FAMACEUTSKA HEMIJA 1 KVATITATIVI DSI STUKTUE I DEJSTVA LEKVA Predavač: Doc. dr. Slavica Erić Kvantitativni odnosi strukture i dejstva X H 4-X-pirazoli X heksil pentil propil metil J -propil -izopropil -metil H C H 2 Log1/Ki 6.9 6.82 6.47 6.37 6 5.89 5.46 5.17 4.88 4.48 3.61 1
QSA i QSP biološki efekat = f (molekulska struktura) -vezivanje molekula za odreñene receptore zavisi od molekulske strukture liganada i receptora QSA definisanje kvantitativnih odnosa strukture i dejstva leka matematičkim modelima QSP definisanje kvantitativnih odnosa strukture i osobina leka matematičkim modelima QSA na osnovu strukture liganada: Y = f (molekulska struktura leka lipofilnost, sterne osobine...) QSA na osnovu 3D strukture ciljnog mesta: Y= f (sile koje opisuju uzajamno delovanje leka i receptora energija vezivanja za receptor...) QSA jednačine QSA jednačina: Y - osobina (aktivnost) leka koja se koreliše X 1, X 2, X 3 - deskriptori koji opisuju karakteristike molekula od značaja za datu osobinu (aktivnost) f različite matematičke metode (linearne i nelinearne) kojima se uspostavljaju korelacije izmeñu osobina (aktivnosti) i molekulskih deskriptora Y = f (X 1, X 2, X 3 ) matematički modeli se definišu pojedinačno za svaku osobinu leka: Bioraspoloživost = f1 (set deskriptora 1) Permeabilnost ćelija = f2 (set deskriptora 2) Toksičnost = f3 (set deskriptora 3) Afinitet vezivanja za receptor = f4 (set deskriptora 4) 2
Cilj QSA analize -razumevanje odnosa izmeñu strukture i dejstva (osobina) lekova -dizajniranje lekova sa poboljšanim osobinama -predviñanje osobina molekula pre sinteze Molekulski deskriptori -eksperimentalni (log p, Es, m) potrebna je sintetisana molekula da bi se izveo eksperiment -izračunati - na osnovu hemijske strukture molekula hemijska struktura molekula: 1D deskriptori: broj, broj 2D deskriptori: broj akceptora H-veze, broj rotirajućih veza, broj prstenova 3D deskriptori: površina molekula, zapremina molekula, dipolni moment 3
Molekulski deskriptori najznačajnije osobine molekula opisane molekulskim deskriptorima sobina molekula Lipofilnost Sterne osobine Elektronske osobine Deskriptor log P, M, π, Es, M, MV σ, PSA Vrste deskriptora: konstitucioni, topološki, geometrijski, elektronski, kvantno-hemijski... Deskriptori lipofilnosti: π -opisuje lipofilnost supstituenata -razlika logp supstituisanog i nesupstituisanog jedinjenja -(π+) hidrofobniji supstituenti od H -(π-) manje hidrofobni supstituenti od H π = log P log P H F H Log P = 2.27 Log P = 2.13 π F = 2.27 2.13 = 0.15 4
π-deskriptor π vrednosti supstituenata Grupa CH 3 t-bu H CH 3 CF 3 Cl Br F π Alifatični supstitienti 0.50 1.68-1.16 0.47 1.07 0.39 0.60-0.17 π Aromatični supstitienti 0.52 1.68-0.67-0.02 1.16 0.71 0.86 0.14 π-deskriptor u QSA analizi Cl CH 2 Cl Benzen logp=2.13 Hlorobenzen logp=2.84 Benzamid logp=0.64 CH 2 Meta-hlorbenzamid Log P (hlorbenzamid) = log P (benzen) + π Cl + π CH2 = 2.13 + 0.71 + (-1.49) =1.35 QSA analiza: Log P exp = 1.51 -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 5
Elektronski deskriptori H CH H C - + H + donori elektrona K 0 = 6.2 akceptori elektrona x10-5 H 3 CH 2 C CH H 3 CH 2 C C - + H + (4.4) donori elektrona akceptori elektrona x10-5 K= 4.4 2 CH 2 C - + H + donori elektrona akceptori elektrona K= 37.05 x10-5 (14.1) Derivati fenilsirćetne kiseline H H + H + CH C - donori elektrona K 0 = 5.2 akceptori elektrona x10-5 H 3 CH 2 C H 3 CH 2 C + H + CH C - donori elektrona akceptori elektrona (4.4) 2 K= 4.2 2 x10-5 + H + CH C - donori elektrona akceptori elektrona K= 14.1 x10-5 (14.1) 6
Hammet-ova jednačina σ -deskriptor supstituenata, opisuje uticaj supstituenata na konstantu disocijacije jedinjenja σ = log(k/k H ) = logk x - logk H (σ+) -supstituenti akceptori elektrona (σ-) supstituenti donori elektrona Hammet-ova jednačina -linearni odnos log(k/k 0 ) za derivate benzojeve i fenilsirćetne kiseline BEZJEVA KISELIA K log(k/k 0 ) 2 37.05x10-5 0.776 Et 4.4x10-5 -0.15 H 6.2x10-5 (K 0 ) 0 FEILSIĆETA KISELIA K log(k/k 0 ) 2 14.1x10-5 0.43 Et 4.2x10-5 -0.09 H 5.2x10-5 0 Y = ρx logk/k 0 =ρlogk/k 0 σ y = ρσ x 7
Hammet-ova jednačina Y = ρx logk/k 0 =ρlogk/k 0 σ y = ρσ x -ρ zavisi od osnovne strukture kiseline -ρ opisuje veličinu efekta koji supstituent može da ispolji na konstantu disocijacije odreñene osnovne strukture jedinjenja -σ deskriptor supstituenata, opisuje uticaj supstituenata na konstantu disocijacije jedinjenja Hammet-ova jednačina CH ρ = 1 referentna CH 2 CH ρ = 0.49 CH 2 CH 2 CH ρ = 0.21 -veće rastojanje izmeñu supstituenta i protona smanjenje ρ 8
Uticaj m- i p- nitro grupe Hammet-ova jednačina uzima u obzir i rezonancioni i induktuivni efekat supstituenata konstanta će zavisiti od položaja supstitienta (u para ili u meta) u orto položaju ne može se odrediti konstanta zbog uticaja sternih efekata + - Meta nitro grupa-elektronski efekat na je induktivni - + - H + - - - + - - para nitro grupa - elektronski efekat na je induktivni i rezonantni Uticaj m- i p- hidroksi grupe H Meta- hidroksi grupa-elektronski efekat na je induktivni H H + H + H + Meta hidroksi grupa-elektronski efekat na -dominira rezonantni efekat 9
σ konstante (σ+) -supstituenti akceptori elektrona (σ-) supstituenti donori elektrona -meta i para supstituenti različite σ log (K/K 0 ) > 1 log (K/K 0 ) < 1 supstituent σ meta σ para CH 3 H 2 C 2 CH 3-0.07-0.16 0.56 0.71 0.12-0.13-0.66 0.66 0.78-0.27 Predviñanje pk a derivata benzojeve kiseline Izračunati pk a jedinjenja: Sup. σ meta σ para 2 CH 3-0.07-0.13 2 0.71 0.78 H 3 C CH 2 benzojeva kiselina: pk 0 = -log(6.2x10-5 ) = 4.2 ρ=1 Log K/K 0 = ρσ logk logk 0 = ρσ -pk a + pk 0 = ρσ pk a = pk 0 -ρσ pka kis. = pk 0 kis. - ρkis. σ sup pka kis = 4.2 1.00 (0.71 0.13 + 0.71) = 2.91 10
Predviñanje pk a Zadatak: Predvideti pk a vrednost prikazanog jedinjenja (ρ=0.21). H 3 C C H 2 C H 2 C CH supstituent σ meta σ para CH 3-0.07-0.13 H 2-0.16-0.66 C 0.56 0.66 2 0.71 0.78 CH 3 0.12-0.27 H 3 C pk kis = 4.2 0.21 (0.56 0.27-0.007) = 4.15 QSA inhibitora AChE P Et Et 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) 11
Elektronske konstante za alifatična jedinjenja -merenje stepena hidrolize serije alifatičnih estara -metiletanoat je osnovni estar, X supstituent utiče na hidrolizu C C X C H X C H 2 H2 Me + HMe -induktivni efekat supstituenata σ I donora elektrona: metil (-0.04), etil (-0-07), propil (-0.36) σ I akceptora elektrona: + Me 3 (0.93) i C (0.53) -sterni efekat (u H sredini- značajni sterni i elektronski faktori u H + sredini značajni sterni faktori) 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 C C X C H H X C 2 H2 Me + HMe -veći supstituent, povećanje negativne vrednosti E S Es=log K(C 2 CH 3 )/K(CH 3 C 2 CH 3 ) K- konstanta hidrolize estra X H F Cl Br I Me Es 1.24 0.78 0.27 0.08-0.16 0.00 12
Molarna refraktivnost (M) M-molarna refraktivnost: zapremina molekula korigovana indeksom refrakcije d- gustina n-indeks refrakcije MW/d zapremina (n 2-1)/(n 2 +1) korekcioni faktor (polarizacija supstituenta, značajno ukoliko supstituent ima π elektrone ili elektronske parove) H H 34.37 29.84 33.89 33.18 57.92 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) C H radijusi grupa za CH 13
Hansch-ova jednačina deskriptori: elektronski (σ), Es (Taft), π, M 1/C - aktivnost log(1/c)=k 1 logp + k 2 σ + k 3 Es +k 4 log(1/c)=-k 1 (logp) 2 + k 2 logp + k 3 σ + k 4 Es +k 5 Primer: adrenergički blokatori, β-halo arilamini X Y H C H 2 C ' log(1/c) = 1.22π - 1.59σ + 7.89 Povećanje log(1/c), supstitienti: hidrofobni (+π), donori elektrona (-σ) Hansch-ova jednačina -deskriptori sličnog značenja koji pokazuju visoku interkorelaciju, jedan se isključuje -log P i π nisu uvek interkorelisani (H)HC CH 2 H 2 ''' X Y log(1/c) = -0.015(logP) 2 + 0.14logP + 0.27 π x + 0.40 π y + 0.65 σ x + 0.88 σ y +2.34 14
Craig-ov grafik -vizuelizacija relativnih osobina (π i σ) različitih supstituenata Craig-ov grafik za para-aromatične supstituente Craig-ov grafik -supstituenti koji imaju pozitivne - negativne ili samo pozitivne vrednosti π i σ -supstituenti koji imaju slične π vrednosti (mogu se meñusobno menjati) -supstituenti koji imaju slične σ vrednosti -izbor supstituenata za QSA analizu 15
Primena Craig-ov grafika Primer 1: Uvoñenjem metil supstituenta u hipotetičku molekulu A dobijen je molekul sa povećanom aktivnošću. Ukoliko je zamenom CH 3 grupe sa terc. butil grupom došlo do znatnog smanjenja aktivnosti, od značaja za dejstvo su: a) elektronski efekti b) efekti lipofilnosti Korišćenjem Craig-ovog grafika predložiti uvoñenje sledećeg supstituenta koji će uticati na dalje povećanje aktivnosti hipotetičke molekule Primena Craig-ov grafika Primer 2:Uvoñenjem H grupe u hipotetičku molekulu A dobijen je molekul sa povećanom aktivnošću. Ukoliko 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 Craig-ovog grafika predložiti uvoñenje sledećeg supstitienta koji će uticati na dalje povećanje aktivnosti hipotetičke molekule. 16
Topliss-ova šema A) Merenje aktivnosti nesupstituisanog molekula 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 za aromatična jedinjenja 17
Topliss-ova šema za alifatična jedinjenja QSA 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 izmeñu osobine (aktivnosti) i deskriptora 4. Validacija matematičkog modela 5. Interpretacija QSA modela 18
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 CH 3 H 3C H H 3C Me ekongenerički set molekula -set molekula različitih hemijskih struktura CH 3 CH 3 H 2 CH 3 F F F H CH 3 - -CH 3 H Izračunavanje i selekcija deskriptora -veliki broj izračunatih deskriptora za QSA analizu -dobar model sadrži mali broj dobro izabranih deskriptora -veliki broj deskriptora može da dovede do grešaka u predviñanju 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) 19
Matematički modeli -uspostavljanje odgovarajućih korelacija -interpretacija modela Linearne metode Multilinearna regresija (Multilinear egression Analysis, ML), Metoda najmanjih kvadrata (Partial Least Squares, PLS) elinearne metode Metoda glavnih komponenata (Principal Component Analysis, PCA) Veštačke neuronske mreže (Artifical eural etwork, A) Validacija modela Validacija ispitivanog seta: r 2, Sd, t, F Log(1/C) = 1.14 logp + 0.16 n=25, r 2 =0.91, S=0.155, F=66.4, Q 2 =0.875 Validacija test seta: r 2, Sd, t, F Test set sadrži nova jedinjenja koja nisu uključena u QSA model 20
21 Preciznost QSA modela 8.40 8.30 9 8.03 8.16 8 7.52 7.52 7 9.08 9.30 6 9.25 9.25 5 8.84 8.89 4 8.59 8.68 3 8.16 8.16 2 7.82 7.46 1 Log(1/C)rač. Log(1/C)exp Jedinjenje Ispitivani set Log(1/C)rač. Log(1/C)exp Jedinjenje 8.75 8.95 5 7.22 7.46 4 9.09 9.18 3 8.37 8.22 2 7.05 7.29 1 Test set