Diversidad combinatoria en la naturaleza

Diversidad combinatoria en la naturaleza
20 aminoácidos naturales dan
400 dipéptidos
8000 tripéptidos
64.000.000 de hexapéptidos
10400 proteinas de 30 kD
100 aminoácidos modificados quimicamente dan
1.000.000.000.000 de hexapéptidos
4 bases nucleosídicas codifican todos los organismos
Compuestos orgánicos con PM < 500 (C, H, O, N, P, S, F, Cl, Br, I)
aproximadamente 10120
Química combinatoria
La química combinatoria genera una multitud de compuestos
químicamente relacionados (congéneres), una biblioteca
combinatoria
En su versión original, en esas bibliotecas los compuestos
estaban mezclados (total o parcialmente)
La tendencia de los últimos años es hacia síntesis paralela
automatizada y purificación en paralelo:
one well one compound
1
síntesis orgánica clásica
1 reactivo x
1 reactivo =
1 producto
síntesis combinatoria
50 reactivos x 20 reactivos = 1.000 productos
En una secuencia de 2 pasos: 50 x 20 x 20 reactivos = 20.000 productos
reacción multicomponente (ej. reacción de Ugi)
50 x 20 x 5 x 200 reactivos = 1.000.000 de productos
se pueden generar una gran cantidad de compuestos con un número
limitado de bloques de construcción
R1
O
N
R2
N
R5
R3
R4
bloques de construcción por paso
2
10
20
compuestos posibles
25 = 32
105 = 100.000
205 = 3.200.000
2
Biblioteca combinatoria
bloques de construcción en 10 posiciones diferentes
R1-R10 5, 10, 10, 4, 2, 5, 5, 2, 5, 20 residuos diferentes
20.000.000 de compuestos diferentes
considerando los dos centros quirales (R1≠R2):
80.000.000 de compuestos diferentes
Síntesis en soportes sólidos
poliestireno entrecruzado
(1,0 -1,5% divinilbenceno)
las perlas se funcionalizan
por clorometilación y
reacciones posteriores
3
esquema de síntesis en fase sólida
inmovilización
perla (40-80μm)
con conector
molde con
grupos
funcionales
síntesis de 3 pasos
ruptura
producto
producto inmovilizado
Combinación de moldes y bloques de construcción
3 bloques de construcción A1-A3
y
3 bloques de construcción B1-B3
dan 9 productos
A1B1 - A3B3
10 x 10 x 10 bloques
darán 1000 productos
A1B1C1 – A10B10C10
4
La generación de mezclas combinatorias puede seguir varias
estrategias
mezcla de
bloques
mezcla de
resinas
mezcla de
bloques y
resinas
Método de combinar
y dividir para síntesis
de bibliotecas
5
3 mezclas con 9
compuestos
diferentes en cada
fracción
Los ensayos biológicos
pueden hacerse sobre
los productos liberados
en solución o
directamente sobre los
productos unidos al
soporte sólido
Para identificar los compuestos se
pueden usar codificaciones de base
química distinta (nucleótidos para
péptidos y viceversa) quimicamente
inertes en las condiciones utilizadas
También pueden usarse
codificadores fotolábiles que
una vez ensayados los
compuestos unidos al soporte,
son liberados por fotólisis y
analizados por ejemplo por CG
Las bibliotecas se someten a
análisis de deconvolución en
base a sus codificadores que
pueden ser leidos quimicamente
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Conectores: Merrifield y Wang
Resina de Merrifield
Resina de Wang
(varios pasos)
(producto)
Síntesis de péptidos:
dipéptido
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Otros conectores
ácido de Rink
amida de Rink
protegida
conector
de Sieber
protegido
conector
tritilo
conectores químicamente resistentes
estable
lábil
estable
lábil
estable
sin “grupo residual de enganche”
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conector fotolábil, puede liberar los compuestos en medio acuoso en presencia de
células vivas
Tan et al. J. Am. Chem. Soc., 121, 9073 (1999)
Un ligando multifuncional
Tan et al. J. Am. Chem. Soc., 121, 9073 (1999)
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Algunos ejemplos:
X=I reacciones de
acoplamiento
catalizadas por Pd:
Stille, Suzuki,
Sonogashira
Tan et al. J. Am. Chem. Soc., 121, 9073 (1999)
Síntesis de una biblioteca de benzodiazepinas
J. Am. Chem. Soc., 114, 10997 (1992)
10
Síntesis de una biblioteca de β-mercaptocetonas
J. Am. Chem. Soc., 116, 2661 (1994)
síntesis en solución con soporte polimérico
epimerización
básica
(±)epibatidina
J. Am. Chem. Soc., 119, 4882 (1997)
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Eliminación de productos secundarios, reactivos, etc.
estrategia de captura de resina
resina Amberlite aniónica
estrategia de captura y liberación
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Reacciones multicomponente
Reacciones multicomponente
Review sobre reacciones multicomponentes: A. Dömling, Chem. Rev. 106, 17-89 (2006)
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Moléculas complejas de reacciones multicomponente
4 pasos
y análogos
Generación de diversidad de moldes
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Aplicación de la reacción de Ugi:
biblioteca de anestésicos locales
lidocaina
lidofenina
aptocaina
pirrocaina
bupivacaina
tocainida
butanilicaina
mepivacaina
articaina
tolicaina
trimecaina
ropivacaina
prilocaina
cuatacaina
clodacaina
etidocaina
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inhibidores de trombina de una reacción tipo Ugi
biblioteca de 15.360
compuestos de:
Chem. Biol., 7, 433 (2000)
12 aminas
80 aldehidos
Ki = 2 nM
Otros ejemplos:
16 isonitrilos
(trombina)
J.A.C.S. 128, 7122 (2006)
Desarrollo de la química combinatoria:
•
•
•
•
•
de péptidos a moléculas orgánicas en general
de grandes a pequeñas bibliotecas
de mezclas a compuestos puros
de síntesis combinatoria a
síntesis paralela automatizada de
moléculas con características de drogas
de química a actividad biológica:
diseño enfocado de bibliotecas combinatorias
Objetivos: búsqueda de nuevos líderes y optimización de su afinidad
por el blanco (actividad), selectividad, ADME, reducción de
toxicidad y eliminación de efectos colaterales no deseados
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tipos de bibliotecas combinatorias
Bibliotecas
al azar
compuestos con características
de drogas
diversidad de moldes
orientadas a un blanco
Bibliotecas con
un blanco
diversidad de sustituyentes
similares al líder
Bibliotecas
enfocadas
completas
algunas reglas de la química combinatoria
•
La búsqueda de compuestos líder requiere un alto grado de
diversidad química
•
la optimización de compuestos líder requiere un alto grado
de similitud para cubrir el espacio químico alrededor del
líder
•
Varias bibliotecas pequeñas generan más diversidad que
una grande
•
Las características de droga son más importantes que la
accesibilidad sintética
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Regla de Lipinski
un candidato a droga debe tener:
•
Peso molecular < 500 Daltons
•
Lipofilicidad logP < 5
•
Donores de puente hidrógeno (OH + NH) ≤ 5
•
Aceptores de puente hidrógeno (O + N) ≤ 10
Lipinski et al., Adv. Drug Del. Rev. 23, 3–25 (1997)
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