OPVK CZ.1.07/2.2.00/

OPVK CZ.1.07/2.2.00/28.0184

Základní principy vývoje nových léčiv OCH/ZPVNL Mgr. Radim Nencka, Ph.D. ZS 2012/2013

Hit-to-lead Molekulární interakce

Od hitu k leadu - Hit-to-lead proces

Hit-to-lead proces Optimalizace hitu generování leadu Optimalizace farmakodynamických vlastnosti optimalizace interakce látky s jejím biologickým cílem X Optimalizace farmakokinetických parametrů schopnost látky dostat se ke svému biologickému cíli a dosáhnout potřebného biologického poločasu Obě části stejně důležité musejí být nahlíženy v celkovém kontextu při volbě strategie optimalizace ChemMedChem, 2006,1(1), 31 36.

Hit-to-lead proces ChemMedChem, 2006,1(1), 31 36.

Hit-to-lead proces Lead structure criteria at Schering AG. Suitable molecular properties Molecular weight: 200 500 log P/log D: 1 5 H-bond donors: 0 5 H-bond acceptors: <10 Solubility in water: >5 mg L 1 (or 10 IC 50 ) Favorable pharmacodynamics Potency: IC 50 =100 1000 nm Efficacy: Active in cell-based assay Selectivity: >10-fold (project-specific) ChemMedChem, 2006,1(1), 31 36.

Hit-to-lead proces Lead structure criteria at Schering AG. Acceptable pharmacokinetic properties Permeability in Caco2 cells: >100 cm s 1 10 7 Stability in microsomes (mouse, rat, human): 50 80 %R 30 min In vivo (rat): Plasma clearance: <50 ml min 1 kg 1 Distribution volume: 1 10 L kg 1 Oral bioavailability: >25 % Chemical optimization potential Accessibility Possibilities for modifications (preferably by parallel synthesis) SAR available (analogue generation) Patentability ChemMedChem, 2006,1(1), 31 36.

Fyzikálněchemické vlastnosti Lipinski s rule of five Lipinského pravidlo pěti pravidla pro orální dostupnost MW méně než 500 né více než 5 HBD né více než 10 HBA clogp menší než +5 Nevztahuje se na substráty biologických transportérů

Fyzikálněchemické vlastnosti

Vztahy mezi strukturou a aktivitou Vztahy mezi strukturou a aktivitou (Structure-activity relationships, SAR) Ve struktuře leadu by měly být skupiny, které jsou schopny se vázat na vybraný biologický cíl, nebo být nápomocny ochraně před metabolickou degradací látky při cestě k tomuto cíli. Příklad: Získáme hit z HTS. Má několik funkčních skupin, které jsou schopny interagovat s potenciálním biologickým cílem. Syntézou látek, ve kterých je vždy jedna funkční skupina zaměněna nebo odstraněna můžeme zjistit, které skupiny jsou důležité pro interakci a které ne. J. Med. Chem. 2011, 54, 5116 5130

Vztahy mezi strukturou a aktivitou Vztahy mezi strukturou a aktivitou (Structure-activity relationships, SAR) Tento postup vyžaduje evaluaci biologické aktivity všech takto syntetizovaných látek a jejich srovnání s originální strukturou. Jestliže je daný analog vykazuje znatelně vyšší nebo nižší aktivitu jak se jedna o prvek důležitý. Pokud je aktivita podobná, pak pro aktivitu zásadní není. Parametry takovéto SAR studie závisí samozřejmě na obtížnosti syntézy nových analog. J. Med. Chem. 2011, 54, 5116 5130

Molekulární interakce (protein ligand) Interakce protein ligand Látky se vážou do určitého místa charakterizovaného aminokyselinovými zbytky, které vytvářejí určitý třírozměrný tvar a mají funkční skupiny, které jim dávaní příslušné vlastnosti a možnosti interakce. Nesoucí náboj. Nesoucí polární skupiny. Nesoucí hydrofobní skupiny. Malé molekuly se vážou do vazebného místa na základě kombinace: Tvarová komplementarita Energeticky výhodné interakce

Molekulární interakce (protein ligand) wikipedia

Molekulární interakce (protein ligand) Interakce protein - ligand Rovnovážná konstanta a Gibbsova energie.

Molekulární interakce (protein ligand) Interakce protein ligand CELKOVÁ INTERAKCE kompromis mezi přitažlivými a odpudivými silami dnes není možné přesně definovat (spočítat) Při prohledu na interakce zanedbáváme velkou část věcí, které se podílí na výsledné volné energii Solvatace Vzdálené interakce Konformační změny

Molekulární interakce (protein ligand) Interakce protein ligand http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh /cact/c123/intermol.html

Molekulární interakce (protein ligand) Elektrostatické nebo iontové interakce Nejsilnější intermolekulární vazby Mezi skupinami s opačným nábojem např. u proteinů karboxylátový anion a alkylamoniový kation Síla záleží na prostředí a vzdálenosti (v hydrofobním je silnější) Vazebná místa jsou většinou hydrofobnější než povrch svědčí vazbě Závislost na vzdálenosti je méně výrazná než u ostatních interakcí iniciující interakce

Molekulární interakce (protein ligand) Vodíková vazba Síla vodíkové vazby je značně rozdílná Elektronově bohatý heteroatom :Y d-.elektronově deficitní vodík (vázán na elektronově bohatý hetroatom) X d- -H d+ Funkční skupina X-H = donor vodíkové vazby (hydrogen bond donor, HBD) Funkční skupina Y: = akceptor vodíkové vazby (hydrogen bond acceptor, HDA) Některé mohou fungovat jako obojí HBD i HBA (-OH, NH 2 ) Hydrogen flip-flop

Molekulární interakce (protein ligand) Vodíková vazba Možno považovat za slabou elektrostatickou interakci X d- -H d+... :Y d- -R Ale na rozdíl od ostatních nevazebných interakcí dochází k interakci orbitalů Významně ovlivňuje směr vazby při optimání orientaci vazba X-H směřuje přímo k elektronovému páru skupiny Y 180 silné vazby 130-180 slabší vazby Směr volného elektronového páru zaleží na hybridizaci

Molekulární interakce (protein ligand) Vodíková vazba (a) dusík pyridinu, (b)kyslík karbonyl, (c) kyslík karboxylové kyseliny, (d) kyslík etherů, (e) sulfonylová skupina J. Med. Chem. 2010, 53, 5061 5084

Molekulární interakce (protein ligand)

Molekulární interakce (protein ligand) Vodíková vazba Vzdálenost v biomolekulách 1.5-2.2 Å (2.5-3.2 Å A-H..B)(koval. vazba 1.0-1.5 Å) 4-14 kcal.mol -1 Dobrý akceptor vodíkové vazby Elektronegativní atom + volný elektronový pár N 1 volný elektronový pár akceptor 1 H-vazby O - 2 volné el. Páry akceptor až 2 H-vazeb

Molekulární interakce (protein ligand) Akceptory vodíkové vazby S je elektronegativní atom, ale volné elektronové páry jsou umístěny 3p orbitalech ([Ne]3s 2 3p 4 ) větší a více rozptýlené Méně efektivně interagují s malými s orbitaly Silné HBA Středně silné HBA Slabé HBA

Molekulární interakce (protein ligand) Akceptory vodíkové vazby F silně elektronegativní atom ale přesto špatný HBA teorie: fluor příliš silně váže své volné elektronové páry není schopen tvořit efektivně H- vazby F - ionty velmi silné akceptory vodíkvé vazby Silné HBA Středně silné HBA Slabé HBA

Molekulární interakce (protein ligand) Akceptory vodíkové vazby Elektronová hustota na akceptoru vodíkové vazby čím je větší tím je vazba silnější (COO - vs. COOH) p systémy alkinů a aromátů vysoká elektronová hustota, ale náboj je rozptýlen interakce jen se silnými HBD jako jsou alkylamoniové ionty HN + R 3 Silné HBA Středně silné HBA Slabé HBA

Molekulární interakce (protein ligand) Akceptory vodíkové vazby Alifatické terciálí amíny jsou lepší HBA než amidy a aniliny konjugace stabilizace rezonanci Síla karbonylových derivátů závisí na funkkční skupině

Molekulární interakce (protein ligand) Donory vodíkové vazby X-H čím je X silněji elektronegativní atom tím silnější je donor vodíkové vazby Amoniové ionty

Molekulární interakce (protein ligand) Dipól-dipólová interakce Je založena na permanentním dipolu v důsledku rozdilné elektronegativity atomů Např. ketony díky vyšší elektronegativitě kyslíku Vazebné místo má také lokálí dipóly interagují spolu v aptiparalelním uspořádání

Molekulární interakce (protein ligand) Jestliže je toto uspořádání možné vazebá interakce a zvýšení afinity, jestliže ne pak může být vazba naopak oslabena repulzí. Síla klesá kvadraticky se vzdáleností Ion-dipólová interakce Je silnější a síla se snižuje pomaleji se vzdáleností

Molekulární interakce (protein ligand) Ion-dipólová interakce Aromatická jádra mohou interagovat s ionty např. kvarterními amoniovými kationty Amoniový kation zdeformuje elektronový p mrak tak, že dojde k vytvoření dipolu střed aromatického kruhu je pak elektronově bohatý a hrany naopak chudé

Molekulární interakce (protein ligand) Disperzní interakce (Londonovy síly, někdy van der Waalsovy síly) Zprostředkované interakcí mezi hydrofobními regiony molekul Alifatické substituenty nebo uhlovodíkový skelet Rozložení elektronů není nikdy perfektní vnikají dočasné dipoly dipól v jedné molekule může vyvolat dipól i v té druhé slabá interakce mezi oběma Rychlý pokles síly se vzdáleností ligand se musí přiblížit k protejnu velmi blízko Přestože jsou slabé může jich být hodně a pak mají výrazný podíl na vazbě ligandu

Molekulární interakce (protein ligand) Odpudivé interakce Když se ligand příliš přiblíží proteinu překryv MO repulze Další odpudivé síly jsou spojeny s charakterem obou molekul Např. dva schodné náboje se budou odpuzovat.

Molekulární interakce (protein ligand) Role vody Makromolekula i ligand jsou před vzájemnou vazbou solvatovány Jednotlivé molekuly vody musí být odstraněny nezbytná energie desolvatace pokud je tato enegie vetší než energie vazby je vazba neúčinná a nedochází k ní Někdy může být žádoucí odebrat polární skupiny nižší energie desolvatace Někdy se musí přidat polární skupiny pro zvýšení rozpustnosti pak je dobré to udělat tak, aby směřovaly ven z vazebného místa nedochází k jejich desolvataci

Molekulární interakce (protein ligand) Hydrofobní interakce Hydrofobní části jak makromolekuly tak ligandu nejsou solvatovány, ale molekuly vody kolem nich musejí vytvářet organizovaněší interakce mezi sebou negativní entropie není preferována při interakci ligandu s proteinem hydrofobní časti se orientují k sobě a dochází uvolnění struktury vody uvolvění molekul vody - a zvýšení entropie a uvolnění energie Jsou slabé, ale jejich součet může být zásadní

Interakce jednotlivých funkčních skupin Možné interakce jednotlivých funkčních skupin 1.Interakce alkoholů a fenolů Časté funkční skupiny v léčivých látkách Poskytují vodíkové vazby O akceptor vodíkových vazeb H donor vodíkových vazeb Testování zda je interakce přítomna: Methyl ether nebo Methyl ester Jednoduchá syntéza

Interakce jednotlivých funkčních skupin 2. Interakce aromatických systemů Planární hydrofobní struktury Londonovy disperzní síly Hydrofobní interakce p-p stacking (-2.5 kcal/mol) Na ploché hydrofobní regiony vazebného místa Testování důležitosti interakce záměna za cyklohexan Axiální vodíky pak, mohou sice slabě intergovat, ale méně než aromát Amoniový kationt ion dipolová interakce Vodíková vazba

Interakce jednotlivých funkčních skupin http://www.scs.illinois.edu/denmark/pre sentations/2011/gm-2011-1_18.pdf

Interakce jednotlivých funkčních skupin 3. Interakce alkenů Podobně Londonovy disperzní síly (Van der Walsovy síly) + hydrofobní interakce Testování nezbytnosti pro interakci hydrogenace zvýšení sterického vilu

Interakce jednotlivých funkčních skupin 4. Interakce ketonů a aldehydů Ketony planární struktura Vodíková vazba HBA -2 možné interakce elektronové páry jsou sp 2 v jedné rovině jako celá skupina Dipol-dipolové interakce Ion-dipolové interakce Testování přínosu: nejjednodušší je redukce na OH jiná geometrie ev. následná příprava etheru Aldehydy méně časté v léčivech mohou lehce oxidovat na kyseliny. Ale jinak podobné

Interakce jednotlivých funkčních skupin 5. Interakce amínů Vodíkové vazby Jak HBA tak HBD HBD pouze primární a sekundární HBA ne aromatické a heteroaromatické konjugace s aromatickým jádrem Mnohdy protonován nemůže fungovat jako HBA x je ale silný HBD x může poskytovat iontové interakce

Interakce jednotlivých funkčních skupin 5. Interakce amínů Testování nezbytnosti pro vazbu převedení na amid nemůže fungovat jako HBA Sekundání stále mají vodík, ale sterický bráněný není silný HBD Terciární pokud je jeden ze substituentů methyl lze odštěpit VOC-Cl (vinyloxykarbonylchlorid) pak příprava amidu

Interakce jednotlivých funkčních skupin

Literatura k přenášce Graham L. Patrick An Introduction to Medicinal Chemistry, 4th Ed., Oxford University Press, 2009 Bissantz, C.; Kuhn, B.; Stahl, M. A Medicinal Chemist's Guide to Molecular Interactions. Journal of Medicinal Chemistry 2010, 53, 5061-5084. Advanced Medicinal Chemistry course material http://www.rsc.org/education/hestem/employerengagement/advmedchem.asp

Zanamivir

Zanamivir Relenza

Molekulární interakce (protein ligand) Interakce protein ligand Typ vazby Příklad kj/mol (kcal/mol) Van der Waalsova Alkylové skupiny 2 (0.5) Hydrofobní interakce Ph..Ph (π-stacking) 5 (1.5) Dipol-dipol Mezi C=O HN-R (d-/d+) (d-/d+) 5 (1.5) Vodíková vazba H 2 O H 2 O (X-H) (Y-R) 16-60 (4-14) Kovalentní vazba C-C 350