Uvod u QSAR Quantitative Structure Activity Relationships- QSAR Quantitative Structure Property Relationships- QSPR Postoji korelacija izmedju strukture i hemijske i biološke aktivnosti. SAR -tradicionalni pristup, slične molekule pokazuju sličnu aktivnost! Jedna od prvih primena QSAR: predvidjanje temperature ključanja alkana. 1
QSAR-korelacija izmedju osobina molekula (izraženih numerički) i biološke aktivnosti. Biološka aktivnost se kvantitativno iskazuje kao koncentracija koja daje odredjeni biološki odgovor. Fizičko hemijske osobine leka mogu se iskazati numerički. y= f (x) Zavisnost dobijena metodom najmanjih kvadrata aktivnost const y= a x + b osobina molekule Pronaći set koeficijenata a i b koja minimizuju odstupanje x od jednačine. 2
Prednost QSAR: o Kvantifikovanjem odnosa SAR obezbedjuje se razumevanje uticaja strukture na aktivnost. o Moguće je predvideti puteve sinteze novih analoga. o Rezltati mogu biti korišćeni za bolje razumevanje interakcija funkcionalnih grupa. o Kada se ustanovi QSAR moguće je predvideti biološku aktivnost srodnih jedinjenja i uštedeti vreme potrebno za složena biološka ispitivanja. Nedostatak QSAR: Pogrešne korelacije koje mogu nastati zbog bioloških podataka koji su uzrok eksperimentalne greške. Ako broj ispitivanih jedinjenja nije dovoljno veliki prikupljeni podaci ne odražavaju osobine cele grupe. Posledično, QSAR se ne može koristiti za pouzdano predvidjanje jedinjenja najbolje aktivnosti. 3D struktura liganda koja se vezuje za receptor nije uvek poznata pa se istraživanje najčešće izvodi sa najjednostavnijom strukturom koja ne mora biti adekvatan reprezent. Iako postoji veliki broj uspešnih predvidjanja ne treba očekivati da su QSAR studije uvek tačne. 3
QSAR postupak Izdvojiti set molekula koji reaguju sa istim receptorom i izazivaju poznati efekat. drediti parametre ispitivanja. Podeliti izabrana jedinjenja u dve podgrupe: jednu za trening, drugu za ispitivanje. Napraviti model: pronaći korelaciju izmedju aktivnosti i osobina jedinjenja (regresiona analiza, statistički model). Testirati dobijeni model. Ako pretpostavljeni model ne fituje modifikuje se jednačina sobine jedinjenja koje se koriste u QSAR QSAR studije se zasnivaju na poznavanju merljivih fizičkih osobina (deskriptora) kao što su: Gustina pka Parametri lipofilnosti Energija jonizacije Molekulska masa Dipolni momenat Temperatura ključanja Refraktivni indeks Redukcioni potencijal 4
Druge osobine molekula (deskriptori) koji su uključeni u QSAR studije (uključujući i veličine koje se izračunavaju) polarizabilnost Volumen molekula vdw površina Molarna refraktivnost Energija hidratacije Taftov sterni parametarr QSAR Metodologija Pronaći deskriptore koji medjusobno korelišu (npr molekulska masa i temperatura ključanja kod serije homologih jedinjenja). Statistička analiza kojom se odredjuju varijable koje najbolje opisuju (korelišu) sa posmatranim biološkim efektom. Konačni QSAR uključuje najviše 3-5 deskriptora (izuzimajući ukrštenu interakciju). 5
QSAR analiza molekulska struktura korelacija strukture i dejstva deskriptori matematički model graničenje broja deskriptora Broj ispitivanih jedinjenja treba da bude 5 puta veći od broja posmatranih deskriptora Razlog: mali broj jedinjenja u odnosu na broj deskriptora može dati pogrešnu korelaciju 2 ispitivanja tačno definišu liniju 3 tačno definišu ravan Veći broj ispitivanja daje tačniju korelaciju Statistička analiza podataka Sofisticirani (i skupi) softverski paketi (multipla linearna regresiona analiza) Jeftiniji statististički programi Metoda najmanjih kvadrata ili odredjivanje glavne komponente-za odredjivanje deskriptora koji pokazuju najveći stepen korelacije 6
QSAR kvantifikacija: pka Parametri koji definišu lipofilnost Parametri koji definišu rastvorljivost Elektronski parametri Sterni parametri 1. pka TERIJE ZA TUMAČENJE PJMVA KISELINE I BAZE Arenijusova teorija Kiseline su neutralna jedinjenja koja pri rastvaranju u vodi jonizuju dajući H + jone i odgovarajuće negativne jone /danas se smatra da H + joni mogu postojati u vodi samo kao H 3 +, hidronijumjoni Baze su neutralna jedinjenja koja disocijacijom ili jonizacijom vodi daju H - /hidroksidne/ jone i pozitivne jone Bronšted-Lorijeva teorija KISELINE SU SUPSTANCE (MLEKULI ILI JNI) KJE DAJU PRTN, A BAZE SU SUPSTANCE KJE PRIMAJU PRTN. Luisova teorija Kiseline su supstance koje mogu da prime elektronski par, a baze su supstance koje daju elektronski par. 7
Kiselo-bazne osobine lekova Bronsted-Lowry (H 2 amfoterna) CH 3 CH + H 2 H 3 + + CH 3 C - CH 3 C - + H 2 CH 3 CH + H - HA + H 2 H 3 + + A - kis. baza konj. kis konj. baza K eq = [H 3 + ] [A - ] / [HA] [H 2 ] u dil rastvorima const. (55,5) Ka = K eq [H 2 ]= [H 3 +] [A-] / [HA]= [konj.kis] [konj. baza] / [kis] pka = -log Ka, ph=-log [H 3 + ] ph=pka + log [A-] / [HA]= pka + log [konj. baza] / [kis] Henderson-Hasselbach 8
BH + + H 2 H 3 + + B kis. baza konj. kis konj. baza ph = pka + log [B]/[BH + ] = pka + log [konj.baza]/[kis] Henderson-Hasselbach VAŽN!!! pka BAZE = pka KNJ. KIS (PRTNVANE BAZE) pka<2: jaka kis, nema baznih osobina u vodi pka=4-6: slaba kis, veoma slaba konjugovana baza pka=8-10: veoma slaba kis, slaba konjugovana baza pka>12: nema osobine kiseline u vodi, jaka konjugovana baza pk a pk a vrednost predstavlja jačinu kiselina na osnovu pk a vrednosti ne može se zaključiti da li je jedinjenje kiselina ili baza na osnovu poznate pk a vrednosti može se izračunati ph vodenog rastvora kiseline ili baze ph = pka + log [ A ] [ AH ] ph = pka + log [ B] + [ BH ] za kiseline za baze pk a = ph + log [ HA] [ A ] jednačina za kiseline [ BH ] + pk a = ph + log jednačina za baze [ B] 9
Uticaj elektrostatičkih/induktivnih efekata na pk a Akceptori elektrona povećavaju jačinu kiselina i smanjuju jačinu baza. Grupe koje su akceptori elektrona: NR 3, N 2, S 2 R, CN, F, Cl, Br, I, CF 3, CX (X=H, NH 2, R), CR, R, SR, NH 2, C 6 H 5, -I H 3 C H pk a = 4.54 na 25 C i 0.15M I (jonske jačine) F F F H pk a = 0.32 na 25 C i 0.15M I Grupe koje su donori elektrona smanjuju jačinu kiselina i povećavaju jačinu baza. Grupe koje su donori elektrona: C-, -, NH-, alkil +I C H 3 H pk a = 4.54 na 25 C i 0.15M I H 3 C H 3 C CH 3 H pk a = 4.83 na 25 C i 0.15M I 10
Uticaj induktivnog efekta na pka vrednosti +I pk a -I pk a H CH 3.75 CH 3 CH 2 CH 2 CH 4.8 CH 3 CH CH 3 CH 2 CH CH 3 CH 2 CH 2 CH CH 3 CH 3 C CH CH 3 veličina radikala 4.75 4.87 4.81 5.02 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 Cl CH Cl CH 3 CH 2 CH 2 CH Cl CH CH CH 4.5 4.0 2.9 kada je Cl atom udaljeniji od karboksilne grupe, kiselost se smanjuje rastojanje PREĐENJE JAČINA KISELINA 1. pk a (CH 3 CH) = 4.7 2. pk a (ClCH 2 CH) = 2.7 Koja kiselina je jača? Koliko puta? pk a (2) pk a (1) = 2.7-4.7 = -2 pk a = -logk a, antilog2 = 100 Kiselina 2 je 100 puta jača od kiseline 1 11
Uticaj mezomernog efekta na pk a Grupe koje ispoljavaju negativni mezomerni efekat povećavaju jačinu kiselina i smanjuju jačinu baza. Grupe sa - mezomernim efektom: H δ+ δ- δ+ δ- N 2 CN δ+ δ- CR δ+ δ- S 2 R H pk a = 9.80 na 25 C i 0.15M I - N + pk a = 6.97 na 25 C i 0.15M I mezomerni efekat: dvostruke veze u konjugaciji sa jonizujućim centrom dređivanje pk a vrednosti -potenciometrijski -UV spektrofotometrijski -kapilarnom elektroforezom -predviđanje pka vrednosti korišćenjem kompjuterskih programa 12
Ka pka Hlorovodonična kiselina 1,26 x 10 6 6,1 Dihidrogen fosfat 6,31 x 10-8 7,2 Amonijak 5,01 x 10-10 9,3 Sirćetna kiselina 1,58 x 10-5 4,8 Fenobarbiton 3,16 x 10-8 7,5 Saharin 2,51 x 10-2 1,6 Indometacin 3,16 x 10-5 4,5 Efedrin (kao hidrohloridna so) 2,51 x 10-10 9,6 pka vrednosti nekih supstituisanih fenola i nitrofenola alkohol fenol cikloheksanol 13
PRIMER : Poređajte funkcionalne grupe (označene brojevima) u datom jedinjenju po opadajućoj kiselosti. 2 1 H CH F F CH 3 CH 4 CH smanjenje kiselosti 2 jaka organska kis. F CH 1 H slaba organska kis. CH F F CH F 3 CH 4 H 3 > 4 > 2 > 1 CH jača kiselina od alkil kis. 14
Primena pka: određivanje stepena jonizacije lekova - VEĆINA LEKVA SU SLABE KISELINE ILI SLABE BAZE - RAVNTEŽA JNIZVANG I NEJNIZVANG BLIKA SLABIH KISELINA I BAZA U VDENIM RASTVRIMA LEKVI - SLABE KISELINE: LEKVI - SLABE BAZE: HA H + + A - B + H + BH + HA - nejonizovani oblik leka (kiseline) A - - jonizovani oblik leka (kiseline) B - nejonizovani oblik leka (baze) BH + - jonizovani oblik leka (baze) STEPEN JNIZACIJE LEKA U F-JI ph RASTVRA ph U GIT-U ph (pun) 5.0 (0.1 h) 4.5-5.5 (1 h) 4.7 (2 h) ph (prazan) 1.7 (1.4-2.1h) 4.6 (2.4-6.8) 6.1 (5.8-6.2) 6.5 (6.0-7.0) želudac 0.1 m 2 Dvanaestopalačno crevo 0.1 m 2 jejunum 60 m 2 6.5 8.0 5.0-8.0 ileum 60 m 2 Debelo crevo 0.3 m 2 3-4 sata prolaska kroz tanko crevo 15
HA BH + 100 % jonizovanog leka = 1 + 10 (pka - ph) 100 % jonizovanog leka = 1 + 10 (ph - pka) ph=pka (50 % jonizacija) Monoprotonske baze H 3 C H 3 C H 3 C BH + NH 2 + H H - B H 3 C NH H H + Propranolol hidrohlorid (konjugovana kiselina) pk a = 9.53 www.sirius-analytical.com Raspodela jonizovanog i nejonizovanog oblika propranolola 16
Monoprotonske kiseline H HA A - - F H - F N H + N CH 3 CH 3 Flumehin (kiselina) pk a = 6.27 www.sirius-analytical.com Raspodela jonizovanog i nejonizovanog oblika flumehina XH+ XH± X - Cviterjoni CH 3 CH 3 CH 3 C H 3 CH 3 CH 3 S H H NH N C H S H H NH + NH 3 N + NH 3 C - S H H NH C - N NH 2 XH+ XH ± X - Ampicilin (cviterjon) pk a = 2,55; 7,14 Primer: aminokiseline www.sirius-analytical.com Raspodela jonizovanih oblika ampicilina 17
Amfoliti H XH 2 + H XH 0 - X H N H + H N H N C H 3 C H 3 H H C H 3 H XH 2 + XH 0 X- Morfin (amfolit) pk a = 8,17; 9,26 www.sirius-analytical.com Raspodela jonizovanih i nejonizovanog oblika morfina CH 2 CH CH 2 C - N =C- CH 3 Cl + H 2 CH 3 + H 3 + N =C- Cl Indometacin, pka=4,5 Nejonizovan Jonizovan Povećanje ph za 1 (5,5) - 90,9 % jonizovan! Povećanje ph za 2 (6,5) - 99,9 % jonizovan! 18
CH CH NH 2 + H 2 CH CH NH + H 3 H CH 3 CH 3 H CH 3 CH 3 Efedrin hidrohlorid, pka=9,6 Jonizovan Nejonizovan Povećanje ph za 1 (10,6) - 90,9 % nejonizovan! Povećanje ph za 2 (11,6) - 99,9 % nejonizovan! pk a3 = 9,6 H HN NH 3 pk a2 = 7,4 N S CH3 CH 3 Amoksicilin pk a1 = 2,4 19
PRIMER: ASPIRIN U GIT-U Aspirin Salicilna kiselina CH pka 3.5 C - + H + -C-CH 3 nejonizovan jonizovan -C-CH 3 želudačni sok tanko crevo debelo crevo 2. LIPFILNST LEKVA (log P, π) Lipofilnost lekova predstavlja značajan faktor za: a) prolazak leka kroz ćelijske membrane b) koncentraciju leka na ciljnom mestu dejstva leka c) interakcije leka sa receptorom RGANSKA FAZA raspodela VDENA FAZA 20
P i D Particioni koeficijent P (koeficijent raspodele, intrinsic lipophilicity) opisuje lipofilnost neutralnog oblika molekula, tj. skupa funkcionalnih grupa i ugljenikovog skeleta koji čine strukturu molekula ne uključujući disocijaciju ili jonizaciju. Koeficijent distribucije D opisuje lipofilnost svih oblika molekule pri datoj ph vrednosti. U nekim slučajevima, u zavisnosti od okoline jonizujućeg centra molekula i raspodele naelektrisanja koje stabilizuje molekulu, čak i jonizovana molekula može da penetrira u organsku fazu. Na ovaj način objašnjava se prolazak nekih jonizovanih lekova u CNS P = PARAMETRI LIPFILNSTI Log P i log D P = koeficijent raspodele, const. [ nejonizovani oblik] [ nejonizovani oblik] voda oktanol D = koeficijent distribucije (f-ja ph) D = [ jonizovani + nejonizovani oblik] [ jonizovani + nejonizovani oblik] voda oktanol 21
log P log P > 1 (lipofilno jedinjenje) log P <-1 (hidrofilno jedinjenje) log P > 5 (toksično jedinjenje) logp = 0 jednako rastvorljiv u vodi i organskoj fazi logp = 5 100,000 (10 5 ) puta rastvorljivije u organskoj fazi logp = -2 100 puta rastvorljiviji u vodi log D o lipofilnost molekule pri datoj ph vrednosti uzimajući u obzir lipofilnost neutralnog oblika P i stepen jonizacije pk a. o D za monoprotonsku kiselinu: log D = log P - log (1+ 10 pka-ph ) o za monoprotonsku bazu: log D = log P - log (1+ 10 ph-pka ) Jednačine su komplikovanije za diprotonske molekule 22
Primena logd na predviđanje farmakokinetičkih osobina leka Log D (ph 7.4) Zaključak <0 problem propustljivosti u crevima i CNS-u renalni klirens 0 do 1 ravnoteža između rastvorljivosti i propustljivosti problem za CNS 1 do 3 optimalne vrednosti za CNS i ne CNS oralne lekove dobra CNS penetracija, spor metabolizam 3 do 5 smanjuje se rastvorljivost, brži metabolizam >5 slaba rastvorljivost, brz metabolizam, veliki Vd ZNAČAJ DREDJIVANJA LIPFILNSTI LEKA Predvidjanje apsorpcije: ptimalna penetracija u CNS (log P = 2±0,7) ptimalna oralna apsorpcija ( log P=1,8) ptimalna intestinalna apsorpcija (log P=1,35) ptimalna apsorpcija u debelom crevu (log P=1,32) ptimalna sublingvalna apsorpcija (log P=5,5) ptimalna perkutana apsorpcija (log P=2,6, mala MW) Predvidjanje farmakokinetičkih osobina i toksičnosti: Visoka vrednost log P (toksični lekovi)-deponovanje u masnom tkivu Metabolizam u f-ji log D (renalni i metabolički klirens, P450) Predvidjanje aktivnosti leka sa receptorom Hidrofobne reakcije sa receptorom Izbor doziranog oblika Niska vrednost log P (<0) injekcioni rastvori Srednja vrednost log P (0-3) oralni preparati Visoka vrednost log P (3-4) transdermalni preparati 23
Izračunavanje Log P Većina programa koristi aditivni pristup. Mogu se koristiti i komplikovaniji algoritmi koji uključuju i faktore kao što su dipolni momenat, veličina molekula itd. log P = log P parent compound + f i + Polazno jedinjenje n n i =1 i <j F ij Supstituenti (fragmenti), fi Faktor interakcije, Fi Cl CNH 2 P vs π π predstavlja hidrofobnost specifičnog regiona -mera hidrofobnih interakcija sa receptorom. Konstanta hidrofobnosti supstituenta, π. Moguće je izračunati konstantu hidrofobnosti supstituenta (π). Meri se hidrofobnost u odnosu na H. Eksperimentalno se odredi P standardnog jedinjenje sa i bez supstituenta (X). π x = log P x - log P H 24
F H logp=2.27 logp=2.13 π F = log P x - log P H π F = 2,27-2,13=0,15 Pozitivan π = supstituent hidrofobniji od H Negativan π = manje hidrofoban od H grupa CH 3 t-bu H CH 3 CF 3 Cl Br CNH 2 F π Alifatični supstituenti π Aromatični supstituenti 0.50 1.68-1.16 0.47 1.07 0.39 0.60-1.49-0.17 0.52 1.68-0.67-0.02 1.16 0.71 0.86-1.49 0.14 Cl Cl CNH 2 CNH 2 Benzen Hlorbenzen Benzamid m-hlorbenzamid logp=2,13 logp=2,84 logp=0,64 logp hlorbenzamid = logp benzen +π Cl +π amid =2,13 + 0,71 + ( -1,49)=1,35 logp exp =1,51 Većina QSAR jednačina uključuje ili P ili π ili obe vrednosti. 25
Primena parametara lipofilnosti Predviđanje ponašanja leka u organizmu: -Predvidjanje aktivnosti lekova (ukoliko je lipofilnost od značaja za dejstvo, QSAR) -Apsorpcija, distribucija, eliminacija: % apsorbovanog leka, permeabilnost kroz membrane, vezivanje za proteine plazme, toksičnošću leka (ADMET) a) Korelacija lipofilnosti i biološke aktivnosti Promena log P utiče na biološku aktivost. aktivan aktivan Biološka aktivnost se obično izražava kao 1/C, gde je C = [lek] koja postiže odgovarajući nivo biološke aktivnosti. Aktivniji lekovi zahtevaju nižu koncentraciju. 26
Korelacija lipofilnosti i biološke aktivnosti Grafički prikazati log 1/C vs. log P U malom opsegu log P, npr. 1-4, zavisnost je linearna: Log(1/C) log(1/c)=k 1 logp + k 2 log P Povećanjem hidrofobnosti povećava se biološka aktivnost leka (in vivo): a) ili zbog lakšeg prolaska kroz ćelijske membrane b) ili zbog interakcije sa receptorom ili enzimom koji ima hidrofobno vezivno mesto Visoka vrednost log P-parabolična kriva. Razlog: Slaba rastvorljivost u vodenoj sredini Deponovanje u masnom tkivu Intenzivniji metabolizam Log (1/C) Log P log(1/c) = -k 1 (logp) 2 + k 2 logp + k 3 27
Kod malog broja jedinjenja aktivnost zavisi samo od log P. Važi samo za jedinjenja slične strukture. Npr: anestetici- samo etri (deluju na nivou membranskih struktura, ne postoji specifičan ćelijski receptor) etar hloroform halotan 0.98 1.97 2.3 (anestetička aktivnost raste) b) Predvidjanje prmeabilnosti kroz membranu Lekovi sa Log P oko 2 prolaze HEB (npr barbiturati) Lekovi koji ne prolaze HEB trebalo da imaju nižu vrednost log P. c) Apsorpcija i log P Particioni koeficijenti i % apsorpcije barbiturata Barbiturat P % Apsorpcije Barbiton Apobarbiton Fenobarbiton Alilbarbiton Butetal Ciklobarbiton Pentobarbiton Sekobarbiton Heksetal 0.7 4.9 4.8 10.5 11.7 13.9 28.0 50.7 >100 12 17 20 23 24 24 30 40 44 Fenobarbiton - heksetal (zamena fenil radikala sa n-heksil radikalom) 28
Povećanje lipofilnosti F Cl F Cl Flukonazol Hlorni derivat flukonazola logp = 0.99 logp = 1.79 H H H H NCH 3 N H H Morfin H logp = 0.90 Normorfin logp = -0.17 H 3 C CH 3 H N H Diacetilmorfin logp = 1.59 29
Smanjenje lipofilnosti (povećanje polarnosti molekule): -dodavanje polarnih funkcionalnih grupa Cl N S N N N N H C N H C N N povecala povećala se polarnost se polarnost Cl Cl Cl Tiokonazol Tikonazol Cl Flukonazol Flukonazol LIPINSKI RULE F 5" 4 DESKRIPTRA P LIPINSKM NA SNVU KJIH SE MŽE PREDVIDETI DA LI ĆE BUDUĆI LEK ISPLJITI DGVARAJUĆU APSRPCIJU I PERMEABILNST LŠA APSRPCIJA I PERMEABILNST LEKA UKLIK: MW MLEKULSKA MASA >500 Log P log P > 5 Donori H veza Akceptori H veza VIŠE D 5 DNRA H VEZA (izraženo kao zbir H i NH) VIŠE D 10 AKCEPTRA VDNIČNIH VEZA (izraženih kao suma N i ) 30
HIDRFILN-HIDRFBNA HIDRFBNA RAVNTEŽA - veoma polarni lekovi brzo se eliminišu preko bubrega i teško prolaze lipidne barijere ćelijske membrane, mogu jakim vezama da se vežu za receptor. - veoma lipofilni lekovi, - brzo prolaze kroz ćelijske membrane, vezuju se slabim vezama za receptor, pokazuju slabu rastvorljivost i slabo se apsorbuju iz GIT-a. Najbolji lekovi predstavljaju kompromis hidrofobnih (lipofilnih) i hidrofilnih karakteristika. ptimizacija polarnosti molekule: Smanjivanje polarnosti molekule (povećanje lipofilnosti): o maskiranje polarnih funkcionalnih grupe: alkohol ili fenol etar ili estar karboksilna grupa estar ili amid primarni ili sekundarni amini amidi ili sek. i terc.amini o dodavanje ekstra hidrofobne alkil grupe Povećanje polarnosti molekule (smanjivanje lipofilnosti): o zamena većih alkil grupa sa manjim ili uklanjanje alkil grupa o dodavanje polarnih funkcionalnih grupa 31
Rastvorljivost lekova Rastvorljivost (Solubility) predstavlja koncentraciju leka u zasićenom rastvoru gde je prisutan višak čvrste supstance. Rastvor Čvrsta faza HA(s) HA B(s) B Rastvorljivost o Kinetička rastvorljivost o Ravnotežna rastvorljivost o Intrinzička rastvorljivost (rastvorljivost neutralnog oblika) 32
Kinetička rastvorljivost (Kinetic solubility): -predstavlja rastvorljivost leka (koncentraciju leka u rastvoru) u trenutku kada se talog prvi put pojavi u rastvoru in vitro. Ravnotežna rastvorljivost (Equilibrium solubility): -predstavlja rastvorljivost leka (koncentraciju leka u rastvoru) gde su rastvor i čvrsta faza u ravnoteži. -predstavlja stvarnu rastvorljivost molekula. -merenja ravnotežne rastvorljivosti su veoma precizna ali spora (shake-flask metoda) Intrinzička rastvorljivost (Intrinsic solubility): -predstavlja rastvorljivost neutralne kiseline ili baze (slobodnog oblika) -poznavanjem intrinzičke rastvorljivosti i pka može se odrediti rastvorljivost na određenoj ph vrednosti -intrinzička rastvorljivost se koristi kao eksperimentalna vrednost pri treniranju programa za predviđanje rastvorljivosti jonizujućih lekova 33
Disolucija Nije isto što i rastvorljivost leka! Definiše se kao stepen povećanja količine rastvorene supstance tokom rastvaranja. Disolucija zavisi od: rastvorljivosti, površine čvrste supstance izložene rastvaraču, zapremine rastvarača, stepena mešanja, ph rastvora. dm/dt = ka (S-C) m (masa komponente), t (vreme), A (površina supstance izložena rastvaraču), S (rastvorljivost), C (koncentracija supstance) Faktori koji utiču na rastvorljivost Veličina molekula Lipofilnost Intramolekulske H-veze blik molekula Jonizacija Intermolekulske H-veze (kristalna struktura) 34
Uticaj hemijske strukture na rastvorljivost leka Polarne grupe: -RH, RNH 2, RCH (formiraju vodonične veze sa molekulama vode) Jonizujući centri (grupe koje mogu da formiraju hidrate sa molekulima vode) Ugljovodonični lanci ( što je veći odnos broja C atoma u odnosu na polarne grupe, rastvorljivost se smanjuje) Aromatične grupe (smanjuju polarnost jedinjenja) Povećanje rastvorljivosti formiranje soli uvođenje grupa koje imaju sposobnost rastvaranja upotreba specijalnih doziranih oblika Smanjenje rastvorljivosti maskiranje polarnih funkcionalnih grupa *mora se voditi računa da li su polarne grupe koje se maskiraju uslov za dejstvo 35
PTENCIJAL RASTVARANJA PTENCIJAL ZA GRAĐENJE H-VEZA NAJČEŠĆE PRISUTNIH FUNKCINALNIH GRUPA U MLEKULIMA LEKVA PTENCIJAL RASTVARANJA U VDI NAJČEŠĆE PRISUTNIH FUNKCINALNIH GRUPA U MLEKULIMA LEKVA FUNKCINALNA GRUPA BRJ MGUĆIH H-VEZA ALKHLI 3 ALDEHIDI 2 PRIM. AMINI 3 SEK. AMINI 2 TERC. AMINI 1 ESTRI 2 FUNKCINALNA GRUPA MN- I PLI- FUNKCINALNI MLEKULI ALKHLI 5-6 3-4 FENLI 6-7 3-4 ETRI 4-5 2 ALDEHIDI KETNI 4-5 2 5-6 2 AMINI 6-7 3 KARBKSILNE KIS ESTRI AMIDI UREA, KARBNAT, KARBAMAT 5-6 3 6 3 6 2-3 2 PTENCIJAL RASTVARANJA: PRIMER 1 Phenol Fenol 3 0 Alcohol Alkohol H CH 2 CH 3 H C CH 2 CH 2 N CH 2 CH 3 3 0 Amine Funkcionalne Potencijal broj grupa Ukupan potencijal grupe rastvaranja rastvaranja Fenol 3 4 C 1 3 4 C Alkohol 3 4 C 1 3 4 C Amin 3 C 1 3 C Empirijska formula: C 19 H 31 N 2 Potencijal rastvaranja 9 C atoma, ukupno 19 C atoma: Nerastvorljiv u vodi, rastvorljiv u obliku soli hidrohlorida i Na-soli 36
PTENCIJAL RASTVARANJA: PRIMER 2 3 0 Amine N CH 3 H Phenol Fenol H H H 2 0 Alcohol Alkohol Ether Etar Funkcionalne Potencijal broj grupa Ukupan potencijal grupe rastvaranja rastvaranja Fenol 3 4 C 1 3 4 C Amin 3 C 1 3 C Alkohol 3 4 C 1 3 4 C Etar 2 C 1 2 C Ukupno C 17 H 20 N 3 11 13 C Nerastvorljiv u vodi, rastvorljiv u obliku Na-soli i hidrohlorida PTENCIJAL RASTVARANJA: PRIMER 3 H CH 2 -CH -C H H CH 2 -CH -C - NH 2 NH 3 Tirozin (9 C atoma) NaH/H 2 Rastvorljivost 0,5% - CH 2 -CH -C - H NH 2 Cwitter jon! HCl/H 2 CH 2 -CH -C H NH 3 Veoma rastvorljivi Funkcionalne Potencijal broj grupa Ukupan potencijal grupe rastvaranja rastvaranja Fenol 3 4 C 1 3 4 C Amin 3 C 1 3 C Karboksilna 3 C 1 3C Ukupno 9 10 C Intramolekulsko vezivanje u polifunkcionalnim molekulama smanjuje potencijal rastvaranja. 37
3.Elektronski efekti: Hametova konstanta Pozitivni i negativni induktivni i mezomerni efekti utiču na konstantu disocijacije (jonizacije) aromatičnih jedinjenja. Louis Hammett (1894-1987) σ-mera elektronskih efekata supstituenata na stepen disocijacije dredjivanje se vrši u poredjenju sa benzoevom kiselinom. Supstituenti pokazuju kvantitativni efekat na konstantu disocijacije. 38
N 2 u p-položaju: veći uticaj! Induktivni efekat! Stabilizuje anjon Stabilizuje anjon m položaj-samo induktivni efekat! p položaj-induktivni i mezomerni efekat! Hametova jednačina uzima u obzir i mezomerni i induktivni efekat supstituenata. 39
Mezomerni efekat!? Vrednost σ zavisi da li je supstituent u m ili p položaju. rto položaj se ne odredjuje (sterne smetnje). CH CH K a = 6.25x10-5 ben Cl K a = 10.0x10-5 x σ x = log (K x /K benzoeva kiselina ) Log 10.0x10-5 6.25x10-5 = 0.204 =σ p for Cl Ako je K x > K benz. kis i σ x = log K x log K benz. Kis ; σ će biti pozitivna vrednost. (σ+) -supstituenti akceptori elektrona, (σ-) supstituenti donori elektrona 40
supstituent σ meta σ para CH 3-0.07-0.13 NH 2-0.16-0.66 CN 0.56 0.66 N 2 0.71 0.78 CH 3 0.12-0.27 u m položaju- induktivni EA efekat u p položaju- mezomerni ED efekat (σ+) supstituenti akceptori elektrona, (σ-) supstituenti donori elektrona Craig-ov grafik -vizuelizacija relativnih osobina (π i σ) različitih supstituenata EA, lipofilan Craig-ov grafik za para-aromatične supstituente 41
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-ovog grafika Primer 1: Uvodjenjem CH 3 supstituenta u hipotetičku molekulu A dobijeno je jedinjenje sa povećanom aktivnošću. Ako je zamenom CH 3 grupe sa terc. butilom grupom došlo do znatnog smanjenja aktivnosti od značaja za dejstvo su : a) Elektronski efekti b) Efekti lipofilnosti Korišćenjem Carig-ovog grafika predložite uvodjenje sledećeg supstituenta koji će uticati na dalje povećanje aktivnosti hipotetičke molekule. 42
Primena Craig-ovog grafika Primer 2: Uvodjenjem H supstituenta u hipotetičku molekulu A dobijeno je jedinjenje sa povećanom aktivnošću. Ako je zamenom H grupe sa CCH 3 grupom došlo do daljeg povećanja aktivnosti od značaja za dejstvo su : a) Elektronski efekti b) Efekti lipofilnosti Korišćenjem Carig-ovog grafika predložite uvodjenje sledećeg supstituenta koji ćeuticati na dalje povećanje aktivnosti hipotetičke molekule. Linearni odnos log(k/k 0 ) derivata benzoeve i fenilsirćetne kiselinu. K 0 Benzoeva kis. R K Log(K/K 0 ) H 6,2x10-5 0 Et 4,4x10-5 -0,15 N 2 37,05x10-5 0,776 K 0 Fenilsirćetna kis. fenil-sirćetna kiselina Log(K/K 0 ) R K Log(K/K 0 ) H 5,2x10-5 0 Et 4,2x10-5 -0,09 benzoeva kiselina Log(K/K 0 ) N 2 14,1x10-5 0,43 43
ρ-zavisi od osnovne strukture kiseline (benzoeva kiselina, fenilsirćetna kiselina) Derivati benzoeve kiseline Log (K/K 0 ) Benzoeva kiselina Log (K/K 0 )=σ Log (K x /K 0 )=ρσ veće rastojanje između supstituenta i protona smanjenje ρ referenca 44
Primena Hammetove jednačine: predviđanje pka derivata benzoeve kiseline pk kis =pk 0(kis) -ρ (kis) Σσ Σσ supstituenata 2 N H 3 C 2 N CH supstituent σ meta σ para CH 3-0.07-0.13 NH 2-0.16-0.66 CN 0.56 0.66 N 2 0.71 0.78 CH 3 0.12-0.27 pk kis =pk 0(kis) -ρ (kis) Σσ supstituenata Benzoeva kiselina: pk 0 =-log (6,2x10-5 )=4,2 ρ=1 kis 45
Zadatak: Predvideti pk vrednost prikazanog jedinjenja (ρ=0,21) CN supstituent σ meta σ para H 3 C H 3 C CH 2 CH 2 CH CH 3-0.07-0.13 NH 2-0.16-0.66 CN 0.56 0.66 N 2 0.71 0.78 CH 3 0.12-0.27 pk kis =pk 0 (kis) -ρ (kis) Σσ supstituenata 4. Sterni parametri Vezivanje leka za receptor zavisi od: voluminoznosti veličine oblika U kvantifikaciji sternih parametara primenjuju se tri pristupa: Molarna refraktivnost Verloopov sterni parametar Taftov parametar-e s 46
Molarna refraktivnost Mera zapremine prostora koji okupira neki atom ili grupa atoma MR = (n 2-1) x MW (n 2 +2) d n = indeks refrakcije MW= molekulska masa d = gustina MW/d definiše zapreminu (n 2-1)/ (n 2 +2) korekcioni faktor Verloop-ov sterni parametar Kompjuterski program izračunava sterne parametre za sve moguće konformacije iz: Van der Waalsovog radijusa Dužine veza Uglova koje grade veze 47
Van der Waalsov radijus Element radius (Å) Vodonik 1.20 Ugljenik 1.70 Azot 1.55 Kiseonik 1.52 Fluor 1.47 Fosfor 1.80 Sumpor 1.80 Hlor 1.75 Bakar 1.4 Imaginarna sfera koju zauzima atom E S (Taft-ov deskriptor) E S -eksperimentalni deskriptor -mera sternih efekata supstituenata (E S -) veći supstituent, povećanje negativne vrednosti E S 48
Pored Taftovog sternog parametra Es, definisani su i drugi sterni parametri nezavisno od kinetičkih podataka. Charton: V-vrednost, dobijena iz VdW radijusa. Definiše zapreminu supstituenta koji se nalazi 0,3 nm od reakcionog centra. QSAR model Građenje QSAR modela: 1. Trenirani (ispitivani) set molekula -veliki broj struktura -strukturno različite molekule 2. Deskriptori -značajni za ispitivanu osobinu ili aktivnost 3. Matematički model (jednačina) koji izražava odnos između osobine (aktivnosti) i deskriptora 4. Validacija matematičkog modela 49
Ispitivani set Kongenerički set molekula -set molekula sličnih hemijskih struktura (analoga) Me Me H CH 3 Me CH 3 Me CH 3 H H 3C H 3C H 3C NCH 3 NH NMe Nekongenerički set molekula -set molekula različitih hemijskih struktura CH 3 CH 3 NH 2 N N N N N CH 3 N N F F F H CH 3 - N -CH 3 H Selekcija deskriptora -izračunat je veliki broj 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 poznajemo mehanizam dejstva lekova) -automatski (pomoću statističkih metoda, upotreba programa) 50
Selekcija eliminacijom deskriptora (Backward selekcija) -počinje se sa QSAR modelom koji sadrži sve deskriptore -eliminišu se deskriptori čije odsustvo ne smanjuje preciznost modela -uspostavljanje korelacije sa značajnim deskriptorima Primer korelisanih deskriptora -za seriju alkana -dva visoko korelisana deskriptora: MW i broj C atoma Struktura C atomi C atomi MW bira se deskriptor koji sadrži potpuniju informaciju 51
Tabela podataka -prvi korak je sumiranje molekula i molekulskih karakteristika sobina koja se prati Deskriptori Jedinjenje Aktivnost Grafička analiza -preliminarne interpretacije -ispitivanja zakonitosti osobina osobina osobina Deskriptor x Deskriptor y osobina Deskriptor z Deskriptor k 52
Matematički modeli -uspostavljanje odgovarajućih korelacija -interpretacija modela Linearne metode Multilinearna regresija (Multilinear Regression Analysis, MLR), Metoda najmanjih kvadrata (Partial Least Squares, PLS) Nelinearne metode Metoda glavnih komponenata (Principal Component Analysis, PCA) Veštačke neuronske mreže (Artifical Neural Network, ANN) Matematički modeli linearna regresija model parabole Aktivnost Aktivnost Deskriptor Aktivnost= a (deskriptor 1 ) + b Deskriptor Aktivnost= a (deskriptor 1 ) 2 + b multipla linearna regresija Aktivnost= a(deskriptor 1 ) + b(deskriptor 2 ) + c(deskriptor 3 ) + d... 53
Multipla linearna regresija -korelacija sa više deskriptora -uticaji različitih faktora -linearnost za svaki pojedinačni deskriptor Koeficijenti Aktivnost= Deskriptori Multipla linearna regresija -antikonvulzivi -biloška aktivnost je rezultat kombinovanog dejstva lipofilnih, sternih i elektronskih efekata loš model dobar model 54
Koeficijent korelacije r 2 -stepen korelacije između eksperimentalnih i izračunatih vrednosti za aktivnost -od 0 do 1 Izmerena aktivnost Dobra korelacija Izmerena aktivnost Loša korelacija Izračunata aktivnost Izračunata aktivnost Validacija modela -standardna devijacija -r 2 poređenje različitih modela -t i F (mera reproduktivnosti modela za podatke koji su korišćeni za konstruisanje modela) 55