Identifikation af target og dets struktur

Førend vi kan lave et lægemiddel er det nødvendigt at vide noget om sygdommen der skal behandlers og det target der skal rammes. Et target er i langt de fleste tilfælde et protein og viden om proteiner og deres sammensætning er naturligvis vigtig. 

Der findes mange forskellige proteiner, transport proteiner, struktur proteiner, enzymer, receptorer med flere. De vigtigste er enzymer og receptorer, som også udgør langt de fleste targets for de lægemidler vi kender i dag.

Enzymer

En kemisk ligevægt kan indstille sig hurtigt eller langsomt, afhængigt af hvor reaktive reaktanterne er. Hvis en reaktion er meget langsom, og man ønsker at øge hastigheden, skal man bruge en katalysator. Enzymer er katalysatorer, idet de øger reaktionshastigheden uden selv at blive forbrugt under processen. Enzymer kan ikke få reaktioner, der normalt ikke vil forløbe, til at ske, men de kan øge reaktionshastigheden i begge retninger for reaktioner, der vil normalt vil forløbe. Derfor vil en ligevægt indstille sig hurtigere. Måden, hvorpå enzymer øger reaktionshastigheden, er ved at sænke aktiveringsenergien, men enzymer ændrer ikke på, hvor ligevægten ligger.

Et enzym er et protein, og proteiner består af aminosyrer koblet sammen med peptidbindinger. Der er i menneskets krop tyve forskellige aminosyrer, som hver især har en variabel gruppe, kaldet R-gruppen. Idet enzymer er proteiner, er enzymer også opfoldet i en bestemt tredimensionel struktur. Grundet den tredimensionelle struktur vil der være forskellige kløfter/huller i proteinet og i nogle af dem, passer reaktanten/reaktanterne (som for enzymer kaldes substratet/substraterne) perfekt ind i, og i sådan en kløft bliver reaktionen katalyseret. Kløften, hvor substratet passer ind, kaldes for det aktive site. Det aktive site er meget specifikt. Dette betyder, at kun få substrater med meget ens struktur passer ind. Det skyldes, at der i det aktive site er en række R-grupper fra aminosyrerne, som kan lave bestemte bindinger med substratet. Dette kan både være intermolekylære- og intramolekylære bindinger. De intramolekylære bindinger kan være midlertidige, men kan også være permanente (hvilket ofte er tilfældet for inhibitorer, se senere). Hvis disse bindinger ikke bliver skabt, vil substratet naturligvis ikke binde til enzymet.

  • I en opløsning hvor en reaktion skal foregå mellem to molekyler, skal de to molekyler støde rigtigt ind i hinanden for at kunne reagere. Her hjælper enzymet til ved at opsamle de to rigtige molekyler og placere dem korrekt i forhold til hinanden. Reaktionsforløbet gøres derfor lettere.
  • Når en reaktion skal foregå, skal der ofte brydes nogle kovalente bindinger. Enzymet gør de kovalente bindinger i substratet svagere, da enzymerne trækker i bindingerne. Dette gør en deling af substratet i to lettere.
  • En reaktion foregår nogle gange ved at reaktanten/substratet bliver omdannet til et mellemprodukt. Til dette mellemprodukt skal der nogle gange bruges nogle funktionelle grupper der ikke kommer fra reaktanten/substratet selv. Enzymer kan tilføre midlertidige funktionelle grupper til substratet. Dette sker vha. R-grupperne i enzymet, der kan ”overføre” deres funktionelle gruppe eller dele af dem til substratet. Herefter sker der en række reaktioner, således at enzymets funktionelle grupper bliver gendannet.

Desuden kan nogle enzymer kræve et andet molekyle i det aktive site for at fungere. Dette kan enten være et coenzym (molekyle som indeholder karbon), en cofactor (metalion fx kobber, zink ller jern) eller en prostetisk gruppe (molekyle der konstant er bundet til enzymet).

 

Figur 7Aktiveringsenergi for en reaktion uden brug af enzym og med brug af enzym. Ved brug af enzym ses en lavere aktiveringsenergi og reaktionen foregår derfor lettere.

 

Induced fit

Førhen troede man, at et substrats binding til det aktive site fungerede på samme måde, som når en nøgle passer ind i en lås. Måden, hvorpå et substrat binder til enzymet, blev derfor beskrevet vha. ”lock and key”-modellen. Der var dog ét problem med denne model. Den kunne ikke forklare, hvordan flere lignende substrater kunne passe ind i enzymet. Ifølge modellen ville der kun være ét substrat, som ville være specifikt nok til at kunne passe ind, helt i stil med, at en lås kun kan åbnes af én bestemt nøgle.

Figur 8Enzymet tilpasser sig substratet ved en konformationsændring.

 

Der er nu blevet foreslået en lidt anden model, der bygger på, at et substrat ikke har den perfekte struktur i forhold til det aktive site. I stedet tilpasser det aktive site sig til substratet, og således kan flere substrater, der ligner hinanden, passe ind i det aktive site. Dette kaldes for induced fit. Når et substrat nærmer sig et tomt aktivt site, vil der dannes bindinger mellem enzym og substrat. Dette medfører, at der sker en konformationsændring i enzymet, så enzymet lukker sig sammen omkring substratet. Herved kommer enzymet til at være tættere pakket omkring substratet, så der kan dannes flere af de nødvendige bindinger. En konformationsændring betyder således blot, at enzymet ændrer sin tredimensionelle struktur i et område.

Induced fit har også en anden meget vigtig funktion, nemlig udelukkelse af vand. Når enzymet lukker sig sammen, vil vand automatisk blive presset ud af det aktive site. Dette er praktisk, da nogle reaktioner ikke er favorable, når vand er tilstede. Dette kan blandt andet skyldes, at vand laver hydrogenbindinger med target-molekylet, så target-molekylet ikke vil kunne danne de nødvendige bindinger med lægemidlet.

Inhibitorer

Det blev i case-story’en nævnt, at der findes to typer lægemidler, agonister og antagonister. Inhibitorer kan siges at være enzymernes antagonister. Inhibitorer binder til enzymets aktive site, ligesom substratet gør, men i stedet for at aktivere enzymet, bliver enzymets aktivitet hæmmet, når en inhibitor binder. Reaktionshastigheden af enzymet bliver sænket, fordi inhibitorerne forstyrrer binding af substrat til det aktive site.

Der findes forskellige former for inhibitorer. En inhibitor kan binde sig kovalent til enzymet, således at enzymet konstant er hæmmet. Disse stoffer kaldes for irreversible inhibitorer. Mange skadelige stoffer er irreversible inhibitorer, eksempelvis er nervegasser irreversible inhibitorer. Der findes dog også mange ikke-skadelige stoffer, der er irreversible inhibitorer som fx antabus. Dette er et lægemiddel, som inhiberer enzymet alkohol dehydrogenase, der nedbryder den alkohol, vi indtager. En inhibitor kan også binde sig i det aktive site for en kort stund med ikke-kovalente bindinger. Disse stoffer kaldes derfor for reversible inhibitorer.

Receptorer

Receptorer er meget lig enzymer i deres opbygning, men sidder som regel på en cellemembran. Receptorer indeholder ligesom enzymer også en kløft, hvortil der bindes et molekyle. Kløften kaldes for bindingssite, hvor det i enzymerne hedder det aktive site. Grunden til, at det hos receptorerne ikke kan kaldes for et aktivt site, er, at der oftest ikke sker nogen omdannelse af et udgangsstof i dette område. Når en ligand (der er det samme for en receptor, som et substrat er for et enzym) bindes i bindingssitet, sker der en konformationsændring, altså et induced fit. Dette sker hos alle receptorer. Hvad denne konformationsændring medfører er til gengæld forskelligt.

 

 

Figur 9. Illustration af den generelle mekanisme for en G-protein koblet receptor. Når en ligand binder til receptoren, sker der en konformationsændring i receptoren, så der fremkommer et aktivt site inde i cellen, så der kan bindes et G-protein (bundet til GDP). Når G-proteinet er bundet til det aktive site, vil G-proteinet blive splittet op i tre dele, hvor den del der er bundet til GDP, får GDP skiftet ud med GTP. Denne del af G-proteinet kan nu bevæge sig til et andet sted i cellen, hvor den vil binde sig til et andet enzym, og derved aktivere dette.

 

G-protein koblede receptorer

Som det kan ses af figur 9, kan konformationsændringen fra bindingen til en ligand udefra medføre, at den del af receptoren, der er inde i cellen, også ændrer sin struktur. Derved fremkommer et nyt bindingssite, som minder lidt om et aktivt site, idet det er i stand til at fungere som et enzym. En ny ligand (G-protein, bundet til GDP) fra cellens indre kan nu bindes til det aktive site, hvorved der sker en splitning af G-proteinet inde i cellen. En del af G-proteinet kan herefter sende et signal videre til et membranbundet enzym inde i cellen, som herved bliver aktiveret. Hvilke funktioner, dette enzym har, er meget forskelligt alt efter, hvad det er for en type af enzym som G-proteinet binder til. Disse receptorer kaldes for G-protein koblede receptorer.

 

Ionkanaler

En anden slags receptor er ionkanalerne. Disse består af fem protein-subunits, der går hele vejen igennem cellemembranen, hvorved de danner en kanal igennem membranen. Herved kan ioner komme ind og ud af cellen. De fem subunits er ikke helt ens, da der i én af dem sidder et bindingssite. Når en ligand binder til bindingssitet, aktiveres ionkanalen således, at kanalen åbner sig. Konformationsændringen i en ionkanal foregår ved, at de fem subunits trækker sig væk fra midten, så en kanal dannes.

Et lægemiddel, der virker på en ionkanal, kan også virke på to forskellige måde. Enten som en blokker eller som en åbner af kanalen. En blokker vil sørge for, at kanalen konstant er lukket og er derfor en antagonist. En åbner vil holde ionkanalen åben hele tiden og er en agonist.

 

Figur 10. Figuren illustrerer hvordan en iokanal er placeret i en cellemembran og hvordan ionkanalen åbner sig når en ligand bindes til ionkanalen

 

Transportproteiner

Transportproteiner er kroppens ”smuglere”, idet de smugler molekyler over cellemembraner, da molekylet i sig selv er for polært til at kunne krydse. Et transportprotein er derfor hydrofobt/upolært på ydersiden, så det kan sidde inde membranen, men er hydrofilt/polært på indersiden, så polære molekyler kan transporteres ind i proteinet. Transportproteinet lukker sig rundt omkring molekylet, der skal transporteres. Herefter bliver det transporteret igennem cellemembranen og sluppet fri på den anden side.

 

Figur 11. Illustrerer hvordan et lægemiddel kan blive transporteret over en cellemembran via et transportprotein.

 

Et lægemiddel, der virker på et transportprotein, kan virke på forskellige måder. Lægemidlet kan virke ved selv at blive transporteret over cellemembranen ved at efterligne de molekyler, der normalt transporteres over membranen. Lægemidlet kan også virke ved at blokere transportproteinet og hæmmer derved optagelsen af det stof, som proteinet transporterer. Eksempelvis virker kokain i det centrale nervesystem ved at hæmme genoptagelsen af serotonin og dopamin gennem et transportprotein. Denne hæmning vil medføre, at der vil være mere serotonin og dopamin i synapsekløften mellem de to nerveender, og der vil derfor være et forlænget og øget signal gennem nerverne.

Tabel 1

Drug target Virkningsmekanisme
 Receptorer Agonist / Antagonist
 Enzymer Reversibel / Irreversibel
 Ionkanal Blokker / Åbner

 

For at opsummere, så findes der en del forskellige slags proteiner, som kan virke som et lægemiddelstarget. Disse er specielt receptorer, enzymer og transportproteiner. Måden, hvorpå disse drug targets virker, er blevet beskrevet ovenfor og kan ses opsummeret i tabel 1. Udover proteiner, findes der en række andre typer drug targets. Disse kan fx være DNA og RNA.

Tolerance og afhængighed

Hvis en celle udsættes for en antagonist i lang tid, vil cellen ikke modtage noget signal fra receptoren. For at kompensere for dette, vil cellen opregulere dannelsen af nye receptorer (figur 12b). Cellen kan nu igen registrere signaler fra den naturlige ligand (figur 12d). For at få den ønskede medicinske virkning vha. antagonisten, er man derfor nødt til at give en højere dosis af lægemidlet (figur 12c). Denne cyklus, hvor cellen danner flere receptorer, og der gives en højere dosis, kan blive ved med at gentage sig. Den tilstand cellen kommer i, og dermed også den tilstand kroppen kommer i, kaldes for tolerance, idet kroppen har brug for mere af lægemidlet for at opnå den ”normale” effekt.

Når indtagelsen af lægemidlet stopper, bliver alle receptorerne frigivet. Dette medfører, at alle de nye receptorer samt de oprindelige vil blive aktiveret af den naturlige ligand (figur 12e). Dette er meget ubehageligt, og man vil føle en trang til at tage stoffet igen, fordi det vil føles som et normalt respons. Dette kaldes for afhængighed, fordi man er nødt til at indtage lægemidlet for at have det godt. Over længere tid vil antallet af receptorer igen falde til et normalt niveau (figur 12f), men indtil da er patienten på afvænning.

Figur 12. Illustrationen viser hvordan tolerance og afhængighed af et lægemiddel kan forekomme.