Metalioner – en nøgle til nye lægemidler
Metalioner og metalholdige proteiner styrer de mest fundamentale livsprocesser. Over halvdelen af enzymerne i den menneskelige organisme indeholder metalioner, som derfor bliver oplagte mål for lægemidler.
Af Ole Farver.
Fra Lægemiddelforskning 2003
Mange vil sikkert betragte lægemidler og uorganisk kemi som to uforenelige begreber. Ikke desto mindre har de allerfleste grundstoffer i det periodiske system potentielle muligheder i design af nye lægemidler.
Især metaller er farmakologisk interessante. Mange lægemidler påvirker enzymer i kroppen, og over halvdelen af alle enzymerne i den menneskelige organisme indeholder metalioner, som derfor bliver oplagte mål for lægemidler. Samtidig styrer metalioner fundamentale biokemiske processer som replikation af arveanlæggene DNA og RNA. For levende organismer giver det ingen mening at skelne mellem "organisk" og "uorganisk"; denne skelnen er udelukkende historisk betinget.
Uorganiske forbindelser har da også været benyttet i medicinen i flere tusinde år. Oldtidens ægyptere brugte for 5.000 år siden kobber til sterilisering af drikkevand, og på samme tidspunkt anvendte kineserne guld til eliksirer bl.a. med det noble formål at sikre udødelighed. Kalomel (kviksølv(I)chlorid) har været benyttet som vanddrivende middel siden renaissancen og helt op til 1950'erne. Arsenforbindelser var de første succesfulde medikamenter til behandling af syfilis. Guldcyanid har været et relativt effektivt middel i kampen mod tuberkulose, og guldkure bruges stadig ved behandling af visse gigtformer. Men det mest kendte uorganiske lægemiddel er utvivlsomt cisplatin, som i kemoterapi har revolutioneret behandlingen af mange kræftformer.
Det er karakteristisk for alle disse lægemidler, at de blev opdaget ved tilfældigheder. Moderne lægemiddeludvikling er anderledes rationel. I dag satser vi på at forstå de grundliggende mekanismer for reaktionerne mellem de uorganiske forbindelser og proteiner i kroppen for så at udnytte den opnåede viden til målrettet design af lægemidler.
Analyse på nanosekunder
Oxidation og reduktion kaldes med en fælles betegnelse for redoxprocesser.
En af de metoder, vi benytter til at undersøge de lynhurtige redoxprocesser, er puls-radiolyse. Her skydes korte pulse af elektroner, som kun varer få nanosekunder, ind i proteinerne. Kunsten er at ramme det rigtige center i molekylerne - noget, som det har taget mange år at beherske tilfredsstillende - og derefter at registrere de hurtige ændringer i enzymets redoxtilstand.
Her kommer de optiske egenskaber af de jern- og kobberholdige proteiner til deres ret. De har alle intensive farver, som gør det muligt at arbejde med meget små koncentrationer, hvilket er afgørende, når proteinerne skaffes fra levende organismer lige fra bakterier til mus og andre forsøgsdyr.
Omsætning af ilt
Oxidation, hvor elektroner fjernes fra en forbindelse, og reduktion, hvor der tilføres elektroner, spiller en meget stor rolle i al biologisk kemi. Nogle eksempler er fotosyntesen i planter og respirationen hos mennesker og dyr, som er baseret på en kaskade af elektronoverførsler.
Jern og kobber spiller hovedrollerne i alle de processer, hvor ilt omsættes i organismen, og det er bemærkelsesværdigt, at kobber- og jernholdige proteiner stort set udfører identiske funktioner, men forskellige steder i organismen. Hvorfor denne usædvanlige ekstravagance fra naturens side?
Det skyldes primært, at kobberionen danner mere robuste komplekser end jern. Jernholdige forbindelser opererer derfor næsten udelukkende inde i cellerne, mens de mere stabile kobberforbindelser fungerer i tilsvarende processer uden for cellerne.
- Puls-radiolyseudstyret på universitetet i Jerusalem består af en ca. 6 m lang accelerator, som kan udsende elektronpulse i nanosekund-perioder. Pulsene sendes gennem prøven, som er anbragt i en 1 cm optisk celle (ses ikke på billedet).
Frie radikaler
- Enzymet superoxiddismutase (SOD) nedbryder den frie radikal-ion superoxid, der ødelægger cellevægge og væv. Det aktive center i enzymet findes omkring kobber- og zinkionerne, som er markeret med henholdsvis cyan og gråt. Proteinets "rygrad" er vist som et grønt bånd. De aminosyresidekæder, som holder metalionerne på plads, er også vist.
- Menkes protein transporterer kobber i organismen. I Menkes sygdom er proteinet defekt, hvilket fører til akut kobbermangel og en tidlig død. Analyser af sammenhængen mellem proteinets struktur og funktion har ført til en bedre forståelse af sygdomsprocessen, hvilket åbner mulighed for at udvikle en medicinsk behandling. Kobberionen (cyanfarvet) er bundet til to svovlatomer (gule). Peptidskelettet er vist som et magentafarvet bånd.
Én pris må vi betale for den livgivende ilt; vi må beskytte os mod uønsket dannelse af frie radikaler - som iltforbindelser, der indeholder en uparret elektron. Frie radikaler spiller bl.a. en vigtig rolle for de celleforandringer, som fører til, at cellerne ældes. Viden om hvordan og hvorfor cellerne ældes, har betydning for udvikling af nye lægemidler.
En potentiel kilde til celleforandringer er radikal oxidation af cellemembraner. Et af de uønskede frie radikaler, som dannes ved omsætningen af ilt i kroppen, er superoxid-ionen, som med sin ene uparrede elektron reagerer aggressivt med cellevægge og væv. Derfor findes der enzymer, superoxiddismutaser (SOD), som katalyserer nedbrydningen af radikalet.
SOD er et af de allermest effektive enzymer, som overhovedet kendes. Alligevel diskuterede man længe, om formålet med SOD faktisk er at nedbryde superoxid. Et af modargumenterne var, at frie kobberioner tilsyneladende er lige så effektive. Så hvorfor investere i opbygningen af et stort enzym, når en enkelt metalion er lige så virkningsfuld? Men her glemte man en meget vigtig pointe: Frie kobberioner er ikke specifikke, men vil kunne indgå i mange andre processer, hvor de kan være ekstremt farlige.
Det er altså af meget stor vigtighed, at der aldrig findes frie redoxaktive metalioner i organismen. I SOD er metalionerne placeret i enzymet i en struktur, der specifikt binder og omdanner superoxid. Ved alle store hjerteoperationer tilføres SOD til patienten for at undgå, at vævet i det åbne sår nedbrydes ved angreb af superoxid.
Det er karakteristisk for alle metalholdige proteiner, at de består af en eller flere metalioner bundet til aminosyregrupper eller andre molekyler, som er fast forankrede i de store proteiner. Proteinstrukturen sørger for specificiteten, og metalionen udfører herefter arbejdet i samarbejde med de omkringliggende grupper.
Kobber i hjernen
Hjernen er det organ, hvor de fleste kobberholdige enzymer findes. Enzymerne er oplagte mål for lægemidler, der kan binde til kobberionen.
Mange af de kobberholdige proteiner katalyserer dannelse af små molekyler, som indgår i nervecellernes kommunikation. Vi har her arbejdet med et enzym, peptidylamidase, som producerer peptidhormonerne vasopressin og oxytocin i hypofysen. Vasopressin er med til at opretholde væskebalancen i kroppen, mens oxytocin spiller en vigtig rolle i forbindelse med fødsel ved stimulering af livmoderens sammentrækning. Dannelsen af hormonerne finder sted i et samspil mellem kobberproteinet, C-vitamin og ilt. Hormonerne skal også fjernes hurtigt og effektivt, når der ikke længere er behov for dem. Det foregår også ved hjælp af kobberholdige enzymer.
Genetisk betingede fejl i kobberstofskiftet fører til alvorlige lidelser. Når kobber ikke omsættes effektivt nok, ophobes metallet i leveren og hjernen, hvilket uden behandling fører til skader på organerne og til tidlig død.
Mangel på kobber er lige så katastrofalt. Et eksempel er den arvelige lidelse, Menkes sygdom, som kan ramme drenge, der ofte dør under svære lidelser, inden de bliver tre år. Sygdommen skyldes defekter i et kobbertransportørprotein, Menkes protein.
Generne for både det intakte og det defekte protein er blevet isoleret og klonet, og vi har studeret kobberbinding til proteinerne. Analyserne af sammenhængen mellem proteinets struktur og funktion har ført til en tilbundsgående forståelse af mekanismerne og åbner hermed mulighed for bedre behandling af sygdommen.
Betydningen af uorganisk kemi i biologien har efterhånden opnået betydelig anerkendelse, og metalioners og metalholdige proteiners rolle i sundhed og sygdom har tiltrukket sig molekylærbiologers og cellebiologers opmærksomhed. Der er ingen tvivl om, at den grundvidenskabelige forskning i metalloproteinkemi vil udvikle sig voldsomt i de kommende år, og at den indhentede viden vil danne basis for en mere rationel og målrettet udvikling af nye lægemidler.
Hent artiklen i pdf-format
