Vi har undersøgt, hvordan pH-forholdene er, når lægemidlet binder til dets vigtigste target.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder
(læs originalartiklen her)
Af Marie Louise Gram og Mikael Bols, Kemisk Institut, Københavns Universitet
Lægemidler eller “drugs” virker ved at binde til proteiner og derved pacificere eller aktivere dem. Da mere end halvdelen af alle lægemidler indeholder en aminogruppe kunne noget tyde på, at aminogruppen er vigtig for binding til proteinet. Aminer er den organiske kemis baser, og det er derfor nærliggende at tænke sig, at en aminogruppe i et “drug” reagerer med en syregruppe i proteinet og danner et salt (figur 1A). Alternativt kan aminen interagere med carboxylsyren og danne en hydrogenbinding (figur 1B).
Disse to situationer er, skønt ganske simple, ikke så lette at se forskel på, blandt andet fordi det kun er få nanomol “drug”, der er bundet i proteinets bindingslomme. Men vi har, som diskuteret i vores tidligere artikel i Dansk Kemi, udviklet en metodik, hvorved det kan gøres [1]. Denne metode har vi nu brugt på kokain [2].
Kokain bliver protoneret, når det binder til sit vigtigste target, dopamintransporteren.Først, hvorfor er det overhovedet vigtigt at vide, om et lægemiddel, som for eksempel kokain, binder på den ene eller anden måde? Det er det fordi, når vi skal designe nye og forbedrede lægemidler, er det vigtigt at vide, om de skal ligne en positivt ladet forbindelse eller en neutral specie. Det har også betydning for, hvor stærk en base en aminogruppe i lægemidlet bør være for at give den bedste binding.
De fleste kender kokain (figur 2), et lille alkaloid fra kokaplanten, som et berygtet misbrugsstof, men det er faktisk også et lægemiddel, der anvendes til bedøvelser i forbindelse med øjenoperationer. Medicinalkemisk er man interesseret i at lave antagonister af kokain, der kan anvendes i misbrugsbehandling, og i den forbindelse er en bedre forståelse af kokains interaktion med proteinet vigtig.
I vores metode sætter man en speciel gruppe, en antracen, på det lægemiddel, man vil undersøge, som fluorescerer, når lægemidlet er protoneret – eller rettere – den udsender ikke lys, når der er en aminogruppe tæt på, som har et frit elektronpar. Vi fremstillede kokainanaloger, hvorpå der var fastgjort antracener med en kæde af varierende længde og udstøbning til aminogruppen. Et af stofferne, 1 (figur 2), bandt med kokains target dopamintransporteren med høj affinitet – faktisk 10-15 gange bedre end kokain. Samtidig har 1 den egenskab, at når dets aminogruppe er protoneret, fluorescerer den og udsender lilla lys. Vi kan derved se, hvad der sker, når 1 binder i bindingslommen af proteinet. Vi ser, at anthracengruppen begynder at fluorescere og altså, at stoffet 1 er protoneret, når det er bundet – altså er på formen 1,H+ (figur 2).
Nu ved vi, at 1 er protoneret i dopamintransporterens bindingslomme, men betyder det, at kokain er det? Strengt taget ikke, men i og med at 1 og kokain har meget lignende strukturer, og kokain er en betydeligt stærkere base, er det meget sandsynligt, at kokain også er protoneret.
pKa-værdi og styrke af binding
En anden interessant ting vi fandt ud af, var, at den syregruppe kokain og 1 interagerer med i proteinet har en overraskende høj pKa-værdi. Det kan man finde ud af ved at måle hæmningen af kokain, 1 og andre lignende inhibitorer ved forskellig pH [2]. Ved at plotte den reciprokke hæmningskonstant mod pH får man en kurve (figur 3), hvor man kan aflæse syrekonstanterne af inhibitoren, som vi i forvejen kender, og den gruppe inhibitoren binder til. Den gruppe ved vi, er sidekæden på asparginsyre nummer 79 i proteinet, og vi kan se, at den har pKa 7.7-8.2 afhængig af, om proteinet er den menneskelige udgave eller fra en rotte.
Det betyder, at syregruppen, når proteinets bindingslomme er tom, er protoneret, og må afgive sin proton for at kunne binde kokain. Det koster energi og gør, at bindingen mellem kokain og dopamintransporter er svagere, end hvis syre/basestyrken af de to bindingsgrupper var bedre tilpasset. Kokaplanten har altså ikke udviklet en inhibitor, der er specielt egnet til at binde til dopamintransporteren fra mennesket, hvilket jo passer med, at der findes syntetiske inhibitorer, der er 1.000 gange stærkere. Men den er god nok til, at vi stadig anvender kokain som lægemiddel, samt at det er et misbrugsdannende stof med stigende rekreativt forbrug verden over.
E-mail:
Mikael Bols: bols@chem.ku.dk
Referencer
1. M.L. Gram and M. Bols, Måling af pH med inhibitorer, Dansk Kemi, 2023, 104, 16-19.
2. M.L. Gram, J.M. Warren, E.L. Madsen, J.C. Nielsen, C.J. Loland and M. Bols, Is Cocaine Protonated When it Binds to the Dopamine Transporter?, JACS Au, 2025, DOI:10.1021/jacsau.4c00952.
