1994 · Chakravarty — Arzneistoff–Protein-Interaktionen: Verfeinerte Strukturen dreier Sulfonamid-Arzneistoffkomplexe des humanen Carboanhydrase-I-Enzyms
Kurzfassung
Diese In-vitro-Kristallographiestudie löste die atomaren Strukturen dreier Sulfonamid-Wirkstoffe, die an humane Carboanhydrase I (HCAI) bei 2 Å Auflösung gebunden sind, und zeigte, wie Wasserstoffbrückenbindungen im aktiven Zentrum des Enzyms die Inhibitor-Orientierung und -Potenz bestimmen. Der Bezug zur Wasserstoffchemie liegt in der zentralen Rolle von Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerken — nicht in der molekularen H₂-Therapie. (Journal of Molecular Biology, 1994.)
Kommentar
Dies ist eine strukturbiochemische Studie mittels Röntgenkristallographie zur Kartierung von Arzneistoff-Enzym-Interaktionen bei humaner Carboanhydrase I. Der klinische Kontext sind ophthalmologische Erkrankungen, die mit Sulfonamid-Inhibitoren der Carboanhydrase behandelt werden. Wasserstoff erscheint hier nicht als molekulares H₂, sondern im klassischen biochemischen Sinne: als Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der Sulfonamidgruppe und dem aktiven Zink-Ion sowie den umgebenden Aminosäureresten (Thr199, His200, His67). Die Arbeit liefert den ersten kristallographischen Nachweis für die Rolle von His200 bei der Enzyminhibition. Es handelt sich um grundlegende strukturelle Pharmakologie ohne direkten Bezug zur therapeutischen Wasserstoffmedizin.
Wichtige Zitate
- „Die aktive-Zentrum-Schleife aus Leu198, Thr199 und His200 wurde als wichtig für die Bindung der Arzneimittelmoleküle identifiziert, aufgrund ihrer erheblichen atomaren Verschiebungen und intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen aus den Wechselwirkungen mit den Sulfonamiden.“ Original (EN): „The active site loop of Leu198, Thr199 and His200 has been identified to be important for binding of the drug molecules due to their appreciable atomic displacements and intra-molecular hydrogen bonds arising out of their interactions with the sulfonamides.“ — Wasserstoffbrückenbindungen als struktureller Bestimmungsfaktor der Arzneistoff-Enzym-Interaktion
- „Dies ist der erste kristallographische Nachweis für eine mögliche Beteiligung von His200 an der Inhibition von HCAI.“ Original (EN): „This is the first crystallographic evidence of the possible involvement of His200 in the inhibition of HCAI.“ — ein neuer mechanistischer Fund in der Carboanhydrase-Pharmakologie
- „Auch eine wichtige Rolle von Thr199 bei der Unterscheidung zwischen Substrat- und Inhibitor-Bindungsmodus von HCO₃⁻ an das Enzym bei hohem pH-Wert wird gefolgert.“ Original (EN): „An important role of Thr199 in distinguishing between the substrate and inhibitor binding modes of HCO3- to the enzyme at high pH is also inferred.“ — mechanistischer Einblick in die Selektivität der Substrat- vs. Inhibitorbindung
Unsere Einordnung
Dies ist eine strukturbiochemische Studie im Bereich des Wirkstoffdesigns — keine Wasserstofftherapie-Studie. Wasserstoff bezieht sich in dieser Arbeit ausschließlich auf Wasserstoffbrückenbindungen in Protein-Arzneistoff-Interaktionen, nicht auf molekulares H₂ oder wasserstoffreiches Wasser. Aus dieser Arbeit ergeben sich keine Implikationen für den therapeutischen H₂-Einsatz. Sie ist wertvoll für medizinische Chemiker und Kristallographen, die Carboanhydrase-Inhibitoren untersuchen, hat aber keinen Bezug zur molekularen Wasserstoffmedizin.
Studiendesign
- Typ: In-vitro-Kristallographiestudie · Modell: humane Carboanhydrase I (HCAI), Kristallstruktur bei 2 Å Auflösung · H₂-Gabe: nicht anwendbar — Wasserstoff bezieht sich auf Wasserstoffbrückenbindungen in der Strukturbiochemie
- Ergebnis: Drei Sulfonamid-Wirkstoffe (darunter Methazolamid) binden im aktiven Zentrum von HCAI und verdrängen das zinkkomplex-gebundene Wassermolekül; Orientierungsunterschiede der Sulfamidgruppen erklären Unterschiede in der Inhibitionsstärke; His200 wird erstmals kristallographisch als an der HCAI-Inhibition beteiligt identifiziert
Abstract (deutsche Übersetzung)
Nicht-substituierte Sulfonamid-Wirkstoffe werden häufig bei ophthalmologischen Erkrankungen eingesetzt. Die Hemmung des Carboanhydrase-Enzyms gilt als Hauptgrund für ihre therapeutischen Wirkungen. Strukturen dreier solcher Sulfonamid-Wirkstoffe, die an humane Carboanhydrase I (HCAI) komplexiert und kristallographisch bei 2 Å Auflösung verfeinert wurden, werden hier berichtet. Die Wirkstoffmoleküle binden alle im aktiven Zentrum des Enzyms, zeigen aber untereinander Unterschiede in der Orientierung der Sulfamidgruppen, die mit dem essentiellen Zinkion im aktiven Zentrum interagieren. Das aktivitätsgebundene Lösungsmittelmolekül, das im nativen Enzym mit Zink koordiniert ist, wird von allen drei Sulfonamiden verdrängt. Die aktive-Zentrum-Schleife aus Leu198, Thr199 und His200 wurde als wichtig für die Bindung der Arzneimittelmoleküle identifiziert, aufgrund ihrer erheblichen atomaren Verschiebungen und intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen aus den Wechselwirkungen mit den Sulfonamiden. Diese Wechselwirkungen zusammen mit den Ladungsanforderungen des aktiven Zentrums werden als ursächlich für die Orientierungsunterschiede der Sulfamidgruppen sowie für Unterschiede in der Inhibitionsstärke der Wirkstoffe vorgeschlagen. Ein Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk aus Lösungsmittelmolekülen und aktiven Zentrum-Resten His200 und His67 unter anderen im nativen Enzym wird bei Bindung von Methazolamid, nicht aber bei den anderen beiden Sulfonamiden, gestört. Dies ist der erste kristallographische Nachweis für eine mögliche Beteiligung von His200 an der Inhibition von HCAI. Auch eine wichtige Rolle von Thr199 bei der Unterscheidung zwischen Substrat- und Inhibitor-Bindungsmodus von HCO₃⁻ an das Enzym bei hohem pH-Wert wird gefolgert.
Original-Abstract (englisch)
N-unsubstituted sulfonamide drugs are widely used for opthalmic disorders. Inhibition of carbonic anhydrase enzyme is believed to be the chief reason for their therapeutic effects. Structures of three such sulfonamide drugs complexed to human carbonic anhydrase I enzyme (HCAI) refined crystallographically at 2 A resolution are reported here. The drug molecules are all bound in the active site of the enzyme, but among themselves show differences in the orientations of the sulfamido groups interacting with the essential zinc ion in the active site. The activity linked solvent molecule coordinated to zinc in the native enzyme is displaced by all the three sulfonamides. The active site loop of Leu198, Thr199 and His200 has been identified to be important for binding of the drug molecules due to their appreciable atomic displacements and intra-molecular hydrogen bonds arising out of their interactions with the sulfonamides. These interactions along with active site charge requirements are proposed to be responsible for the orientational differences of the sulfamido groups and also for differences in the inhibitory powers of the drugs. A hydrogen bond network involving solvent molecules and active site residues His200 and His67 amongst others in the native enzyme, is disrupted upon binding of methazolamide but not in the other two sulfonamides. This is the first crystallographic evidence of the possible involvement of His200 in the inhibition of HCAI. An important role of Thr199 in distinguishing between the substrate and inhibitor binding modes of HCO3- to the enzyme at high pH is also inferred.
Quelle & Links
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