Leki działające na receptory GPCR

Transkrypt

1 Leki działające na receptory GPCR

2 Receptory GPCR (G-protein-coupled receptors) receptory sprzężone z białkiem G Ligandy, m.in. : Białko G (trimer) Fotony (widzenie), jony, substancje smakowe i zapachowe (związki chem.), lipidy, neurotransmitery, hormony. Kontrola w procesach, m.in. : - przekaźnictwo neuronalne - naczyniowo-sercowe - system immunologiczny - procesy nowotworowe Ok % leków jest skierowanych na receptory GPCR

3 Receptory GPCR Rodzina A: Rhodopsin-like (ok. 700 receptorów ) Dopaminowe, histaminowe, serotoninowe, r.chemokin, r.interleukin, opioidowe, canabinoidowe, melatoninowe, r. węchowe, Rodzina B: Secretin-like Receptory hormonów: glukagonu, sekretyny, hormonu przytarczycy, smakowe i in. Rodzina C: glutaminianowe / smakowe GABA-B (wiążące kwas -aminomasłowy), receptory smakowe (słodki i umami)

4 Nadrodzina receptorów GPCR ok. 800 typów receptorów Nowy podział na rodziny Receptory glutaminianu Podobne do rodopsyny Adhezyjne Frizzled / smakowe Receptory sekretyny Glutamate Rhodopsin like Adhesion Frizzled / taste Secretin GRAFS nazwa tego podziału

5 Rodzina (A) - Rhodopsin like (zawiera 90% receptorów GPCR) Amine Peptide Hormone protein (Rhod)opsin Olfactory Prostanoid Nucleotide-like Cannabinoid Platelet activating factor Gonadotropin-releasing hormone Thyrotropin-releasing hormone & Secretagogue Melatonin Viral Lysosphingolipid & LPA (EDG) Leukotriene B4 receptor Orphans (receptory sieroce tzn. funkcja jeszcze nieznana )

6 GPCRs Rhodopsin like peptide Angiotensin Bombesin Bradykinin C5a anaphylatoxin APJ like Fmet-leu-phe Interleukin Chemokine CCK (cholecystokinin) Endothelin Melanocortin Neuropeptide Y Neurotensin Opioid Somatostatin Tachykinin Vasopressin-like Galanin like Protease-activated Orexin & neuropeptide FF Urotensin II Adrenomedullin (G10D) GPR37 / endothelin B Neuromedin U Somatostatin- and angiogenin peptide Allatostatin C / drostatin C Dalszy podział na podtypy: ( ) MOR, ( ) DOR, ( ) KOR

7 Drzewo filogenetyczne receptorów GPCR

8 Leki działające na receptory GPCR (receptory związane z białkiem G)

9 Receptory GPCR - działanie Budowa receptora GPCR (7TM) Helisy receptora GPCR są prostopadłe do powierzchni błony lipidowej Związanie liganda powoduje zmianę kształtu receptora

10 Receptory GPCR wzmocnienie sygnału Budowa białka G (G ) Po związaniu białka G z receptorem następuje wymiana GDP na GTP Podjednostka G aktywuje enzym cyklazę adenylanową (AC) która wytwarza c-amp (przekaźnik II-rodzaju), który z kolei aktywuje kanały jonowe.

11 Rodopsyna i proces widzenia Enzym fosfodiesteraza (PDE): zmniejsza stężenie przekaźników II-rodzaju (kanały jonowe zamykają się)

12 Struktura rodopsyny Grupy sacharydowe TM5 TM4 Retinal Łańcuchy palmitynowe TM6 TM3 TM2 TM7 TM1 H8 Izomeryzacja cis-trans retinalu GPCR.sce

13 Krystaliczne dimery rodopsyny H8 TM1 TM1 1HZX (2000 r.) monomery antyrównoległe TM5 TM5 1GZM (2003 r.)

14 Oligomer rodopsyny struktura hierarchiczna Obrazy z mikroskopu sił atomowych (AFM) D. Fotiadis et al., Nature 2003

15 Model natywnego oligomeru rodopsyny Protein Data Bank, id=1n3m (2003)

16 Rola dimeryzacji w cyklu życiowym receptorów GPCR S.Terrillon at al. EMBO Rep. 2004

17 Struktury krystaliczne receptorów GPCR Rodopsyna 2000 r. Receptor 2 AR 2007 r. Receptor A 2A R 2008 r. GPCR.sce

18 Nagroda Nobla z Chemii 2012 Robert J. Lefkowitz Howard Hughes Medical Institute, Duke University Medical Center, Durham, NC, USA Brian K. Kobilka Stanford University School of Medicine, Stanford, CA, USA "for studies of G-protein-coupled receptors" Prace nad: receptory adrenergiczne α i β, kinaza GRK, sygnalizacja przez arestynę.

19 Obecne techniki krystalizacyjne dla GPCR Mikrokrystalografia Stabilizacja termiczna przez mutacje Stabilizujące białka: lizozym, apocytochrom, przeciwciało 2 -adrenergic receptor Neurotensin receptor

20 Białka stabilizujące strukturę GPCR Structure 2012

21 Sygnalizacja receptorów GPCR Protease activated receptor Kobilka lab, Nature 2012

22 Własności ligandów receptorów Agonista Antagonista Inwersyjny agonista

23 Funkcjonalna selektywność ligandy stronnicze

24 Funkcjonalna selektywność przykłady Zwiększone zniesienie bólu Depresja oddechowa Skurcz mięśni gładkich, zatrzymanie Na + i płynów Kurczliwość serca, Apoptoza komórek serca

25 Ligandy receptorów serotoninowych 5-HT Ergotamina wielkocząsteczkowy alkaloid otrzymywany ze sporyszu. Lek (powoduje skurcz mięśni gładkich) i używany m.in. do produkcji LSD. GPCR.sce

26 Sygnalizacja stronnicza przez arestynę hipoteza kodów kreskowych

27 Różne typy ligandów receptora 2 AR J.J. Liu et al, Science 2012

28 Wpływ związania liganda na zmiany struktury receptorów GPCR Niezerowa aktywność podstawowa Mechanizm typu spinacz do bielizny Bokoch et al. (B. Kobilka lab) Nature 2010

29 Aktualny schemat aktywacji. Zmiany energetyczne w receptorach GPCR Rodopsyna Receptory GPCR z dyfundującymi ligandami B. Kobilka, 2014

30 Lokalizacja głównych mikroprzełączników w receptorach GPCR X 1 4 Główne przełączniki: 1. W6.48 w motywie CWxP 2. Y7.53 w motywie NPxxY 3. Zamek jonowy, motyw DRY, TM3-TM6 4. Zamek 3-7, Hbond, helisy TM3-TM7 Nygaard et al. TiPS Numeracja Ballesterosa-Weinsteina: X.50 - numer najbardziej zachowanej ewolucyjnie reszty na każdej helisie transbłonowej (zwykle prolina w środku helisy powodująca jej zgięcie)

31 Podobieństwo agonistów i antagonistów receptorów GPCR. Receptor serotoninowy 5-HT 1A

32 Centralny mikroprzełącznik w receptorach kanabinoidowych Agonista (THC) zadokowany do miejsca wiążącego w receptorze CB 1 Zmiana rotamerów w aminokwasach mikroprzełącznika Latek et al. JMM 2011

33 Miejsce wiązania liganda w receptorach opioidowych Naltrekson (antagonista) - OR Butorfanol (agonista) - OR

34 Przejście z pozycji antagonisty do agonisty TM3 TM3 D3.32 Y7.43 Y3.33 D3.32 Y7.43 H6.52 H6.52 W6.48 TM6 TM7 TM6 TM7 Dwie pozycje naltreksonu antagonisty (zielony) i agonisty (pom.) Morfina oba przełączniki wł.

35 Schemat aktywacji receptorów opioidowych Schemat pierwszego etapu aktywacji receptora Morfina - OR

36 SASA (Solvent Accessible Surface Area) dla agonistów i antagonistów receptora κor Parametr SASA był liczony dla ortosterycznego miejsca wiązania liganda. Obliczenia oparte na końcowych 5 ns z 20 ns pełnoatomowej symulacji MD

37 Schemat działania lewalorfanu w receptorach opioidowych κor i μor Lewalorfan działa jako antagonista w μor, zmniejsza SASA, blokując napływ wody do receptora. GPCR_opioid.rec.sce

38 Efekty allosteryczne jonów sodowych Yuan et al. Angew. Chem. 2013

39 W otwiera bramę do utworzenia ciągłej ścieżki wodnej w A 2A R Antagonista ZMA Agonista NECA Postęp symulacji MD Na ruch cząsteczek wody wpływa obecność jonu Na + co indukuje zmianę konformacyjną reszty Y i utworzenie ciągłej ścieżki wodnej przez receptor. Yuan et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2015

40 Salmeterol Agonista receptora β 2 AR, lek przeciwastmatyczny adrenalina Struktura molekularna Długodziałający lek rozszerzający oskrzela, Efekty uboczne: zaburzenia rytmu serca Lek krótko- ale szybko-działający. Stosowane są też kombinacje tych leków. 2 AR, 1 AR,

41 Loratadyna (Klarytyna ) Przeciwalergiczny (II generacja), lek pochodny: Cetrizine (Zyrtec) Struktura molekularna loratadyny 1 - alergeny 2 - immunoglobuliny E (IgE) istotne w obronie przeciw patogenom, 3 receptor wiążący IgE 4,7 wydzielanie histaminy, prostaglandyn i leukotrienów (czynników prozapalnych) Wytwarzanie histaminy w organiźmie Pierwszy lek antyhistaminowy (efekt uboczny: senność) Izomery cetryzyny Blokują receptor histaminowy H 1, (blokery receptora H 2 zmniejszają wydzielanie kwasu w żołądku)

42 Ligandy receptorów opioidowych Fentanyl (lata 50 XX w.) lek syntetyczny - przeciwbólowy, nienarkotyczny - 100x silniejszy od morfiny - Agonista MOR Morfina wyizolowana w 1805 r. z wyciągu z opium - własności narkotyczne i przeciwbólowe, zaburzenia oddychania. agonista MOR Silniejsze i krócej działające analogi fentanylu antagonista MOR agonista KOR antagonista MOR x - do usypiania dużych zwierząt Jedyne dwie substancje z wyciągu z opium nie powodujące uzależnienia 1.000x w chirurgii morph_fentanyl.sce

43 Przewodnictwo neuronalne W mózgu jest ok neuronów i synaps (połączeń między neuronami) Każdy neuron tworzy ok 25 tys. połączeń Model działania synapsy

44 Rodzaje neurotransmiterów Acetylocholina Najpowszechniejszy neurotransmiter (brak w ch. Alzheimera) Muskaryna Rec. muskarynowe (acetylocholinowe machr) Zasady purynowe (ATP, GTP) (brak w ch. Parkinsona) Monoaminy Aminokwasy Około 50 różnych reurotransmiterów Peptydy (+endorfiny, enkefaliny, itp.)

45 Ortosteryczne i allosteryczne miejsca wiązania ligandów Ortosteryczne miejsce wiążące cholesterol Receptor SMO (V329F mutacja inaktywująca receptor) Lokalizacja cholesterolu w kompleksach receptorów 2 AR

46 Strategie działania leków na synapsy 1. Dostarczanie neuroprzekaźnika 2. Aktywacja lub blokowanie receptora 3. Blokowanie wychwytu neuroprzekaźnika (transportera lub enzymu)

47 Ad. 1. Levodopa (Larodopa ) Dostarczanie neuroprzekaźnika Stosowana przy niedoborze dopaminy w chorobie Parkinsona. Przekracza barierę krew-mózg jako aminokwas (podobieństwo do Tyr) Lek wspomagający: Wytwarzanie w organiźmie Sama dopamina nie przekracza bariery krewmózg (BBB blood-brain barier) Inhibitor dekarboksylazy L-aminokwasowej (ale nie w mózgu bo carbidopa nie przekracza BBB dzięki czemu dużo więcej Levodopy przechodzi do mózgu i tworzy dopaminę)

48 Ad. 2. Leki przeciwlękowe Agoniści receptorów serotoninowych (5-HT 5-hydroksytryptofan (prekursor serotoniny)) Benzodiazepiny wcześniejsze leki (ryzyko uzależnienia) działają na receptor GABA A GABA A receptor - kanał chlorkowy GABA B receptor GPCR (powiązany z kanałami K + i Ca 2+ poprzez białko G) Buspiron agonista receptora serotoninowego 5-HT 1A + antagonista receptora dopaminowego D 2 + zmniejsza stężenie acetylocholiny

49 Ad. 3. Leki przeciwdepresyjne Inhibitory wychwytu zwrotnego neuroprzekaźników: serotoniny, norepinefryny i dopaminy Działanie antyschizofreniczne Działanie przeciwdepresyjne (ale dużo efektów ubocznych) TCA tricyclic antidepressant Lek drugiej generacji inhibituje wychwyt tylko norepinefryny (z powodu blokowania także kanałów jon. zastąpiony przez SSRI) SSRI selective serotonin reuptake inhibitor (inhibitor wychwytu zwrotnego serotoniny)

50 Ligandy allosteryczne - pepducyny Sekwencja peptydu pepducyny jest identyczna z sekwencją jednej z pętli IC receptora GPCR Działają jako agoniści lub antagoniści Nowa klasa selektywnych leków Działanie jako agonista. Model struktury z białkiem G Porównanie ze strukturą dimeru receptora GPCR

51 Trucizny a leki + Kurara Tubokuraryna Antagonista receptora nikotynowego (lek zwiotczający mięśnie) Nikotyna agonista Nicotiana tabacum acetylocholina Czarna mamba Dendrotoksyny Blokują kanały jonowe i receptory muskarynowe (m-acetyloholinowe) Muskaryna agonista Amanita muscaria

52 Dwa rodzaje receptorów acetylocholinowych Receptor muskarynowy (GPCR) m-acetylocholinowy Receptor nikotynowy (kanał jonowy) i-acetylocholinowy

53 Dimeryzacja receptorów GPCR znaczne rozszerzenie funkcjonalności tych receptorów Odpowiedź receptorów opioidowych delta i kappa na związanie agonisty 6 -GNTI Dimer receptora opioidowego kappa: