1

KVANTITATIVNIKVANTITATIVNI ODNOSIODNOSISTRUKTURE I STRUKTURE I DEJSTVA LEKOVADEJSTVA LEKOVA

Predavač: Doc. dr. Slavica Erić

FARMACEUTSKA HEMIJA 1

QSAR i QSPR

biolobiološški efekat = f (molekulska struktura)ki efekat = f (molekulska struktura)

-vezivanje molekula za određene receptore zavisi od molekulske struktureliganada i receptora

QSAR – definisanje kvantitativnih odnosa strukture i dejstva leka matematičkim modelimaQSPR – definisanje kvantitativnih odnosa strukture i osobina leka matematičkim modelima

QSAR na osnovu strukture liganada:Y = f (molekulska struktura leka – lipofilnost, sterne osobine...)

QSAR na osnovu 3D strukture ciljnog mesta:Y= f (sile koje opisuju uzajamno delovanje leka i receptora – energija vezivanja za receptor...)

2

QSAR jednačine

Bioraspoloživost = f1 (set deskriptora 1)

Permeabilnost ćelija = f2 (set deskriptora 2)

Toksičnost = f3 (set deskriptora 3)

Afinitet vezivanja za receptor = f4 (set deskriptora 4)

QSAR jednačina:

Y - osobina (aktivnost) leka koja se koreliše

X1, X2, X3 - deskriptori koji opisuju karakteristike molekula od značaja za datu osobinu (aktivnost)

f – različite matematičke metode (linearne i nelinearne) kojima se uspostavljaju korelacije između osobina (aktivnosti) i molekulskih deskriptora

Y = f (X1, X2, X3)

matematički modeli se definišu pojedinačno za svaku osobinu leka:

Cilj QSAR analize

-razumevanje odnosa između strukture i dejstva (osobina) lekova

-dizajniranje lekova sa poboljšanim osobinama

-predviđanje osobina molekula pre sinteze

3

Molekulski deskriptori

saharin

-eksperimentalni (log p, Es, Rm) – potrebna je sintetisana molekula da bi se izveo eksperiment

-izračunati (jednodimenzionalni (1D), dvodimenzionalni (2D), trodimenzionalni (3D) - na osnovu hemijske strukture molekula

1D deskriptori: broj O, broj N

2D deskriptori: broj akceptora H-veze, broj rotirajućih veza, broj prstenova

3D deskriptori: površina molekula, zapremina molekula, dipolni moment

Molekulski deskriptori

σ, PSA Elektronske osobine

Es, MR, MVSterne osobine

log P, RM, π, Lipofilnost

DeskriptorDeskriptorOsobinaOsobina molekulamolekula

hemijska struktura (osobine molekula) opisane molekulskimdeskriptorima

Vrste deskriptora: konstitucioni, topološki, geometrijski, elektronski, kvantno-hemijski...

4

Korelacija aktivnosti i logP

Opšti anestetici – prolaz leka kroz KMB

-molekule se većom logP vrednošću zaostaju u hidrofobnim membranama i ne mogu da dođu do mesta delovanja

-optimalna vrednost logP

Y= k1logP + k2, r log(1/C)=-k1(logP)2 + k2logP + k3, r2

1 jednačina za strukturno slične molekule

π-deskriptor

F

-opisuje lipofilnost supstituenata

-razlika logp supstituisanog i nesupstituisanog jedinjenja

-(π+) – hidrofobniji supstituenti od H

-(π-) – manje hidrofobni supstituenti od H

π = log P – log PH

H

Log P = 2.27 Log P = 2.13

πF = 2.27 – 2.13 = 0.15

5

π-deskriptor

0.140.860.711.16-0.02-0.671.680.52π Aromatični supstitienti

-0.170.600.391.070.47-1.161.680.50π Alifatični supstitienti

FBrClCF3OCH3OHt-BuCH3Grupa

π vrednosti supstituenata

π-deskriptor u QSAR analizi

QSAR analiza:

-log P - ukupna lipofilnost, značajna za permeabilnost kroz membrane, bioraspoloživost i koncentraciju leka na ciljnom mestu

-π - mera hidrofobnosti specifičnih regiona leka, značajno za hidrofobne veze sa receptorom

Cl CONH2 Cl

CONH2Benzen logP=2.13

Hlorobenzen logP=2.84

Benzamid logP=0.64

Meta-hlorbenzamid logP=2.13

Log P (hlorbenzamid) = log P (benzen) + πCl + πCONH2 = 2.13 + 0.71 + (-1.49) =1.35

Log Pexp = 1.51

6

Elektronski deskriptori

COOHH COO-H + H+

K0 = 6.2

donori elektrona akceptori elektrona

HA H+ + A-

K= [H+][A-]/[HA]

x10-5

Derivati benzojeve kiseline

H3CH2C COOH H3CH2C COO-

O2N COOH

donori elektrona akceptori elektrona

K0=6.2

donori elektrona akceptori elektrona

K0=6.2

K=4.4

K=37.05

+ H+

O2N COO-+ H+

-konstanta disocijacije aromatičnih kiselina zavisi od elektronskih osobina supstituenata na aromatičnom prstenu

x10-5

x10-5

7

donori elektrona akceptori elektrona

K0= 5.2

donori elektrona akceptori elektrona

K= 4.2

H

COOH

H

COO-

H3CH2C

COOH

donori elektrona akceptori elektrona

K= 14.1

H3CH2C

COO-

O2N

COOH

O2N

COO-

+ H+

+ H+

+ H+

Derivati fenilsirćetne kiseline

x10-5

x10-5

x10-5

Hammet-ova jednačina

σ -deskriptor supstituenata, opisuje uticaj supstituenata na konstantu disocijacije jedinjenja

σ = log(K/KH) = logKx - logKHσ = log(K/KH) = logKx - logKH

(σ+) -supstituenti akceptori elektrona

(σ-) – supstituenti donori elektrona

8

Hammet-ova jednačina

06.2x10-5(K0)H-0.154.4x10-5Et0.77637.05x10-5NO2

log(K/K0)KR

-linearni odnos log(K/K0) za derivate benzojeve i fenilsirćetne kiseline

05.2x10-5H-0.094.2x10-5Et0.4314.1x10-5NO2

log(K/K0)KR

BENZOJEVA KISELINA

FENILSIRĆETNA KISELINA

Hammet-ova jednačina

ρ-zavisi od osnovne strukture kiseline (fenilsirćetna kiselina)

ρ- opisuje veličinu efekta koji supstituent može da ispolji na konstantu disocijacije određene osnovne strukture jedinjenja

σ-deskriptor supstituenata, opisuje uticaj supstituenata na konstantu disocijacije jedinjenja

Y = ρX

logK/K0=ρlogK/K0

σy = ρσx

9

Hammet-ova jednačina

R COOH

R CH2 COOH

referentna

R CH2 CH2 COOH

-veće rastojanje između supstituenta i protona –smanjenje ρ

→

→

→

Uticaj m- i p- nitro grupe

Hammet-ova jednačina uzima u obzir i rezonancioni i induktuivni efekat supstituenatakonstanta će zavisiti od položaja supstitienta (u para ili u meta)u orto položaju ne može se odrediti konstanta zbog uticaja sternih efekata

R

N+O O-

R

H+N

-O O-

R

N+-O O-

N+

R

O-

O

R

N

-O O-

↔ ↔ ↔

Meta nitro grupa-elektronski efekat na R je induktivni

para nitro grupa-elektronski efekat na R je induktivni i rezonantni

10

Uticaj m- i p- hidroksi grupe

OH

R

R

OH

R

OH+

R

OH+

R

OH+

↔ ↔ ↔

Meta- hidroksi grupa-elektronski efekat na R je induktivni

Meta hidroksi grupa-elektronski efekat na R-dominira rezonantni efekat

σ konstante

(σ+) -supstituenti akceptori elektrona (σ-) – supstituenti donori elektrona-meta i para supstituenti – različite σ

log (K/K0) > 1

log (K/K0) < 1

-0.270.12OCH3

0.780.71NO2

0.660.56CN

-0.66-0.16NH2

-0.13-0.07CH3

σ paraσ metasupstituent

11

Predviđanje pKa derivata benzojeve kiseline

H3C COOH

O2N

O2N

Izračunati pKajedinjenja:

0.780.71NO2

-0.13-0.07CH3

σ paraσ metaSup.

Log K/K0 = ρσ

logK – logK0 = ρσ

-pKa + pK0 = ρσ

pK = pK0 -ρσ

pKkis. = pK0kis. - ρkis.∑σsup

benzojeva kiselina:

pK0 = -log(6.2x10-5) = 4.2

ρ=1

pKkis = 4.2 – 1.00 (0.71 – 0.13 + 0.71) = 2.91

Zadatak:Predvideti Pka vrednost prikazasnog Jedinjenja (ρ=0.21 ).

-0.270.12OCH3

0.780.71NO2

0.660.56CN-0.66-0.16NH2

-0.13-0.07CH3

σ paraσ metasupstituent

Predviđanje pKa

H2C

H2C COOH

NC

H3C

H3CO

pKkis = 4.2 – 0.21 (0.56 – 0.27 - 0.007) = 4.15

12

QSAR inhibitora AChE

O P

O

OEt

OEt

Dietilfenil fosfat

Log (1/C) = 2.282σ - 0.348

-insekticid

-aktivnost zavisi samo od elektronskih faktora

-inhibitor enzima acetilholinesteraze koji se nalazi sa spoljašnje strane membrane (niije potreban prolaz kroz membranu)

Elektronske konstante za alifatična jedinjenja

CH2

COH

O

X CH2

COMe

O

X+ HOMe

-merenje stepena hidrolize serije alifatičnih estara

-metiletanoat je osnovni estar, X supstituent utiče na hidrolizu

-induktivni efekat supstituenata

σI donora elektrona: metil (-0.04), etil (-0-07), propil (-0.36)

σI akceptora elektrona: N+Me3 (0.93) i CN (0.53)

-sterni efekat (u OH sredini- značajni sterni i elektronski faktori

u H+ sredini – značajni sterni faktori)

13

Sterni faktori

veličina i oblik molekula od značaja za interakcije leka i aktivnog mesta

Taft-ov sterni faktor (Es) -eksperimentalni deskriptor-mera sternih efekata supstituenata

CH2

COH

O

X CH2

COMe

O

X

Es = log Kx - logKH

-veći supstituent, povećanje negativne vrednosti ES

+ HOMe

0.00Me-0.16I0.08Br0.27Cl0.78F1.24HEsX

Molarna refraktivnost (MR)

N

O

O N

OHO

HO

O

34.37 29.84 33.89 33.18 57.92

MR-molarna refraktivnost: zapremina molekula korigovana indeksom refrakcijed- gustinan-indeks refrakcijeMW/d – zapremina(n2-1)/(n2+1) – korekcioni faktor

14

Verloop-ov sterni parametar

-merenje sternih vrednosti supstituenata (sterimol program)

-izračunavanje sternih parametara iz uglova, van der Waals-ovih radijusa, dužine veza, mogućih konformacija supstituenata

-može se izmeriti za svaki supstituent (razlika od Es)

radijusi grupa za COOH

CO

O

H

Hansch-ova jednačina

log(1/C)=k1logP + k2σ + k3Es +k4

log(1/C)=-k1(logP)2 + k2logP + k3σ + k4Es +k5

log(1/C) = 1.22π - 1.59σ + 7.89

Y

HC

H2C NRR'

XPrimer: adrenergički blokatori, β-halo arilamini

Povećanje log(1/C), supstitienti:

hidrofobni (+π), donori elektrona (-σ)

deskriptori: elektronski (σ), Es (Taft), π, MR

15

Hansch-ova jednačina

X

Y

(HO)HC

CH2NH2R'R''

-deskriptori sličnog značenja koji pokazuju visoku interkorelaciju , jedan se isključuje

-log P i π nisu uvek interkorelisani

log(1/C) = -0.015(logP)2 + 0.14logP + 0.27∑πx + 0.40∑πy + 0.65∑σx + 0.88∑σy +2.34

Craig-ov grafik

-vizuelizacija relativnih osobina (π i σ) različitih supstituenata

Craig-ov grafik za para-aromatične supstituente

16

Craig-ov grafik

-supstituenti koji imaju pozitivne - negativne ili samo pozitivne vrednosti π i σ

-supstituenti koji imaju slične π vrednosti (mogu se međusobno menjati)

-supstituenti koji imaju slične σ vrednosti

-izbor supstituenata za QSAR analizu

Primena Craig-ov grafika

Primer 1: Uvođenjem metil supstituenta u hipotetičku molekulu A dobijen je molekul sa povećanom aktivnošću. Ukoliko je zamenom CH3 grupe sa terc. butil grupom došlo do znatnog smanjenja aktivnosti, od značaja za dejstvo su:a) elektronski efektib) efekti lipofilnosti

Korišćenjem Craig-ovog grafika predložiti uvođenje sledećeg supstituenta koji će uticati na dalje povećanje aktivnosti hipotetičke molekule

17

Primer 2:Uvođenjem OH grupe u hipotetičku molekulu A dobijen je molekul sa povećanom aktivnošću. Ukoliko je zamenom OH grupe sa COCH3 grupom došlo do daljeg povećanja aktivnosti, od značaja za dejstvo su:a) elektronski efektib) efekti lipofilnosti

Korišćenjem Craig-ovog grafika predložiti uvođenje sledećeg supstitienta koji će uticati na dalje povećanje aktivnosti hipotetičke molekule.

Primena Craig-ov grafika

A) Merenje aktivnosti nesupstituisanogmolekula

B) Dodavanje supstituenta sa značajnom π ili σ vrednošću

C) Merenje aktivnosti supstituisanog molekula

D) Selekcija novog supstituenta na osnovu promenjene aktivnosti

E) Sinteza novog molekula

Topliss-ova šema

18

Topliss-ova šema za aromatična jedinjenja

Topliss-ova šema za alifatična jedinjenja

19

QSAR modeli

1. Trenirani (ispitivani) set molekula-veliki broj struktura

-strukturno različite molekule

2. Deskriptori-značajni za ispitivanu osobinu ili aktivnost

3. Matematički model-izražava odnos između osobine (aktivnosti) i deskriptora

4. Validacija matematičkog modela

5. Interpretacija QSAR modela

Ispitivani set

Kongenerički set molekula-set molekula sličnih hemijskih struktura (analoga)

Nekongenerički set molekula-set molekula različitih hemijskih struktura

NCH3

CH3

H3C

OMe

OMe

NH

CH3

H3C

OMe

OMe

NMe

CH3

H3C

OH

OH

N

N

NN

O

O

NH2CH3O

CH3ON

O

ON N

F

F

F

CH3 N

OH

O-CH3

OH

CH3-O

20

Izračunavanje i selekcija deskriptora

-veliki broj izračunatih deskriptora za QSAR analizu

-dobar model sadrži mali broj dobro izabranih deskriptora

-veliki broj deskriptora može da dovede do grešaka u predviđanju

Selekcija deskriptora:

-manuelno (ukoliko je poznat mehanizam dejstva lekova)

-automatski (pomoću statističkih metoda, upotreba programa)

Interkorelacija deskriptora: eliminacija deskriptora koji su visoko korelisani, deskriptori sličnog značenja (pr. MW i broj C)

Matematički modeli

-uspostavljanje odgovarajućih korelacija

-interpretacija modela

Linearne metodeMultilinearna regresija (Multilinear Regression Analysis, MLR), Metoda najmanjih kvadrata (Partial Least Squares, PLS)

Nelinearne metodeMetoda glavnih komponenata(Principal Component Analysis, PCA)

Veštačke neuronske mreže (Artifical Neural Network, ANN)

21

Koeficijent korelacije r2

-stepen korelacije između eksperimentalnih i izračunatih vrednosti za aktivnost

-od 0 do 1

Validacija modela

Validacija ispitivanog seta: r2, Sd, t, F

Validacija test seta: r2, Sd, t, F

Test set sadrži nova jedinjenja koja nisu uključena u QSAR model

Log(1/C) = 1.14 logP + 0.16

n=25, r2=0.91, S=0.155, F=66.4, Q2=0.875

22

Preciznost QSAR modela

8.408.309

8.038.168

7.527.527

9.089.306

9.259.255

8.848.894

8.598.683

8.168.162

7.827.461

Log(1/C)rač.Log(1/C)expJedinjenjeIspitivani set

Log(1/C)rač.

Log(1/C)expJedinjenje

8.758.9557.227.4649.099.1838.378.2227.057.291

Test set

Interpretacija QSAR modelaInterpretacija QSAR modela

-razumevanje mehanizma dejstva i različitih uticaja na aktivnost

-relativni značaj deskriptora – značaj za aktivnost

23

3D QSAR: Farmakofore

-3D raspored hemijskih grupa molekula od značaja za dejstvo

Određivanje farmakofora-različite molekulske strukture ispoljavaju isto dejstvo

-određivanje zajedničkih karakteristika molekula koje su od značaja za dejstvo (fluoro-fenil, amino grupa, karboksilnagrupa)

24

Mapiranje farmakofora

-superponiranje delova molekule koji su od značaja za dejstvo - supermolekula

-određivanje deskriptora veličine i oblika supermolekule

3D QSAR: Docking

-istraživanje mesta vezivanja receptora i enzima u 3D prostoru

-istraživanje orjentacije liganda koji intereaguje sa makromolekulom

-simulacija malih konformacionih promena

25

Predviđanje energije vezivanja

-precizno i brzo predviđanje energije vezivanja liganda u kompleksu ligand-receptor

Energija vezivanja- paramater u QSAR analizi