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2.1 - 2.5 - Aspirin (gesamt)

Der COX-Flurbiprofen-Komplex

Die Bindung von Flurbiprofen im Cyclooxygenase-Reaktionszentrum wird im Wesentlichen durch drei Hauptkomponenten bewirkt (dabei gibt es im Falle von Flurbiprofen keine entscheidenden Unterschiede zwischen den beiden COX-Isoformen COX-1 und COX-2):

  • Ein komplexes Netzwerk von polaren Wechselwirkungen rund um die Carboxy-Gruppe des Flurbiprofens. Das gleiche Netzwerk wurde bei anderen NSAIDs wie z.B. Ibuprofen, Methylflurbiprofen, Alclofenac und Indomethacin gefunden.
  • Ausgeprägte hydrophobe Kontakte des distalen Phenyl-Rings des Flurbiprofens zu Aminosäuren des Cyclooxygenase-Reaktionszentrums.
  • Eine Wasserstoff-Brückenbindung zwischen dem aromatischen System des distalen Flurbiprofen-Phenyl-Rings zur Hydroxy-Gruppe von Ser 530.

Die mittlere Molkülregion des Flurbiprofens, der Fluorophenyl-Ring, befindet sich in einem etwas breiteren Bereich des Reaktionskanals und kann deswegen kaum hydrophobe Wechselwirkungen mit der COX aufbauen. Nur das Fluor-Atom ragt in eine hydrophobe Spalte, die von Leu 352, Phe 518 und Ile 523 geformt wird.

Das Netzwerk aus polaren Wechselwirkungen rund um die Carboxy-Gruppe des Flurbiprofens sowie die unterschiedlichen bindenden Kontakte des distalen Phenyl-Rings werden nun etwas detaillierter betrachtet.

Abb.1

Wechselwirkungen des Flurbiprofens (schwarz) im Cyclooxygenase-Reaktionzentrum. Aminosäuren mit polaren Kontakten in rot, mit ausschließlich hydrophoben Kontakten in grün.

Das polare Netzwerk rund um die Carboxy-Gruppe

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Abb.2

Die Carboxylat-Gruppe des Flurbiprofens [1], die Carboxy-Gruppe ist unter physiologischen Bedingungen deprotoniert, wird analog zur Arachidonat-Carboxylat-Gruppe durch eine Salzbrücke zu Arg 120 [2] und eine Wasserstoff-Brückenbindung zu Tyr 355 [3] arretiert. Arg 120 bildet eine zusätzliche Salzbrücke zu Glu 524 [4]. Vervollständigt wird das polare Netzwerk durch vier weitere Wasserstoff-Brückenbindungen. Dabei wird der Raum zwischen Glu 524 und Tyr 355 mit Hilfe von zwei günstig lokalisierten Wasser-Molekülen und insgesamt drei Wasserstoff-Brückenbindungen durchspannt [5]. Die vierte, von His 90 ausgehende Wasserstoff-Brückenbindung [6] hält das Tyr 355-seitige Wasser-Molekül zusätzlich in seiner Position fest. Die durch die beiden Wasser-Moleküle realisierte polare Vernetzung mehrerer COX-Aminosäuren und des Inhibitors spielt vermutlich eine entscheidende stabilisierende Rolle für den gesamten COX-Flurbiprofen-Komplex. Trotzdem würde dieses polare Netzwerk allein wohl keine genügend feste Bindung hervorrufen, um eine pharmakologisch interessante Wirkung zu erzeugen (Vergleiche die Bindung von Salicylsäure in der COX auf der Seite "COX - Hemmung III - Aspirin"). Das polare Netzwerk um die Carboxylat-Gruppe [7] des Flurbiprofens im Überblick.

Bindende Kontakte zwischen dem distalen Flurbiprofen-Phenyl-Ring und dem Cyclooxygenase-Reaktionszentrum

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Abb.3

Ein potenter COX-Inhibitor wird Flurbiprofen schließlich vor allem durch die zusätzlichen Wechselwirkungen des distalen Phenyl-Rings [1] mit den Aminosäuren des Cyclooxygenase-Reaktionszentrums. Diese bestehen in erster Linie in van der Waals-Kontakten mit den Aminosäuren Tyr 348, Leu 352, Phe 381, Leu 384, Tyr 385, Trp 387, Phe 518, Met 522, Gly 526 und Ser 530, die eine Art hydrophoben Käfig um den Phenyl-Ring [2] bilden. Tyr 348, Tyr 385 und Ser 530 enthalten zwar auch polare Hydroxy-Gruppen [3], diese sind aber u.a. mit Hilfe eines weiteren Wasser-Moleküls zwischen Tyr 385-OH und Ser 530-OH durch Wasserstoff-Brückenbindungen miteinander verknüpft [4]. Auf diese Weise werden sie in einer ansonsten sehr hydrophoben Umgebung im Cyclooxygenase-Reaktionszentrum stabilisiert. Außerdem ist die Hydroxy-Gruppe von Ser 530 so orientiert, dass sie eine weitere Wasserstoff-Brückenbindung [5] zum elektronenreichen aromatischen π-System des distalen Flurbiprofen-Phenyl-Rings ausbilden kann.

Wie oben bereits erwähnt ragt das Fluor-Atom in eine hydrophobe Spalte [6], die von Leu 352, Phe 518 und Ile 523 geformt wird.

Zum Abschluss noch einmal die gesamte Umgebung des Flurbiprofens [7] mit allen Wasserstoff-Brückenbindungen und Salzbrücken.

Die Wasserstoff-Brückenbindungen zwischen Tyr 348, Tyr 385, Wasser und Ser 530 stabilisieren wahrscheinlich auch in der inhibitorfreien COX die polaren Hydroxy-Gruppen in ihrer sehr unpolaren Umgebung. Tritt dann das Arachidonat ins Cyclooxygenase-Reaktionszentrum ein, wird das Wasser-Molekül aus dieser Konstruktion verdrängt und kann die COX vermutlich durch einen sehr engen, für ein Wasser-Molekül gerade ausreichend großen Kanal verlassen. Auf diese Weise wird u.a. Tyr 385 freigesetzt, das dann seine wichtige mechanistische Rolle in der Cyclooxygenase-Reaktion erfüllen kann.

Übung: Aspirin - COX-Flurbiprofen

Literatur

Kurumbail, R. G.; Stevens, A. M.; Gierse, J. K.; McDonald, J. J.; Stegeman, R. A.; Pak, J. Y.; Gildehaus, D.; Miyashiro, J. M.; Penning, T. D.; Seibert, K.; Isakson, P. C.; Stallings, W. C. (1996): Structural basis for selective inhibition of cyclooxygenase-2 by anti-inflammatory agents. In: Nature. 384 , 644-648
Selinski, B. S.; Gupta, K.; Sharkey, C. T.; Loll, P. J. (2001): Structural Analysis of NSAID Binding by Prostaglandin H2 Synthase: Time-Dependent and Time-Independent Inhibitors Elicit Indentical Enzyme Conformations. In: Biochemistry. 40 , 5172-5180
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