiny będą prawdopodobnie silnymi akceptorami wiązań wodorowych, jeśli będą oddziaływać z donorem silnego wiązania wodorowego, takim jak jon alkiloamoniowy (NHR_3+). Bardziej subtelne efekty mogą wpływać na to, czy atom jest dobrym akceptorem wiązania wodorowego, czy nie. Na przykład atom azotu alifatycznej aminy trzeciorzędowej jest lepszym akceptorem wiązania wodorowego niż atom azotu amidu lub aniliny (rys. 1.11).

Rys. 1.10. Względne siły akceptorów wiązań wodorowych (HBA)

Rys. 1.11. Porównanie grup funkcyjnych zawierających atom azotu jako akceptorów wiązań wodorowych (HBA)

W tych ostatnich grupach funkcyjnych wolna para elektronów atomu azotu może oddziaływać z sąsiednimi układami π, tworząc różne struktury rezonansowe. W rezultacie jest mało prawdopodobne, że utworzy wiązanie wodorowe.

Podobnie, zdolność grupy karbonylowej do funkcjonowania jako akceptor wiązania wodorowego zmienia się w zależności od rodzaju przyłączonej grupy funkcyjnej (rys. 1.12).

Rys. 1.12. Porównanie właściwości atomu tlenu grupy karbonylowej jako akceptora wiązań wodorowych

Zaobserwowano również, że atom tlenu o hybrydyzacji sp^3 przyłączony do atomu węgla sp^2 rzadko funkcjonuje jako akceptor wiązania wodorowego. Dotyczy to atomu tlenu z grupy alkoksylowej estrów i oraz atomu tlenu obecnego w eterach aromatycznych lub furanach.

Dobre donory wiązań wodorowych zawierają proton pozbawiony elektronów związany z atomem tlenu lub azotu. Im bardziej proton jest pozbawiony elektronów, tym lepiej będzie działać jako donor wiązania wodorowego. Na przykład, proton przyłączony do dodatnio naładowanego atomu azotu działa jako silniejszy donor wiązania wodorowego niż proton pierwszorzędowej lub drugorzędowej aminy (rys. 1.13). Atom azotu jest obdarzony ładunkiem dodatnim, dlatego ma większy wpływ na otaczające go elektrony, dzięki czemu przyłączone protony są jeszcze bardziej ubogie w elektrony.

Rys. 1.13. Porównanie donorów wiązań wodorowych (HBD)

1.3.3. Siły/oddziaływania van der Waalsa

Siły van der Waalsa są bardzo słabymi oddziaływaniami, które zazwyczaj mają energię 2–4 kJ·mol–1. Obejmują one interakcje między hydrofobowymi regionami różnych cząsteczek, takimi jak podstawniki alifatyczne lub cały szkielet węglowy. Rozkład elektronów w obojętnych, niepolarnych regionach nigdy nie jest całkowicie równomierny lub symetryczny, i zawsze występują przejściowe obszary o dużych i małych gęstościach elektronów, co prowadzi do tworzenia przejściowych dipoli. Dipole jednej cząsteczki mogą indukować w sąsiedniej cząsteczce tworzenie dipoli, co prowadzi do słabych oddziaływań między dwiema cząsteczkami (rys. 1.14). Tak więc obszar o dużej gęstości elektronowej jednej cząsteczki może przyciągać obszar o małej gęstości elektronowej innej cząsteczki. Im bardziej obie cząsteczki się od siebie oddalają, tym słabsza jest siła tych oddziaływań. Maleje ona gwałtownie wraz z odległością między dwoma dipolami podniesioną do potęgi siódmej. Dlatego lek musi znaleźć się blisko miejsca wiążącego makrocząsteczki, żeby te interakcje mogły w ogóle zaistnieć. Oddziaływania van der Waalsa są również nazywane siłami Londona (ang. London forces). Chociaż pojedyncze interakcje są dość słabe, to może wytworzyć się wiele takich interakcji między cząsteczkami, a zatem ogólny udział sił van der Waalsa często jest kluczowy dla przyłączenia leku do jego miejsca wiążącego makrocząsteczki.

Rys. 1.14. Siły van der Waalsa między hydrofobowymi obszarami leku a miejscem wiążącym

Równie ważne w oddziaływaniach niepolarnych regionów cząsteczek są siły hydrofobowe (pozrozdz. 1.3.6).

1.3.4. Oddziaływania dipol–dipol i jon–dipol

Wiele cząsteczek ma stały moment dipolowy wynikający z różnych elektroujemności obecnych w nich atomów i grup funkcyjnych. Na przykład, w ketonach występuje moment dipolowy z powodu różnych elektroujemności węgla i tlenu tworzących wiązanie karbonylowe. Miejsce wiążące makrocząsteczki zawiera również grupy funkcyjne, więc nieuniknione jest, że będzie ono miało różne lokalne momenty dipolowe. Możliwe jest, że momenty dipolowe leku i miejsca wiążącego oddziałują na siebie w taki sposób, że zbliżający się lek pozycjonuje się tak, że momenty dipolowe leku i miejsca wiążącego są równoległe i skierowane w przeciwnych kierunkach (rys. 1.15). Jeśli ułożenie leku jest odpowiednie, mogą wystąpić inne oddziaływania międzycząsteczkowe pomiędzy lekiem a miejscem wiążącym, wówczas takie pozycjonowanie jest korzystne zarówno dla tworzonego wiązania, jak i aktywności leku. Jeśli nie, to wiązanie i aktywność mogą zostać osłabione. Przykład takiego efektu można zauważyć w lekach przeciwwrzodowych (podrozdział 25.2.8.3).

Rys. 1.15. Interakcje dipol–dipol między lekiem a miejscem wiążącym

Siła oddziaływań dipol–dipol zmniejsza się wraz z sześcianem odległości między dwoma dipolami. Oznacza to, że oddziaływania dipolowo-dipolowe słabną szybciej ze wzrostem odległości niż oddziaływania elektrostatyczne, ale wolniej niż oddziaływania van der Waalsa.

Oddziaływanie jon–dipol polega na tym, że naładowana lub zjonizowana grupa w jednej cząsteczce oddziałuje z dipolem w drugiej cząsteczce (rys. 1.16). Jest to silniejsze oddziaływanie niż interakcja dipol–dipol i spada mniej gwałtownie wraz ze wzrostem odległości (maleje z kwadratem odległości).

Rys. 1.16. Interakcje jon-dipol między lekiem a miejscem wiążącym

Proponowane są różne interakcje obejmujące indukowanie momentu dipolowego. Udowodniono, że pierścień aromatyczny może oddziaływać z grupą jonową, taką jak czwartorzędowy jon amoniowy. Taka interakcja może zaistnieć, jeśli dodatni ładunek czwartorzędowej grupy amoniowej zniekształca chmurę elektronów π pierścienia aromatycznego w celu wytworzenia momentu dipolowego, w którym wnętrze pierścienia aromatycznego jest bogate w elektrony, a krawędzie są pozbawione elektronów (rys. 1.17). Nazywa się to również oddziaływaniem kation-pi. Ważny neuroprzekaźnik zwany acetylocholiną tworzy ten rodzaj interakcji z miejscem wiążącym (podrozdział 22.5).

Rys. 1.17. Indukowane oddziaływanie dipolowe między jonem alkiloamoniowym a pierścieniem aromatycznym

1.3.5. Siły odpychające

Do tej pory skoncentrowaliśmy się na odziaływaniach przyciągających, które zwiększają siłę wiązania, im bliżej siebie znajdują się cząsteczki. Jednak ważne są również siły odpychające. W przeciwnym razie nie byłoby nic, co powstrzymałoby cząsteczki przed połączeniem się ze sobą! Jeśli cząsteczki są zbyt blisko, ich orbitale molekularne zaczynają się nakładać, co powoduje ich odpychanie. Inne formy odpychania wiążą się z rodzajami grup występujących w obu cząsteczkach. Na przykład odpychają się dwie naładowane grupy o identycznym ładunku.

1.3.6. Rola wody i oddziaływań hydrofobowych

Istotną cechą często pomijaną przy rozważaniu interakcji leku z jego celem jest rola wody. Cele makromolekularne występują w organizmie w środowisku wodnym, a lek musi przejść przez to środowisko, aby osiągnąć swój cel. Zatem zarówno lek, jak i makrocząsteczka, zanim się spotkają, ulegają solwatacji cząsteczkami wody. Cząsteczki wody otaczające lek i miejsce wiążące celu muszą zostać usunięte, zanim opisane powyżej interakcje będą miały szansę dojść do skutku (rys. 1.18). Wymaga to energii, i jeśli energia potrzebna do desolwatacji zarówno leku, jak i miejsca wiążącego jest większa niż energia stabilizacji uzyskana przez oddziaływania wiążące, wówczas lek może okazać się nieskuteczny. W niektórych przypadkach usunięcie polarnej grupy wiążącej z cząsteczki leku okazało się nawet korzystne ze względu na obniżenie energii desolwatacji. Na przykład, podczas opracowywania leku przeciwwirusowego rytonawiru została usunięta polarna grupa wiążąca (podrozdział 20.7.4.4). Z drugiej strony czasami do cząsteczki leku przyłącza się grupy polarne w celu zwiększenia jego rozpuszczalności w wodzie. W takim przypadku, istotne jest, żeby grupy te były ustawione w taki sposób, aby w momencie przyłączenia leku do celu były wysunięte poza miejsce wiążące, czyli żeby były łatwo dostępne dla rozpuszczalników. W ten sposób, gdy lek wiąże się ze swoim celem, woda solwatująca tę wysoce polarną grupę nie musi być usuwana, i, co za tym idzie, nie powoduje utraty energii. Przykłady tego można zobaczyć w podrozdziałach 21.6.2.1, 26.9.1.2 i Analizie przypadku 5. Woda nie może solwatować niepolarnych lub hydrofobowych regionów leku lub jego docelowego miejsca wiążącego. Zamiast tego cząsteczki wody otaczające hydrofobowe (niepolarne) regiony tworzą między sobą silniejsze niż zwykle interakcje, co prowadzi do utworzenia w tym miejscu uporządkowanej warstwy wody, czemu odpowiada entropia malejąca wraz ze wzrostem stopnia uporządkowania. Gdy hydrofobowy region leku oddziałuje z hydrofobowym regionem miejsca wiążącego, cząsteczki wody zostają uwolnione i ponownie stają się mniej uporządkowane (rys. 1.19). Prowadzi to do wzrostu entropii i zwiększenia energii wiązania.[*] Energia tych oddziaływań jest niewielka i wynosi 0,1–0,2 kJ·mol–1 dla każdego angstrema kwadratowego powierzchni hydrofobowej, ale może mieć istotny wpływ na tworzenie wiązania. Czasami region hydrofobowy cząsteczki leku może być niewystarczająco blisko regionu hydrofobowego miejsca wiążącego, wówczas woda może zostać uwięziona między tymi dwiema powierzchniami. W tym przypadku wzrost entropii nie jest tak znaczny, dlatego korzystne byłoby zaprojektowanie lepiej dopasowanej cząsteczki leku.

Rys. 1.18. Desolwatacja leku i jego docelowego miejsca wiążącego występująca przed ich połączeniem

Rys. 1.19. Oddziaływania hydrofobowe

1.4. Leki a zagadnienia farmakokinetyczne

Farmakodynamika to badanie tego, jak lek wiąże się z docelowym miejscem wiążącym i wywołuje efekt farmakologiczny. Jednakże nie każdy związek zdolny do wiązania się z określonym celem będzie użyteczny jako środek kliniczny lub lek. Aby tak się stało, lek nie tylko musi wiązać się z celem, ale musi do niego dotrzeć w pierwszej kolejności. W przypadku leku podawanego doustnie wiąże się to z długą podróżą z wieloma zagrożeniami, które należy przezwyciężyć. Lek musi przetrwać kwasy żołądkowe, a następnie enzymy trawienne w jelicie. Powinien być wchłonięty z jelit do krwi, a potem przetrwać w wątrobie, gdzie enzymy próbują go zniszczyć (metabolizm leków). Musi być rozprowadzony po całym organizmie, ale nie kumulowany przez tkankę tłuszczową. Nie powinien być zbyt szybko wydalany, ponieważ konieczne będzie częstsze dawkowanie w celu utrzymania odpowiedniej aktywności. Z drugiej strony nie powinien być wydalany zbyt wolno, bo efekty jego działania mogą utrzymywać się dłużej niż jest to wymagane. Badania nad tym, jak lek jest wchłaniany, dystrybuowany, metabolizowany i wydalany (znane w przemyśle farmaceutycznym jako ADME[**]), nazywają się farmakokinetyką. Farmakokinetyka opisuje „co organizm robi z lekiem” w przeciwieństwie do farmakodynamiki, która opisuje „jak ten lek wpływa na organizm”.

Istnieje wiele metod wykorzystywanych przez chemików medycznych w celu poprawy właściwości farmakokinetycznych leku w trakcie jego projektowania, ale równie istotne są metody przygotowania formulacji leku oraz droga jego podania. Leki składają się nie tylko z aktywnej substancji leczniczej. Każda pigułka zawiera całą gamę substancji chemicznych, które odpowiadają za jej strukturę i stabilność, a także pomagają w dostarczaniu i rozkładaniu pigułki w odpowiedniej części przewodu pokarmowego.

Podsumowanie

- • Leki działają na cele molekularne zlokalizowane w błonie komórkowej lub we wnętrzu komórek

- • Celem leków są makrocząsteczki mające w swojej strukturze miejsce wiążące, do którego lek może się dopasować i związać z nim.

- • Większość leków wiąże się z celami molekularnymi za pomocą wiązań międzycząsteczkowych.

- • Farmakodynamika zajmuje się badaniem interakcji leków z ich celami molekularnymi oraz wywoływanymi efektami farmakologicznymi.

- • Oddziaływania elektrostatyczne lub jonowe występują między grupami o przeciwnych ładunkach.

- • Wiązania wodorowe występują między bogatym w elektrony heteroatomem a wodorem pozbawionym elektronów.

- • Wodór zaangażowany w wiązanie wodorowe nazywany jest donorem wiązania wodorowego. Elektroujemny atom, który oddziałuje z wodorem w wiązaniu wodorowym, nazywany jest akceptorem wiązania wodorowego

- • Oddziaływania van der Waalsa zachodzą między niepolarnymi obszarami cząsteczek i są spowodowane przejściowymi interakcjami typu dipol–dipol.

- • Oddziaływania jon–dipol i typu dipol–dipol są słabą formą oddziaływania elektrostatycznego.

- • Oddziaływania hydrofobowe obejmują przemieszczenie uporządkowanych warstw cząsteczek wody, które otaczają hydrofobowe regiony cząsteczek. Wynikający z tego wzrost entropii przyczynia się do ogólnej energii wiązania.

- • Grupy polarne muszą być desolwatowane, zanim zajdą interakcje międzycząsteczkowe. Powoduje to stratę energetyczną, tzw. koszt desolwatacji.

- • Farmakokinetyka leku opisuje jego wchłanianie, dystrybucję, metabolizm i wydalanie z organizmu.

1.5. Klasyfikacja leków

Istnieją cztery główne sposoby klasyfikowania lub grupowania leków.

Po pierwsze – zgodnie z efektem farmakologicznym. Leki można klasyfikować w zależności od ich działania biologicznego lub farmakologicznego, na przykład środki przeciwbólowe, przeciwpsychotyczne, przeciwnadciśnieniowe, przeciwaastmatyczne i antybiotyki. Jest to przydatne, jeśli chcemy poznać pełen zestaw leków dostępnych w leczeniu konkretnej dolegliwości. Jednak oznacza to, że liczba leków w danej grupie jest duża, a do tego są one bardzo zróżnicowane pod względem struktury chemicznej. Jest to spowodowane istnieniem wielu różnych celów molekularnych, na które mogą działać leki, aby wywrzeć pożądany efekt. Dlatego nie można porównywać różnych środków przeciwbólowych i oczekiwać, że będą miały podobną strukturę lub wspólny mechanizm działania.

Najlepiej tą różnorodność struktur leków i mechanizmów ich działania ilustrują rozdziały, w których leki są klasyfikowane zgodnie z ich farmakologicznym efektem, tj. rozdziały dotyczące leków przeciwbakteryjnych, przeciwwirusowych, przeciwnowotworowych, przeciwwrzodowych i sercowo-naczyniowych (rozdziały 19, 20, 21, 25 i 26).

Po drugie – według struktury chemicznej. Wiele leków, które mają wspólny szkielet, jest zgrupowanych razem, na przykład penicyliny, barbiturany, opiaty, steroidy i katecholaminy. W niektórych przypadkach jest to użyteczna klasyfikacja, ponieważ aktywność biologiczna i mechanizm działania są takie same dla aktywnej struktury wiodącej, na przykład aktywność biobójcza penicylin. Jednak nie wszystkie związki o podobnej budowie chemicznej mają takie samo działanie biologiczne. Przykładowo steroidy mają podobną strukturę tetracykliczną, ale wywierają bardzo różne efekty w organizmie. W tym tekście omówiono różne grupy leków o podobnej strukturze, na przykład penicyliny, cefalosporyny, sulfonamidy, opioidy i glukokortykoidy (podrozdziały 19.4–19.5, rozdział 24 i Analiza przypadku 6). Są to przykłady związków o podobnej strukturze i podobnym mechanizmie działania. Istnieją jednak wyjątki.

Większość sulfonamidów stosuje się jako środki przeciwbakteryjne, ale jest kilka, które ma zupełnie inne wskazania kliniczne.

Po trzecie – według struktury, na którą działają. Leki można klasyfikować według tego, czy wpływają na określoną strukturę docelową w organizmie. Przykładem układów docelowych może być miejsce syntezy neuroprzekaźnika, jego uwalnianie z neuronu, oddziaływanie z białkiem docelowym, a także metabolizm lub ponowne wchłanianie do neuronu. Ta klasyfikacja jest nieco bardziej precyzyjna w porównaniu z podziałem leków na podstawie ich ogólnego działania farmakologicznego. Jednak nadal istnieje kilka różnych celów molekularnych, z którymi leki mogą wchodzić w interakcje, aby zmodyfikować działanie układu. Ze względu na różne mechanizmy działania leków należących do tej samej grupy, prawdopodobnie będą one również zróżnicowane pod względem struktury chemicznej. W rozdziałach 22 i 23 przyglądamy się lekom działającym na układy docelowe – odpowiednio układowi cholinergicznemu i adrenergicznemu.

Po czwarte – według celu molekularnego. Niektóre leki są klasyfikowane zgodnie z miejscem molekularnym, na które oddziałują. Na przykład antycholinoesterazy (podrozdziały 22.12–22.15) są lekami, które działają poprzez hamowanie enzymu acetylocholinoesterazy. Jest to bardziej precyzyjna klasyfikacja, ponieważ identyfikuje dokładny cel, na który działają leki. W tej sytuacji moglibyśmy spodziewać się pewnego strukturalnego podobieństwa wśród związków aktywnych o podobnym mechanizmie działania, jednak nie jest to nienaruszalna reguła. Łatwo jednak „stracić z oczu pojedyncze drzewo w całym lesie” i nie zauważyć, dlaczego warto mieć leki, które wyłączają konkretny enzym lub receptor. Na przykład, nie od razu jest oczywistym, dlaczego związek hamujący cholinesterazę może być przydatny w leczeniu choroby Alzheimera lub jaskry.

1.6. Nazewnictwo leków (Nazewnictwo produktów leczniczych)

Zdecydowana większość związków chemicznych, które są syntetyzowane w wyniku badań z zakresu chemii medycznej, nigdy nie trafi na rynek i nazwanie ich wszystkich byłoby niepraktyczne. Zamiast tego grupy badawcze oznaczają je kodem, który zazwyczaj składa się z liter i cyfr. Litery charakteryzują grupy badawcze wykonujące badania, a liczba charakteryzuje związek. Tak więc, Ro31-8959, ABT-538 i MK-639 były związkami przygotowanymi odpowiednio przez Roche, Abbott i Merck. Jeśli związki są obiecujące jako potencjalne środki terapeutyczne, trafiają do badań przedklinicznych, a następnie badań klinicznych i zazwyczaj wówczas zyskują odpowiednią nazwę. Na przykład związki, które wykazały obiecujące właściwości jako leki przeciw HIV zyskały następujące nazwy sakwinawir, rytonawir i indynawir. Wreszcie, jeśli związki okażą się skuteczne i będą sprzedawane jako leki, otrzymają zastrzeżoną, markę lub nazwę handlową, z której może korzystać tylko firma. Na przykład, leki sprzedawane pod nazwą Fortovase®, Norvir® i Crixivan® (zauważ, że nazwy marek zawsze zaczynają się wielką literą i mają symbol R lub TM, aby zaznaczyć, że są one zarejestrowanymi nazwami marek). Zastrzeżone nazwy są również specyficzne dla metody przygotowania lub formulacji leku. Na przykład Fortovase® (lub Fortovase™) to preparat zawierający 200 mg sakwinawiru w kapsułce żelowej w kolorze beżowym. Jeśli formuła zostanie zmieniona, nadawana jest inna nazwa. Na przykład Roche sprzedaje inny preparat sakwinawiru o nazwie Invirase®, który jest w brązowo-zielonej kapsułce zawierającej 200 mg sakwinawiru w postaci soli mesylanowej. Po wygaśnięciu patentu na lek każda firma farmaceutyczna może go wyprodukować i sprzedać jako lek generyczny. Nie mogą one jednak używać nazwy handlowej używanej przez firmę, która wynalazła lek pierwotnie. Prawo europejskie wymaga, aby leki generyczne miały zalecaną międzynarodową i niezastrzeżoną nazwę (ang. recommended International Non-proprietary Name – rINN), która jest zwykle identyczna z nazwą leku. W Wielkiej Brytanii takie leki otrzymywały brytyjską zatwierdzoną nazwę (ang. British Approved Name – BAN), jednak nazewnictwo to zostało zmodyfikowane, aby odpowiadało rINN. Nazwy zgodne z rINN mają zazwyczaj końcówkę wskazującą obszar terapeutyczny wymienionego leku. Na przykład nazwy sakwinawir, rytonawir i indynawir mają końcówkę -wir, co wskazuje, że są środkami przeciwwirusowymi.

Nazewnictwo leków zmienia się w czasie procesu ich tworzenia, dlatego wczesne prace badawcze w literaturze mogą wykorzystywać tylko oryginalny kod literowy i numeryczny, ponieważ nazwa leku nie została jeszcze ustalona w momencie publikacji.

Dlatego w tej książce używane są nazwy składników aktywnych, a nie nazwy handlowe, chociaż nazwa handlowa może być wskazana, jeśli jest szczególnie dobrze znana. Na przykład podano, że syldenafil to Viagra®, a paklitaksel to Taxol®. Jeśli chcesz znaleźć nazwę handlową konkretnego leku, to są one wymienione w indeksie. Jeśli chcesz „iść w drugą stronę”, spróbuj poszukać w innych podręcznikach lub pozycjach, takich jak brytyjski lekospis (ang. British National Formulary, patrz Literatura dodatkowa).

Podsumowanie

- • Leki można klasyfikować na podstawie ich działania farmakologicznego, struktury chemicznej, wpływu na układ docelowy lub konkretną strukturę docelową.

- • Klinicznie użyteczne leki mają nazwę handlową (lub markę), a także zalecaną niezastrzeżoną nazwę międzynarodową.

- • Większość struktur wytwarzanych podczas opracowywania nowego leku nie zostanie wprowadzona do lecznictwa. Są one identyfikowane za pomocą prostych kodów, które są charakterystyczne dla każdej grupy badawczej.

Pytania

1. Hormon adrenalina oddziałuje z białkami znajdującymi się na powierzchni komórek i nie przenika przez błonę komórkową. Jednak większe cząsteczki steroidowe, takie jak estron, przechodzą przez błony komórkowe i oddziałują z białkami znajdującymi się w jądrze komórkowym. Dlaczego duża cząsteczka steroidu może przeniknąć przez błonę komórkową, gdy mniejsza cząsteczka, taka jak adrenalina, nie może?

2. Walinomycyna jest antybiotykiem, który przenosi jony przez błony komórkowe, przez co zaburza równowagę jonową komórki. Znajdź strukturę walinomycyny i wyjaśnij, dlaczego może wykonać to zadanie.

3. Archeony (Archaea) to mikroorganizmy, które mogą przetrwać w ekstremalnych warunkach, takich jak wysoka temperatura, niskie pH lub duże stężenie soli. Zaobserwowano, że fosfolipidy błony komórkowej w tych organizmach (patrz struktura I) znacznie różnią się od tych w błonach komórek eukariotycznych. Jakie są różnice i jaką funkcję mogą pełnić?

4. Teikoplanina jest antybiotykiem, który „blokuje” tworzenie ściany komórkowej bakterii z budujących ją fragmentów (struktur), które nie mogą się połączyć. Ściana komórkowa jest barierą otaczającą błonę komórkową bakterii, a budujące ją struktury przed ich wbudowaniem w ścianę komórkową są zakotwiczane na zewnątrz tej błony komórkowej. Teikoplanina zawiera bardzo długi podstawnik alkilowy, który nie bierze udziału w mechanizmie blokującym tworzenie ściany. Jednakże, jeśli ten podstawnik jest nieobecny, aktywność leku spada. Jaką rolę według ciebie może pełnić ten podstawnik alkilowy?

5. Białko Ras jest ważnym białkiem uczestniczącym w szlakach sygnałowych w komórce. Występuje swobodnie w cytoplazmie komórkowej, ale musi zostać zakotwiczone na wewnętrznej powierzchni błony komórkowej, aby mogło pełnić swoją funkcję. Jakie modyfikacje tego białka mogą mieć miejsce, aby umożliwić ten proces?

6. Cholesterol jest ważnym składnikiem błon komórkowych komórek eukariotycznych i odpowiada za płynność błony. Przyjrzyj się strukturze cholesterolu (pokazana poniżej) i zasugeruj, w jaki sposób może być on zlokalizowany w błonie.

7. Większość nienasyconych łańcuchów alkilowych w fosfolipidach ma raczej konfigurację cis niż trans. Rozważmy cis-nienasycony łańcuch alkilowy w fosfolipidzie pokazanym na rys. 1.2. Przerysuj ten łańcuch, aby lepiej zobrazować jego kształt i porównać z kształtem izomeru trans. Jakie wnioski można wyciągnąć, jeśli chodzi o upakowanie takich łańcuchów w błonie komórkowej i ich wpływu na płynność błony?

8. Względna siła karbonylowych atomów tlenu jako akceptorów wiązań wodorowych jest pokazana na rys. 1.12. Zaproponuj, dlaczego kierunek działania jest taki, jak pokazano na rysunku.

9. Rozważ struktury adrenaliny, estronu i cholesterolu i zasugeruj, jakie rodzaje oddziaływań międzycząsteczkowych są możliwe dla tych cząsteczek i gdzie występują.

10. Korzystając z indeksu i Załącznika 8 (na stronie internetowej), zidentyfikuj struktury i nazwy handlowe następujących leków: amoksycylina, ranitydyna, gefitynib, atrakurium.

Pytania wielokrotnego wyboru są dostępne Online na stronie Resource Center pod adresem www.oxfordtextbooks.co.uk/orc/patrick6e/

Literatura dodatkowa

Kubinyi, H. (2001) Hydrogen bonding: The last mystery in drug design? in Testa, B., van de Waterbeemd, H., Folkers, G., and Guy, R. (eds), Pharmacokinetic optimization in drug research. Wiley-VCH, Weinheim.

Mann, J. (1992) Murder, magic, and medicine, Chapter 1. Oxford University Press, Oxford.

Page, C., Curtis, M., Sutter, M., Walker, M., and Hoffman, B. (2002) Drug names and drug classification systems. w Integrated pharmacology 2nd edn, Chapter 2. Mosby, Elsevier, Maryland Heights, MO.

Sneader, W. (2005) Drug discovery: a history. John Wiley and Sons, Chichester.

Strony internetowe

International non-proprietary names, World Health Organization. www.who.int/medicines/services/inn/en/

Brand names of some commonly used drugs. www.mwrckmanuals.com/professional/appendices/brandnames-of-some-commonly-used-drugs?starting with=a

CZĘŚĆ A

Chemia medyczna jest dziedziną zajmującą się badaniem, w jaki sposób można projektować i rozwijać nowe leki. W procesie tym niezwykle istotne jest dokładne zrozumienie struktury
i funkcji celów molekularnych występujących w organizmie.

Głównymi celami działania leków są zazwyczaj duże cząsteczki (makrocząsteczki), takie jak białka i kwasy nukleinowe. Znajomość struktur, właściwości i funkcji tych makrocząsteczek ma kluczowe znaczenie, jeśli chcemy zaprojektować nowe leki. Istnieje wiele przyczyn takiego stanu rzeczy.

Po pierwsze, ważne jest, aby wiedzieć, jakie funkcje pełnią różne makrocząsteczki w organizmie i czy zadziałanie na nie może mieć pozytywny wpływ na leczenie określonej choroby. Nie ma sensu projektować leku do hamowania enzymu trawiennego, jeśli ktoś szuka nowego środka przeciwbólowego.

Po drugie, jeśli chcemy zaprojektować lek, który będzie skutecznie wiązał się z celem molekularnym to poznanie tej struktury ma kluczowe znaczenie. Znajomość struktury docelowej i jej grup funkcyjnych pozwoli chemikowi medycznemu zaprojektować lek zawierający komplementarne grupy funkcyjne, które będą wiązały lek z jego celem.

Po trzecie, lek nie tylko musi wiązać się z celem, ale musi też wiązać się z właściwym jego regionem. Białka i kwasy nukleinowe są wyjątkowo dużymi cząsteczkami w porównaniu do cząsteczki leku, a jeśli lek zwiąże się z niewłaściwą częścią
makrocząsteczki, może nie wywołać żadnego efektu. W tym względzie z pomocą chemikowi medycznemu przyjdzie dokładne
poznanie stuktury i funkcji celu działania leku.

I na koniec, jeśli zamierza się zaprojektować skuteczny lek, który będzie wpływał na konkretny proces, to niezwykle istotne jest zrozumienie sposobu funkcjonowania danej makrocząsteczki. Na przykład, poznanie mechanizmu działania enzymów katalizujących reakcje było niezwykle ważne w zaprojektowaniu wielu istotnych leków, na przykład inhibitorów proteazy stosowanych w terapii zakażeń HIV (podrozdział 20.7).

Białka są najważniejszymi celami działania leków stosowanymi w chemii medycznej, dlatego nie powinno dziwić, że w Części A (Rozdziały 2–5) główny nacisk położono właśnie na nie. Istnieje jednak kilka ważnych leków, które oddziałują z kwasami nukleinowymi. Struktura i funkcja tych makrocząsteczek zostały omówione w Rozdziale 6.

Jeśli masz doświadczenie w biochemii, znaczna część materiału w tej sekcji może być ci już znana i możesz przejść bezpośrednio do części B. Ewentualnie możesz potraktować materiał znajdujący się w części A, jako przydatne powtórzenie
wiadomości.

2. Struktura i funkcja białek

Zdecydowana większość leków stosowanych w medycynie działa na białka, takie jak receptory, enzymy i białka transportowe. Dlatego, aby zrozumieć działanie leku, ważne jest poznanie struktury białka. Białka mają cztery poziomy organizacji struktury – pierwszorzędową, drugorzędową, trzeciorzędową i czwartorzędową.

2.1. Pierwszorzędowa struktura białka

Struktura pierwszorzędowa to kolejność, w której poszczególne aminokwasy tworzące białko są połączone ze sobą poprzez wiązania peptydowe (rys. 2.1). W tabeli 2.1 zamieszczono 20 podstawowych aminokwasów występujących w organizmie człowieka. Do zapisu poszczególnych aminokwasów stosuje się najczęściej kody trójliterowe lub rzadziej jednoliterowe. Struktury aminokwasów przedstawiono w Załączniku 1. Na rysunku 2.2 została przedstawiona pierwszorzędowa struktura Met-enkefaliny (jednego z endogennych środków przeciwbólowych).

Tabela 2.1. 20 podstawowych aminokwasów występujących w organizmie człowieka

Syntetyzowane w organizmie człowieka

Przyjmowane z pokarmem

Aminokwasy

Kody

Aminokwasy

Kody

3-literowe

1-literowe

3-literowe

1-literowe

Alanina

Ala

A

Histydyna

His

H

Arginina

Arg

R

Izoleucyna

Ile

I

Asparagina

Asn

N

Leucyna

Leu

L

Kwas asparaginowy

Asp

D

Lizyna

Lys

K

Cysteina

Cys

C

Metionina

Met

M

Kwas glutaminowy

Glu

E

Fenyloalanina

Phe

F

Glutamina

Gln

Q

Treonina

Thr

T

Glicyna

Gly

G

Tryptofan

Trp

W

Prolina

Pro

P

Walina

Val

V

Seryna

Ser

S

Tyrozyna

Tyr

Y

Rys. 2.1. Pierwszorzędowa struktura białek (R1, R2 i R3 = łańcuchy boczne aminokwasów)

Wiązanie peptydowe w białkach jest z natury płaskie, co wynika ze jego formy rezonansowej, którą przedstawiono na rys. 2.3. Daje to wiązaniu peptydowemu częściowy charakter wiązania podwójnego, co zapobiega rotacji. W rezultacie rotacja wiązań w szkielecie białkowym jest możliwa tylko dla wiązań znajdujących się po obu stronach wiązania peptydowego. Ma to istotne konsekwencje dla struktury trzeciorzędowej białka (podrozdział 2.3.6).

Rys. 2.2. Met-enkefalina. Zapis skrócony to H-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-OH lub YGGFM

Rys. 2.3. Płaskie wiązanie peptydowe (dopuszczalna rotacja wolnych wiązań dotyczy tylko wiązań zaznaczonych kolorem)

Istnieją dwie możliwe konformacje wiązania peptydowego (rys. 2.4). Konformacja trans, która normalnie występuje w białkach, ponieważ konformacja cis prowadzi do przeszkody sterycznej między resztami aminokwasów. Jednak, konformacja cis jest możliwa dla wiązań peptydowych występujących obok reszty proliny.

Rys. 2.4. Konformacja trans i cis wiązania peptydowego

2.2. Drugorzędowa struktura białek

Drugorzędowa struktura białek składa się z fragmentów uporządkowanej struktury łańcuchów białkowych. W białkach strukturalnych, takich jak wełna i jedwab, struktury drugorzędowe są bardzo rozbudowane i odpowiadają za ogólny kształt i właściwości tych białek. Jednak większość innych białek również ma strukturę drugorzędową. Istnieją trzy główne struktury drugorzędne – α-helisa, β-harmonijka i β-zakręt.

2.2.1. α-Helisa (helisa alfa)

Alfa helisa powstaje poprzez skręcenie łańcucha białkowego tak, że w szkielecie powstają wiązania wodorowe pomiędzy grupami aminokwasów tworzących wiązania peptydowe. Wiązania wodorowe są skierowane wzdłuż osi helisy, jak pokazano na rys. 2.5. Natomiast reszty aminokwasów tworzących białko wystają pod kątem prostym z helisy, minimalizując tym samym interakcje steryczne, co stabilizuje jej strukturę. Inne rzadziej występujące w białkach typy helis, takie jak 3(10)-helisa, która jest bardziej rozciągnięta niż idealna α-helisa, oraz π-helisa, która jest bardziej zwarta i niezwykle rzadko spotykana.

Rys. 2.5. α-Helisa struktury białek z zaznaczonymi wewnątrzcząsteczkowymi wiązaniami wodorowymi oraz położeniem łańcuchów bocznych

Sprawdź swoją wiedzę i wykonaj modelowanie molekularne za pomocą ćwiczenia 2.1 na stronie www.oxfordtextbooks.co.uk/orc/patrick6e/

2.2.2. β-Harmonijka (β pofałdowana kartka)

β-Harmonijka składa się z warstw łańcuchów białkowych ułożonych jeden na drugim, tak jak pokazano na rys. 2.6. Również w tym przypadku struktura jest utrzymywana przez wiązania wodorowe tworzące się między łańcuchami peptydowymi. Reszty aminokwasowe ustawione są pod kątem prostym do powierzchni β pofałdowanej kartki, co powoduje zmniejszenie interakcji sterycznych. Łańcuchy w β-harmonijce mogą przebiegać w przeciwnych kierunkach (antyrównoległe) lub w tym samym kierunku (równolegle) (rys. 2.7).

Rys. 2.6. β-Harmonijka (układ antyrównoległy)

Rys. 2.7. Wiązanie wodorowe w antyrównoległych i równoległych strukturach β-harminijki (strzałki wskazują na C-koniec łańcucha)

2.2.3. β-Zakręt

Zakręt β umożliwia łańcuchowi polipeptydowemu gwałtowny obrót i przejście w przeciwnym kierunku. Jest to ważne, aby umożliwić białku przyjęcie bardziej kulistej zwartej formy. Dla stabilizacji struktury β-zakrętu istotne jest powstanie wiązania wodorowego między resztami znajdującymi się przy wiązaniu peptydowym pomiędzy pierwszym i trzecim aminokwasie tworzącym zwój (rys. 2.8). Mniej ostre zakręty łańcucha polipeptydowego mogą również powstawać poprzez tworzenie dłuższych pętli. Mimo tego, że są one mniej regularne w swojej strukturze i często usztywnione, to są dobrze zdefiniowane.

Rys. 2.8. Struktura β-zakrętu z zaznaczonym wiązaniem wodorowym między pierwszym i trzecim wiązaniem peptydowym

2.3. Trzeciorzędowa struktura białek

Struktura trzeciorzędowa stanowi całkowity, trójwymiarowy kształt cząsteczki białka. Białka strukturalne mają dość uporządkowany kształt, natomiast białka globularne, takie jak enzymy i receptory (rozdziały 3 i 4), zwijają się, tworząc bardziej złożone formy. Trzeciorzędowa struktura enzymów i receptorów ma kluczowe znaczenie dla ich funkcji, a także dla ich interakcji z lekami. Dlatego tak istotne jest zrozumienie zasad tworzenia struktury trzeciorzędowej.

Białka globularne, najczęściej składają się z obszarów uporządkowanej struktury drugorzędowej, której rodzaj i skład odróżnia od siebie białka. Na przykład, kinaza zależna od cykliny 2 (białko, które katalizuje reakcje fosforylacji) zbudowana jest z regionów α-helis i β-harmonijki (rys. 2.9), natomiast enzym trawienny – chymotrypsyna, jest zbudowany z niewielkiej struktury drugorzędowej. Niemniej jednak łańcuchy białkowe zarówno w kinazie zależnej od cykliny 2, jak i chymotrypsyny zwijają się, tworząc złożony, charakterystyczny, kulisty kształt. Jak to się dzieje?

Rys. 2.9. Struktura przestrzenna białka (1hcl) z bazy PDB (ang. Protein Data Bank) dla ludzkiej kinazy zależnej od cykliny 2 (CDK2), w której cylindry przedstawiają α-helisy, a strzałki β-kartki. Baza PDB zawiera struktury przestrzenne 3D białek, z których można bezpłatnie korzystać. Każdy plik struktury białkowej otrzymuje kod, na przykład 1hcl

Na pierwszy rzut oka trójwymiarowa struktura kinazy zależnej od cykliny 2 wygląda jak kłębek sznurka, którą właśnie bawił się kot. W rzeczywistości przedstawiona struktura ma bardzo precyzyjny kształt, który jest determinowany przez strukturę pierwszorzędową i dokładnie taki sam kształt przyjmuje każda cząsteczka tego białka w organizmie[*]. Rzeczywiście, w laboratorium możliwe jest syntezowanie białek, które automatycznie przyjmują tę samą trójwymiarową strukturę i działają jak naturalnie występujące białko. Przykładem jest enzym proteaza HIV-1 (podrozdział 20.7.4.1).

Rodzi to pytanie. Dlaczego łańcuch aminokwasów przyjmuje tak precyzyjny trójwymiarowy kształt? Na pierwszy rzut oka nie ma to sensu. Jeśli położymy kawałek sznurka na stole, nie ułoży się on w skomplikowany i złożony kształt. Dlaczego więc tak dzieje się z łańcuchem aminokwasów?

Odpowiedzią jest fakt, że białko nie jest tylko zwykłym kawałkiem sznurka. Składa się ono z dużej liczby różnych chemicznych grup funkcyjnych, które tworzą wiązania peptydowe szkieletu białkowego, jak również różne łańcuchy boczne aminokwasów. Mogą one oddziaływać między sobą, odpychając się lub przyciągając. Dlatego białko będzie się skręcać i obracać, aż do znalezienia najbardziej stabilnego kształtu lub konformacji, w której zminimalizowane będą niekorzystne interakcje i zwiększone te korzystne, czyli powstanie struktura trzeciorzędowa (rys. 2.10).

Rys. 2.10. Tworzenie struktury trzeciorzędowej w wyniku oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych

Z wyjątkiem wiązań disiarczkowych, oddziaływania przyciągające zaangażowane w tworzenie struktury trzeciorzędowej, są takie same jak oddziaływania międzycząsteczkowe opisane w podrozdz. 1.3. Te ostatnie występują między różnymi cząsteczkami, podczas gdy wiązania odpowiadające za białkową strukturę trzeciorzędową występują w obrębie tej samej cząsteczki, a więc nazywane są wiązaniami wewnątrzcząsteczkowymi. Niemniej jednak zasady opisane w podrozdz. 1.3 są takie same.

2.3.1. Wiązania kowalencyjne: wiązania disiarczkowe

Cysteina ma resztę z grupą tiolową zdolną do tworzenia wiązania kowalencyjnego w trzeciorzędowej strukturze białka. Gdy dwie takie reszty są blisko siebie, w wyniku utleniania może powstać kowalencyjne wiązanie disiarczkowe. W ten sposób tworzy się most kowalencyjny między dwiema różnymi częściami łańcucha białkowego (rys. 2.11). Należy zauważyć, że dwie reszty cysteiny zaangażowane w tworzenie tego wiązania mogą być daleko od siebie w pierwszorzędowej strukturze białka, ale zbliżają się do siebie w wyniku fałdowania struktury białka.

Rys. 2.11. Tworzenie kowalencyjnego wiązania disiarczkowego między dwoma łańcuchami bocznymi cysteiny

2.3.2. Wiązania jonowe lub elektrostatyczne

Wiązanie jonowe lub mostek solny może powstać między jonem karboksylanowym reszty kwasowej, np.: kwas asparaginowy lub kwas glutaminowy, a jonem aminowym reszty zasadowej, jak lizyna, arginina lub histydyna (rys. 2.12). Jest to najsilniejsze wiązanie wewnątrzcząsteczkowe.

Rys. 2.12. Wiązanie jonowe między łańcuchami bocznymi kwasu asparaginowego i lizyny

2.3.3. Wiązania wodorowe

Wiązania wodorowe uważane są za słabą formę oddziaływania jonowego, ponieważ obejmują one interakcje między atomami mającymi częściowe ładunki. Mogą być utworzone między dużą liczbą reszt aminokwasowych, takich jak seryna, treonina, kwas asparaginowy, kwas glutaminowy, glutamina, lizyna, arginina, histydyna, tryptofan, tyrozyna i asparagina. Dwa przykłady pokazano na rys. 2.13.

Rys. 2.13. Wiązania wodorowe między łańcuchami bocznymi aminokwasów

2.3.4. Oddziaływania van der Waalsa i hydrofobowe

Oddziaływania van der Waalsa są słabszymi oddziaływaniami niż wiązania wodorowe i mogą zachodzić między dwoma hydrofobowymi regionami białka. Na przykład mogą powstać między dwiema grupami alkilowymi (rys. 2.14). Aminokwasy, takie jak: alanina, walina, leucyna, izoleucyna, fenyloalanina i prolina, mają hydrofobowe łańcuchy boczne zdolne do interakcji między sobą za pomocą odziaływań van der Waalsa. Łańcuchy boczne innych aminokwasów, np. metionina, tryptofan, treonina i tyrozyna, zawierają polarne grupy funkcyjne, jednak łańcuchy boczne mają również znaczny charakter hydrofobowy, a zatem dla tych aminokwasów również możliwe są oddziaływania van der Waalsa. Interakcje hydrofobowe (podrozdz. 1.3.6) są również ważne w oddziaływaniach reszt hydrofobowych.

Rys. 2.14. Oddziaływania van der Waalsa między łańcuchami bocznymi aminokwasów

2.3.5. Hierarchia znaczenia oddziaływań wiążących

Może się wydawać, że znaczenia wiązań tworzonych w trzeciorzędowej strukturze białkowej, będzie zmieniała się w tej samej kolejności, co ich siły, czyli: wiązanie kowalencyjne, jonowe, wodorowe, a na koniec van der Waalsa. W rzeczywistości jest odwrotnie. W większości białek najważniejszymi oddziaływaniami są siły van der Waalsa i wiązania wodorowe, podczas gdy najmniej istotnymi są oddziaływania powstające na skutek tworzenia się wiązań kowalencyjnych i jonowych.

Są ku temu dwa powody. Po pierwsze, w większości białek istnieje więcej możliwości tworzenia oddziaływań van der Waalsa i wiązań wodorowych niż tworzenia wiązań kowalencyjnych czy jonowych. Aby to zrozumieć, wystarczy tylko zdać sobie sprawę z liczby i typów aminokwasów znajdujących się w typowym białku globularnym. Jedynym aminokwasem, który może tworzyć kowalencyjne wiązanie disiarczkowe, jest cysteina. Tymczasem istnieje wiele więcej aminokwasów, które mogą oddziaływać ze sobą poprzez wiązania wodorowe i oddziaływania van der Waalsa. Jednakże, istnieją przykłady białek z dużą liczbą mostków disiarczkowych, w których wiązania kowalencyjne mają znaczącą rolę w tworzeniu struktury trzeciorzędowej. Wiązania disiarczkowe odgrywają również znacznie większą rolę w małych polipeptydach, takich jak hormony peptydowe, wazopresyna i oksytocyna (rys. 2.15). Niemniej jednak, w większości białek, wiązania disiarczkowe odgrywają niewielką rolę w kontrolowaniu struktury trzeciorzędowej.

Rys. 2.15. Wazopresyna i oksytocyna

Jeśli chodzi o wiązanie jonowe, istnieje tylko ograniczona liczba aminokwasów z resztami zdolnymi do tworzenia tych wiązań. Dlatego jest ich mniej niż wiązań wodorowych lub oddziaływań van der Waalsa, dla których istnieje duża liczba reszt aminokwasowych zdolnych do ich tworzenia.

Istnieje także drugi powód, dla którego oddziaływania van der Waalsa są najważniejszą formą interakcji w strukturze trzeciorzędowej. Przecież białka nie istnieją w próżni; są otoczone wodą. A woda jest wysoce polarnym związkiem, który łatwo oddziałuje z polarnymi, hydrofilowymi resztami aminokwasowymi zdolnymi do tworzenia wiązań wodorowych (rys. 2.16). Pozostałe niepolarne, hydrofobowe reszty aminokwasowe nie mogą oddziaływać z wodą. Dlatego najbardziej stabilna struktura trzeciorzędowa będzie zapewniona, gdy grupy hydrofilowe znajdą się na powierzchni białka, gdzie mogą oddziaływać z wodą, a grupy hydrofobowe w centrum, w którym są odizolowane od wody i oddziałują między sobą. Ponieważ hydrofilowe aminokwasy tworzą wiązania wodorowe z wodą, liczba wiązań jonowych i wodorowych tworzących strukturę trzeciorzędową jest zmniejszona. Powoduje to, że interakcje hydrofobowe i siły van der Waalsa w znacznym stopniu odpowiadają za powstanie trójwymiarowego kształtu białka.

Rys. 2.16. Interakcje białkowych reszt aminokwasowych z wodą

Z powyższych względów, wnętrze białka musi mieć charakter hydrofobowy i niepolarny. Ma to poważne konsekwencje. Na przykład pomaga wyjaśnić, dlaczego enzymy katalizują reakcje, które nie powinny zajść w środowisku wodnym ludzkiego organizmu. Enzymy zawierają na swojej powierzchni wgłębienie lub szczelinę zwane miejscem aktywnym. Miejsce aktywne jest skierowane do wnętrza białka, dlatego ma ono zazwyczaj charakter hydrofobowy, przez co zapewnia środowisko niewodne dla zachodzącej reakcji (rozdz. 3).

Wiele innych rodzajów białek zawiera podobne wgłębienia lub szczeliny, które są miejscem wiążącym naturalnych ligandów. Są one również bardziej hydrofobowe niż ich powierzchnia, dlatego w wiązaniu liganda ważną rolę odgrywają oddziaływania van der Waalsa i oddziaływania hydrofobowe. Zrozumienie tych interakcji ma kluczowe znaczenie w projektowaniu skutecznych leków, które będą ukierunkowane na te miejsca wiążące.

2.3.6. Rola płaskiego wiązania peptydowego

Płaskie wiązania peptydowe, choć nie bezpośrednio, odgrywają istotną rolę w tworzeniu struktury trzeciorzędowej białek. Obrót wokół wiązania peptydowego jest utrudniony, a preferowaną konformacją jest konformacja trans, dlatego liczba możliwych konformacji, jakie białko może przyjąć, jest znacznie ograniczona. Zwiększa to prawdopodobieństwo przyjęcia ściśle określonej konformacji. Polimery nie mające w swojej strukturze wiązań peptydowych nie mają ściśle określonej konformacji, ponieważ zmiana entropii wymagana do utworzenia wysoce uporządkowanej struktury jest wyjątkowo niekorzystna. Wiązania peptydowe mogą również tworzyć wiązania wodorowe z łańcuchami bocznymi aminokwasów, co dodatkowo wpływa na kształt struktury trzeciorzędowej białka.

2.4. Czwartorzędowa struktura białek

Czwartorzędową strukturę mają jedynie te białka, które składają się z wielu podjednostek polipeptydowych. Na przykład, hemoglobina składa się z czterech cząsteczek białkowych – dwóch identycznych podjednostek alfa i dwóch identycznych podjednostek beta (nie należy tego mylić z terminologią alfa i beta stosowaną w strukturze drugorzędowej). Czwartorzędowa struktura hemoglobiny jest wynikiem tego, w jaki sposób te cztery jednostki białkowe łączą się ze sobą.

Wiązanie jonowe okazują się być ważniejsze dla tworzenia struktury czwartorzędowej białka niż trzeciorzędowej, ponieważ do jej powstania konieczne jest wystąpienie interakcji między zewnętrznymi powierzchniami cząsteczek białka. Jednak pewną rolę odgrywają także interakcje hydrofobowe i siły van der Waalsa. Nie jest możliwe, aby struktura białka ułożyła się tak, że wszystkie grupy hydrofobowe zostaną skierowane do jego wnętrza. Niektóre z tych grup mogą pozostać na powierzchni. Jeśli utworzą one mały hydrofobowy obszar na powierzchni białka, to dla dwóch cząsteczek białka zdecydowanie korzystne będzie, utworzenie dimeru w taki sposób, aby te dwa obszary hydrofobowe były zwrócone ku sobie, a nie eksponowane na środowisko wodne (rys. 2.17). Możliwe jest również, aby w strukturze czwartorzędowej podjednostki splatały się ze sobą (podrozdz. 24.9.2).

Rys. 2.17. Struktura czwartorzędowa białka składającego się z dwóch podjednostek

2.5. Translacyjne i potranslacyjne modyfikacje białek

Proces syntezy białka w komórce nazywamy translacją (podrozdz. 6.2.2). Wiele białek jest modyfikowanych już po procesie translacji (rys. 2.18). Modyfikacje te mogą dawać szeroki zakres efektów. Na przykład, N-końcowe fragmenty wielu białek są acetylowane, co czyni te białka bardziej odpornymi na degradację. Acetylacja białek odgrywa również rolę w kontroli transkrypcji, proliferacji i różnicowania komórek (podrozdz. 21.7.3).

Rys. 2.18. Przykłady modyfikacji potranslacyjnych białek

Włókna kolagenu są stabilizowane przez hydroksylację reszt proliny, a niewystarczająca jej hydroksylacja powoduje szkorbut (spowodowany niedoborem witaminy C).

Reszty kwasu glutaminowego w cząsteczce protrombiny – białka krzepnięcia, są karboksylowane w celu utworzenia struktur γ-karboksyglutaminianu. W przypadku niedoboru witaminy K nie dochodzi do karboksylacji, co może powodować skłonność do krwawień. Reszty serynowe, treoninowe i tyrozynowe wielu białek są fosforylowane, co odgrywa istotną rolę w komórkowych szlakach sygnalizacyjnych (podrozdz. 5.2–5.4).

Wiele białek obecnych na powierzchni komórek łączy się z węglowodanami przez reszty asparaginy. Przyłączenie tych węglowodanów stanowi ważne modyfikacje potranslacyjne odpowiedzialne za komunikowanie się komórek, wiele procesów chorobotwórczych oraz działanie leków (podrozdz. 10.7). Białka te są nazywane glikoproteinami lub proteoglikanami i należą do większej grupy makrocząsteczek zwanej glikokoniugatami.

Niektóre białka ulegają potranslacyjnemu rozszczepieniu na mniejsze białka lub peptydy. Na przykład enkefaliny są małymi peptydami, które powstają z białek w sposób opisany w rozdz. 24 (podrozdz. 24.8). Aktywne enzymy czasami powstają poprzez rozszczepienie większego białka prekursorowego. Zazwyczaj służy to ochronie komórki przed nieograniczonym działaniem enzymu. Na przykład enzymy trawienne znajdują się w trzustce jako nieaktywne białkowe prekursory i są wytwarzane tylko wtedy, gdy prekursor białka zostanie uwolniony do jelita. W krzepnięciu krwi rozpuszczalne białko fibrynogenu jest rozkładane do nierozpuszczalnej fibryny, gdy jest ona potrzebna do krzepnięcia (podrozdz. 26.9). Niektóre hormony polipeptydowe są również wytwarzane przez rozszczepianie prekursorów białkowych. Wreszcie, rozszczepienie wirusowej poliproteiny na białka składowe jest ważnym etapem w cyklu życiowym retrowirusów, co okazało się istotnym celem dla kilku leków stosowanych obecnie w leczeniu AIDS i zapalenia wątroby typu C (podrozdz. 20.7.4 i 20.10.1).

2.6. Proteomika

Wielki rozgłos, zresztą słusznie, zyskał niedawno zakończony projekt poznania ludzkiego genomu (ang. Human Genome Project). Nauka zajmująca się analizą genomu nazywa się genomiką i obejmuje identyfikację kodu genetycznego zarówno ludzi, jak i innych gatunków. Sukces tego projektu był ważnym przełomem, który zapoczątkował nową erę w badaniach z dziedziny chemii medycznej. Jednak należy zdawać sobie sprawę z faktu, że identyfikacja ludzkiego genomu oznacza jedynie początek znacznie dłuższego procesu. Jak dowiemy się w rozdziale 6, DNA stanowi jedynie plan działania dla syntezy białek. Dlatego obecnie wiele badań jest ukierunkowanych na identyfikację białek występujących we wszystkich komórkach organizmu, a także na sposób ich wzajemnego oddziaływania – ta dziedzina nauki nazywa się proteomiką. Proteomika, ze względu na złożoność interakcji, które mogą zachodzić między białkami (patrz rozdz. 5), stanowi znacznie większe wyzwanie niż genomika. Ponadto, typ i funkcja białek obecnych w każdej komórce zależy od rodzaju komórki i tego, czy jest ona w stanie fizjologicznym czy zmienionym chorobowo. Niemniej jednak, poczyniono postępy w identyfikacji struktury i funkcji białek, z których kilka okazało się nowymi celami dla leków. Nie było to łatwe zadanie, które dodatkowo utrudniał fakt, że jest nie możliwe tak po prostu wyprowadzić struktury białek tylko na podstawie poznanej sekwencji genów. Dzieje się tak, ponieważ różne białka mogą pochodzić z pojedynczego genu, do tego białka są często modyfikowane dopiero po ich syntezie (podrozdz. 2.5). Istnieje około 40 000 genów, podczas gdy typowa komórka zawiera setki tysięcy różnych białek. Ponadto znajomość struktury białka niekoniecznie wskazuje, jaka może być jego funkcja lub interakcje.

Identyfikacja białek obecnych w komórce zazwyczaj obejmuje analizę zawartości komórki i oddzielenie białek przy użyciu techniki znanej jako dwuwymiarowa elektroforeza żelowa. Następnie może być wykorzystana spektrometria mas do określenia masy cząsteczkowej każdego białka. Zakładając, że uzyskano czystą próbkę białka, można zidentyfikować jego pierwszorzędową strukturę za pomocą tradycyjnych technik sekwencjonowania. Analiza struktury drugorzędnej i trzeciorzędnej jest trudniejsza. Jeśli białko może zostać skrystalizowane, jest możliwe określenie jego struktury za pomocą krystalografii rentgenowskiej. Jednak nie wszystkie białka mogą zostać skrystalizowane, a nawet jeśli mogą, jest możliwe, że konformacja w postaci krystalicznej różni się od tej w roztworze. W ostatnich latach do identyfikowania trzeciorzędowej struktury niektórych białek, z powodzeniem, stosowana jest spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR).

Następnie pojawia się problem identyfikacji roli białka w komórce i tego, czy będzie ono przydatne jako cel działania leku. Jeśli okaże się, że jest to obiecujący cel dla działania leku, ostatnim problemem pozostaje odkrycie lub zaprojektowanie leku, który będzie z nim oddziaływać.

Podsumowanie

- • Kolejność, w jakiej aminokwasy są połączone ze sobą w białku, nazywa się strukturą pierwszorzędową.

- • Drugorzędowa struktura białka odnosi się do regionów uporządkowanej struktury w białkach, takich jak α-helisy, β-pofałdowane kartki lub β-zakręty.

- • Trójwymiarowy kształt białka nazywany jest jego strukturą trzeciorzędową.

- • Białka zawierające dwie lub więcej podjednostek mają strukturę czwartorzędową, która określa, w jaki sposób podjednostki są rozmieszczone względem siebie.

- • Struktury drugorzędne, trzeciorzędowe i czwartorzędowe powstają, aby umożliwić tworzenie korzystnych wiązań wewnątrzcząsteczkowych i międzycząsteczkowych oraz zminimalizować niekorzystne oddziaływania między nimi.

- • Preferowaną lokalizacją aminokwasów z resztami polarnymi jest zewnętrzna powierzchnia białka, ponieważ umożliwia to interakcje wiązania wodorowego z wodą. Preferowaną lokalizacją aminokwasów z resztami niepolarnymi jest wnętrze białka, ponieważ ułatwia to oddziaływania van der Waalsa oraz hydrofobowe.

- • Wiele białek podlega modyfikacjom potranslacyjnym.

2.7. Funkcja białka

Teraz możemy już przejść do omówienia różnych rodzajów białek, które są celem działania leków.

2.7.1. Białka strukturalne

Białka strukturalne zwykle nie są celem działania leków. Jednak pewnym wyjątkiem jest białko strukturalne – tubulina. Cząsteczki tubuliny polimeryzują, tworząc w cytoplazmie komórki małe rurki zwane mikrotubulami (rys. 2.19). Mikrotubule te pełnią różne funkcje w komórce, w tym odpowiadają za utrzymanie kształtu, egzocytozę i uwalnianie neuroprzekaźników. Są one również zaangażowane w ruchliwość komórek. Na przykład komórki zapalne zwane neutrofilami to poruszające się komórki, które normalnie odpowiadają za ochronę organizmu przed infekcją. Mogą jednak również migrować do wnętrza stawów, powodując stan zapalny a w efekcie doprowadzić do zapalenia stawów.

Rys. 2.19. Polimeryzacja tubuliny

Tubulina ma również kluczowe znaczenie dla podziału komórek. Gdy komórka ma się podzielić, jej mikrotubule ulegają depolimeryzacji, tworząc tubulinę. Tubulina jest następnie polimeryzowana w celu utworzenia struktury zwanej wrzecionem, które służy do podziału dwóch nowopowstałych komórek. Ponadto wrzeciono jest strukturą, dzięki której chromosomy z pierwotnej komórki są przenoszone do jąder komórek potomnych (rys. 2.20). Leki, których działanie jest ukierunkowane na tubulinę i hamowanie tego procesu, są skutecznymi lekami przeciwnowotworowymi (podrozdz. 10.2.2).

Rys. 2.20. Podział komórki

Białka strukturalne wirusów są ważne dla przetrwania wirusa poza komórką gospodarza. Niektóre z tych białek okazują się być interesującymi celami działania leków i są wykorzystywane w projektowaniu nowych środków przeciwwirusowych, co omówiono bardziej szczegółowo w podrozdz. 20.7.5 i 20.9.

2.7.2. Białka transportujące

Białka transportujące znajdują się w błonie komórkowej i działają jak komórkowi „przemytnicy” – przemycają przez błonę komórkową związki będące ważnymi składnikami aminokwasów, cukrów i zasad kwasu nukleinowego, dzięki czemu komórka może syntetyzować swoje białka, węglowodany i kwasy nukleinowe. Są również istotne w transporcie ważnych neuroprzekaźników (podrozdz. 4.2) z powrotem do neuronu, z którego zostały uwolnione, dzięki temu neuroprzekaźniki mają ograniczony czas działania. Ale dlaczego taki przemyt jest konieczny? Dlaczego te cząsteczki nie mogą same przejść przez błonę? Po prostu, cząsteczki te są strukturami polarnymi i nie mogą przejść przez hydrofobową błonę komórkową.

Białka transportowe mogą swobodnie pływać w błonie komórkowej, ponieważ mają na swojej zewnętrznej powierzchni hydrofobowe reszty, które korzystnie oddziałują z hydrofobowym wnętrzem błony komórkowej. Fragment białka transportującego eksponowany na zewnętrznej powierzchni błony komórkowej zawiera miejsce wiążące, do którego może się przyłączyć cząsteczka polarna, np. aminokwas. Cząstka ta jest chowana w hydrofilowej kieszeni białka transportującego, które przenosi ją przez błonę, a następnie uwalnia po drugiej jej stronie (rys. 2.21).

Rys. 2.21. Białka transportowe

Białka transportujące nie wszystkie są identyczne; istnieją specyficzne białka transportujące dla poszczególnych cząsteczek, które muszą być transportowane przez błonę. Miejsca wiążące białek transportujących różnią się strukturą, tak że mogą one rozpoznać i wiązać konkretnego „gościa”. Istnieje kilka ważnych leków działających poprzez białka transportujące (podrozdział 10.1).

2.7.3. Enzymy i receptory

W chemii medycznej najważniejszymi celami działania leków są enzymy i receptory. Poszczególne rozdziały są poświęcone strukturze i funkcji tych białek – odpowiednio rozdz. 3 i 4.

2.7.4. Różne białka i interakcje białko–białko

W biologii komórki istnieje wiele sytuacji, w których dla osiągnięcia konkretnego efektu niezbędna jest interakcja pomiędzy białkami. Widzieliśmy już taki przykład w przypadku polimeryzacji białka tubuliny prowadzącej do powstania mikrotubul (podrozdz. 2.7.1).

Struktury wielu ważnych celów działania leków, takich jak kanały jonowe, enzymy i receptory składają się z dwóch lub więcej podjednostek białkowych złączonych ze sobą. Opisane w rozdziale 5 procesy przesyłania sygnału przedstawiają wiele przypadków, w których różne białka, takie jak receptory, białka sygnałowe i enzymy łączą się ze sobą w celu przesyłania sygnału chemicznego do wnętrza komórki. Działanie insuliny odbywa się za pośrednictwem interakcji białko–białko (podrozdz. 4.8.3). Kontrola ekspresji genów obejmuje wcześniejsze połączenie wielu różnych białek (podrozdz. 4.9 i ramka 8.2). Ważnym elementem odpowiedzi immunologicznej są białka zwane przeciwciałami wchodzące w interakcję z obcymi białkami (podrozdz. 10.7.2). Komunikowanie się komórek obejmuje interakcje białko–białko, czyli proces, który jest ważny nie tylko ze względu na własne białka, ale także mechanizm, za pomocą którego wirusy atakują komórki ludzkiego organizmu (podrozdz. 20.7.1, 20.8.1 i 20.9). Ważne procesy, które mają wpływ na wzrost guza, takie jak angiogeneza i apoptoza (podrozdz. 21.1), również wymagają udziału białek. Białka, zwane białkami opiekuńczymi, inaczej chaperonami lub czaperonami (ang. chaperones), pomagają stabilizować częściowo pofałdowane podczas translacji białka przez interakcje białko–białko. Są również ważne w procesie, w którym stare białka są usuwane do centrum recyklingu komórek. Chaperony są szczególnie ważne, gdy komórka doświadcza niekorzystnych warunków środowiskowych, które mogą uszkodzić białka. Stwierdzono, że synteza białek opiekuńczych zwiększa się w komórkach nowotworowych, co może być odzwierciedleniem powstawania niekorzystnych warunków w tych komórkach, na przykład braku tlenu, zmiany wartości pH i niedoboru składników odżywczych. Hamujące białka opiekuńcze mogą prowadzić do zwiększonej liczby uszkodzeń białek i śmierci komórki. Obecnie są prowadzone badania nad metodami hamowania białka opiekuńczego zwanego HSP90 (HSP oznacza białko szoku cieplnego). Inhibicja tego białka może zapobiec syntezie ważnych receptorów i enzymów biorących udział w procesie wzrostu i podziału komórek, co może przyczynić się do wprowadzenia nowej metody leczenia nowotworów. Hamowanie enzymu działającego jako białko opiekuńcze uważa się również za potencjalną terapię choroby Alzheimera (podrozdz. 22.15.2).

Interakcje białko–białko nie ograniczają się tylko do biochemii człowieka. Ingerencja w te interakcje u innych gatunków może prowadzić do wynalezienia nowych środków przeciwbakteryjnych, przeciwgrzybiczych i przeciwwirusowych. Na przykład proteaza HIV, która jest ważnym enzymem w cyklu życiowym wirusa HIV, stała się także ważnym celem terapeutycznym dla środków przeciwwirusowych (podrozdział 20.7.4). Enzym ten składa się z dwóch identycznych białek, które wiążą się ze sobą, tworząc miejsce aktywne. Znalezienie leku, który zapobiegnie ich łączeniu, stanie się nową metodą hamowania tego enzymu. Podsumowując, obecnie prowadzonych jest wiele badań nad metodami hamowania lub pobudzania interakcji białko–białko (podrozdz. 10.5).

Podsumowanie

- • Białka transportujące, enzymy i receptory są częstymi celami działania leków.

- • Białka transportujące przenoszą podstawowe cząsteczki polarne przez hydrofobową błonę komórkową.

- • Tubulina jest białkiem strukturalnym, które ma kluczowe znaczenie dla podziału komórek i mobilności komórek.

- • Wiele procesów komórkowych zależy od interakcji białek między sobą.

Pytania

1. Narysuj pełną strukturę L-alanylo-L-fenyloalanylo-glicyny.

2. Co jest unikalnego w glicynie w porównaniu z innymi naturalnie występującymi aminokwasami?

3. Zidentyfikuj oddziaływania międzycząsteczkowe/wewnątrzcząsteczkowe, które mogą zajść w łańcuchach bocznych następujących aminokwasów: seryna, fenyloalanina, glicyna, lizyna, kwas asparaginowy i asparaginian.

4. Łańcuchy kilku białek związanych z błonami komórkowymi wiją się tam i z powrotem przez błonę komórkową, tak że niektóre części struktury białkowej są zewnątrzkomórkowe, niektóre części są wewnątrzkomórkowe, a niektóre części leżą w błonie komórkowej. W jaki sposób pierwszorzędowa struktura białka może pomóc w odróżnieniu części białka osadzonego w błonie komórkowej od tych, które znajdują się na zewnątrz?

5. Jakie problemy mógłbyś przewidzieć, gdybyś próbował syntetyzować L-alanylo-L-walinę bezpośrednio z jej dwóch składowych aminokwasów?

6. Trzeciorzędowa struktura wielu enzymów jest znacząco zmieniona przez fosforylację reszt seryny, treoniny lub tyrozyny. Zidentyfikuj grupy funkcyjne zaangażowane w reakcję fosforylacji i wyjaśnij, dlaczego fosforylacja wpływa na strukturę trzeciorzędową.

7. Jaki jest jednoliterowy kod polipeptydu Glu-Leu-Pro-Asp-Val-Val-Ala-Phe-Lys-Ser-Gly-Gly-Thr?

Pytania wielokrotnego wyboru są dostępne na stronie www.oxfordtextbooks.co.uk/orc/patrick6e/

Literatura dodatkowa

Ball, P. (2009) Proteins unravelled. Chemistry World, December, 58–62.

Berg, C., Neumeyer, K., and Kirkpatrick, P. (2003) Teriparatide. Nature Reviews Drug Discovery, 2, 257–8.

Dobson, C. M. (2003) Protein folding and disease: a view from the first Horizon symposium. Nature Reviews Drug Discovery, 2, 154–60.

Ezzell, C. (2002) Proteins rule. Scientific American, 286, April, 7–33 (proteomics).

Harris, J. M., and Chess, R. B. (2003) Effect of pegylation on pharmaceuticals. Nature Reviews Drug Discovery, 2, 214–21.

Stevenson, R. (2002) Proteomic analysis honoured. Chemistry in Britain, 38, November, 21–3.

Teague, S. J. (2003) Implications of protein flexibility for drug discovery. Nature Reviews Drug Discovery, 2, 527–41.

Polecana literatura uzupełniająca znajduje się w tym rozdziale.

3. Enzymy: struktura i funkcja

W tym rozdziale poznamy strukturę i funkcję enzymów. Działanie leków na enzymy zostało szerzej omówione w rozdziale 7 oraz innych rozdziałach w całym tekście.

3.1. Enzymy jako katalizatory

Enzymy są białkami, które działają w organizmie jak katalizatory – czyli czynniki przyspieszające reakcje chemiczne, podczas których same nie ulegają zużyciu. Bez nich reakcje chemiczne zachodzące w komórce byłyby albo zbyt wolne, albo w ogóle nie miałyby szansy zajść. Przykładem reakcji katalizowanej enzymatycznie jest redukcja kwasu pirogronowego do kwasu mlekowego, która zachodzi w mięśniach podczas zbyt intensywnych ćwiczeń. Reakcja ta jest katalizowana przez enzym zwany dehydrogenazą mleczanową (rys. 3.1).

Rys. 3.1. Reakcja katalizowana przez dehydrogenazę mleczanową

Zwróć uwagę, że przedstawiona reakcja jest w stanie równowagi. Dlatego bardziej poprawne jest nazwanie enzymu czynnikiem przyspieszającym osiągnięcie stanu równowagi. Enzym przyspiesza reakcję odwrotną tak samo skutecznie, jak reakcję pierwotną. Stężenie substratów i produktów w stanie równowagi nie byłoby osiągnięte bez obecności enzymu.

Jak to jest możliwe, że enzymy wpływają na szybkość reakcji bez wpływu na równowagę? Odpowiedź leży w istnieniu stanu przejściowego o wysokiej energii, który musi powstać zanim związek wyjściowy (substrat) zostanie przekształcony w produkt. Różnica energii między stanem przejściowym a substratem nazywa się energią aktywacji. To właśnie wielkość energii aktywacji określa szybkość reakcji, a nie różnica energii między substratem a produktem (rys. 3.2). Enzym działa poprzez obniżenie energii aktywacji, pomagając w ten sposób ustabilizować stan przejściowy. Energia zarówno substratu, jak i produktów pozostaje nienaruszona, a zatem stosunek równowagi substratu do produktu pozostaje niezmieniony. Możemy powiązać energię ze stałymi szybkości i stałą równowagi poprzez następujące równania:

Rys. 3.2. Wykresy przedstawiające stabilizację stanu przejściowego reakcji enzymatycznej

Różnica energii = ΔG = –RT ln K,

w którym: K – stała równowagi = [produkty]/[substraty]

R – stała gazowa 8,314 J·mol–1·K–1

T – temperatura

Stała szybkości reakcji = k = Ae–E/RT,

gdzie: E – energia aktywacjiA – współczynnik proporcjonalności

Należy zauważyć, że stała szybkości k nie zależy od stałej równowagi K.

Stwierdziliśmy, że enzymy katalizują reakcje, lecz musimy jeszcze wyjaśnić, w jaki sposób.

3.2. W jaki sposób enzymy katalizują reakcje?

Czynniki zaangażowane w katalizę enzymatyczną podsumowano poniżej, a bardziej szczegółowo zostaną one omówione w podrozdz. 3.2–3.5.

- • Enzymy zapewniają reakcji powierzchnię i odpowiednie środowisko.

- • Enzymy łączą ze sobą substraty i ustawiają je w taki sposób, aby łatwo mogły osiągnąć konfiguracje przejściowe.

- • Enzymy osłabiają wiązania w substratach.

- • Enzymy mogą uczestniczyć w mechanizmie.

- • Enzymy tworzą silniejsze interakcje ze stanem przejściowym niż z substratem lub produktem.

Enzym katalizuje reakcję, zapewniając powierzchnię, z którą substrat może się wiązać, co powoduje osłabienie wiązań wysokoenergetycznych. Przyłączenie do enzymu utrzymuje również substrat we właściwej orientacji przestrzennej, tak aby zwiększyć szanse na zajście reakcji. Wspomagana przez enzym reakcja zachodzi, dając produkt, który jest następnie uwalniany (rys. 3.3). Należy zwrócić uwagę, że jest to proces odwracalny. Enzymy mogą katalizować reakcję w obydwu kierunkach. Końcowy stan równowagi mieszaniny będzie jednak ten sam, niezależnie od tego, czy dostarczamy enzym z substratem, czy też z produktem.

Substraty wiążą się i reagują w specyficznym obszarze enzymu zwanym miejscem aktywnym – zazwyczaj dość małą częścią całej struktury białka.

Rys. 3.3. Przebieg procesu katalizy enzymatycznej

3.3. Miejsce aktywne enzymu

Miejsce aktywne enzymu (rys. 3.4) powinno znajdować się na jego powierzchni lub w pobliżu, ponieważ tylko wtedy substrat może do niego dotrzeć. Aby substrat mógł wsunąć się do wnętrza enzymu, miejsce aktywne powinno mieć kształt bruzdy, zagłębienia lub rowka.

Rys. 3.4. Miejsce aktywne enzymu

Zazwyczaj ma ono charakter bardziej hydrofobowy niż powierzchnia enzymu, zapewniając w ten sposób odpowiednie środowisko do zajścia wielu reakcji, co byłyby trudne lub niemożliwe do przeprowadzenia w środowisku wodnym.

Z powodu fałdowania całej struktury enzymu, reszty aminokwasowe, które są zlokalizowane blisko siebie w miejscu aktywnym, mogą leżeć daleko od siebie w strukturze pierwszorzędowej. Kilka aminokwasów miejsca aktywnego odgrywa ważną rolę w funkcji pełnionej przez enzym. Można to wykazać przez porównanie pierwszorzędowych struktur tego samego enzymu różnych organizmów. Stwierdzono, że na skutek mutacji zachodzącej w ciągu milionów lat, struktura pierwszorzędowa jest zdecydowanie różna u różnych gatunków. Zróżnicowanie jest proporcjonalne do tego, jak wysoko na drabinie ewolucyjnej znajdują się organizmy i na jego podstawie ustala się pokrewieństwo. Istnieją jednak pewne aminokwasy, które pozostają stałe, niezależnie od źródła pochodzenia enzymu. Są to aminokwasy, zazwyczaj występujące w miejscu aktywnym enzymu, które odgrywają kluczową rolę w reakcjach enzymatycznych. Gdyby jeden z tych aminokwasów uległ mutacji, enzym mógłby stać się zupełnie bezużyteczny, a komórka z taką mutacją miałaby marną szansę na przeżycie. Zatem mutacja nie zostałaby zachowana. Jedynym wyjątkiem od tej reguły byłoby, gdyby na skutek mutacji wprowadzony został aminokwas, który spełniałby to samo zadanie co oryginalny aminokwas lub korzystnie wpływał na wiązanie substratu. Ta niezmienność aminokwasów w miejscu aktywnym często pomaga naukowcom określić, o ile nie jest to jeszcze poznane, skład aminokwasowy miejsca aktywnego. Aminokwasy obecne w miejscu aktywnym mogą odgrywać jedną z dwóch ról:

- • wiązanie – reszta aminokwasowa bierze udział w wiązaniu substratu lub kofaktora z miejscem aktywnym;

- • kataliza – aminokwas bierze udział w mechanizmie reakcji enzymatycznej.

Przeanalizujemy te funkcje po kolei.

3.4. Wiązanie substratu w miejscu aktywnym

Interakcje, które wiążą substraty z miejscami aktywnymi enzymów, obejmują: wiązania jonowe, wodorowe, typu dipol––dipol i jon–dipol, a także oddziaływania van der Waalsa i oddziaływania hydrofobowe (podrozdz. 1.3). Oddziaływania wiążące są tymi samymi oddziaływaniami, które odpowiadają za tworzenie trzeciorzędowej struktury białek, jednak ich znaczenie jest różne. Wiązanie jonowe odgrywa stosunkowo niewielką rolę w strukturze trzeciorzędowej białka w porównaniu z wiązaniem wodorowym lub siłami van der Waalsa, ale może odgrywać kluczową rolę w wiązaniu substratu z miejscem aktywnym.

W wiązanie substratu zaangażowane są siły oddziaływań międzycząsteczkowych, dlatego analizując strukturę substratu, można przewidywać prawdopodobne interakcje, jakie zajdą w miejscu aktywnym. Jako przykład rozważmy kwas pirogronowy – substrat dla dehydrogenazy mleczanowej (rys. 3.5).

Rys. 3.5. Interakcje między kwasem pirogronowym a dehydrogenazą mleczanową

Jeśli spojrzymy na strukturę kwasu pirogronowego, możemy zaproponować trzy możliwe interakcje, dzięki którym może on wiązać się ze swoim miejscem aktywnym. Mogą to być oddziaływania jonowe obejmujące zjonizowaną grupę karboksylanową, wiązanie wodorowe obejmujące atom tlenu grupy ketonowej oraz interakcję van der Waalsa obejmującą grupę metylową. Jeśli przewidywania te są prawdziwe, to w miejscu aktywnym muszą znajdować się regiony wiążące, które zawierają aminokwasy mogące brać udział w tych oddziaływaniach międzycząsteczkowych. Reszty lizyny, seryny i fenyloalaniny idealnie wpasowałyby się w ten plan. Znajomość sposobu, w jaki substrat wiąże się z miejscem aktywnym, jest nieoceniona w projektowaniu leków ukierunkowanych na określone enzymy (rozdz. 7).

3.5. Katalityczna rola enzymów

Przejdziemy teraz do omówienia mechanizmu działania enzymów, czyli tego, jak katalizują reakcje. Ogólnie, enzymy katalizują reakcje, umożliwiając zajście interakcji prowadzących do powstania wiązania, katalizy kwasowo-zasadowej oraz dostarczając grup nukleofilowych i kofaktorów.

3.5.1. Oddziaływania wiążące

Do niedawna uważano, że substrat pasuje do swojego miejsca aktywnego w podobny sposób, jak klucz pasuje do zamka (hipoteza Fischera – zamka i klucza). Zarówno enzym, jak i substrat były postrzegane jako sztywne struktury, przy czym substrat (klucz) pasował idealnie do miejsca aktywnego (zamek) (rys. 3.6). Jednak ten scenariusz nie wyjaśnia, w jaki sposób niektóre enzymy mogą katalizować reakcje wielu różnych substratów. Wygląda na to, że każdy enzym ma substrat, który idealnie do niego pasuje, natomiast wszystkie inne substraty pasują mniej idealnie. To z kolei oznaczałoby, że katalizowana reakcja może w pełni zajść tylko dla substratu idealnego. Jednak taki przebieg reakcji dotyczy niewielu enzymów, teoria dopasowania – zamka i klucza traci znaczenie.

Obecnie uważa się, że substrat nie jest idealnie dopasowany swoim kształtem do miejsca aktywnego i dopiero wchodząc do miejsca aktywnego, wymusza zmianę jego kształtu – pewnego rodzaju przemodelowanie. Teoria ta jest znana jako model indukowanego dopasowania Koshlanda, ponieważ substrat indukuje aktywne miejsce do przyjęcia idealnego kształtu tak, aby mógł się tam zmieścić (rys. 3.6).

Rys. 3.6. Hipotezy „zamka i klucza” oraz „indukowanego dopasowania” dla wiązania substrat-enzym

Na przykład substrat, taki jak kwas pirogronowy, może oddziaływać ze specyficznymi regionami wiążącymi w miejscu aktywnym dehydrogenazy mleczanowej poprzez jedno wiązanie wodorowe, jedno wiązanie jonowe i jedno oddziaływanie van der Waalsa (rys. 3.7).

Rys. 3.7. Przykład indukowanego dopasowania

Jednak, jeśli dopasowanie nie jest idealne, trzy grupy wiążące mogą być nieco za daleko od odpowiednich regionów wiążących w miejscu aktywnym. Aby zwiększyć siłę tych wiązań, enzym zmienia kształt tak, że reszty aminokwasowe tworzące wiązanie zbliżają się do substratu.

Teoria indukowanego dopasowania pomaga wyjaśnić, dlaczego niektóre enzymy mogą katalizować reakcje obejmujące szeroki zakres substratów. Każdy substrat zmusza miejsce aktywne do przybrania idealnego dla niego kształtu i dopóki nie spowoduje to na tyle istotnej zmiany formy miejsca aktywnego, że uniemożliwi to zajście reakcji enzymatycznej, dopasowanie może przebiegać. Liczba substratów, które może katalizować enzym zależy od ich rozmiaru, tak aby miały szansę dostać się do miejsca aktywnego oraz od obecności odpowiednio usytuowanych grup wiążących.

Należy zwrócić uwagę na pewną kwestię. Substrat nie jest tylko biernym obserwatorem procesu odpowiedniego dopasowania miejsca aktywnego. Gdy enzym zmienia kształt, aby zwiększyć szansę utworzenia wiązania, to samo dzieje się z substratem. On także może zmienić strukturę. Rotacja wiązań może spowodować ułożenie substratu w określonej konformacji – i to nie zawsze najbardziej stabilnej. Wiązania mogą być nawet rozciągnięte i osłabione. Efektem zmiany kształtu miejsca aktywnego, powstającej w celu zwiększenia oddziaływań wiążących, jest wymuszenie idealnej konformacji substratu, która ułatwi zajście reakcji a także osłabi wiązania, co spowoduje ich rozerwanie.

Po związaniu się z miejscem aktywnym, substrat gotowy jest do wejścia w następną reakcję. Usidlenie „ofiary” (substratu) przez wiązanie powoduje, że nie może uniknąć ataku. To samo wiązanie osłabia także obronę (wiązania wewnątrzcząsteczkowe substratu), dzięki czemu reakcja może łatwiej dojść do skutku (jest niższa energia aktywacji).

Jest jeszcze inny punkt istotny dla interakcji substratu z miejscem wiążącym. Oddziaływania z miejscem aktywnym muszą być wystarczająco mocne, aby przytrzymać substrat w trakcie zachodzącej reakcji, ale też nie mogą być zbyt silne. Gdyby tak się stało, produkt trwale związałby się z miejscem aktywnym, przez co nie mógłby go opuścić. Blokowałoby to miejsce aktywne enzymu i uniemożliwiało katalizowanie innej reakcji. Dlatego potrzebny jest złoty środek.

Wreszcie ważne jest uświadomienie sobie, że enzym wiąże również stan przejściowy powstający w czasie reakcji katalizowanej enzymem. Rzeczywiście, interakcje międzycząsteczkowe są wtedy silniejsze niż te wiążące sam substrat. Oznacza to, że stan przejściowy jest stabilizowany relatywnie mocniej niż wiązanie samego substratu. Powoduje to niższą energię aktywacji w porównaniu z reakcją niekatalizowaną enzymatycznie (patrz podrozdz. 3.5.4).

3.5.2. Kataliza kwasowo-zasadowa

Rys. 3.8. Histydyna działająca jako słaba zasada

Bardzo często kataliza kwasowo-zasadowa zachodzi z udziałem reszty aminokwasowej histydyny, która jako część łańcucha bocznego zawiera pierścień imidazolowy. Pierścień imidazolowy działa jak słaba zasada. Oznacza to, że jego protonowana forma i wolna zasada są w stanie równowagi (rys. 3.8), co umożliwia przyjęcie lub oddanie protonów podczas zachodzącej reakcji. Jest to o tyle istotne, że w miejscu aktywnym zazwyczaj znajduje się niewiele cząsteczek wody, które mogłyby pełnić tę funkcję. Histydyna nie jest jedyną resztą aminokwasową, która bierze udział w katalizie kwasowo-zasadowej. Na przykład, reszta kwasu glutaminowego jest dawcą protonu w reakcji enzymatycznej reduktazy HMG-CoA (Analiza przypadku 1), natomiast w innych reakcjach katalizowanych enzymatycznie kwas asparaginowy i reszty asparaginianowe działają odpowiednio jako donory i akceptory protonów (podrozdz. 7.4 i 20.7.4.1). Tyrozyna jest źródłem protonu w reakcji, dzięki której enzym dehydrogenaza 17β-hydroksysteroidu typu 1 katalizuje przemianę estronu w estradiol (ramka 13.1).

Dodatkowe materiały można znaleźć w artykule internetowym 1: Sterydy jako nowe środki przeciwnowotworowe (Steroids as novel anticancer agents) na stronie www.oxfordtextbooks.co.uk/orc/patrick6e/

3.5.3. Grupy nukleofilowe

W miejscach aktywnych niektórych enzymów występują aminokwasy seryna i cysteina. Mają one reszty nukleofilowe (odpowiednio OH i SH), które mogą uczestniczyć w przebiegu reakcji enzymatycznej. Odbywa się to poprzez interakcję z substratem, prowadzącą do powstania produktów pośrednich, które nie powstałyby poza reakcją enzymatyczną. Związki pośrednie stwarzają alternatywny szlak reakcji, który omija wysokoenergetyczny stan przejściowy, a tym samym dochodzi do zwiększenia szybkość reakcji.

Zwykle grupa alkoholowa OH, taka jak ta obecna w serynie, nie jest dobrym nukleofilem. Jednak aby mogło dojść do reakcji, w centrum aktywnym znajduje się ona w pobliżu reszty histydyny. Przykładem może być reakcja hydrolizy wiązania peptydowego (rys. 3.9) przez chymotrypsynę, w której bierze udział triada katalityczna aminokwasów – seryna, histydyna i kwas asparaginowy. Seryna i histydyna uczestniczą w mechanizmie reakcji odpowiednio jako katalizator nukleofilowy i kwasowo-zasadowy. Reszta kwasu asparaginowego wchodzi w interakcję z pierścieniem histydyny powodując aktywację odpowiedniego szlaku reakcji.

Obecność nukleofilowej reszty seryny powoduje, że na początkowym etapie reakcji nie są niezbędne cząsteczki wody. Jest to ważne, ponieważ woda jako słaby nukleofil może mieć trudności z penetracją zajętego miejsca aktywnego. Po drugie, cząsteczka wody zanim mogłaby wejść w reakcję, najpierw musiałaby wsunąć się w miejsce aktywne i odnaleźć grupę karboksylową. Byłoby to coś na kształt gry w ciuciubabkę. Z drugiej strony enzym może dostarczyć serynową grupę hydroksylową, znajdującą się dokładnie w miejscu gdzie zachodzi reakcja z substratem. Dlatego nukleofil nie musi szukać swojego substratu. To substrat został do niego dostarczony.

Woda jest niezbędna do hydrolizy grupy acylowej przyłączonej do reszty seryny. Jest to jednak reakcja zachodząca znacznie łatwiej niż hydroliza wiązania peptydowego, ponieważ estry są bardziej reaktywne niż amidy. Ponadto hydroliza wiązania peptydowego oznacza, że część peptydu może odsunąć się od miejsca aktywnego, dzięki czemu stworzy się przestrzeń do wejścia cząsteczki wody. Podobny mechanizm enzymatyczny jest zaangażowany w działanie enzymu acetylocholinoesterazy (podrozdz. 22.12.3), lipazy trzustkowej (ramka 7.2) i wirusowej proteazy przenoszonej przez wirus zapalenia wątroby typu C (podrozdz. 20.10).

Lizyna ma pierwszorzędową grupę aminową w łańcuchu bocznym, więc powinna być lepszą grupą nukleofilową niż seryna lub cysteina. Jednak grupa ta w fizjologicznym pH jest zazwyczaj sprotonowana, co uniemożliwia jej działanie jako nukleofil. Jednak niektóre enzymy mają resztę lizyny w kieszeni hydrofobowej, co oznacza, że nie jest ona protonowana i może rzeczywiście działać jako grupa nukleofilowa.

3.5.4. Stabilizacja stanu przejściowego

Jak wcześniej stwierdzono, oddziaływania wiążące w miejscu aktywnym służą do stabilizacji stanu przejściowego reakcji enzymatycznej. Tym samym powodują zmniejszenie energii aktywacji reakcji. Przykładem tego może być tak zwana dziura oksyanionowa, która występuje w niektórych enzymach m.in. w chymotrypsynie. W tym regionie wiąże się oksyanionowy związek pośredni, który powstaje podczas mechanizmu reakcji opisanego na rys. 3.9.

Rys. 3.9. Hydroliza wiązań peptydowych katalizowana przez enzym chymotrypsynę

We wnętrzu dziury oksyanionowej są wiązania peptydowe, tworzące wiązania wodorowe z oksyanionem, co pomaga stabilizować jego ładunek ujemny (rys. 3.10).

Rys. 3.10. Stabilizująca rola dziury oksyanionowej w hydrolizie wiązania peptydowego katalizowanej enzymem

Wiązania wodorowe mogą się również tworzyć z grupą karbonylową substratu. Jednak w przypadku oksyanionu, z powodu występowania ładunku ujemnego, oddziaływania te są znacznie silniejsze. Ujemnie naładowany atom tlenu jest silniejszym akceptorem wiązania wodorowego niż neutralny atom tlenu (podrozdz. 1.3.2). Wiązanie wodorowe stabilizuje również powstający w stanie przejściowym ładunek ujemny, co prowadzi do utworzenia oksyanionu. W efekcie energia aktywacji reakcji enzymatycznej jest obniżona.

3.5.5. Kofaktory

Aby mogła zajść reakcja, wiele enzymów wymaga dodatkowych niebiałkowych substancji, zwanych kofaktorami. Niedobór kofaktorów może być wynikiem niewłaściwej diety, powodować spadek aktywności enzymów a w efekcie tego nawet rozwój choroby (np. szkorbutu). Kofaktorem mogą być jony metali (np. cynk) lub małe cząsteczki organiczne zwane koenzymami (np. NAD+, fosforan pirydoksalu). Większość koenzymów przyłącza się wiązaniami jonowymi lub innymi niekowalencyjnymi oddziaływaniami wiążącymi, jednak niektóre z nich łączą się kowalencyjnie i wówczas są nazywane grupami prostetycznymi. Koenzymy są pochodnymi witamin rozpuszczalnych w wodzie i odgrywają w organizmie rolę odczynników chemicznych. Na przykład, aby zaszła enzymatyczna reakcja odwodornienia kwasu mlekowego do kwasu pirogronowego katalizowana przez dehydrogenazę mleczanową, niezbędna jest obecność koenzymu dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NAD+) (rys. 3.11).

Rys. 3.11. Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (R = H) i fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (R = reszta fosforanowa)

NAD+ przyłącza się wraz z kwasem mlekowym do miejsca aktywnego, gdzie odgrywa rolę czynnika utleniającego. Podczas reakcji jest przekształcany do postaci zredukowanej (NADH) (rys. 3.12). W momencie gdy enzym katalizuje reakcję odwrotną, NADH może wiązać się z enzymem i tym razem działać jako czynnik redukujący.

Rys. 3.12. NAD+ działający jako koenzym

NADP+ i NADPH są fosforylowanymi analogami odpowiednio NAD+ i NADH. Biorą one udział w reakcjach redoks za pomocą takiego samego mechanizmu. NADPH bierze udział prawie wyłącznie w procesach biosyntezy redukcyjnej, natomiast NADH jest zaangażowany głównie w procesy wytwarzające ATP.

Znajomość mechanizmu wiązania się koenzymu z miejscem aktywnym pozwala na zaprojektowanie inhibitorów enzymów, które będą pasować do tego samego obszaru (Analiza przypadku 5 i podrozdz. 21.6.2 oraz artykuł internetowy 1).

Duża liczba enzymów, zwana metaloenzymami, jako kofaktory zawiera jony metali. Na przykład, enzymy cytochromu P450 biorące udział w metabolizmie leków (podrozdz. 11.5.2) zawierają jon żelaza, który może zmieniać swój stopień utlenienia (Fe2+ i Fe3+). Pozwala to enzymom cytochromu katalizować zarówno reakcje utleniania, jak i redukcji.

Innymi przykładami są enzymy kinazy odpowiedzialne za katalizowanie reakcji fosforylacji, które są wykorzystywane jako ważne cele dla leków (podrozdział 21.6.2). Zawierają one jon magnezu, który pomaga wiązać koenzym (ATP) z miejscem aktywnym, tak że może on działać jako czynnik fosforylujący.

Kilka enzymów należących do proteaz (odpowiedzialnych za katalizowanie hydrolizy wiązań peptydowych) klasyfikuje się jako metaloproteazy cynkowe, ponieważ jako kofaktor zawierają jon cynku. Przykłady obejmują metaloproteinazy macierzy (podrozdz. 21.7.1) i enzym konwertujący angiotensynę (podrozdz. 26.3.3 i Analiza przypadku 2).

Rolę jonów cynku jako kofaktorów w katalizie enzymatycznej dobrze ilustruje reakcja katalizowana przez deacetylazę histonową, w której usuwana jest grupa acetylowa z łańcucha bocznego N-acetylowanej reszty lizyny (podrozdz. 21.7.3). Cynk obecny w miejscu aktywnym jako Zn2+ jest utrzymywany przez trzy aminokwasy, które działają jak ligandy. Mechanizm reakcji jest podobny do mechanizmu przedstawionego na rys. 3.10 i obejmuje tworzenie oksyanionu za pomocą reszt histydyny i kwasu asparaginianowego (rys. 3.13). Jednak w tym przypadku nie ma reszty seryny, która działałaby jak nukleofil. Zamiast tego rolę nukleofila odgrywa cząsteczka wody. Jedną z katalitycznych ról cynku jest aktywacja zarówno substratu, jak i cząsteczki wody, poprzez traktowanie obu cząsteczek jako ligandów. Pomaga to również prawidłowo ustawić cząsteczkę wody w celu zajścia reakcji. Nukleofilowa addycja do grupy karbonylowej ma miejsce, gdy w czasie reakcji histydyna usuwa proton z wody. Powstaje pośredni oksyanion, który silnie oddziałuje z cynkiem. Cynk stabilizuje również powstający w stanie przejściowym ładunek ujemny. Prowadzi to do utworzenia pośredniego oksyanionu, a co za tym idzie obniżenia energii aktywacji niezbędnej do zajścia tego etapu reakcji enzymatycznej.

Rys. 3.13. Rola cynku w katalizie enzymatycznej

3.5.6. Nazewnictwo i klasyfikacja enzymów

Nazwa enzymu odzwierciedla rodzaj reakcji, którą on katalizuje oraz zawiera przyrostek -aza wskazujący na to, że mamy do czynienia z enzymem. Na przykład, enzym oksydaza katalizuje reakcję utleniania. Ważne aby pamiętać, że enzymy mogą katalizować reakcje w obie strony aż do osiągnięcia stanu równowagi. Oznacza to, że oksydaza może katalizować zarówno reakcję redukcji, jak i utleniania. Katalizowana reakcja zależy od rodzaju substratu, czyli od tego czy jest on w formie zredukowanej, czy utlenionej.

Enzymy są klasyfikowane zgodnie z ogólnym rodzajem reakcji, którą katalizują oraz są kodowane za pomocą numeru EC (tabela 3.1).

Tabela 3.1. Klasyfikacja enzymów

Numer EC

Klasa enzymu

Rodzaj reakcji

E.C.1.x.x.x

Oksydoreduktazy

Utlenianie i redukcja

E.C.2.x.x.x

Transferazy

Reakcje przeniesienia grup funkcyjnych

E.C.3.x.x.x

Hydrolazy

Reakcje hydrolizy wiązań

E.C.4.x.x.x

Liazy

Dodawanie lub usuwanie grup w celu utworzenia podwójnego wiązania

E.C.5.x.x.x

Izomerazy

Zmiany izomerii oraz wewnątrzcząsteczkowe przeniesienia grup

E.C.6.x.x.x

Ligazy

Łączenie dwóch substratów przy udziale hydrolizy ATP

Uwaga: EC (Enzyme Commission) oznacza nomenklaturę naukową opracowaną przez Komitet Nazewnictwa powołany przez Międzynarodową Unię Biochemii (International Union of Biochemistry) w 1955 roku.

3.5.7. Polimorfizm genetyczny i enzymy

Często mogą występować subtelne różnice międzyosobnicze dotyczące struktury oraz właściwości enzymu. Wynika to z faktu, że DNA kodujące białka (rozdz. 6) nie jest identyczne u wszystkich ludzi. Stwierdzono, że średnio międzyosobnicza różnica dotyczy jednej pary zasad na tysiąc. Zjawisko to znane jest jako polimorfizm genetyczny. Zasady kwasu nukleinowego kodują aminokwasy w białkach, dlatego różnica na tym poziomie może spowodować wprowadzenie innego aminokwasu do struktury białka. Często pozostaje to bez wpływu na funkcję białka, jednak nie zawsze. Niektóre polimorfizmy mogą niekorzystnie wpływać na prawidłowe funkcjonowanie enzymu, a co za tym idzie, prowadzić do ujawnienia choroby genetycznej. Inne mogą wpływać na leczenie farmakologiczne. Na przykład efektem tego zjawiska są różnice międzyosobnicze w zdolności do metabolizowania leków (podrozdz. 11.5.6). Polimorfizm może zmienić wrażliwość enzymu na lek, zmniejszając jego skuteczność. Jest to szczególny problem w terapiach przeciwnowotworowych, przeciwbakteryjnych i przeciwwirusowych, w których oporność na leki może rozwinąć się dzięki przetrwaniu komórek zawierających mniej wrażliwe enzymy (rozdz. 19–21).

3.6. Regulacja enzymów

Praktycznie wszystkie enzymy są kontrolowane przez związki, które mogą albo nasilać, albo hamować aktywność katalityczną. Kontrola ta odzwierciedla aktualne warunki w komórce. Na przykład enzym fosforylaza a katalizuje rozpad glikogenu (polimeru zbudowanego z monomerów glukozy) do podjednostek glukozo-1-fosforanu (rys. 3.14). Reakcja ta jest aktywowana przez 5'-monofosforan adenozyny (AMP), natomiast hamowana przez glukozo-1-fosforan. Zatem zwiększenie stężenia produktu (glukozo-1-fosforanu) zadziała jako samoregulujący się „wyłącznik” enzymu.

Rys. 3.14. Wewnętrzna kontrola aktywności katalitycznej fosforylazy a przez glukozo-1-fosforan i AMP

Jednak czy wiemy, w jaki sposób odbywa się ta kontrola?

Odpowiedzią jest allosteryczne miejsce wiążące, które jest zupełnie oddzielone od miejsca aktywnego (rys. 3.15) i występuje w wielu enzymach. To w tym miejscu wiążą się czynniki kontrolujące aktywność enzymu. Gdy do tego dojdzie, następuje indukowane dopasowanie, które zmienia nie tylko allosteryczne miejsce wiązania, lecz także miejsce aktywne. Związki hamujące enzym wymuszają zmianę w miejscu aktywnym, która powoduje, że staje sią ono niewidoczne dla substratu.

Rys. 3.15. Allosteryczne hamowanie enzymu

Zastanówmy się teraz, dlaczego związki hamujące aktywność enzymu wiążą się z oddzielnym, allosterycznym miejscem, a nie z samym miejscem aktywnym. Przecież gdyby związek przyłączył się do miejsca aktywnego, zablokowałby w ten sposób bezpośredni dostęp dla naturalnego substratu. Istnieją dwa wyjaśnienia tego stanu rzeczy.

Rys. 3.16. Kontrola aktywności enzymu 1 poprzez sprzężenie zwrotne produktem końcowym G

Po pierwsze, wiele enzymów, które są pod kontrolą allosteryczną, znajduje się na początku szlaku biosyntezy (rys. 3.16). Szlak biosyntezy składa się z wielu enzymów, które wydajnie działają w celu wytworzenia produktu końcowego. W efekcie, komórka będzie miała wystarczającą ilość potrzebnego produktu i będzie musiała przerwać produkcję. Najczęściej występujący mechanizm kontrolny, znany jako sprzężenie zwrotne, polega na kontroli własnej syntezy, poprzez hamowanie przez produkt końcowy, pierwszego enzymu na szlaku biochemicznym. Gdy w komórce występuje małe stężenie produktu końcowego, pierwszy enzym w szlaku nie jest hamowany i działa normalnie. Wraz ze wzrostem stężenia produktu końcowego, coraz więcej cząstek enzymu jest blokowane, a szybkość syntezy spada stopniowo. Co najważniejsze, produkt końcowy powstał z oryginalnego materiału wyjściowego na skutek wielu przemian enzymatycznych, a zatem nie jest już rozpoznawany przez miejsce aktywne pierwszego enzymu. Dlatego potrzebne jest oddzielne allosteryczne miejsce wiążące, które rozpozna produkt końcowy. Przykładem szlaku biosyntezy kontrolowanej sprzężeniem zwrotnym jest biosynteza noradrenaliny opisana w podrozdz. 23.4.

Po drugie, wiązanie produktu końcowego z miejscem aktywnym nie byłoby najskuteczniejszą metodą kontroli sprzężenia zwrotnego, ponieważ produkt musiałby konkurować z substratem o miejsce aktywne enzymu. Gdyby poziom substratu wzrósł, wówczas inhibitor zostałby wyparty i kontrola poprzez sprzężenie zwrotne zawiodłaby.

Wiele enzymów można również regulować z zewnątrz (ramka 3.1). Przyjrzymy się temu zjawisku bardziej szczegółowo w rozdz. 5. W istocie, komórki odbierają ze środowiska zewnętrznego informacje chemiczne, które uruchamiają kaskadę sygnałów wewnątrz komórki. To z kolei powoduje aktywację szlaku enzymatycznego znanego jako szlak kinaz białkowych. Kinazy białkowe odgrywają w komórce istotną rolę w kontrolowaniu aktywności enzymatycznej, fosforylując aminokwasy znajdujące się w enzymach (głównie poprzez modyfikację kowalencyjną), takie jak seryna, treonina lub tyrozyna. Na przykład, hormon adrenalina jest zewnętrznym przekaźnikiem, który uruchamia sekwencję sygnalizacyjną powodującą aktywację enzymu kinazy białkowej. Po aktywacji kinaza białkowa fosforyluje nieaktywny enzym zwany fosforylazą b (rys. 3.17).

Rys. 3.17. Zewnętrzna kontrola fosforylazy a

Ramka 3.1. Zewnętrzna kontrola enzymów przez tlenek azotu

Zewnętrzna kontrola enzymów jest zwykle inicjowana przez zewnętrzne przekaźniki chemiczne, które nie wchodzą do komórki. Istnieje jednak pewien wyjątek. Odkryto, że komórki w szlaku reakcji katalizowanych przez syntazę tlenku azotu(II) (przedstawionych na rys. 1) mogą wytwarzać gaz – tlenek azotu(II).

Tlenek azotu(II) jest gazem, dlatego może łatwo dyfundować przez błony biologiczne do komórek docelowych. Tam aktywuje enzymy zwane cyklazami, pobudzając syntezę cyklicznego GMP z GTP (rys. 2). Następnie cykliczny GMP działa jako wtórny przekaźnik informacji wpływający na inne reakcje zachodzące w komórce. W efekcie tlenek azotu(II) ma wpływ na różnorodne procesy fizjologiczne, takie jak ciśnienie krwi, neurotransmisja czy immunologiczne mechanizmy obronne.

Rys. 1. Synteza tlenku azotu

Rys. 2. Aktywacja enzymów cyklazy przez tlenek azotu(II) (NO)

Enzym ten ulega aktywacji i przekształca się w fosforylazę a. Jako taki katalizuje rozkład glikogenu i pozostaje aktywny aż do momentu powrotnej defosforylacji do fosforylazy b.

W tym przypadku fosforylacja docelowego enzymu prowadzi do aktywacji. Inne enzymy na drodze fosforylacji mogą ulegać dezaktywacji. Na przykład enzym – syntaza glikogenu, katalizujący syntezę glikogenu z glukozo-1-fosforanu, jest inaktywowana przez fosforylację i ulega aktywacji poprzez defosforylację. Ten ostatni proces jest aktywowany przez hormon – insulinę, który uruchamia odmienną kaskadę sygnalizacyjną w porównaniu z adrenaliną.

W regulacji aktywności enzymów mogą również odgrywać pewną rolę interakcje typu białko–białko. Na przykład, białka sygnałowe w błonie komórkowej są odpowiedzialne za regulację aktywności enzymów związanych z błoną (podrozdz. 5.2).

3.7. Izoenzymy

Enzymy, które mają strukturę czwartorzędową, zazwyczaj składają się z wielu podjednostek polipeptydowych. Kombinacja tych podjednostek może różnić się w różnych tkankach. Takie różnice są nazywane izoenzymami. Na przykład, dla ssaczej dehydrogenazy mleczanowej (LDH) – tetramerycznego enzymu zbudowanego z czterech podjednostek polipeptydowych, istnieje pięć różnych izoenzymów. Zidentyfikowano dwa różne typy podjednostek, które są oznaczane są „H” i „M”. Pierwsza z nich, dominuje w LDH obecnym w mięśniu sercowym, natomiast druga występuje w LDH mięśni szkieletowych. Istnieją dwa różne typy podjednostek, dlatego możliwe jest pięć różnych wariantów izozymów – HHHH, HHHM, HHMM, HMMM, MMMM. Izozymy te różnią się między sobą właściwościami. Na przykład, izozym M4, występujący w mięśniach szkieletowych katalizuje konwersję kwasu pirogronowego do kwasu mlekowego. Jest on dwukrotnie bardziej aktywny niż izoenzym H4 występujący w mięśniu sercowym. Izoenzym H4 katalizuje reakcję odwrotną i jest hamowany przez nadmiar kwasu pirogronowego, natomiast izoenzym M4 nie podlega tym regulacjom.

Podsumowanie

- • Enzymy są białkami, które w organizmie działają jak katalizatory reakcji enzymatycznych, biorąc udział w wiązaniu substratów i mechanizmie reakcji.

- • Miejsce aktywne enzymu jest zwykle zagłębieniem lub szczeliną w strukturze białka. W miejscu aktywnym występują ważne aminokwasy, które wiążą substraty lub uczestniczą w mechanizmie reakcji.

- • Wiązanie substratu z miejscem aktywnym zachodzi poprzez wiązania międzycząsteczkowe.

- • Wiązanie substratu obejmuje indukowane dopasowanie, w którym kształt aktywnego miejsca zmienia się, aby zwiększyć szanse zajścia interakcji wiążących. Proces wiązania odpowiednio ustawia substrat, co może osłabiać istotne wiązania w cząsteczce substratu, przez co ułatwia zajście reakcji.

- • Aminokwas histydyna jest często obecna w miejscach aktywnych enzymów, w których pełni funkcję katalizatora kwasowo-zasadowego. W niektórych enzymach jako katalizatory kwasowo-zasadowe działają również kwas glutaminowy, kwas asparaginowy i tyrozyna.

- • W przebiegu niektórych reakcji enzymatycznych jako nukleofile działają niektóre aminokwasy, np. seryna i cysteina. W pewnych przypadkach lizyna również może działać jako nukleofil.

- • Kofaktory są to jony metali lub małe cząsteczki organiczne (koenzymy), które są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania wielu enzymów. Koenzymy można postrzegać jako odczynniki chemiczne organizmu.

- • Grupy prostetyczne to koenzymy, które są związane kowalencyjnie z enzymem.

- • Enzymy są regulowane przez kontrolę wewnętrzną i/lub zewnętrzną.

- • Kontrola zewnętrzna obejmuje regulację inicjowaną przez chemiczny przekaźnik pochodzący spoza komórki, który ostatecznie prowadzi do fosforylacji enzymów.

- • Inhibitory allosteryczne wiążą się z innym miejscem niż miejsce aktywne enzymu, przez co powodują zmianę jego kształtu. Powoduje to, że miejsce aktywne przestaje być rozpoznawalne. Inhibitory allosteryczne często są zaangażowane w kontrolę sprzężenia zwrotnego szlaków biosyntezy.

- • Izozymy są odmianami tego samego enzymu. Katalizują tę samą reakcję, ale różnią się pierwszorzędową strukturą, specyficznością substratową oraz rozmieszczeniem w tkankach.

- • Z powodu polimorfizmu genetycznego, sekwencja aminokwasów w enzymach może różnić się międzyosobniczo. Może to powodować różnicę w aktywności enzymów, ale nie musi.

3.8. Kinetyka enzymatyczna

3.8.1. Równanie Michaelisa–Menten

Równanie Michaelisa–Menten dotyczy enzymu (E), który łączy się ze swoim substratem (S), tworząc kompleks enzym––substrat (ES). Kompleks enzym–substrat może następnie oddysocjować z powrotem do E i S lub kontynuować tworzenie produktu (P). Zakłada się, że tworzenie produktu jest nieodwracalne.

gdzie k_1, k_2 i k_3 są stałymi szybkości.

W przypadku tego typu enzymów wykreślenie krzywej szybkości reakcji enzymatycznej w funkcji stężenia substratu [S] wygląda tak, jak pokazano na rys. 3.18. Przy małych stężeniach substratu szybkość reakcji wzrasta prawie proporcjonalnie do stężenia substratu, natomiast przy dużym stężeniu substratu szybkość staje się prawie stała i zbliża do szybkości maksymalnej (wartośćmax, vmax), która jest niezależna od stężenia substratu. Odzwierciedla to sytuację, w której w mieszaninie reakcyjnej znajduje się więcej substratu niż jest dostępnych miejsc aktywnych enzymu, a więc zwiększenie stężenia substratu będzie miało niewielki wpływ na szybkość reakcji. Równanie Michaelisa–Menten opisuje zależność szybkości reakcji od stężenia substratu (rys. 3.16).

Wyprowadzenie tego równania nie zostało tutaj szczegółowo omówione, jednak Czytelnik może je znaleźć w większości podręczników do biochemii. Stała KM jest znana jako stała Michaelisa i jest równa stężeniu substratu, przy którym szybkość reakcji enzymatycznej jest równa połowie jej maksymalnej wartości. Można to opisać w następujący sposób. Jeśli KM = [S], to równanie Michaelisa–Menten będzie wyglądało następująco:

Wartość KM enzymu jest istotna, ponieważ odpowiada stężeniu substratu, przy którym połowa miejsc aktywnych w enzymie będzie zajęta. To z kolei stanowi miarę stężenia substratu wymaganego do zajścia znaczącej katalizy.

Rys. 3.18. Zależność szybkości reakcji enzymatycznej od stężenia substratu

Stała KM jest również związana ze stałymi szybkości reakcji katalizowanej enzymatycznie:

Rozważmy teraz sytuację, w której szybko dochodzi do ustalenia stanu równowagi między stężeniem S i ES oraz wolniejszej przemiany do produktu P. Oznacza to, że substrat wiąże się z miejscem aktywnym i od niego odłącza kilkakrotnie, zanim zostanie ostatecznie przekształcony w produkt.

W tych warunkach szybkość dysocjacji (k_2) kompleksu ES jest znacznie większa niż szybkość powstawania produktu (k_3). Dlatego wartość k_3 staje się w tej sytuacji nieistotna w stosunku do k_2, a równanie można uprościć następująco:

W tej sytuacji KM odpowiada stałej dysocjacji kompleksu ES i może być traktowana jako miara tego, jak mocno substrat wiąże się z enzymem.

Wysoka wartość KM wskazuje na występowanie słabego wiązania, ponieważ równowaga reakcji jest przesunięta w prawo; natomiast mała wartość KM oznacza silną interakcję, ponieważ równowaga jest przesunięta w lewa stronę. Wartość KM zależy również od rodzaju substratu i warunków środowiskowych, takich jak pH, temperatura i siła jonowa.

Maksymalna szybkość reakcji zależy od całkowitego stężenia enzymu ([E]całkowity = [E] + [ES]) w następujący sposób:

Znając szybkość maksymalną oraz stężenie enzymu, możemy określić wartość k_3. Na przykład, anhydraza węglanowa, w roztworze zawierającym 10–6 mola enzymu, katalizuje powstawanie wodorowęglanu z szybkością maksymalną wynoszącą 0,6 mola cząsteczek wodorowęglanu wytwarzanych w czasie jednej sekundy Zmieniając powyższe równanie, k_3 można określić w następujący sposób:

Z tego wynika, że każda cząsteczka enzymu katalizuje tworzenie 600 000 cząsteczek wodorowęglanu na sekundę. Liczba obrotów to czas potrzebny do zajścia każdej katalizowanej reakcji, tj. 1/600 000 = 1,7 μs.

3.8.2. Wykresy Lineweavera–Burka

Rys. 3.19. Wykres Lineweavera–Burka

Z kinetyką Michaelisa–Menten jest związany jeden problem. Polega on na tym, że możemy nie mieć wystarczającej liczby danych tworzących krzywą, aby ustalić, czy na wykresie Michaelisa–Menten została osiągnięta wartość szybkości maksymalnej, czy też nie. Oznacza to, że wartości szybkości maksymalnej i stałej KM prawdopodobnie będą wyznaczone nieprecyzyjnie. Znacznie dokładniejsze wartości tych parametrów można uzyskać, wykreślając zależność odwrotności szybkości reakcji od stężenia substratu, uzyskując w ten sposób wykres Lineweavera–Burka (rys. 3.19):

Wówczas szybkość maksymalną możemy odczytać w miejscu przecięcia krzywej z osią y, natomiast wartość KM można uzyskać z nachylenia krzywej lub przecięcia z osią x.

Podsumowanie

- • Równanie Michaelisa–Menten pokazuje zależność szybkości reakcji enzymatycznej od stężenia substratu.

- • Stała Michaelisa jest równa stężeniu substratu, przy którym szybkość reakcji katalizowanej przez enzym osiągnie połowę swojej wartości maksymalnej.

Pytania

1. Enzymy mogą być stosowane w syntezie organicznej. Na przykład, reakcja redukcji aldehydu jest katalizowana przez dehydrogenazę aldehydową. Niestety reakcja ta wymaga zastosowania kofaktora NADH, który jest drogi i ulega zużyciu w trakcie reakcji. Jeśli do reakcji dodamy etanol, niezbędne będą tylko katalityczne ilości kofaktora. Dlaczego tak się dzieje?

2. Acetylocholina jest substratem dla enzymu acetylocholinoesterazy. Zasugeruj, jakie rodzaje interakcji mogą być zaangażowane w utrzymanie acetylocholiny w miejscu aktywnym enzymu.

3. Wiązanie estrowe w cząsteczce acetylocholiny jest hydrolizowane przez acetylocholinoesterazę. Zaproponuj mechanizm reakcji, dzięki któremu enzym katalizuje tę reakcję.

4. Zaproponuj, w jaki sposób interakcje między wiązaniami mogą spowodować, że cząsteczka acetylocholiny będzie bardziej podatna na hydrolizę.

5. Dehydrogenaza 17β-hydroksysteroidowa typu 1 (17β-HSD1) jest enzymem, który katalizuje w obecności kofaktora NADH, konwersję estronu do estradiolu. Początkowe dane dotyczące szybkości reakcji katalizowanej enzymem pod nieobecność inhibitora są następujące:

Stężenie substratu (10–2 mol · dm–3)

5

10

25

50

100

Szybkość początkowa (10–1 mol · dm–3 · s–1)

28,6

51,5

111

141

145

Narysuj wykres Michaelisa–Menten oraz wykres Lineweavera–Burka. Wykorzystaj oba wykresy, aby obliczyć wartość stałej KM oraz szybkości maksymalnej reakcji. Określ, który wykres umożliwi otrzymanie dokładniejszych wyników oraz wyjaśnij, dlaczego tak się dzieje.

6. Dehydrogenaza mleczanowa jest 1000-krotnie bardziej selektywna w stosunku do mleczanu jako substratu niż do jabłczanu. Jednak, jeśli wystąpi mutacja zmieniająca w miejscu aktywnym resztę kwasu glutaminowego na resztę argininy, enzym wykaże się 10 000-krotnie większą selektywnością w stosunku do jabłczanu w porównaniu z mleczanem. Wyjaśnij tę zadziwiającą zmianę.

7. Dlaczego wiązanie wodorowe przedstawione na rys. 3.10 powinno okazać się silniejsze w stanie przejściowym,a nie w przypadku wiązania z substratem?

Inne pytania wielokrotnego wyboru są dostępne na stronie www.oxfordtextbooks.co.uk/orc/patrick6e/

Literatura dodatkowa

Broadwith, P. (2010) Enzymes do the twist. Chemistry World, February, p. 30.

Teague, S. J. (2003) Implications of protein flexibility for drug discovery. Nature Reviews Drug Discovery, 2, 527–41.

Polecana literatura uzupełniająca znajduje się w tym rozdziale.

4. Receptory: budowa i funkcja

W tym rozdziale omówimy budowę oraz funkcję, jaką pełnią receptory. Wpływ leków na receptory został omówiony w rozdziale 8 i innych rozdziałach w całym tekście.

4.1. Rola receptora

W medycynie, zdecydowanie najważniejszymi celami działania leków są receptory białkowe. Mają swój udział w powstawaniu takich dolegliwości jak ból, depresja, choroba Parkinsona, psychoza, niewydolność serca, astma oraz wiele innych problemów. A więc, czym są te receptory i jak funkcjonują?

W złożonym organizmie musi istnieć sprawny system komunikacji między komórkami. Przecież gdyby poszczególne komórki serca kurczyły się w różnym czasie, nie miałoby to żadnego sensu. Serce byłoby wtedy chwiejną masą, zupełnie niespełniającą swojej podstawowej funkcji pompy. Aby wszystkie komórki mięśnia sercowego kurczyły się w tym samym czasie, jest niezbędna komunikacja międzykomórkowa. To samo dotyczy wszystkich organów i tkanek organizmu, jeśli mają one działać w skoordynowany i kontrolowany sposób.

Za kontrolę i komunikację odpowiadają przede wszystkim mózg i rdzeń kręgowy (ośrodkowy układ nerwowy, ang. the central nervous system). To dzięki nim, za pośrednictwem rozległej sieci nerwów, odbierane oraz wysyłane są informacje (rys. 4.1).

Rys. 4.1. Ośrodkowy układ nerwowy (AC = acetylocholina; NA = noradrenalina). Udostępniono za zgodą autora: Mann, Murder, magic, and medicine, Oxford University Press (1992)

Dokładny mechanizm, za pomocą którego nerwy przesyłają informacje został szczegółowo przedstawiony w Załączniku 4. Na tym etapie nauki, wystarczy wiedzieć, że informacja jest impulsem elektrycznym, który przemieszcza się w wzdłuż komórki nerwowej (neuronu) do określonego celu, nieważne, czy jest to komórka mięśniowa, czy też włókno nerwowe.

Gdyby jednak przenoszenie informacji polegało tylko na tym, trudno byłoby sobie wyobrazić, w jaki sposób leki mogłyby wpływać na taki system komunikacji. Jedna cecha tego systemu jest istotna dla zrozumienia sposobu działania leku. Otóż włókna nerwowe nie są bezpośrednio powiązane ze swoimi komórkami docelowymi, lecz kończą się tuż przed nią. Odległość jest maleńka, ok. 100 Å (10 nm), ale jest to przestrzeń, której impuls elektryczny nie jest w stanie przeskoczyć.

Dlatego musi istnieć metoda przenoszenia informacji przez szczelinę między zakończeniem nerwu a komórką docelową. Rozwiązaniem problemu jest uwolnienie przekaźnika chemicznego, zwanego neuroprzekaźnikiem, z komórki nerwowej (rys. 4.2).

RYS. 4.2. Neuroprzekaźniki pełniące funkcję przekaźników chemicznych, które wiążą się z receptorami i wywołują reakcje w komórce

Po uwolnieniu przekaźnik chemiczny dyfunduje przez szczelinę do komórki docelowej, gdzie wiąże się i oddziałuje ze specyficznym białkiem (receptorem) osadzonym w błonie komórkowej. Proces przyłączenia neuroprzekaźnika do receptora prowadzi do wywołania kaskady efektów wtórnych, co powoduje albo przepływ jonów przez błonę komórkową, albo aktywację (lub dezaktywację) enzymów wewnątrz komórki docelowej. Wówczas następuje odpowiedź biologiczna, taka jak skurcz komórki mięśniowej lub aktywacja metabolizmu kwasów tłuszczowych w komórce tłuszczowej.

Langley, jako pierwszy, w 1905 roku wysnuł wniosek o istnieniu receptorów. Do tego momentu uważano, że leki hamują uwalnianie neuroprzekaźnika z neuronu. Jednak Langley wykazał, że pewne komórki docelowe mogły zareagować na nikotynę, nawet gdy neurony zasilające te komórki były martwe.

Do tej pory rozważaliśmy problem komunikacji komórkowej z udziałem neuronów i neuroprzekaźników, ale komórki również otrzymują komunikaty chemiczne od krążących hormonów. I w tym przypadku, receptory są odpowiedzialne za wiązanie tych przekaźników informacji oraz wywołanie szeregu efektów wtórnych.

W rozdziale 5 omówimy bliżej efekty wtórne i sposób, w jaki będą one wywoływały działanie biologiczne. Jednak na ten moment ważne jest, aby pamiętać, że system komunikacji zależy przede wszystkim od reakcji chemicznej i przekaźnika chemicznego. Dlatego też powinno być możliwe, aby inne związki (leki) mogły wpływać lub oddziaływać na ten proces.

4.2. Neuroprzekaźniki i hormony

Znanych jest wiele różnorodnych przekaźników, które działają na receptory i które różnią się znacznie, zarówno pod względem budowy, jak i złożoności struktury. Niektóre neuroprzekaźniki, takie jak monoaminy (np. acetylocholina, noradrenalina, dopamina i serotonina) lub aminokwasy (np. kwas γ-aminomasłowy (GABA), kwas glutaminowy i glicyna) to proste cząsteczki (rys. 4.3).

RYS. 4.3. Przykładowe wzory neuroprzekaźników oraz hormonu adrenaliny

Nawet jon wapnia może działać jako przekaźnik chemiczny. Inne przekaźniki chemiczne są bardziej złożone w swojej strukturze, należą do nich lipidy, takie jak prostaglandyny; puryny, takie jak adenozyna lub ATP (rozdz. 6); neuropeptydy, takie jak endorfiny i enkefaliny (podrozdz. 24.8); hormony peptydowe, takie jak angiotensyna lub bradykinina; a nawet enzymy, takie jak trombina.

Na ogół włókno nerwowe uwalnia jeden typ neuroprzekaźnika, a receptor, który czeka na niego w docelowej komórce, jest dla tego przekaźnika specyficzny. Nie oznacza to jednak, że komórka docelowa ma tylko jeden typ receptora białkowego. Każda docelowa komórka komunikuje się z dużą liczbą włókien nerwowych, które nie wykorzystują tylko jednego, tego samego neuroprzekaźnika (rys. 4.4).

RYS. 4.4. Komórka docelowa zawierająca różne specyficzne receptory dla różnych typów przekaźników

Dlatego komórka docelowa będzie miała inne typy receptorów specyficznych dla różnych neuroprzekaźników. Może również mieć receptory oczekujące na otrzymywanie informacji od przekaźników chemicznych, które mają znacznie większe odległości do przebycia. Są to hormony uwalniane do układu krążenia przez różne gruczoły w organizmie. Najbardziej znanym przykładem hormonu jest adrenalina. Kiedy grozi nam niebezpieczeństwo lub mamy wykonać ciężką pracę fizyczną, gruczoł nadnercza uwalnia adrenalinę do krwi, przygotowując organizm do intensywnego wysiłku.

Hormony i neuroprzekaźniki można rozróżniać na podstawie drogi, jaką przebywają, lub sposobu ich uwalniania. Jednak ich działanie po osiągnięciu celu jest zawsze takie samo. Obydwa przekaźniki działają na receptory, dzięki czemu wiadomość zostaje przekazana. Komórka reaguje na informacje, dopasowując odpowiednio swoje wewnętrzne procesy chemiczne, a wynikiem tego jest odpowiedź biologiczna.

4.3. Typy i podtypy receptorów

Receptory są rozpoznawane i aktywowane przez specyficzny neuroprzekaźnik lub hormon. Tak więc, receptor aktywowany przez dopaminę jest nazywany receptorem dopaminergicznym, receptor aktywowany przez acetylocholinę nazywamy receptorem cholinergicznym, a receptor aktywowany przez adrenalinę lub noradrenalinę – receptorem adrenergicznym lub adrenoreceptorem.

Jednak nie wszystkie receptory aktywowane przez ten sam przekaźnik chemiczny, są dokładnie takie same w całym organizmie. Na przykład receptory adrenergiczne w płucach różnią się nieco od receptorów adrenergicznych w sercu. Różnice te wynikają z niewielkich zmian w składzie aminokwasów. Jeśli zmiany te dotyczą miejsca wiązania, stwarza to możliwość zaprojektowania leków, które będą potrafiły je rozróżnić. Na przykład leki adrenergiczne mogą być zaprojektowane jako związki selektywnie działające na receptory w płucach lub w sercu. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją różne typy i podtypy danego receptora, które zwykle są oznaczane za pomocą cyfr lub liter. Jednak receptory, które zostały odkryte dawno temu, mają nazwy pochodzące od pobudzających je związków naturalnych, przykładem mogą być receptory cholinergiczne typu muskarynowego i nikotynowego (podrozdz. 22.4).

Przykłady niektórych typów i podtypów receptorów przedstawiono na rys. 4.16. Wiele podtypów receptorów odkryto stosunkowo niedawno. Obecnie, szczególną uwagę w chemii medycznej przykłada się do projektowania leków, które są wysoce selektywne w stosunku do konkretnych typów i podtypów receptorów. Dzięki temu można otrzymać leki selektywne wobec konkretnej tkanki oraz wywołujące mniej działań niepożądanych.

4.4. Aktywacja receptora

Receptor jest cząsteczką białka zwykle osadzoną w błonie komórkowej, której część struktury jest eksponowana na zewnątrz komórki. Powierzchnia białka ma skomplikowany kształt, zawiera okrągłe i podłużne wgłębienia oraz wypiętrzenia. Gdzieś w tej skomplikowanej strukturze znajduje się obszar, który ma odpowiedni kształt umożliwiający przyłączenie przychodzącego przekaźnika. Obszar ten zwany jest miejscem wiążącym i jest analogiczny do miejsca aktywnego enzymu (podrozdz. 3.3). Gdy przekaźnik chemiczny pasuje do tego miejsca, „włącza” cząsteczkę receptora i wiadomość zostaje przekazana (rys. 4.5).

RYS. 4.5. Wiązanie chemicznego przekaźnika informacji z receptorem białkowym

Istnieje jednak istotna różnica między enzymami i receptorami, ponieważ przekaźnik chemiczny nie ulega reakcji chemicznej. Dopasowuje się do miejsca wiążącego receptora białkowego, przekazuje informację, a następnie opuszcza receptor w niezmienionej formie. Jeżeli nie zachodzi żadna reakcja, to w takim razie, co się dzieje? W jaki sposób przekaźnik chemiczny przekazuje informacje receptorowi i w jaki sposób ta wiadomość zostaje przekazana do komórki?

Pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę, jest fakt, że gdy przekaźnik dopasowuje się do miejsca wiążącego receptora białkowego, to powoduje zmianę jego kształtu. Zjawisko to jest znane jako dopasowanie indukowane. To z kolei, rodzi szereg konsekwencji, ponieważ, jak w efekcie domina, zapoczątkowuje to zmianę kształtu całego białka. Ale w jaki sposób zachodzi indukowane dopasowanie oraz jakie znaczenie ma zmiana kształtu receptora?

4.5. Jak zmienia się kształt miejsca wiążącego?

Wiemy już, że miejsce wiążące receptora zmienia kształt, w momencie przyłączania się do niego przekaźnika chemicznego. Nie jest to proces formowania, w którym miejsce wiązania owija się wokół przekaźnika. W rzeczywistości indukowane dopasowanie powstaje dzięki oddziaływaniom międzycząsteczkowym zachodzącym między przekaźnikiem a miejscem wiążącym. Jest to dokładnie ten sam proces, który zachodzi, gdy substrat wiąże się z miejscem aktywnym enzymu (podrozdz. 3.5.1). Jednak w tym przypadku, po związaniu przekaźnika z receptorem, nie zachodzi żadna reakcja enzymatyczna.

Rys. 4.6. Hipotetyczny receptor i neuroprzekaźnik

Aby zilustrować, w jaki sposób oddziaływanie wiązań powoduje indukowane dopasowanie, na rys. 4.6 przedstawiono rozważania dotyczące hipotetycznego neuroprzekaźnika i hipotetycznego miejsce wiążącego. Neuroprzekaźnik zawiera pierścień aromatyczny, który może uczestniczyć w oddziaływaniach van der Waalsa, grupę alkoholową (OH), która może brać udział w tworzeniu wiązań wodorowych, oraz atom azotu obdarzony ładunkiem dodatnim, który może uczestniczyć w oddziaływaniach jonowych lub elektrostatycznych. Te grupy funkcyjne są grupami wiążącymi przekaźnika.

Hipotetyczne miejsce wiążące zawiera trzy regiony wiążące, które zawierają grupy funkcyjne, komplementarne wobec grup wiążących przekaźnika. Struktura przekaźnika informacji jest tak dopasowana do miejsca wiążącego receptora, że możliwe jest wystąpienie interakcji międzycząsteczkowych pomiędzy grupami wiążącymi przekaźnika a obszarami wiążącymi receptora (rys. 4.7).

RYS. 4.7. Wiązanie hipotetycznego neuroprzekaźnika do miejsca wiążącego, co powoduje indukowane dopasowanie

Jednak dopasowanie to nie zawsze jest idealne. Na diagramie widoczne są dobre warunki do oddziaływania van der Waalsa i utworzenia wiązania wodorowego, ale oddziaływanie jonowe nie jest tak silne, jak mogłoby być. W miejscu wiążącym, region jonowy jest wystarczająco blisko przekaźnika, aby utworzyć z nim słabą interakcję, ale nie jest na tyle blisko, aby utworzyć interakcję optymalną. Zatem receptor białkowy zmienia kształt, w taki sposób, aby zbliżyć grupę karboksylanową do dodatnio naładowanego atomu azotu, co pozwala uzyskać znacznie silniejsze odziaływania między nimi. W wyniku tego zmienia się kształt miejsca wiążącego i następuje indukowane dopasowanie.

Proces indukowanego dopasowania jest przedstawiony na rys. 4.7 w znacznym uproszczeniu. W rzeczywistości zarówno przekaźnik, jak i miejsce wiążące przyjmują różne konformacje lub kształty, w celu zwiększenia siły wiązania między nimi. Podobnie jak w przypadku wiązania enzymu z substratem, także w odziaływaniu receptora z przekaźnikiem wytwarza się stan precyzyjnej równowagi. Siły wiązania muszą być wystarczająco mocne, aby zmienić kształt miejsca wiążącego. Z drugiej strony, nie mogą być zbyt mocne, aby przekaźnik mógł się odłączyć. Większość neuroprzekaźników szybko wiąże się z ich receptorami, a następnie, po przekazaniu wiadomości – uwalnia.

Dowiedzieliśmy się już, jak przekaźnik chemiczny może powodować indukowane dopasowanie w miejscu wiążącym receptora białkowego. Jednak to indukowane dopasowanie powoduje efekt domina, który zmienia kształt całego białka. I to właśnie ta zmiana struktury całego białka jest kluczowym elementem aktywacji receptora oraz wywołania zdumiewającej kaskady reakcji chemicznych zachodzących we wnętrzu komórki. W przebieg kaskady reakcji chemicznych jest zaangażowanych wiele różnych białek i enzymów, co ostatecznie prowadzi do wystąpienia obserwowanego efektu biologicznego. Proces ten, nazywany jest transdukcją sygnału i jest opisany bardziej szczegółowo w rozdziale 5. Ważną cechą tego procesu jest wzmocnienie sygnału. Oznacza to, że stosunkowo niewielka liczba cząsteczek neuroprzekaźnika może mieć niezwykle istotny wpływ na przemiany chemiczne zachodzące w komórce. W tym rozdziale skupiliśmy się na strukturze różnych receptorów oraz procesie ich aktywacji, a także powstawaniu szlaku sygnałowego w komórce.

Istnieją trzy główne typy (lub rodziny) receptorów błonowych:

- • receptory kanałów jonowych,

- • receptory sprzężone z białkiem G,

- • receptory związane z kinazą.

Omówimy je kolejno w podrozdziałach 4.6–4.8.

Podsumowanie

- • Większość receptorów to białka związane z błoną komórkową, zawierające zewnętrzne miejsce wiążące dla hormonów lub neuroprzekaźników. Przyłączenie przekaźnika powoduje indukowane dopasowanie, które zmienia konformację receptora. Proces ten wyzwala szereg zdarzeń, których efektem są reakcje chemiczne zachodzące wewnątrz komórki.

- • Neuroprzekaźniki i hormony podczas wiązania z receptorami nie ulegają przemianom. Po przekazaniu wiadomości, opuszczają miejsce wiążące bez żadnych zmian.

- • Interakcje, które przyłączają przekaźnik chemiczny do miejsca wiążącego, muszą być wystarczająco silne, aby umożliwić przyjęcie informacji chemicznej, z drugiej strony na tyle słabe, aby pozwolić przekaźnikowi się odłączyć.

- • Grupy wiążące są grupami funkcyjnymi obecnymi na cząsteczce przekaźnika, które biorą udział w reakcji przyłączenia do miejsca wiążącego receptora.

4.6. Receptory kanału jonowego

4.6.1. Zasady ogólne

Niektóre neuroprzekaźniki działają poprzez kontrolowanie kanałów jonowych. Czym są te kanały jonowe i dlaczego są one niezbędne? Spójrzmy ponownie na strukturę błony komórkowej.

Jak opisano w podrozdziale 1.2.1, błona komórkowa składa się z dwóch warstw cząsteczek fosfolipidów, ułożonych w taki sposób, że wnętrze błony komórkowej jest „tłuszczowe”, czyli ma właściwości hydrofobowe. Taka bariera utrudnia polarnym molekułom lub jonom przemieszczanie się do środka lub na zewnątrz komórki. Jednak przechodzenie tych związków przez barierę błony komórkowej jest bardzo ważne. Przemieszczanie się na przykład jonów sodu i potasu przez błonę komórkową jest potrzebne dla prawidłowego funkcjonowania włókien nerwowych (Załącznik 4). Wydaje się, że jest to bardzo trudny do rozwiązania problem, lecz i w tym przypadku wszechobecne białka rozwiązują go, tworząc właśnie kanały jonowe.

Kanały jonowe to kompleksy złożone z przechodzących przez błonę komórkową podjednostek białkowych (rys. 4.8). We wnętrzu tego kompleksu powstaje wolna przestrzeń, wyściełana polarnymi aminokwasami, która tworzy hydrofilowy tunel lub kanał.

RYS. 4.8. Struktura kanału jonowego. Pogrubione linie pokazują hydrofilowe boki kanału

Jony mogą przenikać przez barierę lipidową błony komórkowej, przemieszczając się przez te hydrofilowe kanały lub tunele. Jednak musi istnieć jakaś kontrola tego procesu. Innymi słowy, musi istnieć jakiś „zamek i klucz” do „bramy”, którą można w razie potrzeby otwierać lub zamykać. Przypuszczenie, że zamek powinien być kontrolowany przez receptor białkowy wrażliwy na zewnętrzne przekaźniki chemiczne jest uzasadnione, i tak właśnie się dzieje w wielu kanałach jonowych. W rzeczywistości receptor białkowy jest integralną częścią kanału jonowego i stanowi jedną lub większą liczbą składowych podjednostek białkowych. W stanie spoczynku kanał jonowy jest zamknięty (tzn. brama jest zamknięta). Gdy jednak przekaźnik chemiczny wiąże się z zewnętrznym miejscem wiążącym receptora białkowego, receptor zmienia kształt. To z kolei wywołuje zmianę kształtu kompleksu białkowego otwierającego bramę co pozwala na przejście jonów przez kanał jonowy (rys. 4.9). Przyjrzymy się temu dokładniej w podrozdz. 4.6.3.

RYS. 4.9. Mechanizm blokujący i otwierający bramę kanałów jonowych

Działanie kanału jonowego wyjaśnia, dlaczego stosunkowo niewielka liczba cząsteczek neuroprzekaźnika, uwalnianych przez neuron, może wywoływać tak znaczący wpływ biologiczny na komórkę docelową. Otwarcie kilku kanałów jonowych mobilizuje bowiem wiele tysięcy jonów przypadających na pojedynczą cząsteczkę neuroprzekaźnika. Co więcej, związanie neuroprzekaźnika z kanałem jonowym powoduje natychmiastową reakcję, rzędu kilku milisekund. Dlatego w synaptycznej transmisji sygnałów między neuronami zwykle uczestniczą kanały jonowe.

Kanały jonowe są specyficzne dla określonych jonów. Na przykład, istnieją odmienne kationowe kanały jonowe dla jonów sodu (Na+), potasu (K+) czy wapnia (Ca2+). Występują również anionowe kanały jonowe dla jonów chlorkowych (Cl−). Selektywność jonowa różnych kanałów jonowych zależy od rodzaju aminokwasów wyściełających kanał jonowy. Warto zauważyć, że mutacja tylko jednego aminokwasu w tym obszarze jest wystarczająca do zmiany kanału jonowego selektywnego dla kationów na taki, który jest selektywny dla anionów.

4.6.2. Struktura kanałów jonowych

Podjednostki białkowe tworzące kanał jonowy są w rzeczywistości glikoproteinami (podrozdziały 2.5 i 10.7.1), jednak, w tym rozdziale, będziemy o nich mówić jak o zwykłych białkach. Podjednostki białkowe tworzące kanał jonowy nie są identyczne. Na przykład, kanał jonowy kontrolowany przez cholinergiczny receptor nikotynowy, składa się z pięciu podjednostek czterech różnych typów (dwa α, β, γ, δ). Natomiast kanał jonowy kontrolowany przez receptor dla glicyny składa się z pięciu podjednostek dwóch różnych typów (3 α, 2 β) (rys. 4.10).

RYS. 4.10. (a) Pentameryczna struktura kanałów jonowych (widok poprzeczny): I – kanał jonowy kontrolowany przez cholinergiczny receptor nikotynowy; II – kanał jonowy kontrolowany przez receptor dla glicyny. Zaznaczone na kolorowo koła wskazują miejsca wiązania liganda. (b) Poprzeczny przekrój struktury I, z uwzględnieniem regionów transbłonowych

Białkiem receptorowym w kanale jonowym kontrolowanym przez glicynę jest podjednostka α. W strukturze kanału jonowego są obecne trzy takie podjednostki, wszystkie zdolne do interakcji z glicyną. Jednak, nieco bardziej złożona sytuacja występuje w przypadku kanału jonowego receptora nikotynowego, który kontrolowany jest przez neuroprzekaźnik – acetylocholinę. Większa część miejsca wiążącego jest zlokalizowana na podjednostce α, ale swój udział mają także sąsiednie podjednostki. W tym przypadku wszystkie podjednostki kanału jonowego mogą być postrzegane jako receptor.

Skoncentrujmy się teraz na poszczególnych podjednostkach białkowych. Chociaż istnieją różne ich typy, wszystkie tworzą się w podobny sposób, tak że łańcuch białkowy czterokrotnie przechodzi przez błonę komórkową. Oznacza to, że każda podjednostka ma cztery obszary transbłonowe (TM), które mają charakter hydrofobowy. Są one oznaczone jako TM1–TM4. Istnieje również długi, N-końcowy łańcuch zewnątrzkomórkowy, który (w przypadku podjednostki α) zawiera miejsce wiążące ligand (rys. 4.11).

RYS. 4.11. Struktura czterech transbłonowych podjednostek receptora (4-TM)

Podjednostki są rozmieszczone w ten sposób, że drugi region transbłonowy każdej podjednostki, jest zwrócony do wnętrza kanału jonowego (rys. 4.10). Zrozumiemy znaczenie tej struktury, gdy przeczytamy następny podrozdział.

4.6.3. Bramkowanie

W momencie przyłączenia ligandu do receptora, dochodzi do zmiany jego kształtu (indukowane dopasowanie). Poprzez wpływ na kompleks podjednostek białkowych następuje otworzenie kanału jonowego. Proces ten nazywany jest bramkowaniem (rys. 4.12).

RYS. 4.12. Otwieranie kanału jonowego (bramkowanie)

Przyłączenie neuroprzekaźnika do jego miejsca wiązania powoduje zmianę konformacji receptora, która ostatecznie otwiera kanał jonowy, co umożliwia przepływ jonów. Zmiana konformacji jest złożonym procesem, w zapoczątkowanie którego jest zaangażowanych wiele przemian. Wynika to z faktu, że miejsce wiążące jest dość daleko od wejścia do kanału jonowego. Badania wykazały, że „zamek do bramy” kanału jonowego składa się z pięciu skręconych α-helis (domeny TM2). Każda z tych helis (domen) pochodzi od jednej z pięciu białkowych podjednostek. W stanie zamkniętym domeny są zagięte ku sobie. Zmiana konformacji indukowana przez przyłączenie liganda powoduje, że każda z tych helis obraca się tak, że załamanie przestawia się w drugą stronę, otwierając w ten sposób kanał jonowy (rys. 4.13).

RYS. 4.13. Otwarcie „bramy” kanału jonowego

4.6.4. Kanały jonowe bramkowane ligandem i napięciem

Kanały jonowe, które omówiliśmy powyżej, nazywane są kanałami jonowymi bramkowanymi ligandami, ponieważ są one kontrolowane przez przekaźniki chemiczne (ligandy). Istnieją również inne typy kanałów jonowych, które nie są kontrolowane przez ligandy. Są one wrażliwe na różnicę potencjału, która istnieje w błonie komórkowej, czyli na potencjał błonowy. Tego typu kanały jonowe są obecne w aksonach komórek nerwowych (tj. neuronów) i są nazywane kanałami jonowymi bramkowanymi napięciem. Odgrywają one kluczową rolę w przenoszeniu sygnału wzdłuż poszczególnych neuronów. Są również ważnym celem działania leków stosowanych jako środki miejscowo znieczulające. Szczegółowy opis kanałów jonowych przedstawiono w Załączniku 4. Kanały jonowe bramkowane napięciem odgrywają również ważną rolę w kontrolowaniu ciśnienia krwi i pracy serca (podrozdz. 26.6.1).

Podsumowanie

- • Receptory kontrolujące kanały jonowe są integralną częścią kanału jonowego. Przyłączenie przekaźnika powoduje zmianę kształtu, co skutkuje szybkim otwarciem kanału jonowego.

- • Receptory kontrolujące kanały jonowe są nazywane receptorami kanałów jonowych bramkowanymi przez ligand. Wiele z nich składa się z pięciu podjednostek białkowych, przy czym miejsce wiążące receptora znajduje się na jednej lub większej liczbie podjednostek.

4.7. Receptory sprzężone z białkiem G

4.7.1. Wiadomości ogólne

W chemii medycznej za jednym z ważniejszych celów działania leków są receptory sprzężone z białkiem G (ang. G-protein-coupled receptors GPCRs). Rzeczywiście, około 30% wszystkich leków na rynku działa poprzez wiązanie się z tymi receptorami. Należą do nich receptory muskarynowe (podrozdz. 22.11), adrenergiczne (podrozdz. 23.2) oraz receptory opioidowe (podrozdz. 24.4).

Czas reakcji receptorów sprzężonych z białkiem G, po ich aktywowaniu, mierzy się w sekundach. Jest to wolniejsza reakcja niż odpowiedź kanałów jonowych, ale znacznie szybsza niż receptorów sprzężonych z kinazami (rozdz. 4.8), która zajmuje kilka minut. Istnieje wiele różnych receptorów sprzężonych z białkiem G oddziałujących z ważnymi neuroprzekaźnikami, takimi jak acetylocholina, dopamina, histamina, serotonina, kwas glutaminowy i noradrenalina. Niektóre receptory sprzężone z białkiem G są aktywowane przez hormony peptydowe i białkowe, takie jak enkefaliny i endorfiny.

Receptory sprzężone z białkami G są związanymi z błoną białkami, które mogą aktywować inne białka, zwane białkami G (rys. 4.14). Następnie białka G rozdzielają się i pełnią funkcję białek sygnałowych, poprzez aktywację lub dezaktywację enzymów związanych z błoną (podrozdz. 5.1–5.3). Efektem aktywacji GPCR przez przekaźnik chemiczny jest uruchomienie procesu, który reguluje reakcje zachodzące w komórce.

Receptor białkowy GPCR jest osadzony w błonie komórkowej, natomiast na jej zewnętrznej powierzchni znajduje się miejsce wiążące dla przekaźnika chemicznego. Kolejne miejsce wiążące, które jest niedostępne przy niepobudzonym receptorze, jest zlokalizowane na wewnętrznej powierzchni błony (rys. 4.14, ramka 1).

RYS. 4.14. Aktywacja receptora sprzężonego z białkiem G i białka G

Przyłączenie przekaźnika chemicznego do jego miejsca wiązania powoduje zmianę kształtu receptora białkowego GPCR, co z kolei otwiera dostęp do miejsca wiązania na wewnętrznej powierzchni. To nowe miejsce wiązania jest rozpoznawane przez białko G, które następnie przyłącza się do niego (rys. 4.14, ramka 2). Białko G znajduje się na wewnętrznej powierzchni błony komórkowej i składa się z trzech podjednostek białkowych. Jednak po aktywacji receptora GPCR kompleks ulega destabilizacji i dzieli się na monomer i dimer (rys. 4.14, ramka 3). Następnie, powstałe podjednostki oddziałują z enzymami związanymi z błoną, aby kontynuować proces przekazywania sygnału w komórce (podrozdz. 5.1–5.3).

Istnieje kilka różnych rodzajów białek G, które są rozpoznawane przez różne typy receptorów. Niektóre z podjednostek, powstających po aktywacji białka G, hamują działanie enzymów związanych z błoną, podczas gdy inne powodują ich aktywację. Niemniej jednak, mechanizm dzięki któremu białko G ulega aktywacji, jest taki sam w obu przypadkach i polega na fragmentacji białka G na podjednostki. Proces ten wiąże się również ze znacznym wzmocnieniem sygnału, ponieważ jeden pobudzony receptor aktywuje kilka białek G.

4.7.2. Struktura

Receptory sprzężone z białkiem G są zbudowane z silnie pofałdowanego łańcucha białkowego, zanurzonego w błonie komórkowej w taki sposób, że przechodzi on siedmiokrotnie w jedną i drugą stronę błony (rys. 4.15).

RYS. 4.15. Struktura receptorów sprzężonych z białkiem G

Każda z utworzonych siedmiu domen transbłonowych ma strukturę helikalną i hydrofobowy charakter. Powstałe helisy zazwyczaj opisywane są cyframi rzymskimi (I, II, itd.), zaczynając numerację od N-końca łańcucha białkowego. Białka G są również nazywane receptorami 7-TM, ze względu na liczbę domen transbłonowych. Białko G przyłączone jest do C-końca łańcucha białkowego receptora, który znajduje się po wewnętrznej stronie błony komórkowej oraz do cytoplazmatycznej zmiennej pętli receptora (pętla jest tak nazywana, ponieważ jej długość jest różna w zależności od rodzaju receptora). Jak można się spodziewać, miejsce wiążące neuroprzekaźnik lub przekaźnik hormonalny znajduje się w zewnątrzkomórkowej części białka. Lokalizacja miejsca wiążącego w receptorze jest odmienna dla różnych typów receptorów. Na przykład, miejsce wiążące receptora adrenergicznego znajduje się w głębokiej kieszeni między helisami transbłonowymi, natomiast miejsce wiążące receptora glutaminowego obejmuje wysunięty ponad powierzchnię błony komórkowej N-końcowy fragment białka.

4.7.3. Rodzina receptorów rodopsynopodobnych sprzężonych z białkiem G

W celu najbardziej znanych chemii medycznej przekaźników chemicznych (np. kwas glutaminowy, GABA, noradrenalina, dopamina, acetylocholina, serotonina, prostaglandyny, adenozyna, endogenne opioidy, angiotensyna, bradykinina i trombina) receptorami komórkowymi są właśnie receptory sprzężone z białkiem G. Z uwagi na strukturalną różnorodność przekaźników chemicznych biorących udział w przekazywaniu informacji, godny uwagi jest fakt, że ogólna budowa receptorów GPCR jest tak podobna. Niemniej jednak, pomimo podobieństwa ogólnej struktury, istnieją znaczące różnice w sekwencji aminokwasowej tych receptorów. Oznacza to, że receptory GPCR ewoluowały przez miliony lat z białka pochodzącego od wspólnego pradawnego przodka. Porównanie sekwencji aminokwasowych receptorów GPCR pozwala nam zbudować drzewo ewolucyjne i pogrupować receptory tej nadrodziny w różne podrodziny, które są klasyfikowane jako klasa A (receptory rodopsynopodobne), klasa B (receptory sekretynopodobne) oraz klasa C (receptory metabotropowe glutaminopodobne i dla feromonów). Z punktu widzenia chemii medycznej, najważniejszą z klas jest rodzina receptorów rodopsynopodobnych. Nazywana jest tak, ponieważ pierwszym dokładnie zbadanym receptorem w tej rodzinie był receptor rodopsynowy biorący udział w procesie widzenia. Dość interesujące wnioski można wysnuć, badając bliżej drzewo ewolucyjne receptorów rodopsynopodobnych (rys. 4.16).

RYS. 4.16. Drzewo ewolucyjne receptorów sprzężonych z białkiem G.

Po pierwsze, na podstawie drzewa ewolucyjnego można określić podobieństwa między różnymi rodzajami receptorów GPCR, biorąc pod uwagę ich wzajemne położenia w tym drzewie. Tak więc receptory muskarynowe, α-adrenergiczne, β-adrenergiczne, histaminowe i dopaminowe rozwijały się od wspólnej gałęzi drzewa ewolucyjnego i są bardziej podobne do siebie, niż do jakiegokolwiek receptora powstającego z wcześniejszej gałęzi ewolucyjnej (np. receptora angiotensynowego). Takie podobieństwo receptorów może okazać się problemem w chemii medycznej. Receptory są rozpoznawane w organizmie przez różne neuroprzekaźniki lub hormony, jednak leki niekoniecznie muszą sobie z tym poradzić. Dlatego też jest bardzo ważne, aby upewnić się czy nowy lek projektowany dla wybranego receptora (np. receptora dopaminowego), nie oddziałuje również z podobnym receptorem (np. receptorem muskarynowym).

Receptory ulegały dalszej ewolucji, w wyniku czego utworzyły się typy i podtypy, które rozpoznają te same przekaźniki chemiczne, lecz różnią się budową. Istnieją na przykład dwa typy receptora adrenergicznego (α i β), z których każdy może być podzielony na podtypy (α_1, α2A, α2B, α2C, β_1, β_2, β_3). Są też dwa typy receptora cholinergicznego – nikotynowy (receptor kanału jonowego) i muskarynowy (receptor 7-TM). Zidentyfikowano również pięć podtypów cholinergicznego receptora muskarynowego.

Dzięki występowaniu podtypów receptora możliwe jest projektowanie leków działających tylko na jeden podtyp. Jest to bardzo ważne, ponieważ jeden specyficzny podtyp receptora może występować w przewadze w jednej części ciała (np. w jelitach), natomiast drugi podtyp receptora może występować w innej części ciała (np. w sercu). Z tego względu jest mniej prawdopodobne, aby leki oddziałujące z jednym podtypem receptora w jelitach wywoływały skutki niepożądane wpływające na serce. Nawet jeśli różne podtypy receptora występują w tej samej części ciała, to bardzo ważne, aby otrzymać lek o możliwie najbardziej selektywnym działaniu, ponieważ różne podtypy receptora często aktywują różne systemy sygnałowe, wywołując różne efekty biologiczne.

Dokładniejsze badanie drzewa ewolucyjnego odsłania pewne zaskakujące fakty na temat pochodzenia podtypów receptora. Jak można się spodziewać, różne podtypy receptora odbiegają od wspólnej gałęzi ewolucyjnej (np. podtypy receptora dopaminergicznego D_2, D_3, D_4). Zjawisko to jest znane jako ewolucja rozbieżna, a między tymi podtypami powinno istnieć znaczne podobieństwo strukturalne. Podtypy receptora odnaleziono również w odrębnych gałęziach drzewa. Podtypy receptora dopaminergicznego (D1A, D1B i D_5) na przykład rozwijały się z różnych gałęzi ewolucyjnych. Innymi słowy, zdolność receptora do wiązania dopaminy rozwijała się w różnych ewolucyjnych gałęziach – jest to przykład ewolucji zbieżnej.

W związku z tym, czasami mogą występować większe podobieństwa między receptorami wiążącymi różne ligandy, które rozwijały się z tej samej gałęzi drzewa, niż między różnymi podtypami receptorów wiążącymi te same ligandy. Na przykład receptor histaminowy H_1 bardziej niż receptor H_2 przypomina receptor muskarynowy. I także w tym przypadku, ma to istotne konsekwencje w projektowaniu leków, ponieważ jest większa szansa, że lek działający na receptor muskarynowy może także oddziaływać na receptor histaminowy H_1, co z kolei może prowadzić do działań niepożądanych.

Receptory te są związane z błoną komórkową, dlatego nie jest łatwo otrzymać struktura krystaliczna, które nadawałyby się do rentgenowskich badań krystalograficznych. Jednak udało się określić rentgenowskie struktury krystaliczne receptorów adrenergicznych β_2- i β_1.

4.7.4. Dimeryzacja receptorów sprzężonych z białkim G

Udowodniono, że niektóre receptory sprzężone z białkiem G mogą funkcjonować jako struktury dimeryczne zawierające identyczne lub różne typy receptorów – odpowiednio homodimery lub heterodimery. Tkanki różnią się między sobą zawartością takich dimerów receptorowych, co ma istotne konsekwencje przy projektowaniu leków. Związek, który jest selektywny dla jednego typu receptora, normalnie nie wpływa na inne typy receptorów. Jeśli jednak w tkance występują receptory heterodimeryczne, to między receptorami składowymi możliwa jest „komunikacja”. Wówczas, związek, oddziałujący z jedną połową dimeru może wpływać na aktywność drugiej połowy. Zjawisko to zostało omówione w podrozdz. 24.9 w odniesieniu do receptorów opioidowych.

Podsumowanie

- • Receptory sprzężone z białkiem G aktywują białka sygnałowe nazywane białkami G. Przyłączenie przekaźnika do receptora powoduje udostępnienie miejsca wiążącego dla białka sygnałowego. Białko sygnałowe przyłącza się do miejsca wiążącego, co powoduje fragmentację białka G na podjednostki, z których jedna dyfunduje i aktywuje enzym związany z błoną komórkową.

- • Receptory sprzężone z białkiem G mają postać łańcucha białkowego związanego z błoną komórkową, w której znajduje się siedem jego domen transbłonowych. Fragment C-końcowy łańcucha leży we wnętrzu komórki, natomiast N-końcowy fragment jest zlokalizowany na zewnątrz błony komórkowej.

- • Lokalizacja miejsca wiążącego różni się między różnymi typami receptorów sprzężonych z białkiem G.

- • Do rodziny receptorów rodopsynopodobnych sprzężonych z białkiem G zaliczamy wiele receptorów, które są celem dla wielu ważnych leków.

- • Różne rodzaje i podtypy receptorów mogą być pobudzane przez ten sam przekaźnik chemiczny, ale dzięki różnicom strukturalnym możliwe jest projektowanie leków, które są selektywne dla jednego typu (lub podtypu) receptora.

- • Powstanie odmiennych podtypów receptorów może być wynikiem rozbieżnej lub zbieżnej ewolucji.

4.8. Receptory związane z kinazą

4.8.1. Wiadomości ogólne

Receptory związane z kinazą tworzą nadrodzinę receptorów, które bezpośrednio aktywują enzymy i to bez obecności białka G (rys. 4.17).

RYS. 4.17. Proces aktywacji enzymu

Ważnym przykładem takich receptorów są receptory kinazy tyrozynowej, które okazały się również bardzo ważnym celem działania nowych leków przeciwnowotworowych (podrozdz. 21.6.2). Białko to odgrywa podwójną rolę zarówno receptora, jak i enzymu. Białko receptorowe jest osadzone w błonie komórkowej, w taki sposób, że część jego struktury jest eksponowana na zewnętrznej powierzchni komórki, a część znajduje się po wewnętrznej stronie błony. Zewnętrzna powierzchnia zawiera miejsce wiążące dla przekaźnika chemicznego, natomiast wewnętrzna powierzchnia zawiera miejsce aktywne, które jest niedostępne w stanie spoczynku. W momencie gdy przekaźnik chemiczny przyłączy się do receptora, białko zmienia swój kształt. Powoduje to odsłonięcie miejsca aktywnego znajdującego się w komórce, dzięki czemu białko może działać jako enzym. Katalizowaną reakcją jest reakcja fosforylacji, w której reszty tyrozyny białkowego substratu ulegają fosforylacji. Reakcję fosforylacji katalizuje enzym – kinaza, dlatego białko to nazywane jest receptorem kinazy tyrozynowej. Kofaktorem reakcji, zapewniającym niezbędną grupę fosforanową, jest cząsteczka ATP. Miejsce aktywne pozostaje dostępne tak długo, dopóki cząsteczka przekaźnika jest związana z receptorem. Dzięki temu może wystąpić kilka reakcji fosforylacji, co powoduje wzmocnienie sygnału. Ciekawostką jest, że substratem reakcji katalizowanej enzymatycznie jest sam receptor. Zostało to dokładniej wyjaśnione w rozdz. 4.8.3.

Receptory kinazy tyrozynowej mogą być pojedynczym białkiem, jak opisano powyżej, lub kompleksem białkowym, w którym jedno białko pełni funkcję receptora, a drugie działa jak enzym (kinaza). Receptory te są aktywowane przez dużą liczbę hormonów polipeptydowych, czynników wzrostu oraz cytokin. Dlatego utrata ich funkcji może prowadzić do powstania wad rozwojowych lub oporności na hormony. Z kolei ich nadekspresja może powodować poważne zaburzenia wzrostu.

4.8.2. Struktura receptorów kinazy tyrozynowej

Podstawowa struktura pojedynczego białkowego receptora kinazy tyrozynowej składa się z regionu zewnątrzkomórkowego (z łańcuchem N-końcowym), który zawiera miejsce wiązania dla przekaźnika chemicznego, pojedynczego regionu hydrofobowego, który przechodzi przez błonę komórkową jako α-helisa, w postaci siedmiu zwojów (tylko tyle, żeby przejść przez grubość błony) oraz C-końcowy łańcuch znajdujący się po wewnętrznej stronie błony komórkowej (rys. 4.18). R

RYS. 4.18. Struktura receptorów kinazy tyrozynowej

egion C-końcowy zawiera katalityczne miejsce aktywne kinazy. Przykłady receptorów kinazy tyrozynowej, zbudowanych w ten sposób, obejmują receptory hormonów czynnika wzrostu naskórka oraz czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego.

4.8.3. Mechanizm aktywacji receptorów kinazy tyrozynowej

Specyficznym przykładem receptora kinazy tyrozynowej jest receptor naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR). Jak sama nazwa wskazuje, endogennym ligandem dla EGFR jest naskórkowy czynnik wzrostu (EGF). Jest on dwuwartościowym ligandem, który może jednocześnie wiązać się z dwoma receptorami EGF. Powoduje to dimeryzację receptora oraz aktywację enzymu. Proces dimeryzacji jest istotny, ponieważ miejsce aktywne zlokalizowane na każdej połowie dimeru receptora katalizuje fosforylację dostępnych reszt tyrozynowych na jego drugiej połowie (rys. 4.19).

RYS. 4.19. Mechanizm aktywacji receptora dla naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR)

Jeśli nie wystąpi dimeryzacja, to nie dojdzie też do fosforylacji. Należy także zaznaczyć, że reakcje fosforylacji zachodzą wyłącznie na wewnątrzkomórkowej części białkowego łańcucha tego receptora. Znaczenie reakcji fosforylacji zostanie szerzej wyjaśnione w podrozdz. 5.4.1. Ważnym punktem do zrozumienia na tym etapie rozważań jest fakt, że zewnętrznemu przekaźnikowi chemicznemu udało się przekazać informację do wnętrza komórki bez zmiany własnej struktury oraz bez konieczności wejścia do komórki.

Motywem łączącym wszystkie receptory kinazy tyrozynowej jest proces dimeryzacji i autofosforylacji. Jednak niektóre receptory z tej rodziny istnieją już jako dimery lub tetramery i do aktywacji wymagają jedynie przyłączenia liganda. Na przykład, kompleksem heterotetramerycznym jest receptor dla insuliny (rys. 4.20).

RYS. 4.20. Wiązanie liganda i aktywacja receptora insuliny

Niektóre receptory kinazy tyrozynowej wiążą ligandy i dimeryzują w podobny sposób jak opisano powyżej, ale nie wykazują one naturalnej/własnej aktywności katalitycznej na C-końcowym fragmencie łańcucha białkowego. Jednak po zajściu dimeryzacji mogą wiązać i aktywować enzym – kinazę tyrozynową znajdującą się w cytoplazmie. Przykładem tego typu receptora jest receptor hormonu wzrostu (rys. 4.21).

RYS. 4.21. Aktywacja receptora hormonu wzrostu (GH)

Hormon wzrostu (GH) należy do rodziny przekaźników chemicznych zwanych cytokinami. Należą do nich inne ważne polipeptydowe i białkowe przekaźniki chemiczne, takie jak interleukiny, interferony, erytropoetyna (EPO), trombopoetyna, prolaktyna oraz czynnik stymulujący kolonie. Dlatego też istnieje duża liczba różnorodnych receptorów, które współdziałają z tymi cytokinami. Kilka receptorów cytokinowych wiążących się z wewnątrzkomórkowymi kinazami znanych jest pod nazwą kinaz janusowych (ang. Janus-activated kinases; JAK). W rodzinie JAK wyróżniamy czterech członków, oznaczonych jako JAK1, JAK2, JAK3 i TYK4. Rodzaj kinazy janusowej występującej w kompleksie aktywowanego receptora zależy od indywidualnego zaangażowania tego receptora (patrz rozdz. 5.4.4).

4.8.4. Receptory kinazy tyrozynowej jako cel działania nowych leków

Ze względu na kluczową rolę, receptorów kinazy tyrozynowej w kontrolowaniu wzrostu i podziału komórek, receptory te są ważnymi celami działania nowych leków przeciwnowotworowych. Poniżej podano kilka takich przykładów.

4.8.4.1. Rodzina ErbB receptorów kinazy tyrozynowej

Do strukturalnie wspólnej rodziny receptorów ErbB należy m.in. receptor naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR), który jest także nazywany ErbB-1 lub HER1 (HER1 odnosi się do ludzkiej postaci receptora). Inne receptory należące do tej rodziny to HER2 (lub ErbB-2), Her 3 (lub ErbB-3) i Her 4 (lub ErbB-4). EGFR jest wrażliwy, nie tylko na EGF, lecz także reaguje na chemiczny przekaźnik – transformujący czynnik wzrostu α (TGF-α). Zaobserwowano występowanie nieprawidłowych receptorów ErbB-2 w komórkach raka piersi. Receptory te są naturalnie aktywne, pomimo braku ligandu. Inne komórki nowotworowe mogą wykazywać nadprodukcję TGF-α, co z kolei powoduje nadmierną aktywację EGFR. Kilka inhibitorów kinaz tyrozynowych skierowanych Kilka rodzinie receptorów ErbB omówiono w podrozdz. 21.6.2.1.

4.8.4.2. Receptory czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego

Ważną rolę w angiogenezie odgrywa receptor dla czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGFR), który jest obecny w błonach komórek śródbłonka naczyń krwionośnych (podrozdz. 21.1.9). Występują trzy podtypy receptora czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego, które są odpowiednio ponumerowane 1, 2 i 3. Istnieje również pięć odmian czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGF) oznaczonych literami A–E. Zaprojektowano wiele różnych inhibitorów kinazy, które hamują aktywność VEGFR, a w szczególności VEGFR-2 (podrozdz. 21.6.2.9).

4.8.4.3. Receptor płytkopochodnego czynnika wzrostu

Istnieją dwa typy receptorów płytkopochodnego czynnika wzrostu (PDGFR) oznaczonych jako alfa i beta. Istnieją również cztery typy czynników wzrostu pochodzących z płytek krwi (PDGF), które oznaczamy literami A–D. PDGF, w zależności od typu może dimeryzować, tworząc homodimery lub heterodimery. Utworzony dimer PDGF wiąże się ze swoim receptorem, co sprzyja także dimeryzacji receptora. Niektóre komórki nowotworowe wykazują nadprodukcję PDGF, powodując tym samym nadmierną aktywację PDGFR. W podrozdziale 21.6.2.2. omówiono inhibitory PDGFR, do których należy m.in. imatynib.

4.8.4.4. Receptor czynnika wzrostu komórek macierzystych

Receptor dla czynnika wzrostu komórek tucznych/macierzystych (SCFR), znany również jako c-KIT lub CD117, występuje w wielu różnych komórkach macierzystych. Jest on aktywowany przez jednego z przedstawicieli cytokin, tzw. czynnik komórek macierzystych (SCF). Aktywacja tego receptora odgrywa istotną rolę w produkcji plemników, melaniny oraz komórek krwi. Po pobudzeniu, receptor ulega dimeryzacji, a następnie wyzwala proces transdukcji sygnału, który pobudza wzrost, podziału oraz różnicowanie komórek. Ten rodzaj kinazy receptorowej jest hamowany przez imatinib (podrozdz. 21.6.2.2).

4.8.4.5. Kinaza chłoniaka anaplastycznego (ALK)

Do nadrodziny receptorów insulinowych należy kinaza chłoniaka anaplastycznego (ALK), oznaczana również symbolem CD246. Uważa się, że ALK odgrywa istotną rolę w embrionalnym rozwoju mózgu oraz układu nerwowego, jednak jego naturalny ligand nie został do końca poznany. Badania na zwierzętach wskazują, że ALK fizjologicznie występuje tylko w małych ilościach zaraz po urodzeniu. Jednak ALK jest także wykrywana w liniach komórek nowotworowych należących do wielkokomórkowego chłoniaka anaplastycznego. Takie nowotwory mogą być wynikiem łączenia się genów (tzw. genów fuzyjnych), które przy udziale ALK, połączonego z innym białkiem, tworzą białko fuzyjne. W białkach fuzyjnych, przyłączona ALK pozostaje stale aktywna, co prowadzi do nadmiernego wzrostu komórek i ich podziału. Inhibitory ALK znalazły zastosowanie w leczeniu niedrobnokomórkowego raka płuc (podrozdz. 21.6.2.6).

4.8.4.6. Receptory RET

Skrót RET, odnoszący się do genu kodującego receptor dla białka RET, pochodzi z angielskiej nazwy „REarranged during Transcription”, czyli dosłownie „przestawione podczas transkrypcji”. Jest to receptor kinazy tyrozynowej reagujący na czynniki neurotroficzne, istotne dla wzrostu, przeżycia i rozwoju neuronów. Mutacje punktowe i geny fuzyjne dotyczące genu RET zaowocowały białkami RET, które wykazują nadaktywność oraz są wiązane z rozwojem guzów tarczycy, przytarczyc i nadnerczy. Inhibitory kinazy dla receptorów RET zostały zatwierdzone do leczenia nowotworów tarczycy (podrozdz. 21.6.2.7).

4.8.4.7. Receptor czynnika wzrostu hepatocytów lub receptor c-MET

Receptor czynnika wzrostu hepatocytów (HGFR) znany jest również jako receptor c-MET. Zwykle jest aktywny tylko w komórkach macierzystych, w których odgrywa istotną rolę w okresie rozwoju embrionalnego i narządowego. Jest on również zaangażowany w proces gojenia ran. Naturalnym ligandem dla receptora c-MET jest czynnik wzrostu hepatocytów zwany również czynnikiem rozpraszającym (ang. scatter factor). Zaburzenia funkcji receptorów MET występują w przypadku większości guzów litych, powodując wzrost guza, angiogenezę oraz powstawanie przerzutów. Efekt ten obserwowany jest w wielu różnych typach nowotworów atakujących różne narządy. Jest to wynik mutacji punktowych lub produkcji białek fuzyjnych, które w sposób naturalny aktywują c-MET. Kryzotynib jest lekiem przeciwnowotworowym, który hamuje zarówno ALK, jak i receptor c-MET (podrozdz.21.6.2.6). Z kolei kabozantynib jest lekiem przeciwnowotworowym, który hamuje zarówno RET, jak i c-MET (podrozdz. 21.6.2.7).

Podsumowanie

- • Receptory kinazy tyrozynowej mają zewnątrzkomórkowe miejsce wiążące dla przekaźnika chemicznego oraz wewnątrzkomórkową część enzymatyczną z miejscem aktywnym, które katalizuje fosforylację reszt tyrozynowych w substratach białkowych.

- • Wiązanie ligandu z receptorem naskórkowego czynnika wzrostu (EGF) powoduje jego dimeryzację i udostępnienie miejsc aktywnych kinaz. Miejsce aktywne na jednej części dimeru katalizuje fosforylację reszt tyrozynowych obecnych w C-końcowym łańcuchu drugiej połowy.

- • Receptor dla insuliny ma strukturę heterotetrameryczną, funkcjonującą jako receptor kinazy tyrozynowej.

- • Receptor hormonu wzrostu dimeryzuje po przyłączeniu liganda, a następnie wiąże i aktywuje enzymy kinazy tyrozynowej obecne w cytoplazmie komórki.

4.9. Receptory wewnątrzkomórkowe

Nie wszystkie receptory zlokalizowane są w błonie komórkowej. Niektóre z nich znajdują się w komórce i są nazywane receptorami wewnątrzkomórkowymi. Do grupy tej należy około 50 różnych typów receptorów. Odgrywają one szczególnie istotną rolę w bezpośredniej regulacji transkrypcji genów. Dlatego często nazywane są jądrowymi receptorami dla hormonów lub jądrowymi czynnikami transkrypcyjnymi. Przekaźnikami chemicznymi pobudzającymi te receptory są hormony steroidowe, hormony tarczycy i retinoidy. We wszystkich tych przypadkach przekaźnik musi przejść przez błonę komórkową, aby dotrzeć do swojego receptora, a więc musi być z natury hydrofobowy. Czas odpowiedzi wynikający z aktywacji receptorów wewnątrzkomórkowych mierzy się w godzinach lub dniach i jest znacznie wolniejszy niż czasy odpowiedzi receptorów błonowych.

RYS. 4.22. Struktura receptorów wewnątrzkomórkowych

Wszystkie receptory wewnątrzkomórkowe mają podobną strukturę. Składają się z pojedynczego białka zawierającego miejsce wiązania liganda na C-końcu oraz region wiążący dla DNA, który znajduje się w połowie łańcucha białkowego (rys. 4.22). Region wiążący DNA zawiera dziewięć reszt cysteiny, z których osiem bierze udział w wiązaniu dwóch jonów cynku. Jony cynku odgrywają kluczową rolę w tworzeniu i stabilizowaniu konformacji regionu wiążącego DNA. Dlatego domeny białkowe zawierające jony cynku nazywane są domenami palca cynkowego (ang. zinc finger domains). W każdym receptorze region wiążący DNA identyfikuje określone sekwencje nukleotydowe DNA. Na przykład domeny palca cynkowego występujące w receptorze estrogenowym rozpoznają sekwencję 5'-AGGTCA-3', gdzie A, G, C i T oznaczają odpowiednio adeninę, guaninę, cytozynę i tyminę.

RYS. 4.23. Droga od przekaźnika chemicznego do kontroli transkrypcji genów

Również mechanizm działania różnych receptorów wewnątrzkomórkowych jest do siebie bardzo podobny (rys. 4.23). Gdy przekaźnik chemiczny (ligand) przejdzie przez błonę komórkową, szuka swojego receptora i przyłącza się do niego w miejscu wiązania liganda. Następuje proces indukowanego dopasowania, co powoduje zmianę kształtu receptora. To z kolei prowadzi do dimeryzacji i powstania kompleksu ligand–receptor. Dimer następnie wiąże się z białkiem zwanym koaktywatorem i w ostatnim etapie cały kompleks wiąże się z określonym regionem DNA komórkowego. W kompleksie znajdują się dwa receptory a co za tym idzie i dwa miejsca wiążące DNA, dlatego kompleks rozpoznaje dwie identyczne sekwencje nukleotydów w cząsteczce DNA, które znajdują się blisko siebie. Na przykład, dimer ligand–receptor dla estrogenu wiąże się z sekwencją nukleotydową 5'-AGGTCANNNTGACCT- 3', gdzie N może być dowolną zasadą kwasu nukleinowego. W zależności od rodzaju powstałego kompleksu, przyłączenie do niego DNA wyzwala lub hamuje początek transkrypcji i wpływa na ostateczną syntezę białka.

4.10. Regulacja aktywności receptora

Znaczenie allosterycznych miejsc wiążących w regulacji aktywności enzymów została omówiona w rozdz. 3.6. Jednak allosteryczne miejsca wiążące pełnią również istotną funkcję w regulacji lub modulowaniu aktywności różnych receptorów. Zaliczamy do nich kanały jonowe bramkowane ligandem, takie jak receptory kwasu nikotynowego i γ-aminomasłowego oraz kilka receptorów sprzężonych z białkiem G, takich jak receptory muskarynowe, adenozynowe i dopaminowe. Struktury, które oddziałują z tymi miejscami, nazywane są modulatorami allosterycznymi i mogą zwiększać lub zmniejszać działanie przekaźnika chemicznego na receptor (podrozdz. 8.2.7 i 8.3.2).

4.11. Polimorfizm genetyczny a receptory

Znaczenie polimorfizmu genetycznego w przypadku enzymów zostało szerzej omówione w podrozdz. 3.5.7. Również w przypadku receptorów ważną rolę odgrywa polimorfizm genetyczny. Może on być przyczyną istnienia subtelnych różnic międzyosobniczych dotyczących zarówno struktury, jak i aktywności receptorów. W niektórych przypadkach może to prowadzić nawet do rozwoju chorób, takich jak rak (podrozdz. 21.1.3).

Podsumowanie

- • Receptory wewnątrzkomórkowe znajdują się wewnątrz komórki i pełnią ważną funkcję w kontrolowaniu transkrypcji.

- • Przekaźniki chemiczne receptorów wewnątrzkomórkowych, aby przejść przez błonę komórkową, muszą mieć wystarczająco hydrofobowy charakter.

- • Przyłączenie liganda do receptora wewnątrzkomórkowego powoduje jego dimeryzację i utworzenie kompleksu z czynnikiem transkrypcyjnym, który wiąże się ze specyficzną sekwencją nukleotydową DNA.

Pytania

1. Wyjaśnij różnicę między miejscem wiążącym a regionem wiążącym.

2. Przyjrzyj się strukturom neuroprzekaźników pokazanym na rys. 4.3 i zasugeruj, jaki typ oddziaływań wiążących może brać udział w wiązaniu ich z miejscem wiążącym receptora. Wskaż prawdopodobne aminokwasy znajdujące się w miejscu wiążącym, mające łańcuchy boczne, które mogłyby wziąć udział w tych interakcjach

3. Istnieją dwa główne typy receptorów adrenergicznych – receptory adrenergiczne α i β. Noradrenalina wykazuje niewielką selektywność dla receptora α, natomiast izoprenalina wykazuje selektywność dla receptora β-adrenergicznego. Adrenalina nie wykazuje selektywności i wiąże się równie dobrze z receptorami adrenergicznymi α i β. Zaproponuj wyjaśnienie tych różnic w selektywności.

4. Wyjaśnij, dlaczego regiony transbłonowe wielu białekzwiązanych z błoną mają budowę α-helisy.

Pytania wielokrotnego wyboru dostępne są na stronie: www.oxfordtextbooks.co.uk/orc/patrick6e/orc/patrick6e/

Literatura dodatkowa

Alexander, S. P. H., Mathie, A., and Peters, J. A. (2006) Guide to receptors and channels. British Journal of Pharmacology, 147, Supplement 3.

Chalmers, D. T., and Behan, D. P. (2002) The use of constitutively active GPCRs in drug discovery and functional genomics. Nature Reviews Drug Discovery, 1, 599–608.

Christopoulis, A. (2002) Allosteric binding sites on cell surface receptors: novel targets for drug discovery. Nature Reviews Drug Discovery, 1, 198–210.

Kenakin, T. (2002) Efficacy at G-protein-coupled receptors. Nature Reviews Drug Discovery, 1, 103–10.

Kobilka, B., and Schertler, G. F. X. (2008) New G-proteincoupled receptor crystal structures: insights and limitations. Trends in Pharmacological Sciences, 29, 79–83.

Maehle, A.-H., Prull, C.-R., and Halliwell, R. F. (2002) The emergence of the drug receptor theory. Nature Reviews Drug Discovery, 1, 637–41.

Palczewski, K. (2010) Oligomeric forms of G protein-coupled receptors (GCPRs). Trends in Biochemical Sciences, 35 (11), 595–600.

Sansom, C. (2010) Receptive receptors. Chemistry World, August, 52–5.

van Rijn, R. M., Whistler, J. L., and Waldhoer, M. (2010) Opioid-receptor-heteromer-specific trafficking and pharmacology. Current Opinion in Pharmacology, 20, 73–9.

Zhan-Guo, G., and Jacobson, K. A. (2006) Allosterism in membrane receptors. Drug Discovery Today, 11, 191–202.

5. Receptory i transdukcja sygnału

W rozdziale 4 omówiliśmy strukturę i funkcję receptorów. W tym rozdziale, przyjrzymy się bliżej, co się dzieje, gdy receptor zostanie pobudzony. Interakcja receptora z jego przekaźnikiem chemicznym jest tylko pierwszym etapem w złożonym łańcuchu zdarzeń. Bierze w nim udział kilka wtórnych przekaźników informacji, białek oraz enzymów, które ostatecznie prowadzą do zmiany procesów chemicznych zachodzących w komórce. Zdarzenia te są nazywane przekaźnictwem (transdukcją) sygnału. Niestety, szczegółowy opis tych procesów mógłby zająć cały podręcznik, dlatego w poniższym omówieniu skoncentrujemy się głównie na procesach transdukcji sygnału, które wynikają z aktywacji receptorów sprzężonych z białkiem G oraz aktywacji receptorów kinaz. Szczególnie interesujące są szlaki transdukcji sygnału po aktywacji receptorów sprzężonych z białkiem G, ponieważ ok. 30% wszystkich leków na rynku oddziałuje właśnie z tymi receptorami. Równie interesujące są ścieżki transdukcji sygnału dla receptorów kinaz, ponieważ stanowią one nowe, ekscytujące cele dla nowych leków, szczególnie z dziedziny terapii przeciwnowotworowej (podrozdz. 21.6.2). Zrozumienie ścieżki transdukcji sygnału oraz jej wszystkich składowych pomaga zidentyfikować odpowiednie cele działania leków.

5.1. Szlaki transdukcji sygnału dla receptorów sprzężonych z białkiem G

Receptory sprzężone z białkiem G aktywują białko sygnałowe nazywane białkiem G. Następnie inicjuje ono kaskadę sygnalizacyjną, w której skład wchodzą różne rodzaje enzymów. Sekwencja zdarzeń od chwili połączenia się ligandu (przekaźnika chemicznego) z receptorem do końcowej aktywacji wybranego enzymu jest dość długa, dlatego kolejno rozważymy każdy etap tego procesu.

5.1.1. Interakcja kompleksu receptor–ligand z białkami G

Pierwszym etapem procesu jest przyłączenie chemicznego przekaźnika lub liganda do receptora, a następnie związanie białka G z kompleksem receptor–ligand (rys. 5.1). Białka G są białkami związanymi z błoną komórkową, a dokładniej znajdują się na jej wewnętrznej powierzchni. Są zbudowane z trzech białkowych podjednostek (α, β i γ). Podjednostka α ma kieszeń wiążącą, która może wiązać nukleotydy guanylowe (stąd nazwa – białka G) i która w stanie spoczynku białka G wiąże GDP (difosforan guanozyny). Znane są różne typy białek G (np. Gs, Gi/Go, Gq/11) oraz liczne ich podtypy. Specyficzne białka G są rozpoznawane przez specyficzne receptory. Na przykład, typ Gs jest rozpoznawany przez β-adrenoreceptory, natomiast nie jest rozpoznawany przez α-adrenoreceptory. Jednak, we wszystkich przypadkach, białko G działa jak molekularny „uczestnik sztafety” przenoszący informację otrzymaną z receptora do następnego celu ścieżki sygnalizacyjnej.

Przyjrzymy się teraz, co tam się dzieje ze szczegółami.

Po pierwsze, receptor wiąże swój neuroprzekaźnik lub hormon (rys. 5.1, elem. 1). W rezultacie receptor zmienia kształt i odsłania nowe miejsce wiążące na jego wewnętrznej powierzchni (rys. 5.1, elem. 2). Odsłonięte nowe miejsce wiążące rozpoznaje teraz i wiąże specyficzne białko G. Należy pamiętać, że struktura błony komórkowej jest strukturą płynną i dlatego mogą przez nią „przepływać” różne białka). Proces wiązania receptora z białkiem G powoduje zmianę kształtu białka G, co z kolei zmienia kształt miejsca wiążącego nukleotyd guanylowy. Osłabia to siły wiązania międzycząsteczkowego utrzymującego GDP i dlatego GDP zostaje uwolniony (rys. 5.1, elem. 3). Kieszeń wiążąca nie pozostaje jednak zbyt długo pusta, ponieważ jej obecny kształt pozwala na wiązanie GTP (trifosforan guanozyny). W ten sposób GTP zastępuje GDP (rys. 5.1, elem. 4). Wiązanie GTP pociąga za sobą inną zmianę konformacyjną w białku G (rys. 5.1, elem. 5), która osłabia wiązania między podjednostkami białka na tyle, że podjednostka α (z przyłączonym GTP) oddziela się od podjednostek β i γ (rys. 5.1, elem. 6). Obydwie podjednostki α oraz dimer βγ opuszczają receptor.

RYS. 5.1. Aktywacja receptorów sprzężonych z białkiem G i ich oddziaływanie z białkami G

Przed odejściem liganda z receptora kompleks receptor––ligand może więc aktywować wiele białek G. Prowadzi to do wzmocnienia sygnału.

Zarówno podjednostka α, jak i dimer βγ są teraz gotowe do uczestniczenia w drugim etapie mechanizmu sygnałowego. Najpierw sprawdzimy, co się dzieje z podjednostką α.

5.1.2. Szlaki przekaźnictwa sygnału z udziałem podjednostki α

Pierwszy etap przeniesienia sygnału (tzn. rozpad białka G) jest wspólny dla wszystkich receptorów 7-TM. Następne etapy jednak zależą od typu białka G, uczestniczącego w procesie, oraz od tego, która ze specyficznych podjednostek α powstaje (rys. 5.2).

RYS. 5.2. Szlaki sygnałowe wynikające z rozszczepienia różnych białek G

Różne podjednostki (jest ich co najmniej 20) działają w różnych miejscach i powodują różne efekty, np.:

- • αs pobudza cyklazę adenylanową,

- • αi hamuje cyklazę adenylanową i może również aktywować kanały K+,

- • αo aktywuje receptory hamujące neuronalne kanały jonowe Ca2+,

- • αq aktywuje fosfolipazę Cβ.

Nie mamy tutaj miejsca, aby szczegółowo przeanalizować wszystkie te procesy, jednak przyjrzymy się bliżej dwóm z nich – aktywacji cyklazy adenylanowej i aktywacji fosfolipazy Cβ.

5.2 Szlaki przekaźnictwa sygnału z udziałem białek G i cyklazy adenylanowej

5.2.1. Aktywacja cyklazy adenylanowej przez podjednostkę αs

Podjednostka αs przyłącza się do związanego z błoną komórkową enzymu, zwanego cyklazą adenylanową (lub cyklazą adenylową) i „włącza” go (rys. 5.3).

RYS. 5.3. Interakcja podjednostki αs z cyklazą adenylanową oraz aktywacja enzymu

Taki zaktywowany enzym katalizuje następnie syntezę cząsteczki zwanej cyklicznym AMP (cAMP) (rys. 5.4).

RYS. 5.4. Synteza cyklicznego AMP

cAMP jest przykładem wtórnego przekaźnika, który przenika do cytoplazmy komórki i przenosi sygnał z błony komórkowej do wnętrza komórki. Enzym jest aktywny tak długo, jak długo jest obecna podjednostka αs, a wynikiem jest powstanie kilkuset cząsteczek cyklicznego AMP dalej wzmacniających sygnał. Podjednostka αs ma jednak wewnętrzną aktywność GTPazy (tzn. może katalizować hydrolizę związanego z nią GTP do GDP) i tym sposobem sama się po pewnym czasie dezaktywuje, powracając do stanu spoczynku. Podjednostka αs opuszcza wówczas enzym i ponownie łączy się z dimerem βγ, aby odtworzyć białko Gs, podczas gdy enzym powraca do swojej nieaktywnej konformacji.

5.2.2. Aktywacja kinazy białkowej A

Cykliczny AMP (cAMP; cykliczny adenozynomonofosforan) powoduje teraz aktywację enzymu zwanego kinazą białkową A (PKA; ang. protein kinaze A) (rys. 5.5).

RYS. 5.5. Aktywacja kinazy białkowej A przez cykliczny AMP (P= fosforan)

PKA należy do grupy enzymów zwanych kinazami serynowo-treoninowymi, które katalizują fosforylację reszt serynowych i treoninowych w białkowych substratach (rys. 5.6).

RYS. 5.6. Fosforylacja reszt seryny i treoniny w substratach białkowych

Kinaza białkowa A katalizuje fosforylację i aktywację kolejnych enzymów o specyficznych funkcjach dla danej komórki lub danego narządu. Na przykład, lipaza w komórkach tłuszczowych jest aktywowana, aby katalizować rozpad tłuszczu. Miejsce aktywne kinazy białkowej musi być zdolne do przyłączenia regionu substratu białkowego, który ma być fosforylowany, jak również kofaktora ATP, który zapewnia niezbędną do tego celu grupę fosforanową.

W szlaku przekazywania sygnału, na drodze pomiędzy aktywacją PKA a aktywacją (lub dezaktywacją) docelowego enzymu, może być zaangażowanych kilka dodatkowych enzymów. Na przykład na rys. 5.7 przedstawiono proces regulacji enzymów biorących udział w rozkładzie i syntezie glikogenu w komórce wątroby.

RYS. 5.7. Regulacja syntezy glikogenu i jego metabolizm w komórce wątroby

Adrenalina jest pierwszym hormonem biorącym udział w regulacji i jest uwalniana wtedy, gdy organizm szybko potrzebuje większej dawki energii w formie glukozy. Hormon inicjuje sygnał na β-adrenoreceptorze, powodując syntezę AMP i aktywację kinazy białkowej A według omówionego poprzednio mechanizmu.

Katalityczna podjednostka kinazy białkowej A fosforyluje następnie trzy enzymy wewnątrz komórki w następujący sposób:

- • Enzym zwany kinazą fosforylazową jest fosforylowany i w rezultacie aktywowany. Następnie enzym ten katalizuje fosforylację nieaktywnego enzymu zwanego fosforylazą b, który przekształca się w swoją aktywną formę – fosforylazę a. W kolejnym etapie fosforylaza a katalizuje rozkład glikogenu przez oddzielenie jednostek glukozofosforanu.

- • Syntaza glikogenowa zostaje ufosforylowana do formy nieaktywnej, blokując w ten sposób syntezę glikogenu.

- • Cząsteczka zwana inhibitorem fosforylazy jest fosforylowana i w tej formie działa jako inhibitor fosfatazy – enzymu odpowiedzialnego za konwersję fosforylazy a z powrotem do fosforylazy b. Tym sposobem czas życia fosforylazy a zostaje przedłużony.

Ostatecznym wynikiem tych różnych fosforylacji jest skoordynowane zahamowanie syntezy glikogenu i przyspieszenie jego metabolizmu prowadzącego do utworzenia glukozy w komórkach mięśni. Warto zauważyć, że wpływ adrenaliny na inne typy komórek może być zupełnie inny. Adrenalina może na przykład aktywować β-adrenoreceptory w komórkach tłuszczowych, powodując aktywację kinazy białkowej w taki sam jak poprzednio sposób. Tym razem jednak fosforylacja aktywuje lipazy. Te następnie katalizują rozkład tłuszczu, działając jako kolejne źródło glukozy.

5.2.3. Białko Gi

Dowiedzieliśmy się już, w jaki sposób cyklaza adenylanowa zostaje aktywowana przez podjednostkę αs białka Gs. Tymczasem inne białko G, mianowicie białko Gi, może hamować działanie cyklazy adenylanowej. Białko Gi działa na inne receptory niż białko Gs, ale mechanizm hamowania działania enzymu jest prawie taki sam, jak mechanizm jego aktywacji. Jedyną różnicą jest to, że uwolniona podjednostka αi wiąże cyklazę adenylanową, aby zahamować działanie enzymu, a nie go aktywować.

Do receptorów, które wiążą białka Gi, należą: receptor muskarynowy M_2 mięśnia sercowego, α_2-adrenoreceptory w mięśniach gładkich i receptory opioidowe w ośrodkowym układzie nerwowym.

Istnienie białek Gi oraz Gs oznacza, że tworzenie wtórnego przekaźnika informacji – cyklicznego AMP – znajduje się pod podwójną kontrolą „hamulca” i „akceleratora” i to może wyjaśniać zjawisko wywoływania przez dwa różne neuroprzekaźniki przeciwnych efektów w komórce docelowej. Neuroprzekaźnik, który pobudza tworzenie się cyklicznego AMP, tworzy kompleks receptor–ligand aktywujący białko Gs, podczas gdy neuroprzekaźnik, który hamuje tworzenie cyklicznego AMP, tworzy kompleks receptor––ligand aktywujący białko Gi. Na przykład noradrenalina oddziałuje z receptorem β-adrenergicznym w celu aktywacji białka Gs, podczas gdy acetylocholina oddziałuje z receptorem muskarynowym w celu aktywacji białka Gi.

Istnieje wiele różnych typów receptorów dla konkretnego neuroprzekaźnika, dlatego w rzeczywistości jest możliwe, że neuroprzekaźnik aktywuje cAMP w jednym typie komórki, ale hamuje go w innym. Na przykład noradrenalina oddziałuje z receptorem β-adrenergicznym w celu aktywacji cyklazy adenylanowej, ponieważ β-adrenoceptor wiąże białko Gs. Z drugiej strony, noradrenalina oddziałuje z receptorem α_2-adrenergicznym, hamując cyklazę adenylanową, ponieważ receptor ten wiąże białko Gi. Ten przykład pokazuje, że to receptor określa, które białko G jest aktywowane, a nie neuroprzekaźnik lub hormon.

Warto również podkreślić, że enzymy takie jak cyklaza adenylanowa i kinazy nigdy nie są w pełni aktywne lub w pełni nieaktywne. W określonym czasie tylko pewna część enzymów jest aktywna, a rolą białek Gs i Gi jest albo zwiększenie, albo zmniejszenie tej proporcji. Innymi słowy, kontrola jest raczej częściowa niż całkowita lub żadna.

5.2.4. Charakterystyczne cechy kaskady sygnałowej, w której bierze udział cykliczny AMP

Kaskada sygnałowa obejmująca białko Gs, cykliczny AMP i kinazę białkową A wydaje się bardzo złożona i warto się zastanowić, czy nie byłby efektywniejszy jakiś prostszy sposób przekazywania sygnałów. Omawiana kaskada ma jednak wiele cech przemawiających na jej korzyść, które warto tu przedstawić.

- • Po pierwsze, działanie białka G i tworzenie wtórnego przekaźnika wyjaśnia, w jaki sposób informacja dostarczona do zewnętrznej powierzchni komórki może być przekazana enzymom znajdującym się wewnątrz komórki – enzymom, które nie mają bezpośredniego połączenia z błoną komórkową czy też z receptorem. Taki proces sygnałowy omija trudności związane z cząsteczką przekaźnika (zwykle o charakterze hydrofilowym), która ma przekroczyć hydrofobową błonę komórkową.

- • Po drugie, proces kaskady sygnałowej jest pewnego rodzaju „sztafetą”, w której uczestniczy molekularny „przekaźnik” (białko G) i kilka różnych enzymów. Na każdym z etapów działanie jednego białka lub enzymu powoduje aktywację znacznie większej liczby enzymów. A zatem efekt działania jednego neuroprzekaźnika na jedną cząsteczkę receptora daje kilka razy większy efekt końcowy niż można się spodziewać. Przypuszcza się na przykład, że jedna cząsteczka adrenaliny tworzy 100 cząsteczek cyklicznego AMP, a każda cząsteczka cyklicznego AMP rozpoczyna swój własny efekt wzmocnienia sygnału w komórce.

- • Po trzecie, korzyść polega na tym, że receptory białka G i cyklazy adenylanowej są oddzielnymi jednostkami. Białko G może wówczas wiązać różne typy kompleksów receptor–ligand. Oznacza to, że różne neuroprzekaźniki i hormony działające na różne receptory mogą „włączyć” to samo białko G, aktywując cyklazę adenylową. Dzięki temu procesy przekaźnictwa (transdukcji) sygnałów w komórkach są ekonomiczne, ponieważ droga sygnałowa cyklazy adenylanowej może być zastosowana w różnych komórkach i w dodatku może reagować na różne bodźce. Ponadto, w zależności od typu komórki (np. komórki w różnych tkankach będą miały różne typy i podtypy receptora, a system sygnałowy „włączy” wybrane enzymy) uzyska się różne efekty komórkowe. Glukagon na przykład aktywuje receptory związane z białkiem Gs w wątrobie, prowadząc do glukoneogenezy w wątrobie, adrenalina aktywuje β_2-adrenergiczne receptory związane z białkiem Gs, wywołując lipolizę w komórkach tłuszczowych, a wazopresyna działa na receptory wazopresynowe (V_2) związane z białkiem Gs w nerkach, aby wpłynąć na resorpcję (wchłanianie zwrotne) Na+/woda. Adrenalina działa na α_2-adrenoreceptory związane z Gi/o, prowadząc do skurczu mięśni gładkich, natomiast acetylocholina działa na receptory M_2 związane z Gi/o, prowadząc do relaksacji mięśnia sercowego. We wszystkich tych efektach pośredniczy szlak sygnałowy cyklicznego AMP.

- • Na zakończenie można stwierdzić, że podwójna kontrola „hamulca” i „akceleratora” przy udziale białek Gs i Gi pozwala na dokładną kontrolę aktywności cyklazy adenylanowej.

5.2.5. Rola dimeru βγ

Jeżeli poradziliście sobie do tej pory ze śledzeniem złożonego szlaku sygnałowego białka, to świetnie. Niestety, tych zagadnień jest więcej! Być może pamiętacie, że kiedy białko G wiąże się z kompleksem ligand–receptor, wtedy rozpada się on na podjednostkę α i dimer βγ. Dotychczas dimer βγ był postrzegany jedynie jako „kotwica” dla podjednostki α, aby mieć pewność, że pozostanie on w błonie komórkowej. Obecnie wiadomo, że dimery βγ z obydwu białek, tzn. Gi oraz Gs, mogą same aktywować lub hamować działanie cyklazy adenylanowej. W rzeczywistości istnieje sześć różnych typów (inaczej izozymów) cyklazy adenylanowej, a jej aktywacja lub hamowanie zależy od zaangażowanego w ten proces izozymu. Ponadto cyklaza adenylanowa nie jest jedynym enzymem, który może być kontrolowany przez dimer βγ . Jeśli chodzi o wybór celu działania, to dimer βγ jest bardziej chaotyczny niż podjednostka α, i dlatego może dawać różne efekty. Brzmi to trochę jak przepis na anarchię. Jest jednak pewna korzyść z istnienia dimeru odgrywającego jakąś rolę w przekazywaniu sygnałów, mianowicie taka, że proces sygnałowy staje się przez to subtelniejszy. Stwierdzono na przykład, że aby uzyskać jakiś efekt, wymagane jest większe stężenie dimeru niż stężenie podjednostki α. A zatem regulacja przy udziale dimerów staje się ważniejsza w sytuacji, gdy następuje aktywacja większej liczby receptorów.

Obecnie powinno stać się już jasne, że aktywacja procesu komórkowego jest bardziej skomplikowana, niż oddziaływanie jednego typu neuroprzekaźnika z jednym typem receptora. W rzeczywistości komórka otrzymuje niezliczoną ilość sygnałów od różnych przekaźników chemicznych za pośrednictwem rozmaitych receptorów i oddziaływań receptor––ligand. Końcowy sygnał zależy od liczby i typu białek G aktywowanych w tym samym czasie, jak również od różnych szlaków sygnałowych, które te białka inicjują.

5.2.6. Fosforylacja

Wiemy już, że fosforylacja jest kluczową reakcją w aktywacji lub dezaktywacji enzymów. Fosforylacja wymaga ATP jako źródła grupy fosforanowej. Zachodzi ona z grupą fenolową reszt tyrozynowych – gdy jest katalizowana przez kinazę tyrozynową, oraz z grupami alkoholowymi reszt seryny i treoniny – gdy jest katalizowana przy udziale kinazy serynowo-treoninowej. Wszystkie te grupy funkcyjne są zdolne do tworzenia wiązań wodorowych, lecz jeśli duża objętościowo grupa fosforanowa zostaje przyłączona do grupy OH, następuje rozerwanie wiązania wodorowego. Ponadto przy fizjologicznym pH grupa fosforanowa jest zwykle zjonizowana, a zatem w wyniku reakcji fosforylacji zostają wprowadzone dwa ujemnie naładowane atomy tlenu. Te obdarzone ładunkiem grupy mogą teraz tworzyć silne wiązania jonowe z odpowiednio umiejscowioną dodatnio naładowaną resztą białka, powodując zmianę trzeciorzędowej struktury enzymu. Ta zmiana struktury powoduje w efekcie ekspozycję lub zamknięcie miejsca aktywnego (rys. 5.8).

RYS. 5.8. Zmiany konformacyjne białka indukowane przez fosforylację

Fosforylacja z udziałem kinazy zmniejsza wrażliwość receptora związanego z białkiem G. Fosforylacja reszt seryny i treoniny zachodzi na wewnątrzkomórkowym łańcuchu C-końcowym, za przedłużonym ligandem wiążącym. Ponieważ łańcuch C-końcowy wiąże się z białkiem G, fosforylacja zmienia konformację białka w tym regionie i ochrania białko G przed związaniem. W ten sposób kompleks receptor–ligand nie jest już zdolny do aktywowania białka G.

Podsumowanie

- • Białka G składają się z trzech podjednostek białkowych, z których podjednostka α jest związana z GDP. Istnieje kilka rodzajów białka G.

- • Wiązanie receptora z ligandem otwiera miejsce wiązania dla białka G. Po związaniu, GDP jest wymieniany na GTP, a fragmenty białka G na podjednostkę α (zawierającą GTP) i dimer βγ. Białka G są wiązane i rozdzielone tak długo, jak przekaźnik chemiczny jest związany z receptorem, co prowadzi do wzmocnienia sygnału.

- • Podjednostka αs wiąże się z cyklazą adenylanową i aktywuje ją tak, że katalizuje ona tworzenie cAMP z ATP. Reakcja przebiega tak długo, jak długo podjednostka αs jest związana, powodując kolejne wzmocnienie sygnału. Podjednostka αi hamuje cyklazę adenylanową.

- • Podjednostki α ostatecznie hydrolizują związane GTP do GDP i opuszczają cyklazę adenylanową. Łączą się z odpowiednimi βγ-dimerami, aby odtworzyć oryginalne białka G.

- • cAMP działa jako wtórny przekaźnik informacji w komórce i powoduje aktywację PKA. PKA katalizuje fosforylację reszt seryny i treoniny kolejnych enzymów, prowadząc do określonego efektu biologicznego zależnego od rodzaj zaangażowanej w ten proces komórki.

- • Kaskada sygnalizacyjna zainicjowana przez wiązanie receptor––ligand powoduje znaczne wzmocnienie sygnału. Nie jest wcale konieczne, aby pierwotny, chemiczny przekaźnik informacji wchodził do wnętrza komórki.

- • Ogólna aktywność cyklazy adenylanowej jest określona przez odpowiednie proporcje białek Gs i Gi, które są rozdzielone, co z kolei zależy od typów receptorów, które ulegają aktywacji.

- • βγ-dimer białek G odgrywa moderującą rolę w aktywności cyklazy adenylanowej i innych enzymów, gdy występują w stosunkowo dużym stężeniu.

- • Kinazy tyrozynowe są enzymami, które fosforylują w substratach enzymatycznych grupę fenolową reszt tyrozyny. Natomiast kinazy serynowo-treoninowe fosforylują grupy alkoholowe seryny i treoniny. W obu przypadkach fosforylacja powoduje zmiany konformacyjne, które wpływają na aktywność enzymu względem substratu.

5.3. Przekaźnictwo sygnału z udziałem białek G i fosfolipazy Cβ

5.3.1. Wpływ białka G na fosfolipazę Cβ

Niektóre receptory wiążą białka Gs lub Gi oraz inicjują szlak sygnałowy dotyczący cyklazy adenylanowej (podrozdz. 5.2). Inne receptory 7-TM wiążą inne białko G, zwane białkiem Gq, które inicjuje odmienny szlak sygnałowy. Szlak ten obejmuje aktywację lub dezaktywację enzymu błonowego, zwanego fosfolipazą Cβ (PLCβ). Pierwsza część mechanizmu sygnałowego polega na interakcji białka G z kompleksem receptor–ligand, co pokazano wcześniej na rys. 5.1.

Tym razem jednak białko G jest raczej białkiem Gq, a nie białkiem Gs lub Gi, dlatego uwolniona zostaje podjednostka αq. W zależności od charakteru uwalnianej podjednostki αq, enzym – fosfolipaza C jest albo aktywowana, albo dezaktywowana. Jeżeli jest aktywowana, to katalizuje ona hydrolizę difosforanu fosfatydyloinozytolu (PIP_2) (integralna część struktury błony komórkowej), dając w efekcie dwa wtórne przekaźniki informacji – trifosforan inozytolu (IP_3) i diacyloglicerol (DG) (rys. 5.9 i 5.10).

RYS. 5.9. Aktywacja fosfolipazy Cβ przez podjednostkę αq

RYS. 5.10. Hydroliza PIP_2 do trifosforanu inozytolu (IP_3) i diacyloglicerolu (DG) (P= fosforan)

5.3.2. Działanie pomocniczego przekaźnika: diacyloglicerolu

Diacyloglicerol jest cząsteczką hydrofobową i od chwili utworzenia pozostaje w błonie komórkowej (rys. 5.11).

RYS. 5.11. Aktywacja kinazy białkowej C (PKC) przez diacyloglicerol (DG)

Tam aktywuje enzym zwany kinazą białkową C (PKC), która przemieszcza się od cytoplazmy do błony komórkowej i następnie katalizuje wewnątrz komórki reakcję fosforylacji reszt seryny i treoniny enzymów. Fosforylacja uaktywnia enzymy, które następnie uczestniczą w katalizowaniu specyficznych reakcji wewnątrz komórki. Indukują one takie efekty, jak rozwój nowotworu, reakcje zapalne, skurcz lub rozkurcz mięśni gładkich, zwiększenie lub zmniejszenie uwalnianego neuroprzekaźnika, zwiększenie lub zmniejszenie pobudliwości neuronów i zmniejszenie wrażliwości receptora.

5.3.3. Działanie wtórnego przekaźnika informacji: trifosforanu inozytolu

Trifosforan inozytolu jest cząsteczką hydrofilową, która wnika do cytoplazmy (rys. 5.12).

RYS. 5.12. Transdukcja sygnału inicjowana przez trifosforan inozytolu (IP_3)

Przekaźnik ten działa, uruchamiając jony wapnia z magazynów wapnia znajdujących się w siateczce endoplazmatycznej. Polega to na wiązaniu się przekaźnika z receptorem i otwarciu wapniowego kanału jonowego. Gdy kanał jonowy zostaje otwarty, jony wapnia „zalewają” komórkę i aktywują zależne od wapnia kinazy białkowe, które z kolei fosforylują i aktywują specyficzne enzymy komórkowe. Uwolnione jony mogą także łączyć się z białkiem wiążącym wapń, zwanym kalmoduliną, aktywującym z kolei kinazy białkowe zależne od obecności kalmoduliny, które również fosforylują i aktywują enzymy komórkowe. Wapń wywiera także wpływ na białka kurczliwe i kanały jonowe, ale szczegółowe opisanie efektów związanych z tym zagadnieniem wykracza poza ramy tej książki. Wystarczy stwierdzenie, że uwolnienie wapnia jest istotne dla wielu różnych funkcji komórkowych, łącznie ze skurczem mięśni gładkich, mięśnia sercowego, pracą gruczołów wydzielania zewnętrznego, uwalnianiem przekaźników z włókien nerwowych oraz uwalnianiem hormonów.

5.3.4. Resynteza difosforanu fosfatydyloinozytolu

Gdy trifosforan inozytolu (IP_3) i diacyloglicerol (DG) spełnią swoje zadanie, następuje ich rekombinacja z utworzeniem difosforanu fosfatydyloinozytolu (PIP_2). Wydaje się dosyć dziwne, że nie mogą się połączyć bezpośrednio, a zanim nastąpi resynteza, obydwie cząsteczki muszą ulec licznym przemianom metabolicznym. Na przykład IP_3 jest defosforylowany w trzech etapach do inozytolu, który jest następnie wykorzystywany jako jeden ze składników do resyntezy PIP_2 (rys. 5.13).

RYS. 5.13. Resynteza PIP_2 z IP_3 (CDP-DG = difosforan cytydyny-diacyloglicerolu)

Uważa się, że sole litu kontrolują objawy choroby maniakalno-depresyjnej właśnie poprzez zakłócanie tej złożonej syntezy. Czynią to poprzez hamowanie enzymu – monofosfatazy, odpowiedzialnego za ostateczną defosforylację prowadzącą do inozytolu.

Należy zauważyć, że PIP_2 jest również zaangażowany w proces transdukcji sygnału PI3K (podrozdz. 5.4.5).

Podsumowanie

- • Białka Gq są rozdzielane w podobny sposób jak białka Gs i Gi. Podjednostka αq wpływa na aktywność fosfolipazy C, która katalizuje hydrolizę PIP_2, tworząc dzięki temu wtórne przekaźniki informacjiI P_3 i DG.

- • DG pozostaje w błonie komórkowej i aktywuje PKC, która jest kinazą serynowo-treoninową.

- • IP_3 jest polarną cząsteczką, która przenika do cytoplazmy i mobilizuje jony wapnia. Te ostatnie aktywują kinazy białkowe zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio poprzez udział białka – kalmoduliny, która wiąże jony wapnia.

5.4. Przekaźnictwo sygnału z udziałem receptorów kinaz

5.4.1. Aktywacja białek sygnałowych i enzymów

Dowiedzieliśmy się już w podrozdz. 4.8, że wiązanie przekaźnika chemicznego do receptora związanego z kinazą aktywuje kinazy, tak że fosforylacji ulega sam receptor. W przypadku kinazy tyrozynowej wiąże się to z fosforylacją reszt tyrozynowych. Teraz będziemy kontynuować opisywanie tych procesów.

Po zajściu fosforylacji, grupy fosfotyrozyny wraz z otaczającymi je regionami działają jako miejsca wiążące dla różnych białek sygnałowych lub enzymów. Każdy fosforylowany region tyrozyny może wiązać specyficzne białko sygnałowe lub enzym. Niektóre z tych białek sygnałowych lub enzymów po związaniu same zostają ufosforylowane i działają jako następne miejsca wiążące dla jeszcze większej liczby białek sygnałowych (rys. 5.14).

Rys. 5.14. Wiązanie białek sygnałowych lub enzymów (zaznaczono ciemnymi kółkami) do aktywowanych receptorów związanych z kinazą (= fosforan)

Nie wszystkie regiony wiążące fosfotyrozyny mogą być zajęte przez białka sygnałowe w tym samym czasie. A zatem rodzaj przekazywanego dalej sygnału, zależy od tego, które białka sygnałowe zdołają związać się z dostępnymi receptorami kinazy. W tym podręczniku nie ma niestety miejsca na rozważania, co robią wszystkie białka sygnałowe jako całość i każde białko z osobna, ale jedno jest pewne, że większość z nich jest punktem startowym dla kaskady fosforylacji (kinazy) zachodzącej na tych samych zasadach, jak w przypadku kaskady inicjowanej przez białka G (rys. 5.15). Warto także zwrócić uwagę, że specyficzny receptor kinazy tyrozynowej może wyzwalać więcej niż jeden rodzaj szlaku przekazywania sygnału. Na przykład receptor naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR) może wyzwolić szlak przekazywania sygnału MAPK (rozdz. 5.4.2) oraz szlak przekazywania sygnału PI3K (rozdz. 5.4.5).

Rys. 5.15. Szlaki sygnałowe zależne od receptorów 1-TM

Każde białko sygnałowe lub enzym wiążący się z fosforylowanym regionem receptora kinazy tyrozynowej zawiera komplementarny region wiążący zwany domeną SH2, który obejmuje około 100 aminokwasów. Zidentyfikowano około 115 takich białek.

Niektóre związane białka to enzymy. Na przykład, niektóre receptory wiążą specyficzny podtyp fosfolipazy C (PLCg), która katalizuje rozpad fosfolipidów, prowadząc do utworzenia trifosforanu inozytolu, a następnie do uwolnienia wapnia według tego samego mechanizmu, jaki opisano w podrozdz. 5.3.3.

Inne białka sygnałowe są chemicznymi „adaptorami”. Służą one do przenoszenia sygnału od receptora do wielu różnych białek, łącznie z białkami uczestniczącymi w podziale komórek i ich różnicowaniu.

Przyjrzymy się teraz niektórym przykładom szlaków przekazywania sygnału pochodzącego od receptorów związanych z kinazą tyrozynową.

5.4.2. Szlak przekazywania sygnału MAPK

Szlak przekazywania sygnału MAPK jest inicjowany przez wiele receptorów, w tym receptor naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR) (rys. 5.16). Szlak obejmuje kaskadę sygnałową kinazy, która stymuluje transkrypcję poszczególnych genów zaangażowanych we wzrost i podział komórek.

Rys. 5.16. Od naskórkowego czynnika wzrostu do transkrypcji genu (= fosforan)

Białko adaptorowe o nazwie Grb2 zawiera domenę SH2, która pozwala mu wiązać się z ufosforylowanym regionem EGFR. Grb2 zawiera również dwie domeny SH3, które wiążą białko zwane SoS. Po związaniu, SoS jest aktywowany i oddziałuje z białkiem błonowym zwanym białkiem Ras. Białko Ras zawiera cząsteczkę GDP, ale interakcja z SoS powoduje wymianę cząstki GDP na GTP. Takie białko Ras staje się aktywne, a następnie uruchamia aktywację wewnątrzkomórkowej kinazy serynowo-treoninowej zwanej Raf. Z kolei Raf aktywuje inną kinazę serynowo-treoninową zwaną MEK (zwaną również MAPKK). Wreszcie, MEK aktywuje kinazę białkową aktywowaną mitogenami (MAPK lub ERK). Po aktywacji MAPK fosforyluje i aktywuje białka zwane czynnikami transkrypcyjnymi, które wchodzą do jądra komórkowego i zapoczątkowują ekspresję genów, prowadzącą do powstania różnych odpowiedzi, w tym podział komórki. Wiele nowotworów może wynikać z nieprawidłowego działania opisanej kaskady sygnałowej. Zwłaszcza, jeśli biorące w tym procesie udział kinazy, zostaną zaktywowane na stałe, pomimo braku początkowego pobudzenia receptora. Z drugiej strony, niektóre komórki nowotworowe wykazują nadekspresję kinaz. W rezultacie tego zjawiska, komórka staje się nadwrażliwa na sygnały, które stymulują jej wzrost i podział. W konsekwencji hamowanie receptorów kinazowych lub wpływanie na szlaki sygnałowe okazuje się ważną strategią w projektowaniu nowych leków przeciwnowotworowych (podrozdz. 21.6.1 i 21.6.2.4).

Opisane powyżej białko sygnałowe Ras jest przykładem klasy białek sygnałowych zwanych małymi białkami G. Nazwa pochodzi od ich wielkości, ponieważ stanowią one około dwóch trzecich wielkości białek G opisanych w podrozdz. 5.1–5.3. Istnieje kilka podrodzin małych białek G (Ras, Rho, Arf, Rab i Ran), można je postrzegać jako podobne do podjednostki α większych białek G. Tak jak podjednostki α, mogą one wiązać zarówno GDP w stanie nieaktywnym, jak i GTP w stanie aktywowanym. W przeciwieństwie do swoich większych kuzynów, małe białka G nie są aktywowane przez bezpośrednią interakcję z receptorem, ale są aktywowane na dalszym etapie aktywacji receptorowej, przez białka pośrednie, które są klasyfikowane jako guaninowe czynniki wymiany nukleotydów (ang. guanine nucleotide exchange factors GEF). Na przykład, po aktywacji receptora, aby doszło do aktywacji białek Ras przedstawionej na rys. 5.16, jest potrzebny uprzedni udział białka adaptorowego Grb2 i guaninowego czynnika wymiany nukleotydów SoS. Podobnie jak podjednostki α, małe białka G mogą autokatalizować hydrolizę związanego GTP do związanego GDP, co powoduje ich powrót do stanu spoczynku. Proces ten można jednak przyspieszyć dzięki białkom pomocniczym znanym jako białka aktywujące GTPazę (ang. GTPase activating proteins, GAP). Oznacza to, że poziom aktywności małych białek G jest pod kontrolą jednoczesnego hamowania i aktywowania z udziałem odpowiednio białek GEF i GAP.

Małe białka G są odpowiedzialne za stymulowanie wzrostu komórek oraz ich różnicowanie poprzez różne szlaki przekazywania sygnałów. Wiele nowotworów wiąże się z defektami małych białek G, takich jak białko Ras. Ras jest genem kodującym białko Ras i jest jednym z genów, który najczęściej ulega mutacji w ludzkich nowotworach. Istnieją trzy typy białka Ras w komórkach ssaków; H-, K- i N-Ras. Mogą wystąpić mutacje, które powodują niezdolność tych białek do autokatalizowania hydrolizy związanego GTP. W rezultacie są one stale aktywowane, co z kolei prowadzi do ciągłego wzrostu i dzielenia się komórek – patrz także podrozdz. 21.6.1.

5.4.3. Aktywacja cyklazy guanylanowej przez receptory kinazy

Niektóre receptory kinazy mają zdolność katalizowania reakcji tworzenia cyklicznego GMP z GTP. Dlatego są one zarówno receptorem, jak i enzymem (cyklaza guanylanowa). Ten związany z błoną receptor/enzym przechodzi przez błonę komórkową, gdzie ma pojedynczy segment transbłonowy. Ma również pozakomórkowe miejsce wiążące receptora oraz znajdujące się wewnątrz komórki miejsce aktywne cyklazy guanylowej. Jego ligandami są α-przedsionkowy peptyd natriuretyczny oraz mózgowy peptyd natriuretyczny. Wydaje się, że cykliczny GMP otwiera w nerkach sodowe kanały jonowe, powodując zwiększenie wydalania sodu.

5.4.4. Szlak przekazywania sygnału JAK-STAT

Enzymy kinazy janusowej (JAK) są składnikami kinazy tyrozynowej kilku receptorów dla cytokin (podrozdz. 4.8.3) (rys. 5.17). Enzymy te zawierają dwa regiony, o sekwencji aminokwasowej, po której można oczekiwać, że będzie miejscem katalitycznym. Jednak tylko jeden z tych regionów pełni rzeczywistą funkcję katalityczną. Drugi region wydaje się jedynie regulować aktywność tego funkcjonującego regionu katalitycznego. W rezultacie ten drugi region jest znany jako region pseudokinazy. Obecność dwóch podobnych regionów o różnych funkcjach powoduje, że enzym ten został nazwany na cześć Janusa – rzymskiego boga o dwóch twarzach, patrona drzwi i nowych początków.

Rys. 5.17. Aktywacja kinaz janusowych oraz transdukcja sygnału

Po utworzeniu kompleksu receptorowego dwie cząsteczki enzymu kinazy janusowej zbliżają się do siebie i katalizują wzajemną fosforylację reszt tyrozynowych. Następnie dochodzi do fosforylacji obu kinaz JAK oraz białka receptorowego, tak aby zapewnić miejsca wiążące dla białek zawierających domenę SH2. Białka te stają się substratami dla kinazy JAK, a następnie ulegają fosforylacji. Wspomniane substraty białkowe obejmują Shc, Grb2 i PI3K, ale szczególnie ważne są białka STAT (przetwornik sygnału i aktywator transkrypcji; ang. Signal Transducer and Activator of Transcription). Istnieje co najmniej siedem rodzajów białka STAT, przy czym każdy typ wykazuje preferencje do określonych receptorów dla cytokin. Po fosforylacji białka STAT są uwalniane do cytoplazmy, gdzie dimeryzują, tworząc czynnik transkrypcyjny. Dimeryzacja zachodzi, ponieważ fosforylowana reszta tyrozyny w jednym białku STAT wiąże się z miejscem wiążącym w drugim białku STAT i odwrotnie. Następnie dimer białka STAT przechodzi do jądra komórkowego, gdzie wiąże się z DNA. Dzięki temu, w niezwykle szybkim procesie, którego czas trwania jest mierzony w minutach – dochodzi do regulacji ekspresji genów. Białka STAT są ostatecznie dezaktywowane przez degradację lub przez enzymy fosfatazy. Obecnie prowadzi się badania inhibitorów kinazy JAK, ze względu na ich rolę w kontrolowaniu transkrypcji genów oraz przydatności w leczeniu chorób autoimmunologicznych i nowotworowych (podrozdz. 21.6.2.8).

5.4.5. Szlak przekazywania sygnału PI3K / Akt / mTOR

Błonowymi kinazami są 3-kinazy fosfoinozytydu (PI3K), które mogą być aktywowane poprzez receptorowe białka G lub receptorową kinazę tyrozynową (rys. 5.18).

Rys. 5.18. Aktywacja Akt przez PIP_3

Jeśli chodzi GPCR, PI3K mogą być aktywowane poprzez utworzone na skutek fragmentacji białka G – βγ-dimery. Natomiast w przypadku receptorów kinazy tyrozynowej, to IP_3 może być fosforylowany i aktywowany przez wiązanie bezpośrednio z receptorem lub poprzez wiązanie z aktywnym białkiem Ras.

Istnieje kilka klas PI3K, ale najlepiej poznaną i przebadaną jest klasa 1. Kinazy w klasie 1 można dalej podzielić na klasę 1A (która obejmuje trzy podklasy – α, β i γ) i klasę 1B. Kinazy klasy 1A są aktywowane przez receptory kinazy tyrozynowej, natomiast kinazy klasy 1B są aktywowane przez receptory sprzężone z białkiem G.

Dimerami białkowymi są różne typy PI3K, które zawsze zawierają podjednostkę regulacyjną i podjednostkę katalityczną. Podjednostka regulacyjna wiąże dimer z receptorami oraz innymi białkami regulatorowymi, natomiast podjednostka katalityczna (zidentyfikowana jako p110α, β, γ lub δ) stanowi miejsce aktywne kinazy.

Zaktywowany enzym PI3K katalizuje fosforylację 4,5-bisfosforanu fosfatydyloinozytolu (PIP_2), tworząc fosfatydyloinozytol (3,4,5)-trifosforan (PIP_3) (rys. 5.19).

Rys. 5.19. Fosforylacja PIP2 przez PI3K

PIP3 pozostaje związany z błoną komórkową i pełni funkcję miejsca dokującego dla białek cytoplazmatycznych zawierających region zwany domeną homologii Pleckstrina (domena PH). Jednym z takich białek jest Akt (znanym również jako kinaza białkowa B lub PKB) (rys. 5.18). Akt jest kinazą serynowo-treoninową, która odgrywa kluczową rolę w przeżyciu komórki oraz hamowaniu apoptozy, co czyni ją ważnym czynnikiem w rozwoju wielu nowotworów.

Po związaniu Akt z PIP3 powstaje substrat dla dwóch kinaz serynowo-treoninowych zwanych mTORC2 i PDK1 (kinaza zależna od fosfoinozytydu 1). Enzymy te aktywują Akt poprzez fosforylację seryny i reszty treoniny. Zaktywowany Akt fosforyluje wiele wewnątrzkomórkowych substratów, takich jak mTOR. mTOR jest kolejną kinazą serynowo-treoninowa, która odgrywa kluczową rolę regulacyjną w wielu procesach, takich jak metabolizm, transkrypcja, wzrost o podział komórek. Inhibitory mTOR opisano w podrozdz. 21.6.2.11. Jako potencjalne środki przeciwnowotworowe są również badane inhibitory innych etapów procesu przekazywania sygnału z udziałem PI3K (podrozdz. 21.6.2.5).

Innym białkiem zawierającym domenę PH jest kinaza tyrozynowa Brutona (BTK) – składnik szlaków przekazywania receptorowego sygnału w komórkach/limfocytach typu B (rys. 5.20). Najpierw, po związaniu się z PIP_3, jest aktywowany BTK, który powoduje fosforylację fosfolipazy Cγ (PLCγ). PLCγ następnie hydrolizuje PIP_2 z wytworzeniem trifosforanu inozytolu i diacyloglicerolu (porównaj z informacjami z podrozdz. 5.3.1). To stymuluje szlaki transdukcji sygnału, które regulują proliferację i aktywację limfocytów B. Celem działania leku przeciwnowotworowego o nazwie ibrutynib jest właśnie BTK (podrozdz. 21.6.2.5).

Rys. 5.20. Aktywacja kinazy tyrozynowej Brutona

5.5. Ścieżka sygnałowa hedgehog

W komórkach macierzystych występuje szlak sygnałowy zwany hedgehog (pol. dosł. szlak sygnałowy jeży), który odgrywa ważną rolę w różnicowaniu komórek i rozwoju narządów (rys. 5.21). Szlak ten jest aktywowany przez białka znane jako „hedgehog”. Istnieją trzy rodzaje tego białka o nazwach: Sonic hedgehog (Shh), Indian hedgehog (Ihh) i Desert hedgehog (Dhh). Po uwolnieniu białka hedgehog wiążą się z błonowym receptorem białkowym o nazwie Patched (Ptch) zawierającym 12 regionów transbłonowych.

Rys. 5.21. Ścieżka sygnałowa „hedgehog”

Receptor Patched zwykle hamuje receptor zwany Smoothened (Smo), który podobnie jak GPCR zawiera siedem regionów transbłonowych. Jednak Smo nie funkcjonuje podobnie do GPCR, ponieważ nie aktywuje białek G. Dlatego jest nazywany receptorem podobnym do GPCR. Gdy białko hedgehog wiąże się z receptorem Ptch, uniemożliwia Ptch hamowanie Smo. Smo może następnie rozpocząć szlak transdukcji sygnału, który wpływa na transkrypcję genu. W przypadku kilku rodzajów nowotworów, stwierdzono nieprawidłowości dotyczące funkcjonowania szlaku sygnałowego „hedgehog”. Dlatego związki będące antagonistami Smo mogą okazać się skutecznymi lekami przeciwnowotworowymi (podrozdz. 21.6.3).

Podsumowanie

- • Fosforylowane reszty tyrozyny, znajdujące się w aktywowanych receptorach zależnych od kinaz, działają jako miejsca wiążące dla różnych białek sygnałowych i enzymów, które również są aktywowane

- • Małe białka G mają podobną naturę do białek G, które są związane z GDP w stanie nieaktywnym lub z GTP, gdy ulegają aktywacji. Są to pojedyncze białka aktywowane poprzez wymianę nukleotydów guaninowych.

Pytania

1. Przedstawiony model miejsca wiązania ATP w receptorze związanym z kinazą dla EGF, pokazuje w jaki sposób przyłącza się cząsteczka ATP. Wiadomo, że struktura I hamuje wiązanie ATP. Zaproponuj, sposób w jaki ta struktura może się przyłączyć do receptora.

2. Małe białka G, takie jak Ras, mają właściwości autokatalityczne. Co to oznacza i jakie byłyby konsekwencje (jeśli w ogóle) utraty tych właściwości?

3. Transferaza farnezylowa jest enzymem, który katalizuje przyłączanie długiego łańcucha hydrofobowego do białka Ras. Jak myślisz, jaką funkcję pełni ten łańcuch oraz jaki byłby efekt, gdyby enzym został zahamowany?

4. Przyjrzyj się szlakom przekazywania sygnału przedstawionym na rys. 5.16 i wskaż, w którym miejscu dojdzie do wzmocnienia sygnału.

5. Enzym fosfodiesteraza cAMP hydrolizuje cAMP do AMP. Jaki wpływ na wytwarzanie glukozy-1-fosforanu miałby inhibitor tego enzymu (rys. 5.7)?

6. Wytworzono za pomocą inżynierii genetycznej enzym, w którym kilka reszt seryny zastąpiono resztami kwasu glutaminowego. Zmutowany enzym jest stale aktywny, natomiast naturalny enzym jest aktywny tylko w obecności serynowo-treoninowej kinazy białkowej. Wyjaśnij, dlaczego tak się dzieje.

7. Wyjaśnij, dlaczego kinazy tyrozynowe fosforylują reszty tyrozynowe w substratach białkowych, ale nie fosforylują reszt seryny lub treoniny.

8. Wytworzono przeciwciała skierowane przeciwko zewnątrzkomórkowym regionom receptorów czynnika wzrostu. Związanie przeciwciała z receptorem powinno zablokować możliwość przyłączenia czynnika wzrostu do miejsca wiążącego a coza tym idzie i zablokować jego aktywację. Jednakże zaobserwowano, że przeciwciała czasami mogą wywoływać ten sam sygnał co czynnik wzrostu. Dlaczego tak się dzieje? Przejdź do podrozdziału 10.7.2, aby zobaczyć strukturę przeciwciała.

Pytania wielokrotnego wyboru są dostępne na stronie www.oxfordtextbooks.co.uk/orc/patrick6e/

Literatura dodatkowa

Cohen, P. (2002) Protein kinases—the major drug targets of the twenty-first century? Nature Reviews Drug Discovery, 1, 309–15.

Flower, D. (2000) Throwing light on GPCRs. Chemistry in Britain, November, 25.

George, S. R., O’Dowd, B. F., and Lee, S. P. (2002) G-protein-coupled receptor oligomerization and its potential for drug discovery. Nature Reviews Drug Discovery, 1, 808–20.

Kenakin, T. (2002) Efficacy at G-protein-coupled receptors. Nature Reviews Drug Discovery, 1, 103–10.

Neubig, R. R., and Siderovski, D. P. (2002) Regulators of G-protein signalling as new central nervous system drug targets. Nature Reviews Drug Discovery, 1, 187–97.

Schwarz, M. K., and Wells, T. N. C. (2002) New therapeutics that modulate chemokine networks. Nature Reviews Drug Discovery, 1, 347–58.

Takai, Y., Sasaki, T., and Matozaki, T. (2001) Small GTP-binding proteins. Physiological Reviews, 81, 153–208.

Vlahos, C. J., McDowell, S. A., and Clerk, A. (2003) Kinases as therapeutic targets for heart failure. Nature Reviews Drug Discovery, 2, 99–113.

Polecana literatura uzupełniająca znajduje się w tym rozdziale.

Przypisy

Rozdział 1

* Swobodna energia (entalpia swobodna) (ΔG) jest związana ze zmianą entropii (ΔS) według równania ΔG = ΔH – TΔS. Jeśli entropia wzrasta, ΔS jest dodatnia, co powoduje, że ΔG jest bardziej ujemna. Im bardziej ujemna wartość ΔG, tym bardziej prawdopodobne będzie utworzenie wiązania.

** ADME to akronim od ang. absorption, distribution, metabolism, excretion (przyp. tłum.).

Rozdział 2

* Niektóre białka zawierają fragmenty znane jako kofaktory (np. jony metali lub małe cząsteczki organiczne), które mają również wpływ na strukturę trzeciorzędową.