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> Drug Design und Entwicklung

Joachim Jose, Univ.-Prof. Dr. rer. nat.

Lehrstuhl für Pharmazeutische und Medizinische Chemie

4. Stock, R 414

0251 8332 200 (Tel.)

0251 8332 211 (FAX)

[email protected]

MSc Arzneimittelwissenschaften, MSc Chemie und

Staatsexamen Pharmazie, 4h,

Di. 29.10.2012, 17 c.t.; Di. 06.11. 2012, 17 c.t; kl. Hörsaal

Enzyminhibitoren

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Prof. Dr. Joachim Jose WS 2012/13 Pharmazeutische und Medizinische Chemie

> Enzyminhibitoren 1

Enzyminhibitoren

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> Literatur

Berg, Tymoczko, Stryer, Biochemie (2010) Spektrum Akad. Verlag, 79,50 €

Copeland, Evaluation of Enzyme Inhibitors in Drug Discovery

(2005) Wiley VCH, 54,95 €,

Bisswanger, Enzyme Kinetics: Principles and Methods (2008),

Wiley VCH, 155 €.

Kubinyi, Wirkstoffdesign, Spektrum Akademischer Verlag,

(2002), 60 €

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Target

Identification

(Valid.)

Lead

identification Lead

Optimization

Preclinical

Development

Clinical

Development

Zellbiologie

Pathophysiologie

„Omics“

Systembiologie

Expression

Molekulares

Screening

Computer-gestütze

Methoden

Strukturbiologie

(L)ADME

Pharmakologie

Delivery

> Arzneimittelentwicklungsstadien

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Paul Ehrlich (1854- 1915)

Die Reaktion zwischen Arzneistoff

und Rezeptor bezeichnete Ehrlich

in Anlehnung an den Chemiker

Emil Fischer (1852 bis 1919) als

„Schlüssel-Schloss-Theorie“.

Ehrlich wurde damit zum

Begründer der Rezeptortheorie,

die für die Arzneimittelforschung

zu einer Leitidee wurde

Begründer der Chemotherapie

(Salvarsan)

Begründer der Immunologie

Nobelpreis 1911

> Einführung

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1. Wirkstoff

Arzneistoff

Ein Arzneistoff ist ein Wirkstoff, der im oder am menschlichen oder tierischen

Körper zur Heilung, Linderung, Verhütung oder Erkennung von Krankheiten dient.

Ein Arzneistoff ist in Kombination mit einem oder mehreren Hilfsstoffen ein

Bestandteil eines Arzneimittels. Arzneistoffe sind dabei diejenigen Bestandteile

eines Arzneimittels, die die Ursache für dessen Wirksamkeit sind.

im oder am menschlichen oder tierischen Körper

aktiv 2. Arzneistoff

> Begriffe

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Arzneistoff






1. Wirkstoff = in vivo

aktiv 2. Arzneistoff

> Begriffe

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Arzneistoff






1. Wirkstoff in vivo aktiv

2. Arzneistoff

2. Arzneistoff + Hilfstoff(e)

3. Arzneimittel

> Begriffe

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Arzneistoff






1. Wirkstoff

2. Arzneistoff

3. Arzneimittel

> Begriffe

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1. Herkunft Naturstoffe:

Mineralien,Tierreich, ca. 1 %

Pflanzenreich ca.10 %

Synthetika ca. 90 %

2. Wirkmechanismus (Pharmakologie, Med. Chemie)

z. B.: Antiestrogen

Calciumkanalblocker

Topoisomerase-I-Hemmer

3. Krankheit (Medizin, Med. Chemie)

z. B.: Antihypertensivum (Mittel gegen Bluthochdruck)

Antiasthmatikum

Antidepressivum

4. Chemische Struktur (Chemie, Med.Chemie)

Bezeichnung nach akzeptierter

Nomenklatur (z. B. IUPAC)

> Einteilung der Wirkstoffe

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> Herkunft der Arzneistoffe

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Target

= biologische Struktur, an der der Wirkstoff angreift

- Proteine

- DNA

- RNA

- Membranen

Ausnahmen:

Heparin bindet Calcium

Antacida neutralisieren Magen-HCl (bindet H30+)

> Begriffe

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Target


- Proteine

- DNA

- RNA

- Membranen

> Begriffe

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Target


- Proteine

- DNA

- RNA

- Membranen

Komplexbildung zwischen Ligand (Arzneistoff) und Target

Bindungsstelle oft allgemein als Rezeptor bezeichnet

Bindung des Liganden führt zu Folgereaktionen (Agonist)

Bindung blockiert Bindung eines physiologischen Liganden an das Target

(blockiert Folgereaktionen => Antagonist)

> Begriffe

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Proteine als Targets

1. G-Protein gekoppelte Rezeptoren

2. Rezeptoren mit intrinsischer Enzymaktivität

Bsp.: Neurotransmitter Rezeptoren (Bradykinin)

Bsp.: Rezeptor-Tyrosinkinasen (EGFR)

3. Liganden gesteuerte Ionenkanäle Bsp.: 5H3T-Rezeptor (Serotonin)

4. Intrazelluläre Rezeptoren Bsp.: Estrogenrezeptor

5. Transporter Proteine Bsp.: Na+ abh. Glukose Transporter

6. Enzyme Bsp.: COX-1/COX-2, Kinasen

> Proteine als Targets

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Enzyme = Targets für die meisten Arzneistoffe

Ligand/Target Bindung greift in den (patho-)physiologischen Stoffwechsel ein







1. Hemmung der Biosynthese von Biomolekülen

2. Hemmung des Abbaus von Biomolekülen


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3. Liganden gesteuerte Ionenkanäle

4. Intrazelluläre Rezeptoren

5. Transporter Proteine

6. Enzyme




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3. Liganden gesteuerte Ionenkanäle

4. Intrazelluläre Rezeptoren

5. Transporter Proteine

6. Enzyme



> Enzyme als Targets

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Forschungsgebiet des AK Jose










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Enzyminhibitoren


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Enzyminhibitoren

Angiotensin II erhöht den Blutdruck, Bradykinin senkt den Blutdruck

Hemmung des ACE sinnvoller Therapieansatz bei Bluthochdruck


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Enzyminhibitoren

1. Komplexierung des Zn2+ Ions durch Carboxyl-/Carbonyl-/Thiolgruppe

2. Elektrostatische WW zwischen K511 und Carboxylatfunktion

3. Wasserstoffbrückenbindung zwischen H353 und Carbonylfunktion (Lysin/Alanin)

1913: „Corpora non agunt nisi fixata“

(„Die Medikamente tun nichts,

wenn sie nicht gebunden werden“)


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Target

Identification

(Valid.)

Lead

identification Lead

Optimization

Preclinical

Development

Clinical

Development

Zellbiologie

Pathophysiologie

„Omics“

Systembiologie

Expression

Molekulares

Screening

Computer-gestütze

Methoden

Strukturbiologie

(L)ADME

Pharmakologie

Delivery

Lead = Leitstruktur: Substanz (Molekül), die als Ausgangspunkt für die Entwicklung eines

Arzneistoffkandidatendienen kann

zeigt in vitro schon die gewünschte Wirkung am Target

kann bzgl. Wirkstärke, Selektivität, pharmakokinetischer Eigenschaften noch verbessert werden

Unterscheidung Lead : Hit (Treffer beim Screening)

Leitstruktur erlaubt Synthese analoger Verbindungen

(kann auch ein Naturstoff sein, der synthetisch modifiziert/optimiert

werden kann)


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Target

Identification

(Valid.)

Lead

identification Lead

Optimization

Preclinical

Development

Clinical

Development

Zellbiologie

Pathophysiologie

„Omics“

Systembiologie

Expression

Molekulares

Screening

Computer-gestütze

Methoden

Strukturbiologie

(L)ADME

Pharmakologie

Delivery

Lipinski rule of five:

(1997)

MM </= 500 g/mol

Oktanol/H20 Verteilungkoeffizient </= 5 (log P)

Wasserstoffbrücken Donor en </= 5

Wasserstoffbrücken Akzeptoren </= 10

angepasste Werte:

(Ghose et al. 1999)

MM 160 – 480 g/mol (357 g/mol)

log P-Wert - 0,4 bis + 5,6 (2,52)

Polarisierbarkeit (mol. refractivity) 40 – 130 (97)

N Atome 20 - 70 (52)

(Benzol häufigste Substruktur)


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Target

Identification

(Valid.)

Lead

identification Lead

Optimization

Preclinical

Development

Clinical

Development

Zellbiologie

Pathophysiologie

„Omics“

Systembiologie

Expression

Molekulares

Screening

Computer-gestütze

Methoden

Strukturbiologie

(L)ADME

Pharmakologie

Delivery

Schlussfolgerung: Bindungsstelle des Liganden am Target ist

- klein (nur begrenzter Bereich des gesamten Proteins)

- hydrophob

- enthält Wasserstoffbrücken Donatoren (10?) und Akzeptoren (5?)

- erlaubt dreidimensionale elektrostatische WW

- essentiell für die Funktion des Targets


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Was ist Leben?

Abfolge chemischer Reaktionen

- Informationsspeicherung/Informationsreplikation

- Schaffung der energetischen Voraussetzungen durch

Kompartimentierung und Stoffwechsel

(DG = DH-TDS)

> Funktion von Enzymen

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Was ist Leben?

Abfolge chemischer Reaktionen

- Informationsspeicherung/Informationsreplikation

- Schaffung der energetischen Voraussetzungen durch

Kompartimentierung und Stoffwechsel

(DG = DH-TDS)

DG < 0 exergon: läuft unter den gegebenen Bedingungen (Konzentrationen)

spontan ab

DG = 0 im Gleichgewicht, kein erkennbarer Umsatz

DG > 0 endergon: Zufuhr von freier Enthalpie notwendig damit die Reaktion

abläuft

Enzyme ändern die Lage des Gleichgewichtes nicht, sie

beschleunigen nur dessen Einstellung

Leben ist ein (dynamischer) Zustand fern des Gleichgewichtes


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Beispiele für die Geschwindigkeitsbeschleunigung durch Enzyme


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Die 6 Hauptenzymklassen


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Enzym Cofaktoren


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Enzym Cofaktoren fest gebunden = prosthetische Gruppe

Beispiele für prosthetische Gruppen:

* Biotin in Carboxylasen

* Häm im Hämoglobin, im Cytochrom c, in der

Cytochrom c Oxidase, P450 Enzyme (Häm-Eisen!!!)

* Flavine in Flavoproteinen

* Moco (Molybdän-Cofactor)

in Molybdoenzymen (z. B.

Xanthinoxidase)

* FeMo (Molybdän-Eisen-Cofactor, MoFe-Protein)

in der Nitrogenase

* 13-trans-Retinal im Bakteriorhodopsin

* [Fe-2S]x in Elektronentransfer Proteinen

Apoprotein + prosthetische Gruppe = Holoenzym


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Enzyme setzen die Aktivierungenergie für chemische Reaktionen herab


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Herabsetzung der Aktivierungsenergie durch Konformationsänderung

Bsp.: Aspartylproteasen (Alzheimer, AIDS, Antiinfektiva)


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Kritische Konformation: der Übergangszustand (transition state)

Bsp.: Serinproteasen (Blutgerinnung)


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Bsp.: Serinproteasen (Blutgerinnung)


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Kritische Konformation: der Übergangszustand (transition state) > Funktion von Enzymen

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Übergangszustandsanaloga sind hochpotente Inhibitoren

Bsp.: Cytidin Deaminase

Überkreuzkontrolle: Katalytische Antikörper

> Hemmung von Enzymen

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Charakteristika des aktiven Zentrums von Enzymen

- Dreidimensionale Spalte, die von vielen Gruppen aus verschiedenen

Abschnitten der AS-Sequenz gebildet wird.

Entscheidende Merkmale der Enzym – Substratbindung

- Nur ein kleiner Teil des Gesamtenzyms

- Höhle oder Spalte (Ausschluss von Lösungsmittelmolekülen = H2O)

=> oft unpolar (hydrophob) mit vereinzelten polaren Gruppen

- Bindung des Substrates durch schwache Kräfte, Komplementarität

- Bindungsspezifität ist von der definierten Anordnung der Atome im

aktiven Zentrum abhängig

Schlüssel – Schloss (Emil Fischer 1890) =>

„induced fit“ (Daniel Koshland jr. 1958)

- reversible, nicht kovalente Interaktionen

- von Lösungsmittelmolekülen abgeschirmtes und lokal isoliertes

Mikroenvironment (Dielektrikum)

- in spez. Orientierung, die die Molekülorbitale des Substrates und

reaktive Gruppen des Enzyms, das Bindungen im Substrat

maximal gestört werden


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Nicht nur Übergangszustandsanaloga können potente Inhibitoren

sein


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Nicht nur Übergangszustandsanaloga können potente Inhibitoren sein

Bsp: DHFR und Methotrexat

Ki-Wert für Methotrexat und DHFR ohne NADPH: 362 nM

Ki-Wert für Methotrexat und DHFR mit NADPH: 58 pM


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Ks

aKs

(Sonderfall: partielle Inhibitoren Bsp.: HIV RT-

Inhibitoren)

1. Kompetitive Hemmung

S hat identische Affinität zu EI => a = 1

S hat keine Affinität zu EI => a = ∞

S hat höhere Affinität zu EI => a < 1

> Drei Hemmtypen

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S hat identische Affinität zu EI => a = 1 Ks

aKs




Inhibitoren)


2. Nicht-kompetitive Hemmung

> Drei Hemmtypen

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Ks

aKs


Inhibitoren)


2. Nicht-kompetitive Hemmung

3. Unkompetitive Hemmung

S hat identische Affinität zu EI => a = 1



(4. Nicht-reversible Hemmung

„Suicide-Inhibitoren“)

> Drei Hemmtypen

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> Michaelis-Menten Kinetik

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(steady state)


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> Kompetitive Hemmung

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für a = 1

> Nicht-Kompetitive Hemmung

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für a = 1

> Nicht-Kompetitive Hemmung

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vereinfacht =>

> Unkompetitive Hemmung

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vereinfacht =>

> Unkompetitive Hemmung

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> Vergleich der Hemmtypen

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> Vergleich der Hemmtypen

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Captopril

Enalapril

> Beispiel für Kompetitive Inhibitoren

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Enzyminhibitoren

1. Komplexierung des Zn2+ Ions durch Carboxyl-/Carbonyl-/Thiolgruppe

2. Elektrostatische WW zwischen K511 und Carboxylatfunktion

3. Wasserstoffbrückenbindung zwischen H353 und Carbonylfunktion (Lysin/Alanin)

1913: „Corpora non agunt nisi fixata“

(„Die Medikamente tun nichts,

wenn sie nicht gebunden werden“)


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