Acetylcholine và chiến lược thiết kế thuốc

1. Acetylcholine là gì? Tương tự như muscarin và nicotine acetylcholine là chất dẫn truyền thần kinh, nhưng nó có tính chất trị liệu yếu do chứa nhóm ester và muối amoni bậc bốn trong phân tử. 2. Tính chất Khá bền ở trạng thái rắn nhưng bị thủy phân nhanh chóng trong dung dịch, được xúc tác bởi axit hoặc base, chính vì vật acetylcholine không được điều chế dưới dạng uống hoặc dạng dịch truyền do dễ bị thủy phân trong đường ruột hoặc nhanh chóng bị phá hủy bởi các enzim trong huyết tương và các esterase tế bào. Muối amoni bậc bốn tan tốt trong nước nhưng hấp thụ rất ít qua màng lipit tế bào. 3. Acetylcholine có ở đâu trong cơ thể (Tích trữ) Hầu hết acetylcholine được tạo ra từ quá trình sinh tổng hợp (một quá trình tương đối phức tạp có sự kết hợp giữa cholin và coenzym A…) được chuyển vận một cách hoạt động vào khu vực tích trữ trong tiền synapse, và ở đó cho đến khi được tiết ra như một chất chuyển vận thần kinh. 4. Quá trình tiết Acetylcholine được tiết ra từ nơi dự trữ dưới tác động của thế, quá trình này mở cửa cho ion Ca2+ đi vào nội bào, làm cảm ứng sự gắn kết những túi dự trữ acetylcholine với màng tiền synapse trước khi sự tiết chất chuyển vận thần kinh xảy ra. Mỗi túi dự trữ chứa khoảng 12.000 đến 60.000 phân tử acetylcholine. Và mỗi tác động của thế có thể tiết ra hàng trăm túi dự trữ acetylcholine đi vào synapse.

CAO HỌC HỮU CƠ K20 ACETYLCHOLINE VÀ CHIẾN LƯỢC THIẾT KẾ THUỐC I MỞ ĐẦU Thuốc tác động lên hệ dẫn truyền thần kinh cholinergic Acetylcholine (+)-Muscarine choride R(-)-Norepinephrine S(+)-Nicotine II ACETYLCHOLINE Acetylcholine gì? Tương tự muscarin nicotine acetylcholine chất dẫn truyền thần kinh, có tính chất trị liệu yếu chứa nhóm ester muối amoni bậc bốn phân tử Tính chất - Khá bền trạng thái rắn bị thủy phân nhanh chóng dung dịch, xúc tác axit base, vật acetylcholine khơng điều chế dạng uống dạng dịch truyền dễ bị thủy phân đường ruột nhanh chóng bị phá hủy enzim huyết tương esterase tế bào - Muối amoni bậc bốn tan tốt nước hấp thụ qua màng lipit tế bào Acetylcholine có đâu thể (Tích trữ) Hầu hết acetylcholine tạo từ trình sinh tổng hợp (một trình tương đối phức tạp có kết hợp cholin coenzym A…) chuyển vận cách hoạt động vào | Tài liệu lưu hành nội CAO HỌC HỮU CƠ K20 khu vực tích trữ tiền synapse, tiết chất chuyển vận thần kinh Quá trình tiết - Acetylcholine tiết từ nơi dự trữ tác động thế, trình mở cửa cho ion Ca2+ vào nội bào, làm cảm ứng gắn kết túi dự trữ acetylcholine với màng tiền synapse trước tiết chất chuyển vận thần kinh xảy - Mỗi túi dự trữ chứa khoảng 12.000 đến 60.000 phân tử acetylcholine Và tác động tiết hàng trăm túi dự trữ acetylcholine vào synapse Sự chuyển hóa - Acetylcholine synapse gắn kết với thể thụ cảm màng trước sau synapse để tạo đáp ứng Các phân tử acetylcholine không gắn kết với màng bị thủy phân acetylcholinesterase, trình chế sinh lí để chấm dứt tác động acetylcholine - Có nhiều acetylcholinesterase synaspe để thủy phân khoảng 300 triệu phân tử acetylcholine mili giây (msec) Điều chứng tỏ hoạt tính enzym đủ để thủy phân tất acetylcholine (3 triệu phân tử) tiết tác động - Nhiều thuốc điều trị bắt chước acetylcholine tạo sở ức chế acetylcholinesterase II CHIẾN LƯỢC THIẾT KẾ THUỐC - Dựa theo mối quan hệ cấu trúc - hoạt tính acetylcholine - Tổng hợp chất ức chế acetylcholinesterase (AchEIs) Dựa theo mối quan hệ cấu trúc - hoạt tính acetylcholine Thực cần thiết để tổng hợp hợp chất để thay trị liệu có tính giống với acetylcholine Những nghiên cứu mối quan hệ cấu trúc – hoạt tính sửa đổi hóa học acetylcholine thực ba phần riêng biệt phân tử, Nhóm etylen β Nhóm acyloxy Nhóm amonium bậc bốn α a) Sửa đổi nhóm amonium bậc bốn - Tương tự acetylcholine, thay nguyên tử N As, P S cho hợp chất có hoạt tính yếu không sử dụng lâm sàng  Kết luận: có hợp chất có nhóm mang điện tích dương ngun tử N có hoạt tính - Khi thay ba nhóm metyl nhóm ankyl lớn H khơng có hoạt tính b) Sửa cầu nối etylen | Tài liệu lưu hành nội CAO HỌC HỮU CƠ K20 - Khi thay phần alcohol với chiều dài lớn hơn, nhanh chóng giảm hoạt tính theo Qui tắc Ing (Sẽ không nguyên tử nguyên tử N H tận nhóm –CH hoạt tính cao nhất) - Khi thay nguyên tử H cầu nối etylen nhóm alkyl lớn cho hợp chất có hoạt tính acetylcholine Điển thay nhóm –CH vào cacbon β cho acetyl-β-metylcholine cho hợp chất có hoạt tính tương tự acetylcholine bền nên dùng làm thuốc xịt qua đường hô hấp trị hen suyễn hiệu quả, thay vị trí cacbon α cho hợp chất acetyl- α-metylcholine hoạt tính acetyl-β-metylcholine acetyl- α-metylcholine c) Sửa đổi nhóm acyloxy - Sự giảm hoạt tính dược học bền mặt hóa học acetylcholine thủy phân, thay nhóm chức chịu thủy phân cải thiện nhược điểm - Este carbamat axit carbamit choline đề nghị bền este carboxylate nhiều (do cacbonyl carbamat electrophile hơn) + Carbachol (este choline acid carbamic) bị thủy phân đường ruột enzym acetylcholinesterase acetylcholine nên uống + Tổng hợp tương tự acetylmetylcholine, ta tổng hợp carbamat este bethanechol uống tiêm da để trị hậu phẫu đường ruột hay đường niệu Carbachol Bethanechol Tổng hợp chất ức chế enzym acetyesterase (AChEIs) - Acetylcholine bị thủy phân có can thiệp enzym Acetylcholinesterase (AchE), điều có lợi xong mặt có hại AchE thủy phân hồn tồn Acetylcholine gây khả dẫn truyền thần kinh - Sự ức chế AchE làm tăng nồng độ acetylcholine synapse kết tăng đáp ứng cả5muscarine nicotine  Áp dụng trị liệu | Tài liệu lưu hành nội CAO HỌC HỮU CƠ K20 - Những chất ức chế AchE hay anticholinesterase phân loại chất bắt chước choline cách gián tiếp chế tác động chủ yếu cảu chúng không liên quan đế thể thụ cảm cholinergic - Các chất sử dụng cải thiện sức co cơ, glaucome gốc mở để giảm áp suất nội nhãn, Alzhemeir,…những bệnh sinh thiếu cholinergic não - Ngoài chúng sử dụng thuốc trừ sâu, sử dụng vũ khí hóa học a) Cơ chế thủy phân Acetylcholine  Trong môi trường acid  Trong môi trường base | Tài liệu lưu hành nội CAO HỌC HỮU CƠ K20  Thủy phân acetylcholine AchE Serine | Tài liệu lưu hành nội CAO HỌC HỮU CƠ K20 Tryptophan Tryptophan Histidine - Nito bậc bốn gắn vào vị trí anion tryptophan enzym, tương tác cation-π - Oxy carbonyl bị proton hóa proton gốc imidazol hitstidine - Cacbon electrophile carbonyl bị cơng nhóm hydroxy gốc serine - Phần lại chế giải thích theo sơ đồ sau: (Khơng hoạt động) + Trạng thái chuyển tiếp B không bền, phân hủy cho choline AchE bị acetyl hóa C | Tài liệu lưu hành nội CAO HỌC HỮU CƠ K20 + Dạng C xem enzym bị acetyl hóa, khơng thể gắn với phân tử acetylcholine khác, enzym trạng thái không hoạt động ( Đây vấn đề: người bị bệnh Glaucome góc mở, enzym C nhanh chóng bị thủy phân lượng AchE nhiều bệnh nặng thêm, chậm thủy phân bệnh giảm đi, khơng bị thủy phân nặng thêm, vấn đề thú vị để hiểu vấn đề tiếp theo) + Enzym bị acetyl hóa nhanh chóng trải qua thủy phân để tái sinh dạng hoạt động ban đầu AchE (D) phân tử acetic acid b) Âm mưu (chiến lược) thiết kế thuốc kháng AchE - Như trình bày trên, giai đoạn sau chế tái sinh quan trọng việc thiết kế thuốc ức chế enzym AchE Nếu enzym bị acyl hóa nhóm chức (như carbamyl phosphat,…) bền thủy phân este carboxylate, enzym giữ trạng thái khơng hoạt động thời gian dài hơn, chí khơng hoạt động mãi (đồng nghĩa với “ngủm”) - Nguyên lí hóa học liên quan đến tốc độ thủy phân dẫn đến việc khám phá tạo hai loại AchEI: chất ức chế thuận nghịch chất ức chế bất thuận nghịch Sự ức chế thuận nghịch Axetylcholinesterase - Các chất AcheI hợp chất: + Cơ chất phản ứng với AchE để tạo enzym bị acyl hóa mà chúng bền enzym bị acetyl xó khả thủy phân tái sinh AchE + Gắn kết với AchE với lực lớn acetylcholine không phản ứng với enzym chất - Các chất ức chế sử dụng lâm sàng thuộc loại ức chế thuận nghịch bao gồm carbamate (este carbamit acid ancol este carbamit acid phenol physostigmine) + Các alkyl carbamate carbachol bethanechol có cấu trúc tương tự acetylcholine chất cho ức chế cạnh tranh AchE chúng khó thủy phân acetylcholine xúc tác AchE + Các aryl carbamate physostigmine dẫn xuất tương tự gắn kết vào vị trí xúc tác AchE, làm cho enzym bị carbamyl hóa Tốc độ carbamyl hóa sau: carbamic acid ester > methylcarbamic acid ester > đimethylcarbamic acid ester (tức bị thủy phân enzym chất C khó tái tạo lai AchE) Carbamyl AChE | Tài liệu lưu hành nội CAO HỌC HỮU CƠ K20 Aryl carbamate tốt ankyl carbamate hai có lực mạnh AchE Physostigmine aryl carbamate có nồng độ ức chế vào khoảng 10 -9M đến 10-8M nhỏ hàng trăm, hàng nghìn lần so với ankyl carbamate có nồng độ ức chế vào khoảng 10 -5M Nguyên nhân ion phenoxide bền cộng hưởng vòng thơm nhóm rời tốt ion alkoxide Chính vậy, chất ức chế carbamate có hiệu trị liệu dẫn xuất phenol - Sự tái sinh AchE hoạt tính thủy phân enzym bị carbamyl hóa chậm nhiều so với thủy phân enzym bị acetyl hóa Tốc độ tái sinh enzym bị carbamyl hóa đo hàng phút, thí dụ + Với metylcarbamate enzym khoảng 15 phút + Với Acetylated AchE khoảng 0.2 msc - Mặc dù đòi hỏi thời gian lâu để tái sinh AchE từ carbamylate enzym, AchE tái sinh, chất ức chế thuộc loại chất ức chế thuận nghịch  Các chất ức chế thuận nghịch  Physostigmine Neostigmine bromide | Tài liệu lưu hành nội CAO HỌC HỮU CƠ K20 Pyridostigmine bromide Carbaryl Sự ức chế bất thuận nghịch Acetylcholinesterase - Chúng ta thấy enzym bị carbamyl hóa thủy phân chậm hàng phút, phosphate este bền nữa, lí dẫn xuất phosphoric, pyrophosphoric , phosphonic acid chất ức chế AchE hiệu - Tốc độ thủy phân tái sinh phosphorylate enzyme chậm đo hàng (ví dụ thời gian bán hủy điethyl phosphat vào khoảng giờ) Do thời gian tái tạo qua dài chúng xem chất ức chế bất thuận nghịch - Các chất tác động ức chế với chế giống carbamate este trừ chúng rời enzym bị este hóa dạng phosphat este - Một khác quan trọng AchEI thuận nghịch bất thuận nghịch AchEI bất thuận nghịch (dẫn xuất phosphoeste) trải qua q trình lão hóa (Aging) (Đây điều thú vị) | Tài liệu lưu hành nội CAO HỌC HỮU CƠ K20  Quá trình lão hóa độc tính chất ức chế bất thuận nghịch - Q trình lão hóa đóng vai trò quan trọng độc tính chất ức chế bất thuận nghịch - Aging trình phân cắt nhiều liên kết phosphoeste AchE khác bị phosphoryl hóa Phản ứng tạo anion phosphate có ngun tử phospho electrophile nhiều khó bị thủy phân so với phosphoeste ban đầu Do đó, phosphorylate enzym bị lão hóa khơng bị nucleophile cơng tái sinh thuốc giải - Thời gian xảy trình lão hóa tùy thuộc vào tốc độ phân cắt liên kết P-O Trong suốt thời gian thuốc giải độc ngộ độc phosphoester có hiệu quả, để q trình lão hóa xảy khơng thể giải độc Việc ứng dụng việc tạo chất độc hóa học chết người hàng loạt, số sarin - Khi hợp chất phosphoryl hóasarin AchE có phản ứng lão hóa xảy ra, enzym5hồn tồn bị chai lỳ trình tái sinh chất giải độc  Thuốc giải độc cho chất ức chế bất thuận nghịch Tính độc chất ức chế bất thuận nghịch ứng dụng thuốc trừ sâu vũ khí hóa học, gây hậu nặng nề, việc điều chế thuốc giải độc cho hợp chất | Tài liệu lưu hành nội CAO HỌC HỮU CƠ K20 loại cần thiết Loại thuốc có khả thủy phân nhanh chóng phosphatester để tái sinh AchE phải an toàn trị liệu Nước chất thân hạch thủy phân acetylated AchE tái sinh AchE cách nhanh chóng, phosphateste, nghiên cứu động học người ta thấy thủy phân chậm phosphateste hữu nước có tính thân hạch yếu Cần chất thân hạch mạnh hơn, Hydroxylamine (NH2OH) đề nghị nhiên tốc độ thủy phân hiệu nồng độ gây độc chất này, độc tính có tất dẫn xuất hydroxylamine cần phải cực tiểu hóa liều lượng để sử dụng giải độc  Yêu cầu đặc ra: - Thiết kế loại thuốc có độ chọn lọc cao, lực gắn kết mạnh với AchE - Mang nucleophine giống hydroxylamine đến gần gốc serine bị phosphoryl hóa  Điều đạt cách tổng hợp dẫn xuất hydroxylamine hữu có mang nhóm mang điện tích dương - Ba đồng phân pyridine aldoxime methiodide tổng hợp có hoạt tính sinh học, dẫn xuất từ 2-pyridinealdehyde có hiệu Hợp chất biết 2-pyridine methyl chloride (pralidoxime, 2-PAM) chất chứng minh có hiệu lâm sàng chất giải độc ngộ độc phosphate ester AchEI Oxime Pralidoxime chloride (2-PAM) | Tài liệu lưu hành nội CAO HỌC HỮU CƠ K20 • - Cơ chế cho tái sinh AchE 2-PAM: Giai đoạn đầu liên quan đến gắn kết nito amoni bậc bốn 2-PAM vào vị trí gắn kết anion, oxi mang điện tích âm cơng P +, kết bẻ gãy liên kết nguyên tử oxi serine nguyên tử phospho Sản phẩm cuối AchE hoạt tính tái sinh phosphorylate 2-PAM Chú ý ngộ độc phosphat este: 2-PAM phải cho uống thời gian ngắn bị ngộ độc, để lâu khơng hiệu q trình lão hóa phosphorylate enzyme xảy làm thuốc khơng có tác dụng Cũng lí đó, phosphate este AchEI có khả lão hóa nhanh chóng phát triển thuốc trừ sâu vũ khí hóa học, song song nhà khoa học nghiên cứu tạo chất tốt thay 2-PAM xuyên qua hàng rào chắn máu não để tái sinh AchE não | Tài liệu lưu hành nội ... đủ để thủy phân tất acetylcholine (3 triệu phân tử) tiết tác động - Nhiều thuốc điều trị bắt chước acetylcholine tạo sở ức chế acetylcholinesterase II CHIẾN LƯỢC THIẾT KẾ THUỐC - Dựa theo mối... AchE (D) phân tử acetic acid b) Âm mưu (chiến lược) thiết kế thuốc kháng AchE - Như trình bày trên, giai đoạn sau chế tái sinh quan trọng việc thiết kế thuốc ức chế enzym AchE Nếu enzym bị acyl... acetylcholine Và tác động tiết hàng trăm túi dự trữ acetylcholine vào synapse Sự chuyển hóa - Acetylcholine synapse gắn kết với thể thụ cảm màng trước sau synapse để tạo đáp ứng Các phân tử acetylcholine