Oddziaływanie leków z celami molekularnymi cz. IV leki działające na receptory GPCR Prof. dr hab. Sławomir Filipek Wydział Chemii oraz Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych Uniwersytet Warszawski Receptory GPCR (G-protein-coupled receptors) receptory sprzężone z białkiem G Ligandy, m.in. : 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. 30-50% leków jest skierowanych na receptory GPCR 1
Modele błony komórkowej Singer Nicholson model mozaikowy Science (1972) Obecny model DM Engelman, Nature (2005) Model molekularny pęcherzyka endoplazmatycznego widok z zewnątrz widok rozciętego pęcherzyka Obrazy z mikroskopu elektronowego S.Takimori at al. Cell 2006 2
Dwie znane klasy białek błonowych Receptory GPCR Rodzina A: Rhodopsin-like (znane struktury krystaliczne ) Dopaminowe, histaminowe, serotoninowe, r.chemokin, r.interleukin, opioidowe, canabinoidowe, melatoninowe, r. zapachowe Rodzina B: Secretin-like (znana struktura kryst. r. glukagonu (2013)) Receptory hormonów: glukagonu, sekretyny, hormonu przytarczycy i in. Rodzina C: glutaminianowe / feromonowe GABA-B (wiążące kwas -aminomasłowy), receptory smakowe 3
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 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 ) 4
GPCRs Rhodopsin like peptide Angiotensin Bombesin Bradykinin C5a anaphylatoxin APJ like Fmet-leu-phe Interleukin-8 Chemokine CCK Endothelin Melanocortin Neuropeptide Y Neurotensin Opioid Somatostatin Tachykinin Vasopressin-like Galanin like Proteinase-activated like Orexin & neuropeptide FF Urotensin II Adrenomedullin (G10D) GPR37 / endothelin B-like Chemokine receptor-like Neuromedin U like Somatostatin- and angiogeninlike peptide Allatostatin C / drostatin C Dalszy podział na podtypy: ( ) MOR, ( ) DOR, ( ) KOR Drzewo filogenetyczne receptorów GPCR http://gpcr.scripps.edu/ 5
Leki działające na receptory GPCR (receptory związane z białkiem G) Receptory GPCR - działanie Budowa receptora GPCR (7TM) Helisy receptora GPCR są prostopadłe do powierzchni błony lipidowej Związanie liganda powoduje zmianę kształtu receptora 6
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. Rodopsyna i proces widzenia Enzym fosfodiesteraza (PDE): zmniejsza stężenie przekaźników II-rodzaju (kanały jonowe zamykają się) 7
Struktura rodopsyny Grupy sacharydowe TM5 TM4 Retinal Łańcuchy palmitynowe TM6 TM3 TM2 TM7 TM1 H8 Izomeryzacja cis-trans retinalu Proces krystalizacji rodopsyny Metoda parowania wiszącej kropli Całkowita ciemność Stała temperatura 4 C roztwór białka Roztwór krystalizacyjny H 2 O 8
Wyznaczanie struktury białka z kryształu Kryształy rodopsyny Obraz dyfrakcyjny Zbieranie obić promieni X od kryształów Wyznaczanie map gęstości elektronowej Rozwiązana struktura białka tutaj: dimer rodopsyny Dopasowanie modelu białka do map gęstości elektronowej Krystaliczne dimery rodopsyny H8 TM1 TM1 1HZX (2000 r.) monomery antyrównoległe TM5 TM5 1GZM (2003 r.) 9
Oligomer rodopsyny z AFM Obrazy z mikroskopu sił atomowych (AFM) D. Fotiadis et al., Nature 2003 Model natywnego oligomeru rodopsyny Protein Data Bank, id=1n3m (2003) 10
Model oligomeru rodopsyny z lipidami PEDS PSDS Widok po usunięciu części cytoplazmatycznej białka Rola dimeryzacji w cyklu życiowym receptorów GPCR S.Terrillon at al. EMBO Rep. 2004 11
Gt Gt Gt Kompleks dimeru rodopsyny z białkiem G (transducyną) Rh* Rh Kompleks Gt dimer rodopsyny Widok boczny Widok od strony wnętrza komórki 12
Kompleks Gt Rh 4 Gt Gt Gt Rh 2 Rh 2 Widok boczny Widok od strony wnętrza komórki Struktury krystaliczne receptorów GPCR Rodopsyna 2000 r. Receptor 2 AR 2007 r. Receptor A 2A R 2008 r. YASARA gpcr.sce 13
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. Sygnalizacja receptorów GPCR Protease activated receptor Kobilka lab, Nature 2012 14
Obecne techniki krystalizacyjne dla GPCR Mikrokrystalografia Stabilizacja termiczna przez mutacje Stabilizujące białka: lizozym, apocytochrom, przeciwciało 2 -adrenergic receptor Neurotensin receptor Białka stabilizujące strukturę GPCR Structure 2012 15
Własności ligandów receptorów Agonista Antagonista Inwersyjny agonista Salmeterol (Serevent ) rok odkrycia 1980, rok wprowadzenia 1990 (GSK) Agonista receptora β 2 AR, lek przeciwastmatyczny 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, 16
Loratadine (Claritin ) rok odkrycia 1981, rok wprowadzenia 1993 (Schering-Plough) 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) H 1 R - doxepin Przewodnictwo neuronalne W mózgu jest ok. 10 11 neuronów i 10 15 synaps (połączeń między neuronami) Każdy neuron tworzy ok 25 tys. połączeń Model działania synapsy 17
Rodzaje neurotransmiterów Acetylocholina Najpowszechniejszy neurotransmiter (brak w ch. Alzheimera) Muskaryna Rec. muskarynowe (acetylocholinowe machr) Zasady purynowe (ATP, GTP) (brak w ch. Parkinsona) Monoaminy Aminokwasy Peptydy (+endorfiny, enkefaliny, itp.) Około 50 różnych reurotransmiterów Wpływ związania liganda na zmiany struktury receptorów GPCR Niezerowa aktywność podstawowa Bokoch et al. (B. Kobilka lab) Nature 2010 B. Kobilka, Cell 2013 18
X Lokalizacja głównych mikroprzełączników w receptorach GPCR Nygaard et al. TiPS 2009 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 Jedyne dwie substancje z wyciągu z opium nie powodujące uzależnienia morph_fentanyl.sce 1.000x w chirurgii 10.000x - do usypiania dużych zwierząt 19
Miejsce wiązania liganda w receptorach opioidowych Naltrekson (antagonista) - OR Butorfanol (agonista) - OR 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 ON 20
Schemat aktywacji receptorów opioidowych Schemat pierwszego etapu aktywacji receptora Morfina - OR Efekty allosteryczne jonów sodowych Yuan et al. Angew. Chem. 2013 21
Podobieństwo agonistów i antagonistów receptorów GPCR Struktura krystaliczna receptora opioidowego kappa 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 22
Ortosteryczne i allosteryczne miejsca wiązania ligandów Lokalizacja cholesterolu w kompleksach receptorów 2 AR Równoczesne wiązanie dwu ligandów w receptorze sfingozyny S1P 2 R (model) http://gpcr.scripps.edu/ Satsu et al. BMC 2013 Strategie działania leków na synapsy 1. Dostarczanie neuroprzekaźnika 2. Aktywacja lub blokowanie receptora 3. Blokowanie wychwytu neuroprzekaźnika (transportera lub enzymu) 23
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) 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 24
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) 25