Μοριακή Μοντελλοποίηση ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ

Transcript

1 Μοριακή Μοντελλοποίηση ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ

2 Σχεδιασμός Σχέδιο Μανχάτταν Ρόμπερτ Οπενχάιμερ (Διευθυντής του σχεδίου) πατέρας της ατομικής βόμβας

3

4 Στις 17 Δεκεμβρίου1903, σ' ένα απόμερο ψαροχώρι των ΗΠΑ, δύο κατασκευαστές ποδηλάτων πέταξαν το πρώτο αεροπλάνο, αλλάζοντας τον κόσμο για πάντα. Η πρώτη πτήση των αδελφών Ράιτ διάρκεσε μόλις 12 δευτερόλεπτα και διάνυσε απόσταση 37 μέτρων, λιγότερο από το μήκος ενός σημερινού Airbus Α320 ή ενός Boeing 747. Ήταν η πρώτη φορά που ο άνθρωπος πραγματοποίησε μια απολύτως ελεγχόμενη μηχανοκίνητη πτήση με ένα αεροπλάνο βαρύτερο από τον αέρα. Εμμανουήλ Αργυρόπουλος ( )

5 Τα νέα αεροσκάφη, εκτός από το σχέδιό τους που θυμίζει ταινία επιστημονικής φαντασίας, θα μπορούν να ταξιδεύουν με ταχύτητα που θα αντιστοιχεί στο 85% της ταχύτητας του ήχου, θα καλύπτουν μίλια χωρίς ανεφοδιασμό

6 ΜΠΟΡΟΥΜΕ ΝΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΟΥΜΕ ΦΑΡΜΑΚΟ ΜΕ ΚΑΘΟΡΙΣΜΕΝΕΣ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ?

7

8

9 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣΦΑΡΜΑΚΩΝ ΚΛΑΣΣΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ (ΕΜΠΕΙΡΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΙΚΗ) ΟΡΘΟΛΟΓΙΚΗ (ΕΛΛΟΓΗ) ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ

10 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ ΚΑΙΝΟΤΟΜΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΩΝ ΠΡΟΙΟΝΤΩΝ Εμπειρική Συστηματική Προσέγγιση Κλασσική προσέγγιση Ορθολογικός Σχεδιασμός (rational drug design) *ΕΔΩ ΘΑ ΕΣΤΙΑΣΘΕΙ Η ΠΡΟΣΟΧΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Προσεγγίσεις με βάση τις φαρμακολογικές μεθόδους αρχής διαλογής μεγάλης απόδοσης (high throughput screening) Fragment Based Drug Design (FBDD)

11 ΑΣΠΙΡΙΝΗ (ΚΛΑΣΣΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ)

12 Η Ασπιρίνη στην Αρχαιότητα Πρώτος ο Ιπποκράτης κατάλαβε τη σημασία της δραστικής παράγωγης ουσίας της ασπιρίνης. Αυτή η ουσία βρισκόταν σε έκχυμα από την ιτιά και την συνιστούσε για τους πόνους της γέννας. Ιπποκράτης ( π.Χ) 12

13 Το Μόριο της Ασπιρίνης Το 19ο αιώνα ο Ιταλός χημικός Rafaele Piria συνέθεσε το σαλικυλικό οξύ από τη σαλικίνη. Ύστερα από λίγο χρόνο βρέθηκε ότι η ένωση αυτή μπορεί να απομονωθεί και από αγριολούλουδα που ανήκουν στο γένος Spiraea ulmaria. Εδώ αναγνωρίζει κανείς τη ρίζα του ονόματος της ασπιρίνης (aspiraea). σαλικίνη σαλικυλικό oξύ 13

14 Η Ασπιρίνη και το Στομάχι Το ενεργό συστατικό του εκχυλίσματος από την ιτιά, το οποίο συνιστούσε ο Ιπποκράτης είναι ερεθιστικό για το στομάχι, επειδή το σαλικυλικό οξύ περιέχει στο μόριο του δύο όξινες ομάδες, το φαινολικό υδροξύλιο και την καρβοξυλομάδα. 14

15 Η Ασπιρίνη στο Εμπόριο Το 1915 κατασκευάστηκαν για πρώτη φορά τα «δισκία» ασπιρίνης, που περιέχουν περίπου 300 mg δραστικό συστατικό και άλλες μη δραστικές βιολογικές ουσίες οι οποίες διευκολύνουν γενικά τη διάθεση του φαρμάκου υπό μορφή δισκίου. Οι ανενεργές αυτές ουσίες του δισκίου καλούνται έκδοχα. Παράδειγμα ενός εκδόχου είναι το όξινο ανθρακικό νάτριο το οποίο αντιδρά η ασπιρίνη, επειδή περιέχει στο μόριο της μια καρβοξυλομάδα. Έτσι σχηματίζεται το αντίστοιχο καρβοξυλικό άλας, το οποίο είναι διαλυτό στο νερό και η αναλγητική δράση του είναι ταχύτερη. 15

16 16

17

18 Ορθολογικός Σχεδιασμός ΜΟΡΙΑΚΗ ΒΑΣΗ ΑΣΘΕΝΕΙΑΣ Νέα δεδομένα Διαμορφωτική Ανάλυση Μελέτη Αλληλεπιδράσεων με τις Μεμβράνες / Υποδοχέα QSAR Μελέτες ADME Αποτυχία Προτεινόμενα μόρια Βιολογική Αποτίμηση Σύνθεση Επιτυχία Βιοδραστικά μόρια Ανάπτυξη νέου φαρμάκου

19 Στάδια Ανάπτυξης Καινοτόμων Φαρμακευτικών Προϊόντων

20 ΣΥΣΤΗΜΑ RAS Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-Leu Val-Ile-His Αγγειοτασινογόνο Ρενίνη Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe - His-Leu Αγγειοτασίνη I ACE Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe Αγγειοτασίνη II αγγειοσυστολή αλδοστερόνη ( ) Αύξηση αρτηριακής πίεσης κατακράτηση νατρίου και ύδατος

21 Τα πεπτιδομιμητικά μόρια αποτελούν τους δούρειους ίππους, που ξεγελούν τις φυσικές ορμόνες στην πρόσδεσή τους με τον υποδοχέα. Ο ανταγωνισμός αυτός επιφέρει θεραπευτικά αποτελέσματα στον οργανισμό.

22 ΠΕΠΤΙΔΙΚΑ ΜΟΡΙΑ (ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΕΣ, ΠΕΠΤΙΔΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ) ΔΙΑΔΟΧΙΚΕΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΕΙΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΠΕΠΤΙΔΟΜΙΜΗΤΙΚΩΝ ΜΟΡΙΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ (ΚΛΙΝΙΚΕΣ ΔΟΚΙΜΕΣ) ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΔΟΜΗΣ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΟ ΠΡΟΪΟΝ

23

24 Β Α

25 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ

26

27 1 ο Βήμα: Εισαγωγή 2 ο Βήμα: Πλευρική διάχυση και πρόσδεση Ψάξε, προχώρα μπροστά, μη δειλιάσης ποτέ σου. Πάντα κάτι καινούργιο θα βγη για καλό του ανθρώπου. Ψάξε το χώμα που σκεπάζει και κρύβει. Ας μην έχης κασμάδες και φτυάρι. Με τα χέρια, την πέννα. Το νου! Βαγγέλη Παναγιώτη Λιάπη ( Ι Ελευσίνα, Αρχαία Εποχή, 1975 Εκδόσεις Παπανικολάου)

28 Σαν βγει στον πηγαιμό για την Ιθάκη μία φαρμακευτική ουσία χωρίς την κατάλληλη πανοπλία ο δρόμος της σίγουρα Θα ναι μακρύς Τους Λαιστρυγόνες που πολύ φοβάται το υδάτινο δηλαδή περιβάλλον δύσκολα θα τους νικήσει και με απώλειες συγκέντρωσης θα προχωρήσει. (νόμος κατανομής) Πορεία Φαρμάκου Προς την Ιθάκη Τους Κύκλωπες πρέπει να τους διαβεί. Το λιπόφιλο περιβάλλον της μεμβράνης. δεν είναι δυνατό ν αποφύγει. Κι αλίμονο αν δεν τα καταφέρει εδώ θα ξεστρατίσει. Κι ύστερα Έρχονται οι σειρήνες οι λογιών-λογιών πρωτεΐνες και χοληστερόλη όλα αυτά τα βιολογικά μόρια το ταξίδι δυσκολεύουν, η πλευρική διάχυση δεν κατευθύνεται ορθά. Τέλος εμφανίζεται η Κίρκη το ραβδί της μεταμόρφωσης κρατεί Αλλοίμονο, αν τις διαμορφώσεις του φαρμάκου ή του υποδοχέα ανεπιθύμητα αλλάξει!

29 Η Ιθάκη έδωσε το ωραίο ταξίδι στους ερευνητές Χωρίς αυτήν δεν θα βγαίνανε στον ορθολογικό σχεδιασμό. Κι αν πτωχική την βρήκαν, η Ιθάκη ποτέ δεν τους γελά Έτσι σοφοί που γίνονται με την ερευνητική τους εμπειρία Καταλαβαίνετε ότι η Ιθάκη είναι της ζωής τους η πορεία!!!!!

30 Cl N CH 2 -OH N O N N N N N N NH

31

32

33 Οι δυνατότητες της Μοριακής Μοντελοποίησης μπορούν να συνοψισθούν στις ακόλουθες: 1) Τριδιάστατη αναπαράσταση της μοριακής δομής 2) Χρήση μοριακών γραφικών για το χειρισμό του μοριακού συστήματος 3) Υπολογισμό και ελαχιστοποίηση της ενέργειας του μοριακού συστήματος 4) Διαμορφωτική Ανάλυση 5) Προσομοίωση του μοριακού συστήματος 6) Υπολογισμό των μοριακών ιδιοτήτων 7) Υπέρθεση μοριακών συστημάτων 8) Μελέτη πρόσδεσης μορίων σε υποδοχείς (docking) 9) Μελέτη ποσοτικού συσχετισμού δομής δράσης (Quantitative Structure Activity Relationships-QSAR) 10) Μελέτη μεταβολικών Ιδιοτήτων (Absorption-Distribution-Metabolism- Excretion-ADME).

34 Για να χαρακτηριστεί ένα φάρμακο ιδανικό πρέπει να παρουσιάζει τα πιο κάτω χαρακτηριστικά. Να είναι χημικά σταθερό (να μην αποσυντίθεται) Να είναι βιολογικά σταθερό (να μην μεταβολίζεται στον οργανισμό σε αδρανείς ενώσεις) Να παράγεται συνθετικά από φτηνά αντιδραστήρια και σε λίγα στάδια. Να έχει επιθυμητή διαλυτότητα Να έχει καινοτόμα δομή ώστε να κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας

35 (α) (β) (γ) (δ) Αναπαράσταση του αμινοξέος της φαινυλαλανίνης με: (α) ράβδους και σφαίρες (β) σύρμα (γ) ράβδους (δ) συμπαγείς σφαίρες. Ο άνθρακας παριστάνεται με άσπρο, το οξυγόνο με κόκκινο, το άζωτο με μπλε, το υδρογόνο με γαλάζιο.

36 Αναπαράσταση του πρωτεϊνικού υποδοχέα της ροδοψίνης με χρήση κορδελών.

37 Περιστροφή Σμίκρυνση Ala Παράδειγμα περιστροφής και σμίκρυνσης του αμινοξέος της αλανίνης.

38 A B Γ Δ Τιμές των μοριακών διαστάσεων (παρουσιάζονται με πράσινο χρώμα) από το τρισδιάστατο μοντέλο της φαινυλαλανίνης για: Α) μήκος δεσμού C-N:1,44 Ǻ, Β) γωνία δεσμού: 111,54ο, Γ) aπόσταση μεταξύ ανθράκων: 3,04 Ǻ, Δ) δίεδρη γωνία: 63,28ο.

39 Κινήσεις των ατόμων του συστήματος Διαμορφώσεις (γεωμετρία) του μορίου Οι κινήσεις των ατόμων σ ένα σύστημα δημιουργούν διαφορετικές διαμορφώσεις του συστήματος.

40 Ιδιότητες ενός μορίου Α. Τυπικό φορτίο Β. Λιποφιλικότητα (logp) Γ. Διπολική Ροπή

41 Το μόριο της ισταμίνης με τα σημειακά φορτία αναγραφόμενα στο κάθε άτομο που την απαρτίζει, (κάτω) απεικόνιση των μερικών φορτίων με χρήση νεφών από σημεία.

42

43

44 Calicene

45 1. Πού οφείλεται η ανάπτυξη του ορθολογικού σχεδιασμού φαρμάκων; 2. Ποιά είναι η πορεία που ακολουθείται κατά τον ορθολογικό σχεδιασμό φαρμακευτικών μορίων; 3. Τι είναι η Μοριακή Μοντελοποίηση και ποιές είναι οι πληροφορίες που μπορεί να παρέχει;

46 1.Η Μοριακή Μοντελλοποίηση α. Μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύνολο υπολογιστικών τεχνικών βασισμένων στη θεωρητική χημεία και σε πειραματικά δεδομένα Σ Λ β. Δεν μπορεί να βοηθήσει στην πρόβλεψη μοριακών, χημικών και βιοχημικών ιδιοτήτων. Σ Λ γ.αποτελεί μία γέφυρα μεταξύ θεωρίας και πειράματος Σ Λ

47 3.Η Μοριακή μοντελλοποίηση επιτρέπει κατά τη διαχείρηση των μοριακών συστημάτων στην επιφάνεια εργασίας την αλλαγή συμμετρίας του. Σ Λ 4. Η Μοριακή μοντελλοποίηση επιτρέπει κατά τη διαχείρηση των μοριακών συστημάτων στην επιφάνεια εργασίας την περιστροφή, μεταφορά και μεταβολή του μεγέθους του. Σ Λ 5. Μπορεί να γίνει ορθολογικός σχεδιασμός φαρμακευτικών μορίων με χρήση Μοριακής μοντελλοποίησης. Σ Λ

48 1.Η παρακάτω ιδιότητα δεν αποτελεί δυνατότητα της Μοριακής Μοντελλοποίησης α. τρισδιάστατη αναπαράσταση της δομής β. μελέτη αλληλεπίδρασης φαρμακευτικών μορίων στα κέντρα δράσης τους γ. προσομοιώσεις μοριακών συστημάτων δ. προβλέψεις χημικών συστατικών σ ένα φυσικό προϊόν

49 4. Η ακόλουθη μοριακή ιδιότητα δεν αναπαρίσταται α. Μοριακά φορτία μορίου β. Διπολικές Ροπές μορίου γ. Μοριακά Τροχιακά μορίου δ. Ανθεκτικότητα μορίου στην καύση 5. Για την ανάπτυξη της Μοριακής Μοντελλοποίησης συνέτειναν: α. η ανάπτυξη υπολογιστικών τεχνικών β. πειραματικά δεδομένα για τα κέντρα δράσης των φαρμακευτικών μορίων γ. ανάπτυξη των μοριακών γραφικών δ. γεωγραφική θέση της Ευρώπης

50 Ενέργεια Συστήματος

51 Υπολογισμοί ab - initio Ημιεμπειρικοί Μοριακή Μηχανική Τάξη Μεγέθους <10 άτομα άτομα άτομα Κβαντομηχανικές Μέθοδοι ενέργειες μοριακών τροχιακών και συντελεστών μοριακών τροχιακών ηλεκτροστατικά δυναμικά διπολικές ροπές γεωμετρία μεταβατικών καταστάσεων και οι ενέργειες που συνοδεύονται από αυτές ενέργειες διάσπασης δεσμών Μοριακή Μηχανική ελαχιστοποίηση ενέργειας εξεύρεση σταθερών διαμορφωμερών δημιουργία διαμορφωμερών μελέτη μοριακής κίνησης

52 Χαρακτηριστικά Μεθόδου Χρησιμοποιεί αρχές της κλασικής μηχανικής. Βασίζεται σε ενεργειακά πεδία με καθορισμένες πειραματικά παραμέτρους. Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Εφαρμογές Μοριακή Μηχανική Μικρές υπολογιστικές απαιτήσεις. πεδίο έχει ισχύ για Το κάθε ενεργειακό μία περιορισμένη Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την ομάδα παρεμφερών μορίων. ανάλυση μεγαλομοριακών συστημάτων. Δεν υπολογίζει η- λεκτρονικές ιδιότητες Απαραίτητη η ύπαρξη πειραματικών δεδομένων (ή δεδομένων από ab initio υπολογισμούς) για τον καθορισμό των παραμέτρων. Μεγάλα συστήματα (της τάξης των χιλίων ατόμων) Συστήματα και διαδικασίες που δεν περιλαμβάνουν διάσπαση ή δημιουργία δεσμών

53 Χρησιμοποιεί τις αρχές της κβαντομηχανικής. Χρησιμοποιεί παραμέτρους που έ- χουν εξαχθεί πειραματικά. Βασίζεται σε μία σειρά προσεγγίσεων Ημιεμπειρική Μέθοδος Λιγότερες υπολογιστικές απαιτήσεις σε σχέση με την ab initio, αλλά, μεγαλύτερες σε σχέσ με τη μοριακή μηχανική Δυνατότητα υπολογισμού μεταβατικών και διεγερμένων κατάστάσεων. Απαιτεί πειραματικά δεδομένα (ή δεδομένα από ab initio) για τον καθορισμό των παραμέτρων. Λιγότερο ακριβής σε σχέση με την ab initio. Ενδιάμεσου μεγέθους συστήματα (της τάξης των εκατό ατόμων). Συστήματα που περιλαμβάνουν μετακινήσεις ηλεκτρονίων (electronic transitions).

54 Χρησιμοποιεί αρχές κβαντομηχανικής. Μαθηματικώς ακριβείς υπολογισμοί. Δεν απαιτεί εμπειρικές παραμέτρους. Δεν εξαρτάται από πειραματικά δεδομενα. Δυνατότητα υπολογισμού μεταβατικών και διεγερμένων κατάστάσεων. Δυνατότητα υπολογισμού ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων Ab initio Μέθοδος Μεγάλες υπολογιστικές απαιτήσεις. Μικρά συστήματα (μερικές δεκάδες ατό-μων). Συστήματα που περιλαμβάνουν μετακινήσεις ηλεκτρονίων (electronic transitions). Μόρια ή συστήματα για τα οποία δεν διατίθενται πειραματικά δεδομένα.

55 Hooke Robert ( ) Οι γενικές αρχές στις οποίες βασίζεται η Μοριακή Μηχανική είναι οι ακόλουθες: Οι πυρήνες και τα ηλεκτρόνια των ατόμων θεωρούνται ενιαία σωματίδια-σφαίρες πάνω στις οποίες ασκούνται δυνάμεις. Οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων συμπεριφέρονται ως ελατήρια μεταξύ σφαιρών και διέπονται από το νόμο του Hooke. Η ενέργεια υπολογίζεται ως συνάρτηση των θέσεων των ατόμων στο χώρο. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των ατόμων-σφαιρών περιγράφεται από τους νόμους της κλασσικής μηχανικής.

56 E MM = E τάσης + E κάμψης + E δίεδρης + E vdw + E ηλεκτρο + E δεσμώνη + E περιοριστ. ΤΑΣΗ ΚΑΜΨΗ ΔΙΕΔΡΗ H H C H C H H H

57 Ενέργεια τάσης δεσμού (αριστερά) Εξίσωση ενέργειας τάσης δεσμού σε συνάρτηση με την απόσταση που βρίσκονται τα δύο δεσμικά άτομα. (δεξιά) Γραφική παράσταση της εξίσωσης ενέργειας τάσης δεσμού σε συνάρτηση με το μήκος δεσμού.

58 Ενέργεια κάμψης δεσμού

59

60

61

62 Ενέργεια δίεδρης γωνίας (αριστερά) Ενέργεια συνάρτησης με τη δίεδρη γωνία τ η οποία ορίζεται από τα εικονιζόμενα τέσσερα άτομα. (δεξιά) Γραφική παράσταση της ενέργειας σε συνάρτηση με τη δίεδρη γωνία τ.

63 Μη δεσμικές αλληλεπιδράσεις Ε LJ σ ε απωστική δύναμη ελκτική δύναμη Δυναμικό Lennard-Jones ανάμεσα σε δύο άτομα που πλησιάζουν, σε συνάρτηση με την μεταξύ τους απόσταση r. Η δύναμη που αναπτύσσεται είναι ελκτική μέχρι το r να γίνει ίσο με την απόσταση van der Waals, και μετά γίνεται απωστική.

64 Ενεργειακή συνεισφορά Kcal. mol -1 Τάση δεσμού 100 Κάμψη δεσμού 10 Δίεδρες γωνίες 10 Δεσμοί υδρογόνου 2 Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις 0,5 Van der Waals αλληλεπιδράσεις 0,1 Τάξη μεγέθους της ενεργειακής συνειφοράς των διαφόρων τύπων δεσμών σε ένα μοριακό σύστημα.

65 Διαμόρφωση του αντιυπερτασικού μορίου telmisartan. Για διαφορετικές τιμές της διηλεκτρικής σταθεράς λαμβάνουμε διαφορετική τιμή της δυναμικής ενέργειας. Ενεργειακή συνεισφορά ε=1 ε=45 ε=90 Τάσης δεσμού 2,4699 2,4699 2,4699 Κάμψης γωνίας 6,0348 6,0348 6,0348 Δίεδρης γωνίας 6,7819 6,7819 6,7819 Van der Waals 7,9950 7,9950 7,9950 Ηλεκτροστατικές -100,4993-2,2333-1,1167 Περιοριστικές 0,00 0,00 0,00 Συνολική -77, , ,1650

66 ενέργεια Ελαχιστοποίηση ενέργειας Διαμόρφωση Υψηλής Ενέργειας Τοπικό ελάχιστο Τ 1 Τ 2 Ολικό ελάχιστο συντεταγμένες F(X) = F(X O ) + (X X O )F (X O ) + ½(X X O ) 2 F (X O ) + όπου, F, η πρώτη παράγωγος της συνάρτησης και F, η δεύτερη παράγωγος της συνάρτησης. Βασικά προβλήματα: Πού (κατεύθυνση)? Πόσο (μέγεθος βήματος)? f(x,y) Θέλουμε να φτάσουμε εδώ

67 Steepest Descents Conjugated Gradients

68 ΥΠΕΡΘΕΣΗ ΜΟΡΙΩΝ

69 Όταν ελαχιστοποιείται η ενέργεια ενός μορίου μεταβάλλονται: α) η ενέργεια δεσμού Σ Λ β) γωνίες δεσμών Σ Λ γ) δίεδρες γωνίες Σ Λ δ) διαμόρφωση δακτυλίων Σ Λ ε) οι δομές των δακτυλίων Σ Λ στ) οι θέσεις των ατόμων ή δεσμών Σ Λ

70 Ποιος ή ποιοι από τους παρακάτω συνδυασμούς είναι ορθός / ορθοί; Διαμόρφωση Αρχική Ενέργεια Μορίου Ενέργεια μορίου μετά από ελαχιστοποίηση Α 10 7 Β Γ Δ 40 45

71 Ενέργεια 1. Α Β Γ Ε Δ Διαμόρφωση α) Εφαρμογή αλγορίθμων ελαχιστοποίησης οδηγεί στο απόλυτο ελάχιστο Δ ενώ το μόριο βρίσκεται στη διαμόρφωση Α Σ ή Λ β) Εφαρμογή αλγορίθμων ελαχιστοποίησης οδηγεί στο απόλυτο ελάχιστο Δ εάν το μόριο βρίσκεται στη διαμόρφωση Ε. Σ ή Λ γ) Εφαρμογή αλγορίθμων ελαχιστοποίησης εάν το μόριο βρίσκεται στη διαμόρφωση Γ. Σ ή Λ

72 Κατηγορίες αλγορίθμων διαμορφωτικής ανάλυσης Οι αλγόριθμοι διαμορφωτικής αναζήτησης διακρίνονται στις εξής κύριες κατηγορίες: συστηματικής αναζήτησης τυχαίας αναζήτησης μοριακή δυναμική.

73

74 Δυναμική Ενέργεια A Β A Β Γ Δ -120 ο -60 ο 0 ο 60 ο 120 ο Γ Δ Δίεδρη τ 3

75

76 τ 2 ( ο ) τ 1 ( ο )

77 Συνδυαστική έκρηξη 5 δίεδρες ο /30 ο 7 δίεδρες ο /30 ο sec/διαμόρφωση ~36 εκ. 70 ώρες 400 μέρες!!!

78 Μοντε Κάρλο

79

80

81

82

83

84

85

86 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΕΥΡΕΣΗ ΕΥΝΟΪΚΟΤΕΡΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΜΟΡΙΟΥ ΘΕΩΡΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ Κβαντομηχανική (Αb Initio) Μοριακή Μηχανική ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ NMR Ακτίνες Χ Κρυσταλλογραφία

87 Οικογένειες διαμορφώσεων

88 1. H Μοριακή Δυναμική είναι η μόνη μέθοδος προσομοίωσης μοριακών συστημάτων. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ Σ ή Λ 2. Η Μοριακή Δυναμική είναι η προσομοίωση των εσωτερικών κινήσεων του μορίου. Σ ή Λ 3. Στην Μοριακή Δυναμική τα άτομα συμπεριφέρονται ως σωματίδια για τα οποία ισχύουν οι εξισώσεις κίνησης του Νεύτωνα. Σ ή Λ 4. Η προσομοίωση με χρήση Μοριακής Δυναμικής σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (1500 Κ) δεν έχει κάποιο νόημα για τη διαμορφωτική ανάλυση. Σ ή Λ

89 1. Συστηματική προσέγγιση εφαρμόζεται σε μόρια τα οποία περιέχουν πολύ μεγάλο αριθμό δίεδρων γωνιών. Σ Λ 2. Για μόρια με πολλές αλληλοεξαρτώμενες δίεδρες γωνίες η συστηματική προσέγγιση δεν ενδείκνυται. Σ Λ 3. Η μέθοδος της τυχαίας επιλογής είναι συμπληρωματική αυτής της συστηματικής προσέγγισης. Σ Λ 4. Οι αλγόριθμοι διαμορφωτικής ανάλυσης παρέχουν πολλά τοπικά ελάχιστα και ίσως το απόλυτο ελάχιστο. Σ Λ 5. Είναι επιθυμητή η ανίχνευση ενός μόνο τοπικού ελαχίστου κατά τη χρήση τυχαίας προσέγγισης διαμορφωτικής ανάλυσης; Σ Λ

90 1. Το μόριο ελαχιστοποιείται σ ενέργεια συνήθως πριν να εφαρμοσθούν οι μέθοδοι ανάλυσης διαμορφωτικού χώρου. Σ Λ 2. Δεν υπάρχει μέθοδος ανάλυσης διαμορφωτικού χώρου που να παρέχει το απόλυτο ελάχιστο. Σ Λ 3. Στα διαγράμματα ισοενεργειακών καμπυλών μπορούν να προσδιοριστούν τα ενεργειακά φράγματα από τη μεταπήδηση από μία διαμόρφωση σ άλλη. Σ Λ 9. Καμμία διαμορφωτική μέθοδος δεν είναι πανάκεια στην εύρεση του απόλυτου ελαχίστου ενεργειακά για μία συγκεκριμένη ευέλικτη χημική ένωση. Σ Λ

91 1. Περιστροφή κατά 30 ο γύρω από τις δίεδρες γωνίες του παραπάνω σχήματος θα παράγει τον ακόλουθο αριθμό διαμορφώσεων. (α) 12 2 (β) 12 3 (γ) 12 4 (δ) Σε εύκαμπτα μόρια δεν χρειάζονται να εφαρμοσθούν οι διαμορφωτικές μεθόδοι (α) ορθό (β) λάθος (γ) δεν μπορούμε να αποφανθούμε (δ) σπάνια χρειάζονται 7. Σε ένα μόριο η χρήση συστηματικής έρευνας διαμορφωτικού χώρου είναι εφικτή (α) αν αποτελείται από μικρό αριθμό δίεδρων γωνιών (β) αν αποτελείται από δίεδρες γωνίες οι οποίες δεν επηρεάζονται μεταξύ τους (γ) α και β είναι ορθά (δ) α και β είναι λανθασμένα 8. Οι υπερθέσεις παραγώγων ευέλικτων μορίων πρέπει να γίνεται όταν αυτά έχουν ίδια διαμόρφωση. α) πάντοτε ορθό β) πάντοτε λάθος γ) μερικώς ορθό δ) μερικώς λάθος 9. Τα άτομα 1,1 και 5,5 στο παρακάτω ζεύγος μορίων καλούνται: α) όμοια β) ίσα γ) υπερθετικά ισοδύναμα δ) κανένα από τα παραπάνω

92 1. Αύξηση της θερμοκρασίας στη Μοριακή Δυναμική επιτρέπει στα διαμορφωμερή : α) αύξηση του ρυθμού των συγκρούσεων στα άτομα που απαρτίζουν το μοριακό σύστημα β) στην υπερπήδηση ενεργειακών φραγμών γ) ελαττωμένη κινητικότητα των ατόμων του μορίου δ) α και γ ορθά 2. Στη μοριακή δυναμική κάθε άτομο θεωρείται ότι συμπεριφέρεται ως σωματίδιο που ανταποκρίνεται α) στην εξίσωση κίνησης του Νεύτωνα β) στις εξισώσεις κίνησης του Einstein γ) α και β ορθά δ) α και β λάθος 3. Η Μοριακή Δυναμική επιτυγχάνεται με προσομοίωση των δυναμικών κινήσεων ενός μορίου όταν: α) μεταβάλλει τη διαμόρφωση από μη διεγερμένη σε διεγερμένη κατάσταση β) ταλαντώνεται και υφίσταται εσωτερική περιστροφή γ) κινείται και συγκρούεται με άλλα μόρια δ) α, β, γ ορθά 4. Η Μοριακή Δυναμική : α) αποτελεί μια μέθοδο Διαμορφωτικής Ανάλυσης β) με χρήση της μπορούν να υπολογιστούν χαμηλής ενέργειας διαμορφωμερή γ) με χρήση τους πιθανά να ευρεθεί το απόλυτο ελάχιστο στο μόριο δ) α, β, γ είναι ορθά

93 5. Η Μοριακή Δυναμική δεν εφαρμόζεται σε διάφορες θερμοκρασίες. Σ ή Λ 6. Η μέθοδος Monte Carlo επιτυγχάνει την υπερπήδηση ενεργειακών φραγμάτων μέσω αύξησης της θερμοκρασίας προσομοίωσης. Σ ή Λ

94 7. Το αρχείο τροχιάς (trajectory file) περιλαμβάνει πληροφορίες για τις ατομικές συντεταγμένες που καταγράφονται σε κάθε βήμα της προσομοίωσης. Σ ή Λ 8. Simulation annealing είναι μια τεχνική στην οποία το μόριο ψύχεται σταδιακά ώστε να λαμβάνονται ενεργειακά ελάχιστα. Σ ή Λ 9. Με τη χρήση της Μοριακής Δυναμικής μπορούμε να εξακριβώσουμε τη σταθερότητα στο χρόνο κάποιων ομάδων του μορίου σε σχέση με άλλες. Σ ή Λ

95 1. Αύξηση της θερμοκρασίας στη Μοριακή Δυναμική επιτρέπει στα διαμορφωμερή : α) αύξηση του ρυθμού των συγκρούσεων στα άτομα που απαρτίζουν το μοριακό σύστημα β) στην υπερπήδηση ενεργειακών φραγμών γ) ελαττωμένη κινητικότητα των ατόμων του μορίου δ) α και γ ορθά 2. Στη μοριακή δυναμική κάθε άτομο θεωρείται ότι συμπεριφέρεται ως σωματίδιο που ανταποκρίνεται α) στην εξίσωση κίνησης του Νεύτωνα β) στις εξισώσεις κίνησης του Einstein γ) α και β ορθά δ) α και β λάθος

96 Συστηματική προσέγγιση εφαρμόζεται σε μόρια τα οποία περιέχουν πολύ μεγάλο αριθμό δίεδρων γωνιών. Σ Λ Για μόρια με πολλές αλληλοεξαρτώμενες δίεδρες γωνίες η συστηματική προσέγγιση δεν ενδείκνυται. Σ Λ Η μέθοδος της τυχαίας επιλογής είναι συμπληρωματική αυτής της συστηματικής προσέγγισης. Σ Λ Οι αλγόριθμοι διαμορφωτικής ανάλυσης παρέχουν πολλά τοπικά ελάχιστα και ίσως το απόλυτο ελάχιστο. Σ Λ

97 Είναι επιθυμητή η ανίχνευση ενός μόνο τοπικού ελαχίστου κατά τη χρήση τυχαίας προσέγγισης διαμορφωτικής ανάλυσης; Σ Λ Το μόριο ελαχιστοποιείται σ ενέργεια συνήθως πριν να εφαρμοσθούν οι μέθοδοι ανάλυσης διαμορφωτικού χώρου. Σ Λ Δεν υπάρχει μέθοδος ανάλυσης διαμορφωτικού χώρου που να παρέχει το απόλυτο ελάχιστο. Σ Λ Στα διαγράμματα ισοενεργειακών καμπυλών μπορούν να προσδιοριστούν τα ενεργειακά φράγματα από τη μεταπήδηση από μία διαμόρφωση σ άλλη. Σ Λ Καμμία διαμορφωτική μέθοδος δεν είναι πανάκεια στην εύρεση του απόλυτου ελαχίστου ενεργειακά για μία συγκεκριμένη ευέλικτη χημική ένωση. Σ Λ

98 OH Στο παρακάτω μόριο ο αριθμός των ευέλικτων δίεδρων γωνιών είναι (α) 2 (β) 3 (γ) 4 (δ) 5 Περιστροφή κατά 30 ο γύρω από τις δίεδρες γωνίες του παραπάνω σχήματος θα παράγει τον ακόλουθο αριθμό διαμορφώσεων. (α) 12 2 (β) 12 3 (γ) 12 4 (δ) 12 5

99 .Σε εύκαμπτα μόρια δεν χρειάζονται να εφαρμοσθούν οι διαμορφωτικές μεθόδοι (α) ορθό (β) λάθος (γ) δεν μπορούμε να αποφανθούμε (δ) σπάνια χρειάζονται Σε ένα μόριο η χρήση συστηματικής έρευνας διαμορφωτικού χώρου είναι εφικτή (α) αν αποτελείται από μικρό αριθμό δίεδρων γωνιών (β) αν αποτελείται από δίεδρες γωνίες οι οποίες δεν επηρεάζονται μεταξύ τους (γ) α και β είναι ορθά (δ) α και β είναι λανθασμένα Οι υπερθέσεις παραγώγων ευέλικτων μορίων πρέπει να γίνεται όταν αυτά έχουν ίδια διαμόρφωση. α) πάντοτε ορθό β) πάντοτε λάθος γ) μερικώς ορθό δ) μερικώς λάθος Τα άτομα 1,1 και 5,5 στο παρακάτω ζεύγος μορίων καλούνται: α) όμοια β) ίσα CH CO 2 CH 3 3 γ) υπερθετικά ισοδύναμα H N δ) κανένα από τα παραπάνω 5 O 4 2 O 3 H 3 CH 2 C O 2 3 N 4 C O 5 H 3 CH 2 C 1 H 1 NH 2 κοκαΐνη προκαΐνη

100 Στο κυκλοεξάνιο η διαφορά ενέργειας μεταξύ ανακλίντρου και twist-boat (στρεβλού λουτήρα) είναι της τάξης των α) 1 Kcal. mol -1 β) 10 Kcal. mol -1 γ) 5 Kcal. mol -1 δ) 50 Kcal. mol -1 Τα μόρια μπορούν να μεταβάλουν τις γεωμετρίες τους με διεργασίες που εμπλέκουν μεταβολές στις δίεδρες γωνίες. Η μελέτη των γεωμετριών αυτών και των συνδεόμενων ενεργειών καλείται: α) διαμορφωτική δυναμική β) διαμορφωτική ανάλυση γ) κανένα από τα α και β δ) το α και το β Όταν ένα μόριο περιέχει δύο περιστρεφόμενους δεσμούς, η διαμορφωτική δυναμική επιφάνεια μπορεί να απεικονισθεί με ισοϋψείς καμπύλες που ενώνουν σημεία τα οποία έχουν ίδια: α) ενέργεια β) δίεδρη γωνία γ) το α και το β δ) κανένα από τα α και β H παράσταση της διαμορφωτικής αναλυτικής επιφάνειας σε μόρια με πολλόυς περιστρεφόμενους δεσμούς α) έχει γεωμετρική σημασία β) δεν έχει γεωμετρική σημασία γ) άλλοτε έχει και άλλοτε δεν έχει δ) κανένα από τα παραπάνω

101 Μοριακή Πρόσδεση + = ΔG=ΔΗ-ΤΔS<0 ΔG=ΔΗ-ΤΔS>0

102 Μοριακή Πρόσδεση

103 ΜΙΑ ΕΠΙΤΥΧΗΣ ΙΣΤΟΡΙΑ!

104

105

106 HO Computational Binding Energy with HIV-1 PR (kj/mol) Experimental Binding Affinities (μm)

107 HN OH O NH O O Computational Binding Energy with HIV-1 PR (kj/mol) Experimental Binding Affinities (μm)

108 amprenavir K i = 0.6 nm K i = 0.07 nm

109

110 Αλληλεπιδράσεις με λιποειδείς διπλοστιβάδες

111

112 1. Ποια εμπόδια βρίσκει ένα φαρμακευτικό προϊόν για να αλληλεπιδράσει με τη βιολογική μεμβράνη ή με κάποιο διαμεμβρανικό υποδοχέα; 2. Σε ποια άλλα κέντρα νομίζετε μπορεί να εξασκήσει τη δράση του ένα μόριο; 3. Τι άλλα εμπόδια νομίζετε μπορεί να βρει ένα μόριο για να εξασκήσει τη βιολογική του δράση;

113 Τριδιάστατες Σχέσεις Δομής Δράσης (3D QSAR)

114 ΒΙΟΔΡΑΣΤΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ

115 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΝΟΕ Η Α - Η β Η Α Η Β

116 ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Grid Scan Monte Carlo Dynamics ΣΥΖΕΥΞΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΘΕΩΡΗΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΠΟΥ ΙΚΑΝΟΠΟΙΟΥΝ ΤΑ NOE ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΕΛΙΚΑ ΔΙΑΜΟΡΦ. ΓΕΩΜ. ΑΠΟΣΤ.

117 3D QSAR ΜΟΝΤΕΛΑ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗ ΣΧΕΣΗΣ ΔΟΜΗΣ ΔΡΑΣΗΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΝΕΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΜΕ ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΗ ΔΡΑΣΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΔΡΑΣΗΣ ΕΝΩΣΕΩΝ ΠΟΥ ΔΕΝ ΕΧΟΥΝ ΣΥΝΤΕΘΕΙ

118

119

120 Cl A E F L G M H I H N K O N C D O Cl B O Compounds B C E F G H K L M Pred. 12 H CH 2 H CH 2 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH LF21 H CH 2 H CH 2 Cl CH 2 CH 2 CH 2 CH LF22 H NH NHCH 3 CH 2 CN CH 2 CH 2 CH 2 CH LF23 H NH H NH Cl CH 2 NH CH 2 CH LF24 H NH H NH CN CH 2 NH CH 2 CH LF25 H NH H CH 2 CN CH 2 NH CH 2 CH LF26 H CH 2 H CH 2 CH 3 CH 2 CHCF 3 CH 2 NH 366 LF27 CHO CH 2 H CHCH 3 CH 3 NH CH 2 CH 2 CH LF28 CHO CH 2 H CHCH 3 CH 3 CH 2 CH 2 NH NH 366 LF29 H NH H CH 2 CN CH 2 NH NH CH LF30 CHO CH 2 H CHCH 3 CH 3 NH NH CH 2 CH LF31 CHO CH 2 H CH 2 CH 3 NH NH CH 2 CH LF32 H CHCH 2 OH H CH 2 Cl CH 2 NH CH 2 CH LF33 H CH 2 H CH 2 CN CH 2 NH CH 2 NH 362 LF34 H NH H CH 2 CN CH 2 CH 2 CH 2 CH LF35 H CH 2 H NH CN CH 2 NH CH 2 CH LF36 H NCOCH 3 H CH 2 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 349

121 Samples T ' /C (calc.) T ' /C (exp) LF LF

122 ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙΝΟΤΟΜΩΝ ΒΙΟΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΚΑΝΝΑΒΙΝΟΕΙΔΩΝ

123

124 3D στα Κανναβινοειδή

125

126 Τοπογραφικός εντοπισμός AMG3 στις λιπιδικές διπλοστιβάδες S. Durdagi, M. Papadopoulos, T. Mavromoustakos. An effort to discover the preferred conformation of the potent AMG3 cannabinoid analog when reaching the active sites of the cannabinoid receptors. Eur. J. Med. Chem. 47(1) (2012).

127 S. Durdagi, M. Papadopoulos, T. Mavromoustakos. An effort to discover the preferred conformation of the potent AMG3 cannabinoid analog when reaching the active sites of the cannabinoid receptors. Eur. J. Med. Chem. 47(1) (2012).

128

129 ΑΝΑΣΤΟΛΕΙΣ ΑΣΠΑΡΤΙΚΩΝ ΠΡΩΤΕΑΣΩΝ

130 ΑΣΠΑΡΤΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΑΣΕΣ HIV, ΥΠΕΡΤΑΣΗ, Alzheimer s ΔΥΟ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΕΣ ΟΜΑΔΕΣ ΜΕ Asp ΣΤΟ ΕΝΕΡΓΟ ΚΕΝΤΡΟ Asp Thr Gly Asp Ser Gly

131 Asp Thr Gly HIV-1 PR

132 Darunavir Bound to HIV-1 PR J.Chem.Inf.Model. 2012, dx.doi.org/ /ci3 0014z NH 2 H 3 C HO H 3 C O S N O O NH O H ΔG bind = kcal/mol, electrostatics, (van der Waals, and nonpolar contribution to solvation) O H O Darunavir

133 Renin Asp Thr Gly

134 ΑΛΙΣΚΙΡΕΝΗ ΔΕΣΜΕΥΜΕΝΗ ΣΤΗ ΡΕΝΙΝΗ Mol. Inf. 2011, 30, Aliskiren ΔG bind = 12.0 kcal/mol, van der Waals and nonpolar contribution to solvation are prevalent

135 J.Med.Chem. 2012, DOI: /jm300180r

136 ΔΙΠΛΟΙ ΑΝΑΣΤΟΛΕΙΣ ΔG bind = kcal/mol ΔG bind = 9.44 kcal/mol ΔG bind,exp = 9.55 kcal/mol

137 ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΕΣ ΚΑΙ van der Waals ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ

138 HIV-1 ΠΡΩΤΕΑΣΗ Renin AIDS ΥΠΕΡΤΑΣΗ Patients on HAART have a higher risk of developing hypertension. Highly-active antiretroviral therapy (HAART) Combat AIDS Eur J Clin Microbiol Infect Dis, 2003, 22, AIDS. 2005, 19(9),

139