Educatie - Sleutel-slot principe.

Alle geneesmiddelen werken door ergens in het lichaam aan een lichaamseigen molecuul te binden. Het kan hierbij gaan om een eiwit, een lipide of nucleïnezuren (RNA/DNA). De klasse van eiwitten is hierbij het meest belangrijk en omvat enzymen, ionkanalen, structuureiwitten en receptoren. Die laatste zijn in het lichaam aanwezig om signalen van hormonen en neurotransmitters door te geven. Voor het gemak noemen we alle lichaamsmoleculen waar een geneesmiddel zijn werking op heeft receptoren. Deze receptoren en geneesmiddelen herkennen elkaar door middel van moleculaire herkenning. Overington et al. (2006) hebben uitgezocht dat er meer dan 21.000 geneesmiddelen zijn. Maar hier zijn veel varianten van 1 actieve stof bij: bijvoorbeeld tablet, injectie, andere zoutvorm etc. Uiteindelijk blijken er 1357 unieke geneesmiddelen te zijn. Het is erg moeilijk om voor ieder geneesmiddel een receptor te vinden. Zo weet men van paracetamol, ontdekt in 1879, nog steeds niet precies waar het zijn werking aan dankt. Toch konden ze voor deze 1357 geneesmiddelen 324 receptoren vinden, waarvan 266 in de mens. De rest van de receptoren bevindt zich in virus, bacterie, parasiet of worm. Als je bedenk dat de mens meer dan 21.000 genen heeft, is het aantal van 266 receptoren voor de 21.000 geneesmiddelen heel erg klein. Geneesmiddelen zijn erg selectief en de receptoren zijn dat ook.

Sleutel-slot
In 1894 heeft Emil Fischer de splitsing van glycosides door enzymen met een sleutel-slot principe verklaard:

"Um ein Bild zu gebrauchen, will ich sagen, dass Enzym und Glucosid wie Schloss und Schlüssel zu einander passen müssen, um eine chemische Wirkung auf einander ausüben zu können".

Dit concept werd alom geaccepteerd en is door Paul Ehrlich (receptor, farmacofoor) en Linus Pauling (transition state) verder uitgewerkt. Complementariteit van de vorm van ligand en receptor wordt alom beschouwd als een voorwaarde voor goede binding. Het concept is na de oorlog uitgebreid met elektrostatische complementariteit, zodat elektronrijke groepen altijd tegenover elektronarme groepen worden geplaatst, om zodoende zout- en waterstofbruggen te kunnen vormen (b.v. het DNA-model van Watson en Crick) en hydrofobe complementariteit waarbij waterminnende en watervrezende groepen altijd bij hun eigen soort zitten.

Spiegelbeelden

Figuur van chirality.u-3mrs.fr/fr/pres.htm

Fischer kwam met zijn model omdat hij zag dat zijn enzymen erg gevoelig waren voor de stereochemie van het molecuul dat ze moesten omzetten. Sommige atomen zijn chiraal, dat wil zeggen dat ze gepolariseerd licht linksom of rechtsom kunnen draaien. Op atomair niveau wil dat zeggen dat een atoom zijn 4 verschillende buren in gewone of in gespiegelde positie heeft staan. Als enzymen of receptoren hier gevoelig voor zijn heet dat enantioselectief en de spiegelbeeldige moleculen heten enantiomeren.

Om enantioselectieve binding te verklaren met het sleutel-slot principe is men er altijd van uitgegaan dat er minstens op 3 punten contact nodig is. De meeste enzymen en receptoren hebben inderdaad op veel meer dan 3 plaatsen contact om een goede binding te krijgen; dit heet hoge affiniteit. Zo is bekend dat de beta2-receptor in de longen 68 keer beter bindt aan het anti-astma-middel R-salbutamol dan aan enantiomeer S-salbutamol. Als je dan toch een mengsel van beide moleculen aan een patiënt geeft is 1 van de 2 enantiomeren op zijn best ballast, maar op zijn slechtst gevaarlijk. We weten nu dat slechts 1 van de 2 enantiomeren van thalidomide (Softenon®) voor de enorme beschadiging aan ongeboren kinderen rond 1960 zorgde. Dus de richting van een nietig waterstofatoom besliste over goed en slecht; werkzaam en toxisch. In Nederland heeft Ariëns sinds de jaren vijftig gewerkt aan begrippen als affiniteit en aan chiraal zuivere stoffen.

Het is echter nooit een zaak van goed of slecht. Moleculaire herkenning is nooit perfect en ieder molecuul kan via andere receptoren ongewenst gedrag vertonen. En soms is selectieve binding juist het probleem, zoals bij Vioxx®, dat was ontwikkeld om alleen maar aan het Cyclooxygenase-2-enzym te binden zodat het niet de bijwerkingen van aspirine zou hebben. Het bleek door zijn selectiviteit opeens gevaarlijk bij bepaalde patiënten.

Induced fit
In 1958 heeft Daniel Koshland Jr. het begrip induced fit geïntroduceerd met name voor substraat-enzym binding. Enzym en substraat passen zich aan elkaar aan zodat een meer intuïtief concept van hand-handschoen ontstaat. Gaandeweg is het sleutel-slot model van Fischer als achterhaald beschouwd. Hierbij moet echter niet vergeten worden dat het wel energie kost om in een andere vorm over te gaan. Het zou beter zijn als beide bindingspartners al in een sleutel-slot vorm aanwezig waren. Voor beide partners noemt men dit de bioactieve vorm. Het valt te verwachten dat er soms sleutel-slot binding optreedt, soms een beetje induced fit en soms veel induced fit. Alles kan.

Binnen de farmacologie noemde men die stoffen die aan een receptor bonden en deze konden aanzetten tot het geven van een signaal, agonisten. Het signaal werd veroorzaakt door een vormverandering na binding. Als het signaal niet plaats vond na binding, noemde men het geneesmiddel een antagonist. Een geneesmiddel moet goed passen op de bioactieve vorm van de receptor. Of juist op een inactieve vorm?

Figuur van Leif Saul (www.easternct.edu/personal/faculty/saull/)

Conformationele selectie
Met de komst van de moleculaire biologie waren farmacologen in staat om een receptor in kweekcellen tot expressie te brengen. Toen Bond et al. (1995) de beta2 receptor tot overexpressie brachten werden hartcellen actief. Dit betekent dat de receptoren onophoudelijk vuurden zonder dat er een agonist in de buurt was, en voor deze receptor is dat het hormoon adrenaline. Toen sommige stoffen het vuren konden stoppen, noemde men het terecht geen antagonisten, maar inverse agonisten. Het idee was dat de inverse agonist de inactieve receptor bindt en dat een agonist de actieve receptor R* bindt. Er ontstond toen een discussie tussen farmacologen die in de oude theorie van conformationele inductie of de nieuwe theorie van conformationele selectie geloofden. Deze discussie is nog onbeslecht omdat we niet met de microscoop kunnen kijken wat er op moleculair niveau gebeurt. De structuren van veel receptoren zijn na kristalliseren al opgehelderd maar de belangrijkste klasse, waar de beta2 receptor ook toe behoort, gaat dwars door de celmembraan en laat zich niet kristalliseren. Met enkele trucs is dit kristalliseren eind 2007 echter toch gelukt en weten we nu hoe deze receptor in zijn inactieve vorm met een inverse agonist carazolol er uit ziet. Een sleutel en een slot van een deur die niet opengaat

Toch lijkt het verstandig om de structuur van een geneesmiddel en van zijn receptor als een dynamische verzameling van allerlei vormen die in elkaar overgaan te zien. Sleutel-slot is een simplificatie.

Lees verder …

1. J.P. Overington et al., How many drug targets are there?, Nature Reviews Drug Discovery 5 (2006) 993-996.
2. E. Fischer, Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme. Ber. Deutsche Chem. Ges. 27 (1894) 2985-2993
3. D.E. Koshland Jr., Application of a theory of enzyme specificity to protein synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 44 (1958) 98-104.
4. R.A. Bond et al., Physiological effects of inverse agonists in transgenic mice with myocardial overexpression of the beta2-adrenoceptor. Nature 374 (1995) 272-276.

Laatste figuur gemaakt met Yasara en PDB-file 2rh1 (www.rcsb.org)
©2007-EEM