İlaç Moleküllerinde Stereoizomeri

Açılış sahnesi

Dokuzuncu haftanın çarşambası, sabah onu biraz geçiyor. Isparta'da, laboratuvarın iki kapı ötesinde, cihazların vızıldadığı analiz odasında bir yazıcı yavaşça tek sayfa çıkarıyor. Nilüfer Hanım kâğıdı alıp Mete'nin önüne koyuyor. Yatay eksende dakikalar, dikey eksende dedektörün sinyali var; çizgi düz gidiyor, sonra art arda iki tepe çıkarıyor ve yeniden düzleşiyor. İki tepe neredeyse aynı boyda.

Tüpe konan şey tek bir maddeydi: bir ağrı kesicinin, ibuprofenin analitik saflıktaki standardı. Mete tepelerin altındaki alan sütununu okuyor, iki sayı birbirine çok yakın. "Tek bir madde koyduk, cihaz iki madde gördü," diyor. "Hangisi ilaç? Öbürü tabletin içinde ne arıyor?"

Bu derste ne olacak

Kromatogramdaki iki tepenin nasıl ayrıldığını açıklayacak, ardından bir enantiyomerin etkin, öbürünün az etkin olduğu durumu adlandıracağız. İki biçimin etkinlik farkını tek bir oranla ölçecek, rasemik bir karışımın gücünü bu orandan hesaplayacağız. Sonra bedende bir enantiyomerin ötekine dönüşmesini iki örnekte izleyeceğiz: biri tek yönlü, biri iki yönlü. Son olarak rasemik bir ilacın tek enantiyomerle yeniden piyasaya çıkmasının ne anlama geldiğine bakacağız.

Mekanizma

Kolonun gördüğü el

Kiralite dersinde ayna eşlerinin simetrik bir ortamda ayırt edilemediğini görmüştük: termometre karvonun iki biçimini ayıramamış, polarimetre ve burun ayırmıştı. Kromatografi kolonu da sıradan bir dolguyla iki tepe vermez. Analiz odasındaki kolonun dolgusu ise kiraldir; Wikipedia'nın kiral kolon kromatografisi maddesi ve Nguyen, He ile Pham-Huy'un 2006 tarihli kiral ilaçlar derlemesi, bu iş için en sık selüloz ve amiloz türevlerinin kullanıldığını yazar. Dolgu her enantiyomerle geçici bir çift kurar. Kiral bir dolgunun (R) ile kurduğu çift ile (S) ile kurduğu çift birbirinin ayna görüntüsü değildir, yani birbirinin diastereomeridir; diastereomerler de farklı sıkılıkta tutunur. Sıkı tutunan biçim kolondan daha geç çıkar.

Tepelerin alanları miktarla orantılıdır. İki alan eşitse her enantiyomerin payı 1 ÷ 2 = 0,5 olur: Mete'nin tüpündeki standart rasemiktir. Aynı cihaz tek enantiyomer olarak üretilmiş bir örneğin saflığını da okur. Alanlar yüzde 98,5 ile yüzde 1,5 çıksaydı, enantiyomerik fazlalık (98,5 − 1,5) ÷ 100 = 0,97 olurdu; polarimetre olmadan, doğrudan sayımla.

İbuprofenin sistematik adı PubChem'de 2-[4-(2-metilpropil)fenil]propanoik asittir. Kiral merkezi propanoik asidin ikinci karbonudur; bu karbon bir karboksil, halkalı bir yan zincir, bir metil ve bir hidrojen taşır. Aynı iskeleti laktik asitte ve alaninde görmüştük; yalnız ikinci karbondaki grup değişir. Etkin biçimin PubChem adı (2S) ile başlar.

Ötomer, distomer

Bedenin molekülleri kiral olduğu için ilacın iki eli aynı karşılanmaz. Kiralite dersindeki cep, bir enantiyomere üç temas noktasıyla oturuyor, ayna eşine bu üçünü birden sunamıyordu. İlaç hedefi olan proteinler de L-amino asitlerden kurulur ve aynı seçiciliği gösterir.

Allan Evans'ın 2001'de Clinical Rheumatology'de yayımladığı derleme, (S)-ibuprofenin siklooksijenaz enzimini klinikte ulaşılan derişimlerde baskıladığını, (R)-ibuprofenin ise bu enzimin baskılayıcısı olmadığını yazar. Wikipedia'nın ibuprofen maddesi de (S)'yi ötomer, (R)'yi distomer diye adlandırır.

Kurgusal bir örnekte bir enzimi yarı yarıya yavaşlatmak için ötomerden litrede 4 nanomol, distomerden 320 nanomol gereksin. Eudismik oran 320 ÷ 4 = 80 olur. Bu ilacın rasemik karışımı ötomerin yarısını ve distomerin yarısını taşır. Distomer ötomerin seksende biri kadar güçlü olduğuna göre karışımın gücü saf ötomere göre 0,5 + 0,5 ÷ 80 ≈ 0,506 eder. Aynı etki için rasemikten saf ötomerin 1 ÷ 0,506 ≈ 1,98 katı derişim gerekir. Distomerin katkısı virgülden sonraki üçüncü basamakta kalır.

Everardus Ariëns 1984'te European Journal of Clinical Pharmacology'de bu aritmetiğin öbür yüzünü yazdı: tedavi etkisi göstermeyen izomer gerçekten etkisiz olmayabilir ve yan etkilere katkıda bulunabilir, bu yüzden rasemik bir ilaçta yüzde elli ya da daha fazla bir safsızlık sayılmalıdır. Aynı yazı, stereoseçiciliği hesaba katmadan yürütülen farmakokinetik çalışmaları "son derece incelikli bilimsel saçmalık" diye niteler.

Talidomit: ayrılan eller yeniden karışır

Talidomit 1950'lerin sonunda bir yatıştırıcı olarak piyasaya çıktı ve gebelikte kullanıldığında doğan çocuklarda kol ve bacak gelişim bozukluklarına yol açtığı anlaşılınca 1961'de çekildi. İlaç rasemikti. Kiral merkez altılı halkada yer alır ve oradaki hidrojen bir karbonil grubunun hemen yanındadır.

Olay çoğu zaman tek bir cümleyle anlatılır: enantiyomerlerden biri yatıştırıcı, öbürü doğum kusurlarının kaynağıydı. Wikipedia ile Nguyen ve arkadaşlarının derlemesi bu ayrımı aktarır, ama ikisi de hemen ardından sınırını da yazar.

Tommy Eriksson ve arkadaşları 1995'te Chirality dergisinde, iki enantiyomeri ayrı ayrı ve rasemik olarak alan sağlıklı gönüllülerin kanında hızlı bir karşılıklı dönüşüm ölçtüler. Aynı grubun 2001'deki derlemesi, fizyolojik pH'ta hem kendiliğinden hidrolizi hem hızlı kiral dönüşümü yazar. Kimyasal neden kiral merkezdeki o hidrojendir. Karbonile komşu olduğu için proton olarak kopabilir; o an karbon düzlemsel bir sp² merkezine döner ve proton geri geldiğinde düzlemin iki yüzünden birine eşit şansla bağlanabilir. Jacques ve arkadaşlarının 2015'te PNAS'ta yayımladığı çalışma, talidomit türevlerinde bu hidrojeni döteryumla değiştirerek dönüşümü yavaşlattı ve enantiyomerleri böylece ayrı ayrı sınayabildi.

İbuprofen: tek yönlü dönüşüm

İbuprofen de rasemik satılır, ama dönüşümü tek yönlüdür. Lee ve arkadaşları 1985'te British Journal of Clinical Pharmacology'de, dört gönüllüde verilen (R)-ibuprofenin ortalama yüzde 63'ünün (S)'ye döndüğünü, (S)'den (R)'ye ise ölçülebilir bir dönüşüm olmadığını bildirdi. Evans'ın derlemesi insanda dönüşen payı yüzde 50 ile 60 arasında verir. Dönüşümü enzimler yürütür; Wikipedia bu işi bir izomeraz enzimine bağlar.

Rasemik bir örnekte başlangıçta her enantiyomerin payı 0,5'tir. (R) payının yüzde 60'ı dönerse toplamda (S) payı 0,5 + 0,5 × 0,60 = 0,80, (R) payı 0,20 olur; oran 0,80 ÷ 0,20 = 4 eder. Lee'nin yüzde 63'üyle (S) payı 0,815'e, oran 0,815 ÷ 0,185 ≈ 4,4'e çıkar. Rasemik başlayan karışım, dönüşüm tamamlandığında enantiyomerik fazlalığı 0,6 civarında olan bir karışıma benzer.

Levodopada ise dönüşüm konusu yoktur, yalnız seçim vardır. İlaç olarak kullanılan biçim, PubChem adıyla (2S)-2-amino-3-(3,4-dihidroksifenil)propanoik asittir; yani L-amino asit ailesindendir. Onu dopamine çeviren enzimin adı bile aromatik L-amino asit dekarboksilazdır. ABD ilaç düzenleyicisinin 1992 yönergesi, levodopanın D-izomerinin kanda granülosit azalmasıyla ilişkilendirildiğini, zehirliliğin her zaman etkin izomerde olmadığına örnek olarak anar.

Kiral geçiş

Rasemik olarak yıllarca kullanılmış bir ilacın tek enantiyomeri sonradan ayrı bir ilaç olarak piyasaya sürülebilir. Bu yolun bir adı vardır.

Esomeprazol bir ayrıntıyla öğreticidir: PubChem adındaki (S) harfi bir karbona değil, sülfinil grubundaki kükürde aittir. Kiral merkez her zaman karbon değildir. ABD ilaç düzenleyicisinin 1992 yönergesi, bir ilacın stereoizomer bileşiminin bilinmesini ve çalışmalarda kullanılan maddenin izomer oranının kayda geçmesini ister; rasemik geliştirmeyi ise yasaklamaz. Wikipedia'nın kiral geçiş maddesi, bu geçişlerin bir kısmının klinik kazançla, bir kısmının patent süresini uzatma amacıyla ilişkilendirildiğini yazar. Hangisinin hangisi olduğu, stereokimyadan değil, karşılaştırmalı çalışmalardan okunur.

Modelin sınırı

Ötomer ile distomer ayrımı bir etikete bağlıdır, molekülün kendisine değil. IUPAC tanımı ötomeri "belirli bir etki için" daha güçlü biçim olarak koyar. Bir hedefte ötomer olan enantiyomer başka bir hedefte distomer olabilir ya da iki biçim iki ayrı etki taşıyabilir.

Eudismik oran, tek bir hedefte tüpte ölçülen bir güç oranıdır. Bedende iki enantiyomer farklı hızla emilir, taşınır ve atılır; Eriksson'un ölçümünde (S)-talidomit (R)'den daha hızlı atılıyordu. Tüpteki oran bedendeki katkıyı doğrudan vermez.

İbuprofen için yapılan hesap dönüşümü anlık ve tam varsayar. Evans, dönüşümün zaman aldığını, kişiden kişiye değiştiğini ve koşula bağlı olduğunu yazar; Jamali ve arkadaşları 1992'de dönüşümün tabletin bağırsakta kalma süresiyle arttığını buldu. Dönüşen pay, belirli bir anda kanda ölçülen bileşimle aynı sayı değildir.

Enzim cebinin iki enantiyomeri üç noktadan ayırt ettiği resim, seçiciliğin yalnız bir kaynağıdır. Taşıyıcı proteinler, bağlayıcı plazma proteinleri ve dönüşümü yürüten enzimler de kiraldir. Aktif bölgeyi enzim kinetiğiyle birlikte işlediğimiz derste (L02-P06-M05-D08) gördüğümüz cep tek başına bir ilacın bedendeki bütün yolculuğunu anlatmaz.

Bu ders neyi göstermiyor

Mekanizmanın tutarlılığı bir müdahaleyi desteklemiyor; kararı L01-P02 tasarımlarıyla üretilmiş kanıt destekler. İki enantiyomerin farklı karşılandığını bilmek, tek enantiyomer bir ilacın rasemik karşılığından klinikte daha iyi ya da daha güvenli olduğunu göstermez. Tek enantiyomer ilaçlarla rasemik ilaçlar arasındaki klinik tercih bu dersten çıkarılamaz; kiral geçişle çıkan bir ilacın üstünlüğü ancak iki biçimi sonuç üzerinden karşılaştıran çalışmalarla sınanır.

Ders, adı geçen hiçbir ilacın endikasyonunu, miktarını, kullanımını ya da güvenliğini göstermiyor. Eudismik oran örneğindeki derişimler kurgudur ve hiçbir ilacın değerini temsil etmez. Talidomitin doğum kusurlarına hangi mekanizmayla yol açtığı da burada açıklanmadı.

Modülün ve programın kapanışı

Modül bir prospektüsteki yapı formülünün köşelerini sayarak başlamıştı. Karbonun dört bağı iskeleti, fonksiyonel gruplar molekülün suyla ve asitle nasıl konuşacağını, izomerlik aynı formülün kaç ayrı madde olabileceğini kurdu; kiralite ise atomların sırası değişmeden yalnız uzaydaki dizilişin değişebildiğini gösterdi. Bu derste o diziliş bedenin yanıtını belirleyen bir değişkene dönüştü.

Program Denizli'de, serumun argon plazmasında parçalanıp geriye yalnız atomların kaldığı bir cihazla açılmıştı. Arada bağlar, mol ve derişim, asit ve baz, enerji ve hız, elektron alışverişi konuşuldu. Program, atomları tek tek yerinde duran iki molekülün, yalnız elleri farklı olduğu için başka ilaçlar gibi davranabildiği bir kâğıtla kapanıyor.

Kâğıttaki iki tepe

Mete kromatogramın ilk tepesinin üstüne bir soru işareti koyuyor, sonra Nilüfer Hanım'ın gösterdiği sütuna bakıp harfleri yazıyor. Yanına küçük bir ok çiziyor: R'den S'ye, tek yönlü. Altına bir satır daha ekliyor: "Talidomitte ok iki yönlü."

Nilüfer Hanım model setinden iki dörtyüzlü karbon kuruyor, birini ötekinin aynaya tutulmuş hâli gibi diziyor ve kâğıdın yanına bırakıyor. Mete iki modeli üst üste oturtmaya çalışmıyor artık; kâğıdın kenarına "80 kat, ama yarısı safsızlık" yazıp kalemi bırakıyor.

Kendini sına

1. Bir kiral kolonda iki tepenin alanları 72 ile 28 çıkıyor. Enantiyomerik fazlalık kaçtır?
2. Kurgusal bir ilaçta ötomer 2, distomer 50 nanomol/L derişimde aynı etkiyi yaratıyor. Eudismik oranı ve rasemik karışımın saf ötomere göre gücünü hesapla.
3. (R) payının yarısı (S)'ye dönen rasemik bir karışımda dönüşüm tamamlandığında (S):(R) oranı kaçtır? Bu hesap hangi varsayımlara dayanır?
4. Talidomitte tek enantiyomer vermenin sorunu neydi? Kiral merkezdeki hidrojenin bu sorundaki rolünü açıkla.
5. Esomeprazolün kiral merkezi hangi atomdadır? Bu, kiral merkezi yalnız karbonda arayan bir tanımın neresini zorlar?

Bir sonraki derse köprü

Bundan sonra program değişiyor ve moleküllerin dizilişinden hareketine geçiyor. Kolondaki ibuprofen molekülleri de, kandaki talidomit molekülleri de hiçbir an yerinde durmadı; dolguya tutunup koptular, su molekülleriyle çarpıştılar. Biyofizik programının Difüzyon ve Taşınım modülünü açan Brown Hareketi dersi şunu soracak: suda asılı küçük bir parçacık, kimse onu itmediği hâlde neden durmadan titrer, bu ısıl hareket sıcaklıkla nasıl değişir ve bir damla boyanın suya kendiliğinden yayılması, yani difüzyon, bu titremeden nasıl doğar?