ENZYMY A MEDICÍNA
Vývoj léčiv Cíle léčiv (targets):
receptory vázané na G-proteiny (GPCR)
enzymy (47 %)
iontové kanály ostatní integriny
transportéry jaderné receptory hormonů
DNA A. L. Hopkins and C. R. Groom, Nature Rev. Drug Discov. 1, 727-730 (2002)
Vývoj léčiv Cíle léčiv (targets): Target finding, target validation: - biologické studie - genomika - proteomika, transkriptomika …
Léčiva: - nízkomolekulární látky syntetické nebo přírodní sloučeniny - biopolymery (biotechnologická léčiva) protilátky, enzymy atd. a další
Vývoj léčiv
knihovny sloučenin kombinatorická chemie přírodní látky virtuální knihovny …
miliony sloučenin high throughput screening
„lead compounds“ slabé ligandy/inhibitory
stovky sloučenin virtuální screening
Vývoj léčiv
„lead compounds“
„drug candidate“
slabé ligandy/inhibitory
silné ligandy/inhibitory
stovky sloučenin
desítky sloučenin
lead optimization chemická synthesa kombinatorická chemie
R:
Ki (nM)
-H
6 300
-CH3
3 700
-CH2CH3
2 000
-CH2CH2CH3
180
-CH2CH2CF3
225
-CH2OCH3
2 000
-CH2CH=CH2
2 200
-CH2CH2CH2CH3
300
-CH2CH(CH3)2
200
-CH(CH3)CH2CH3
10
-CH(CH2CH2CH3)2
16
Cyclopentyl
22
Cyclohexyl Phenyl -CH(CH2CH3)2
60 530 1
Vývoj léčiv
„drug candidate“
drug
silné ligandy/inhibitory
jedna sloučenina desítky sloučenin
preklinické studie testy na tkáňových kulturách isolovaných orgánech laboratorních zvířatech
Vývoj léčiv klinické studie 1. fáze podávání zdravým dobrovolníkům (20 – 100) studium účinků na tělesné funkce, vedlejších účinků, farmakokinetiky, určení dávkování 2. fáze podávání vybraným pacientům (stovky) „blind“/„double blind“ bezpečnost, účinnost, dávka, farmakokinetika 3. fáze podávání větší skupině pacientů (stovky až tisíce) srovnání se standardní terapií povolovací řízení 4. fáze zkoušení v praxi, dlouhodobé vyhodnocování
TOP 10 DRUGS (USA, 2004) obchodní název
terapie výrobce
1
LIPITOR
atorvastatin
tuky
HMG-CoA reductase
PFIZER, INC
7 100 000 000 USD
2
ZOCOR
simvastatin
tuky
HMG-CoA reductase
MERCK & CO.,INC
5 500 000 000 USD
3
PREVACID
lansoprazol
žaludek
H+/K+-ATPasa
TAP PHARMA
4 000 000 000 USD
4
NEXIUM
esomeprazol
žaludek
H+/K+-ATPasa
ASTRAZENECA PHARM. LP
3 600 000 000 USD
5
PROCRIT
erythropoetin
krvetvorba
EPOR
JOHNSON & JOHNSON
3 300 000 000 USD
6
ZOLOFT
sertralin
deprese,obezita
serotonin transporter
PFIZER, INC
3 000 000 000 USD
7
PLAVIX
clopidogrel
oběhový systém
ADP receptor
BRISTOL-MYERS SQUIBB CORP
2 900 000 000 USD
8
ADVAIR DISKUS
fluticason
astma
glucocorticoid receptor
GLAXOSMITHKLINE
2 800 000 000 USD
9
ZYPREXA
olanzapin
hlava
serotonin-dopaminereceptor
ELI LILLY
2 700 000 000 USD
CELEBREX
celecoxib
záněty
COX-2
PFIZER, INC
2 700 000 000 USD
10
účinná látka
cíl
roční tržby
OH
HO
O
O OH O
N
N H
O
O
H N
O O
O S
N
N
H O CF3
F
1
LIPITOR
atorvastatin
tuky
HMG-CoA reductase
PFIZER, INC
7 100 000 000 USD
2
ZOCOR
simvastatin
tuky
HMG-CoA reductase
MERCK & CO.,INC
5 500 000 000 USD
3
PREVACID
lansoprazol
žaludek
H+/K+-ATPasa
TAP PHARMA
4 000 000 000 USD
4
NEXIUM
esomeprazol
žaludek
H+/K+-ATPasa
ASTRAZENECA PHARM. LP
3 600 000 000 USD
5
PROCRIT
erythropoetin
krvetvorba
EPOR
JOHNSON & JOHNSON
3 300 000 000 USD
6
ZOLOFT
sertralin
deprese,obezita
serotonin transporter
PFIZER, INC
3 000 000 000 USD
7
PLAVIX
clopidogrel
oběhový systém
ADP receptor
BRISTOL-MYERS SQUIBB CORP
2 900 000 000 USD
8
ADVAIR DISKUS
fluticason
astma
glucocorticoid receptor
GLAXOSMITHKLINE
2 800 000 000 USD
9
ZYPREXA
olanzapin
hlava
serotonin-dopaminereceptor
ELI LILLY
2 700 000 000 USD
CELEBREX
celecoxib
záněty
COX-2
PFIZER, INC
2 700 000 000 USD
10
O O
H2N
H N
S
N N
CF3
O
O S
N
N O
vegetativní nervový systém parasympatický
sympatický noradrenalin
mícha acetylcholin
acetylcholin
acetylcholin
srdce
srdce bronchy
cévy
trávicí ústrojí
hladké svay játra adrenalin
nadledviny potní žlázy
synapse MAO
monoaminoxidasa
transportér noradrenalin
receptor
cílová buňka
synapse inhibice monoaminoxidasy (amfetaminy, tranylcypromin, moklobemid, selegilin)
blokování receptoru (kokain, amfetaminy) agonista receptoru
posilování sinálu (sympatomimetika) léčba depresí, léčba parkinsonovy chroby, nosní kapky, léčba hypotenze
cílová buňka
synapse
antagonista receptoru (α-blokátory, β-blokátory)
zeslabování sinálu (sympatolytika) léčba hypertenze a arytmie, léky na uklidnění cílová buňka
Monoaminoxidasa (MAO) EC 1.4.3.4
OH
další oxidace
OH HO
HO
léčba depresí
+ H2O + O2 →
+ NH3 + H2O2 HO
HO
O
NH2 noradrenalin a další monoaminy
H N
O N H
N O
Isocarboxazid
1OJB
NH2
Tranylcypromine
H N
NH2
Phenelzine
synapse
cholinacetyltransferasa
transportér acetylcholin
acetylcholinesterasa receptor
cílová buňka
synapse
cholinacetyltransferasa
agonisty receptoru
inhibitory acetylcholinesterasy
receptor posilování sinálu (parasympatomimetika) Alzheimerova nemoc cílová buňka
synapse
cholinacetyltransferasa
antagonisty receptoru
zeslabování sinálu (parasympatolytika) žaludeční vředy, vyšetření očí, léčba bronchitidy, proti zvracení, léky na uklidnění
acetylcholinesterasa
cílová buňka
O O
Acetylcholinesterasa EC 3.1.1.7
Donepezil
O N
O O
N
N
Rivastigmine OH
O
N
O
Galantamine
1DX6
K. Barry Sharpless Acetylcholinesterasa H2N
NH2 N
H2N
+
NH2 N
N3 H N
N
+
N N
HN
N N
Ki = 77 – 410 fM (77 – 410 .10-15)
1Q86
Angiotensin converting enzyme (ACE) EC 3.4.15.1 angiotensinogen
bradykininogen
Renin
Kallikrein
Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-Leu angiotensin I
bradykinin
ACE inakt. pept.
Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe angiotensin II
vazba na angiotensinový receptor
zužování cév, růst krevního tlaku
ACE inhibitory IC50 5.6 nM (serový ACE) 70 µM (jedvinový ACE)
O
NH2
OH
N
N H
O
Lisinopril
O
OH
OH
1O86 O O
H N
O
O
O N
O
H N
O
Trandolapril
OH
N H
Quinapril
O
H
ACE inhibitory S
O
N
OH O
N
HS O O
O OH
N H
Captopril
Benazepril
O O
H N
O N
O O
Enalapril OH
O
O P O
Fosinopril
O
O N
OH
HMG-CoA reduktasa EC 1.1.1.34 O
O SCoA
Ac-CoA
OH
HSCoA
O
HMG-CoA
OH OH
O
SCoA
O
O
2 NADH 2 NAD+
melvalonát
O O P P O O O O O isopentenyl-PP O O H
O
O O O O P P O O
O
O OH
farnesyl-PP
Simvastatin
cholesterol
1HW9
H
steroly H HO
H
HMG-CoA reduktasa O
O SCoA
Ac-CoA
OH
HSCoA
O
HMG-CoA
OH OH
O
SCoA
O
O
2 NADH 2 NAD+
melvalonát
O O P P O O O O O isopentenyl-PP O O OH N
OH
O O O O P P O O
O
farnesyl-PP
F
Fluvastatin
cholesterol
1HWI
H
steroly H HO
H
HMG-CoA reduktasa O
O
O H
O OH
O HO
O H
O
Lovastatin
O OH OH
Pravastatin
O O H
O O OH
Simvastatin
O
HMG-CoA reduktasa
O OH
O O OH
O N H
N
OH
OH
N
Fluvastatin F
Atrovastatin F O O OH N N N S O Rosuvastatin O
OH
F
HMG-CoA reduktasa
O O
HO
OH F LipobayTM (Bayer)
N
Cerivastatin
O
způsoboval poškození svalů a ledvin (52 úmrtí, 385 pacientů přežilo) v roce 2001 stažen z prodeje
Enzymy trávicího traktu
O
Glykosidasy – diabetes II. typu OH HO HO
Acarbosa
HN
HO HN HO
O HO O HO
O
O
O HO
Orlistat Lipasy - obezita
OH O HO
O O
OH O HO OH
Cykloxygenasa (COX) EC 1.14.99.1
O
Prostaglandinendoperoxidsynthasa
O
Arachidonová kyselina
dioxygenasa a peroxidasa zároveň
O O
O
Prostaglandin G2
O
Isoenzymy
OOH
- COX-1 – žaludek, ledviny - COX-2 – tkáně se zánětem
O O
O O OH
prostaglandiny
Prostaglandin H2
Cykloxygenasa neselektivní (COX-1 & COX-2)
Diclofenac
O
O IC50 300 nM (COX-1) 18 nM (COX-2)
O
NH
OH
Cl
Cl O O
kyselina acetylsalicylová
O IC50 2.6 µM (COX-1) 1.5 µM (COX-2)
Ibuprofen
O
Cykloxygenasa neselektivní (COX-1 & COX-2) 1EQG COX-1
Hem
O IC50 2.6 µM (COX-1) 1.5 µM (COX-2)
Ibuprofen
O
Cykloxygenasa selektivní (pouze COX-2)
O
O
Od podzimu 2004 staženo Rofecoxib z prodeje (dobrovolně) O N N
F
S
O
IC50 15 µM (COX-1) 40 nM (COX-2)
F F
O
S
O
NH2
Celecoxib
O
N O
S
O
NH2
Valdecoxib přísnější regulace
na jaře 2005 dobrovolně staženo z prodeje
Br
Cykloxygenasa selektivní (pouze COX-2)
O
N N F F
Hem
6COX COX2
S
O
NH2 F
SC-558
Xanthinoxidasa
dna
oxidasa - EC 1.1.17.32 (dříve EC 1.1.3.22) dehydrogenasa - EC 1.17.1.4 (dříve EC 1.1.1.204)
O
O
N
HN
XO
N
HN
N H
N
O
hypoxanthin
O
N H
XO
HN
N H
O
O N H
H2N O
HN
N N
N H
k. močová
xanthin
O
allopurinol
H N
N H H2N
H2N O
O
O
O
H
NH2
H2N
O
NH2 O
O
H N O
N H
N H
O
O
N H
N H
allantoin
NH2 O
allantoát
Xanthinoxidasa
oxidasa - EC 1.1.17.32 (dříve EC 1.1.3.22) dehydrogenasa - EC 1.17.1.4 (dříve EC 1.1.1.204)
savčí enzym – dehydrogenasa – působením thiolů, Cu2+, proteolysou nebo zmražením se stává oxidasou OH2 O Cys S S Cys O S Mo O S H Fe Fe S N S Cys S S Cys HN FAD O O O N N H 2N O P H O
molybdopterin
substrát allopurinol
1V97
prodrug
Thrombin EC 3.4.21.5 O
O
H N
Ki = 2 nM NH2
O
O
N H
N
Ximelagatran
prodrug
NH
H2N
1K22
OH
N
N H
O
O
O NH O S H N
Agatroban
N
O
Karbonáthydrolyasa EC 4.2.1.1
H+ + HCO3- → CO2 + H2O
Role udržování acidobasické rovnováhy spoluúčast na transportu iontů přes membrány regulace osmotického tlaku atd.
1AZM Terapie -zelený oční zákal -epilepsie (určité formy) -vysokohorská nemoc a další
H N O
Acetazolamid
S N N
OO S
N
Dihydrofolát reduktasa H N
N
H2N
EC 1.5.1.3
N OH
N H
H N
N
H2N
H
N
HN
N OH
O HN
O
HN
O
O O
HN
NADP+
O
N
H2N N
N N
O
H N
N
H2N N
O
N N
O folát
H N
OH
O
O
N
O
O
O O
H N
NH2
O
NADPH + H+ O
methotrexát O
účinky: protinádorové (acute lymphoblastic leukemia a další) imunosupresivní (revmatismus a jiná autoimunní onemocnění)
O
O
Dihydrofolát reduktasa
NADP+
methotrexát N
H2N N
N N
O N
O
H N
NH2 O
O
O
3DFR
Chronická myeloidní leukémie (CML) Philadelphia chromosom
9
22
Ph
BCR Abl
Chronická myeloidní leukémie (CML) Abelsonova kinasa
c-Abl
BCR
BCR-Abl BCR SH3
9 SH
SH2
22
SH2
3
P
BCR
P
Ph
N C málo aktivní
C vysoce aktivní
N
Chronická myeloidní leukémie (CML) Abelsonova kinasa (protein-tyrosin kinasa) Imatinib (STI 571, Gleevec, Glivec) H N
N N
HN
O N
N
1IEP O
H N
High throughput screening
N N
HN H N R
STI-571, Imatinib
O
IC50 = 25 nM
N
N R'
N
„lead compound“, inhibitor proteinkinasy C
H N neinhibuje PKC selektivní inh. c-Abl
N N
HN
O N
H N
H N
N
N N N
N
HN
silný inhibitor PKC
O N
N
inhibitor PKC i proteintyrosinkinas včetně Abl
O
O
N
O N
N
O HN
F Cl
Gefitinib ('Iressa', ZD1839) epidermal growth factor receptor-tyrosine kinase rakovina plic
O O
O
N N
O HN
1M14 Tarceva, OSI-774, Erlotinib, CP 358 77 epidermal growth factor receptor-tyrosine kinase rakovina plic
Neuraminidasa EC 3.2.1.18
OH OH
HO H N Zanamivir Relenza
O O
O HN H2N
+
NH2
O
OH OH
HO
O
N H O
OH O OH N O H HO O
HO
Neuraminidasa +
O O
HO
O O
Asp R
OH OH
HO N H O
HO
OH
HO H N
O O
O HN H2N
+
NH2
O
O
O
OH
Relenza
O
O
Zanamivir
O
GRID (www.moldiscovery.com)
Neuraminidasa OH OH
HO
O
N H O
+
OH
O O
HO
OH
HO H N OH OH
HO
O
O
O HO O
N H
O
O O
- -
-
-
O
HO
Ki = 1 000 nM OH
Relenza HO H N
O O
O HN H2N
Mark von Itzstein et al. (1993) Nature 363, 418 – 423.
OH
Zanamivir +
NH2
O
Ki = 0.1 – 0.2 nM
Neuraminaidasa
1A4Q
O N
O O
O
HN O
NH2
O O
O
Oseltamivir
HN O
NH2
Neuraminidasa
O R
O
OH
HN O
NH2
Oseltamivir
R:
Ki (nM)
-H
6 300
-CH3
3 700
-CH2CH3
2 000
-CH2CH2CH3
180
-CH2CH2CF3
225
-CH2OCH3
2 000
-CH2CH=CH2
2 200
-CH2CH2CH2CH3
300
-CH2CH(CH3)2
200
-CH(CH3)CH2CH3
10
-CH(CH2CH2CH3)2
16
Cyclopentyl
22
Cyclohexyl
60
Phenyl -CH(CH2CH3)2
530
1
D-alanyl-D-alanin
karboxypeptidasy EC 3.4.16.4, transpeptidasa
H N
R
H S
peniciliny
N
O
O O
H N
R
O
H N
O
R'
O O
O
cefalosporiny
Human immunodeficiency virus (HIV)
genom
proteasa reverzní transkriptasa integrasa
Human immunodefficiency virus (HIV)
léčiva
Human immunodefficiency virus (HIV) proteasa N
N
OH
H N
N N H
OH
O
O
indinavir
O
O O
O O
N H
N
S
O O P O O
amprenavir saquinavir H N O
ritonavir
H
O N H O NH2
N
N H
OH O NH
S
H N
O O
O
OH N H
S H N
N O
N
NH2
Lékařství: inhibitory Human immunodefficiency virus (HIV) reverzní transkriptasa F3C Cl
O O
N H
efavirenz HO O S
NH2 N
N O
O
lamivudine
N
HO O
NH2
N
ddC HO
N O
H N
N N
N
NH2
NH2
abacavir
H N
O HO O N3
N
N
O
tenofovir AZT
O
O P
O
N O
N N
Lékařství: ornitindekarboxylasa (EC 4.1.1.17) Spavá nemoc F
H3N
+
F
+
NH3 O O
2TOD
α-difluoromethylornithin – eflornithine produkce zastavena 1995
Deficience enzymů Fenylketonurie
fenylalaninhydroxylasa poškození mozku, mentální retardace
Lysosomové nemoci: Gaucherova nemoc β-glukosidasa defektní vývoj sleziny, kostí, jater, poruchy krvetvorby Fabryho nemoc
α-galaktosidasa defektní vývoj srdce a ledvin
Pompeho nemoc α-glukosidasa defektní vývoj svalů a srdce Morquiova nemoc β-galaktosidasy (různé isoenzymy) defektní vývoj kostí
Deficience enzymů Fenylketonurie
fenylalaninhydroxylasa Phenoptin – tetrahydrobiopterin – ukončená III. fáze
Lysosomové nemoci: Gaucherova nemoc β-glukosidasa Cerazyme – rekomb. β-glukosidasa Genz 112638 – „chemický chaperon“ – II. fáze Fabryho nemoc α-galaktosidasa Fabrazyme – rekomb. α-galaktosidasa Pompeho nemoc α-glukosidasa Myozyme – rekomb. α-glukosidasa – schváleno 2006 Morquiova nemoc β-galaktosidasy (různé isoenzymy) „chemický chaperon“ – in vitro a in vivo
Deficience enzymů deficience enzymu/proteinu v důsledku mutace
„chemické chaperony“
enzym/protein se netvoří
enzym/protein se tvoří inaktivní
destabilizující mutace inaktivní enz.
aktivní enz. chemický chaperon
+ substrát
produkt
mutace v aktivním/ vazebném místě
HO
Deficience enzymů
OH H N
HO HO
chemický chaperon
„chemické chaperony“
GM1-gangliosidosis a Morquio B disease (deficience lysozomální β-galaktosidasy)
+
WT
R201C
Matsuda et al. (2003) PNAS 100(26), 15912–15917.
detekce fluorescenčně značeným cholera toxinem
Deficience enzymů Fronto-temporal cerebral cortex.
„chemické chaperony“ HO
Trigeminal nucleus of brainstem.
OH H N
HO HO
s chem. chaperonem GM1-gangliosidosis a Morquio B disease (deficience lysozomální β-galaktosidasy)
bez chem. chaperonu
Matsuda et al. (2003) PNAS 100(26), 15912–15917.
detekce X-Gal
Liver
