Acetylcholinesterase-Reaktivator

Organophosphate, zu denen Insektizide wie Parathion, aber auch Kampfstoffe wie Sarin gehören, sind irreversible Inhibitoren der Acetylcholinesterase (AChE). Es handelt sich um Ester der Phosphor- beziehungsweise Phosphonsäure, die ihre Phosphatgruppe auf das katalytisch aktive Serin des Enzyms übertragen. Auf diese Weise wird dieses in seiner Funktion gehemmt. Im Gegensatz zu den reversiblen Inhibitoren ist diese Hemmung permanent.

Bei einer Vergiftung mit Organophosphaten werden AChE-Reaktivatoren als kausal wirkende Antidote ergänzend zu Atropin eingesetzt. Sie können die Phosphat- beziehungsweise Phosphonatgruppe vom katalytisch aktiven Serin abspalten, sofern noch keine Enzymalterung eingetreten ist. Atropin antagonisiert vor allem die muskarinischen Wirkungen des Acetylcholinüberschusses, während Oxime die Acetylcholinesterase reaktivieren und somit insbesondere neuromuskuläre, nikotinische Symptome wie Faszikulationen, Muskelschwäche und Atemmuskellähmung beeinflussen. Die Antidotgabe soll möglichst früh erfolgen.^[1]

Der molekulare Mechanismus der AChE-Reaktivatoren ist in der Abbildung am Beispiel des Pralidoxims gezeigt.

Voraussetzung für die Reaktivierung ist, dass die Arzneistoffe eine hohe Nukleophilie aufweisen. Dies wird dadurch gewährleistet, dass es sich bei den Verbindungen um Oxime handelt. Deren Nukleophilie wird durch den α-Effekt erhöht. Dieser beschreibt, dass ein freies Elektronenpaar in direkter Nachbarschaft zum Nukleophil dessen Reaktivität erhöht. Eine weitere Rolle spielt, dass die Arzneistoffe über ihren Pyridin-Anteil in die kationische Bindestelle der AChE binden und somit das Nukleophil in direkte Nachbarschaft zum Phosphoratom bringen.

Die Reaktion erfolgt in zwei Stufen: Zunächst greift das Sauerstoffatom der Oximgruppe am Phosphoratom an, wobei ein trigonal-bipyramidaler Übergangszustand entsteht. Aus diesem wird der Serinrest eliminiert. Als Nebenprodukt wird das phosphorylierte Oxim freigesetzt.

Mechanismus der AChE-Reaktivatoren am Beispiel des Pralidoxims, das mit einer durch Sarin phosphorylierten AChE reagiert. Zunächst greift Pralidoxim nukleophil am Phosphoratom an, wobei ein trigonal-bipyramidaler Übergangszustand entsteht. Aus diesem wird Serin eliminiert, woraufhin das Enzym in seiner ursprünglichen Form wieder vorliegt.

Daneben ist es wichtig, dass das phosphorylierte Oxim, das bei der Reaktion entsteht, schnell zerfällt. Ist dies nicht der Fall, kann es den Phosphat- beziehungsweise Phosphonatrest erneut auf das Enzym übertragen. Der schnelle Zerfall wird dadurch gewährleistet, dass das Wasserstoffatom der Oximgruppe in α-Position CH-acide ist und somit deprotoniert werden kann. Als Folge dessen zerfällt das Produkt.

Die AChE-Reaktivatoren sind ein Beispiel für das Ergebnis eines rationalen Wirkstoffdesigns. Es war schon früh bekannt, dass Hydroxylamin Phosphorsäureester spalten kann. Allerdings ist Hydroxylamin zu giftig, um es als Arzneistoff zu verwenden. Um die Selektivität zu erhöhen, wurde Hydroxylamin mit einer positiv geladenen Teilstruktur verknüpft, welche an die kationische Binderegion der AChE bindet. Auf diese Weise wird die Selektivität für das Enzym sichergestellt.

AChE-Reaktivatoren wirken nur, wenn sie innerhalb kurzer Zeit nach der Vergiftung verabreicht werden. Grund hierfür ist die Enzymalterung: Aus dem phosphorylierten Enzym kann formal eine Estergruppe abgespalten werden. Bei dieser Estergruppe handelt es sich um den Substituenten des Organophosphats. Wenn dieser Substituent einen verzweigten Alkylrest darstellt, wie es in Kampfstoffen wie Sarin häufig der Fall ist, geschieht diese Alterung besonders schnell. Nach der Abspaltung bleibt eine negativ geladene Phosphorylgruppe zurück, die aufgrund ihrer Ladung auch von AChE-Reaktivatoren nicht mehr gespalten werden kann.

• Aktories et al., Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie, Urban-&-Fischer-Verlag, 13. Auflage, 2022

• Müller et al., Pharmazeutische/Medizinische Chemie. Arzneistoffe - von der Struktur zur Wirkung, 1. Auflage, Stuttgart: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, 2022