Kopi af:
Metaller og lægemidler : uorganisk kemi i lægemiddelforskning
Dette materiale er lagret i henhold til aftale mellem DBC og udgiveren.
www.dbc.dk
e-mail: dbc@dbc.dk
Af Ole Farver
■ I kemien har man traditio- nelt skelnet mellem organisk og uorganisk kemi. Det ligger i ordet “organisk”, at denne del af kemien vedrører de stoffer, der indgår i organismen. Umid- delbart vil man dermed også forvente, at udviklingen af læge- midler må baseres på organisk kemi, mens uorganisk kemi er af mindre betydning.
Men levende organismer skel- ner ikke mellem organisk og uorganisk kemi. Det betyder, at de allerfl este grundstoffer har potentielle muligheder i design af nye lægemidler på trods af deres eventuelle skadelige egen- skaber. I cellerne forekommer der således mange naturlige pro- cesser, hvor der omsættes eks- tremt giftige forbindelser som sulfi d, cyanid, hypochlorit og kviksølv. Når dette allerede fore- går i levende organismer, må det også kunne lade sig gøre at udnytte forbindelserne i læge- midler.
Det er samtidig bemærkel- sesværdigt, at over halvdelen af alle enzymer i den menneskelige
Metaller
og lægemidler
- uorganisk kemi i lægemiddelforskning
Langt de fl este grundstoffer kan potentielt anvendes i nye lægemidler.
Blandt disse er metalholdige forbindelser af særlig interesse, selvom mange af disse i sig selv kan være ekstremt skadelige. Udfordringen her er at forstå mekanismerne i de naturlige processer, som omsætter sådanne stoffer i organismen.
organisme indeholder metalio- ner – f.eks. er det metalioner, der styrer fundamentale bioke- miske processer som kopiering af RNA og DNA. Metalionerne bliver derfor oplagte mål for lægemidler.
Uorganiske lægemidler i medicinhistorien Uorganiske forbindelser har allerede været benyttet i medici- nen i mange tusinde år. Oldti- dens ægyptere benyttede således kobber til at sterilisere drikke- vand (3.000 år fvt.). På samme tidspunkt anvendte kineserne små guldpartikler til medi- cinske formål – bl.a. med det ædle formål at sikre udødelig- hed (ungdomselixir). Kalomel (Hg2Cl2) har været kendt som vanddrivende middel (diureti- kum) siden renaissancen og helt op til 1950’erne. Arsenforbin- delser var de første succesfulde medikamenter til behandling af syfi lis. Guldcyanid har været et relativt effektivt middel i kam- pen mod tuberkulose, og guld- kure benyttes i dag ved behand-
ling af visse gigtformer.
Men det mest kendte uorga- niske lægemiddel er utvivlsomt
“cisplatin”, PtCl2(NH3)2, som har revolutioneret behandlingen af mange kræftformer.
Karakteristisk for alle disse lægemidler er, at det har været helt tilfældige begivenheder, der har ført til deres opdagelse. Men den slags lotteri kan man ikke forlade sig på i moderne, ratio- nel lægemiddeludvikling. Her må man i stedet forsøge at for- stå de mekanismer, der ligger til grund for reaktionerne mellem de kemiske forbindelser og de biologiske centre.
Det er netop målet for vores forskning ved Danmarks Far- maceutiske Universitet, der foregår i tæt samarbejde med adskillige forskningsinstitutio- ner i Europa, Israel og USA. For tiden undersøger vi bl.a. struk- tur og funktion af enzymer, som nedbryder kvælstofholdige forbindelser, der indgår i visse bakteriers stofskifte. Nedbryd- ning af nitrit (en del af kvæl- stofcyklen) i naturen foregår i
specielle bakterier, hvor man fi nder to helt forskellige typer proteiner, både mht. struktur og sammensætning (se boks - fi gur 1). I tre fjerdedele af alle kendte bakteriestammer forekommer et jernholdigt enzym (cd1-nitritre- duktase), mens den sidste fjer- dedel benytter et kobberholdigt enzym kaldet kobber-nitritre- duktase.
Det er naturligvis interessant i sig selv at klarlægge i detaljer, hvorledes bakteriernes stofskifte fungerer. Men derudover lærer vi også vigtige ting om lignende enzymsystemer, som indgår i livsvigtige processer i den men- neskelige organisme. Og den store fordel ved at studere de bakterielle “modelsystemer” er, at de er meget lette at manipu- lere bioteknologisk – dvs. vi for- andrer bestemte områder i pro- teinerne og undersøger, hvorle- des reaktionsmønsteret ændres.
Omsætning af oxygen I biologisk kemi spiller såkaldte redox-processer en meget stor rolle. Redox-processer er en
Enzymer og metalioner samlebetegnelse for to typer
kemiske reaktioner; reduktion, hvor der tilføres elektroner til en forbindelse og oxidation, hvor elektroner fjernes (se boks). Tænk blot på fotosyn- tesen eller respirationen, hvor en kaskade af elektronoverførs- ler er koblet til energiopbeva- ring i form af molekyler som ATP eller lignende forbindelser.
Åndedrættet tilfører energi til hjernen, som i “tomgang” har et forbrug svarende til en 100 W elektrisk pære.
Jern og kobber spiller hoved- rollerne i alle de processer, hvori oxygenomsætning indgår, og det er bemærkelsesværdigt, at kob- ber- og jern-holdige proteiner stort set udfører identiske funkti- oner blot forskellige steder i orga- nismen. Hvorfor denne usæd- vanlige extravagance fra naturens side? Det skyldes jerns og kob- bers forskellige kemiske egenska- ber; primært, at kobberionen alt andet lige generelt danner mere robuste komplekser end jernio- nen. Jernholdige forbindelser fi ndes derfor udelukkende inde i cellerne eller i specielle vesikler, hvorfra metalionen ikke så let kan slippe bort. De mere stabile kobberforbindelser fungerer deri- mod oftest udenfor cellerne.
Frie radikaler
Én af priserne, vi må betale for at leve i en oxygenrig atmosfære, er, at der ved omsætningen af oxygen i organismen dannes uønskede radikaler – dvs. ilt- forbindelser, som indeholder en uparret elektron. De frie radika- ler reagerer agressivt med orga- nisk materiale og kan forårsage en lang række skader som f.eks.
celleforandringer, eller athero- sclerose (med den uheldige dan- ske betegnelse: åreforkalkning) som er den hyppigste dødsårsag i den vestlige verden. Organis- men må derfor beskytte sig mod frie radikaler.
Metalioner er helt essentielle i fl ertallet af de enzymer (anti- oxidanter), der har til formål enten at forhindre dannelse af frie radikaler eller at fjerne dem, men er ironisk nok samtidig ansvarlig for produktion af de uønskede frie radikaler. I vores forskning arbejder vi med at
Enzymernes navne
Enzymer er katalysatorer for de kemiske omdannelser, der foregår i biologiske systemer. En enestående egen- skab ved enzymerne er, at de er højt specialiserede i valg af reagerende molekyler, kaldet substrater. De allerfl e- ste enzymer er proteiner, og deres traditionelle navne er oftest karakteriserede ved endelsen ”ase” mens præ- fi kset fortæller noget om, hvilke substrater der indgår i processerne, eller hvilken funktion enzymet har. Således katalyserer kulsyreanhydrase binding af vand til kuldioxid – en utrolig vigtig proces, hvor CO2 i vævet transporte- res ud i blodet som opløst “kulsyre”. Enzymet får processen til at foregå 10 millioner gange hurtigere end uden katalysator. Aminoxidase katalyserer, som navnet antyder, oxidation af organiske aminer. DNA-polymerase er et specifi kt enzym for opbygning af den korrekte sammensætning af byggestenene i DNA molekylet.
Der er naturligvis også undtagelser fra reglen. Pepsin er således et fordøjelsesenzym, som fi ndes i mavesæk- ken. Men det er jo ikke let at gætte ud fra navnet.
Figur 1. Bakteriers nedbrydning af nitrit i naturen foregår ved hjælp af enzymer kaldet nitrit- reduktaser. Der fi ndes to helt forskellige typer af sådanne enzymer, nemlig et jern- og et kobberholdigt. Til venstre ses det jernholdige enzym, hvor de to jernatomer er vist i orange omgivet af de atomer, der holder
metalionerne på plads. Det ene center (øverst) binder nitrit ionen, mens det andet center modtager en elektron fra et andet substrat - et kobberprotein (vist herunder). Proteinskelettet er vist som et grønt bånd
Til højre ses det tilsvarende kobber-enzym med to blå kob- berioner og de omgivende amino-
syrer. Nitrit bindes til det neder- ste kobbercenter, mens det øverste modtager en elektron fra et kobberholdigt substrat.
Proteinskelettet er her vist som et violet bånd.
Figur 2. Specifi citet i biologiske processer sikres af molekyler- nes struktur. Her er vist opbyg- ningen af det lille kobber-protein, azurin, som er det molekyle, der leverer elektroner til nitrit- reduktaserne vist på fi gur 1.
Kobberionen (blå) er beskyttet af proteinet, så kun molekyler med en bestemt struktur kan koble til
centeret og reagere. Til sam- menligning vil det lille kob- berkompleks vist ved siden af reagere ukontrolleret.
Kobberkompleks
Redoxprocesser
I den mest fundamentale af alle kemiske processer overføres blot én eller fl ere elektroner mellem molekylerne.
Denne type kemisk reaktion kaldes en redoxproces. De to vigtigste biologiske redoxprocesser er utvivlsomt knyt- tet til fotosyntesen og respiration – herunder dannelse og udnyttelse af oxygen. I den første proces benyttes solenergien til at fjerne elektroner fra vandmolekylet (oxidation):
2H2O → O2 + 4e- + 4H+
Oxygen (O2) kan omvendt under respirationen modtage fi re elektroner (samt fi re protoner) og omdannes til vand (reduktion)). Men prisen for at leve i en oxygenrig atmosfære er, som nævnt fl ere gange, risikoen for at proccessen ikke altid går helt til ende: Modtager iltmolekylet f.eks. kun en enkelt elektron, omdannes det til det meget skade- lige superoxidradikal:
O2 + e- → O2-
undersøge strukturen og akti- viteten af en lang række kob- ber- og jernholdige enzymer, der indgår i redoxreaktioner. Der- udover kigger vi også på små kobberholdige proteinkomplek- ser, som alle har et stort poten- tiale i denne sammenhæng.
Ét af de uønskede frie radika- ler, som dannes ved omsætning af oxygen i organismen, er supe- roxidradikalet, O2-, der reagerer aggressivt med cellemembraner, væv, etc. Derfor fi ndes der nogle meget effektive enzymer, supe- roxiddismutaser (SOD), som katalyserer omdannelsen af radi- kalet til peroxid, der igen ned- brydes til vand ved hjælp af et andet metalholdigt enzym.
Umiddelbart virker det para- doksalt, at frie kobberioner tilsyneladende virker lige så effektive i den katalytiske pro- ces, der omdanner radikalet. Så hvorfor skulle organismen inve- stere i opbygningen af et stort proteinmolekyle, når en enkelt metalion er lige så virknings- fuld? Men her glemmer man en meget vigtig pointe: Frie kob- berioner er ikke specifi kke, men vil indgå i mange andre proces- ser, hvor de kan være ekstremt skadelige – f.eks. i forbindelse med peroxider, som ofte vil være tilstede. Frie jern- eller kobbe- rioner kan nemlig reagere med peroxid under dannelse af det yderst aggressive OH-radikal.
Det er altså meget vigtigt, at der aldrig forekommer frie metalioner i organismen, som kan indgå i redoxprocesser. I SOD enzymet er kobberionen derfor bundet i en struktur, der gør ionen specifi k over for bin- ding til og omdannelse af O2-
Ved alle større hjerteoperatio- ner tilføres SOD til patienten for at undgå, at vævet i det åbne sår ødelægges ved angreb af superoxid-radikalet.
Det er karakteristisk for alle metalholdige proteiner, at de består af en eller fl ere metal ioner bundet til aminosyregrupper eller andre molekyler fast for- ankrede i de store proteinmole- kyler. Proteinstrukturen sørger for, at det kun er helt bestemte forbindelser, der kan blive omsat, og metalionen udfører herefter arbejdet i samarbejde med de omkringliggende grupper.
Puls-radiolyse
Én af de metoder, vi benytter til undersøgelse af biologiske redoxprocesser, kaldes puls-radiolyse. Her genereres korte pulse (i nanosekunder) af elektroner, som skydes ind i proteinerne. Kunsten er nu at ramme de rigtige centre i molekylerne – noget, der har taget mange år at beherske tilfredsstillende – og herefter at registrere de hurtige ændringer i enzymets redoxtilstand. Her kommer de optiske egenskaber af de jern- og kobberholdige proteiner til deres ret. De er alle karakteriserede ved meget intensive farver, som gør det muligt at arbejde med meget små koncentrationer (< 1 µM) hvilket er afgørende, når materialet skaffes fra levende organismer. F.eks.
isolerede vi enzymet, peptidyl-α-amidase, fra hypofyser i mus, og for at få nok protein til undersøgelserne måtte en dygtig ph.d.-studerende operere hypofysen ud af 1.000 mus.
På billedet øverst ses puls-radiolyse udstyret på Universitetet i Jerusalem, som er bygget op omkring en ca.
6 m lang accelerator, der udsender korte elektronpulse (milliardedele af et sekund). Elektronerne accelereres hen gennem ”kanonrøret” og rammer til sidst proteinprøven. Nederste billede: Beskyttet mod strålingen af en metertyk betonmur opfanges og analyseres signalerne fra eksperimenterne.
Størst kobberkoncentration i hjernen
Hjernen er det organ, hvor de fl este kobberholdige enzy- mer fi ndes, og disse enzymer bliver derfor oplagte mål for lægemidler, der kan binde til kobberionen. Adskillige kob- berholdige proteiner katalyse- rer dannelse af små molekyler (kaldet hormoner), der indgår i nervecellernes kommunikation.
Et eksempel er omdannelsen af signalstoffet dopamin ved hjælp af kobberenzymet, dopa- min-β-hydroxylase. Enzymet indeholder et kobber-ionpar, som i forening med C-vitamin og oxygen omdanner dopamin til et andet vigtigt hormon, der igen fører til produktion af adrenalin.
En anden enzymtype, som vi har arbejdet med, katalyserer dannelsen af hormoner i hypo- fysen bestående af ganske korte peptider. Disse små peptid-hor- moner, som enzymet PAA (pep- tidyl-α-amidase) producerer, er med til bl.a. at styre væskeba- lancen i kroppen og stimulere livmoderens sammentrækning ved fødsler.
Hormonerne dannes i en pro- ces ved samspil mellem kobber- proteinet, C-vitamin og oxygen.
Hormonerne skal også fjernes hurtigt og effektivt, når der ikke længere er behov for dem. Det foregår igen ved hjælp af kob- berholdige enzymer.
Kobber-relaterede sygdomme
Når kobber nu er essentielt for mange fysiologiske processer, er det klart, at fejl i kroppens kob- berstofskifte vil føre til alvorlige lidelser. Hvis kobberionerne ikke omsættes effektivt nok, vil overskud af metallet blive ophobet i lever og hjerne. Uden behandling vil dette føre til skader på organerne og til tid- lig død. Der fi ndes en genetisk betinget sygdom, der netop har disse konsekvenser, og som skyl- des en fejl i aminosyresammen- sætningen af et stort kobberpro- tein, ceruloplasmin (hCp); et enzym, som fi ndes i betragtelig koncentration i blodplasma.
Enzymet fungerer som kobber-
reservoir, men katalyserer her- udover oxidation af jernionen Fe(II) til Fe(III), der herefter bindes til et protein, transferrin, som transporterer metallet ind i cellerne. Kobberproteinet hCp er derfor nødvendigt for opta- gelse af jern i den menneskelige organisme!
En anden genetisk betin- get lidelse skyldes defekter i det protein, der transporterer kobber rundt til de forskellige organer, Menkes protein. Her- med nedsættes produktionen af ceruloplasmin, hvilket igen fører til akut jernmangel. Generne for både det intakte og det defekte Menkes Protein er blevet iso- leret og klonet hos Dr. Nina Horn på Kennedy Instituttet, og vi har studeret, hvordan kob- ber binder til proteinerne. Vores undersøgelser af sammenhæn- gen mellem proteinets struktur og dets funktion kan således på længere sigt åbne for behandling af sygdommen ved genterapi.
En af kemiens store udfordringer
Der er ingen tvivl om at den grundvidenskabelige forskning i metalloproteinkemi, der er rela- teret til metalioners biologiske funktioner, vil accelerere kolos- salt i de kommende år, herun- der også i et forsøg på en mere rationel og målrettet udvikling af nye lægemidler. Thi kun en fundamental indsigt i de proces- ser, som kontrollerer de levende celler, kan føre til en praktisk anvendelse af den indsamlede viden, det være sig i sygdomsbe- kæmpelse eller ved teknologisk udnyttelse. Det centrale punkt er her, at uorganiske forbindel- ser kan designes så de får speci- fi k biokemisk aktivitet.
Opklaring af de detaljerede mekanismer for vekselvirknin- gen mellem metalioner og bio- logiske makromolekyler bliver hermed en af de store udfor- dringer i kemien. ■
Om forfatteren
Ole Farver er dr. scient og professor ved Institut for Analytisk Kemi, Danmarks Farmaceutiske Universitet og i mere end 20 år gæste- professor ved Department of Immunology, The Weizmann Institutete of Science, Israel Tlf.:3530 6269
e-mail: of@dfuni.dk Figur 3. Menkes protein indgår i den menneskelige organismes kobber-
transport. Her ligger kobberionen (blå) bundet til to svovlatomer (gule) og relativt ubeskyttet, da den jo skal kunne udveksles med andre kob- berafhængige proteiner.
Her ses forfatteren under montering af målecellen med proteinopløsningen.
Videre læsning Denne artikel er base- ret på artiklen: Metalioner – en nøgle til nye lægemidler i Lægemiddelforskning 2003, udgivet af Danmarks Farma- ceutiske Universitet.
Ole Farver: Metals in medi- cine: inorganic medicinal chemistry. Side 364-409 i:
Textbook of Drug Design and Discovery. Taylor & Francis, 2002.
