Σχεδιασμός Φαρμάκων Ηλίας Ηλιόπουλος Εργαστήριο Γενετικής, Τμήμα Βιοτεχνολογίας, Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών 1
Εισαγωγή Η σύνθεση ουσιών με θεραπευτικές ιδιότητες είναι μία διαδικασία με προϊστορία πολλών χιλιάδων ετών. Ήδη από την αρχαία Αίγυπτο την δεύτερη προ Χριστού χιλιετηρίδα υπάρχουν πληροφορίες για χημικές ενώσεις, κυρίως φυτικά εκχυλίσματα με θεραπευτικές ιδιότητες. Ο κύριος τρόπος εύρεσης των θεραπευτικών ιδιοτήτων χημικών ενώσεων ήταν είτε η τυχαία ανακάλυψη μετά από παρατήρηση, όπως η πενικιλίνη είτε η συστηματική δοκιμή μεγάλου αριθμού χημικών ενώσεων, τεχνικές που ακόμα εφαρμόζονται. 2
Με την κατανόηση των μοριακών αλληλεπιδράσεων των ουσιών που προκαλούν τις ασθένειες είτε αυτά είναι παθογόνα (μολυσματικές ασθένειες) είτε ανεξέλεγκτες μοριακές διεργασίες (καρκίνοι) ο σχεδιασμός φαρμάκων πήρε μία άλλη κατεύθυνση. Η χρήση της μεθοδολογίας του σχεδιασμού φαρμάκων με βάση την δομή έχει επεκταθεί παρά πολύ τα τελευταία χρόνια. Η αύξηση της γνώσης των αναλυτικών δομών πολλών πρωτεϊνών με ιατρική σημασία οφείλεται σε πολλούς παράγοντες. Με την μοριακή βιολογία είναι δυνατόν να έχουμε μεγάλες ποσότητες καθαρής πρωτεΐνης. Η μεθοδολογία καθαρισμού έχει βελτιωθεί χάρις σε νέες μεθόδους χρωματογραφίας. Τα συστήματα έκφρασης της πρωτεΐνης διευκολύνουν την παραγωγή πρωτεϊνών με ισοτοπικά χαρακτηριστικά για τον εντοπισμό της δομής με ΝΜR. Οι πηγές παραγωγής ακτίνων Χ είναι πλέον πολύ ισχυρές και η δυνατότητα χρησιμοποίησης πολύ χαμηλών θερμοκρασιών διευκολύνουν την συλλογή κρυσταλλογραφικών δεδομένων από μικρούς κρυστάλλους και για πολύ ευαίσθητες πρωτεΐνες. 3
Ο ρυθμός προσδιορισμού πρωτεϊνικών δομών διπλασιάζεται ετήσια. Ο μεγάλος αριθμός δομικών προσδιορισμών σε πρωτεΐνες σχετικές με την ιατρική αντικατοπτρίζει την γενική αποδοχή ότι η δομή ενός πιθανού φαρμακευτικού στόχου είναι πολύτιμη γνώση και για τους σχεδιαστές φαρμάκων αλλά και για την εξέλιξη τους και για την κατανόηση της τοξικότητας ή βιοαποδοτικότητας. Η γνώση της αλληλεπίδρασης φαρμάκου και στόχου επιτρέπει την ευκολότερη βελτίωση της χημικής ένωσης με ένα λογικό τρόπο. 4
5
6
Ο δρόμος από την ανακάλυψη μίας ένωσης που δεσμεύεται ισχυρά από μία πρωτεΐνη μέχρι την διάθεση του σαν φάρμακο είναι πολύ μακρύς. Ένας καλός αναστολέας ενός ενζύμου μπορεί να τοξικός, να προκαλεί τερατογένεση, ή να μεταβολίζεται γρήγορα ή να αδυνατεί να φτάσει στον χώρο που βρίσκεται η πρωτεΐνη στόχος σε ικανή ποσότητα ή να είναι ασταθής στο διάλυμα ή ακόμα δύσκολο ή ασύμφορο να συντεθεί. Τα κριτήρια για να επιτραπεί η κυκλοφορία ενός φαρμάκου είναι πολύ αυστηρά και αυτός είναι ο κύριος λόγος που οι περισσότερες ενώσεις δεν γίνονται ποτέ φάρμακα. Η πρόβλεψη του πώς μία χημική ένωση θα επηρεάσει τα μεταβολικά, μεταφορικά μονοπάτια και τις διεργασίες μεταβίβασης βιοχημικών σημάτων στο ανθρώπινο σώμα είναι αδύνατη όση γνώση και να είναι διαθέσιμη από φαρμακολογική ή τοξικολογική άποψη για μία χημική ένωση. 7
Η εμφάνιση του σχεδιασμού φαρμάκων βασισμένου στην σχέση δομής-δράσης είναι μία νέα τεχνολογία παγκοσμίου ενδιαφέροντος. Η πραγματική της συμβολή γίνεται γνωστή μετά από δεκαετίες εφαρμογής, επειδή τόσος είναι ο χρόνος για να διερευνηθούν πολλές περιπτώσεις σχεδιασμού και εφαρμογής τους. Προς το παρόν το πεδίο είναι γεμάτο εκπλήξεις και συνεχώς αναπτύσσεται. 8
9
Χρονοδιάγραμμα εξέλιξης φαρμακολογικής ένωσης από την αρχική μορφή μέχρι την παραγωγή. 10
Σχεδιασμός φαρμάκων με βάση την δομή του στόχου Βρίσκοντας την αρχική ένωση με φαρμακολογικές ιδιότητες (lead compound) Ο προσδιορισμός της τρισδιάστατης δομής ενός στόχου πρωτεΐνης, ανεξάρτητα από τις δυσκολίες που προβάλλονται είναι μόλις το πρώτο βήμα στον σχεδιασμό αναστολέων με βάση την δομή. Το επόμενο βήμα είναι να βρεθεί μία αρχική χημική ένωση που να δεσμεύεται από την πρωτεΐνη στόχο. Συχνά αυτή έχει χαμηλή σταθερά δέσμευσης ή είναι πολύ τοξική ή ασταθής αλλά αποτελεί την απαρχή του σχεδιασμού μορίων με βελτιωμένες φαρμακολογικές ιδιότητες. Στην φαρμακοβιομηχανία μία καλή αρχή είναι μία χημική ένωση με σταθερά αποχωρισμού της τάξης των 10 μμ ή καλλίτερη. Έτσι μία βελτίωση των τριών ή τεσσάρων τάξεων μεγέθους μπορεί να οδηγήσει σε ένα επιτυχημένο φάρμακο. 11
Είναι ακόμα ένας άθλος η απ αρχής σχεδίαση μίας χημικής ένωσης με μόνο στοιχείο την δομή της πρωτεΐνης στόχος παρά τις πολύ ανεπτυγμένες υπολογιστικές τεχνικές. Ενδεικτικά οι πιο επιτυχημένες προσπάθειες έδωσαν 2-20% των προτεινόμενων ουσιών με μμ σταθερά αποχωρισμού. 12
Στην πραγματικότητα όμως ο πιο γρήγορος τρόπος για τον προσδιορισμό των αρχικών χημικών ενώσεων είναι η σε διάλυμα δοκιμή μιας μεγάλης σειράς συνθετικών ή χημικών ενώσεων από την φύση. Συνήθως μερικές εκατοντάδες χιλιάδες ενώσεις μπορούν να δοκιμαστούν σε μερικούς μήνες χρησιμοποιώντας διαλύματα πολλαπλών ενώσεων και τεχνολογία ρομπότ. Στις στρατηγικές αναλύσεις περιλαμβάνονται μικροβιακές σούπες και εκχυλίσματα φυτών. Για εκατομμύρια χρόνια η φύση σχεδιάζει χημικές ενώσεις που δεσμεύονται ισχυρά από πρωτεΐνες εχθρικών ή ανταγωνιστικών οργανισμών. Μερικές από αυτές είναι τόσο πολυσύνθετες πού είναι αδύνατον να φανταστεί κανείς ότι οι σύγχρονες σχεδιαστικές μέθοδοι μπορούν να φτάσουν σε τέτοια αποτελέσματα. Για να ανταγωνιστούν την πολυπλοκότητα των ενώσεων που μόνο η φύση διαθέτει πολλές ερευνητικές ομάδες δοκιμάζουν αναλυτικές τεχνικές, για την ανακάλυψη ισχυρών αναστολέων, που χρησιμοποιούν συνδυαστικές βιβλιοθήκες. 13
Για παράδειγμα, η χρήση της μεθοδολογίας έκθεσης φάγου (Phage display) βασίζεται στην έκθεση τυχαίων ολιγοπεπτιδίων στην επιφάνεια ενός φάγου. Η βιβλιοθήκη του φάγου, που συνήθως περιέχει 10 6-10 8 διαφορετικά ολιγοπεπτίδια, αναμιγνύεται με την πρωτεΐνη στόχο που βρίσκεται ακινητοποιημένη στην επιφάνεια ενός δίσκου. Οι φάγοι που δεν δεσμεύονται απομακρύνονται δια πλύσεως ενώ από αυτούς που παραμένουν δεσμευμένοι αναγνωρίζεται η ακολουθία του πεπτιδίου που αλληλεπιδρά με την πρωτεΐνη στόχο. Χημικές βιβλιοθήκες, διαλύματα πολλών συνθετικών ενώσεων όπου το μία κεντρική ομάδα σκελετός δια μορφώνεται σε διαφορετικές θέσεις με επιλογές από μια μεγάλη ποικιλία από διαφορετικούς υποκαταστάτες είναι μία επίσης σύγχρονη επιλογή για την εύρεση ενός αρχικού φαρμακοφόρου. 14
Εναλλακτικά, ο έλεγχος σύνδεσης από βιβλιοθήκες συνθετικών πεπτιδίων και ολιγονουκλεοτιδίων προσφέρει την δυνατότητα του εντοπισμού ενώσεων εκτός των φυσικών πεπτιδίων και νουκλεοτιδίων. Πεπτιδοειδή, όπως γραμμικά ολιγομερή αντικαταστάτες της γλυκίνης είναι ενώσεις που υπόσχονται πολλά σαν υποψήφια φάρμακα επειδή είναι μεταβολικά σταθερά στις πρωτεάσες. 15
Χημικές βιβλιοθήκες, διαλύματα πολλών συνθετικών ενώσεων όπου μία κεντρική ομάδα σκελετός διαμορφώνεται σε διαφορετικές θέσεις με επιλογές από μια μεγάλη ποικιλία από διαφορετικούς υποκαταστάτες είναι μία επίσης σύγχρονη επιλογή για την εύρεση ενός αρχικού φαρμακοφόρου. 16
Βρίσκοντας την αρχική ένωση με φαρμακολογικές ιδιότητες (lead compound) 17
Βελτιώνοντας την αρχική ένωση. Οι αρχικές δοκιμές συνήθως αποδίδουν ενώσεις που είναι μακριά από ιδανικές. Αυτά τα μόρια πρέπει να βελτιωθούν. Σε αυτό το σημείο η δομή του συμπλόκου της πρωτεΐνης στόχος με το μόριο για βελτιστοποίηση μπορεί να είναι πολύ χρήσιμη για να προταθούν τρόποι βελτιστοποίησης της συνδετικότητας του υποψηφίου φαρμάκου με τον στόχο. Τα υπολογιστικά εργαλεία που έχουν σχεδιαστεί για αυτό τον σκοπό είναι χρήσιμα αλλά μακριά από τέλεια. Η απ αρχής θεωρητική πρόβλεψη της σταθεράς σύνδεσης μίας ένωσης σε μία πρωτεΐνη δεν είναι ακόμα δυνατή εξ αιτίας της αρκετά πρωτόγονης παραμετροποίησης των μοριακών αλληλεπιδράσεων, της κατανόησης της δράσης του νερού σαν συναγωνιστή στην δημιουργία υδρογονικών δεσμών, με τις van der Waals αλληλεπιδράσεις του με πρωτεΐνη και υπόστρωμα, με την δράση του σαν ηλεκτροστατικός μονωτής. 18
Βελτιώνοντας την αρχική ένωση. Ένα δεύτερο πρόβλημα είναι η ατελής ηλεκτροστατική περιγραφή της πρωτεΐνης και του υποστρώματος. Δεν είναι μόνο δύσκολος ο προσδιορισμός μερικών σημειακών ηλεκτροστατικών φορτίων αλλά πρέπει να ληφθούν υπ όψη και η αλλαγή της κατανομής τους εξ αιτίας της πόλωσης που παρατηρείται από την αλληλεπίδραση πρωτεΐνης και υποστρώματος. Όσον δε αφορά τον υπολογισμό της ελεύθερης ενέργειας οι πολλοί βαθμοί ελευθερίας κάνουν τον στερεοδιατακτικό χώρο απίθανα πολύπλοκο ώστε να είναι δύσκολή η δημιουργία ενός ικανά αντιπροσωπευτικού συνόλου στερεοδιατάξεων που να οδηγήσει σε μία ικανοποιητική προσέγγιση της τιμής της ελεύθερης ενέργειας του συστήματος. 19
Η ατελής γνώση μας στην θεωρητική προσέγγιση του προβλήματος κάνει ακόμα πιο βασική την πολλαπλή προσέγγιση στο πρόβλημα του σχεδιασμού του φαρμάκου ολοκληρώνοντας την διαίσθηση του συνθετικού χημικού και φαρμακολόγου με την πείρα του ειδικού στην πρωτεϊνική δομή και του υπολογιστικού σχεδιαστή. Η πορεία σχεδιασμού πρέπει να είναι επίσης κυκλικά επαναλαμβανόμενη. Η προβλεπόμενη αλληλεπίδραση ενός αναστολέα στην πρωτείνη στόχο πρέπει να επιβεβαιωθεί πειραματικά για την αποφυγή βημάτων στην λάθος κατεύθυνση. Συνεχώς παρουσιάζονται παραδείγματα όπου ένας τροποποιημένος αναστολέας δεσμευόταν στην πρωτεΐνη στόχο καλλίτερα από την ένωση από όπου προήλθε, όπως προβλεπόταν, αλλά με τρόπο σύνδεσης τελείως διαφορετικό από αυτόν που είχε χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη. 20
Εργαλεία για τον σχεδιασμό φαρμάκων με βάση την δομή Παρ ότι η απ αρχής ποσοτική πρόβλεψη των σταθερών σύνδεσης παραμένει ένας δύσκολος στόχος ένας αριθμός ποιοτικών κανόνων έχει εξελιχθεί για τον σχεδιασμό υποστρωμάτων με υψηλή συνδετικότητα από τις πολλές κρυσταλλικές δομές πρωτεϊνών που έχουν μελετηθεί. α. Απαιτείται πολύ καλή στερεοδομική και ηλεκτρονική συμπληρωματικότητα μεταξύ υποστρώματος και στόχου. β. Για να επιτευχθεί καλή συνδετικότητα απαιτείται η κάλυψη ενός μεγάλου μέρους της υδρόφοβης επιφάνειας του υποστρώματος. γ. Απαιτείται μείωση των ελεύθερων στερεοδομικών παραμέτρων (π.χ. απλοί δεσμοί με δίεδρες γωνίες περιστροφής) ώστε με την δέσμευση τους από τον στόχο να είναι ελάχιστη η μεταβολή της εντροπίας. Τρία επιπλέον κριτήρια είναι σημαντικά στον κύκλο σχεδιασμού αναστολέων. δ. Χημική σταθερότητα. ε. Αρκετή διαλυτότητα στο νερό ώστε να υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου της παρεμπόδισης και ο προσδιορισμός της δομής (κρυστάλλωση). στ. Ευκολία σύνθεσης, χωρίς χειριστικά κέντρα και ενώσεις που δεν μπορούν εύκολα να τροποποιηθούν. 21
Πολλοί από αυτούς τους κανόνες και κριτήρια έχουν συμπεριληφθεί σε υπολογιστικά προγράμματα για τον αυτόματο σχεδιασμό υποστρωμάτων και αναστολέων πρωτεϊνών. Οι μεθοδολογίες χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: την μοριακή προσέγγιση ή ελλιμενισμό (docking) και την σύνδεση ενεργών ομάδων ή κατασκευή. 22
Μοριακή προσέγγιση ή ελλιμενισμός (docking). Τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις χρησιμοποιούνται για τον ελλιμενισμό υποστρωμάτων στην επιφάνεια των πρωτεϊνών στόχους: 1.. Η βελτιστοποιημένη τοποθέτηση μικρών χημικών ομάδων, τα φαρμακοφόρα. 2. Σχεδιασμός του υποστρώματος σαν ισόμορφο του αμαλγάματος του ενεργού κέντρου και 3. Monte Carlo (πολλαπλές τυχαίες) προσεγγίσεις ολόκληρων μορίων υποψηφίων υποστρωμάτων. 23
Βάσεις δεδομένων τρισδιάστατων δομών Για πολλά από τα προγράμματα σχεδιασμού και βελτιστοποίησης φαρμάκων απαιτείται μια μεγάλη συλλογή τρισδιάστατων πειραματικών δομών μικρού μοριακού βάρους. Η βασική πηγή είναι η βάση κρυσταλλογραφικών δομών που βρίσκεται στο Cambridge της Αγγλίας και περιέχει πάνω από 200000 κρυσταλλικές δομές. Όμως επειδή αυτά δεν είναι όλα προσιτές ενώσεις στον πειραματικό χημικό έχει δημιουργηθεί μία άλλη βάση που περιέχει 10000 τουλάχιστον ενώσεις που είναι διαθέσιμες στο εμπόριο με την τρισδιάστατη δομή και τον συντακτικό τους τύπο. Συνήθως σε αυτές υπάρχει μία στερεοδομή ανά χημική ένωση που δεν είναι πάντα αυτή που θα έχει το μόριο σαν υπόστρωμα στην συγκεκριμένη πρωτεΐνη στόχο. 24
Συνδέοντας τις επί μέρους χημικές ομάδες, τα φαρμακοφόρα Μια χρήσιμη προσέγγιση για τον εντοπισμό ισχυρών αναστολέων είναι η συνδυασμένη τοποθέτηση διαφόρων λειτουργικών ομάδων που δεσμεύονται από την πρωτεΐνη στόχο σε μία χημική ένωση. Το μεγαλύτερο μόριο χάνει λιγότερη εντροπία κατά την δέσμευση από τα επί μέρους μόρια μαζί και έτσι τουλάχιστον θεωρητικά θα έχει καλλίτερη συνδετικότητα. Επίσης το σύνθετο μόριο θα έχει και μεγαλύτερη διακριτικότητα έναντι των επί μέρους. Η χημική σύνδεση τέτοιων ομάδων δεν είναι εύκολη μια που πρέπει να διατηρηθεί η θέση στο χώρο των συνθετικών ομάδων ενώ παράλληλα να ικανοποιηθούν πολλοί χημικοί κανόνες. Επίσης τα συνδετικά μέρη πρέπει να είναι αρκετά σταθερά ώστε να μην επιτρέπουν πολλές στερεοδομές. Εάν το συνδετικό κομμάτι κάνει επί πλέον αλληλεπιδράσεις με τον στόχο τότε βελτιώνεται και η συνδετικότητα. 25
Σχηματική αναπαράσταση του σχεδιασμού μίας χημικής ένωσης μέσα στο ενεργό κέντρο του στόχου με την τοποθέτηση χημικών ομάδων και την σύνδεση τους. 26
Κατασκευάζοντας ή επεκτείνοντας υποστρώματα Όλες οι μέθοδοι σχεδιασμού μορίων βασίζονται στις μοριακές προσεγγίσεις ή σε πειραματικά καθορισμένες δομές. Αρχίζουν από μια χημική ομάδα ή τμήμα του υποστρώματος στην θέση σύνδεσης, που λέγεται και πυρήνας και προσθέτουν ομάδες μία μετά την άλλη στην προσπάθεια δημιουργίας ενός καλλίτερου υποστρώματος. Επειδή για κάθε βήμα υπάρχουν χιλιάδες πιθανές εναλλακτικές λύσεις χρειάζεται μία μεθοδολογία για να ελέγχει την συνδυαστικό υπολογιστικό πρόβλημα που προσλαμβάνει τεράστιες διαστάσεις. Μια λύση είναι σε κάθε βήμα να επιλέγεται η καλλίτερη λύση μόνον. Αλλά έτσι ένας καλός αναστολέας με κάποιες επί μέρους ομάδες που δεν αλληλεπιδρούν πολύ καλά μπορεί να μην επιλεγεί. Έτσι μια επιτυχημένη προσέγγιση είναι να επιλέγεται καλλίτερο 25% των λύσεων κάθε βήματος σαν απαρχή του επόμενου. Ένα άλλο πρόβλημα είναι η δημιουργία ασταθών ή πολύ δραστικών ενώσεων. Ο έλεγχος των καινούργιων δεσμών σε κάθε βήμα με ένα πίνακα απαγορευμένων συνδέσεων μεταξύ ζευγών ή τριπλετών ατόμων είναι η συνηθισμένη μέθοδος για την αποφυγή δημιουργίας ομάδων όπως υπεροξειδίων ή ακετονυλίων. 27
Ευέλικτα υποστρώματα και εύπλαστες πρωτεΐνες. Ένα τυπικό οργανικό μόριο έχει 8 δεσμούς περιστροφής. Έτσι για την χοντροειδή διερεύνηση της στερεοδομής του με τόξα 30 μοιρών για κάθε μία από τις 8 δίεδρες γωνίες δίνει περίπου 430 εκατομμύρια στερεοδομές. Μία πλήρης διερεύνηση του στερεοδιατακτικού χώρου είναι υπολογιστικά αδύνατη. Αντί αυτού μπορούν να χρησιμοποιηθούν τυχαίες μέθοδοι παραγωγής στερεοδομών (Monte Carlo), βάσεις δεδομένων με στερεοδομικά περιορισμένες στερεοδομές ή μία συνεχής παρακολούθηση της στερεοδομής του υποστρώματος που να ικανοποιεί τους περιορισμούς που θέτει ο υποδοχέας. 28
Όμως και οι πρωτεΐνες έχουν ευκαμψία. Στη δομή της τριφωσφορικής ισομεράσης μία περιοχή εύκαμπτης στροφής αλλάζει στερεοδομή με την δέσμευση του υποστρώματος. Ενεργά αμινοξικά κατάλοιπα αλλάζουν την στερεοδομή τους ανάλογα με τον τύπο του υποδοχέα όπως επίσης και η περιβάλλουσα διάταξη των μορίων νερού. Η πιθανότητα στερεοδιατακτικών αλλαγών στην πρωτεΐνη με την δέσμευση του υποστρώματος, κάτι που δύσκολα προβλέπεται, είναι ο λόγος πού απαιτείται πειραματική επιβεβαίωση των προτεινόμενων τρόπων δέσμευσης νέων υποστρωμάτων και αποτελεί μία βασική διεργασία την όλη επεξεργασία σχεδιασμού. 29
Αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Επειδή κατά την διάρκεια του σχεδιασμού παράγεται ένας τεράστιος αριθμός υποψηφίων υποστρωμάτων είναι απαραίτητο να μπορεί να υπολογιστεί η αλλαγή της ελεύθερης ενέργειας κατά την αλληλεπίδραση υποδοχέα και υποστρώματος. Τρία βήματα μπορούν να διακριθούν στην διεργασία σύνδεσης του υποστρώματος σε διάλυμα. α. Η πρωτεΐνη και το υπόστρωμα πρέπει από την στερεοδιάταξη τους ως ελεύθερα στο διάλυμα να πάρουν την στερεοδιάταξη που θα έχουν κατά την σύνδεση. β. Οι επιφάνειες όπου θα γίνει η σύνθεση πρέπει να χάσουν την επαφή με τον διαλύτη. γ. Το υπόστρωμα πρέπει να πάρει τον κατάλληλο προσανατολισμό για να αλληλεπιδράσει με την πρωτεΐνη. 30
Για τον προσδιορισμό της ενέργειας του α η ευκαμψία της πρωτεΐνης μπορεί να αγνοηθεί, δηλαδή τα υποστρώματα σχεδιάζονται να δεσμεύονται στην ίδια στατική στερεοδομή της πρωτεΐνης. Απαραίτητη είναι όμως μία πλήρης στερεοδιατακτική ανάλυση του ελεύθερου υποστρώματος σε διάλυμα. Αποθηκεύοντας ένα αντιπροσωπευτικό υποσύνολο των στερεοδιατάξεων χαμηλής ενέργειας μαζί με την τιμή της ενέργειας επιτρέπει τον προσδιορισμό των αλλαγών ενθαλπίας και εντροπίας ή με άλλα λόγια τις τάσεις και το χάσιμο στερεοδιατακτικής ελευθερίας, που παρατηρούνται κατά την δέσμευση από την πρωτεΐνη. Το χάσιμο εσωτερικής εντροπίας πρακτικά υπολογίζεται από τον αριθμό των δεσμών περιστροφής που παγώνουν κατά την δημιουργία του συμπλόκου. 31
Το βήμα β συνήθως προσεγγίζεται από εμπειρικούς υπολογισμούς υπολογίζοντας την προσιτή στον διαλύτη επιφάνεια των χημικών ομάδων που χάνουν την επαφή με τον διαλύτη με την δημιουργία του συμπλόκου και αντιστοιχούν σε αλλαγές της ελεύθερης ενέργειας υδάτωσης. Το χάσιμο μεταφορικής και περιστροφικής εντροπίας στο βήμα γ είναι περίπου το ίδιο για όλα τα υποστρώματα ενώ η αλλαγή της ενθαλπίας για το σύμπλοκο πρωτεΐνης - υποστρώματος μπορεί να υπολογιστεί με μοριακή μηχανική και δυναμικά πεδία. 32
Εφαρμογές Φάρμακα κατά του ιού του κρυολογήματος HRV14. Αυτοί οι ιοί μεταλλάσσονται τόσο γρήγορα πού είναι αμφίβολο αν θα βρεθεί εμβόλιο. Οι ιοί αυτοί λύνουν το πρόβλημα της αναγνώρισης του υποδοχέα του ξενιστή με περιοχές του καλύμματος προστατευμένες από τα αντισώματα (υδρόφοβη περιοχή στην VP1). Τα φάρμακα που σχεδιάζονται αποβλέπουν στην δέσμευση τους στα κανάλια αναγνώρισης των υποδοχέων ώστε να αποτρέπεται η αναγνώριση από τον ιό. 33
Φάρμακα κατά του ιού του κρυολογήματος HRV14 34
Ο κύκλος ζωής του ιού της γρίππης Οι βασικοί φαρμακολογικοί στόχοι είναι η αιμαγλουτινίνη και η νευραμινιδάση 35
36
Φάρμακα κατά του ιού της γρίππης Μπλοκάρουν το ενεργό κέντρο της νευραμινιδάσης αφού δεσμεύονται με καλλίτερη συγγένεια από το σιαλικό οξύ που είναι το φυσικό υπόστρωμα.το σιαλικό οξύ (κάτω αριστερά) συγκρατείται κυρίως με την αλληλεπίδραση της γλυκερόλης και των καρβοξυλίων, που σχηματίζουν υδρογονικούς δεσμούς με τα αμινοξέα στο ενεργό κέντρο.το Zanamivir (κέντρο) προσθέτει και άλλους δεσμούς αντικαθιστώντας το υδροξύλιο με μία μεγάλη θετικά φορτισμένη ομάδα γουανιδίνης, που αλληλεπιδρά ισχυρά με δύο αρνητικά φορτισμένα αμινοξέα στο κάτω μέρος του ενεργού κέντρου. Το GS 4071 (δεξιά) συντηρεί τους υδρογονικούς δεσμούς αλλά χρησιμοποιεί και μία υδρόφοβη ομάδα. 37
Ο κύκλος ζωής του ιού HIV που προκαλεί το AIDS 38
Φάρμακα κατά του ιού HIV που προκαλεί το AIDS 39
Φάρμακα κατά του HIV Φάρμακα κατά του HIV χρησιμοποιούνται για την αναστολή πολλών σημείων του κύκλου ζωής του. 40
H HIV πρωτεάση είναι διαφορετική από αυτή των ξενιστών. Έτσι παρεμποδίζοντας την, το γενετικό υλικό του ιού δεν μπορεί να αποκαλυφθεί. Ως παρεμποδιστές της χρησιμοποιούνται πεπτιδικά ανάλογα. 41
Φάρμακα κατά του HIV Η τρέχουσα στρατηγική που εφαρμόζεται στοχεύει στο να ξεπεράσει την ανθεκτικότητα του HIV στους υπάρχοντες αναστολείς της πρωτεάσης. Αυτά τα φάρμακα προσδένονται στο ενεργό κέντρο της πρωτεάσης εμποδίζοντας την λειτουργία του (a). Ο HIV αποκτά ανθεκτικότητα τροποποιόντας μέρη του ενζύμου (χρωματισμένα στην εικόνα b) ώστε το φάρμακο να μην προσδένεται με αποτελεσματικότητα. Ένα νέο φάρμακο υπο κατασκευή (με γαλάζιο στην εικόνα c) έχει σχεδιαστεί ώστε να είναι αρκετά εύκαμπτο να προσδένεται και να αναστέλλει ακόμα και τροποποιημένες μορφές της HIV πρωτεάσης. 42
Nelfinavir 43
Η πτώση θανάτων μετά την εφαρμογή των φαρμάκων κατά του HIV 44
Προβλήματα Αντίσταση των μολυσματικών ασθενειών και του καρκίνου στους θεραπευτικούς παράγοντες. Για τις μολυσματικές ασθένειες η δημιουργία μίας χημικής ένωσης με θεραπευτικές ιδιότητες είναι μόνον η αρχή. Όταν ένα τέτοιο φάρμακο έχει ευρεία χρήση, σχεδόν πάντα θα οδηγήσει στην δημιουργία παθογόνων που έξυπνα ανέπτυξαν τρόπους αποφυγής των βλαπτικών ιδιοτήτων του φαρμάκου. Η αντίσταση είναι ένας σημαντικός παράγων και στην περίπτωση του καρκίνου. Οι διεργασίες που ακολουθούν οι αντιστεκόμενοι οργανισμοί και τα καρκινικά κύτταρα διαφοροποιούνται κατά πολύ. Για παράδειγμα ένα παθογόνο μπορεί να μεταλλάσσει αμινοξέα στην πρωτεΐνη στόχο του φαρμάκου. Χαρακτηριστικό παράδειγμα η αντίστροφη μεταγραφάση του ιού ΗΙV πού είναι ταυτόχρονα αντιστέκεται στην δράση του ΑΖΤ, διδεόξυινοσίνη και νεβιραπίνη, όλα φάρμακα κατά του AIDS. 45
Γονίδια που επηρεάζουν την ευαισθησία σε κάποιο φάρμακο μπορεί να ενισχυθούν, για παράδειγμα για να αυξήσουν τον ρυθμό με τον οποίο το φάρμακο αντλείται έξω από το κύτταρο προκαλώντας πολλαπλή αντίσταση στα φάρμακα κάτι πολύ συνηθισμένο στην θεραπεία καρκινοπαθών. Στην ελονοσία που αντιστέκεται στην θεραπεία με χλωροκινίνη το γονίδιο μίας τέτοιας μοριακής αντλίας ενισχύεται. Εναλλακτικά τα παθογόνα μπορούν να χρησιμοποιήσουν ένα διαφορετικό ένζυμο για να εκτελέσουν το ίδιο έργο όπως και το ένζυμο στόχος. Τυπικό παράδειγμα μία βακτηριακή σειρά Klebsiella που αντιστέκεται στην τριμεθοπρίμη, αναστολέα της διυδροφολικής αφυδρογονάσης (DHFR), συνθέτοντας διαφορετικό πλασμιδιακό DHFR. 46
Ο μεταβολισμός των φαρμάκων μπορεί επίσης να επηρεαστεί. Για παράδειγμα οι β-λακταμάσες καταστρέφουν πενικιλλίνες και κεφαλοσπορίνες. Σε ακραίες περιπτώσεις ένα παθογόνο μπορεί να επαναδιαμορφώσει ένα όλοκληρο ενζυματικό μονοπάτι, ώστε ο στόχος του φαρμάκου να μην είναι πλέον αναγκαίος ή υπαρκτός. Παράδειγμα οι εντερόκοκκοι που αντιστέκονται στην βανκομυκίνη με την εισαγωγή εστερικών δεσμών στην θέση των αμιδικών στο κυτταρικό τοίχωμα εμποδίζοντας την δημιουργία ενός σημαντικού υδρογονικού δεσμού με το καρβονύλιο της βανκομυκίνης. 47
Η συνεχής απειλή της δημιουργίας αντίστασης στα φάρμακα είναι πολύ ανησυχητική. Η απογοητευτική αντιμετώπιση της ελονοσίας είναι ένα τραγικό παράδειγμα επανεξάπλωσης μιας ασθένειας που θεωρείτο ότι έχει εκλείψει. Υπάρχουν σειρές τύφου που αντιστέκονται ταυτόχρονα σε εννέα διαφορετικά φάρμακα. Ο μόνος τρόπος αντιμετώπισης της ανθεκτικότητας των παθογόνων με μακροχρόνια χρήση είναι η δημιουργία κοκτέιλ που περιέχουν πολλαπλές ενώσεις που δρουν με διαφορετικούς τρόπους. Έτσι οι πιθανότητες δημιουργίας αντίστασης ελαττώνονται. Χαρακτηριστική περίπτωση η αντιμετώπιση της λέπρας όπου τρία φάρμακα χορηγούνται ταυτόχρονα. 48