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Kristallstrukturanalyse und Entwicklung von Computermodellen zur Beschreibung der Selektivität von Enzymen am Beispiel der Carboanhydrase
Ein Ziel der modernen Wirkstoffforschung ist die Entwicklung von Arzneistoffen, die selektiv mit einem Zielprotein wechselwirken. Dadurch sollen Nebenwirkungen in einem frühen Stadium der Entwicklung minimiert, wenn möglich sogar ausgeschlossen werden. Bei der strukturbasierten Entwicklung von W...
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| Main Author: | |
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| Contributors: | |
| Format: | Doctoral Thesis |
| Language: | German |
| Published: |
Philipps-Universität Marburg
2004
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| Subjects: | |
| Online Access: | PDF Full Text |
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| Summary: | Ein Ziel der modernen Wirkstoffforschung ist die Entwicklung von
Arzneistoffen, die selektiv mit einem Zielprotein wechselwirken.
Dadurch sollen Nebenwirkungen in einem frühen Stadium der
Entwicklung minimiert, wenn möglich sogar ausgeschlossen werden.
Bei der strukturbasierten Entwicklung von Wirkstoffen wurden im
Falle der Carboanhydrase (CA) die physikochemischen
Eigenschaften von CA-Inhibitoren mit den biologischen Affinitäten
an drei Isoenzymen (CA I, CA II, CA IV) korreliert. Mit den daraus
erhaltenen 3D-QSAR-Modellen können diejenigen physikochemischen
und strukturellen Eigenschaften der Verbindungen bestimmt werden,
die die biologische Aktivität im Hinblick auf ein Isoenzym
beeinflussen.
Mit zwei verschiedenen Ansätzen wurden selektive
3D-QSAR-Modelle erhalten, mit deren Hilfe anhand
von Konturdiagrammen Bereiche ermittelt werden können, die für
eine bestimmte physikochemische Eigenschaft (sterische, elektrostatische, hydrophobe, Akzeptor, Donor) die Selektivität
hinsichtlich eines Isoenzyms erhöhen oder erniedrigen. Aus dieser
reinen Liganden-basierten Analyse konnten dennoch Rückschlüsse auf
die Gegebenheiten in der umgebenden Bindetasche gezogen werden.
Aber nicht nur die Auswertung von Ligandeninformationen kann
wichtige Hinweise für die Entwicklung selektiver CA-Inhibitoren
liefern. Die Auswertungen von Kristallstrukturen der CA
bestätigten diese aus reiner Ligandeninformation erhaltenen
Selektivitätsmodelle und lieferten zusätzliche Informationen für
die Entwicklung selektiver Verbindungen. Ferner konnte anhand eines
Homologiemodells der C AIX gezeigt werden, dass die
Modellierung von Enzymen, deren Kristallstrukturaufklärung sich
als schwierig erweist, durchaus nützliche Hinweise für den
strukturbasierten Entwurf bzw. die Optimierung von Liganden
liefern kann.
Um potentielle neue (selektive) Leitstrukturen zu finden, können
neben dem experimentellen Hochdurchsatz-Screening virtuell am
Computer Datenbanken mit gespeicherten Molekülbibliotheken
durchmustert werden. Die korrekte Vorhersage des
Bindungsmodus und die korrekte Abschätzung der
Bindungsaffinität der platzierten Moleküle ist entscheidend für
die erfolgreiche Identifizierung von neuen Leitstrukturen. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass
für CA-Inhibitoren mit einem rigiden Ringgerüst und mit bekannter
Kristallstruktur der Bindungsmodus korrekt vorhergesagt werden
konnte. In den Fällen, in denen die Bewertungsfunktionen der
Dockingprogramme in der Affiniätsvorhersage der Verbindungen
fehlschlagen, konnte durch die Kombination mit den zuvor
erhaltenen 3D-QSAR-Modellen die Affinität dieser gedockten
Verbindungen richtig abgeschätzt werden. Darüber hinaus wurde in
Datenbanken und in der Literatur nach potentiellen neuen
CA-Inhibitoren gesucht und ihre Bindung ließ sich biochemisch in
einem Assay bestätigen. Eine Platzierung in der Bindetasche von
CA II ermöglicht die korrekte Abschätzung der Affinität.
Bei der Optimierung von Leitstrukturen/Wirkstoffen ist es sehr
schwierig Wechselwirkungen mit Proteinen vorherzusagen
beziehungsweise abzuschätzen, die sich in ihrer Sequenz und
Funktion stark von dem Ausgangsprotein unterscheiden. Es konnte gezeigt werden, dass
Cyclooxygenase (COX)-2-selektiven Verbindungen (Valdecoxib, Celecoxib) ebenfalls CA hemmen.
Obwohl beide Enzyme ? COX und CA - unterschiedliche biologische Funktionen besitzen, weisen
beide Enzyme lokale Bereiche im aktiven Zentrum mit ähnlichen
physikochemischen Eigenschaften auf, so dass die Bindung von
Celecoxib und Valdecoxib an beiden Enzymen ermöglicht wird. Diese Kreuzreaktivität von
Celecoxib und Valdecoxib wurden durch
kinetische Daten und mit der
Kristallstruktur von Celecoxib im Komplex mit CA II belegt. |
|---|---|
| DOI: | 10.17192/z2004.0515 |