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2.1 - 2.5 - Aspirin (gesamt)

Aspirin - Ein einzigartiger COX-Hemm-Mechanismus

Aspirin weist unter den NSAIDs einen einzigartigen Wirkmechanismus auf. Aspirin ist der einzige bekannte COX-Inhibitor, der die COX kovalent modifiziert. Dies erfolgt durch die irreversible Acetylierung von Ser 530 im Cyclooxygenase-Reaktionszentrum.

Abb.1

Käme es nicht zu dieser Acetylierung, wäre Aspirin wie auch Salicylsäure nur ein schwacher, pharmakologisch wenig interessanter, kompetitiver COX-Inhibitor. Vermutlich nimmt Aspirin auf dem Weg zur Acetylierungsstelle auch tatsächlich vorübergehend die typische Position eines COX-Inhibitors wie Flurbiprofen ein, weil seine Carboxylat-Gruppe dabei nämlich die Aminosäuren Arg 120 und Tyr 355 im Eingangsbereich des COX-Reaktionskanals passieren muss. Diese beiden Aminosäuren bilden im COX-Flurbiprofen- und anderen COX-NSAID-Komplexen direkt Wasserstoff-Brückenbindungen und eine Salzbrücke (Ion-Ion-Wechselwirkung) zu den Inhibitor-Carboxylat-Gruppen aus.

Auch die Carboxylat-Gruppe der Salicylsäure wird in der COX in das übliche polare Netzwerk eingebunden. Allerdings fehlen sowohl Aspirin als auch der Salicylsäure die hydrophoben distalen Molekülbereiche der anderen NSAIDs, wie der Phenyl-Ring des Flurbiprofens. Da Aspirin und Salicylsäure deswegen neben dem polaren Netzwerk rund um die Carboxylat-Gruppe keine weiteren nennenswerten Wechselwirkungen mit der COX eingehen, sind sie nur schwache kompetitive COX-Inhibitoren.

Abb.2

Flurbiprofen als starker sowie Aspirin und Salicylsäure als schwache kompetitive COX-Inhibitoren.

Die relativ schwache Bindung des Aspirins über die Carboxylat-Gruppe an die COX würde aber immerhin die lokale Aspirin-Konzentration in der Nähe der Acetylierungsstelle Ser 530 erhöhen und somit die Acetylierung fördern.

Nun tritt die besondere, einzigartige Eigenschaft des Aspirins in den Vordergrund:

Entweder mit oder ohne vorgeschalteter Bindung über die Carboxylat-Gruppe in der typischen NSAID-Position gelangt das Aspirin durch Diffusion zur Aminosäure Ser 530 im Cyclooxygenase-Reaktionszentrum und überträgt seine Acetyl-Gruppe auf deren Hydroxy-Gruppe. Doch warum kann Aspirin Ser 530 in der COX überhaupt acetylieren? Andere Hydroxy-Gruppen werden vom nicht besonders starken Acetylierungsmittel Aspirin erwartungsgemäß schließlich auch nicht acetyliert.

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Abb.3

Einen Hinweis auf den Mechanismus der Acetylierung von Ser 530 durch Aspirin gibt z.B. die Röntgenstrukturanalyse des COX-Flurbiprofen-Komplexes. In diesem wurde ein Wasser-Molekül gefunden, das die COX-Aminosäuren Ser 530 und Tyr 385 über Wasserstoff-Brückenbindungen miteinander verknüpft. Diese Konstruktion wird durch eine weitere Wasserstoff-Brückenbindung zwischen Tyr 385 und Tyr 348 zusätzlich stabilisiert. Außerdem brachten Versuche mit C14-markiertem Aspirin und COX-Mutanten, in denen jeweils nur einzelne Aminosäuren gegen andere ausgetauscht wurden, u.a. folgende Ergebnisse:

  • Die Ser 530 Ala-Mutante kann von Aspirin wie erwartet nicht mehr acetyliert werden.
  • Die Tyr 385 Phe-Mutante wird nur noch in sehr geringem Maße durch Aspirin acetyliert. Tyr 385 spielt also offensichtlich eine entscheidende Rolle im Acetylierungsmechanismus.
  • In der Tyr 348 Phe-Mutante ist die Acetylierungsgeschwindigkeit im Vergleich zur nativen COX deutlich reduziert, aber längst nicht so stark wie in der Tyr 385 Phe-Mutante. Tyr 348 spielt also offenbar auch eine gewisse, allerdings nicht so entscheidende Rolle wie Tyr 385 im Acetylierungsmechanismus.

Mit diesen Ergebnissen wurde folgendes Modell für die Acetylierung von Ser 530 der COX durch Aspirin entwickelt:

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Abb.4
Modell zur Acetylierung von Ser 530 der COX durch Aspirin.

Im Eingangsbereich des Cyclooxygenase-Reaktionszentrums wird Aspirin u.U. zunächst über seine Carboxylat-Gruppe in das polare Netzwerk eingebunden, das auch andere COX-Inhibitoren wie Flurbiprofen ausbilden. Da diese Bindung des Aspirins an die COX nur schwach ist, kann es sich lösen und tiefer in den Reaktionskanal diffundieren, wo es nach nur etwa 0.5 nm in die Nähe von Ser 530 gelangt. Die Ausbildung einer Wasserstoff-Brückenbindung zwischen der Tyr 385-Hydroxy-Gruppe und dem Carbonyl-Sauerstoff-Atom der Aspirin-Acetyl-Gruppe führt zu einer Zunahme der Polarisierung der Acetyl-Carbonyl-Funktion und zu einer günstigen Positionierung des Aspirins für die Acetylierung von Ser 530. Durch die Wasserstoff-Brückenbindung zwischen Tyr 385 und Tyr 348 wird die günstige Positionierung des Aspirins noch zusätzlich unterstützt und die Acetyl-Carbonyl-Funktion noch stärker polarisiert. Aus diesen Wechselwirkungen resultiert eine erhebliche Aktivierung des Aspirins für die Acetylierung von Ser 530 der COX. Diese kann nun nach einem ansonsten üblichen Acetylierungsmechanismus (Umesterung nach BAC2-Mechanismus) ablaufen. Das Ergebnis dieser Reaktion ist eine an Ser 530 acetylierte COX und Salicylsäure. Die Salicylsäure kann nun wieder in den Eingangsbereich diffundieren und dort als schwacher kompetitiver Inhibitor in das bereits erwähnte polare Netzwerk eingebunden werden. Da diese Bindung nur relativ schwach ist, kann die Salicylsäure das Cyclooxygenase-Reaktionszentrum aber auch relativ leicht wieder verlassen. Die PGH2 -Synthese durch die COX bleibt aber aufgrund der irreversiblen Acetylierung von Ser 530 dauerhaft inhibiert.

Es sei nochmal auf den Modellcharakter der beschriebenen Vorgänge hingewiesen. Dieses Modell wird aber u.a. durch die oben genannten experimentellen Ergebnisse untermauert. Außerdem sind das acetylierte Ser 530 und die im polaren Netzwerk um Arg 120 und Tyr 355 eingebundene Salicylsäure durch Röntgenstrukturanalyse nachgewiesen worden!

Die Acetylierung der COX ist praktisch irreversibel. Eine unter physiologischen Bedingungen eigentlich zu erwartende schnelle Hydrolyse des Acetats findet nicht statt, weil dafür wegen der extrem hydrophoben Umgebung von Ser 530 im Cyclooxygenase-Reaktionszentrum kein Wasser zur Verfügung steht!

Übung: Aspirin-COX-Hemm-Mechanismus

Literatur

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Loll, P. J.; Picot, D.; Garavito, R. M. (1995): The structural basis of aspirin activity inferred from the crystal structure of inactivated prostaglandin H2 synthase. In: Nature Struct. biol.. 2 , 637-643
Hochgesang, G. P.; Rowlinson, S. W.; Marnett, L. J. (2000): Tyrosine-385 Is Critical for Acetylation of Cyclooxygenase-2 by Aspirin. In: J. Am. Chem. Soc.. 122 , 6514-6515
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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