Inhibitor enzima jemolekul koji se vezuje zaenzim i umanjuje njegovuaktivnost. Pošto blokiranje enzimske aktivnosti može da uzrokuje uginućepatogena ili da korigujemetaboličku neuravnoteženost, stoga su mnogilekovi inhibitori enzima. Inhibitori enzima se takođe koriste kaopesticidi. Nisu svi molekuli koji se vezuju za enzime inhibitori;aktivatori enzima se vezuju za enzime i povećavaju njihovuaktivnost, dok se enzimski supstrati vezuju i bivaju konvertovani do produkata u normalnom katalitičkom ciklusu enzima.
Vezivanje inhibitora može da spreči pristupsupstrata enzimskomaktivnom mestu i/ili omete enzim prikatalizi biohemijske reakcije. Vezivanje inhibitora može da budereverzibilno ili ireverzibilno. Ireverzibilni inhibitori obično reaguju sa enzimom i hemijski ga menjaju (npr. formiranjemkovalentne veze), te modifikuju ključneaminokiselinske ostatke neophodne za enzimatsku aktivnost. Nasuprot ovome, reverzibilni inhibitori se vezujunekovalentno, te se različiti tipovi inhibicije javljaju zavisno od toga da li se inhibitori vezuju zaenzim, za enzimsko-supstratni kompleks, ili za oboje.[1]
Mnogi molekulilekova su inhibitori enzima, tako da je njihovo otkrivanje i poboljšanje aktivna oblast istraživanja ubiohemiji ifarmakologiji. Medicinski enzimski inhibitori se često vrednuju po svojojspecifičnosti (svom odsustvu vezivanja za druge proteine) i svojoj potentnosti (svojojkonstanti disocijacije, koja je indikator koncentracije neophodne za inhibiciju enzima). Visoka specifičnost i potentnost su preduslovi da lek ispoljava mali brojnuspojava i stoga niskutoksičnost.
Enzimski inhibitori se isto tako javljaju u prirodi i učestvuju u regulacijimetabolizma. Na primer, enzimi umetaboličkom putu mogu da budu inhibirani produktima daljih koraka puta. Ovaj tippovratne sprege usporava ćelijsku proizvodnu liniju kad produkti počnu da se nakupljaju, i to je jedan od važnih načina održavanjahomeostaze ućelijama. Drugi ćelijski enzimski inhibitori suproteini, koji se specifično vezuju za i inhibiraju enzimsku metu. To može da pomogne u kontroli enzima, koji bi inače mogli da oštete ćeliju, kao što suproteaze ilinukleaze. Jedna detaljno okarakterisana klasa inhibitornih molekula suribonukleazni inhibitori, koji se vezuju zaribonukleaze formirajući jednu od najčvršćih poznatihprotein—protein interakcija.[2] Prirodni enzimski inhibitori takođe mogu da budu otrovi i da se koriste kao vid odbrane od predatora, ili kao način ubijanja plena.
Reverzibilni inhibitori se vezuju za enzime putem nekovalentnih interakcija kao što suvodonične veze,hidrofobne interakcije ijonske veze. Višestruke slabe veze između inhibitora i aktivnog mesta se kombinuju i proizvode jako i specifično vezivanje. Za razliku odsupstrata i ireverzibilnih inhibitora, reverzibilni inhibitori generalno ne podležu hemijskim reakcijama pri vezivanju za enzim i mogu lako da se uklone razblaživanjem ilidijalizom.
Postoje četiri vrste reverzibilnih enzimskih inhibitora. Klasifikuju se na osnovu uticaja promenljive koncentracije enzimskog supstrata na inhibitor.[3]
Reverzibilna inhibicija se može kvantitativno opisati u pogleduvezivanja inhibitora za enzim i za enzimsko-supstratni kompleks, kao i njegovog uticaja nakinetičke konstante enzima. U klasičnojMihaelis—Menteninoj šemi ispod, enzim (E) vezuje se za svoj supstrat (S) i formira enzimsko-supstratni kompleks ES. Nakon katalize, ovaj kompleks se razlaže i oslobađaju se produkt P i slobodni enzim. Inhibitor (I) može se vezati ili za E ili za ES sakonstantama disocijacijeKi iliKi′, redom.
|  |
Kada enzim ima višestruke supstrate, inhibitori mogu da ispolje različite tipove inhibicije u zavisnosti od toga koji se supstrat posmatra. Do ovoga dolazi zato što aktivno mesto sadrži dva različita mesta vezivanja, po jedno za svaki supstrat. Na primer, inhibitor se može nadmetati sa supstratom A za prvo mesto vezivanja, a biti beskonkurentni inhibitor supstrata B u drugom mestu vezivanja.[5]
Kao što je napomenuto iznad, enzimski inhibitor se opisuje putem svojih dvejukonstanti disocijacije:Ki iKi′, za enzim i enzimsko-supstratni kompleksa, redom. Enzimsko-inhibitorska konstantaKi se može direktno meriti različitim metodima. Jedan od izuzetno preciznih metoda jeizotermalna titraciona kalorimetrija, u kojoj se inhibitor titrira u rastvor enzima; potom se meri oslobođena ili apsorbovana toplota.[6] Međutim, drugu konstantu disocijacijeKi′ je teško direktno meriti, pošto je enzimsko-supstratni kompleks kratkotrajan i podleže hemijskoj reakciji kojom se formira produkt. Stoga seKi′ obično indirektno meri, i to putem posmatranjaenzimske aktivnosti pri različitim koncentracijama supstrata i inhibitora, tepostavljanjem podataka[7] u modifikovanuMihaelis—Menteninu jednačinu.
gde su modifikujući faktori α i α′ definisani putem koncentracije inhibitora i njegovih dveju konstanti disocijacije:
Stoga, u prisustvu inhibitora, enzimske efektivne vrednostiKm iVmax postaju (α/α′)Km i (1/α′)Vmax, redom. Treba imati u vidu da modifikovana Mihaelis—Mentenina jednačina podrazumeva da je ostvarenaravnoteža vezivanja inhibitora za enzim, što može da bude veoma spor proces za inhibitore sa podnanomolarnim konstantama disocijacije. U tim slučajevima, obično je praktičnije da se tretira čvrsto vezujući inhibitor kao ireverzibilni inhibitor (vidi ispod); mada, još uvek može da postoji opcija kinetičkog procenjivanjaKi′, ako se nezavisno izmeriKi.
Uticaji različitih tipova reverzibilnih inhibitora enzima na enzimatsku aktivnost se mogu prikazati koristeći grafičke reprezentacije Mihaelis—Mentenine jednačine, kao što suLajnviver—Berkov iEdi—Hofstijev dijagram. Na primer, na Lajnviver—Berkovom dijagramu prikazanom desno, linije konkurentne inhibicije seku se nay-osi, što ilustruje da takvi inhibitori nemaju uticaja naVmax. Analogno, linije beskonkurentne inhibicije seku se nax-osi, što pokazuje da ovi inhibitori ne utiču naKm. Međutim, često je teško precizno procenitiKi iKi′ sa dijagrama,[8] pa se preporučuje korišćenje pouzdanijih metodanelinearne regresije za procenu konstanti (opisano iznad).
Tradicionalno se reverzibilni inhibitori enzima klasifikuju kao konkurentni, nekonkurentni ili beskonkurentni, na osnovu njihovog uticaja na parametreKm iVmax. Ti različiti uticaji direktno proizilaze iz načina vezivanja inhibitora za enzim E, enzimsko-supstratni kompleks ES, ili oba. Podela u ove klase proističe iz problema sa određivanjem parametara i stvara potrebu za korišćenjem različitih konstanti vezivanja za opisivanje čina vezivanja. Vezivanje inhibitora i njegov uticaj na enzimatsku aktivnost su dve potpuno različite svari, što je još jedan problem koji tradicionalne jednačine ne odražavaju. Kod nekonkurentne inhibicije vezivanje inhibitora sledstveno jednačinama jedino dovodi do potpune (100%) inhibicije enzima, i jednačine ne ostavljaju mogućnost postojanja bilo čega između tih krajnosti.[9] Zajednički oblik inhibitornog člana takođe zamagljuje odnos između vezivanja inhibitora za enzim i njegovog odnosa sa drugim članovima vezivanja, bilo da je to Mihaelis—Mentenina jednačina ilidozno-responsna kriva asocirana sa vezivanjemliganda zareceptor. Da bi se demonstrirao odnos, može se stvoriti sledeće preraspoređivanje:
Dodajući nulu na dno ([I]−[I]):
... i deleći sa [I]+Ki dobija se:
Ova jednačina demonstrira da je slično Mihaelis—Menteninoj jednačini, gde brzina reakcije zavisi od procenta enzimske populacije koja međudeluje sa supstratom:
razlomak enzimske populacije vezane supstratom
razlomak enzimske populacije vezane inhibitorom
... uticaj inhibitora rezultat procenta populacije enzima koja međudeluje sa inhibitorom. Jedini problem sa ovom jednačinom u njenoj trenutnoj formi je što podrazumeva apsolutnu inhibiciju enzima vezivanjem inhibitora, dok se u stvarnosti može javiti širok opseg uticaja: od 100% inhibicije supstrata do samo izvesnog procenta, > 0%. Da bi se ovo uzelo u obzir, jednačina se može jednostavno modifikovati uvođenjem člana deltaVmax, tako da dozvoljava različite stepene inhibicije:
... ili:
Ovaj član može onda da definiše rezidualni procenat enzimatske aktivnosti kad inhibitor interaguje sa individualnim enzimima u populaciji. Uvrštavanje ovog člana ima dodatnu prednost dozvoljavanja mogućnosti aktivacije ako se ispostavi da je sekundarni članVmax veći od inicijalnog člana. Da bi se u obzir takođe uzela mogućnost aktivacije, jednačina se može prilagoditi zamenjivanjem inhibitorske oznake „I” opštom oznakom odnosno modifikatorskim članom koji je ovde označen sa „X”:
Dok ova terminologija dovodi do pojednostavljenog načina rukovanja kinetičkim efektima vezanim za maksimalnu brzinu Mihaelis—Mentenine jednačine, ona isto tako naglašava potencijalne probleme sa članovima koji se koriste za opisivanje efekata vezanih zaKm. VrednostKm vezana za afinitet enzima za supstrat je u većini slučaja povezana sa mogućim promenama mesta vezivanja enzima, što je direktna posledica interakcije enzima i inhibitora. Stoga je član sličan gorenavedenom članu za korekcijuVmax podesan u većini slučajeva:[10][11]
Enzimi su evoluciono razvili sposobnost čvrstog vezivanja svojih supstrata; kako se većina reverzibilnih inhibitora vezuje za aktivno mesto enzima, nije iznenađujuće da neki od tih inhibitora imaju veoma slične strukture sa supstratima svoje mete. Jedan od primera oponašanja supstrata suproteazni inhibitori. Oni su veoma uspešna klasaantiretroviralnih lekova koji se koriste za lečenje infekcijeHIV.[16] Strukturaritonavira, proteaznog inhibitora koji je baziran na peptidu i koji sadrži tripeptidne veze, prikazana je sa desne strane. Ovaj lek nalikuje na protein koji je supstrat HIV proteaze; nadmeće sa ovim supstratom za pristup aktivnom mestu enzima.
Enzimski inhibitori se često dizajniraju tako da oponašajuprelazno stanje ili intermedijer enzimski katalizovane reakcije. Time se osigurava da inhibitor iskoristi stabilizujući efekat prelaznog stanja enzima, što dovodi do poboljšanog afiniteta vezivanja (nižeKi vrednosti) nego što je to slučaj sa dizajnima zasnovanim na supstratu. Primer ovakvog inhibitora prelaznog stanja je antiviralni lekoseltamivir; ovaj lek oponaša planarnu strukturu prstenaoksonijumskog jona u reakciji viralnog enzimaneuraminidaze.[17]
Međutim, nisu svi inhibitori bazirani na strukturama supstrata. Na primer, struktura drugog inhibitora HIV proteazetipranavira prikazana je na levoj strani. Ovaj molekul nije zasnovan na peptidu i nije očiglednu strukturnu sličnost sa proteinskim supstratom. Ovi nepeptidni inhibitori mogu da budu stabilniji od inhibitora koji sadrže peptidne veze, pošto oni ne mogu da budu supstratipeptidaza i mnogo manje su skloni degradaciji.[18]
Pri dizajnu lekova je važno da se uzmu u obzir koncentracije supstrata kojima su izloženi ciljni enzimi. Na primer, neki inhibitoriproteinskih kinaza imaju hemijske strukture koje su sličneadenozin-trifosfatu, jednom od supstrata pomenutih enzima. Međutim, lekovi koji su jednostavni kompetitivni inhibitori će morati da se nadmeću sa visokim koncentracijama ATP molekula u ćeliji. Proteinske kinaze se isto tako mogu inhibirati konkurisanjem za mesta vezivanja na kojima kinaze međudeluju sa svojim supstratnim proteinima, a većina proteina je prisutna u ćelijama sa daleko nižim koncentracijama od koncentracije ATP molekula. Posledično, ako se dva inhibitora proteinske kinaze vezuju za aktivna mesta sa sličnim afinitetom — a samo jedan od njih treba da se nadmeće sa ATP molekulima, onda će kompetitivni inhibitor na mestu proteinskog vezivanja efektivnije inhibirati enzim.[19]
Ireverzibilni inhibitori običnokovalentno modifikuju enzim, te inhibicija stoga ne može da bude povratna. Ireverzibilni inhibitori često sadrže reaktivnefunkcionalne grupe, kao što suazotni iperiti,aldehidi,haloalkani,alkeni,Majklovi akceptori,fenil sulfonati ilifluorofosfonati. Teelektrofilne grupe reaguju sa aminokiselinskim bočnim lancima i formiraju kovalentne dodatke. Modifikovani ostaci su oni sa bočnim lancima koji sadrženukleofile kao što suhidroksilne ilisulfhidrilne grupe; tu se ubrajaju aminokiselineserin (npr.DFP molekuli, prikazano na desnoj strani),cistein,treonin ilitirozin.[20]
Ireverzibilna inhibicija se razlikuje od ireverzibilne enzimske inaktivacije. Ireverzibilni inhibitori su generalno specifični za jednu klasu enzima i ne inaktiviraju sve proteine; ne funkcionišu uništavajućiproteinske strukture nego specifičnim izmenjivanjem aktivnog mesta svoje mete. Na primer, ekstremi vrednostipH ili temperature obično uzrokujudenaturaciju svihproteinskih struktura, što je nespecifičan efekat. Pojedini nespecifični hemijski tretmani analogno uništavaju proteinsku strukturu: na primer, zagrevanje u koncentrovanojhlorovodoničnoj kiselini ćehidrolizovatipeptidne veze koje proteine drže na okupu, oslobađajući ovime slobodne aminokiseline.[21]
Ireverzibilni inhibitori ispoljavaju vremenski zavisnu inhibiciju i njihova potentnost se stoga ne može okarakterisati pomoćuIC50 vrednosti. Razlog za ovo je što se količina aktivnog enzima pri datoj koncentraciji ireverzibilnog inhibitora razlikuje u zavisnosti od toga koliko dugo je inhibitor bio preinkubiran sa enzimom. Zbog ovoga, umesto IC50 koriste sekobs/[I] vrednosti,[22] gde jekobs uočena brzina inaktivacije pseudoprvog reda (izvedena is grafika zavisnostilogaritamske vrednosti postotne aktivnosti od vremena) a [I] koncentracija inhibitora. Parameterkobs/[I] je validan dokle god se inhibitor ne zasiti vezivanjem za enzim (u kom slučaju jekobs =kinact).
Kao što je prikazano na šemi levo, ireverzibilni inhibitori formiraju reverzibilni nekovalentni kompleks sa enzimom (EI ili ESI), i zatim dolazi do reakcije kojom se formira kovalentno modifikovani neaktivni kompleks EI*. Brzina kojom se EI* formira se naziva brzinom inaktivacije, ilikinact. Pošto formiranje EI može da se nadmeće sa ES, vezivanje ireverzibilnih inhibitora se može sprečiti konkurencijom bilo sa supstratom ili sa drugim, reverzibilnim inhibitorom. Ovaj protekcioni efekat je dobra potvrda specifičnosti reakcije ireverzibilnog inhibitora sa aktivnim mestom.
Koraci vezivanja i inaktivacije ove reakcije se ispituju putem inkubacije enzima sa inhibitorom i utvrđivanjem stepena aktivnosti koja preostaje tokom vremena. Aktivnost će opadati na vremenski zavisan način, obično sledećieksponencijalni raspad. Uklapanjem ovih podataka ujednačinu brzine dobija se brzina inaktivacije pri datoj koncentraciji inhibitora. Ovo se radi za nekoliko različitih koncentracija inhibitora. Ako dolazi do formiranja reverzibilnog EI kompleksa, biće uočljivo zasićenje brzine inaktivacije i iz odgovarajuće krive biće moguće izvestikinact iKi.[23]
Drugi metod koji je u širokoj upotrebi u ovim analizama jemasena spektrometrija. Ovde precizno merenje mase nemodifikovanog prirodnog enzima i inaktiviranog enzima daje povećanje mase uzrokovano reakcijom sa inhibitorom i pokazujestehiometriju reakcije.[24] To se obično radi koristećiMALDI-TOF maseni spektrometar. U komplementarnoj tehnici zvanojpeptidni maseni otisci prstiju vrši se razlaganje prirodnog i modifikovanog proteina dejstvomproteaze, kao što jetripsin. Time nastaje setpeptida koji se mogu analizirati koristeći maseni spektrometar. Peptidi koji promene masu nakon reakcije sa inhibitorom su oni koji sadrže mesto modifikacije.
Ne formiraju svi ireverzibilni inhibitori kovalentne dodatke na svojim enzimskim metama. Neki reverzibilni inhibitori se tako čvrsto vežu za svoje ciljne enzime da su u suštini ireverzibilni. Ovi potentno vezujući inhibitori mogu da ispolje kinetiku sličnu kovalentnim ireverzibilnim inhibitorima. Neki od ovih inhibitora se brzo vezuju za enzim u EI kompleksu niskog afiniteta i zatim dolazi do sporog preraspoređivanja do veoma čvrsto vezanog EI* kompleksa (pogledajte levu sliku iznad). Ovakvo kinetičko ponašanje se naziva sporim vezivanjem.[26] Spori rearanžman nakon vezivanja često obuhvatakonformacionu promenu pri čemu se enzim obavije oko molekula inhibitora. Primeri sporo vezujućih inhibitora su neki važni lekovi, kao što jemetotreksat,[27]alopurinol[28] i aktivirani oblikaciklovira.[29]
Diizopropilfluorofosfat (DFP) prikazan je kao primer ireverzibilnog proteaznog inhibitora nadesnoj slici iznad. Enzim hidrolizujefosforno-fluornu vezu, ali fosfatni ostatak ostaje vezan za serin uaktivnom mestu, čime se enzim deaktivira.[30] Slično ovome, DFP takođe reaguje sa aktivnim mestomacetilholinske esteraze usinapsamaneurona; posledično je potentanneurotoksin, sa smrtnom dozom manjom od 100 mg.[31]
Samoubilačka inhibicija je neobični tip ireverzibilne inhibicije gde enzim konvertuje inhibitor u reaktivnu formu u svom aktivnom mestu. Primer takvog jedinjenja je inhibitorpoliaminske biosinteze,α-difluorometilornitin ili DFMO, koji je analogan aminokiseliniornitin i koristi se za lečenjeafričke tripanosomijaze (bolest spavanja).Ornitinska dekarboksilaza može da katalizuje dekarboksilaciju DFMO umesto ornitina, kao što je prikazano iznad. Međutim, ovoj reakciji dekarboksilacije sledi eliminacija atoma fluora, čime se ovaj katalitički intermedijer konvertuje u konjugovaniimin, koji je veomaelektrofilno jedinjenje. Ova reaktivna forma DFMO molekula zatim reaguje ili sacisteinom ili salizinom u aktivnom mestu, da bi se enzim ireverzibilno inaktivirao.[25]
Pošto ireverzibilna obično obuhvata prvobitno formiranje nekovalentnog EI kompleksa, ponekad je moguće da se inhibitor veže za enzim na više od jednog načina. Na primer, na slici levo na kojoj je prikazanatripanotionska reduktaza iz ljudskog protozoanskog parazitaTrypanosoma cruzi, dva molekula inhibitora zvanogkvinakrinski iperit vezana su u aktivnom mestu ovog enzima. Gornji molekul je reverzibilno vezan, dok je donji vezan kovalentno pošto je reagovao sa aminokiselinskim ostatkom putemazotnoiperitne grupe.[32]
Novi lekovi su produkti dugotrajnog procesarazvoja lekova. Prvi korak u tom procesu je često otkriće novog enzimskog inhibitora. U prošlosti je jedini način da se otkriju novi inhibitori bio pristup pokušaja i greške: testiranje ogromnih kolekcija jedinjenja na ciljnom enzimu u nadi da će se doći korisnih molekula. Ovaj pristup grube sile je još uvek uspešan i bio je unapređen primenom pristupakombinatorne hemije kojima se omogućava brza proizvodnja ogromnog broja novih jedinjenja, kao i tehnologijomvisokopropusnog skrininga da bi se brzo testirale ogromne hemijske kolekcije (biblioteke) s ciljem nalaženja inhibitora.[33]
Jedan od skorašnjih alternativnih pristupa jeracionalni dizajn lekova, pri čemu se koristitrodimenzionalna struktura aktivnog mesta enzima da bi se predvidelo koji molekuli bi mogli da budu inhibitori.[34] Ta predviđanja se zatim testiraju. Novi inhibitori se nakon toga koriste za dobijanje strukture enzima u kompleksu inhibitor/enzim, da bi se potvrdilo na koji način su molekuli vezani za aktivno mesto. Na bazi struktura je moguće dizajnirati izmenjene inhibitore s ciljem dalje optimizacije vezivanja. Ovaj ciklus testiranja i poboljšanja se zatim ponavlja dok se ne dođe do dovoljno potentnih inhibitora.[35] Nizpristupa baziranih na primeni računara za predviđanje afiniteta inhibitora za enzim takođe je u razvoju. Primeri ovakvih metoda sumolekularni doking[36] imolekulska mehanika.[37][38]
Enzimski inhibitori se mogu naći u prirodi. Osim njih postoji i znatan broj inhibitora koji su dizajnirani i proizvode se zafarmakološke svrhe ibiohemijska istraživanja. Prirodniotrovi su često enzimski inhibitori koji su evoluirali da štite biljke ili životinje odpredatora. Ti prirodni toksini obuhvataju neke od najsmrtonosnijih otrova. Veštački inhibitori se često koriste kao lekovi, mada isto tako mogu da budu iinsekticidi kao što jemalation,herbicidi kao što jeglifosat, ilidezinfektanti kao što jetriklosan. Deo veštačkih enzimskih inhibitora blokiraacetilholinesterazu, enzim koji razlažeacetilholin; koriste se kaonervni agensi ubojnim otrovima.
 |
 |
 |
Enzimski inhibitori se najčešće koriste kao lekovi za tretman bolesti. Mnogi od njih deluju na ljudske enzime s ciljem korigovanjapatološkog stanja. Međutim, nisu svi lekovi enzimski inhibitori. Neki, kao što suantiepileptički lekovi, menjaju aktivnost enzima uzrokujući da se enzim proizvodi u manjoj ili većoj količini. Ovi efekti se nazivajuenzimska indukcija i inhibicija[42] i predstavljaju promene uizražavanju gena. To nije direkno povezano sa tipom enzimske inhibicije o kojem se ovde govori. Drugi lekovi međudeluju sa ćelijskim metama koje nisu enzimi, kao što sujonski kanali ilimembranski receptori.
Primer medicinskog enzimskog inhibitora jesildenafil (vijagra), popularni lek za muškuerektilnu disfunkciju. Ovo jedinjenje je potentni inhibitorcGMP specifične fosfodiesteraze tipa 5, enzima koji degradirasignalni molekulciklični guanozin monofosfat.[43] Ovaj signalni molekul podstiče relaksacijuglatkih mišića i omogućava protok krvi ucorpus cavernosum, što uzrokujeerekciju. Pošto lek umanjuje aktivnost enzima koji zaustavlja signal, produžava se trajanje signala.
Još jedan primer strukturne sličnosti pojedinih inhibitora sa supstratima enzima na koje deluju je prikazan na slici desno na kojoj se poredi lekmetotreksat safolnom kiselinom (vitamin B9). Folna kiselina je supstratdihidrofolatne reduktaze, enzima koji učestvuje u formiranjunukleotida i koji biva potentno inhibiran metotreksatom. Metotreksat blokira dejstvo dihidrofolatne reduktaze i time zaustavlja produkciju nukleotida. Ova blokada nukleotidne biosinteze je toksičnija za brzorastuće ćelije nego za one koje se ne dele, zato što brzorastuće ćelije moraju da izvodereplikaciju DNK. Stoga se metotreksat obično koristi zahemoterapiju kancera.[44]
Lekovi se isto tako koriste za inhibiranje enzima neophodnih za opstanakpatogena.[45][46] Na primer, bakterije su okružene debelimćelijskim zidom sačinjenim iz polimera koji nalikuje na mrežu i zove sepeptidoglikan. Mnogi antibiotici, kao što supenicilin ivankomicin, inhibiraju enzime koji proizvode i potom umrežavaju niti tog polimera.[47] Posledica njihovog dejstva je da bakterijski ćelijski zid gubi jačinu i bakterije se rasprsnu.[48] Na slici, molekul penicilina (prikazan u formi „kugli i štapića”) vezan je za svoj ciljni enzim,transpeptidazu iz bakterijeStreptomyces R61 (protein je prikazan kaotrakasti dijagram).[49]
Antibiotičkidizajn lekova je olakšan kad je enzim koji je esencijalan za opstanak patogena odsutan ili veoma različit kod ljudi.[50] U primeru iznad, ljudsko telo ne pravi peptidoglikan, i stoga su inhibitori tog procesa selektivno toksični za bakterije. Selektivna toksičnost se takođe ostvaruje kod antibiotika kroz iskorišćavanje razlika u strukturiribozoma kod bakterija,[51] ili načina na koji pravemasne kiseline.[52]
Enzimski inhibitori su važni umetaboličkoj kontroli.[53] Mnogi ćelijskimetabolički putevi su inhibiranimetabolitima, koji kontrolišu enzimsku aktivnost putemalosterne regulacije ili inhibicije supstrata. Dobar primer je alosterna regulacijaglikolitičkog puta.[54] Ovajkatabolički put konzumiraglukozu i proizvodiATP,NADH ipiruvat.[55][56] Ključni korak u regulaciji glikolize je jedna rana reakcija puta koja je katalizovanafosfofruktokinazom-1 (PFK1).[57][58] Kad se ATP nivo povisi, ATP se vezuje za alosterno mesto na PFK1 čime se smanjuje brzina enzimske reakcije; glikoliza se inhibira i opada produkcija ATP. Ovaj oblik kontrolenegativnom povratnom spregom pomaže u održavanju stabilnog nivoa koncentracije ATP molekula u ćeliji.[59] Međutim, metabolički putevi se ne regulišu samo inhibicijom, već je aktivacija enzima jednako važna. U odnosu na PFK1,fruktoza 2,6-bisfosfat iADP predstavljaju primere metabolita koji deluju kao alosterini aktivatori.[60]
Fiziološka enzimska inhibicija se takođe može proizvesti putem specifičnih proteinskih inhibitora. Ovaj mehanizam se javlja upankreasu, koji sintetiše mnoštvo digestivnih prekursorskih enzima, poznatih kaozimogeni.[61][62] Mnogi od njih se aktiviraju dejstvom proteazetripsin,[63] tako da je važno da se inhibira aktivnost tripsina u pankreasu da bi se sprečila mogućnost da organ počne da probavlja sam sebe.[64] Jedan način kontrole aktivnosti tripsina je produkcija specifičnog i potentnog proteinskoginhibitora tripsina u pankreasu.[65] Taj inhibitor se čvrsto vezuje za tripsin, sprečavajući aktivnost tripsina koja bi inače bila štetna za organ.[66] Mada je tripsinski inhibitor protein, on izbegava da postane supstrat proteaze tako što uklanja vodu iz aktivnog mesta tripsina i time destabilizuje prelazno stanje.[67] Drugi primeri fizioloških enzimskih inhibitornih proteina subarstar koji je inhibitor bakterijskeribonukleazebarnaze[68][69][70][71] i inhibitoriproteinskih fosfataza.[72]
Mnogipesticidi su enzimski inhibitori.[73]Acetilholinesteraza (AChE) enzim je koji je prisutan u životinjama od insekata do ljudi.[74][75] Esencijalan je za funkciju nervnih ćelija.[76] Ovaj enzim deluje tako što razlaženeurotransmiteracetilholin u njegove konstituente,acetat iholin.[77][78] Acetilholin je donekle jedinstven među neurotransmiterima u smislu da se većina njih, uključujućiserotonin,dopamin, inorepinefrin, apsorbuje izsinaptičkog otvora umesto da bude razgrađena. Veliki broj AChE inhibitora se koristi umedicini iagrikulturi.[77][78] Reverzibilni konkurentni inhibitori, kao što jeedrofonijum,[79]fizostigmin ineostigmin, koriste se za tretmanmiastenije gravis[80][81][82] i za anesteziju.[83]Karbamatni pesticidi su takođe primeri reverzibilnih AChE inhibitora.[84]Organofosfatni pesticidi kao što sumalation,paration ihlorpirifos ireverzibilno inhibiraju acetilholinesterazu.[85]
Herbicidglifosat je inhibitor3-fosfošikimat 1-karboksiviniltransferaze.[86][87][88] Drugi herbicidi, kao što su sulfonilureje, inhibiraju enzimacetolaktatnu sintazu.[89][90] Oba ova enzima su neophodna da bi biljke pravileaminokiseline sa razgranatimbočnim lancem. Herbicidi inhibiraju mnoge druge enzime, uključujući enzime koji su neophodni za biosintezulipida[91] ikarotenoida,[92] kao i za procesefotosinteze ioksidativne fosforilacije.[93]
Životinje ibiljke su tokomevolucije razvile sposobnost da sintetišu širok opseg otrovnih produkata uključujućisekundarne metabolite,[94] peptide i proteine koji mogu da deluju kao inhibitori. Prirodni toksini su običnomali organski molekuli i toliko su raznovrsni da su verovatno prirodni inhibitori većine metaboličkih procesa.[95][96] Metabolički procesi na koje deluju prirodni otrovi obuhvataju ne samo enzime metaboličkih puteva, nego i inhibiciju receptora, kanala i strukturnih proteinskih funkcija u ćeliji.[97] Na primer,paklitaksel (taksol),[98] organski molekul prisutan upacifičkoj tisovini, čvrsto se vezuje zatubulinske dimere i inhibira njihovo uklapanje umikrotubulecitoskeletona.[99][100][101]
Mnogi prirodni otrovi deluju kaoneurotoksini koji mogu da uzrokujuparalizu dovodeći do smrti i koriste se za odbranu od predatora ili za lov i hvatanje plena. Neki od ovih prirodnih inhibitora su, uprkos svojim toksičnim svojstvima, korisni za terapeutske svrhe pri niskim dozama.[102] Primer neurotoksina suglikoalkaloidi, iz biljnih vrsta familijeSolanaceae (koja obuhvatakrompir,[103]paradajz iplavi patlidžan), koji su inhibitoriacetilholinesteraze. Inhibicija ovog enzima uzrokuje nekontrolisano povišenje nivoa neurotransmitera acetilholina, mišićnu paralizu i zatim smrt. Neurotoksičnost takođe može da bude posledica inhibicije receptora; na primer,atropin izvelebilja (Atropa belladonna) koji funkcioniše kaokonkurentni antagonistmuskariničkih acetilholinskih receptora.[104]
Iako su mnogi prirodni toksini sekundarni metaboliti, ovi otrovi obuhvataju i mnoge peptide i proteine. Primer toksičnog peptida jealfa-amanitin,[105] koji se nalazi u srodnim vrstama pečurkezelena pupavka. U pitanju je potentan enzimski inhibitor. U ovom slučaju dolazi do sprečavanja enzimaRNK polimeraza II da transkribujeDNK.[106] Toksin iz algimikrocistin je takođe peptid. On inhibiraproteinske fosfataze.[107] Ovaj toksin može da kontaminira zalihe vode nakoncvetanja algi; poznati je karcinogen koji uzrokuje akutno krvarenje jetre i smrt pri većim dozama.[108]
Proteini mogu da budu budu prirodni otrovi iliantinutrijenti, kao što sutripsinski inhibitori (opisani iznad), koji su prisutni u nekimmahunama, kao što je prikazano na levoj slici iznad. Manje zastupljena klasa toksina su toksični enzimi: oni deluju kao ireverzibilni inhibitori svojih ciljnih enzima i hemijski modifikuju supstratne enzime. Primer ovakvog enzima jericin, ekstremno potentan proteinski toksin prisutan u biljciRicinus communis.[109][110][111] Ovaj enzim jeglikozidaza[112][113] koja inaktiviraribozome. Pošto je ricin katalitički ireverzibilan inhibitor, moguć je scenario gde samo jedan molekul ricina može da ubije ćeliju.[114]
Jedan od pristupaotkrivanju lekova se sastoji od ispitivanja potencijalnih terapeutskih kompleksa za biološku aktivnost, te naknadnog bavljenja pitanjem mehanizma. Za mnoge lekove, način delovanja još uvek nije jasan, čak ni nakon mnogo godina kliničke upotrebe. U poslednjih nekoliko godina, veliki napredak u rasvetljavanju molekularnih struktura omogućio je precizno određivanje interakcija između proteina i terapijskih sredstva. Ovim je pojašnjen mehanizam mnogih agenasa i omogućeno je informisano predviđanje potencijalnihmesta vezivanja leka. Identifikacija tačne prirode interakcija leka je ključna za kontrolisanje njegove specifičnosti, a time i za smanjenje neželjenih dejstava (nuspojava).[115]
Detaljne strukturne informacije se mogu koristiti za dizajniranje molekula koji se vezuju za specifične ciljeve, a većina ovih napora je usmerena na enzime. Supstratna specifičnost enzima koja omogućava prepoznavanje pojedinačnih molekula, pruža mogućnost konstruisanja lekova sa dobro definisanim ponašanjem.[116] Smatra se da su enzimi prirodne meta neorganskih lekova,[117] pošto metali imaju ključne strukturne uloge u mnogim enzimima, na primer ucinkovimmetaloenzimima.[118][119] Perturbacijeendogenog metala koji je od vitalnog značaja za enzimsko dejstvo mogu da dovedu do inaktivacije enzima. Ovi poremećaji mogu da budu izazvani uticajima kao što jekoordinacija egzogenih liganada za metalom, supstitucija metala, ili uklanjanje metala. Neorganski kompleksi takođe mogu da utiču na enzime koji nisu metaloenzimi. Metali se mogu koordinirati sa ostacima aktivnog mesta i time blokirati supstratnu interakciju, ili se mogu koordinirati sa ostacima izvan aktivnog mesta i time uticati na strukturni integritet. Iako je lista inhibitora enzima koji se koriste kao terapeutski agensi u velikoj meri popunjena organskim molekulima, ti agensi međudeluju sa ciljevima putem slabih veza kao što suvodonične veze iVan der Valsovi kontakti. To potencijalno može da dovede do nuspojava usled kratkog intervala zadržavanja lekova u aktivnom mestu meta, te su moguće nespecifične interakcije sa molekulima koji nisu željena meta.Koordinaciona sposobnost metala može da proizvede jače interakcije, kao što su kovalentne ijonske veze.
Jedan od najznačajnijih uspeha neorganskih lekova je bila efikasnostkompleksa platine protivraka testisa.[120][121] Taj napredak je podstakao talas istraživanja s ciljem identifikacije novih neorganskih agenasa za upotrebu uhemoterapiji, koji bi imali poboljšanu specifičnost i manje izražene toksične nuspojave. Mehanizam antineoplastičnog dejstvacisplatina i njegovih derivata je identifikovan kao direktna interakcija saDNK, mada brojni izveštaji sugerišu daplatina isto tako ima enzimske mete.[122] InhibicijaRNK polimeraze,[123]DNK polimeraze (mogućeg ometanja funkcionisanjacinkovog prsta),[124] ilealne monoaminske oksidaze (što je vezano za sporedne efekte hemoterapije: mučninu i povraćanje),[125]CTP sintaze,[126]adenilat ciklaze (u vezi sa stepenomototoksičnosti hemoterapije)[127][128] i drugih respiratornih enzima,[129] bili su uočeni. Preinkubacija prečišćenog enzima sa kompleksima platine pokazala je da dolazi do direktne interakcije između njih, ali je u mnogim slučajevima vezivanje platine za ciljni enzim takođe doprinelo inhibiciji. Inhibicija enzima može da doprinese nekim od neželjenih toksičnih efekata lekova na bazi platine; bolje razumevanje interakcija sa tim kompleksima je potrebno da be se umanjile neželjene posledice hemoterapije.
Platinski lekovi su jedan od primera u kome je primećen terapeutski efekat leka pre nego što je otkriven mehanizam dejstva. Alternativni pristup je dizajn leka sa određenom metom na umu. Traženi su specifični ciljevi koji igraju ključne uloge u metabolizmu ćelija raka, koji su jedinstveni za ćelije kancera ili su različito izraženi u ćelijama raka.Ribonukleotidna reduktaza je jedan takav molekul koji se pokazao kao obećavajuća meta za terapiju raka.
Ribonukleotidna reduktaza obavlja ključni korak koji ograničava brzinu sinteze DNK putem kontrole proizvodnje četiridezoksiribonukleotidna građevna bloka. Ovaj enzim redukuje 2' ugljenikriboze na difosfatnom nivou.[130] Enzim se sastoji od dve dimerne podjedinice (zvane M1 i M2 u starijim izveštajima, ili R1 i R2 u skorijim publikacijama), koje su kodirane sa dva različita gena pod zasebnom regulatornom kontrolom. Aktivnost samog enzima je zavisna od kompleksnealosterne regulacije različitimnukleotidima. R1 sadrži mesta vezivanja supstrata i regulatornih efektora, dok R2 sadrži ona binuklearnih,nehemni centar gvožđa i slobodnogtirozinskog radikala, koji su neophodni za funkcionisanje enzima. Ribonukleotidna reduktaza kontroliše ravnotežu dezoksiribonukleotide dostupnosti, a promene njene aktivnosti mogu da promene spontanu mutacionu brzinu ćelija.[130] Povećana aktivnost ribonukleotidne redutaze dovodi se u vezu sa stanjima bolesti, uključujući rak;[130][131] inhibicija ovog enzima je atraktivna meta za terapiju raka.
Izvestan napredak je napravljen u korišćenjugalijum nitrata u inhibicijiribonukleotidne reduktaze.[132][133][134]Galijum ima sličan jonski radijus kao igvožđe i smatra se da ometa dostupnost gvožđa u R2 podjedinici. Inhibitorni efekat galijuma se povećava kada se isporučuje u kompleksu sa esencijalnim molekulom transporta gvožđa,transferinom. Ćelijske studije pokazuju da tretman sa transferin-galijumom (Tf-Ga) blokira ćelijsku apsorpciju59Fe i inhibira proliferaciju.[133] Umanjena aktivnost ribonukleotidne reduktaze ogleda se u inhibiciji ESR signala iztirozinskogslobodnog radikala na R2 podjedinicu ribonukleotidne reduktaze. Ovi efekti mogu biti preokrenuti izlaganjem feroamonijum sulfatu, što ukazuje da inhibicija utiče na proces zavisan od gvožđa. Ovi rezultati ne isključuju efekte na drugim putevima zavisnim od gvožđa, što takođe može da utiče na proliferaciju ćelija. Studije u sistemu bez ćelija u kojima se direktno testira aktivnost enzima pokazuju da galijum inhibira aktivnost enzima; autori pretpostavljaju da galijum formira galijum-CDP, ili galijum-ADP komplekse, čime kompetitivno inhibira interakciju supstrata sa enzimom.[134] Ni jedna od ovih studija ne daje odgovor na pitanje da li se galijum može zameniti gvožđem u R2 podjedinici i da li je tako supstituisani enzim i dalje aktivan. Galijum takođe sinergistički deluje sa brojnim drugim inhibitorima ribonukleotidne reduktaze na onemogućavanju ćelijske proliferacije. Njegovo dejstvo je antagonističko u odnosu na druge inhibitore ribonukleotidne reduktaze.[132] Ove opservacije imaju značajne posledice za kombinovanu terapiju, mada precizan mehanizam sinergizma nije poznat.
Drugi joni su takođe istraživani u pogledu uticaja na ribonukleotidne reduktaze. Poznato je da gvožđe, bakar i cink utiču na rast ćelija i regulišu komponente ciklusa transporta gvožđa. Studije o uticaju tih jona na ribonukleotidnu reduktazu u sveže izolovanim normalnim ileukemijskim ljudskimlimfocitima pokazale su da cink inhibira enzim u oba tipa ćelija, dok Fe i Cu imaju stimulativne efekte.[130][131] Ovi rezultati mogu imati implikacije za modulaciju efekata inhibitora ribonukleotidne reduktaze tragovima metala.
| Primene na tretman kanceraa | |||
|---|---|---|---|
| Kompleks | Metal | Enzim | |
| transferin-Ga | joni Ga | ribonukleotidna reduktaza[133][134] | |
| karbotioamid | Fe, Cu | ribonukleotidna reduktaza[135][136] | |
| tiosemikarbazoni | Cu | ribonukleotidna reduktaza,RNK- -zavisne DNK polimeraze[137] | |
| joni | Zn | ribonukleotidna reduktaza[131] | |
| joni | Ga | ribonukleotidna reduktaza[132] | |
| antraciklin, joni | Cu | proteinska kinaza C[138] | |
| selenocistein/glutation | Se | proteinska kinaza C[139][140] | |
| metaloceni | Mo, V | proteinska kinaza C,topoizomeraza II[141] | |
| bipiridinskifenantrolin | Pt, Pd | RNK polimeraza[123] | |
| streptonigrin | Fe, Cu, Pd, Cd, Zn | topoizomeraza III, reverzna transkriptaza (putem formiranja slobodnih radikala)[142] | |
| PtCl2, cis-DDP | Pt | DNK polimeraza[124] | |
| cisplatin,bakar sulfat | Pt, Cu | ilealna monoaminska oksidaza[125] | |
| cis-DDP, K2PtCl4 | Pt | CTP sintaza[126] | |
| joni | Zn | kaspaza-3[143][144] | |
| razni | Ga | ornitinska dekarboksilaza[145] | |
| cis-DDP, tetraplatin,karboplatin | Pt | respiratorni enzimi[128] | |
| cisplatin | Pt | adenilatna ciklaza[127] | |
| tetraplatin | Pt | adenilatna ciklaza[128] | |
| vanadat, peroksovanadijum | V | proteinske tirozinske fosfataze[146][147] | |
| jon | Zn | Ser/Thr fosfoproteinska fosfataza[148] | |
| metalnihelator | Cd | matrilizin[149] | |
a Napomena: U ovoj i narednim tabelama oksidaciono stanje metalnog jona nije prikazano radi jasnoće. Dodatne informacije su date u tekstu. | |||
Za metalne kompleksekarbotioamida[135][136][150] itiosemikarbazona[137] je utvrđeno da inhibirajuribonukleotidnu reduktazu i imaju antikancerogeno dejstvo. Utvrđeno je da metalni kompleksi α-(N)-heterocikličnih karboksialdehidnih tiosemikarbazona (α-HCAT) inhibiraju rast ćelija u većoj meri nego slobodni ligand.[136] Metalni kompleksi 2,2'-bipiridil-6-karbotioamida (BPYTA), koji su strukturno i funkcionalno slični α-HCAT, ne pokazuju tako jasno dejstvo. Studije gvožđa i bakra u kompleksu sa BPYTA su pokazale da BPYTA ima veći afinitet za bakar; bakarni kompleks pokazuje izraženije antitumorsko dejstvo od slobodnog liganda ili kompleksa gvožđa. Studije sa slobodnim ligandom međutim nisu jasne, jer je verovatno da ligand formira komplekse sa raspoloživim metalnim jonima u rastvoru. Smatra se da dozimetrija BPYTA kompleksa može da utiče na učinak. Na primer, bakarni kompleks ima najjači antiproliferativni efekat na kultivisanim mišjimleukemijskim ćelijama nakon pulsnog kontakta, dok je u slučaju kontinuiranog kontakta manje aktivan od slobodnog liganda. Osim toga, izgleda da različiti metalni kompleksi deluju različitim mehanizmima. Dok se antiproliferativni efekat kompleksa gvožđa može objasniti inhibicijom ribonukleotidne reduktaze i veruje se da zapravo uništava R2 podjedinicu, postoje indikacije da kompleks bakra takođe deluje na druge ciljeve.[150][151] Potvrđeno je da BPYTA sinergistički deluje sa inhibitorom ribonukleotidne reduktazehidroksiurejom (HU), što sugeriše mogućnost kombinovane terapije.
Još jedna enzimska meta za agense protiv kancera jeproteinska kinaza C (PKC). PKC je familijaserin/treoninskih kinaza koje se aktivirajusekundarnim glasnicima poput Ca2+ i produktimafosfolipidne hidrolize (iz kaskadeinozitol trifosfata). Devet različitih članova ove porodice je do sada okarakterisano i oni učestvuju u različitim ćelijskim aktivnostima, uključujućitransdukciju signala, rast ćelija/diferencijaciju ihormonsku sekreciju.[138] Oni su takođe poznati kao receptoriforbolnih estara (poznatih hemijskih aktivatora), a aktiviraju se i u odgovoru na oksidativnepromotere tumora.[139] Inhibicija PKC je od interesa kao način sprečavanja formiranja tumora. Nedavni dokazi ukazuju na to da je PKC regulatorni domen, koji ima dva homologna regiona sa šest očuvanih cisteina i dva konzervisana histidina, te sadrži nepremošćena Zn2+ mesta.[152] Protivtumorska sredstva koja deluju na PKC obuhvatajuantracikline, čije je dejstvo posredovano koordinacijom s prelaznim metalima. Jedna studija na prečišćenom PKC je pokazala da antraciklin-Cu(II) kompleks efikasnije inhibira PKC nego pojedinačne komponente i da je taj efekat posredovan direktnom interakcijom između Cu(II) i PKC (ovaj zaključak je izveden iz EPR studija).[138] Isto tako je pokazano da antraciklini imaju različite efekte naDNK topoizomerazi II,[153] mada još uvek nema izveštaja o dejstvu kompleksa prelaznih metala sa antraciklinima u ovom vidu primene.
Pojedina jedinjenjaselenijuma imaju inhibitorni efekat na PKC, a takođe imaju kancerpreventivno dejstvo.[139][140] Rezultati istraživanja sugerišu da ta jedinjenja inaktiviraju PKC putem redoks mehanizma, reagujući sa cisteinima unutar PKC katalitičkog domena.[139] U jednoj studiji je pokazano da jedinjenja selenijuma inhibiraju PKC, dok na druge testirane proteinske kinaze nemaju uticaja (nafosforilaznu kinazu iproteinsku fosfatazu 2A). Međutim, postoji mogućnost da ova jedinjenja reaguju sa drugim proteinima koji sadrže klastere cisteina.
Metaloceni su klasa antitumornih agenasa koji ne sadrže platinu i koji deluju na različit način od lekova baziranih na platini.[154][141] Pojedini metaloceni se vezuju za terminalne fosfate i/ili bazenukleotida, dok drugi ne međudeluju sa nukleotidima.[141][155][156] Iz tog razloga je predložen niz alternativnih ciljeva. Pokazano je da V(IV) i Mo(IV) jedinjenja inhibiraju PKC itopoizomerazu II.[141] Jedinjenjaniobijuma (Nb) ne vezuju se za nukleotide ili aminokiseline.[155] Mehanizam dejstva ove klase zahteva dalja istraživanja.
Jedinjenjavanadijuma, koja su najbolje poznata kaoinsulinski mimetici, isto tako ispoljavaju antikancerne efekte. Ova jedinjenja, konkretno kompleksi vanadata i peroksovanadijuma, kompetitivni su inhibitoriproteinske tirozinske fosfataze (PTP). Vanadati deluju kao analozi prelaznog stanja reverzibilnim vezivanjem zatiolnu grupu u katalitičkom domenu, dok peroksovanadijumski kompleksi oksiduju kritične cisteinske ostatke u katalitičkom domenu.[146] U serin/treoninskim fosfatazama, vanadati se vezuju za hidroksilnu grupu u aktivnom mestu, dok su peroksovanadijumski kompleksi neaktivni u odsustvu cisteina. Peroksovanadijumski kompleksi mogu da blokiraju ćelijski ciklus u fazi G2-M tranzicije (G2 = faza rasta 2, preparatorna fazi mitoze; M =mitoza, period aktivne ćelijske podele); smatra se da je to uzrokovano inhibicijom PTP, čije funkcionisanje je esencijalno za progresiju mitoze.[146][147] Moguće je da je ova blokada povezana sa njihovim citotoksičnim dejstvom. Serin/treoninske fosfataze su takođe inhibirane brojnim jonima prelazih metalad-bloka, među kojima su najefektivniji Zn2+, Hg2+, Cu2+, Yb2+ i Sc2+ (μMKi).[148]
Brojne druge enzimske mete za antikancerne agense takođe su istraživane.Ornitinska dekarboksilaza, koja se može indukovati forbolnim estrima i koja učestvuje u ćelijskoj transformaciji, može se inhibirati jedinjenjimagalijuma.[145] Transformacija je povezana sa ćelijskom tranzicijom u kancerozno stanje. Ta jedinjenja inhibiraju rast tumora i smatra se da isto tako deluju naribonukleotidne reduktaze.Matrične metaloproteinaze učestvuju u remodelovanju ekstracelularne matrice, što je ključno za invaziju tumora imetastazu u tkivima. Ljudska matrična metaloproteinazamatrilizin je enzim cinka za koji je pokazano da se inaktivira u rastvorukadmijuma, koji formira neaktivni Cd/Zn hibrid.[149] Matrilizin se isto tako može inhibirati agensima metalnog vezivanja, kao što je1,10-fenantrolin, koji formira enzim-helat-metal kompleks uz naknadno uklanjanje katalitičkog jona cinka.[149]
Apoptoza, koja je postala prominentno polje istraživanja poslednjih godina, proces je „programirane” ćelijske smrti. Postoji korelacija između defekata apoptoznih procesa i brojnih bolesti, uključujući kancer. Poznato je da Zn2+ sprečava apoptozu i pokazano je da do toga dolazi putem inhibiranjakaspaze-3, apoptotičke proteaze koja učestvuje u proteolizipoli(ADP-riboza) polimeraze (PARP).[143][144] Konfliktni izveštaji ne uzimaju u obzir inhibitorno dejstvo cinka na kaspazu-3.[157] Smatra se da su nesuglasice posledica razlika u eksperimentalnim uslovima: inhibicija uočena u slučaju prečišćenog rekombinantnog proteina ali ne i kod proteina u prisustvuE. coli lizata, sugerišu postajanje faktora u lizatu koji ometaju dejstvo cinka.
Postoje brojni agensi koji deluju putem inhibicije enzima koji deluju na DNK. Ova inhibicija je često posledica vezivanja za mesto kojim enzim formira interakcije sa DNK i nije rezultat direktne inaktivacije enzima.[153][158][159][160]
Imajući u vidu prirodu interakcija enzima i supstrata, izbor enzima kao ciljeva antikancernih lekova omogućava izuzetno specifičnoprepoznavanje ciljeva. Razvoj sofisticiranijihtehnika modelovanja i dostupnost detaljnijih informacija o strukturama enzima doveli su do rigorozne karakterizacije interakcija leka i enzima, te razjašnjavanjamehanizma dejstva. Većina publikacija u literaturi o kanceru se bavi inhibicijom specifičnih enzima, povremeno onih koji učestvuju u metaboličkim procesima. U tim istraživanjima se koriste prečišćeni enzimi ili testovi kojima se ispituju pojedinačni enzimi od značaja. Dok je krucijalno da se odrede inhibitorne osobine na ciljnom molekulu, isto tako je neophodno da se demonstrira da jedinjenje nije aktivno nadrugim enzimima. Ovaj tip studija je tegoban pošto se može testirati samo relativno mali broj reprezentativnih enzima, pa se lako može propustiti enzim koji negira specifičnost. Pažljivim razmatranjemmesta delovanja leka može da se omogući izvođenje relativno dobrih prognoza o mogućim interakcijama sa drugim enzimima. Dodatni izazov je da su enzimske mete često prisutne i u normalnim ćelijama. Dizajn efektivnih antikancernih agenasa je komplikovan proces koji ne obuhvata samo inherentna inhibitorna svojstva leka, nego i njegovu isporuku, dozimetriju i vreme zadržavanjain vivo. Metalni kompleksi prevazilaze neke od ovih izazova formiranjem jakih kovalentnih veza sa ciljnim enzimima.
| Hiperbilirubinemija | |||
|---|---|---|---|
| Kompleks | Metal | Inhibirani enzim | |
| joni | Sn | citohrom P-450,ω-hidrolaza[161] | |
| protoporfirin (PP) | Sn, Zn | 11β-hidroksilaza,21R-hidroksilaza, citohromP-450, hem oksigenaza[162][163][164] | |
| mezoporfirin (MP) | Sn | hem oksigenaza (tanko crevo)[165] | |
| deuteroporfirin 2,4-bisglikol (BG) | Zn | hem oksigenaza (pacov)[166] | |
| MP | Zn | hem oksigenaza (pacov)[167] | |
| MP | Co | hem oksigenaza slezine (moždane membrane pacova)[168] | |
| PP, BG, MP | Cr | hem oksigenaza (pacov)[169] | |
| razni porfirini | Zn, Sn, Cu | γ-aminolevulinatna sintaza (ćelije jetrekokošjeg embriona), hem oksigenaza 56 | |
| razni porfirini | Zn, Sn, Cr, Mg | hem oksigenaza (epitel tankog creva)[170] | |
| mezoporfirin | Sn | klinička supresija hiperbilirubinemije[171][172] | |
Hiperbilirubinemija je oboljenje koje uzrokuje prekomernu akumulacijubilirubina u krvi i tkivima.[173] Bilirubin je produktkatabolizma hema, pri čemu se hem degradira posredstvomhem oksigenaze (HO) i formira sebiliverdin, koji se zatim redukuje pomoćubiliverdin reduktaze do bilirubina.[174] Nakon konjugacije saglukuronskom kiselinom, pomoću enzima bilirubinglukuronid transferaza, i formiranja rastvorljivijeg konjugata, bilirubin se izlučuje. Prekomerno razlaganje hema i nedovoljna aktivnost transferaze mogu da dovedu do akumulacije bilirubina. Ovo nakupljanje je poznato kao neonatalnažutica kod beba sa nedovoljno razvijenom jetrom i prevremeno rođene dece, koja brzo razgrađuju hem (pri prelazu safetalnog na regularni hemoglobin) ali im nedostaju adekvatne transferaze. Hiperbilirubinemija se takođe javlja kod genetičkogKrigler—Najarovog sindroma, gde dolazi do kompletnog odsustva transferaznog dejstva u jetri[171] i drugih bolesti kao što sutalasemija i kongenitalne anemije.[174] Inhibicija razlaganja hema u hem oksigenaznom koraku je mogući način sprečavanja hiperbilirubinemije.
Metaloporfirini su ekstenzivno izučavani i dobro poznati inhibitori hem oksigenaze. Ovi inhibitori se vezuju za katalitičko mesto, ali nisu efektivni supstrati. Znatan broj metaloporfirina ima inhibitorno dejstvo, a ima i onih koji indukuju hem oksigenazu. Najznačajniji inhibitori hem oksigenaze sukalajni i cinkovi porfirini. Neki od ovih porfirina su našli kliničku primenu u suzbijanju produkcije bilirubina.[171][172] Nedavna istraživanja su razjasnila prirodu inhibicije, uticaj na drugebiohemijske puteve, kao i opseg biodistribucije lekova.
Studije cinkovih i kalajnih protoporfirina indiciraju da je kalajni protoporfirin (Sn-PP) isto tako efektivaninhibitor adrenalne steroidogeneze, dok cinkov protoporfirin (Zn-PP) nema uticaja na taj put.[162][163] Sinteza steroida je posredovana brojnimhemoproteinima,citohromimaP-450, te postoji kompleksna međuzavisnost između puta sinteze hema i steroidogeneze. Koncentracija citohroma je vezana za promene u sintezi i degradaciji hema. U testovima, koristeći modele napacovima, utvrđeno je da Sn-PP znatno redukuje aktivnost steroidnih biosintetičkih enzima mitohondrijske11β-hidroksilaze i mikrozomalne 21R-hidroksilaze; takođe je uočeno smanjenje sadržaja mikrozomalnog citohroma P-450.[162][163] U pomenutoj studiji je isto tako zapaženo drastično smanjenje sadržaja HO-2, neinducibilnog izozima hem oksigenaze koji je daleko prevalentniji od inducibilnog HO-1, te se pretpostavlja da Sn-PP zapravo uništava HO-2 umesto da ga inhibira.Zn-PP, nasuprot ovoga, inhibira aktivnost HO ali nema uticaja na enzime steroidne biosinteze.[162][163]
Dalja istraživanje poređenjem dejstva Zn-PP i Sn-PP saHO-1 iHO-2 pokazala su da su oba jednako inhibitorna za HO-1 bez uticaja na integritet proteina (što je utvrđenovestern blot analizom), kao i da indukuju povišenje nivoa HO-1 transkripije. Međutim, Sn-PP i Zn-PP se razlikuju u pogledu svoje aktivnosti spram HO-2.[164] Mada oba inhibiraju HO-2, razlikuju se u stepenu inhibicije. Stepen inhibicije Zn-PP je isti za obe forme HO, dok Sn-PP ispoljava znatniju inhibiciju HO-2 nego HO-1. Smatra se da Sn-PP poremećuje integritet HO-2 proteina (vestern blot), dok Zn-PP nema taj efekat. Mehanizam koji uzrokuje razlike aktivnosti Sn-PP i Zn-PP na HO formama nije poznat.
Utvrđeno je da razni porfirini inhibiraju intestinalnuhem oksigenazu i umanjuju preuzimanje gvožđa iz creva, dovodeći do povećanog izlučivanja ovog metala. To može da bude korisno u tretmanu slučajevahemohromatoze.[170][165] Ovaj efekat je uočen kod svihparenteralno administriranihporfirina, ali su samo Sn-MP, Sn-PP i Cr-MP bili oralno efektivni (na intestinalnoj HO; nisu nađeni na renalnim, splinskim ili hepatičim tkivima). Pokazano je da je Zn-MP efektivan u tretmanuakutne porfirije (poremećaja izazvanog deficijencijom hema), a studije distribucije u tkivu su pokazale da brzo biva uklonjen iz plazme i da se prvenstveno zadržava u jetri i slezini, gde inhibira HO tokom perioda od skoro nedelju dana nakon jedne injekcije.[167] Zn-MP ne prolazi krozkrvno-moždanu barijeru, za razliku od Sn-PP za koji je pokazano da štetno utiče na HO-2 integritet i aktivnost u mozgu pacova.[175] Metaloporfirini deluju kao pojačivači fotosenzitivnosti s varirajućim stepenima[176] (oni se takođe koriste ufotodinamičkoj terapiji). Poznato je daZn-PP u manjoj meri podstiče fotosenzitivnost od Sn-PP, što je još jedno svojstvo koje sugeriše da su cinkove forme inhibitora verovatno podesnije za kliničku primenu.[166]
Co-MP i Cr-MP takođe efektivno inhibiraju HO.[168][169] Utvrđeno je da Co-MP ne posreduje lipidnu peroksidaciju u moždanim membranama pacova nakon fotoiradijacije (što je pokazano koristeći malondialdehidni test); stoga, on ne podstiče fotosenzitivnost.[168]Cr-MP efektivno inhibira hepatičku HO nakon oralne administracije, dok na splinsku HO nema uticaja.[169] Pokazano je da Zn-MP inhibira hepatičku5-aminolevulinatnu sintazu (ALAS), enzim koji ograničava brzinu puta biosinteze hema. Ovaj efekat se uvećava kad se hem doda sa porfirinom.[177] Poznato je da gvožđe i hem povratno regulišu ALAS putem inhibiranja mRNK transkripcije/transporta.[178] Uočeno je da je ALAS translacija pod kontrolom elemenata resposivnih na gvožđe.[179]
Upotreba metaloporfirina za tretman hiperbilirubinemije je uznapredovala dalje u procesu razvoja lekova u odnosu na antikancerne agense opisane uprethodnom odeljku. Ovi porfirini imaju poznat biološki cilj, hem oksigenazu, te je njihova klinička efektivnost već pokazana. Međutim, njihova glavna biološka meta je deo kompleksnog puta, koji je u velikoj meri povezan sa drugim procesima, kao što je steroidna sinteza. Neophodno je praćenje tih drugih procesa da bi se sprečili neželjeni uticaji na njih.
| Transdukcija azot-monoksidnog signala | |||
|---|---|---|---|
| Kompleks | Metal | Inhibirani enzim | |
| PP | Zn | rastvornaguanilatna ciklaza (prečišćena)[180] | |
| PP, BG | Zn, Sn | rastvornaguanilatna ciklaza (pacovi)[181] | |
| natrijum nitroprusid (SNP) | Fe | azot-monoksid sintaza (neutrofili pacova)[182] | |
| SNP | Fe | NOS (cerebralni kortikalni sinaptozomi)[183] | |
| joni | Cu, Zn, Co, Ni, Fe | NOS (prečišćena)[184] | |
| jon | Zn | NOS (prečišćeni nNOS)[185] | |
| SNP | Fe | ekto-5'-nukleotidaza (renalno epitelijalna)[186] | |
| SNP | Fe | indolamin 2,3-dioksigenaza (mononuklearni fagociti)[187] | |
| SNP | Fe | metionin sintaza[188] | |
| SNP | Fe | (Na+/K+)-ATPaza[189] | |
Azot-monoksid (NO) igra ulogu glasnika u mnoštvu sistema. Uimunskom sistemu, NO posreduje responsbelih krvnih zrnaca napatogene; ukardiovaskularnom sistemu, NO indukuje relaksaciju ćelija glatkih mišića u krvnim sudovima; i unervnom sistemu, NO učestvuje u neurotransmisiji i neuromodulaciji.[190][188][191] NO se formira izL-arginina posredstvomazot-monoksidne sintaze (NOS), hem proteina koji se javlja u više izoformi i za čije dejstvo je neophodanNADPH kao donor elektrona. Postoje tri NOSizoforme: konstitutivne izoforme prisutne u mozgu (nNOS, tip I) i endotelnim ćelijama (eNOS, tip III) za čije dejstvo je neophodan kalcijum/kalmodulin, i citokinom indukovane forme (iNOS, tip II) za čije dejstvo nije neophodan kalcijum ali koje imaju kalmodulin kao čvrsto vezanu podjedinicu.[192] Obe klase se javljaju u obliku homodimera pri čemu svaka podjedinica sadrži 1 ekvivalentFAD,FMN,(6R)-5,6,7,8-tetrahidro-L-biopterina (H4B) iprotoporfirin IX hema.[184][193] Postoji duga lista NOS inhibitora koja obuhvata selenoorganska jedinjenja (koja se vezuju zatiolne grupe), Zn porfirine, te cink (vezuje se za hem mesta).[193] U kaskadi prenosa signala, poznato je da NO stimulišeguanilatnu ciklazu i da indukuje akumulacijusekundarnog glasnika,cAMP. Mnogi aspekti NO signalizacije su ispitani studiranjem ramifikacija uvođenja NO donora u sistem ili putem NOS inhibiranja NOS čime se obustavlja NO produkcija.
NO je našao široku primenu kao ligand u gvožđe-hemnim kompleksima uneorganskoj hemiji, i stoga se nameće pitanje da li NO može da bude autoregulisan NOS inhibicijom (hemni je protein).[192] Studije sa NO donorom,natrijum nitroprusidom (SNP), Na2Fe(CN)5NO•2H2O, pokazuju da NO može da inhibira NOS.[182][182] U studijama saneutrofilima pacova,lipopolisaharid se koristi za indukovanje aktivnosti NOS i ova indukcija se inhibira pomoću SNP.[182] SNP ispitivanja koristeći kortikalne sinaptozome pacova su ukazala na postojanje koncentraciono zavisne NOS inhibicije NOS aktivnosti.[182] U ovim studijama se NOS aktivnost određuje praćenjem formiranja [3H]citrulina iz [3H]arginina.[194] Poznato je daprelazni metali inhibiraju NOS,[184] kao i da prečišćeni Cu2+, Ni2+, Zn2+ i Co2+ deluju kao inhibitori inducibilnog NOS enzima, dok nehemno gvožđe povećava katalitičku aktivnost. Za Cu2+ jon je utvrđeno da inhibira prečišćeni neuronalni NOS (drugi metali nisu testirani na nNOS). Iz ovih nalaza proizilazi da nehemno gvožđe NOS enzima učestvuje u katalizi, te da NOS verovatno sadrži aktivno mesto za nehemno gvožđe/H4B.
Zn2+ reverzibilno inhibira aktivnost nNOS (Ki = 30 μM).[185] Uočena je inhibicija NADPH-zavisne redukcije gvožđa hema i od kalmodulina (CaM)-zavisna redukcija citohroma c. Nije uočena inhibicija CaM-nezavisne reduktaze citohrom c reduktaze (mereno relativnim brojem katalitičkih ciklusa citohroma c). Međutim, čak i u odsustvu Zn2+, CaM-nezavisni put ima više nego deset puta slabiju aktivnost od CaM-zavisnog puta. nNOS spektri razlika tipa II demonstriraju smanjenje količine visokospinskog gvožđa hema u prisustvu Zn2+. Na osnovu ovih rezultata, zaključeno je da do inaktivacije enzima dolazi usled vezivanja Zn2+ zasulfhidrile u blizini hem liganda i naknadnog poremećaja okruženja oko gvožđa hema.
SNP i NO produkcija doprinose inhibiciji niza drugih enzima.Indolamin 2,3-dioksigenaza (IDO) enzim je koji sadrži hem i koji je deointerferonom γ (IFNγ) indukovanog responsamononuklearnih fagocita napatogene.[187] IDO je enzim koji ograničava brzinu u putu degradacijetriptofana. Iscrpljivanje triptofana, najmanje dostupneesencijalne aminokiseline, može da doprinese antipatogenoj aktivnosti mononuklearnih fagocita. U studijama na izolovanim IFNγ-tretiranim ljudskim perifernim krvnim mononuklearnim ćelijama i iz monocita izvedenimmakrofagama, uočeno je da SNP inhibira IDO aktivnost.[187] Takođe je pokazano da se IDO može inhibirati dejstvom Zn-MP.[195] Drugi enzimi koje inhibira SNP obuhvatajumetioninsku sintazu uhepatocitima pacova,[188](Na+/K+)-ATPaze[189] iekto-5'-nukleotidaze u renalnim epitelijalnim ćelijama.[186] Metioninska sintaza se sastoji odmetilkobalamina kao kofaktora, derivatavitamina B-12 koji je u znatnoj meri sličanhemoglobinu, a do inhibicije može doći putem formiranja NO-kobalaminskog kompleksa. Smatra se da do inhibicije ekto enzima dolazi putemS-nitrozilacije. Mehanizam inhibicije (N+/K+)-ATPaze nije poznat.
Postoje indikacije da jeugljen-monoksid (CO) fiziološki regulator, koji deluje na sličan način kao i NO, uključujući sposobnost stimulacijeguanilil ciklaze. CO se formira posredstvom HO, pri konverziji hema do biliverdina i CO. Mnoge studije uloge CO su izvršene koristeći HO inhibitore, kao što su Zn-PP i Sn-PP, da bi se pokazalo da supresija HO (i stoga CO produkcije) inhibira guanilil ciklazu. Međutim, nedavne studije su pokazale da sami metaloporfirini inhibiraju guanilil ciklazu, te stoga studije koje koriste te komplekse za ispitivanje uticaja CO verovatno treba preispitati.[180][181] U drugim studijama su korišćeni porfirini za ispitivanje uloge CO u prostornom učenju i dugoročnoj potencijaciji u hipokampusu.[196][197] Porfirini su korišćeni pod pretpostavkom da oni isključivo deluju kao supresori CO produkcije posredstvom HO; međutim, imajući u vidu da je dejstvo porfirina višestrano, teško je pretpostaviti ulogu CO isključivo na bazi tih eksperimenata. Ove studije demonstriraju neke od problema sa kojima se istraživači suočavaju kad specifičnost inhibitora nije apsolutna i ilustruju neke od komplikujućih faktora u analizi podataka kad se koriste „indirektni” efektori (npr. inhibiranje enzima koji formira CO, umesto direktnog uklanjanja CO).
| Hipertenzivne primene | |||
|---|---|---|---|
| Kompleks | Metal | Inhibirani enzim | |
| sulfonamid | Cu | karbonatna anhidraza[198] | |
| heterocikličnisulfonamidi | Zn, Cu | karbonatna anhidraza[199] | |
| heterocikličnimerkaptani,sulfenamidi, sulfonamidi | Zn, Cu | karbonatna anhidraza[200] | |
| razni sulfonamidi | Ge, Sb | karbonatna anhidraza[201] | |
| hlorotiazid | Hg, Pb | karbonatna anhidraza[202] | |
| kaptopril | Zn | angiotenzin konvertujući enzim[203] | |
| lisinopril | Cu | angiotenzin konvertujući enzim[204] | |
Sistemi vezani za hem koji su razmatrani uprethodnom odeljku blisko su povezani sahipertenzivnim primenama.Natrijum nitroprusid je u širokoj upotrebi kao hipotenzivni agens,[188][205] a hem oksigenaza je implicirana u održavanje krvnog pritiska.[161] Utvrđeno je da SnCl2 indukuje HO-1 transkripciju i stoga inhibira dejstvo citohrom P450-arahidonska kiselina ω/ω-1 hidroksilaze, što dovodi do smanjenog formiranja ö/ö-1 hidroksilaznih metabolita i nižeg krvnog pritiska.[161] Hidroksilaza je hemni protein čiji su nivoi kontrolisani dostupnošću hema. Kad se indukuje hem oksigenaza iscrpi se dostupni hem; tome sledi opadanje nivoa enzima, a time i količine enzimskih metabolita. Metaboliti, odnosno19[S]-hidroksieikozatetraenoinska kiselina (HETE) i 20-HETE, deluju kao prohipertenzivi jer stimulišu Na+/K+-ATPazu i konstrikciju krvnih sudova.
Još jedan od primarnih enzimskih ciljeva za hipertenziju jekarbonatna anhidraza (CAs). Ona katalizuje hidraciju CO2 dobikarbonata i učestvuje u širokom opsegu bioloških procesa, uključujući pH homeostazu, produkciju okularnih i cerebrovaskularnih fluida, te sekreciju elektrolita. U očima, na primer, karbonatna anhidraza igra kritičnu ulogu u održavanju intraokularnog pritiska. Poznato je sedamizoenzima karbonatne anhidraze i nekoliko srodnih proteina. Ovi izoenzimi su prisutni ucitosolu (CA I, II, III i VII), vezani za ćelijske membrane (CA IV), umitohondrijama (CA V) i u sekretornoj formi u pljuvački (CA VI).[206][207] Oni imaju različite uloge i veoma različitu tkivnu distribuciju, kinetička svojstva i osetljivost na inhibitore. CA enzimi su metaloenzimi, a mnogi inhibitori tih enzima su metal kompleksirajući anjoni koji se direktno koordiniraju sa cinkom u aktivnom mestu enzima.
Karbonatne anhidraze, izuzev CA III, takođe inhibirajusulfonamidi koji se vezuju za cink putem supstitucije katalitički važnog molekula vode.[200] Sulfonamidi su korišćeni za tretmanglaukoma dugi niz godina jer snižavaju intraokularni pritisak (IOP). Precizni mehanizam snižavanja pritiska nije poznat, ali se smatra da do toga dolazi usled redukcije koncentracije bikarbonata u posteriornoj komori oka, te da prateće premeštanje bikarbonatnih jona dovodi do kretanja fluida i smanjenja koncentracije natrijuma.[208] Metalni kompleksi sulfonamida takođe potentno inhibiraju karbonatne anhidraze. Zn(II), Cu(II), Ni(II), Co(II), Fe(III) i Al-(III) kompleksi adamantil sulfonamidnih derivata imaju inhibitorno dejstvo na tri CA izozima (hCA I, hCA II i bCA IV) sa nMKi vrednostima.[199] Zn(II) i Cu(II) kompleksi, najjači inhibitori u seriji, topikalno su bili primenjivani nazečji model oka i utvrđeno je da snižavaju IOP. Topikalno primenjeni sulfonamid ne snižava IOP, iz čega sledi da prisustvo metalnih jona kritično menja svojstva inhibitora. Pretpostavlja se da metal menja rastvorljivost kompleksa, čime se povećava dostupnost leka. Hg(II) kompleksi hlorotiazida,diuretika koji se koristi kaoantihipertenziv, isto tako pokazuju jaku inhibiciju CA[202] kao i Ge(IV) i Sb(III) kompleksi arilsulfonilamida[201] i Cu(II) kompleksi acetazolamidnih derivata.[198] Za metalne komplekse se smatra da deluju na CA na dva načina: 1. inhibicijom sa slobodnim sulfonamidom i 2. interakcijom metalnih jona sa histidinom u aktivnom mestu.[198]
Veliki deo literature o hipertenzivnim agensima je posvećen inhibitorimaangiotenzin-konvertujućeg enzima (ACE), komponentirenin-angiotenzin sistema. Renin-angiotenzin sistem učestvuje u održavanju krvnog pritiska. ACE katalizuje konverzijuangiotenzina I doangiotenzina II,vazokonstriktora koji učestvuje u hipertenziji. Angiotenzin I se formira konverzijom jetrenog produkta posredstvomrenina, enzima koji izlučuju bubrezi.[209][210] Postoje receptorska mesta na mnogim organima za angiotenzin II. Taj sistem može da bude blokiran na više nivoa, poznatiβ-blokatori blokiraju otpuštanje renina, analozi renin-supstrata i reninski inhibitori blokiraju renin, angiotenzin II receptore blokira salarzin, aACE inhibitori blokiraju ACE. Većina pomenutih jedinjenja ne sadrži metale, mada neki ACE inhibitori formiraju metalne kompleksiein vivo. Na primer,kaptopril je dizajniran da se nadmeće sa angiotenzinom za jone cinka u enzimu i da vezuje cink putem tiolne grupe.[203]Lisinopril, još jedan ACE inhibitor, vezuje cink putem aminokarboksilatne gurpe.[204] Lisinopril se konjuguje sa Rh(III) i Pd(II) (iminofosforano)fosfinima, a konjugati imaju nešto veću inhibitornu aktivnost od roditeljskog jedinjenja (dolazi do18-strukog smanjenja vrednostiIC50, nanomolarni opseg).[211] Ova derivatizacija u vidu sinteze105Rh i109Pdradio-obeleženih jedinjenja omogućavain vivo praćenje distribucije leka.
Tretmani za hipertenziju su obično dugoročni i stoga je stabilnost interakcija koju pruža kovalentno vezivanje metalnih kompleksa privlačna opcija. Najveći deo literature u ovoj oblasti se bavi organskim jedinjenjima; međutim, znatan broj tih jedinjenja je zavisan od interakcije sa metalima za ispoljavanje svog dejstva.
| Serinskoproteazne primene | |||
|---|---|---|---|
| Kompleks | Metal | Inhibirani enzim | |
| aminokiselinske i peptidne ligacije | Co | α-himotripsin[212][213] | |
| Šifova baza | Co | trombin,termolizin[214][215][216] | |
| razneboronske kiseline | B | tripsin[217] | |
| peptid | B | α-litička proteaza[218] | |
| fenilboronska kiselina | B | α-himotripsin[219] | |
| tripeptid | B | tripsin,α-litička proteaza, tripsinu slične proteaze[220] | |
| BABIM | Zn | serinske proteaze[221][222][223][224] | |
| titanil sulfati | Ti | tripsin[225] | |
Serinske proteaze obuhvataju glavnu familijuproteolitičkih enzima sa raznovrsnim opsegom funkcija. Serinske proteaze igraju ključne uloge u kaskadikoagulacije krvi, u aktivaciji komplementa, bakterijskoj patogenezi, te fibrinolizi.[217] Serinske proteaze su postale prominentni ciljevi za dizajn lekova u antivirusnim i antibakterijskim istraživanjima.[225] Velika klasa inhibitora serinskih proteaza suboronske kiseline i peptid-boronske kiseline.[157][200][226][227] Smatra se da boronil grupe oponašanju prelazno stanje reakcije, dok peptidna porcija usmerava specifičnost na specifične proteaze.
Serije15N i1H studija kompleksa proteaznih inhibitora dale su uvid u interakcije izmeđutripsina ili α-litičkih proteaza i raznih boronskokiselinskih inhibitora. U α-litičkim proteazama i tripsinu, supstratni analozi teže da formiraju serinske adukte, dok nesupstratni analozi obično formiraju histidinske adukte,[217] mada i supstratni analozi mogu ponekad da formiraju histidinske adukte.[218][228] Dalje,11B NMR studije na histidinskim aduktima α-litičkih proteaza i serinskih adukata himotripsina i α-litičkih proteaza pokazale su da je atom bora tetraedralan u histidinskim i serinskim aduktima.[218] Iz rada safenilboronskom kiselinom proizilazi da adicija šećera (D-monosaharida) povećava inhibitorno dejstvo naα-himotripsin.[219] Taj zaključak je izveden na osnovu acidifikacije atoma bora putem samokompleksacije saD-monosaharidima. Ovaj sinergistički efekat je pH zavisan i nije uočen iznad pH 9,5 (enzimska inhibicija dejstvom sameborne kiseline takođe nije uočena). Do jake inhibicije enzima dolazi između pH 4 i pH 9 u prisustvu fenilborne kiseline ifruktoze sa najvećim šećerno indukovanim pojačanjem inhibicije na aproksimativno neutralnom pH. Raznitripeptidi boronatnih estara takođe deluju kao inhibitori serinske proteaze.[220]Utvrđeno je da dodatni peptidno-metalni kompleksi deluju kao serin proteazni inhibitori. Poznato je da Co(III)-vezane aminokiseline i dipeptidi mogu da inhibiraju himotripsin i tripsin.[212][213] Ove studije su provođene da bi se ispitali efekti pentamin kobalta(III), koji se koristi kaohidrofilnakarboksilna zaštitna grupa u enzimatskoj peptidnoj sintezi. Ranije je primećeno da prisustvo ove grupe na aminokiselinama neposredno pored veze koja je podložna enzimskom dejstvu blokira katalitičku konverziju. Inhibicija prečišćenog himotripsina i tripsina ligiranim peptidima je kompetitivna i reverzibilna. Naknadne studije ove hemijske grupe sugerišu da se ligirani peptidi vezuju za enzim putemKulonovih interakcija.[213] Kobalt(III)-ligirani peptidi raznih dužina su testirani na tripsinu, himotripsinu i proteinazi K. Na osnovu rezultata modelovanja himotripsina, rastojanje između dva negativno naelektrisana Asp ostatka (Asp-35 i Asp-64) u S' vezujućem i Ser-195 u aktivnom mestu odgovara dužini inhibitora peptida optimalne dužine. Redosled inhibicionih efikasnosti je metalopeptid > amid > slobodni peptid, što se podudara sa očekivanjima imajući u vidu postojanje dva negativno naelektrisana bočna lanca u mestu vezivanja. U prisustvu povišenih koncentracija NaCl, inhibicija metalopeptidima je manje efikasna, dok se inhibicija slobodnih peptida poboljšava. Do promene inhibicije amida ne dolazi. Ovi rezultati su konzistentni sa elektrostatičkim interakcijama između inhibitora i aktivnog mesta. Nasuprot ovome, tripsin ima dva pozitivno naelektrisana ostatka (Lys-60 i Arg-62) u S' vezujućem regionu i shodno tome inhibicija slobodnim peptidima je efektivnija od pozitivno naelektrisanih metalopeptida. Opservacije na proteinazi K nisu konzistentne sa obrascem efikasnosti uočenim za druga dva enzima, što sugeriše da jedno pozitivno naelektrisanje (Arg-218) u S' regionu ne određuje vezivanje. Te studije demonstriraju da adicija metalnog jedinjenja može da promeni afinitet vezivanja supstrata putem elektrostatičkih efekata.
U studijama kompleksa Co(III)Šifove baze i peptidnih konjugata tih kompleksa pokazano je da efektivno inhibiraju trombin i termolizin.[214][215][216] Peptidni konjugat selektivno inhibira trombin u smeši sa dve druge serinske proteaze (Ki = μM). Selektivnost proističe iz interakcije peptidne komponente, dok je sama inhibicija posledica kobalt(III) koordinacije sa histidinima aktivnog mesta. Alternativno, kobalt se može koordinirati sa histidinima u blizini ali ne i u samom aktivnom mestu, čime se peptid zaključava u mestu vezivanja supstrata. Takođe, pokazano je da ovi kompleksi imaju sposobnost vezivanja histidina u model sistemu peptida izcinkovog prsta HIV nukleokapsidnog proteina.[229] U ovim studijama je pomoću1H NMR spektroskopije demonstrirana direktna interakcija između kobaltnih kompleksa i histidina u cinkovom prstu, što dovodi do remećenja strukture cinkovog prsta. Iz pomenutih studija proističe da ovi kompleksi mogu da inhibiraju cinkove metaloproteaze.
Nakon što je klasa inhibitora cink-posredovanih serinskih proteaza okarakterisana,[221][222][223][224] u kristalografskim studijama na tripsinu je uočeno da se ti inhibitori tetraedralno koordiniraju sa egzogenim jonom cinka između dva helirajuća atoma azota inhibitora i dva ostatka aktivnog mesta (His57 i Ser195).[222] Prisustvo cinka pojačava inhibiciju za skoro tri reda veličine, i u slučaju pojedinih inhibitora proizvodi selektivnost. Ova klasa inhibitora predstavlja jedinstven pristup u kojem sam inhibitor nije metalni kompleks ali je prisustvo prelaznog metala od ključnog značaja za inhibiciju.
Serinske proteaze su implicirane u procese brojnih bolesti, a inhibicija ovih enzima aktivno je polje izučavanja.[222][224] Prisustvo histidina u aktivnom mestu i afinitet jakih kiselina za azot čini inhibiciju serinskih proteaza pomoću metalnih kompleksa logičnim izborom. Nov pristup dizajnu inhibitora, kao što je opisano iznad, vezuje organska jedinjenja za aktivna mesta putem cinkovog jona kao „mosta” (graničneLuisove kiseline), što sugeriše da cink možda deluje kao regulatorni element. Ovi mali molekuli predstavljaju potencijalni okvir za konstruisanje brojnih drugih inhibitora, gde inhibitorna porcija molekula ostaje nepromenjena, dok se ostatak molekula može prilagođavati da bi se promenila specifičnost.
| Neurološke primene | |||
|---|---|---|---|
| Kompleks | Metal | Inhibirani enzim | |
| jon | Li | adenilatna ciklaza,triptofanska hidroksilaza,Ca2+-ATPaza[230] | |
| jon | Al | serinske proteaze,α-himotripsin[231] | |
| jon | Al | monoaminooksidaza A[232] | |
| jon | Al | kalpain[233] | |
| jon | Al | kalpain,heksokinaza,glukoza-6-fosfat dehidrogenaza[234] | |
| porfirini | Fe, Zn | acetilholinesteraza[235] | |
| porfirini | Cr, Zn | hem oksigenaza,azot-monoksid sintaza[196] | |
| protoporfirin | Sn | hem oksigenaza[197] | |
| cisplatin, copper sulfate | Pt, Cu | monoaminooksidaza[125] | |
| jon | Cu, Cd, Pb, Mg, Zn | lizozomna, citoplasmična proteinaza,kalpain I iII[236] | |
| jon | Zn | matrične metaloproteinaze,sekretaze,citohrom c oksidaza, azot-monoksidna sintaza,endonukleaza[237] | |
Jedna od najbolje poznatih oblasti primene metalnih inhibitora uneurologiji je upotrebalitijuma kao tretmana zabipolarni poremećaj (manično-depresivnu bolest). Litijumska terapija je uvedena1949. godine, ali precizni mehanizam njenog terapeutskog dejstva nije bio poznat. Poslednjih godina su objavljeni izveštaji koji indiciraju da litijum utiče naputeve inozitol fosfolipidne hidrolize (mada nije jasno da li je to usled inhibicijeinozitol-1-fosfataze) i da inhibiraadenilatnu ciklazu.[230]
Ulogaaluminijuma uAlchajmerovoj bolesti i detaljni mehanizam njegovog učešća u razvoju bolesti nisu potpuno razjašnjeni. Povezanost aluminijuma sa bolešću je implicirana sticajem okolnosti usled povišenih nivoa aluminijuma u mozgu pacijenata saAlchajmerovom bolešću iamiotrofičnom lateralnom sklerozom.[231][234][233] Aluminijumski sadržaj je visok u plakovima, neurofibrilarnim svežnjevima i neuritskim naslagama karakterističnim za pomenuta oboljenja. Aluminijum inhibira moždaneheksokinaze[238] i nekompetitivno inhibira moždanu mitohondrijskumonoaminsku oksidazu-A (MAO-A)[232] (kao što je to slučaj sa crevnom MAO, u kontekstukancera). Postoje indikacije da aluminijum aktiviraserinske proteaze, i da su tako aktivirane proteaze naknadno otporne na dejstvo drugih inhibitora.[231][234] Serinske proteaze presecaju β-amiloidne prekursorske proteine (APP) i formiraju β-amiloidne peptide. Predložen je model po kojem aluminijum supresuje inhibitorski domen proteaza, čime pospešuje proteolitičko formiranje peptida koji se zatim akumuliraju i iniciraju formiranje plakova.[231]
Niz drugih metala je bio impliciran u formiranje amiloidnih plakova. Primećeno je da Zn2+, Fe2+ i Cu2+ (μM), kao i Al2+ (mM), uzrokuju agregaciju pri fiziološkim koncentracijamaβ-amiloidnih proteina.[239][240][237][241][242][243] Histidinski modifikovan ljudski A beta(1-40) ne podleže agregaciji posredstvom Zn2+, Fe2+ ili Cu2+, iz čega proizilazi dahistidini učestvuju u metalom indukovanoj agregaciji.[239] Postoje indikacije da metali deluju putem različitih mehanizama. Fe2+-indukovana agregacija je inhibirana prisustvomantioksidanasa, dok oni nemaju uticaja na Zn2+-indukovanu agregaciju. Ovaj nesklad sugeriše da Fe2+ uzrokuje agregaciju putem oksidativnog mehanizma.[240] Poznato je da oksidacija može da indukuje agregaciju,[244] te da β-amiloidi imaju prooksidantna svojstva — posebice u prisustvu aluminijuma.[245] Azot-monoksidni donori kao što je SNP (koji NO formiraju usled oksidativnog stresa) mogu da posreduju akumulaciju cinka u hipokampalnim ćelijama, te postoji mogućnost da su oksidativni efekti povezani sa cinkovim efektima.[237] Za razliku od toga, mehanizamZn2+-indukovane agregacije nije zavisan od oksidacije, nego se zasniva na direktnim interakcijama sa peptidima.[239][240][242][243] Pored svog agregacionog dejstva, Zn2+ inhibira brojne proteolitičke enzime koji učestvuju u transformacijama amiloida, uključujućimatriks metaloproteinaze (MMP) odgovorne za degradaciju amiloidnih peptida, a verovatno i α-sekretaze odgovorne za presecanje amiloidnog prekursorskog proteina.[237] Inhibicija proteolize se ostvaruje putem dva različita vida dejstva metala na supstrate: 1. APP ima mesto vezivanja za Zn2+ i nakon vezivanja dolazi do inhibicije presecanja na α-sekretaznom mestu, i 2. MMP enzimi ne presecaju agregirane amiloide. Za bakar i kobalt (50 μM) utvrđeno je da inhibiraju APP presecanje.[246] Direktna interakcija sasekretazama nije potvrđena u APP studijama.
Osim amiloidnih plakova, Alchajmerovo moždano tkivo karakterišu neurofibrilarni spletovi. Istražuje se mnoštvo različitih faktora da bi se utvrdio uzrok ovog fenomena, uključujući abnormalni transport neurofilamenata i abnormalnu degradaciju. Pokazano je da aluminijum inhibira kalcijumom aktiviranu neutralnu proteinazu (kalpain II) koja posreduje razlaganje neurofilamentnih podjedinica i citoskeletalnih proteina.[233] AlCl3 i aluminijum laktat inhibiraju prečišćeni kalpain II, iz ljudskog cerebralnog korteksa, sa IC50 vrednošću od 200 μM i 400 μM, redom. Inhibicija dejstva kalpaina je posledica direktne interakcije sa enzimom, pošto preinkubacija supstrata [14C]metilazokazeina sa aluminijumom nema efekta na inhibitornu efikasnost. Aluminijumska inhibicija isto tako obuhvata interakciju sa citoskeletalnim proteinima, i u nekim slučajevima (npr. kod neurofilamentnih podjedinica NF-H i NF-M) aluminijum indukuje formiranje nerastvornih kompleksa uree. Stoga je inhibicija proteolize aluminijumom višestruki proces koji obuhvata direktno vezivanje za enzim, vezivanje za supstrat čime se ometaproteoliza, te formiranje supstratnih kompleksa koji su otporni na proteolizu. Aluminijum ima visok afinitet zafosfate i smatra se da se vezuje za fosforilisane grupe na neurofilamentnim proteinima.[233] Uprkos ovim interakcijama, mehanizam inhibicije kalpainina nije rasvetljen.
Takođe je pokazano da aluminijum inhibirametaboličke enzime u mozgu, čime se proizvode metaboličke greške. Moguće je da akumulacija takvih metaboličkih grešaka doprinosi neurološkim poremećajima kao što jeAlchajmerova bolest.Heksokinaza, Mg(II)-zavisni enzim, katalizuje prvi korak uciklusu glikolize, kojim se glukoza razlaže uz oslobađanje energije. Inhibicija heksokinaze je posredovana vezivanjem aluminijuma za supstrat;ATP ima 107 puta veći afinitet za Al(III) nego Mg(II).[234] Dok najveći deo glukoze podleže glikolizi, 15—20% se podvrgavaheksozomonofosfatnom šantu. Jedan od ključnih enzima u ovom putu,glukoza-6-fosfat dehidrogenaza (G6PD), inhibira se posredstvom Al(III) (μM raspon).[234] Do toga dolazi usled direktne interakcije sa enzimom; Al(III)-vezani enzim podleže konformacionoj promeni do nasumičnije uređene strukture (sudeći po nalazimacirkularne dihroizne spektroskopije).
Trenutno se organski acetilholinesterazni inhibitori koriste u tretmanu Alchajmerove bolesti; međutim, porfirini cinka i gvožđa isto tako inhibirajuacetilholinesterazu.[235] Broj i pozicije fluorinskih grupa na porfirinskom prstenu imaju ogroman efekat na inhibitornu aktivnost.[247]
S obzirom da postoji evidencija da dolazi do akumulacije metalnih jona u nekoliko bolesticentralnog nervnog sistema (CNS), od znatnog interesa je da se utvrdi da li ova akumulacija ima ulogu u patogenezi bolesti, a ako je to slučaj i da se odredi biohemijska priroda njihovog učešća. U jednoj nedavnoj studiji, veliki broj lizozomalnih i citoplazmičnih proteinaza koje su prisutne ucerebralnom korteksu testiran je za inhibiciju metalnim jonima.[236] Utvrđeno je da milimolarne koncentracije Cu2+, Cd2+, Pb2+, Hg2+ i Zn2+ inhibiraju sve testirane lizozomalne proteinaze. Ovi joni isto tako inhibiraju citoplazmične proteinaze u različitim merama a u zavisnosti od metalnog jona. Prolinska endonukleaza ileucilna aminopeptidaza se inhibiraju 50% ili više sa Zn2+ i Cu2+, redom. Alanil-, leucil- i tripeptidilaminopeptidaze su inhibitirane sa 0,05 mM Fe2+.Piroglutamilna peptidaza se inhibira sa 0,05 mM Cu2+, Cd2+, Mn2+, Hg2+ ili Zn2+. Alanil- i ripeptidilaminopeptidaze,prolinska endopeptidaza, te piroglutamil aminopeptidaza, inhibirane su u različim merama sa Co2+ i Mn2+. Cd2+, Hg2+, Mn2+, Zn2+ i Al3+ inhibirajukalpain I iII u različitim merama pri koncentraciji 5 mM. Implikacije ovih nalaza o metalnim jonama su predment istraživanja.
Iz ovih radova sledi da je uloga metalnih jona u neurološkim bolestima kompleksna i raznolika. Metalni joni demonstriraju raznovrstan asortiman efekata, od kinetičkih do strukturnih. Kinetički efekti mogu da budu inhibitorni ili aktivirajući. Strukturni efekti mogu da podstaknu agregaciju ili otežaju vezivanje. Ovi efekti nagoveštavaju da metalni joni mogu da budu intimatno uključeni u proces enzimske regulacije. Da bi se sprovelain vivo ispitivanja bilo bi neophodno da se ostvare milimolarne koncentracije metala u tkivima, što je normalno slučaj pod fiziološkim uslovima. Drugim rečima, potrebno je praviti razliku između potencijalno regulatornih procesa i toksičnih efekata.
| Artritisne primene | |||
|---|---|---|---|
| Kompleks | Metal | Inhibirani enzim | |
| Auranofin,natrijum tiomalat | Au | proteinska kinaza C[248][249] | |
| trimetilaminski karboksiborani | B, Cu, Fe | elastaza,kolagenaza,lipoksigenaza,katepsin,ciklooksigenaza[250] | |
| jon | Al | kalpain I[251] | |
| aminski karboksiboranei i njihovi estri | B | inozin monofosfat,de novo regulatorni enzimi u sintezi lipida[252] | |
Jedinjenja zlata, kao što jeauranofin, ekstenzivno su korišćena za tretmanreumatoidnog artritisa, mada mehanizam njihovog dejstva još uvek nije utvrđen. Mnoge studije su demonstrirale inhibiciju lizozomalnih enzima[253][254] iproteinske kinaze C, što može da objasniimunosupresivno dejstvo soli zlata.[248][249]
Kompleksi bakra[255][256] i bakarni kompleksiantiinflamatornih lekova[257] pokazali su se efektivnim kao antiinflamatorni agensi. Postoje indikacije da ovi kompleksi utiču na više enzimskih sistema, a moguće je i da sam bakar ima ulogu u patogenezi bolesti. Oboleli od artritisa imaju povišene prosečne serumske ili plazmene koncentracije bakra, što je u direktnoj korelaciji sa jačinom i aktivnošću bolesti.[255] Utvrđeno je da bakar inhibiraglutation-S-transferazu, a umanjena GST aktivnost je simptomatična za hronični artritis. Poznato je da su brojni od bakra zavisni enzimi neophodni za oporavak od upale tkiva.
Enzimiproteolitičkog puta su frekventno implicirani u destrukcijuhrskavice obolelih od artritisa. Oni sumetaloproteinaze,serinske proteaze icisteinske proteaze, generalno prisutni u vezanom obliku sa prirodnim inhibitorima. Sistemkalpain-kalpastatina je značajan jer je kalpastatin (inhibitor kalpaina) autoantigen kod skoro 50% reumatoidnih artritisnih pacijenata i postoji evidencija da je kalpain prekomerno izražen kod artritisnih bolesnika.[258] Kalpain je Ca(II)-zavisnacisteinska proteaza koja se javlja u vidu dveizoforme: 1. kalpain I, za čiju aktivaciju se neophodne niske koncentracije kalcijuma, i 2. kalpain II, kome su potrebne visoke koncentracije. Joni aluminijuma različito utiču na ove dve izoforme u kalcijum-zavisnom maniru.[259] U prisustvu milimolarne koncentracije kalcijuma, Al inhibira kalpain II u koncentraciono zavisnom maniru, dok je kalpain I maksimalno inhibiran unutar uskog koncentracionog opsega (0,1—0,5 mM Al). U odsustvu kalcijuma, aluminijum aktivira kalpain II (koji je inače neaktivan).
Imajući u vidu efektivnostborana kaoserinskoproteaznih inhibitora, ali i ulogu proteaza u artritisu, nije iznenađujuće da je utvrđeno da su brojni aminski karboksiborani antiinflamatorni agensi. Kompleksi bakra i gvožđa trimetilaminskih karboksiborana inhibiraju aktivnost lizozomalnih i proteolitičkih enzima umakrofagama,[250] kao i neki od samih aminskih karboksiborana.[252] Među inhibiranim enzimima su neutralnikatepsin,tripsin,elastaza,kolagenaze I i II,prostaglandinska sintaza, ciklooksigenaza (indukovana kod inflamatornog artritisa)[260] i5'-lipoksigenaza. Svi su inhibirani pri mikromolarnim koncentracijama.[250] Takođe je utvrđeno da aminski karboksiborani imaju mnoštvo drugih efekata, uključujući inhibiciju regulatornih enzima koji učestvuju ude novo sintezilipida, DNK i RNK. Putemin vivo eksperimenata je isto tako utvrđeno da aminski karboksiborani vrše različite uticaje, uključujući snižavanje serumskogholesterola, blokiranje kalcijumske resorpcije (što je problematično kod osteoporoze) i redukovanje inflamacija.[252] Dalja istraživanja su neophodna da bi se utvrdila specifičnost ovih agenasa i strukturna svojstva koja utiču na razna terapeutska svojstva. Artritis je dobar primer bolesti u kojoj su metalni kompleksi ekstenzivno korišćeni kao terapija iako mehanizam dejstva nije poznat.
| Viralne primene | |||
|---|---|---|---|
| Kompleks | Metal | Inhibirani enzim | |
| polioksovolframati | W | HIV reverzna transkriptaza,RNK polimeraza,DNK polimeraza[261] | |
| tiosemikarbazoni | Sn | reverzna transkriptazavirusa leukemije[262] | |
| TSAO | Si | HIV reverzna transkriptaza[263] | |
| trifluoperazin | V, Cu, Ni, Pd, Sn | reverzna transkriptaza virusa leukemije[264] | |
| streptonigrin | Zn | topoizomeraza, HIV reverzna transkriptaza[142] | |
| joni | Fe, U, V, Ti, Pb, Cu, Pd | proteinaza[265] | |
| batokuproinska disulfonska kiselina | Cu | proteaza,integraza[266] | |
| joni | Zn | proteaza[267] | |
| joni | Zn | renin, proteaza[265] | |
| inhibitornihelat | Cu | proteaza[268] | |
| fenantrolin,neokuproin, batokuproinski kompleksi | Cu | integraza[269] | |
| aromatični polihidroksilati | Mn | integraza, drugi enzimi kojima je potreban metal[270] | |
| porfirini | Fe, Co | hem oksigenaza[195] | |
Virusi koriste relativno mali broj, jedinstvenih enzima za održavanje svog životnog ciklusa, što čini te enzime atraktivnim metama zaantivirusne lekove.[271] Na primer, genomvirusa ljudske imunodeficijencije (HIV) kodira tri kritična enzima: 1. reverznu transkriptazu koja konvertuje infekcionu viralnussRNK udsDNK, 2. integrazu koja umeće dsDNK u domaćinov genom, i 3. proteazu koja preseca virusne genske produkte do njihovih krajnjih formi.[272] Virusni enzimi su generalno u većoj meri konzervirani, a to je posebno slučaj sa njihovim aktivnim mestima u odnosu na pokrovne proteine, još jednu klasu metalekova; stoga su manje skloni razvoju mutacione otpornosti na lekove. Tokom poslednjih nekoliko dekada ogromni napori su uloženi u istraživanje načina sprečavanja propagacije HIV virusa, a jedan od glavnih terapijskih ciljeva je bila reverzna transkriptaza.
Reverzna transkriptaza (RT) prominentna je meta za inhibitore jer je distinktna u odnosu na normalne polimeraze ćelija domaćina i fizički odvojena od replikacione mašinerije domaćina (viralna transkriptaza jecitoplazmatična, a nejedrena). Reverzna transkriptaza je multifunkcionalni enzim. Ona deluje kaopolimeraza koja formira plus i minus lance DNK i kaoribonukleaza H koja razlaže RNK porciju RNK-DNK hibrida.[273] Inhibicija može da bude usmerena na bilo koju od tih funkcija ili mesta vezivanja enzima, mada svi trenutno odobreni inhibitori utiču na polimeraznu funkciju.[274] Mnoginukleozidni analozi i nenukleozidni inhibitori su razvijeni tokom poslednjih godina, ali relativno mali broj tih inhibitora su metalni kompleksi.
Polioksovolframati, a posebno serije silikovolframata iz keginske grupe, klasa su neorganskih jedinjenja za koje je pokazano da imaju antiviralno dejstvo.[261] Ova jedinjenja inhibiraju viralnu replikaciju u HIV-om infektiranim ćelijama i ispoljavaju kompetitivnu i nekompetitivnu inhibiciju prečišćene ilipoli(etilen glikolom) precipitirane reverzne transkriptaze. Inhibicija RNK-zavisne DNK polimerazne funkcije se ostvaruje na 3—6 puta nižoj koncentraciji nego za DNK-zavisnu DNK polimeraznu aktivnost. Testovi na drugim prečišćenim DNK polimerazama indiciraju da su silikovolframova jedinjenja najsenzitivnija protivvirusa leukemije miševa (IC50 = 0,0035 μM), manje efektivna protivHIV-1 RT (IC50 = 3 μM) i relativno neefektivna protiv ljudskeDNK polimeraze 1 (IC50 = 43 μM). Mada je DNK polimeraza α donekle senzitivnija na inhibiciju od HIV-1 RT, testovi u kulturi su pokazali antiviralnu aktivnost bez citotoksičnosti; koncentracije neophodne za proizvodnjucitotoksičnosti su nekoliko redova veličine više od koncentracije neophodne za eliminaciju virusa. Mada specifičnost tih jedinjenja protiv RT nije ustanovljena i tačno mesto inhibicije na RT nije poznato, njihovo antiviralno dejstvo u kulturama podstiče dalja istraživanja.
Tiosemikarbazoni su već duže vreme poznati kao antiviralni agensi. Diorganokalaj(IV) kompleksi piridil tiosemikarbazona su nedavno okarakterisani i utvrđeno je da inhibiraju RT.[262] Kompleksi bakra i kobalta istog liganda (L) takođe su ispitani.[275] Sn(Bu)2(L) i Sn(Ph)2(L) kompleksi su najefektivniji protiv RT, ali nisu testirani na drugim polimerazama da bi se utvrdila specifičnost inhibicije. Stoga se na bazi ovih studija antiviralno dejstvo jedinjenja ne može isključivo pripisati njihovoj inhibiciji RT. Takođe je poznato datiosemikarbazoni inhibirajuribonukleotidne reduktaze,RNK-zavisnu DNK polimerazu, tedihidrofolatnu reduktazu.[137]
Trifluoperazini (TFP), derivati psihoterapeutskog lekafenotiazina, takođe imaju potvrđeno antiviralno dejstvo. Metalni kompleksi TFP su testirani na RT virusa leukemije miševa, i ustanovljeno je da metali pospešuju inhibiciju u redosledu VO(IV) > Ni(II) > Pd(II) > Cu(II) > Sn(IV) > slobodni ligand.[264] Ovi kompleksi su efektivni protiv reverznih transkriptaza više retrovirusa.Streptonigrin jeantibiotik koji je potencijalno mogao da deluje kaoantitumorski agens za razne ljudskekancere; međutim, toksične nuspojave tretmana streptonigrinom su dovele do prekidakliničkih ispitivanja. Streptonigrin takođe selektivno inhibira TT ptičjegmijeloblastoznog virusa (AMV) i HIV bez inhibiranja ćelijskih polimeraza.[142] Mehanizam dejstva streptonigrina je ispitan nakon prekida kliničkih ispitivanja. Pregled rezultata tih studija, uključujući detaljnu strukturnu karakterizaciju nekoliko metalnih kompleksa leka, pokazao je da je metalna jompleksacija ključna za biološku aktivnost leka.[142] Međutim, precizni mehanizam njegovog terapeutskog efekta je još uvek nepoznat.
Primenametal-helirajućih derivata TSAO-T, a [2',5'-bis-O-(tert-butildimetilsilil)-β-dribofuranozil]-3'-spiro-5-(4-amino-1,2-oksatiol-2,2-dioksid)nukleozidnog derivatatimina predstavlja jedan drugačiji pristup poboljšanju inhibicije reverzne transkriptaze.[276] Roditeljsko jedinjenje, TSAO, vezuje se zaalosterno mesto locirano pored RT katalitičkog mesta.[263] Ovo mesto vezivanja inhibitora formira interakcije sa obližnjim Mg2+ mestom vezivanja.[277] Nova klasa jedinjenja je dizajnirana sa vezanim inhibitorom, TSAO-T, za metalnu helirajuću grupu, jer se smatralo da će formiratibidentatni inhibitor sa većim afinitetom za enzim. Nekoliko derivata je bilo sintetisano, a za one sa kratkimalkilnim lancima je utvrđeno da su znatno efektivniji antiviralni agensi. Nekoliko derivata koji su jednako aktivni kao roditeljsko jedinjenje ima znatno manju toksičnost (10 puta manje koncentracije rezultuju sa 50% povećanja ćelijske održivosti). Ova klasa jedinjenja je primer inhibitora koji ne sadrže metal i inhibiraju putem formiranja metalnog kompleksa.
HIV-1 proteaza jeaspartilna proteaza koja formira zrele proteine iz produkatagag gena (grupno specifičnih gena) ipol gena (DNK polimeraze). Otpornost na proteazne inhibitore se teže ostvaruje kod virusa nego otpornost na RT inhibitore,[278] te su razvijeni mnogi peptidni inhibitori.[227] Utvrđeno je da brojni metalni joni deluju kao inhibitori HIV-1 proteaze, a da su najefektivniji teški joni (Fe3+, UO22+, VO3−/VO43−, TiCp2Cl2, Pb2+), kao i da su oni uglavnom tetraedralno koordinirani.[265] Metali nekompetitivno inhibiraju enzim, tako što simultano sa supstratom zauzimaju aktivno mesto. Smatra se da se metali koordiniraju sakarboksilatnim bočnim lancima aktivnih ostataka Asp25 i Asp125, mada to nije definitivno potvrđeno. Moguće je da će ove obzervacije podstaći dizajn inhibitora HIV-1 proteaza koji će sadržati metale koji se vezuju za enzim jonskim ili kovalentnim vezama, te da će stoga biti znatno jače vezani od peptidnih inhibitora.
Goreopisana studija metalnih jona je naizgled u konfliktu sa rezultatima jedne ranije studije koja je pokazala da joni cinka i srebra nekompetitivno — a joni bakra kompetitivno inhibiraju proteaze i renin iz HIV-1.[265] Ranija studija je sprovedena na rekombinantnoj proteazi izolovanoj izE. coli, dok je kasnija studija koristila sintetičku SF2 sekvencu proteaze, u kojoj jeaminobutirna kiselina zamenjena cisteinskim ostatkom.[183][227][279][280] Nije sasvim jasno u kojoj meri sintetički enzim oponaša prirodni enzim. Isto tako, studije su izvedene na različitimpH vrednostima, ranije studije na neutralnom pH a kasnije na pH 5. Ranije studije su zapravo pokazale da je inhibicija cinkom u velikoj meri zavisna od pH. Procenjuje se dolazi do nadmetanja cinka sa protonom za grupu sa pKa = 7,0.Molekularne dinamičke simulacije izvedene na proteazi u prisustvu cinka indiciraju da se joni cinka vezuju za katalitički aktivno mesto na ostacima Asp25 i Asp25' bez poremećaja strukture enzima.[267]
Utvrđeno je da jeCuCl2 efektivan inhibitor proteaze, ali ne imutirane proteaze u kojoj sualanini supstituisanicisteinima.[281] Mutirana proteaza može inhibirati CuCl2 u prisustvu bakarnih helatora. Utvrđeno je da je batokuproin sulfonska kiselina Cu(I), BCSD-Cu(I), kompetitivni inhibitor proteaze.[266] Sama BCSD ne inhibira enzim, niti inhibicija kompleksa može da bude blokirana pomoću EDTA. Iz ovoga sledi da je metalni kompleks aktivni inhibitor, a ne slobodni ligand niti slobodni metal. Kompleks isto tako inhibira mutiranu proteazu kojoj nedostaju cisteni. Drugi bakarni helati inhibraju HIV-1 proteazu. Utvrđeno je da je diakva[bis(2-piridilkarbonil)amido]bakar(II) nitrat dihidrat kompetitivni inhibitor proteaze.[268] Ova studija takođe sugeriše da su molekuli vode u aktivnom mestu koji su prisutni između Asp25 i Asp125 važni za strukturu enzima. Ova činjenica može da utiče na dizajn inhibitora koji ne sadržehidroksilne supstituente.
Utvrđeno je da bakarni kompleksi inhibirajuHIV integrazu.[269] Dolazi do nekompetitivne inhibicije mehanizmom koji se razlikuje od jednostavnog blokiranja vezivanja supstrata ili vezivanja DNK. Inhibicija mutanataC- iN-terminalnog brisanja ovim kompleksima ukazuje na činjenicu da se ovi kompleksi vezuju za sržni region integraze. Selektivnost kompleksa za integraze do sada nije demonstrirana. Integraze sadrže motivecinkovog prsta u blizini N-terminusa i konzervirani motiv aspartatnih i glutamatnih ostataka koji verovatno učestvuju u DNK vezivanju ili presecanju.[272] Oni takođe mogu da predstavljaju mesta potencijalnih interakcija sa metalnim kompleksima. Za veliki brojantrahinona i srodnih polihidroksilisanih fenolnih molekula je pokazano da inhibiraju integraze pri nanomolarnim koncentracijama.[270] Ova jedinjenja reaguju i sa drugim enzimima za čije dejstvo su neophodni metali (reverzne transkriptaze mišjeg leukemijskog virusa, MoMLV, i restrikcioni enzimi Pvu II iEcoRI), ali ne i sa enzimima kojima nisu potrebni metali. Iz ove činjenice proizilazi da metali učestvuju u inhibitornom mehanizmu. Za neka od testiranih jedinjenja je poznato da su metalni helatori. MoMLV inhibicija je efikasnija u prisustvu Mn2+ nego Mg2+ (do 26 puta manje vrednosti IC50 u zavisnosti od jedinjenja). Ovaj efekat je uočen i kod integraze.[282] Poznato je da katalitički domen integraze vezuje metale, a inhibicija može da obuhvati formiranje tercijarnog kompleksa inhibitora, metala i enzima; međutim, to ovo još uvek nije dokazano.
Opisani inhibitori viralnih enzima uglavnom nemaju ekskluzivnu specifičnost. Izuzev derivata TSOA-T, inhibitori ove klase nisu dizajnirani za interakciju sa specifičnim mestima. Mnogi inhibitori su identifikovani skriningom prvo za inhibiciju viralne replikacije a zatim za aktivnost na prečišćenim enzimima.
| Antimikrobne primene | |||
|---|---|---|---|
| Kompleks | Metal | Inhibirani enzim | |
| 1-amino-3-(2-piridil)izohinolin, joni | Cu | NADH oksidaza,laktatna dehidrogenaza[283] | |
| sulfadiazin | Ag | fosfomanozna izomeraza[284] | |
| trovalentna jedinjenja arsena | As | tripanotionska reduktaza,glutationska reduktaza[285] | |
| [XxMxOoHh]n- | Mo, V | kiselinska fosfataza[286] | |
| šećerni kompleksi | Ni | hitinaza[287] | |
| trovalentna jedinjenja amonijaka | Sb | fosfofruktokinaza[288] | |
| pentostam | Sb | klinički demo[289] | |
| tiosemikarbazoni | Cu | dihidrofolatna reduktaza[137] | |
| jon | V | ektokiselinska fosfataza[290] | |
| titanil sulfati | Ti | serinske proteaze[225] | |
Neke od najranijih primena neorganskih jedinjenja u medicini su bile u viduantiseptika iantimikrobnih agenasa.[205][226][291] Zapravo, organoarsenična jedinjenja su bila prva jedinjenja koja su uspešno primenjena za tretmansifilisa (ona su kasnije zamenjenapenicilinom), a korišćena su kao aditivi stočne hrane za sprečavanje bakterijskih i parazitskih infekcija.[226]Sulfanilamidi su velika klasa jedinjenja koja ispoljava antibakterijsku efektivnost, a poznato je i nekoliko metalnih jona koji imaju antimikrobno dejstvo.[292]Organometalna jedinjenja se rutinski testiraju za antimikrobne efekte radi identifikacije mogućih lekova. Osim agenasa koji inhibiraju enzime, postoji mnoštvo agenasa čiji mehanizam nije poznat.[293][294][295][296][279]
Jedna nedavna studija se bavila ispitivanjem inhibicijeserinskih proteaza kod bakterija i gljivica radi razvoja antimikrobinih agenasa. Skrining velikog broja metalnih jona natripsinu iz raznih izvora (prečišćenih i u bakterijskim lizatima) i goveđem pankreasnomhimotripsininu pokazao je da samo Ti(IV) u obliku titanilnog sulfata inhibira tripsin, dok drugi metali ili uvećavaju aktivnost (Ca2+, Mn2+) ili nemaju efekta.[225] Ova inhibicija je kompetitivna, što znači da se inhibitor vezuje za aktivno mesto. Inhibicija himotripsina nije uočena, te je predloženo da se Ti(IV) vezuje za Asp-198 u supstratnom mestu vezivanja za ostatak koji nije prisutan kod himotripsina. Utvrđeno je da su titanilni alkoholni kompleksi manje inhibitorni (25% inhibitorne aktivnosti) nego sulfati. Petokoordinatna geometrija Ti(IV) bila je razmatrana kao moguće objašnjenje uočene aktivnosti Ti(IV) protiv bakterija u odnosu na druge metalne jone i geometrije.
Trivalentni arsenični lekovi, kao što jemelarzoprol, još uvek se rutinski koriste u tretmanutripanozomom posredovanih bolesti, kao što jeafrička bolest spavanja. Mehanizam njihovog dejstva nije ispitan, mada se smatra da je posledica interakcije sa proteinskim ditiolima. Poznato je da trivalentna jedinjenja arsena formiraju stabilne adukte sa ditiol tripanotionom, te da se ti adukti efektivnije nadmeću za aktivno mestotripanotion reduktaze.[297]Tripanotion, koji je analoganglutationu kod sisara, jedinstven je za tripanozome. Jedna nedavna studija je ispitala uticaj nekoliko jedinjenja arsenika na tripanotionsku iglutationsku reduktazu, dva enzima koja sadrže katalitičkesulfidrilne grupe.[285] Inhibicija oba enzima je znatno senzitivnija u prisustvuNADPH, što je indikacija da cisteinski sulfidrili moraju da budu redukovani da bi formirali interakcije sa lekovima. Tripanotionska reduktaza je senzitivnija na inhibiciju od glutationske reduktaze. Inhibiciju obustavlja dihidrotripanotion. Iako jedinjenja arsena inhibiraju enzim, pošto je dihidrotripanotionin vivo dostupan u znatno višim koncentracijama od tripanotionske reduktaze, malo je verovatno da bi inhibicija ovog enzima mogla da ima terapeutski učinak na tripanozomijazu.
Antimonijali su dugo korišćeni kaoantiparazitici,[226][291] i još uvek se koriste u tretmanusluzokožnelišmanijaze.[289] Niz drugih metala se ispituje za njihovu aktivnost protiv lišmanijaze. Postoje indikacije dakiselinske fosfataze (ACP) doprinose patogenosti tripanosomaLeishmania. Te fosfataze mogu da inhibiraju brojniprelazni metali i njihovi kompleksi, kao što su arsenat i vanadat.[290] Studije u kojima je korišćena tartratno senzitivna kiselinska fosfataza iz ljudskog semenog fluida i tartratno rezistentna fosfataza iz protozoeLeishmania donovani demonstrirale su da heteropolianjonski kompleksimolibdena (sa Ge, Fe, As, Ce, Th) selektivno inhibiraju ove enzime.[286] Testirane su četiri klase kompleksa, koje sadrže 4, 6—8, 12 ili 18 atoma Mo. Selektivnost je procenjena na osnovu inhibicije pomenutih enzima i odsustva ACP inhibicije iz ljudske slezine.β-glukuronidaze iα-manozidaze iz slezine su takođe ispoljile malo ili nimalo inhibicije usled dejstva molibdenat-heteropolianjona. Studije unakrsnog nadmetanja između ovih inhibitora indiciraju da se neki od kompleksa vezuju za aktivno mesto, dok se drugi vezuju za drugo mesto koje utiče na aktivno mesto. Na primer, vezivanje vanadata i jednog od kompleksa Mo nije bilo uzajamno isključivo, a vanadat je pojačavao inhibiciju Mo kompleksa.
Antimon se takođe primenjuje kaoantišistozomijalni agens. Nedavnim istraživanjima je utvrđeno da razni antimonijali inhibirajufosfofruktokinazu (PFK) iz metiljaSchistosoma mansoni.[288] Opstanakšistozoma je zavisan od velike brzineglikolize, a PFK je ključni enzim uglikolitičkom putu — sadrži 20cisteina. Upoređivanjem šistozomalne i sisarske PFK je utvrđeno daantimoniltartarat kalijum preferentno inhibira parazitov enzim. Mehanizam ove selektivnosti nije razjašnjen.
Metalni joni i metalni kompleksi su efektivniantifungalni agensi protiv patogenog kvascaCandida albicans. Kompleksi srebra inhibirajufosfomanoznu izomerazu (PMI), ključni enzim u biosintezi kvaščanih ćelijskih zidova, sa nMKi.[284] PMI mutant kod koga je Cys150 zamenjen sa alaninom ponaša se na sličan način kao i prirodni enzim, ali ne biva inhibiran jedinjenjima srebra i 1000 puta je manje senzitivan na živu. Iz ovoga proizilazi da je Cys150 mesto interakcije inhibitora. Joni srebra inhibiraju PMI sa 210 puta višom bimolekularnom konstantom brzine za ljudski enzim. Ova jedinjenja redukuju specifičnost za ljudski enzim do 1,3 : 1. I dok ih ovo ne kvalifikuje kao inhibitore koji su selektivni za parazite, može se pretpostaviti da je moguće razviti lek putem modifikacija organskih grupa. Kompleksi nikla inhibirajuhitinazu, koja takođe učestvuje u biohemiji ćelijskog zida kvasca-gljiveC. albicans.[287] Pomenuti kompleksi sadržeN-glikozide izvedene izaminošećera, koji inhibiraju u kompetitivnom maniru.
Mikoplazmi nedostaje čvrst ćelijski zid. Jonski bakar je efektivan inhibitor mikoplazične aktivnosti i pokazano je da inhibira enzime uglikolitičkom putu,NADH oksidazu ilaktatnu dehidrogenazu.[283]2,2'-bipiridinski tip liganda olakšava transport bakra kroz mikoplazmičnu membranu, pa je antimikoplazmično dejstvo bakra znatno povećano u prisustvu ovih liganda — mada prisustvo liganda umanjuje inhibitorni efekat na prečišćenim, izolovanim enzimima. Ova opažanja potvrđuju da je jon bakra toksičan materijal, a da ligand samo služi kao prenosnik.
| Tretman čireva | |||
|---|---|---|---|
| Kompleks | Metal | Inhibirani enzim | |
| joni | Bi | fekalna sluzokožnasulfataza[298] | |
| joni | Bi | H. pyloriATPaza[299] | |
Bizmutove soli su korišćene u terapiji čireva. Poznato je da one inhibirajuadenozintrifosfatazu iz želučane bakterijeH. pylori (koja učestvuje u razvićupeptičnog čira),[299] kao i fekalnu sluzokožnusulfatazu (čije je izražavanje povišeno kodulceroznog kolitisa).[298]
| Toksičnost primene | |||
|---|---|---|---|
| Kompleks | Metal | Inhibirani enzim | |
| ions | Al | γ-aminolevulinska kiselina[300] | |
| joni | Al | heksokinaza[301] | |
| joni | Cd, Cu, Hg, Zn, Pb | heksokinaza[302] | |
| joni | Al | glicerolna kinaza[303] | |
| joni | Al, Cd, Pb | ATPaza[304] | |
| joni | As | poli-(ADP-riboza) polimeraza[305] | |
| joni | As | piruvatna dehidrogenaza,DNK ligaza[306] | |
| joni | As | metiltransferaza[307] | |
| joni | As | metiltransferaza[308] | |
| arsenoglutation | As | glutationska reduktaza[309] | |
| 3-arsonopiruvat | As | Fosfoenolpiruvatna mutaza[310] | |
| jon | Ni | DNK polimeraza[311] | |
| jon | Zn, Cd | DNK ligaza[312] | |
| jon | Cd | O6-metilguanin-DNA metiltransferaya,DNK polimeraza β[313] | |
| cis-DDP | Pt | respiratorni enzimi[129] | |
| joni | V | peroksidaza rena,superoksid dismutaza[280] | |
| jon | Ni | MutT-dGTPaza[314] | |
| jon | Pb | γ-aminolevulinatna dehidrataza[315] | |
Velika količina rada je uložena da bi se odredio molekularni mehanizam metalnetoksičnosti. Uzrok smrtnosti je kombinacija više faktora. Razumevanje puteva na koje metali utiču je prerekvizit za sprečavanje toksičnosti, te pruža uvid u potencijalne primene u kojima se toksičnost iskorišćava za proizvodnju korisnih efekata.Aluminijumska toksičnost indukujeanemiju, a smatra se da do ovoga dolazi usled perturbacijebiosintetičkog puta hema.[300] Uočeno je da aluminijum inhibira brojne enzimein vitro, uključujućidehidratazuδ-aminolevulinske kiseline (aka porfobilinogenu sintazu),[300]heksokinaze,[301]glicerolne kinaze[303] iATPazu.[304] Mehanizam inhibicije se razlikuje od enzima do enzima. Dehidrataza δ aminolevulinske kiseline koja katalizuje drugi korak biosinteze hema jemetaloprotein koji vezuje osam jona cinka. Aluminijum nekompetitivno inhibira ove enzime, iz čega sledi da se ne vezuje za aktivno mesto, te da se verovatno nadmeće sa nekim ili svim jonima cinka.[300] Jonski prečnik Al3+ je sličan prečniku Mg2+ ili Fe3+, a moguće je da aluminijum inhibira Mg2+-zavisne enzime putem supstitucije za Mg2+ (na primer u heksokinazi),[303] mada ovo nije bilo uočeno u svim studijama.[301] Za glicerolne kinaze i heksokinaze je takođe postulirano da se aluminijum nadmeće sa MgATP supstratom u obliku aluminijum-ATP helatnog kompleksa.[301][303] Kinetika inhibicije može da pomogne u određivanju prirode inhibicionog mesta, ali su strukturne studije neophodne za određivanje preciznog toka interakcije.
Druge studije su demonstrirale da Cd2+, Cu2+, Hg2+, Zn2+ i Pb2+ inhibiraju heksokinazu (u niskom μM opsegu).[302] Cd2+ i Cu2+ su mnogo efektivniji od drugih metala. Inhibicija pomoću Cu2+ dovodi do pratećeg sniženja nivoa redukovanogglutationa (GSH). Preinkubacija uzorka sa GSH zaštićuje enzim od Cu2+ inhibicije. Poznato je da GSH formira GSH-Cu(I) komplekse, a zaštitni efekti GSH kompleksa su verovatno posledica jednostavnog uklanjanja Cu2+ iz rastvora. Predloženi su brojni modeli za relaciju između heksokinaze, GSH i toksičnosti teških metalain vivo.
Postoje indikacije da je arsenična toksičnostredoks zavisna, tako da je pentavalentni As(V) znatno manje toksičan od trivalentne forme elementa, As(III).[309][307]Arsenik jekarcinogen, mada direktnone oštećuje DNK. Najprominentnija hipoteza za njegov mehanizam delovanja je inhibicija enzima putem vezivanja zasulfhidrile, te je znatan broj studija bio usredsređen na ispitivanje dejstva arsenika na enzime popravke i ligacije DNK. Utvrđeno je da As(III) inhibira enzimpoli-(ADP-riboza) polimerazu, koji sadrži dvavicinalna ditiola koji posreduju vezivanje enzima za prekide DNK lanaca.[305] Mehanizam inhibicije još uvek nije utvrđen.Piruvatnu dehidrogenazu inhibira As(III) pri mikromolarnim koncentracijama, ali ne i As(V). Nekoliko drugih enzima za DNK popravku je testirano i utvrđeno je da na njih As(III) nema uticaja, mada neki sadrže SH grupe od presudnog značaja za svoju funkciju.[306] Arsenit može da inhibiraligaznu aktivnost u kultivisanim ćelijama ali ne i u nuklearnim ekstraktima iz tih ćelija, iz čega sledi da inhibicija ligaza nije direktna već se javlja na nekom drugom nivou popravke.[306]Spektroskopske studije As(III) inhibicije metiltransferaze (enzima koji učestvuje u modifikaciji i popravci nepodudarnih DNK segmenata) indiciraju da se As(III) vezuje za Cys223, čime indukuje efekat teškog atoma (HAE) na obližnjemTrp ostatku. Ovo je potvrđeno opservacijom da se HAE ne javlja kod mutanta sa Cys223 zamenjenim Ser223 ostatkom.[307][308] Pojava HAE je zasnovana na nalazimacrvenog pomakafosforescentnog spektra i znatnog skraćenja životnog veka tripletnog stanja As(III)-perturbiranog triptofana. Ova interakcija ne utiče na enzimsku aktivnost, tako da je inhibicija koja je uočena u prisustvu viška arsenita verovatno posledica vezivanja za druge cistenske ostatke enzima.
Inhibicijaglutationske reduktaze sa As(III) konzistentna je sa oksidacijom tiolnih grupa u aktivnom mestu enzima.[309]Arsen formira arsenoglutationske komplekse sa glutationom, i oni deluju kao inhibitori mešovitog tipa na glutationskoj reduktazi. Enzimi koji deluju na forsfornim jedinjenjima često prepoznaju arsenske analoge, npr.adenilatna ciklaza iRNK polimeraza. Pokazano je da 3-arsonopiruvat kompetitivno inhibirafosfoenolpiruvatnu (PEP) mutazu saKi = 27 μM.[310] PEP mutaza je glavni enzim u biosintetičkom putu formiranja C-P veza.Nikl je poput arsena genotoksičankarcinogen, mada precizni mehanizam toksičnosti Ni nije poznat. Ni(II) služi kao slaba zamena za Mg(II) u nekim polimerazama, dok druge polimeraze bivaju jako inhibirane.[311] Efekat jona nikla na inkorporaciju nukleotida, procesivnost i misinkorporaciju proučavan je kod sedam različitih polimeraza; izveden je zaključak da je njegov primarni efekat inhibicija (mikromolarni opseg). Međutim, ovo zavisi od brojnih faktora čiji značaj varira od enzima do enzima. Dejstvo nikla je kompleksno, a precizni mehanizam ometanja polimerazne funkcije nije ustanovljen. Inhibicijareplikacije ipopravke DNK povezana je sa mutagenošću i karcinogenošću metalnih jona.[313] Uočeno je da Ni(II) inhibira MutT-dGTPazu, koja učestvuje u popravci 8-okso-dGTP oštećenja na DNK (milimolarniKi).[314] Ćelije izložene oksidativnom stresu formiraju 8-okso-dGTP; prisustvo nukleotida povišava mutacionu frekvenciju A u C transverzijama usled 8-okso-dG-dA nesparivanja. Inhibicija Mg(II)-zavisnog MutT enzima popravke može da dovede do povišenemutageneze. Studije molekulskim modelovanjem ukazuju da se Ni(II) ne vezuje za mesto vezivanja Mg(II), nego da indukuje konformacione promene za koje je predviđeni uzrok vezivanje zahistidinske ostatke.[314]
Uočeno je dacink ikadmijum takođe inhibiraju enzime DNK popravke.[313] Prečišćena DNK ligaza se inhibira sa 0,8 mM ZnCl2 i 0,04 mM CdCl2.[312] Oba metala inhibiraju formiranje intermedijera, transferazno dejstvo i ligaciono dejstvo, a nemaju efekta na brzinu misligacije. Drugim rečima, inhibicija jedino utiče na enzimsku aktivnost dok se tačnost rada lizage ne menja. Ligazama je neophodan magnezijum kao kofaktor; Mg je neophodan za sve tri koraka ligacione reakcije koja inhibirakadmijum i cink. Joni Cd i Zn mogu da deluju putem supstituisanja jona Mg u mestu vezivanja metala.
Jedan od metala s lošom reputacijom u očima javnosti jeolovo. Trovanje olovom zauzima istaknuto mesto u javnoj svesti zbog mnoštva incidenata uzrokovanih primenom olova na radnim mestima, kao i zbog trovanja dece olovnim bojama.[315] Jedan od mehanizama toksičnosti je inhibicija cink metaloenzima, odnosno γ-aminolevulinatne dehidrataze (ALAD) koja je takođe nekompetitivno inhibirana aluminijumom. U slučaju olova, inhibicija se odvija putem supstitucije cinka olovom. Dvaalela ALAD enzima su identifikovana kod ljudi (ALAD1 i ALAD2) i oni kodiraju tri distinktnaizozima. Testiranje velikog broja dece (izložene niskim nivoima olova u životnoj sredini) i radnika iz olovoprerađivačkih fabrika pokazala su da ALAD2 pozitivni imaju povišene nivoe olova u krvi nakon sličnih izlaganja i da su znatno senzitivniji na trovanje olovom. Pretpostavlja se da ALAD2 jače vezuje olovo.[315]
Metalna toksičnost može da bude rezultatoksidativnih reakcija.Vanadat učestvuje u mnoštvu takvih reakcija, a nedavno je objavljena studija u kojoj je izučavano njegovo dejstvo naantioksidantne enzime.[280] Četiri različita enzima su razmatrana i utvrđeno je da vanadat inhibiraperoksidazu rena. Ovi nalazi doduše ne daju jasnu indikaciju o relaciji između antioksidantske enzimske inhibicije i toksičnosti.
Znatan deo literature se bavi jednim drugim mehanizmom inhibicije enzimske aktivnosti metalnim jonima: redukcijom količine enzima usled inhibiranjatranskripcije gena koji kodiraju enzim.[318][319] Najvećim delom, rezultati ispitivanja naglašavaju da je toksičnost uzrokovana metalnim jonima posledica inhibicije koja se javlja na mnogim nivoima u mnogim sistemima, te da je malo verovatno da bilo koja pojedinačna promena može da bude samostalno odgovorna za toksične efekte.
.PMID 11741224.doi:10.1208/ps020108. .PMID 15102853.doi:10.1074/jbc.M403187200. .PMID 26243971.doi:10.11622/smedj.2015105. .PMID 21862392.doi:10.1016/j.mib.2011.07.030. .PMID 7825568. 
|first1= i|first= (pomoć).PMID 1980104.doi:10.2307/3431034. .PMID 18710927.doi:10.1083/jcb.200805072. .PMID 18025465.doi:10.1073/pnas.0707340104. Pronađeni su suvišni parametri:|first1= i|first= (pomoć).PMID 7624375.doi:10.1073/pnas.92.15.7090. . .doi:10.1089/ars.2012.4877. . .PMID 16667613.doi:10.1104/pp.93.4.1273. . 
