QSAR i związki z innymi metodami. Karol Kamel Uniwersytet Warszawski

Transkrypt

1 QSAR i związki z innymi metodami

2 Wstęp QSAR Quantitative Structure-Activity Relationship. Jest to metoda polegająca na znalezieniu (i analizie) zależności pomiędzy strukturą chemiczną (geometria cząsteczki, struktura elektronowa) a reaktywnością, czy aktywnością biologiczną. Aktywnośd biologiczna może zostad zdefiniowana ilościowo, jako minimalną ilośd (stężenie) określonej substancji wywołującą określoną odpowiedź (efekt) biologiczną. W ten sposób, można określid, które cechy ligandów mają najistotniejszy wpływ na ich aktywnośd. Z danych tych można wyprowadzid równanie QSAR. W celu wyprowadzenia równania QSAR, trzeba parametry fizykochemiczne charakteryzujące ligandy, sprowadzid do postaci liczbowej. Są to deskryptory. 2

3 Podstawy teoretyczne Deskryptory opisują różne własności cząsteczek: - Elektronowe: moment dipolowy, polaryzowalnośd, energia HOMO i LUMO, ładunek całkowity, stała Hammeta, efekt rezonansowy i indukcyjny. - Termodynamiczne: logp, refraktywnośd molowa. - Strukturalne: pole powierzchni, objętośd, liczba wiązao rotujących, parametry Tafta (steryczne), hydrofobowośd podstawnika, wiązania wodorowe (donor-akceptor). - Konformacyjne: energie różnych konformacji cząsteczki (i różnica między nimi). - Pól molekularnych: potencjał elektrostatyczny i van der Waalsa (potencjał L-J) na siatce. - Oraz wiele innych. 3

4 Podstawy teoretyczne Stała Hammeta jest miarą zdolności podstawnika do zwiększania lub zmniejszania gęstości elektronowej w pierścieniu aromatycznym. Zmierzona przez Hammeta dla meta i para podstawionych analogów kw. benzoesowego. ς stała podstawnikowa, zależna jedynie od rodzaju podstawnika. ρ stała reakcyjna, zależna jedynie od typu reakcji chemicznej. LogP jest miarą hydrofobowości. 4

5 Podstawy teoretyczne Refraktywnośd molowa wiąże współczynnik załamania światła z objętością cząsteczki. n - współczynnik załamania śwatła. V m objętośd molowa. 5

6 Podstawy teoretyczne Parametr Tafta określa efekt steryczny dla podstawnika. k s stała szybkości reakcji badanej. k CH3 stała szybkości reakcji referencyjnej (dla podstawnika metylowego). ς * - stała opisująca polarnośd podstawnika i efekty indukcyjne. ρ * - stała opisująca czułośd reakcji na efekty polarne. δ stała opisująca czułośd reakcji na efekty steryczne podstawnika. E s parametr steryczny Tafta. 6

7 Podstawy teoretyczne Hydrofobowośd podstawnika opisuje hydrofobowośd konkretnego podstawnika. π X hydrofobowośd podstawnika X. Zakładamy addytywnośd hydrofobowości w obrębie danej cząsteczki. 7

8 Podstawy teoretyczne Analiza wybranych deskryptorów: Analiza czynników głównych, metody klasteryzacji, prosta regresja liniowa i regresja wielokrotna, metoda cząstkowych najmniejszych kwadratów, algorytmy genetyczne. Dysponując odpowiednią liczbą związków o znanej aktywności i uwzględniając odpowiednie deskryptory, możemy zbudowad równanie Hanscha. W celu zachowania statystycznej istotności, na każdy parametr powinno przypadad co najmniej 5 związków. Podejście to jest niestety niedoskonałe, gdyż tracimy w nim bardzo ważną informację o strukturze przestrzennej cząsteczki. 8

9 Podstawy teoretyczne CoMFA Comparative Molecular Field Analysis. Analiza przy pomocy pól molekularnych. Cząsteczkę o danej konformacji (bioaktywnej) umieszcza się na siatce kubicznej, dzieli na komórki (voxele) i węzłom siatki przypisuje się wartości energii oddziaływania sondy (np. ładunku punktowego, czy grupy metylowej). Otrzymujemy w ten sposób własności przestrzenne pól danej cząsteczki. Stosując różne sondy, można uzyskiwad informacje o własnościach innych pól, np. wiązao wodorowych. Można w ten sposób ilościowo określid jaki wkład do oddziaływao będzie miała dana cecha cząsteczki. Wartości pola w każdej komórce traktuje się jako niezależne, chod w rzeczywistości silnie skorelowane deskryptory. Analizuje się je z reguły wykorzystując algorytmy genetyczne lub metodę cząstkowych najmniejszych kwadratów. Głównym wymogiem CoMFA jest, aby wszystkie badane cząsteczki były zorientowane w taki sam sposób (tak, jak położone są w miejscu aktywnym). 9

10 Metody związane z projektowaniem leków i QSAR Budowanie farmakoforu: Jeżeli znanych jest kilka związków aktywnych działających na dany receptor, a nie znana jest struktura receptora, można zbudowad farmakofor, czyli zespół cech wspólnych dla tych cząsteczek, który pozwala określid pewien profil strukturalny pozwalający na projektowanie nowych analogów. Budowanie pseudoreceptora: Pseudoreceptor model hipotetyczny powierzchni receptora w miejscu aktywnym. Zbudowany przez określenie punktów na powierzchni (np. van der Waalsa) odpowiadających określonemu typowi potencjału, najbardziej aktywnego liganda/grupy ligandów w nałożonych na siebie konformacjach aktywnych. 10

11 Metody związane z projektowaniem leków i QSAR Budowanie minireceptora: Minireceptor jeżeli znamy geometrię centrum aktywnego receptora, możemy zbudowad minireceptor, składający się jedynie z aminokwasów, lub ich grup funkcyjnych, znajdujących się najbliżej liganda i oddziałujących z nim. 11

12 Metody związane z projektowaniem leków i QSAR Podejście termodynamiczne generalnie w celu zwiększenia aktywności ligandów w miejscu aktywnym (energii swobodnej wiązania), obecnie preferuje się zarówno optymalizację entalpową jak i entropową (kiedyś - tylko entropową). Optymalizacja entropowa jest znacznie łatwiejsza do przeprowadzenia. Dzisiaj wiemy, że optymalizacja entalpowa na większy wpływ na wartośd energii swobodnej wiązania niż optymalizacja entropowa. Najlepiej jest, gdy korzystnej entalpii towarzyszy też korzystna entropia. Jest to trudne do realizacji, bo zmianie entalpii towarzyszy zmiana entropii (w przeciwnym kierunku) i vice versa, jednakże nie niemożliwe. 12

13 Metody związane z projektowaniem leków i QSAR Wiemy również, że: A zatem: Więc doskonale widad, że energia swobodna wiązania zależy zarówno od entalpii, jak i entropii układu (co oczywiste, z punktu widzenia termodynamicznego), a stała wiązania K a w oczywisty sposób zależy od energii swobodnej ΔG. 13

14 Metody związane z projektowaniem leków i QSAR Do czynników entalpowych zalicza się generalnie dwa główne rodzaje oddziaływao, van der Waalsa (dopasowanie kształtu) i tworzenie wiązao wodorowych. Niekorzystny wpływ ma desolwatacja grup polarnych (donorowo-akceptorowych wiązao wodorowych). Czynniki entropowe to głównie efekt hydrofobowy, polegający na korzystnej zmianie energii podczas desolwatacji grup hydrofobowych (główna siła napędowa wiązania grup hydrofobowych). Niekorzystny wpływ związany jest z konformacyjną zmianą entropii (utrata konformacyjnych stopni swobody). 14

15 Metody związane z projektowaniem leków i QSAR Reguła Pięciu Lipioskiego: Istnieje niewielkie prawdopodobieostwo, że dany związek chemiczny zostanie lekiem, jeżeli spełnia przynajmniej dwa spośród następujących kryteriów: - Posiada nie więcej niż 5 donorów wiązao wodorowych. - Posiada nie więcej niż 10 akceptorów wiązania wodorowego. - Masa cząsteczkowa jest poniżej 500 Da. - LogP jest mniejszy niż 5. 15

16 Dziękuję za uwagę 16

17 Zagadnienia Do czego służy metoda QSAR? Jak definiujemy aktywnośd biologiczną? Co to są deskryptory i jak dokonujemy korelacji z aktywnością biologiczną? Co to jest: minireceptor farmakofor pseudoreceptor Jak definiujemy entalpię swobodną i stałą wiązania kompleksu ligand-receptor? Co to jest współczynnik podziału? Podad Regułę Pięciu Lipioskiego. 17