Acetylcholine và chiến lược thiết kế thuốc

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

1

ACETYLCHOLINE VÀ CHIẾN LƯỢC THIẾT KẾ THUỐC

I MỞ ĐẦU

Thuốc tác động lên hệ dẫn truyền thần kinh cholinergic

Cl

N(CH3)3 O

O

H H

HO

H3C

H

N(CH3)3

Cl

II ACETYLCHOLINE

1 Acetylcholine là gì?

Tương tự như muscarin và nicotine acetylcholine là chất dẫn truyền thần kinh, nhưng nó

có tính chất trị liệu yếu do chứa nhóm ester và muối amoni bậc bốn trong phân tử

2 Tính chất

- Khá bền ở trạng thái rắn nhưng bị thủy phân nhanh chóng trong dung dịch, được xúc

tác bởi axit hoặc base, chính vì vật acetylcholine không được điều chế dưới dạng uống hoặc

dạng dịch truyền do dễ bị thủy phân trong đường ruột hoặc nhanh chóng bị phá hủy bởi các

enzim trong huyết tương và các esterase tế bào

- Muối amoni bậc bốn tan tốt trong nước nhưng hấp thụ rất ít qua màng lipit tế bào

3 Acetylcholine có ở đâu trong cơ thể (Tích trữ)

Hầu hết acetylcholine được tạo ra từ quá trình sinh tổng hợp (một quá trình tương đối

phức tạp có sự kết hợp giữa cholin và coenzym A…) được chuyển vận một cách hoạt động vào

khu vực tích trữ trong tiền synapse, và ở đó cho đến khi được tiết ra như một chất chuyển vận

thần kinh

4 Quá trình tiết

- Acetylcholine được tiết ra từ nơi dự trữ dưới tác động của thế, quá trình này mở cửa

cho ion Ca2+ đi vào nội bào, làm cảm ứng sự gắn kết những túi dự trữ acetylcholine với màng

tiền synapse trước khi sự tiết chất chuyển vận thần kinh xảy ra

- Mỗi túi dự trữ chứa khoảng 12.000 đến 60.000 phân tử acetylcholine Và mỗi tác động

của thế có thể tiết ra hàng trăm túi dự trữ acetylcholine đi vào synapse

5 Sự chuyển hóa

- Acetylcholine trong synapse có thể gắn kết với thể thụ cảm trên màng trước hoặc sau

synapse để tạo ra đáp ứng Các phân tử acetylcholine không gắn kết với màng sẽ bị thủy phân

bởi acetylcholinesterase, quá trình này là cơ chế sinh lí để chấm dứt tác động của acetylcholine

HO

HO

OH H

NH 2

N

N

CH3 H

2

H 3 C O

N(CH 3 ) 3

O

CH 3

- Có khá nhiều acetylcholinesterase trong synaspe để thủy phân khoảng 300 triệu phân

tử acetylcholine trong mỗi mili giây (msec) Điều này chứng tỏ rằng hoạt tính enzym đủ để thủy

phân tất cả acetylcholine (3 triệu phân tử) được tiết ra trong một thế tác động

- Nhiều thuốc điều trị bắt chước acetylcholine đã được tạo ra trên cơ sở ức chế

acetylcholinesterase

II CHIẾN LƯỢC THIẾT KẾ THUỐC

- Dựa theo mối quan hệ cấu trúc - hoạt tính acetylcholine

- Tổng hợp chất ức chế acetylcholinesterase (AchEIs)

1 Dựa theo mối quan hệ cấu trúc - hoạt tính acetylcholine

Thực sự là rất cần thiết để tổng hợp những hợp chất để thay thế trong trị liệu có tính

năng giống với acetylcholine Những nghiên cứu về mối quan hệ giữa cấu trúc – hoạt tính chỉ ra

rằng sự sửa đổi hóa học của acetylcholine có thể thực hiện trong ba phần riêng biệt của phân

tử, như chỉ ra dưới đây

a) Sửa đổi nhóm amonium bậc bốn

- Tương tự như acetylcholine, khi thay thế nguyên tử N bởi As, P hoặc S cho các hợp

chất có hoạt tính yếu hơn và không sử dụng được trên lâm sàng

 Kết luận: chỉ có các hợp chất có nhóm mang điện tích dương trên nguyên tử N mới có

hoạt tính

- Khi thay thế ba nhóm metyl bằng các nhóm ankyl lớn hơn hoặc H cũng không có hoạt

tính

b) Sửa cầu nối etylen

- Khi thay thế phần alcohol với chiều dài lớn hơn, nhanh chóng cũng giảm hoạt tính

theo Qui tắc Ing 5 (Sẽ không quá 5 nguyên tử giữa nguyên tử N và H tận cùng của nhóm –CH3

để cho hoạt tính cao nhất)

- Khi thay thế nguyên tử H trên cầu nối etylen bằng các nhóm alkyl lớn hơn cho hợp

chất ít có hoạt tính hơn acetylcholine Điển hình như khi thay nhóm –CH3 vào cacbon β cho

acetyl-β-metylcholine cho hợp chất có hoạt tính tương tự như acetylcholine và nó bền hơn nên

được dùng làm thuốc xịt qua đường hô hấp trị hen suyễn rất hiệu quả, còn khi thay thế ở vị trí

cacbon α thì cho hợp chất acetyl- α-metylcholine ít hoạt tính hơn

N(CH3)3

Cl

c) Sửa đổi nhóm acyloxy

Cl

N(CH3)3 O

α

β Nhóm acyloxy

Nhóm etylen

Nhóm amonium bậc bốn

3

- Sự giảm hoạt tính dược học cũng như kém bền về mặt hóa học của acetylcholine là do

sự thủy phân, chính vì vậy sự thay thế các nhóm chức chịu được sự thủy phân sẽ cải thiện được

những nhược điểm này

- Este carbamat của axit carbamit và choline được đề nghị vì bền hơn este carboxylate

nhiều (do cacbonyl của carbamat ít electrophile hơn)

+ Carbachol (este của choline và acid carbamic) ít bị thủy phân trong đường ruột và

enzym acetylcholinesterase hơn là acetylcholine nên có thể uống được

+ Tổng hợp tương tự như acetylmetylcholine, ta cũng có thể tổng hợp carbamat este

bethanechol có thể uống hoặc tiêm dưới da để trị hậu phẫu đường ruột hay đường niệu

N(CH3)3

CH3

2 Tổng hợp chất ức chế enzym acetyesterase (AChEIs)

- Acetylcholine bị thủy phân khi có sự can thiệp của enzym Acetylcholinesterase (AchE),

điều này có lợi xong một mặt cũng rất có hại do AchE sẽ thủy phân hoàn toàn Acetylcholine gây

mất khả năng dẫn truyền thần kinh

- Sự ức chế AchE làm tăng nồng độ acetylcholine trong synapse và kết quả là tăng đáp

ứng cả muscarine và nicotine

 Áp dụng trong trị liệu

- Những chất ức chế AchE hay anticholinesterase được phân loại như chất bắt chước

choline một cách gián tiếp do cơ chế tác động chủ yếu cảu chúng không liên quan đế thể thụ

cảm cholinergic

- Các chất này được sử dụng cải thiện sức co cơ, glaucome gốc mở để giảm áp suất nội

nhãn, Alzhemeir,…những bệnh sinh ra do thiếu cholinergic trong não

- Ngoài ra chúng còn được sử dụng như thuốc trừ sâu, và từng được sử dụng như vũ khí

hóa học

a) Cơ chế thủy phân Acetylcholine

 Trong môi trường acid

N(CH3)3

Cl

R

O

' + H

R

OH

'

H2O H2O

R

OH

'

O

H O

+ ROH'

4

 Trong môi trường base

 Thủy phân acetylcholine bởi AchE

R

O

' +

R

O

'

R

O

'

O

+ ROH'

OH

OH

'

N

NH 2

COOH

HN H C

CH2 O

O H

C+

H3C

O

H2 C C

H2

N+

H3C

CH3

H3C

O

CH2

C

C O

H N

COO

-H

Histidine Serine

Tryptophan

5

- Nito bậc bốn gắn vào vị trí anion tryptophan của enzym, là sự tương tác cation-π

- Oxy carbonyl bị proton hóa bởi proton trong gốc imidazol của hitstidine

- Cacbon electrophile carbonyl bị tấn công bởi các nhóm hydroxy của gốc serine

- Phần còn lại của cơ chế được giải thích theo sơ đồ sau:

+ Trạng thái chuyển tiếp B không bền, phân hủy cho choline và AchE bị acetyl

hóa C

+ Dạng C này xem như là enzym bị acetyl hóa, nó không thể gắn với phân tử

acetylcholine khác, enzym này ở trạng thái không hoạt động ( Đây chính là vấn đề: đối với người bị

bệnh Glaucome góc mở, nếu enzym C này nhanh chóng bị thủy phân và lượng AchE nhiều thì bệnh sẽ nặng thêm,

nhưng nếu chậm thủy phân thì bệnh sẽ giảm đi, và nếu không bị thủy phân thì sẽ nặng thêm, đây là vấn đề thú vị

để hiểu những vấn đề tiếp theo)

+ Enzym bị acetyl hóa nhanh chóng trải qua sự thủy phân để tái sinh dạng hoạt

động ban đầu của AchE (D) và một phân tử acetic acid

b) Âm mưu (chiến lược) thiết kế thuốc kháng AchE

- Như đã trình bày ở trên, giai đoạn sau trong cơ chế tái sinh là rất quan trọng trong

việc thiết kế thuốc ức chế enzym AchE Nếu enzym bị acyl hóa bởi một nhóm chức (như

carbamyl hoặc phosphat,…) bền thủy phân hơn este carboxylate, thì enzym vẫn giữ trạng thái

không hoạt động trong một thời gian dài hơn, hoặc thậm chí không hoạt động mãi mãi (đồng

nghĩa với “ngủm”)

- Nguyên lí hóa học liên quan đến tốc độ thủy phân này dẫn đến việc khám phá và tạo

ra hai loại AchEI: chất ức chế thuận nghịch và chất ức chế bất thuận nghịch

Sự ức chế thuận nghịch Axetylcholinesterase

- Các chất AcheI là những hợp chất:

+ Cơ chất phản ứng với AchE để tạo enzym bị acyl hóa mà chúng bền hơn enzym

bị acetyl nhưng vẫn xó khả năng thủy phân tái sinh AchE

+ Gắn kết với AchE với ái lực lớn hơn acetylcholine nhưng không phản ứng với

enzym như cơ chất

O

AchE-Ser-O

CH 3

O AchE-Ser-O AchE-Ser-OH

O

H 2 O

A

B

C

| Tài liệu lưu hành nội bộ

6

- Các chất ức chế đầu tiên được sử dụng lâm sàng thuộc loại ức chế thuận nghịch

bao gồm các carbamate (este của carbamit acid và ancol hoặc este của carbamit acid và phenol

như physostigmine)

+ Các alkyl carbamate như carbachol và bethanechol có cấu trúc tương tự

acetylcholine cũng là cơ chất cho và ức chế cạnh tranh AchE bởi vì chúng rất khó thủy phân hơn

acetylcholine dưới xúc tác của AchE

+ Các aryl carbamate như physostigmine và những dẫn xuất tương tự gắn kết

vào vị trí xúc tác của AchE, làm cho enzym này bị carbamyl hóa Tốc độ carbamyl hóa như sau:

carbamic acid ester > methylcarbamic acid ester > đimethylcarbamic acid ester.(tức là bị thủy phân

bởi enzym rồi nhưng chất C khó tái tạo lai AchE)

 Aryl carbamate tốt hơn ankyl carbamate và cả hai đều có ái lực mạnh hơn AchE

Physostigmine và các aryl carbamate có nồng độ ức chế vào khoảng 10 -9 M đến 10 -8 M nhỏ hơn

hàng trăm, hàng nghìn lần so với các ankyl carbamate có nồng độ ức chế vào khoảng 10 -5 M

Nguyên nhân là do ion phenoxide thì bền do sự cộng hưởng của vòng thơm và là nhóm rời tốt

hơn ion alkoxide Chính vì vậy, các chất ức chế carbamate có hiệu quả trị liệu là các dẫn xuất

của phenol

- Sự tái sinh AchE hoạt tính bởi sự thủy phân của enzym bị carbamyl hóa thì chậm

hơn rất nhiều so với sự thủy phân enzym bị acetyl hóa Tốc độ tái sinh của enzym bị carbamyl

hóa thì được đo trong hàng phút, thí dụ

+ Với metylcarbamate enzym khoảng 15 phút

+ Với Acetylated AchE khoảng 0.2 msc

- Mặc dù đòi hỏi thời gian lâu hơn để tái sinh AchE từ carbamylate enzym, nhưng

AchE vẫn được tái sinh, do vậy chất ức chế thuộc loại này là chất ức chế thuận nghịch

O

Ser AChE + H2O

O

NHR2 + CO2

 Các chất ức chế thuận nghịch

O N(CH 3 ) 2

O

O

Carbamyl AChE

7

H3C O

CH3

CH3

CH3 O

N

O N(CH3)2

O

Sự ức chế bất thuận nghịch của Acetylcholinesterase

- Chúng ta thấy rằng enzym bị carbamyl hóa thì thủy phân chậm và mất hàng phút,

tuy vậy các phosphate este thì bền hơn nữa, chính vì lí do này các dẫn xuất của phosphoric,

pyrophosphoric , và phosphonic acid là những chất ức chế AchE hiệu quả

- Tốc độ thủy phân tái sinh của phosphorylate enzyme thì rất chậm và được đo trong

hàng giờ (ví dụ thời gian bán hủy của điethyl phosphat vào khoảng 8 giờ) Do thời gian tái tạo

qua dài vì vậy chúng được xem là các chất ức chế bất thuận nghịch

- Các chất này tác động ức chế với cơ chế giống như carbamate este ngoài trừ chúng

rời enzym bị este hóa dưới dạng một phosphat este

- Một sự khác nhau quan trọng giữa AchEI thuận nghịch và bất thuận nghịch là AchEI

bất thuận nghịch (dẫn xuất phosphoeste) có thể trải qua quá trình lão hóa (Aging) (Đây cũng là một

điều thú vị)

O

Carbaryl Pyridostigmine bromide

Neostigmine bromide Physostigmine

8

O OR OR

O

O -OR

O

O

-O

-aging

aging

 Quá trình lão hóa và độc tính của chất ức chế bất thuận nghịch

- Quá trình lão hóa đóng một vai trò quan trọng trong độc tính của chất ức chế bất

thuận nghịch

- Aging là quá trình phân cắt một hoặc nhiều liên kết phosphoeste trong khi các AchE

khác vẫn bị phosphoryl hóa Phản ứng này tạo ra anion phosphate có nguyên tử phospho ít

electrophile hơn nhiều và do đó rất khó bị thủy phân so với phosphoeste ban đầu Do đó,

phosphorylate enzym bị lão hóa không bị nucleophile tấn công và tái sinh bởi thuốc giải

- Thời gian xảy ra quá trình lão hóa tùy thuộc vào tốc độ phân cắt liên kết P-O Trong

suốt thời gian này thuốc giải độc đối với ngộ độc phosphoester vẫn có hiệu quả, nhưng nếu để

quá trình lão hóa xảy ra thì không thể giải độc được Việc này được ứng dụng trong việc tạo ra

các chất độc hóa học chết người hàng loạt, một trong số đó là sarin

- Khi hợp chất này phosphoryl hóa AchE chỉ có một phản ứng lão hóa xảy ra, và rồi

enzym hoàn toàn bị chai lỳ đối với quá trình tái sinh bởi các chất giải độc hiện tại

 Thuốc giải độc cho chất ức chế bất thuận nghịch

Tính độc của chất ức chế bất thuận nghịch được ứng dụng trong thuốc trừ sâu và

vũ khí hóa học, gây ra những hậu quả nặng nề, do đó việc điều chế thuốc giải độc cho các hợp

chất loại này là rất cần thiết Loại thuốc đó có khả năng thủy phân nhanh chóng phosphatester

để tái sinh AchE và phải an toàn trong trị liệu Nước là một chất thân hạch có thể thủy phân

acetylated AchE và tái sinh AchE một cách nhanh chóng, tuy vậy đối với phosphateste, bằng

H3C

H3C

O F

CH3

sarin

9

những nghiên cứu động học người ta thấy rằng nó thủy phân rất chậm phosphateste hữu cơ vì

nước có tính thân hạch yếu Cần một chất thân hạch mạnh hơn, và Hydroxylamine (NH2OH)

được đề nghị tuy nhiên tốc độ thủy phân chỉ hiệu quả ở nồng độ gây độc của chất này, độc tính

này có trong tất cả các dẫn xuất hydroxylamine cho nên cần phải cực tiểu hóa liều lượng để có

thể sử dụng và giải độc

 Yêu cầu đặc ra:

- Thiết kế loại thuốc có độ chọn lọc cao, ái lực gắn kết mạnh với AchE

- Mang nucleophine giống hydroxylamine đến gần gốc serine bị phosphoryl hóa

 Điều này có thể đạt được bằng cách tổng hợp dẫn xuất hydroxylamine hữu cơ có mang một

nhóm mang điện tích dương

- Ba đồng phân pyridine aldoxime methiodide đã được tổng hợp và đều có hoạt tính sinh

học, trong đó dẫn xuất từ 2-pyridinealdehyde là có hiệu quả nhất Hợp chất này được biết như

2-pyridine methyl chloride (pralidoxime, 2-PAM) là chất duy nhất hiện nay chứng minh có hiệu

quả lâm sàng như chất giải độc ngộ độc phosphate ester AchEI

- Cơ chế cho sự tái sinh AchE bởi 2-PAM: Giai đoạn đầu liên quan đến sự gắn kết của nito

amoni bậc bốn của 2-PAM vào vị trí gắn kết anion, oxi mang điện tích âm tấn công P+, kết quả

Ser P

O OR

OR

O OR

OR

AChE

N +

H

N

CH3

O H

Ser OH

O OR

OR PAM

N+

N OH H

CH3

Cl

Pralidoxime chloride (2-PAM)

N OH

Oxime

10

bẻ gãy liên kết giữa nguyên tử oxi của serine và nguyên tử phospho Sản phẩm cuối cùng là

AchE hoạt tính được tái sinh và phosphorylate 2-PAM

Chú ý khi ngộ độc phosphat este: 2-PAM phải được cho uống trong thời gian ngắn

ngay khi bị ngộ độc, nếu để lâu thì không hiệu quả do quá trình lão hóa phosphorylate enzyme

xảy ra làm thuốc không có tác dụng Cũng vì lí do đó, các phosphate este AchEI có khả năng lão

hóa nhanh chóng đang được phát triển như thuốc trừ sâu và vũ khí hóa học, và song song đó

các nhà khoa học cũng nghiên cứu tạo ra các chất mới tốt hơn và thay thế 2-PAM có thể xuyên

qua hàng rào chắn máu não để tái sinh AchE trong não