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4.5 - Grippe - Das Grippemedikament Zanamivir

Computergestützte Modellierung eines neuen Influenza-Neuraminidase-Inhibitors - Zanamivir – Teil 3

Anwendung von G R I D auf die Neuraminidase

Mark von Itzstein et al. haben mit Hilfe des Computerprogramms G R I D die Wechselwirkungen des aktiven Zentrums der Influenza-Neuraminidase N2 mit verschiedenen funktionellen Gruppen wie der Methyl-Gruppe, der Hydroxy-Gruppe, der Carboxylat-Gruppe und dem NH3+-Kation untersucht. Das NH3+-Kation wurde anstelle der neutralen Amino-Gruppe gewählt, weil letztere bei dem für die Enzymaktivität optimalen pH-Wert von 5,5 protoniert vorliegen würde. Außerdem wurden die Wechselwirkungen für die Amidin-Gruppe (RCH(NH2)2) berechnet.

Bei der Betrachtung der Ergebnisse fielen das NH3+-Kation und die Amidin-Gruppe aufgrund der Größe der Wechselwirkungsenergien und der dazugehörigen Orte im aktiven Zentrum besonders auf. Für beide wurden ausgeprägte Wechselwirkungen im Bereich der OH-Gruppe am C4 der Sialinsäure (Neu5Ac) im Sialinsäure-Neuraminidase-Komplex errechnet. Die Wechselwirkungsenergie für das NH3+-Kation sollte demnach 3,8 kJmol-1 und für die Amidin-Gruppe sogar 6,4 kJmol-1 betragen. Da für die Hydroxy-Gruppe im Bereich der C4-OH-Position nur sehr geringe Wechselwirkungen mit G R I D ermittelt wurden, sollte der Austausch der 4-Hydroxy-Gruppe in Neu5Ac2en gegen eine Amino- oder Amidin-Gruppe deutliche Steigerungen der inhibitorischen Aktivität bewirken. Um die Praxisrelevanz dieser Ergebnisse zu überprüfen, wurden in der Folge (zunächst) zwei Testsubstanzen synthetisiert:

Abb.1
Strukturen von 4-Amino-Neu5Ac2en (links) und 4-Guanidino-Neu5Ac2en (rechts)
  • 4-Amino-Neu5Ac2en und
  • 4-Guanidino-Neu5Ac2en.

Die Guanidinyl-Gruppe wurde dabei der Amidin-Gruppe wegen ihrer größeren Basizität vorgezogen, unter anderem weil die so bei physiologischen pH-Werten sichergestellte positive Ladung zu zusätzlichen elektrostatischen Wechselwirkungen mit den umliegenden negativ geladenen Carboxylat-Gruppen von Glu 119, Asp 151 und Glu 227 beitragen sollte.

Das Resultat war herausragend!!!

Die Bindungskonstante von 4-Amino-Neu5Ac2en war schon um etwa zwei Größenordnungen kleiner als die von Neu5Ac2en. Aber die Bindungskonstante von 4-Guanidino-Neu5Ac2en übertraf die von Neu5Ac2en sogar um fünf Größenordnungen und damit alle optimistischen Erwartungen.

Abb.2
Abb.3

Gleichzeitig stiegen die Bindungskonstanten bezüglich humaner Neuraminidasen deutlich an. Während die Bindungskonstanten bezüglich humaner und Influenza-Neuraminidase im Falle von Neu5Ac2en nur um etwa den Faktor zehn differierten, betrug der Unterschied für 4-Amino-Neu5Ac2en schon mehr als vier und für 4-Guanidino-Neu5Ac2en sogar fast acht Größenordnungen.

Die hohen Selektivitäten wurden mit strukturellen Differenzen der OH-4-Bindungstaschen in den Neuraminidasen aus verschiedenen Quellen erklärt.

Abb.4

Die inhibitorische Aktivität bezüglich der Influenza-Neuraminidase steigt von Neu5Ac zu 4-Guanidino-Neu5Ac2en um mehr als sieben Größenordnungen an, hier durch den negativen dekadischen Logarithmus der Bindungskonstante Ki dargestellt.

Abb.5

Die Differenz zwischen der inhibitorischen Aktivität bezüglich humaner und Influenza-Neuraminidase (als Maß für die Selektivität) ist für 4-Guanidino-Neu5ac2en mit Abstand am größten.

Mit 4-Guanidino-Neu5Ac2en, das den Namen Zanamivir erhielt, war eine Substanz gefunden worden, bei deren Einsatz als Grippe-Medikament zur Bekämpfung der Influenza-Viren keine besonderen Nebenwirkungen durch Hemmung humaner Neuraminidasen zu erwarten waren.

Durch die nachfolgenden Röntgenstrukturanalysen des Zanamivir-Influenza-Neuraminidase-Komplexes konnte schließlich auch gezeigt werden, welche Wechselwirkungen für die im Vergleich zu Neu5Ac (Sialinsäure) und Neu5Ac2en besondere inhibitorische Aktivität von Zanamivir verantwortlich sind. Diese Wechselwirkungen werden im folgenden Abschnitt ("Zanamivir im aktiven Zentrum") näher beschrieben.

Übung: Influenza - Zanamivir 3

Literatur

Goodford, P. J. (1985): A Computational Procedure for Determining Energetically Favorable Binding Sites on Biologically Important Macromolecules. In: J. Med. Chem.. 28 , 849-857
von Itzstein, M.; Wu, W. Y.; Kok, G. B.; Pegg, M. S.; Dyason, J. C.; Jin, B.; Phan, T. V.; Smythe, M. L.; White, H. F.; Oliver, S. W.; Colman, P. M.; Varghese, J. N.; Ryan, D. M.; Woods, J. M.; Bethell, R. C.; Hotham, V. J.; Cameron, J. M.; Penn, C. R. (1993): Rational design of potent sialidase-based inhibitors of influenza virus replication. In: Nature. 363 , 418-423
von Itzstein, M.; Dyason, J. C.; Oliver, S. W.; White, H. F.; Wu, W. Y.; Kok, G. B.; Pegg, M. S. (1996): A Study of the Active Site of Influenza Virus Sialidase: An Approach to the Rational Design of Novel Anti-influenza Drugs. In: , J. Med. Chem.. 39 , 388-391
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