Лекарственные вещества как ингибиторы ферментов

Использование ингибиторов ферментов в качестве лекарственных препаратов

Достижения биохимии, патофизиологии и фармакологии позволили расшифровать механизм действия многих препаратов, в том числе уже давно используемых в клинике. Для действия большинства из них мишенью является фермент, изменение активности которого благоприятно влияет на течение заболевания. Оказалось, что большинство лекарственных препаратов снижает скорость ферментативных реакций или полностью их блокирует, т.е. является ингибиторами.

В настоящее время применение ингибиторов ферментов – важная и перспективная область энзимотерапии.

Лекарственные вещества, влияющие на активность ферментов, различны по своему происхождению. Большее число препаратов является продуктом химического синтеза, другие получают из клеток микроорганизмов, растений или животных.

Все ингибиторы ферментов делят на 2 группы: ингибиторы активности ферментов патогенных бактерий и ингибиторы активности ферментов макроорганизма.

К первой группе относятся, например, антибактериальные антибиотики (пенициллины, цефалоспорины и др.), сульфаниламидные препараты, блокирующие ферменты синтеза фолиевой кислоты у бактерий (сульфадимезин, сульфадиметоксин, стрептоцид и др.), ингибиторы -лактамаз бактерий, которые гидролизуют -лактамные антибиотики (сальбактам, клавулановая кислота и др.).

Вторая группа включает большое количество препаратов, оказывающих специфическое действие и обладающих высокой активностью и большой избирательностью (табл. 5.3.1).

Некоторые лекарственные вещества,

являющиеся регуляторами активности ферментов

Группа по фармакологическому действию

Ингибиторы синтеза простагладинов

Ацетилсалециловая кислота, индометацин, вольтарен, теноксикам и др.

Повышение температуры тела, миалгия, артралгия, невралгия, ревматизм и др.

Ингибиторы метаболизма циклических нуклеотидов

Ксантино(компламин), пентоксифиллин(трентал), теобромин и др.

Нарушение периферического кровообращения, ангиопатии, ретинопатии и др.

Ингибиторы синтеза ангиотензина II.

Ингибиторы синтеза катехоламинов

Каптоприл, эналоприл, квинаприл

Гипертоническая болезнь (эссенциальная, почечные формы)

Гипертаническая болезнь IIА и IIБ стадий

Ингибиторы синтеза тромбоксана

Коагулопатии (гиперкоагуляция), тромбоэмболические поражения

Ограничение всасывания глюкозы из кишечника

Ингибиторы окислительного дезаминирования нейромедиаторов — моноаминов

Моноаминоаксидазы типов А и В

1.нуредал, инказан (метралиндол)

Депрессивные состояния; вялость, апатия психического происхождения

Подавление восстановление глюкозы (галактозы) в сорбитол (галактитол)

Сорбинил, толрестат, алрестатин

Диабетическая катаракта, диабетическая нейропатии

Действующие на периферические холинергические процессы

Накопление ацетилхолина в холинергическмх рецепторах

Оксазил, прозерин, фосфакол, и др.

Миастения, невриты, атония кишечника и мочевого пузыря, глаукома и др.

Подавление активности ферментов, инактивирующих β-лактамиды

Клавулановая кислота, сальбактам

Инфекционные заболевания (применяются с β-лактамными антибиотиками)

Ингибиторы синтеза полинуклеотидов

РНК-полимераза, ДНК-полимераза и тимидилатсинтаза, дигидрофосфолатредуктаза

5-фторурацилметотрексат и др.

Злокачественные опухоли, лейкоз, лимфогранулематоз

Ингибиторы синтеза простагладинов

Ацетилсалециловая кислота, индометацин, вольтарен, теноксикам и др.

Повышение температуры тела, миалгия, артралгия, невралгия, ревматизм и др.

Ингибиторы метаболизма циклических нуклеотидов

Ксантино(компламин), пентоксифиллин(трентал), теобромин и др.

Нарушение периферического кровообращения, ангиопатии, ретинопатии и др.

Ингибиторы синтеза ангиотензина II.

Ингибиторы синтеза катехоламинов

Каптоприл, эналоприл, квинаприл

Гипертоническая болезнь (эссенциальная, почечные формы)

Гипертаническая болезнь IIА и IIБ стадий

Ингибиторы синтеза тромбоксана

Коагулопатии (гиперкоагуляция), тромбоэмболические поражения

Многие лекарственные средства, длительно используемые в медицине, оказались ингибиторами активности ферментов. Так, салициловая кислота и ее производные применялись как противовоспалительные средства задолго до открытия простагландинов и ферментов, регулирующих их синтез.

Определены показания к клиническому применению регуляторов активности ферментов:

1) дефицит естественных ингибиторов, которые ограничивают влияние эндогенных ферментов или защищают их от повреждающего действия чужеродных ферментов (бактериальных). Например, недостаток α₁– антитрипсина (антипротеазный ингибитор) – одного из более 10 ингибиторов белковой природы, находящихся в плазме крови, приводит к эмфиземе легких, так как при этом значительно возрастает протеолитическое действие эластазы на ткань легкого;

2) заболевания, связанные с гиперфункцией ферментов (преждевременная их активация, аномальный выброс в кровь и ткани); например, острый панкреатит, в патогенезе которого большую роль играют многочисленные гидролазы, образующиеся в ткани поджелудочной железы. Основная роль на ранней стадии заболевания принадлежит трипсину и химотрипсину, поэтому в качестве лекарственного средства используют ингибиторы этих ферментов трасилол, контрикал и др.;

3) проникновение в организм чужеродных ферментов (бактериальных) или введение их больному в качестве лекарственного препарата в неадекватной дозе: например, антибактериальных антибиотиков и сульфаниламидных препаратов.

Среди соединений, являющихся лекарственными препаратами, представлены ингибиторы всех классов ферментов. Особенно много ингибиторов оксидоредуктаз и гидролаз. Таким образом, области применения ферментов в медицине чрезвычайно широки.

Источник

23.Ингибиторы ферментов. Обратимое и необратимое ингибирование. Конкурентное ингибирование. Лекарственные препараты как ингибито­ры ферментов.

К ингибиторам следует относить вещества, вызывающие снижение активности фермента. Следует отметить, что все денатурирующие агенты также вызывают уменьшение скорости любой ферментативной реакции, вследствие неспецифической денатурации белковой молекулы, поэтому денатурирующие агенты к ингибиторам не относят. В основе действия многих лекарственных препаратов и ядов лежит ингибирование активности ферментов, поэтому знание механизмов этого процесса крайне важно для молекулярной фармакологии и токсикологии. Ингибиторы способны взаимодействовать с ферментами с разной степенью прочности. На основании этого различают обратимое и необратимое ингибирование. По механизму действия ингибиторы подразделяют на конкурентные и неконкурентные.

Обратимое ингибирование Обратимые ингибиторы связываются с ферментом слабыми нековалентными связями и при определённых условиях легко отделяются от фермента. Обратимые ингибиторы бывают конкурентными и неконкурентными.

Конкурентное ингибирование К конкурентному ингибированию относят обратимое снижение скорости ферментативной реакции, вызванное ингибитором, связывающимся с активным центром фермента и препятствующим образованию фермент-субстратного комплекса. Такой тип ингибирования наблюдают, когда ингибитор — структурный аналог субстрата, в результате возникает конкуренция молекул субстрата и ингибитора за место в активном центре фермента. В этом случае с ферментом взаимодействует либо субстрат, либо ингибитор, образуя комплексы фермент-субстрат (ES) или фермент-ингибитор (EI). При формировании комплекса фермента и ингибитора (EI) продукт реакции не образуется. Для конкурентного типа ингибирования справедливы следующие уравнения:

Лекарственные препараты как конкурентные ингибиторы Многие лекарственные препараты оказывают своё терапевтическое действие по механизму конкурентного ингибирования. Например, четвертичные аммониевые основания ингибируют ацетилхолинэстеразу, катализирующую реакцию гидролиза ацетилхолина на холин и уксусную кислоту. При добавлении ингибиторов активность ацетилхолинэстеразы уменьшается, концентрация ацетилхолина (субстрата) увеличивается, что сопровождается усилением проведения нервного импульса. Ингибиторы холинэстеразы используют при лечении мышечных дистрофий. Эффективные антихолинэстеразные препараты — прозерин, эндрофоний и др.

Неконкурентное ингибирование Неконкурентным называют такое ингибирование ферментативной реакции, при котором ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра. Неконкурентные ингибиторы не являются структурными аналогами субстрата. Неконкурентный ингибитор может связываться либо с ферментом, либо с фермент-субстратным комплексом, образуя неактивный комплекс. Присоединение неконкурентного ингибитора вызывает изменение конформации молекулы фермента таким образом, что нарушается взаимодействие субстрата с активным центром фермента, что приводит к снижению скорости ферментативной реакции.

Необратимое ингибирование Необратимое ингибирование наблюдают в случае образования ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего модификации подвергается активный центр фермента, В результате фермент не может выполнять каталитическую функцию. К необратимым ингибиторам относят ионы тяжёлых металлов, например ртути (Hg 2+ ), серебра (Ag + ) и мышьяка (As 3+ ), которые в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра. Субстрат при этом не может подвергаться химическому превращению. При наличии реактиваторов ферментативная функция восстанавливается. В больших концентрациях ионы тяжёлых металлов вызывают денатурацию белковой молекулы фермента, т.е. приводят к полной инактивации фермента.

Необратимые ингибиторы ферментов как лекарственные препараты. Пример лекарственного препарата, действие которого основано на необратимом ингибировании ферментов, — широко используемый препарат аспирин. Противовоспалительный нестероидный препарат аспирин обеспечивает фармакологическое действие за счёт ингибирования фермента циклооксигеназы, катализирующего реакцию образования простагландинов из арахидоновой кислоты. В результате химической реакции ацетильный остаток аспирина присоединяется к свободной концевой NH₂-группе одной из субъединиц циклооксигеназы. Это вызывает снижение образования продуктов реакции простагландинов, которые обладают широким спектром биологических функций, в том числе являются медиаторами воспаления.

24.Регуляция действия ферментов: аллостерические ингибиторы и актива­торы. Каталитический и регуляторный центры. Четвертичная структура аллостерических ферментов и кооперативные изменения конформации протомеров фермента.

Аллостерическая регуляция.Во многих строго биосинтетическихреакцияхосновным типом регуляции скорости многоступенчатого ферментативного процесса является ингибирование по принципу обратной связи. Это означает, что конечный продукт биосинтетической цепи подавляетактивность фермента, катализирующего первую стадию синтеза, которая является ключевой для данной цепиреакции. Поскольку конечный продукт структурно отличается отсубстрата, он связывается с аллостери-ческим (некаталитическим) центроммолекулыфермента, вызывая ингиби-рование всей цепи синтетическойреакции.

Предположим, что в клеткахосуществляется многоступенчатый биосинтетический процесс, каждая стадия которого катализируется собственнымферментом:

Скорость подобной суммарной последовательности реакцийв значительной степени определяетсяконцентрациейконечного продукта Р, накопление которого выше допустимого уровня оказывает мощное инги-бирующее действие на первую стадию процесса и соответственно наферментE1.

Следует, однако, иметь в виду, что модуляторами аллостерических ферментовмогут быть какактиваторы, так иингибиторы. Часто оказывается, что самсубстратоказывает активирующий эффект.Ферменты, для которых исубстрат, и модулятор представлены идентичными структурами, носят название гомотропных в отличие от гетеротропныхферментов, для которых модулятор имеет отличную отсубстратаструктуру. Взаимопревращение активного и неактивного аллостерическихферментовв упрощенной форме, а также конфор-мационные изменения, наблюдаемые при присоединениисубстратаи эффекторов. Присоединение отрицательного эффектора к аллостерическому центру вызывает значительные изменения конфигурацииактивного центрамолекулыфермента, в результате чегоферменттеряет сродство к своемусубстрату(образование неактивного комплекса).

Аллостерические взаимодействия проявляются в характере кривых зависимости начальной скорости реакцииотконцентрациисубстратаили эффектора, в частности в S-образности этих кривых (отклонение от гиперболической кривой Михаэлиса-Ментен). S-образный характер зависимости v от [ S ] в присутствии модулятора обусловлен эффектом кооперативности. Это означает, что связывание одноймолекулысубстратаоблегчает связывание второймолекулывактивном центре, способствуя тем самым увеличениюскорости реакции. Кроме того, для аллостерических регуляторныхферментовхарактерна нелинейная зависимостьскорости реакцииотконцентрациисубстрата.

Источник

Отряд самоубийц в медицине

12 сентября 2017

Отряд самоубийц в медицине

Необратимый ингибитор (оранжевый), подобно диверсанту, подрывает работу фермента (синий). Это потенциальное лекарство против трипаносомы крузи — главной причины болезни сердца в Латинской Америке.

Авторы

Редакторы

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Многие лекарства конкурируют с природными молекулами за связывание со своей мишенью. Большинство таких препаратов связывается с белками за счет слабых взаимодействий, но некоторые способны образовывать прочные связи, «выключая» свою мишень до конца ее «жизни», пусть и ценой собственной. Такие лекарства относятся к классу необратимых ковалентных ингибиторов, получивших образное название суицидных ингибиторов (англ. suicide inhibitors). О них и пойдет речь в нашей статье. Как работают и насколько опасны одни из самых эффективных лекарств? Чья болезнь помогла открыть аспирин? Что общего между никотином и грейпфрутовым соком? Ответы на эти и многие другие вопросы вы найдете далее.

Конкурс «био/мол/текст»-2017

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2017.

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».

Из чего же, из чего же сделаны эти лекарства?

Сегодня сложно представить себе человека, который ни разу в жизни не принял ни одной таблетки. Каждый год прилавки аптек пополняются все новыми и новыми лекарствами. Независимо от цвета упаковки препарата и его лекарственной формы (будь то таблетка, мазь, капсула, раствор для инъекций и т.д.) внутри всегда содержится главный компонент лекарства — действующее вещество. Именно оно и обеспечивает терапевтический эффект.

Большинство действующих веществ является ингибиторами, то есть они блокируют функцию того или иного белка (чаще фермента, но иногда и рецептора) в нашем или чужеродном организме. Многие из них связываются со своей мишенью обратимо, то есть после встраивания в мишень молекула может выйти обратно, так что их возможности сильно ограничены. Но необратимые ковалентные ингибиторы «намертво» связываются со своей мишенью. В результате фермент больше не способен функционировать до тех пор, пока клетка не синтезирует его новые копии.

Низкомолекулярные «взломщики»

Необратимые ковалентные ингибиторы — это относительно малоактивные молекулы, которые трансформируются ферментом-мишенью в высокоактивную форму, способную необратимо ингибировать (то есть «выключить») фермент [1]. Представим себе идеальную ситуацию: мы разработали ингибитор, который не обладает совершенно никакой активностью вне нашей мишени, но, попав в последнюю, узнает ее и выключает, обрекая на смерть. Но как же заставить ингибитор работать только в нужном нам белке? Ответ лежит на поверхности: использовать собственный механизм действия молекулярной мишени против самой себя. Фермент должен сперва принять ингибитор за привычную природную молекулу. Затем начать реакцию, за счет которой лекарство необратимо свяжется с мишенью [2]. То есть, приходя в качестве безобидного субстрата, этот «диверсант» намертво хватает ничего не подозревающий фермент, лишая его способности к функционированию и обрекая на верную гибель [3]! Эти вещества как бы «взламывают» нормальные ферментативные реакции для выключения белка. Правильно спроектированный необратимый ингибитор специфичен к определенному ферменту и не опасен для других молекул. Поэтому лекарства, основанные на этом подходе, могут иметь важное преимущество в виде малого количества нежелательных эффектов [1].

«В чем же секрет столь сильного связывания этих ваших необратимых ингибиторов?» — спросите вы. В ковалентной связи. Существует несколько механизмов связывания лекарств с их молекулярными мишенями. Обычно связывание происходит при помощи слабых взаимодействий [4]. Ковалентная же связь является сильнейшим из возможных взаимодействий и превосходит любые другие в десятки, а то и сотни раз (табл.1) [5]!

Таблица 1. Типы взаимодействий между ингибитором и рецептором. [5]

Тип связи	Энергия, ккал/моль
Ковалентная	50–150
Электростатическая	5–10
Водородная	2–5
Гидрофобная	0,5–1

Механизм образования ковалентной связи строится на том, что пара электронов одного из атомов молекулярной мишени (нуклеофила) распределяется между ним и одним из атомов ингибитора (электрофилом) (рис. 1). Из-за высокой прочности связи ингибитор оказывается необратимо присоединен к ферменту и приводит к разрушению последнего. Восстановление функции фермента наступает только после синтеза его новых копий [5].

Рисунок 1. Общий механизм действия необратимых ингибиторов.

Как же выглядят эти электрофильные группы, которые используются для создания ковалентных необратимых ингибиторов? Найти ответ вы сможете, посмотрев на рисунок 2. Наличие одного из этих фрагментов в структуре лекарства может говорить о том, что оно действует по уже известному вам механизму [6].

Рисунок 2. Примеры электрофильных групп, встречающихся в необратимых ингибиторах.

Несмотря на то, что связывание необратимых ингибиторов приводит к гибели фермента, не следует думать, что одна доза такого лекарства может полностью уничтожить фермент в организме. Наличие и работа генов позволит создать его новые копии, пусть на это и понадобится от нескольких часов до пары дней [2].

Как и все в мире, ковалентные необратимые ингибиторы имеют свои преимущества и недостатки, которые мы представили в формате таблицы 2 [6].

Таблица 2. Преимущества и недостатки ковалентных необратимых ингибиторов. [6]

Преимущества	Недостатки
Высокие эффективность и избирательность позволяют использовать меньшие дозы и уменьшить риск побочных эффектов	Высокая активность некоторых представителей может приводить к некрозу печени, мутациям и даже раку!
Связывание с важными остатками фермента предотвращает развитие устойчивости микробов, что важно при лечении инфекций	Потенциальная иммуногенность, так как полученный продукт реакции может вызывать аллергический ответ
Длительное действие, так как активность фермента вновь появляется только при синтезе его новых копий

Тернистые пути разработки эффективных лекарств

Если вы думаете, что разработка необратимых ковалентных ингибиторов — легкое дело, то вы глубоко заблуждаетесь. Даже если закрыть глаза на то, что разработка любого лекарства является крайне трудоемким и времязатратным процессом [7], задача не сильно упростится — ведь необратимые ингибиторы требуют особого подхода к своей персоне. Сегодня не так много одобренных препаратов действуют именно таким образом. А механизм действия многих из них открыли только спустя годы после разработки! Ученые на этом пути сталкиваются с большим количеством порой неразрешимых проблем.

Одна из них — участие одного фермента сразу в нескольких метаболических каскадах. Обсуждаемые лекарства необратимо связываются с ферментом-мишенью, уничтожая его на то время, которое требуется на синтез новых копий фермента. Этот процесс может занимать до нескольких суток! В том случае, если фермент-мишень выполнял несколько функций, это чревато серьезными побочными эффектами. Чтобы обойти проблему, необратимо связывающиеся ингибиторы чаще всего применяют для блокирования одного из ферментов потенциально опасных для человека вирусов, бактерий и т. д. [3].

Вторая проблема заключается в том, что при низкой избирательности необратимые ингибиторы могут связываться с нежелательными мишенями, похожими на выбранную нами для ингибирования. Это тоже может приводить к серьезным побочным эффектам. Поэтому важная задача при оптимизации структуры ингибиторов — повышение избирательности к своей мишени [3].

Опасения в отношении побочных эффектов необратимых ингибиторов не лишены оснований. Бум гонений на эту группу препаратов вызвали исследования 1970-х годов. Тогда выяснили, что два из наиболее широко известных представителей этой группы — парацетамол и фуросемид — обладают высокой токсичностью в связи с тем, что, метаболизируясь в печени, они образовывают активные производные, формирующие ковалентные связи с ее белками [2], [8]. Как выяснилось позже, эти единичные случаи не имеют отношения ко многим препаратам из группы необратимых ингибиторов, а парацетамол и фуросемид до сих пор активно используются в клинической практике.

Другим распространенным примером нежелательного необратимого ингибирования является цитохром P450. Цитохромы — группа ферментов в нашем организме, главной задачей которых является обезвреживание потенциально опасных веществ. Первыми необратимыми ингибиторами цитохрома стали алкены и алкины. В результате ингибирования этого фермента процессы детоксикации становятся невозможными. Неполный список препаратов, способных вступать в подобную реакцию, включает 17α-алкенил-стероиды, левомицетин, циклофосфамид, спиронолактон, фурокумарины, никотин, изониазид и барбитураты. Звучит опасно, не правда ли? Не многим опаснее, чем пить грейпфрутовый сок! Его компоненты способны необратимо связываться с цитохромом кишечника и лишать этот фермент активности на 24 часа! К чему это может привести? К тому, что принимаемые в это время лекарства будут более эффективно поступать в наш организм, а рост их концентрации повышает риск развития нежелательных эффектов [5]. Именно поэтому врачи рекомендуют запивать таблетки только водой.

Но всегда ли можно считать необратимые ингибиторы безопасными лекарствами? Конечно же, нет. Поиск необратимых ингибиторов, и правда, не всегда оборачивается успехом для исследователей. В частности, полным провалом завершились исследования мышьяк-содержащих органических соединений для лечения трипаносомоза [9]. Эти соединения необратимо ингибировали жизненно необходимые ферменты трипаносомы за счет образования связей между атомом мышьяка в составе исследуемых веществ и серосодержащими остатками фермента. Но они оказались токсичными не только для трипаносомы, но и для организма человека [5].

К счастью, несмотря на все перипетии судьбы, ученые вновь сфокусировали свои пристальные взгляды на необратимых ковалентных ингибиторах. Лучшее понимание реально существующих рисков и знание механизма химических преобразований открыли множество возможностей для разработки более эффективных лекарств и привели к резкому росту встречаемости необратимых ингибиторов в различных исследованиях [10].

«Ветераны» борьбы за здоровье человечества

Многие из широко применяемых успешных препаратов — необратимые ковалентные ингибиторы [6]. Например, в 2009 году три необратимо связывающихся ингибитора попали в топ-10 наиболее продаваемых лекарств [2]. В 2011 году из 39 ковалентных лекарств, одобренных в США, 33% являлись противоинфекционными, 20% нашли применение в лечении рака, 15% применялись при болезнях пищеварительного тракта, 10% — при нарушении работы центральной нервной системы, 5% использовались при лечении сердечно-сосудистых заболеваний и один препарат обладал противовоспалительными свойствами (рис. 3) [6], [11].

Рисунок 3. Области применения одобренных в США необратимо связывающихся ингибиторов (данные за 2011 год).

Рисунок 4. Структура салицилата натрия (а) и аспирина (б).

Давайте же поговорим о нескольких наиболее успешных примерах необратимых ковалентных ингибиторов.

Натрия салицилат впервые применили в качестве противовоспалительного лекарства в 1875 году (рис. 4а). Препарат обладал ужасным вкусом и вызывал язвы ротовой полости и желудка. В конце XIX века отец одного из химиков компании Bayer Company, страдающий от тяжелого ревматоидного артрита, упросил своего сына, Феликса Хоффмана, заняться поиском менее опасного аналога салицилата натрия. Феликс синтезировал различные производные и обнаружил, что ацетилсалициловая кислота обладает лучшими свойствами. Так был обнаружен аспирин (рис. 4б). В 1899 году Bayer выпустила аспирин как противовоспалительное, обезболивающее и жаропонижающее средство [2]. Как и в случае многих других препаратов, механизм его действия открыли только спустя 70 лет после коммерциализации препарата [6], за что в 1982 году была вручена Нобелевская премия [2], [12]. Аспирин оказался необратимым ингибитором ферментов, участвующих в реакции воспаления — циклооксигеназ [6].

Рисунок 5. Структура пенициллина.

Другие примеры необратимых ковалентных ингибиторов — пенициллины [6]. Их родоначальника, пенициллин (рис. 5), открыл в 1928 году Александр Флеминг [13]. Ученым понадобилось еще 15 лет, чтобы достаточно изучить и начать использовать этот препарат в качестве антибактериального лекарственного средства, что спасло миллионы жизней во время Второй мировой войны [12]. Пенициллин нарушает синтез клеточной стенки бактерий. Он связывается с транспептидазой — ферментом, обеспечивающим первый этап сшивки пептидогликана, который является основным компонентом бактериальной клеточной стенки. Когда пенициллин связывается с транспептидазой, синтез бактериальной клеточной стенки блокируется, и многие бактерии погибают от разрыва клеточной мембраны под воздействием осмотического давления [1].

Однако все оказалось не так радужно — у бактерий обнаружились механизмы устойчивости [14]. В частности, резистентность к пенициллинам обеспечивается за счет наличия β-лактамаз — ферментов, расщепляющих пенициллины. Ученые не остановились на достигнутом и разработали ингибиторы этого фермента — сульбактам, тазобактам и клавулановую кислоту. Подобно пенициллинам, в результате нуклеофильной атаки эти соединения претерпевают открытие β-лактамного кольца. Отличие в том, что ингибиторы β-лактамаз подвергаются раскрытию и второго цикла, содержащегося в их структуре. При этом появляется возможность образования дополнительных связей, в том числе и ковалентных (рис. 6) [6], [15].

Рисунок 6. Механизм действия ингибиторов β-лактамаз

Рисунок 7. Структура ацикловира.

Ацикловир — один из самых эффективных препаратов с противовирусной активностью (рис. 7). Он был открыт в 1974 году крупной ныне фармацевтической компанией — GlaxoSmithKline (тогда она называлась Burroughs Wellcome) — в ходе широкомасштабного поиска противовирусного средства, начавшегося еще в 1960-е годы. А в 1988 году за изучение механизмов действия ацикловира и других препаратов вручили Нобелевскую премию [16].

В клинической практике ацикловир применяют для лечения вируса герпеса. Важно, что здоровые клетки человека не подвергаются действию препарата. Ведь ацикловир попадает в клетку благодаря одному из ферментов вируса — тимидинкиназе! Способность ацикловира связываться с этим ферментом в 200 раз выше, чем с любым ферментом нашего организма. Оказавшись в зараженных клетках, ацикловир преобразуется в ацикловир трифосфат, который связывается с вирусной ДНК и в таком виде необратимо ингибирует вирусные ДНК-полимеразы, необходимые для размножения вируса [17].

Другим широко известным примером необратимых ингибиторов является омепразол, одобренный к применению в 1980-х. Его применяют при заболеваниях пищеварительной системы, сопровождающихся усиленным выделением желудочной кислоты, таких как изжога или язва желудка. В нейтральной среде омепразол не оказывает действия на наш организм, но при ее закислении желудочным соком необратимо связывается с протонной помпой, ответственной за образование кислоты в желудке. Это происходит потому, что благодаря кислой среде омепразол претерпевает ряд внутримолекулярных перестроек и становится способным принять на себя нуклеофильную атаку каталитического цистеина протонной помпы, тем самым образуя прочную ковалентную связь и выключая этот белок (рис. 8) [6], [18], [19].

Рисунок 8. Механизм действия омепразола.

Африканская сонная болезнь, или африканский трипаносомоз, вызывается простейшими рода трипаносома. До конца XX века эта болезнь была практически неизлечима. Вакцины оказались неэффективны против трипаносом из-за того, что последние имеют механизмы обхода иммунной системы человека. Поэтому, основываясь на знаниях о жизненно необходимых ферментах этих простейших, ученые прибегли к разработке механизм-опосредованно связывающихся ингибиторов. Ахиллесовой пятой в метаболизме трипаносом оказался путь биосинтеза полиаминов, вовлеченных в процессы упаковки ДНК и в больших количествах необходимых при делении клеток. Первый этап их синтеза обеспечивает фермент орнитиндекарбоксилаза при участии вспомогательной молекулы — витамина В6. В клетках млекопитающих фермент синтезируется быстро, а у трипаносом этот процесс занимает гораздо больше времени. Именно поэтому необратимые ингибиторы орнитиндекарбоксилазы мало влияют на человеческие клетки, но крайне губительно действуют на паразита [1]. На базе этого механизма был разработан дифторметилорнитин (ДФМО). ДФМО достаточно инертен в растворе, но в результате реакции с витамином В6 приобретает способность связываться с орнитиндекарбоксилазой, которая быстро инактивируется (рис. 9). Эта реакция необратима. Таким образом ДФМО использует собственные реакции фермента для его уничтожения. Препарат показал высокую эффективность против африканской сонной болезни в клинических исследованиях и используется в настоящее время для ее лечения [1].

Рисунок 9. Комплекс производного ДФМО (голубой) с витамином В6 (зеленый) и ферментом орнитиндекарбоксилазой (серый).

А недавно ученые обнаружили, что ДФМО также может использоваться в качестве препарата против рака! Механизм действия ДФМО по отношению к раковым клеткам хорошо изучен. Так же, как и в случае лечения трипаносомоза, этот агент ингибирует действие орнитиндекарбоксилазы. Ведь, что интересно, в опухолевых клетках количество этого белка значительно выше, так как они интенсивно делятся! При инактивации орнитиндекарбоксилазы в раковых клетках падает уровень полиаминов, что нарушает правильную упаковку ДНК, в результате чего клетки перестают делиться. Этот эффект препарата называется цитостатическим. Однако если препарат применять долго, то происходит не замедление деления, а гибель раковых клеток! ДФМО сам по себе не обеспечивает достаточный противораковый эффект, но в комбинации с другими химиотерапевтическими препаратами этот компонент показал увеличение выживаемости пациентов и ускорение темпов выздоровления. Поэтому ДФМО имеет потенциал применения в качестве лекарства, предотвращающего возникновение онкологии, либо снижающего вероятность рецидива рака после удаления опухолевых клеток [20].

Есть ли будущее у необратимых ковалентных ингибиторов?

Долгие годы необратимые ингибиторы были окружены аурой скептицизма, возникшей из-за токсичности некоторых представителей этой группы, обнаруженной в 1970-е годы. Но эффективность и избирательность многих препаратов этой серии доказали, что страхи в их отношении не были оправданными. Конечно, они обладают потенциальной опасностью из-за возможности неспецифических взаимодействий и аллергических реакций, но клиническая практика показывает их незаменимость в лечении целого ряда заболеваний. Сейчас число препаратов этой группы неуклонно растет [6].

Сложность в том, что исследователь должен преследовать сразу несколько целей: повысить избирательность лекарства к ферменту-мишени и тщательно продумать механизм его действия. Но такие свойства необратимых ковалентных ингибиторов, как высокие избирательность и эффективность, высокая продолжительность действия, сниженный риск развития устойчивости к препарату, делают эту группу лекарств незаменимым инструментом в арсенале врачей и разработчиков лекарств [6].

Источник